Έλεγχος υδραυλικού συστήματος με κλασσικό και σύγχρονο ελεγκτή

Abstract

Η παρούσα μελέτη ασχολείται με τη σύγκριση αξιόπιστων μεθόδων ελέγχου, κλασσικού αλλά και σύγχρονου χαρακτήρα που χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο ενός θεωρητικού υδραυλικού μοντέλου, με σκοπό την εύρεση της πιό αποδοτικής μεθόδου. Βασικός λόγος για τη χρήση των υδραυλικών και των πνευματικών συστημάτων ελέγχου σε πολλές εφαρμογές είναι η ικανότητά τους να συσσωρεύουν και να αποδίδουν μεγάλες δυνάμεις. Μια βασική αρχή της λειτουργίας των υδραυλικών και πνευματικών ενεργοποιητών είναι η μετατροπή της παρεχόμενης ροής σε πίεση και δύναμη που χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τη δημιουργία ή την ενίσχυση γραμμικής ή περιστροφική κίνησης. Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές χρησιμοποιούν την ιδιότητα των υγρών να κατανέμουν τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά σε διάφορες θέσεις. Μια άλλη ιδιότητα των υγρών είναι ότι έχουν πολύ μικρή συμπιεστότητα (πρακτικά θεωρούνται ασυμπίεστα). Σύμφωνα με τον νόμο του Pascal, κάθε υγρό μεταφέρει την πίεση που εφαρμόζεται σε μια επιφάνειά του με αμείωτη ένταση σε κάθε άλλη επιφάνειά του. Οι υδραυλικοί ενεργοποιητές λειτουργούν σε υψηλές πιέσεις και είναι κατάλληλοι για εφαρμογές που απαιτούν να ασκηθούν πολύ μεγάλες δυνάμεις. Το μαθηματικό μοντέλο, που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση, αναπτύχθηκε σε Matlab / Simulink περιβάλλον, κάνοντας χρήση της βιβλιοθήκης Sim Hydraulics και απαρτίζεται από τρία κύρια μέρη το μηχανικό τμήμα, το υδραυλικό τμήμα και τον ελεγκτή. Το μηχανικό τμήμα αντιπροσωπεύεται από την αντλία η οποία τροφοδοτεί το κύκλωμα με υγρό για να πραγματοποιούνται οι κινήσεις σε αυτό. Το υδραυλικό τμήμα, διαιρείται στο έμβολο και την κατευθυντήρια βαλβίδα. Η βαλβίδα τροφοδοτείται από το σύστημα και κατευθύνει την κίνηση του εμβόλου. Το έμβολο, τηρώντας κάποιες απαραίτητες προδιαγραφές, εκτελεί κίνηση σε ένα πλαίσιο επιθυμητών τιμών εκτελώντας ή την τελική λειτουργία (π.χ. πρέσσα) ή μεταφέρει την κίνηση σε επιμέρους στάδια της διεργασίας που εξελίσσεται (π.χ. κουβάς εκσκαφέα) . Τηv ποιότητα της συμπεριφοράς αυτής τηv καθορίζει ο ελεγκτής. Ο ελεγκτής είναι το Τηv ποιότητα της συμπεριφοράς αυτής τηv καθορίζει ο ελεγκτής. Ο ελεγκτής είναι το σημαντικότερο λειτουργικό μέρος του συστήματος. Θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ο "εγκέφαλος" του συστήματος, ενώ η βαλβίδα ως η καρδιά του και το έμβολο ως εκτελεστικό όργανο. Η μελέτη ασχολείται αφενός με την περιγραφή της ανάπτυξης του μοντέλου, αφετέρου με την εξαγωγή συμπερασμάτων μέσα από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης για την συμπεριφορά του συστήματος. Τα βασικά χαρακτηριστικά που θα κρίνουν τον ελεγκτή ως τον καταλληλότερο είναι η ευστάθεια (Stability), η προσαρμοστικότητα (Adaptivity), η ακρίβεια (Accuracy) καθώς και η ταχύτητα ανταπόκρισης (Fast response) που προσδίδει στο σύστημα για την βέλτιστη λειτουργία του. Η αναλυτική σύνθεση του υδραυλικού μοντέλου καθώς και των ελεγκτών του χωρίζεται σε δύο κύριες κατηγορίες. Η πρώτη περιγράφει το κλασσικός ελεγκτής τριών όρων Αναλογικό-Ολοκληρωτικό-Διαφορικό (PID controller) και η δεύτερη των σύγχρονος, αυτοπροσαρμοζόμενος ελεγκτής Fuzzy Logic Controller (FLC) μαζί με τους κανόνες δόμησης του. Μέσα από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης, εξάγονται συμπεράσματα για την απόδοση των ελεγκτών καθώς και για την χρήση του όρου ολοκλήρωσης (Ι-integral).