Robust Control of Industrial Hydraulic Cylinder Drives - with Special Reference to Sliding Mode- & Finite-Time Control

I industrien er kravene til maskiners og applikationers ydeevne konstant stigende, og med udviklingen af proportionale flow-styringskomponenter til rimelige priser, har markedet i stigende grad fokus på styrede hydrauliske løsninger. Til serieproducerede systemer såsom presser osv. udvikles der ofte dedikerede regulatorer og styringer, men det store flertal af de hydrauliske systemer der udvikles, produceres i begrænset antal og til specielle applikationer, og her anvendes ofte stand alone regulatorer. Sådanne regulatorstrukturer giver typisk mulighed for at anvende traditionelle lineære regulatorer såsom PID regulatorer og varianter af disse, hvor parametre kan justeres via grafiske brugerflader. På grund af ulineariteterne i hydrauliske systemer samt den ofte begrænsede viden om systemparametre og reguleringsteori, idriftsættes hydrauliske reguleringssystemer ofte med dårlige resultater til følge, og uden indikatorer på stabilitetsmarginer, robusthed mod parametervariationer, forstyrrelser osv. Idriftsættelse af denne type systemer er derfor ofte en iterativ og dermed kostbar proces, hvilket gør det vanskeligt at overholde stramme budgetter og leveringsdeadlines.

Formålet med dette projekt er at overvinde disse problemer, og at udvikle regulatorer med fokus på robusthed, ensartet ydeevne, enkle parameterdesigns og anvendelighed under industrielle betingelser, dvs. med kun tryk-, stempel- og gliderpositionssensorer, standard- proportionalventiler og elektronisk regulerings-hardware. Projektet er begrænset til positionsregulering. For at opfylde projektets mål, er muligheden for at monitorere systemets parametre online blevet undersøgt med det formål at kompensere for ulineariteter samt online regulatortuning. I denne forbindelse er metoder til kompensering af systemets forstærking blevet udviklet - en metode baseret på rekursive mindste kvadraters metode, og en modelbaseret type ved brug af sensorer.

For at opnå en konsistent regulatorydeevne, et simpelt parameter design og robusthed på trods af usikre parametre og forstyrrelser, er sliding mode reguleringsmetoder blevet undersøgt. Særligt er højere ordens sliding mode reguleringsmetoder blevet undersøgt, hvilket skyldes muligheden for at opretholde de vigtigste egenskaber ved sliding mode regulering, men med kontinuerte indgangssignaler. Anvendeligheden af anden ordens sliding mode regulatorer er blevet undersøgt, og videreudviklet baseret på homogenitetsprincipper, med henblik på mere egnede regulatorer til hydrauliske systemer, end konventionelle anden orderns sliding mode regulatorer. Desuden er en udvidelse af anden ordens sliding algoritmen kendt som twisting algoritmen blevet udviklet, med kompensering for lokale ligevægtspunkter, og selv en vilkårlig ordens sliding mode regulator er blevet undersøgt i et fremtidigt perspektiv.

Eksperimentelle resultater viser at den modelbaserede systemforstærkningskompensator forbedrer ydeevnen, selv i reguleringssystemer med lineære regulatorer. Resultaterne af de forskellige reguleringsdesigns demonstrerer forbedret evne til at følge tidsvariende referencesignaler sammenlignet med konventionelle lineære reguleringsmetoder baseret på den bedste industrielle praksis. Særligt videreudviklingerne af anden ordens sliding mode regulatorerne baseret på homogenitetsprincipper findes specielt egnede til hydrauliske cylinderdrev, der opererer under industrielle betingelser. Disse regulatorer demonstrerer en overlegen ydeevne sammenlignet med konventionelle metoder, og kan idriftsættes med en begrænset tuningsindsats. Kombineret med den nævnte systemforstærkningskompensator, anses de resulterende reguleringsstrukturer for at være de vigtigste resultater i forhold til det overordnede mål for projektet.