Digitaalihydraulinen 3-tiepaineenalennusventtiili

Abstract

Digitaalihydrauliikan kehitys on ollut viime aikoina erittäin nopeaa. Suurimmat ponnistukset on suunnattu nopeampiin venttiileihin, energiatehokkaisiin järjestelmiin ja digitaalihydraulisiin toimilaitteisiin. Digitaalihydraulinen paineensäätö on kuitenkin eräs alue, joka on jäänyt melko vähälle huomiolle. Tämän työn tavoitteena oli kehittää digitaalihydraulinen 3-tiepaineenalennusventtiili sekä mitata ja verrata sen ominaisuuksia hyvälaatuiseen analogiseen venttiiliin. Toisena tavoitteena oli esittää digitaalihydrauliikkaan liittyvää aineistoa mahdollisimman yleistajuisesti yksiin kansiin koottuna. Työssä käytetty digitaaliventtiilijärjestelmä koostuu kahdesta kuusiventtiilisestä DFCU:sta (Digital Flow Control Unit), ohjausyksiköstä ja ulkoisesta, kontrollitilavuuden painetta mittaavasta anturista. Venttiileinä käytettiin helposti saatavilla olevia ja melko hitaita patruunaventtiileitä, joiden nimellistilavuusvirta mitoitettiin erillisten kuristuslaattojen avulla noudattelemaan binääristä sarjaa. Ohjausjärjestelmän pohjaksi valittiin PID-säätäjä sen yksinkertaisen viritettävyyden ja pienen laskentatehon tarpeen vuoksi. Ohjaus toteutettiin dSPACE-reaaliaikajärjestelmällä. Lisäksi kehitettiin simulointimalli helpottamaan venttiilijärjestelmän parametrien testaamista ja ohjausuudistusten merkitysten arvioimista. Työssä esitellään muutamia tapoja parantaa venttiilin toimintaa. Viiveiden kompensoimisella pyrittiin vähentämään paineiskuja tilojen vaihtotilanteissa, antiwindup–toiminnolla pyrittiin vähentämään ohjauksen ajautumista venttiilijärjestelmän saturaatiotilanteissa ja nopeutuskytkennällä nopeuttamaan venttiilien asentojen vaihtumista. Mitattuja tuloksia esitellään ja verrataan analogiseen venttiiliin sekä järjestelmässä esiintyviä ongelmia ja tulevaisuuden tutkimuskohteita arvioidaan loppupohdinnassa. /Kir10

Development in the field of digital hydraulics has been rapid lately. Some of the main focuses of the research have been in developing faster acting valves, more energy efficient systems and developing digital actuators. However the area of digital hydraulic pressure control is still relatively unknown. In this study the goal was to develop a digital hydraulic three-way pressure reducing valve system and to measure and compare its characteristics to a high-quality analog pressure reducing valve. The other goal is to gather the main information of this area in easily understandable form to one place. The studied digital hydraulic pressure reducing valve system consists of two six-valve DFCUs (Digital Flow Control Unit) and a controller with a separate pressure feedback sensor of the control volume. Common, rather slow, on/off –cartridge valves were used with a separate fixed orifice plates to get binary coded nominal flow rates. For controller a basic PID–controller was chosen in order to make it easy to tune and with low demand for computing power. The controller was realized with a dSPACE real-time system. In addition, a simulation model was developed for easier testing of different parameters and to find ways to further enhance the performance of the valve system. The study introduces a few ways to improve the performance of the digital hydraulic pressure reducing valve system. Delay compensation was used to reduce pressure peaks in state changing situations, antiwindup –system was adopted to ease problems in flow saturation situations and booster circuits was used for faster valve actuation. Measured results are shown and some still remaining problems and the need for the future research are discussed.