IHA 2570 Digitaalihydrauliikka, syksy 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kurssin järjestelyt Luennot Tiistaisin klo 2.5 3.45 (ei taukoa) Harjoitukset IHAn mikroluokassa Period II: Friday 2.5 3.45 Period III: Friday 3.5 4.45 Toinen harjoitusaika? Luennot: Matti Linjama Harjoitukset: Matti Linjama & Mikko Huova (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 2
Kurssin järjestelyt (jatk.) Kurssin www sivut ensisijainen tiedotuskanava Luentomateriaali PDF muodossa Harjoitustyö Mahdolliset lisäohjeet ja service packit yms. Ilmoitustaululla ilmoitetaan lähinnä suorituksista HUOM! Luentomateriaalia päivitetään koko kurssin ajan. (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 3 Kurssin suoritustapa Pakollinen tentti + pakollinen harjoitustyö Molemmat suoritettava hyväksytysti Tentin painoarvo 2/3, harjoitustyön /3 Harjoitukset vapaaehtoisia, mutta välttämättömiä kurssin läpäisemiseksi (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 4 2
Aikataulu ja aiheet 6.0. Johdanto digitaalisuuteen 23.0. Binääriset hydraulikomponentit, on/off venttiilit 30.0. Digitaaliset hydraulitekniikat, digitaalihydrauliikka 6.. DFCU Digitaalinen säätöventtiili 3.. Työmatka, ei luentoja eikä harjoituksia 20.. Digitaaliset venttiilijärjestelmät 27.. Tenttiviikko, ei luentoa 4.2. Paineiskut digitaalihydrauliikassa (Arto Laamanen).2. Digitaalihydrauliikan vikasietoisuus (Lauri Siivonen) 8.2. Uudet tekniikat, miniaturisointi, tulevaisuus (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 5 Digitaalisuus, mitä se on? Wikipedia 27.9.07: A digital system is one that uses discrete values (often electrical voltages), representing numbers or non numeric symbols such as letters or icons, for input, processing, transmission, storage, or display, rather than a continuous spectrum of values (ie, as in an analog system). Vrt. Analoginen järjestelmä, jossa on ääretön määrä erilaisia arvoja Useimmiten puhdas analogisuus on vain illuusio (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 6 3
Esimerkkejä digitaalisista järjestelmistä Arabic:,,,,,,,, Cyrillic:,,,,,,,,,,,,,,, Greek:,,,,,,,,,,,,,,, Hebrew:,,,,,,,,,,,,,,,. Latin: A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 7 Binääriset komponentit Useimmat digitaaliset järjestelmät perustuvat binäärisiin eli kaksiarvoisiin komponentteihin Komponentti on päällä tai pois päältä Esimerkkejä Taskulamppu vai muu valaisin Transistori (johtaa tai ei johda) On/off venttiili (kiinni tai auki) Sähkömoottori (päällä tai pois päältä) (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 8 4
Binäärinen lukujärjestelmä Käytetään kaksiarvoisia lukuja 0 ja Yksinkertaisin lukujärjestelmä Aivan yhtä hyvä kuin tutumpi kymmenjärjestelmä N bitillä voidaan esittää 2 N erilaista arvoa N 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 N 2 4 8 6 32 64 28 256 52 024 Kymmenjärjestelmä 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 Binääriluvut 0 0 00 0 0 000 00 00 0 00 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 9 Binäärijärjestelmä (jatk.) Tietokoneet käyttävät binäärijärjestelmää Transistori johtaa tai ei johda Esim. kaksinkertaisen tarkkuuden liukuluku (yksinkertaistettuna) Yksi bitti etumerkille bittiä eksponentille 2 024 2 023 0 308 0 308 52+ bittiä itse luvulle 0 6 erilaista arvoa eli noin 6 merkitsevää numeroa Tietokone ei ymmärrä eikä käsittele analogisia signaaleita Analoginen signaali täytyy muuntaa ensin digitaaliseen muotoon (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 0 5
Signaaleiden määritelmiä Aikajatkuva signaali Signaali on määritelty jollakin välillä kaikilla ajanhetkillä eli aikaton reaaliluku Esim:f(t) = sin(t),t +, Esim2: Ilman lämpötila ajan funktiona Aikadiskreetti signaali Signaali on määritelty vain tietyillä ajanhetkillä Usein tasaväliset aikapisteet Esim.f(t) = sin(t),t= [0,, 2, 3, 4, 5], Esim2: Ilman lämpötila tasatunnein. Analoginen signaali Signaali on aikajatkuva ja signaalin arvo on aito reaaliluku, esim. sin(x) Harva signaali on oikeasti analoginen Digitaalinen signaali Signaali on aikadiskreetti ja signaalin arvolla on vain tiettyjä diskreettejä arvoja (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo AD muunnos AD muunnoksessa analogista signaalia approksimoidaan digitaalisella signaalilla Lopputulos on sekä aikadiskreetti että diskreettiarvoinen AD muunnoksessa syntyy kvantisointivirhe koska käytössä on vain tietyt diskreetit arvot (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 2 6
AD muunnos esimerkki Talletetaan signaaleista sin(t) ja 7*sin(t) arvoja tietokoneelle 0.5 sekunnin välein käyttäen 4 bittistä binäärilukua. Käytössä on arvot 7, 6, 5, 4, 3, 2,, 0,, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 sin(t) 0 Analoginen Digitaalinen 0 2 3 4 5 6 7 8 0 7*sin(t) 0 Analoginen Digitaalinen 0 0 2 3 4 5 6 7 8 Aika [s] (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 3 Kvantisointivirhe Digitaalisella signaalilla on vain tiettyjä diskreettejä arvoja. Tästä aiheutuu aina kvantisointivirhettä. sin(t) Kvantisointivirheen suuruus riippuu AD muuntimen toiminta alueesta Esim. 0 5 V, 0 0 V Kuinka monta arvoa on käytössä 8 bittiä = 256, 2 bittiä = 4096, 6 bittiä = 65536 arvoa Muunnetaan esim. 3.00000000 voltin analoginen signaali digitaaliseksi 8 bit, 0 5 V 0000 = 3.0078 V 8 bit, 0 0 V 0000 2.9688 V 2 bit, 0 5 V 000000 3.0005 V 0 Analoginen Digitaalinen 0 2 3 4 5 6 7 8 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 4 7
DA muunnos DA muunnoksessa digitaalinen signaali muutetaan aikajatkuvaksi Yleisin tapa on Zero Order Hold (ZOH), jossa signaalin arvo on vakio aikapisteiden välissä sin(t) 0 Tarkasti ottaen lopputulos ei ole analoginen signaali vaan jatkuvaaikainen ja diskreetti Digitaalinen ZOH equivalence arvoinen 0 2 3 4 5 6 7 8 0 7*sin(t) 0 Digitaalinen ZOH equivalence 0 0 2 3 4 5 6 7 8 Aika [s] (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 5 Digitaalinen Järjestelmä Iso Joukko Samanlaisia Digitaalisia Komponentteja + Älykäs Ohjaus Digitaalisille järjestelmille on tyypillistä, että niissä on iso määrä keskenään samanlaisia komponentteja Mikroprosessorin transistorit Digikameran tai näytön pikselit DVD levyn heijastavat ja matat alueet Muistitikun muistialkiot DNA:n emäkset Romaanin kirjaimet Pianon koskettimet Oleellista on myös älykäs ohjaus tai käyttö Driverit, DVD soitin, kirjailija, pianisti Järjestelmää, jossa on vain yksi diskreettiarvoinen komponentti, ei kutsuta digitaaliseksi ainakaan tällä kurssilla Esim. Taskulamppu, rajakytkin (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 6 8
Digitaalisuuden etuja On paljon helpompaa määritellä, onko signaali päällä vai pois kuin määritellä sen tarkka arvo Esim. TTL Logiikka: 0 0.8 V = OFF, 2 5 V = ON Sietää häiriöitä paljon paremmin kuin analogiatekniikka Toistettavuus ja häviötön kopiointi Käsitellään diskreettejä arvoja Ohjelmoitavuus Vrt. Gramofoni ja MP3 soitin Suorituskyky Hinta suhde usein parempi Vikasietoisuus Yhden pikselin pimeneminen digikamerassa ei juuri haittaa CD levyn korjausautomatiikka Massatuotanto Paljon samanlaisia komponentteja, ei tiukkoja toleransseja (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 7 Digitaalisuuden haasteita Monimutkaisempi ohjaus Tarvitaan enemmän komponentteja Kallista ilman massatuotantoa Rajoitettu tarkkuus, vain tietyt arvot käytössä (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 8 9
Binääriset hydraulikomponentit, on/off venttiilit Luento II Binääriset hydraulikomponentit Digitaaliset järjestelmät perustuvat yleensä kaksiarvoisiin eli binäärisiin komponentteihin Kaksiarvoisuus tarkoittaa, että ulostulolla on vain kaksi arvoa poislukien lyhyt siirtymäaika siirryttäessä tilasta toiseen Yleensä toinen arvo on nolla Hydraulisia ulostuloja ovat paine ja tilavuusvirta, mekaanisia asema, nopeus ja voima/momentti. Tällä kurssilla pääroolissa ovat venttiilit. Periaatteita esitetään kuitenkin myös muille komponenteille. (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 20
Hydraulipumppu Syrjäytyspumppu tuottaa tilavuusvirtaa Perässä oleva järjestelmä määrää paineen Kaksiarvoinen tilavuusvirran tuotto: Kiinteätilavuuksinen pumppu pyörii vakionopeudella (ON) tai on pysähtyneenä (OFF) Melko hidas tilanvaihto Kiinteätilavuuksinen pumppu pyörii vakionopeudella ja sen tuotto joko ohjataan järjestelmään (ON) tai takaisin tankkiin (OFF) Erittäin nopea tilanvaihto Tarvitaan kaksiarvoinen venttiili (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 2 Hydraulimoottori Moottori tuottaa momenttia, joka aiheuttaa mekanismin liikkeen Tarkastellaan vain yhteen suuntaan pyörivää moottoria Kaksiarvoinen momentin tuotto Esim. vakiopainejärjestelmä + venttiiliohjaus Tuottaa momenttia (ON) Ei tuota momenttia eli vapaalla (OFF) Myös liikkuu/ei liiku kaksiarvoisuus on mahdollista p = vakio /0 max (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 22 2
Hydraulisylinteri Hydraulisylinteri muuttaa paineen voimaksi Kaksiarvoisuus Mäntä miinus tai pluspäädyssä Aseman suhteen kaksiarvoinen Yleistä pneumatiikassa Liikkuu tai on paikallaan Nopeuden suhteen kaksi tai kolmiarvoinen Generoi voimaa tai ei generoi Voiman suhteen kaksi tai kolmiarvoinen x = x min x = x max (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 23 Hydraulinen kapasitanssi Kapasitanssi = tilavuus / tehollinen puristuskerroin, C = V/B Esimerkiksi öljytilavuus, letkunpätkä, paineakku Kaksiarvoisuus Kapasitanssi on kytketty järjestelmään tai ei ole (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 24 3
Suuntaventtiili Kaksiarvoinen suuntaventtiili on joko auki tai kiinni, siis On/Off venttiili Proportionaaliventtiilillä on myös väliasentoja Myöhemmin osoitetaan, että kaikki venttiilitoiminnot voidaan toteuttaa kaksiasentoisilla kaksitieventtiileillä Suuntaventtiilit, paineventtiilit, logiikkaventtiilit jne. Tärkein digitaalihydrauliikan komponentti Näitä venttiileitä tarvitaan myös muiden kaksiarvoisten komponenttien toteutuksessa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 25 Mitä iloa on kaksiarvoisista komponenteista? Yhdellä kaksiarvoisella komponentilla ei tee juuri mitään Kytketään traktorin ulostulo päälle/pois Ajetaan sylinteri päätyyn Tilanne muuttuu, kun komponentteja on useita ja kun komponentteja ohjataan älykkäästi (Luento III) (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 26 4
2/2 On/Off venttiili Yksinkertaisin mahdollinen aktiivinen hydraulikomponentti Venttiili on joko täysin kiinni (OFF) tai täysin auki (ON) Venttiili mallinnetaan turbulenttisena kuristuksena Q A Kvav sgn pp pa pp pa, QP QA K v on virtauskerroin, av on suhteellinen avaus (0 ) Kiinni tilassa venttiilin tilavuusvirta oletetaan nollaksi Luistiventtiilissä voidaan mallintaa tarvittaessa laminaarinen vuoto (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 27 2/2 On/Off venttiilin malli Mallinnetaan kuten simulointikurssilla Dynamiikka + kuristus, annetaan valmiina Inputtina ohjaus (0 tai, diskreettiarvoinen) ja porttipaineet Outputtina avaus (0, jatkuva arvoinen) ja porttitilavuusvirrat Venttiilin dynamiikka: Viive + vakiokiihtyvyys Sulkuelimen asema noudattaa paraabelia ½*a*t 2 Parametrit (SI yksiköt!) Valve.dpN Nominaali paine ero Valve.QN Nominaali paine eroa vastaava tilavuusvirta Valve.delay Viive Valve.movement_time Sulkuelimen liikeaika pp [Pa] QP [m^3/s] pa [Pa] QA [m^3/s] u (0/) av (0..) 2/2 On/Off Valve Viive Liikeaika (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 28 5
On/off ja proportionaaliventtiilin erot Luistityyppinen solenoidiventtiili (/3) Proportionaalinen solenoidi eli sähkömagneetti Luisti On/off solenoidi Luisti Asemaanturi Palautusjousi Palautusjousi Proportionaaliventtiili B A On/off venttiili Ohjauselektroniikka: Syöttöjännite Asemamittaus + AD muunnin Asetusarvo + AD muunnin Säätöalgoritmi, esim. PID T x T Ohjauselektroniikka: Syöttöjännite TTL ohjaus 0 tai 5 V FET transistori P (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 29 On/off ja proportionaaliventtiilin erot Luistityyppinen solenoidiventtiili (2/3) Proportionaaliventtiilin vaatimukset Luisti voitava ohjata mihin tahansa asemaan nopeasti, tarkasti ja ilman värähtelyitä Venttiilin on oltava stabiili ja hyvin käyttäytyvä kaikilla avauksilla Venttiilin avausta on voitava säätää portaattomasti myös pienillä avauksilla Solenoidin voiman pitäisi olla riippumaton luistin asemasta Solenoidin voiman tulee voittaa virtausvoimat kaikissa tilanteissa On/Off venttiilin vaatimukset Luisti on voitava ohjata vasten jompaa kumpaa mekaanista rajaa nopeasti Ylitys ei ole mahdollista Luistia ei koskaan pysäytetä mihinkään väliasentoon Solenoidin voiman tulee voittaa virtausvoimat auki asennossa Lyhytaikainen siirtymätilanne voidaan ajaa ylivirralla Pieni pitovirta riittää 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Step Response Step Response 0 0.05 0. 0.5 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 30 6
On/off ja proportionaaliventtiilin erot Luistityyppinen solenoidiventtiili (3/3) Ohjauselektroniikka Asema anturi Solenoidi Valmistustoleranssit Vuodot Stabiilius Avauksen suht. epävarmuus Säädettävyys Proportionaaliventtiili Monimutkainen Kyllä Lineaarinen (kallis) Tiukat Isot, jos nollapeittoinen Vaikeaa taata kaikilla viskositeeteilla, avauksilla ja virtauksilla Suuri pienillä avauksilla Jatkuva On/Off venttiili Yksinkertainen Ei Epälineaarinen (isompi voima) Vähemmän tiukat Pienet Stabiili, jos maksimitilavuusvirtaa ei ylitetä Pieni Auki tai kiinni (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 3 Solenoidista Solenoidi eli sähkömagneetti on yleisin sähkömekaaninen venttiilitoimilaite Käämi + magneettipiiri Voima verrannollinen virtaan Tuottaa voimaa vain yhteen suuntaan Vetävä tai työntävä rakenne Jousipalautus: Puolet voimasta menee hukkaan Suurikokoinen Hidas vasteaika Voimakkaasti epälineaarinen Voima kasvaa, kun ilmarako pienenee Kuluttaa jatkuvasti sähköä silloin, kun generoi voimaa Halpa Rautapiiri Käämi Plungeri eli liikkuva osa Jousi Ilmarako (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 32 7
On/Off ja Proportionaalisolenoidi Tunnetusti magneetin voima kasvaa voimakkaasti, kun ilmarako pienenee Proportionaalisolenoidissa voiman kasvaminen estetään erikoismuotoilulla Lineaarisuusvaatimus On/off solenoidilla saavutetaan paljon suurempi voima Ei tarvita niin suurta pitovirtaa F On/off solenoid Proportional solenoid x=0 x=x max x (Ilmarako auki) (Ilmarako kiinni) (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 33 Solenoidin dynaaminen käyttäytyminen Solenoidi Resistanssi + Induktanssi Analogia: Induktanssi = Auton massa Sähkövirta = Auton nopeus Resistanssi = Viskoosikitka eli ilmanvastus Positiivinen jännite kelan yli = Kaasu Negatiivinen jännite kelan yli = Jarru R L (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 34 8
Mitä tapahtuu, kun jännite kytketään päälle? Virta Voima Nopeus Jännite kytketään (kaasu pohjaan) Virta (nopeus) kasvaa Virran (nopeuden) kasvu pysähtyy resistanssin (ilmanvastuksen) vuoksi, I = U/R Aika : U R L 2: U I R L (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 35 Mitä tapahtuu, kun jännite kytketään pois? : U R L I 2: U R L I Jännitettä ei voi katkaista brutaalisti, koska induktanssiin sitoutunut energia purkautuu hallitsemattomasti Vastaa tilannetta, jossa auto ajetaan päin seinää Jostakin iskee kipinä (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 36 9
Vapaakiertodiodi : U R I L Em. ongelman vuoksi kaupallisissa on/off lähdöissä on aina vapaakiertodiodi Jännitteen katkaisun jälkeen virta kiertää ympyrää vapaakiertodiodin kautta 2: U Virta Voima Nopeus R I L Virta laskee hitaasti resistanssin vuoksi Vastaa tilannetta, jossa auton vaihde kytketään vapaalle ja nopeus laskee ilmanvastuksen vuoksi (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Aika Kalvo 37 Solenoidin toiminnan nopeuttaminen Solenoidi on toivottoman hidas digitaalihydrauliikan venttiileiden toimilaitteeksi Tyypillinen vasteaika 30 80 ms Kaikki kaupalliset venttiilit käyttävät kuitenkin solenoidia, joten sen kanssa on tultava toimeen Onneksi solenoidia voi helposti nopeuttaa ainakin 70 % (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 38 0
Solenoidin nopeuttaminen: Voima nopeasti päälle Virta eli voima kasvaa sitä nopeammin, mitä isompi on syöttöjännite Auto kiihtyy paremmin, jos siinä on tehokkaampi moottori Iso syöttöjännite johtaa kuitenkin ylivirtaan ja solenoidin ylikuumenemiseen Vrt. Auto keittää Idea: Pidetään alussa hetki ylijännitettä Virta kasvaa nopeasti, mutta ei ehdi kasvaa liian suureksi Virta Voima Nopeus U = 36 V U = 24 V Virta Voima Nopeus U = 2 V Aika I max Venttiilin avaamisen vaadittava voima U = 2 V (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA U = 36 V Kalvo 39 Aika Solenoidin nopeuttaminen: Voima nopeasti pois Virta eli voima putoaa nopeammin, jos kelan yli vaikuttaa negatiivinen jännite Vastaa auton jarruttamista Kuluttaa energiaa Idea: Kytketään syöttöjännite väärinpäin kelan yli Tarvitaan kaksi kytkintä, ns. H silta Jarrutusenergia saadaan talteen Virta Voima Nopeus Venttiili alkaa sulkeutua, kun voima alittaa tämän arvon I 2 U R L Aika : Kytkimet kiinni U = 2 V : Kytkimet auki (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 40
Solenoidi: Yhteenveto Solenoidi on iso, hidas ja energiaa kuluttava Tyypillinen vasteaika 30 80 ms Solenoidin kanssa tullaan toimeen, jos käytetään kunnollista ohjauselektroniikkaa Vasteaika n. 0 ms On/Off venttiili + ohjauselektroniikka yhdessä määräävät venttiilin ominaisuudet (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 4 On/Off Venttiileiden Tärkeimmät Ominaisuudet Nominaali tilavuusvirta Q N ja paine ero p N Määrittävät venttiilin tilavuusvirtakapasiteetin Maksimi tilavuusvirta Q max ja sitä vastaava paine ero p max Usein tärkeämpi tieto kuin nominaaliarvot Venttiilin viive ja vasteaika Avaus Tilavuusvirran tai paine eron vaikutus vasteaikaan tai viiveeseen Viskositeetin vaikutus vasteaikaan tai viiveeseen Kelan käyttöjännite ja teho Suurin sallittu käyttötaajuus Kestoikä Vuodot Viive Vasteaika Aika (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 42 2
Venttiilityyppi I: Neulaventtiili Suoraan ohjattu Istukkatyyppinen (vuodoton) Ei painetasapainossa Vastaventtiilitoiminto kiinniasennossa Tyypilliä arvoja: Q N = l/min @ p = 0.5 MPa p max = 2 MPa Q max = 6.5 l/min Kela 4 W Viive 0 ms (U N = 2 V, U boost = 48 V) p p p 2 Q p 2 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 43 Venttiilityyppi II: Sieniventtiili Suoraan ohjattu Istukkatyyppinen (vuodoton) Painetasapainossa Dynaaminen tiiviste Double blocking eli toimii molempiin suuntiin Erikoismuotoilu pienentää virtausvoimia Solenoidi Tyypilliä arvoja: Q N = 2 l/min @ p = 0.5 MPa p max = 4 MPa Q max = 34 l/min Kela 8 W Viive 0 ms (U N = 2 V, U boost = 48 V) Solenoidi Q (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 44 3
Venttiilityyppi III: Esiohjattu istukkaventtiili Istukkatyyppinen (vuodoton) Yksisuuntainen (vastaventtiilitoiminto) Pääaste toimii hydraulisesti Paine vaikuttaa avautumisnopeuteen Tyypilliä arvoja: Q N = 9 l/min @ p = 0.5 MPa p max = 2 MPa Q max = 20 l/min Kela 4 W Viive 0 30 ms Solenoidi Solenoidi Solenoidi Solenoidi Solenoidi (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 45 Venttiilityyppi IV: Luistiventtiilit Suoraan ohjattu Luistityyppinen, vuotaa hieman Luisti painetasapainossa Jousipalautteinen NS3, NS4, NS6 ja NS0 kokoja löytyy Tyypilliä arvoja: Q N = 28 l/min @ p = 0.5 MPa (NS4) Q N = 75 l/min @ p = 0.5 MPa (NS6) p max = 2 4 MPa Kela 30 W (NS6) Viive 0 20 ms (U N = 2 V, U boost = 48 V) 4/2 versio 2/2 kytkentä (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 46 4
Ei Kaupalliset venttiilit, Esimerkki I Sturman SI 000 (Spool type) [Johson et al. 200.Sturman Digital Latching valve, 7th Scandinavian International Conference on Fluid Power, Linköping, Sweden] Q N = 2 l/min @ 0.5 MPa Vasteaika 0.45 ms Solenoidityyppinen, 2 solenoidia Bistabiili, magneettinen lukitus molemmissa päädyissä Kytkentäenergia 0.3 J (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 47 Ei Kaupalliset venttiilit, Esimerkki II IHA venttiili (Istukkatyyppinen) [Uusitalo et al. 2007. Miniaturized Bistable Seat Valve. 0th Scandinavian International Conference on Fluid Power, Tampere, Finland] Q N = 3.8 l/min @ 0.5 MPa Vasteaika 2 3 ms Bistabiili, magneettinen lukitus (liikkuva kestomagneetti) (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 48 5
Yhteenveto 2/2 on/off venttiileistä Kaupalliset venttiilit ovat isoja, rumia ja hitaita Suurin syyllinen on solenoidi Venttiileistä saa onneksi valmistajan speksejä enemmän irti On tärkeää käytää kunnollista ohjauselektroniikkaa solenoidiventtiileiden kanssa Paljon parempien ja pienempien venttiileiden tekeminen on teknisesti täysin mahdollista (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 49 6
Digitaaliset hydraulitekniikat ja digitaalihydrauliikka Luento III Digitaaliset hydraulitekniikat Määritelmä Käytetään aktiivisesti diskreettiarvoisia hydraulikomponentteja Kaikkien komponenttien ei tarvitse olla diskreettiarvoisia Diskreettiarvoinen komponentti vaikuttaa oleellisesti järjestelmän ulostuloon käytön aikana Diskreettiarvoisia Komponentteja: (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 5
Digitaaliset hydraulitekniikat Luokittelua On/Off Tekniikka Ulostulo on päällä tai pois Edellisen luennon kaksiarvoiset komponentit Hakkuritekniikka (switching technology) Jatkuva kytkentä Proportionaalinen ulostulo suodattamalla Digitaalihydrauliikka Rinnankytkentä Ei jatkuvaa kytkentää Useita diskreettejä ulostulon arvoja (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 52 On/Off Technology Switching Technologies Digital Hydraulics Valves Pumps Cylinders Capacitances (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 53 2
On/Off tekniikka Ulostulolla on vain kaksi (tai kolme) arvoa Perinteinen ja halvin hydraulitekniikka Avataan venttiili, odotetaan kunnes sylinteri liikkuu tavoiteasemaan, suljetaan venttiili Vaatimaton säädettävyys Paineiskut Hienosäätö puuttuu Paras ratkaisu, jos ominaisuudet kelpaa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 54 On/Off tekniikka Esimerkki m ps d y (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 55 3
Hakkuritekniikka Hakataan esim. venttiiliä jatkuvasti päälle ja pois Avaussuhde määrää keskimääräisen avauksen 6 ms PWM 0 4 ms 40 %? t (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 56 Hakkuritekniikka Ongelma I Ulostuloa tulee suodattaa raskaalla kädellä Paineakku tms. Rippeli täytyy saada muutamaan prosenttiin Ulostulon rajataajuus alle 0 % kytkentätaajuudesta PWM 6 ms 0.4 0 4 ms t (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 57 4
Hakkuritekniikka Ongelma II Ulostulon epävarmuus on suuri etenkin pienillä ja suurilla pulssinleveyksillä Venttiilin täytyy olla paljon nopeampi kuin kytkentätaajuus 00 Hz kytkentätaajuus + 0 % avaussuhde = ms pulssi Q = Qmax Q = Qmin = max = max = min = min Highest possible duty Short opening delay Long closing delay Positive flow error Lowest possible duty Long opening delay Short closing delay Negative flow error (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 58 Hakkuritekniikka Ongelma III Vaaditaan suunnaton kestoikä venttiililtä Jatkuva kytkentä Esim. 00 Hz = yli 3 mrd kytkentää vuodessa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 59 5
Hakkuritekniikka Esimerkki m ps d y (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 60 Hakkuritekniikka Yhteenveto Ei oikein toimi hydrauliikassa Ulostulon vasteaika alle prosentti venttiilin vasteajasta Venttiilin kestoikä ei riitä Suuri epävarmuus pienillä avauksilla Paljon tutkimusta, mutta vain vähän sovelluksia ABS jarrut Sauer Danfoss PVG venttiilin esiohjaus (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 6 6
Digitaalihydrauliikka Digitaalihydrauliikassa käytetään rinnankytkettyjä komponentteja ja älykästä ohjausta Ulostulolla on useita diskreettejä arvoja Tällä kurssilla keskitytään venttiilitekniikkaan vaikka digitaalihydrauliikkaa voi soveltaa myös esim. pumppuihin ja toimilaitteisiin (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 62 Digital Flow Control Unit DFCU DFCU on digitaalihydrauliikan (venttiilitekniikan) peruskomponentti Kytketään N venttiiliä rinnakkain Säädetään venttiileiden läpäisyt siten, että seuraava venttiili läpäisee aina kaksinkertaisen tilavuusvirran Tulos: Hydraulinen DA muunnin Patentoitu vuonna 96 (US2999482) Q N = Q N N= = 2 Q N = 4 Q = 02 34 56 7 V 0 0 0 V2 0 0 0 0 V3 0 0 0 0 Q 0 2 3 4 5 0 6 7 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 63 7
DFCU:n ominaisuuksia DFCU:ta tarkastellaan yksityiskohtaisesti seuraavalla luennolla Käyttäytyy kuten DA muunnin N venttiiliä 2 N erilaista ulostulon arvoa Ei tarvita jatkuvaa kytkentää (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 64 DFCU:n piirrossymboli (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 65 8
m ps 8 QN d y 4 QN 2 QN QN (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 66 DFCU Yhteenveto DFCU on Diskreettiarvoinen kaksitie propo Vikasietoinen Nopea Tarkka Perustuu yksinkertaisiin on/off venttiileihin Yksi tai kaksisuuntainen (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 67 9
Perinteinen nelitieventtiili () Yleisin venttiilityyppi on nelitie proportionaalitai servoventtiili Yksi luisti ohjaa samanaikaisesti kahta virtausta Jokainen sovellus tarvitsee räätälöidyn luistin Jokainen kuormitustilannekin vaatisi räätälöidyn luistin A P B T B A T T P x (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 68 Perinteinen nelitieventtiili (2) Luisti on aina kompromissi Kavitaatio Energiankulutus Yksi luisti toimii hyvin vain yhdessä kuormitustilanteessa Tarvitaan apuventtiileitä Painekompensaattori Kuormanlaskuventtiili Aiheuttaa pahoja viritys ja stabiiliusongelmia M Yksinkertaistettu mobilepropon ja kuormanlaskuventtiilin hydraulikaavio (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 69 0
Digitaaliset Venttiilijärjestelmät Digitaalinen venttiilijärjestelmä = Usean DFCU:n muodostama kokonaisuus Yleensä 2 5 Kukin DFCU voi olla joko yksi tai kaksisuuntainen Ei muita apuventtiileitä Integroitu painemittaus, jolla hoidetaan esim. painekompensointi ohjelmallisesti (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 70 3 tie venttiili 3 tie venttiilissäon kaksi ohjausreunaa, tarvitaan siis kaksi DFCU:ta A A T P A A T P PT Perinteinen Digitaalinen (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 7
Nelitieventtiili suljetulla keskiasennolla Vaihtoehto I: Käytetään vain kahta ohjausreunaa kerrallaan Kaksi DFCU:ta + suunnanvaihtoventtiili Ei aito digitaalihydraulinen ratkaisu, koska käytetään apuventtiiliä Vaihtoehto II: Implementoidaan kaikki neljä ohjausreunaa Parempi ja monipuolisempi ratkaisu Tarvitaan vain 2/2 on/off venttiileitä Venttiileiden lukumäärä lisääntyy A B A B A B T T Perinteinen P T P T Digitaalinen P (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 72 Yleinen nelitieventtiili Kuudella DFCU:lla voidaan toteuttaa mikä tahansa perinteisen venttiilin keskiasento Tarvitaan kaksisuuntaisia DFCU:ita A A B B A T P A P B B T P T P T (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 73 2
Digitaalihydraulisen venttiilistö on monipuolinen Kaikki reunat kiinni Yhden, kahden, kolmen, neljän, viiden tai kuuden reunan säätö Eri avaukset ovat täysin riippumattomia toisistaan Esimerkkinä neljän DFCU:n venttiilistö: (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 74 Monipuolisuuden edut () Enemmän erilaisia ohjaustapoja eli ajomoodeja Esimerkiksi differentiaalikytkentä Säästää merkittävästi energiaa v v v v v = 0 P A B T A T P B P A P B P A P B Mode 0 P T Mode T P Mode 2 P Mode 3a P Mode 3b Esimerkkejä ajomoodeista, kun käytetään vain kahta DFCU:ta kerrallaan (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 75 3
Monipuolisuuden edut (2) Tulo ja poistovirtauksen toisistaan riippumaton säätö Tuhat luistia samassa paketissa Paine erot eri ohjausreunojen yli voidaan valita vapaasti Ei tarvita antikavitaatioventtiileitä Ei tarvita kuormanlaskuventtiileitä Säästetään energiaa P T v P A B T : P A avaus = 30 % B T avaus = 70 % Nopeus = 50 % Paine = matala 2: P A avaus = 70 % B T avaus = 30 % Nopeus = 50 % Paine = korkea (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 76 Monipuolisuuden edut (3) Venttiilistö on ohjelmoitava Tilavuusvirta tai painemoodi 2 tie, 3 tie ja 4 tietoiminto samassa paketissa Nopeus ja painetaso säädettävissä toisistaan riippumattomasti Ei tarvita apuventtiileitä, koska venttiilistö voidaan sopeuttaa kuhunkin tilanteeseen (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 77 4
Älykäs ohjaus Tarkoittaa sitä, että kullakin ajanhetkellä valitaan parhaat mahdolliset ohjaukset kullekin venttiilille Paras mahdollinen on aina kompromissi: Säätötulos vs. venttiileiden aktiivisuus Säätötulos vs. stabiilius Säätötulos vs. energiansäästö Vaimennus = häviöitä Energiansäästö vs. kavitaatio Jne. (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 78 Digitaalisen venttiilijärjestelmän älykäs ohjaus 20 venttiiliä: 2 20 =,048,576 erilaista kombinaatiota Miten valitaan paras kombinaatio kullakin ajanhetkellä? (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 79 5
Digitaalisen venttiilijärjestelmän älykäs ohjaus, Vaihe I Valitaan paras mahdollinen ajomoodi Diffiskytkentä (Mode 3a/3b), jos kuormavoima sen sallii, muutoin normaali inflow outflow moodi (Mode /2) Valintaperusteina vaadittava syöttöpaine, energiankulutus, turhien moodinvaihtojen välttäminen jne. Jäljelle jää 2 2 5 = 024 eri vaihtoehtoa, joista voidaan tarvittaessa karsia pois ne, joita ei koskaan käytetä Poistetaan esim. ne, joille avaussuhde on järjettömän suuri tai pieni v v v v Mode 0 v = 0 P A P B P A P B P A B T A T P B P T T P P P Mode Mode 2 Mode 3a Mode 3b (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 80 Digitaalisen venttiilijärjestelmän älykäs ohjaus, Vaihe II Lasketaan mitä tapahtuu, jos tietyt venttiilit olisivat auki Mitkä ovat kammiopaineet? Mikä on männän nopeus? Kuinka monen venttiilin täytyy vaihtaa tilaansa? Laskennassa hyödynnetään järjestelmän steady state mallia Tarvitaan alkuarvoina männän pinta alat, kuormavoima (painemittauksista), syöttöpaine ja venttiileiden tilavuusvirtakertoimet (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 8 6
Digitaalisen venttiilijärjestelmän älykäs ohjaus, Vaihe III Määritellään sakkofunktio eli ne asiat, joista emme pidä J = K J + K 2 J 2 + K 3 J 3 + K 4 J 4 + Esimerkkejä: J = v ref v calculated (Ei haluta suurta nopeusvirhettä) J 2 = p A,ref p A,calculated (Ei haluta suurta painevirhettä) J 3 = P lossses (Ei haluta tuhlata energiaa) J 4 = N valve_swhitchings (Ei haluta vaihtaa venttiileiden tilaa turhaan) J 5 = 0 9, jos min(p A,calc, p B,calc ) < p min (kavitaation esto) Painokertoimilla määrätään kunkin asian tärkeys eli tehdään sopiva kompromissi Venttiileiden ohjauksiksi valitaan se kombinaatio, joka minimoi sakkofunktion arvon (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 82 Älykäs ohjaus Yhteenveto Esitetty menetelmä on älykäs siinä mielessä, että se osaa itse etsiä parhaan mahdollisen avauskombinaation kullakin ajanhetkellä Käyttäjä määrittelee ainoastaan epätoivotut ilmiöt ja niiden suhteellisen tärkeyden Menetelmä vaatii paljon laskentatehoa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 83 7
Voidaanko saman tehdä analogiakomponenteilla? Tiettyyn rajaan asti kyllä, mutta digiratkaisu on Luotettavampi Nopeampi Täsmällisempi Edullisempi Yksinkertaisempi Paljon samanlaista yksinkertaista tavaraa 4 kallis & monimutkainen venttiili 20 halpa& yksinkertainen venttiili Perinteisellä tekniikalla Digitaalinen (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 84 Digitaalihydrauliikan etuja 8
Etu I: Yksinkertaiset ja robustit venttiilit Sietää epäpuhtauksia Ei tarvetta sulkuelimen aseman mittaukselle Voidaan käyttää vuodottomia istukkaventtiileitä Edullinen massatuotanto mahdollista Yksinkertainen ohjauselektroniikka Luonteva kytkentä tietokoneiden kanssa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 86 Etu II: Energiataloudellisuus Ohjelmoitavuus mahdollistaa merkittävät energiasäästöt Paras mahdollinen luisti kullakin ajanhetkellä Differentiaalikytkentä mahdollista Kokeelliset tulokset 36 % pienemmät häviöt kuin perinteisellä mobilepropolla Energy Losses 35 30 25 20 5 0 5 0 Test I Test II Test III Test IV Test V Test VI TOTAL Digital Proportional (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 87 9
Etu III: Tarvitaan vain muutamia erilaisia venttiileitä 64 l/min 8 l/min l/min 0.25 l/min 24 l/min 64 l/min 32 l/min 6 l/min 8 l/min 4 l/min 8 l/min 4 l/min 2 l/min l/min 0.5 l/min 0.25 l/min (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 88 Etu III (jatk.) Kolme tai neljä erikokoista on/off venttiiliä riittää Näistä kasataan erilaisia paketteja tarvittavan porttimäärän ja tilavuusvirran mukaan Ohjelmisto määrää ominaisuudet, ei hydrauliikka Tilauskoodiesimerkki: Digital Valve S = 30 l/min M = 80 l/min L = 80 l/min (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 89 20
Etu IV: Toistettavuus Kukin venttiili on täysin auki tai täysin kiinni; täydellinen toistettavuus Ei hystereesiä tai nollapisteen siirtymää (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 90 Etu V: Ei käytä hakkuritekniikkaa Mikä tahansa diskreetti avaustaso voidaan pitää yllä ilman venttiileiden kytkentöjä Kytkentöjä tarvitaan vain ja ainoastaan silloin, kun tilaa muutetaan 99.9 % vähemmän kytkentöjä ja 00 kertaa nopeampi vasteaika kuin PWM ohjauksessa PWM 0 4 ms 6 ms 0.4?? t 2/3 = 0.387 0.4 {0 0 0} 5/27 = 0.402 0.4 { 0 0 0} (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 9 2
Etu VI: Vasteaika Yksinkertainen on/off venttiili on helppo tehdä nopeaksi Nykytilanne: ms vasteaika 00 l/min venttiilille Vasteaika ei riipu amplitudista Rinnankytkentä On mahdolista tehdä digitaalinen venttiilijärjestelmä, joka Läpäisee 00 l/min @ 3.5 MPa paine erolla 0 00 % vasteaika on 0.45 ms 5 0 kertaa nopeampi kuin mikään analogiaventtiili (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 92 Etu VII: Vikasietoisuus Järjestelmä toimii ilman ongelmia, vaikka osa venttiileistä olisi rikki Jopa aukijääneet venttiilit voidaan kompensoida Uniikki ominaisuus Controllability of DFCU if the third valve breaks (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 93 22
Etu VIII: Skaalautuvuus lisäventtiili tuplaa joko tilavuusvirtakapasiteetin tai resoluution Ominaisuudet paranevat eksponentiaalisesti venttiilimäärän kasvaessa 4 venttiiliä = propo 6 venttiiliä = servo 8 venttiiliä = never seen before (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 94 Esimerkki I: Hydraulipuomin energiataloudellinen ohjaus Järjestelmä matkii mobilepuomin ominaisuuksia = 4 Hz F max = 36 kn m eff = 40 000 kg Q max = 60 l/min v max =.5 m/s Kaupalliset on/off venttiilit Suoraanohjattu istukka Viive 8 20 ms Perinteinen propo referenssinä (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 95 23
Esimerkki I: Mittaustulokset (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 96 Esimerkki I: Mittaustulokset (jakt.) Tehohäviöt pienenevät keskimäärin 36 % Säädettävyys paranee Kavitaatio poistuu Energy Losses 35 30 25 20 5 0 5 0 Test I Test II Test III Test IV Test V Test VI TOTAL Digital Proportional (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 97 24
Digitaalihydrauliikka (venttiilit) Yhteenveto Lower costs Mass production valves Simple control electronics Programmability Faster system setup No need for spool variants Multi purpose valves Good controllability Good static & dynamic characteristics Simultaneous position/velocity/ pressure control Cavitation free + High reliability Robust valves Insensitivity for contamination Small number of switchings Fault tolerance Reduced Power Losses Meter in meter out control Online pressure control Size of valve package Control methods Non traditional control Computational power needed (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 98 25
DFCU Digitaalinen tilavuusvirran säätöyksikkö Digital Flow Control Unit DFCU DFCU on digitaalihydrauliikan (venttiilitekniikan) peruskomponentti Kytketään N venttiiliä rinnakkain Säädetään venttiileiden läpäisyt siten, että seuraava venttiili läpäisee aina kaksinkertaisen tilavuusvirran Tulos: Hydraulinen DA muunnin Patentoitu vuonna 96 (US2999482) Q N = Q N = 2 Q N = 4 Q = 02 34 56 7 V 0 0 0 V2 0 0 0 0 V3 0 0 0 0 Q 0 2 3 4 5 0 6 7 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 00
DFCU:n piirrossymboli (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 0 Määritelmiä N Rinnankytkettyjen venttiileiden lukumäärä DFCU:n tila: Määrää yksikäsitteisesti, mitkä DFCU:n venttiilit ovat auki Joko N mittainen binäärinen vektori tai kokonaisluku välillä 0 2 N Vektorimuoto kertoo suoraan, mitkä venttiilit ovat auki. Pienin venttiili on vasemmalla. Esimerkiksi tila [ 0 0 0] tarkoittaa, että viisibittisen DFCUn ensimmäinen ja kolmas venttiili on auki. Skalaarimuoto saadaan kertomalla vektorimuoto pistetulomielessä vektorilla [2 0, 2,, 2 N ]. Esim. Tila [ 0 0 0] = 2 0 +0 2 + 2 2 +0 2 3 +0 2 4 = 5 Askelkoko Kahden vierekkäisen tilavuusvirran erotus, kun DFCU:n tilavuusvirrat on järjestetty suuruusjärjestykseen Resoluutio Maksimi tilavuusvirta jaettuna suurimmalla askelkoolla (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 02 2
DFCU:n Staattiset ominaisuudet () N venttiiliä Kukin venttiili voi olla auki tai kiinni 2 N erilaista tilaa Staattinen tila: Kaikki venttiilit ovat asettuneet ohjauksensa u mukaiseen tilaan (auki tai kiinni) Tilavuusvirta staattisessa tilanteessa = aukinaisten venttiileiden tilavuusvirtojen summa Q = u Q + u 2 Q 2 + + u N Q N Jos jokaisen venttiilin tilavuusvirta noudattaa turbulenttisen kuristuksen yhtälöä, niin tilavuusvirta voidaan laskea kaavalla Q uk v u2kv2... u N K vn p (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 03 DFCU:n Staattiset ominaisuudet (2) Jos jokaisen venttiilin tilavuusvirta noudattaa turbulenttisen kuristuksen yhtälöä JA virtauskertoimet noudattavat täsmälleen seuraavaa kaavaa K v K, i 2 v, i eli seuraavan venttiilin läpäisy on aina kaksinkertainen edelliseen nähden, niin tuloksena on ideaalinen binäärikoodattu DFCU (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 04 3
Ideaalisen binäärikoodatun DFCU:n ominaiskäyrä Voidaan osoittaa, että ideaaliselle binäärikoodatulle DFCU:lle pätee Q = Tila*Q Askelkoko =Q Resoluutio = (2 N ): Binäärikoodatulla DFCU:lla on paras mahdollinen resoluutio: Jokainen tila antaa erilaisen tilavuusvirran Jokainen askelkoko on sama (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 05 Realistinen binäärikoodattu DFCU () Ideaalista binäärikoodattua DFCU:ta ei voi toteuttaa, koska Venttiileitä ja kuristuksia on olemassa vain tiettyjä kokoja Virtauskertoimissa on aina epävarmuutta Esim. Viskositeetti, virtaussuunta Erikokoiset venttiilit käyttäytyvät eri tavalla Eivät noudata tarkalleen turbulenttisen kuristuksen kaavaa Pienissä kuristuksissa virtaus voi olla laminaarista (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 06 4
Realistinen binäärikoodattu DFCU (2) Käytännössä yhdessä DFCU:ssa käytetään 2 erikokoista venttiiliä Tilavuusvirtakapasiteetit säädetään kiinteillä kuristuksilla Tyypillisesti saatavilla 0. mm välein Virtaustie on yleensä monimutkainen ja sen ominaisuudet on mitattava Venttiilin tilavuusvirtakerrointa voidaan arvioida valmistajan spekseistä Kuristuksen kerroin voidaan arvioida turbulenttisen kuristuksen kaavasta Kokonaiskertoimen arvio saadaan sarjaankytkettyjen kuristusten kaavalla Kv, eff KvKv2 2 2 Kv Kv 2 Venttiilin kuristus Lisäkuristus Solenoidi Q (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 07 Realistinen binäärikoodattu DFCU (3) Venttiili + kuristus yhdistelmän tilavuusvirtaa ei siis tunneta täsmälleen vaikka venttiili onkin joko täysin kiinni tai täysin auki Epävarmuus on ainakin 2 % tilavuusvirrasta Mitoitussääntö:Seuraava isompi venttiili läpäisee varmasti kaikissa tilanteissa vähemmän kuin tuplat edellisestä venttiilistä 2 5 % varmuusmarginaali Resoluutio pienenee vain hieman 5 Ideaalinen binääri, N = 4 20 Suurin venttiili 5 % liian suuri 5 Suurin venttiili 5 % liian pieni 0 5 0 0 5 0.5 2 3 4 5 6 7 8 9 02345 Tila 0.5 2 3 4 5 6 7 8 9 02345 Tila 0.5 2 3 4 5 6 7 8 9 02345 Tila 0.5 0.5 0.5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0234 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0234 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0234 Resoluutio = 5: = 5 Resoluutio = 5.4:.4 = Resoluutio = 4.6: = 4.6 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 08 5
Realistisen binäärikoodatun DFCU:n staattiset ominaisuudet Oletetaan, että kunkin venttiili kuristuksen tilavuusvirta on Q teor ± Q teor, missä on virhemarginaali, esim. 0.02 Nyt tilavuusvirran suhteellinen virhe on suoraan *00 % Askelkoon virhe voi kuitenkin olla paljon isompi Esimerkki: N = 3, Q,teor = l/min, Q 2,teor = 2 l/min, Q 3,teor = 4 l/min Q =.02 l/min, Q 2 = 2.04 l/min, Q 3 = 3.92 l/min (+2 %, +2 % ja 2 % virheet) Tila 3: Q =.02 + 2.04 l/min = 3.06 l/min Tila 4: Q = 3.92 l/min Askelkoko = Tila 4 Tila 3 = 0.86 l/min Askelkoon virhe 4 % Askelkoon maksimivirhe = Yhtäaikaa tilaansa vaihtavien venttiileiden tilavuusvirtojen epävarmuuksien summa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 09 Hyvät ja Pahat tilanvaihdot, pahuusluku Binäärikoodatussa DFCU:ssa on olemassa sekä hyviä että pahoja tilanvaihtoja Hyvässä tilanvaihdossa joko avataan lisää venttiileitä tai suljetaan niitä, mutta ei molempia yhtäaikaa, esim. [0 0] [ 0] Pahassa tilanvaihdossa samalla kertaa avataan toisia venttiileitä ja suljetaan toisia, esim. [ 0] [0 0 ] Tilanvaihdon pahuusluku voidaan laskea seuraavasti (todistus sivuutetaan) Lasketaan tilavuusvirta, joka saavutetaan avaamalla kaikki venttiilit, jotka ovat auki alkutilassa, lopputilassa tai molemmissa (OR operaatio) Vähennetään edellisestä isompi alku ja lopputilan tilavuusvirrasta Esimerkki: N = 3, Q,teor = l/min, Q 2,teor = 2 l/min, Q 3,teor = 4 l/min Alkutila = [0 0] (2 l/min), lopputila = [ 0] (3 l/min); [0 0] OR [ 0] = [ 0] (3 l/min); pahuusluku = 3 3 = 0 l/min Alkutila = [ 0] (3 l/min), lopputila = [0 0 ] (4 l/min); [ 0] OR [0 0 ] = [ ] eli 7 l/min; pahuusluku = 7 4 = 3 l/min (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 0 6
Yhteenveto realistisen binäärikoodatun DFCU:n staattisista ominaisuuksista Suhteellinen virhe on pieni, luokkaa muutama prosentti Avaus tiedetään tarkasti myös pienillä avauksilla Askelkoon suhteellinen virhe on suuri pahoissa tilanvaihdoissa Käytännössä kannattaa mitoittaa venttiilit hieman alakanttiin, ettei seuraava bitti ole liian suuri 20 Suurin venttiili 5 % liian suuri 5 Suurin venttiili 5 % liian pieni 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9 02345 Tila.5 0.5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0234 0 5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 02345 Tila.5 0.5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0234 Avauksen epävarmuus (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo DFCU:n dynaamiset ominaisuudet () DFCU:n dynamiikka = miten siirtyminen tilasta toiseen tapahtuu Mikä on DFCU:n tehollinen avaus ajan funktiona Jokainen yksittäinen venttiili kuvataan viiveellä + vakiokiihtyvyysmallilla Viiveessä ja vasteajassa on joku hajonta Avaus Avautumis ja sulkeutumisviive voi olla erilainen Samallakin venttiilillä vasteaika vaihtelee hieman Eri venttiileillä voi olla erilainen viive ja vasteaika Venttiileiden vasteajat ovat toisistaan riippumattomia Viive Vasteaika Aika (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 2 7
DFCU:n dynaamiset ominaisuudet (2) Määritellään kaksi parametria Pienin mahdollinen viive min = DFCU:n nopeimman venttiilin minimiviive Suurin mahdollinen vasteaikat max = DFCU:n hitaimman venttiilin suurin vasteaika Oletetaan, että DFCU:n säätöväli on suurempi kuin t max DFCU:n tilanvaihto tapahtuu välillä min t max, jos nollahetkeksi määritellään se ajanhetki, jolloin ohjauskomento annetaan Aikavälillä 0 min DFCU on varmasti alkutilassa Ajanhetken t max jälkeen DFCU on varmasti lopputilassa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 3 DFCU:n dynaamiset ominaisuudet (3) DFCU:n dynaaminen käyttäytyminen voidaan määritellä kaavalla Q t av t Kv av2 t Kv2... avn t KvN p t Dynaaminen käyttäytyminen on monimutkaista, koska kukin avaus muuttuu yksilöllisesti ja toisista avauksista riippumatta Hyvässä tilanvaihdossa tilavuusvirta pysyy alku ja loppuarvon välissä Pahassa tilanvaihdossa tilavuusvirta voi olla hetkellisesti melkein mitä tahansa Pienin mahdollinen arvo = min(alkuarvo, loppuarvo) pahuusluku Suurin mahdollinen arvo = max(alkuarvo, loppuarvo) + pahuusluku Pahimmassa tapauksessa DFCU on hetken täysin kiinni tai täysin auki! Hyvä tilanvaihto Alue, jolla DFCU:n avaus tai tilavuusvirta on varmasti tilanvaihdon aikana Huono tilanvaihto min t max min t max (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 4 8
DFCU:n dynaamiset ominaisuudet (4) Simulations with randomdelays Tilanvaihdon harmaa alue, kun tila kasvaa ramppimaisesti Esimerkki simulointi pahalle tilanvaihdolle 7 8, kun venttiileiden viive vaihtelee satunnaisesti (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 5 DFCU:n dynaamiset ominaisuudet (5) Pahassa tilanvaihdossa venttiileiden pitäisi toimia mahdollisimman samanaikaisesti Binäärikoodatussa DFCU:ssa on tärkeää, että vasteajan epävarmuus on pieni Viive ei niinkään haittaa, vaan sen vaihtelu Nopealla venttiilillä on yleensä myös pienempi vasteajan epävarmuus DFCU on vähintään yhtä nopea kuin sen hitain venttiili Vasteaika ei riipu muutoksen suuruudesta! Vrt. Propo, jossa pieni muutos onnistuu nopeasti, mutta iso muutos hitaammin (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 6 9
DFCU:n säädöstä DFCU:n säädössä on huolehdittava siitä, että venttiilit ovat asettuneet ohjauksensa mukaiseen tilaan ennen uutta ohjauskomentoa Ohjauskomentojen välissä on siis oltava viive Helpoin ratkaisu: Diskreettiaikainen säätö näytevälillä T S T S on oltava isompi kuin hitaimman venttiilin vasteaika (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 7 PNM Koodaus () Binäärikoodauksella saavutetaan paras mahdollinen resoluutio tietyllä venttiilimäärällä Binäärikoodauksella esiintyy pahoja tilanvaihtoja, josta seuraa mm. paineiskuja ja askelkoon suuri epävarmuus tietyissä tilanteissa Binäärikoodatussa DFCU:ssa tarvitaan erikokoisia venttiileitä Eri venttiileiden virtausominaisuudet ja dynamiikka voivat olla erilaisia Toinen ääripää on PNM koodaus (Pulse Number Modulation), jossa venttiilit ovat keskenään samanlaisia (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 8 0
PNM Koodaus (2) PNM koodaukselle pätee: Jokaisella venttiili läpäisee saman verran Q i = Q teor ± Q teor Resoluutio = N Pahoja tilanvaihtoja ei esiinny Tilavuusvirran lisäys: avataan lisää venttiileitä Tilavuusvirran pienennys: suljetaan venttiileitä Askelkoon suhteellinen epävarmuus = PNM koodaus on teoreettisesti paras, mutta vaatii valitettavasti paljon enemmän venttiileitä Esim. Resoluutio 3 vaatii 3 venttiiliä, kun binäärikoodauksessa riittää 5 venttiiliä (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 9 Esimerkki käytännön DFCU:sta () [Linjama & Vilenius, Digital Hydraulic Control of a Mobile Machine Joint Actuator Mockup, PTMC2004, Bath, UK] DFCU_T T6 T5 T4 T3 T2 T 3. 2..5 0.9 0.7 3. 2..6.0 0.8 P6 P5 P4 P3 P2 P p S DFCU P Kolme pienintä venttiiliä suoraanohjattuja Kolme suurinta venttiiliä esiohjattuja Viiveet 5 50 ms! - Semi binary design, 2 / 3 :: 4 / 3 :4:8:6 Valves P P3 & T T3: Sterling GS0270 Valves P4 P6 & T4 T6: Sterling GS0205 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 20
Esimerkki käytännön DFCU:sta (2) [Linjama & Vilenius, Digital Hydraulic Control of a Mobile Machine Joint Actuator Mockup, PTMC2004, Bath, UK] Table 2. Estimated flow capacities of the on/off valves at p = MPa. DFCU_P DFCU_T Orifice size [mm] Flow rate [l/min] Orifice size [mm] Flow rate [l/min] Valve 0.8 0.89 0.7 0.66 Valve 2.0.2 0.9. Valve 3.7.3 Valve 4.6 4.9.5 4. Valve 5 2. 8.2 2. 7. Valve 6 3. 6 3. 5 30 20 0 0 0 20 40 60 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 2 Esimerkki Askelkoon epävarmuudesta binäärikoodatussa DFCU:ssa [Laamanen, Linjama & Vilenius, Characteristics of a Digital Flow Control Unit with PCM Control, Flucome 03,Sorrento, Italy ] (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 22 2
Digitaaliset Venttiilijärjestelmät Johdantoa Digitaalihydrauliikka luennossa esiteltiin jo yleisellä tasolla digitaalisia venttiilijärjestelmiä Tässä luennossa paneudutaan tarkemmin digitaalisen nelitieventtiilin ominaisuuksiin Kertauksena esitetään ensin muutama kalvo digitaalihydrauliikka luennosta (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 24
Perinteinen nelitieventtiili () Yleisin venttiilityyppi on nelitie proportionaalitai servoventtiili Yksi luisti ohjaa samanaikaisesti kahta virtausta Jokainen sovellus tarvitsee räätälöidyn luistin Jokainen kuormitustilannekin vaatisi räätälöidyn luistin A P B T B A T T P x (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 25 Perinteinen nelitieventtiili (2) Luisti on aina kompromissi Kavitaatio Energiankulutus Yksi luisti toimii hyvin vain yhdessä kuormitustilanteessa Tarvitaan apuventtiileitä Painekompensaattori Kuormanlaskuventtiili Aiheuttaa pahoja viritys ja stabiiliusongelmia M Yksinkertaistettu mobilepropon ja kuormanlaskuventtiilin hydraulikaavio (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 26 2
Digitaaliset Venttiilijärjestelmät Digitaalinen venttiilijärjestelmä = Usean DFCU:n muodostama kokonaisuus Yleensä 2 5 Kukin DFCU voi olla joko yksi tai kaksisuuntainen Ei muita apuventtiileitä Integroitu painemittaus, jolla hoidetaan esim. painekompensointi ohjelmallisesti (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 27 Digitaalinen nelitieventtiili Digitaalinen nelitieventtiili on eniten tutkittu venttiilijärjestelmä Neljä ohjausreunaa Virtaus molempiin suuntiin mahdollinen Oletetaan, että kukin reuna on ideaalinen binäärikoodattu DFCU (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 28 3
Yhden Ohjausreunan Ominaisuudet Jokainen ohjausreuna käyttäytyy kuten DFCU luennossa esiteltiin Avauksella on 2 N diskreettiä arvoa (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 29 Tulo ja poistoreunan säätö Plussuunta: Avataan DFCU:t P A ja B T Miinussuunta: Avataan DFCU:t P B ja A T Kaksi DFCU:ta, joilla molemmilla on 2 N nollasta poikkeavaa avauksen arvoa Yhteensä (2 N ) (2 N ) erilaista avauskombinaatiota, jolla sylinteri liikkuu Esimerkki: N = 5, kummallakin ohjausreunalla 3 avausarvoa, yhteensä 3 3 = 96 erilaista avauskombinaatiota P A B T A T P B Plussuunta Miinussuunta (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 30 4
Tulo ja poistoreunan avauksien suhde eli Avaussuhde määritellään seuraavasti: Plussuunta: Q teor,pa / Q teor,bt Miinussuunta: Q teor,pb / Q teor,at Molemmat tilavuusvirrat lasketaan samalla paine erolla Avaussuhde määrää järjestelmän painetason Suuri = korkea painetaso Pieni = Matala painetaso (mietippä miksi näin?) Avauksien suuruus määrää männän nopeuden Sekä painetasoa että nopeutta voidaan säätää samanaikaisesti ja toisistaan riippumatta (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 3 Nopeuden ja painetason laskenta Plussuunta, steady state kaavat: N upaikv,pai i pp pa N AAv, ubtikv,bti pb pt ABv, F AA pa AB pb i Näistä voidaan ratkaista nopeus ja paineet 2 pp pa 2 AA / AB 2 F / AB 3, pb 2 pp 2 2 F / AB 3, v N upaikv,pai i AB pp 2 F / AB 3 Miinussuunnalle voidaan ratkaista samalla tavalla (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 32 5
Esimerkki Steady State Nopeuksista ja Paineista 32/6 sylinteri p P = 3 MPa, F = 0 N N = 4 Controllability if p B = 7... bar SIIS: Avaussuhteen (eli painetason) ja nopeuden samanaikainen säätö onnistuu vain suurilla nopeuksilla. (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 33 Tulo ja Poistovirtauksen Perusongelma Säädettävyys on hyvä ainoastaan suurilla nopeuksilla Pienillä nopeuksilla ei voida säätää sekä painetasoa että nopeutta Pienin mahdollinen nopeus on melko suuri Saavutetaan kun pienin venttiili on auki sekä tulo että poistopuolella Maksimi ja miniminopeuden suhde on samaa luokkaa kuin DFCU:n resoluutio (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 34 6
Esimerkki: Tulo ja Poistovirtauksen säätö; nopeuden ja painetason samanaikainen säätö 2x5 + venttiliä, Int. Journal of Fluid Power, April 2003 (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 35 Summatilavuusvirtasäätö () Tarkastellaan kahden samaan porttiin kytketyn DFCU:n säädettävyyttä A portin tilavuusvirta = Tilavuusvirta P A Tilavuusvirta A T QA N upaikv,pai i pp pa N uatikv,ati i pa pt Kummallakin tilavuusvirralla on 2 N arvoa Yhteensä siis 2 2N arvoa, joista osa tuottaa positiivisen ja osa negatiivisen tilavuusvirran Enemmän vaihtoehtoja parempi säädettävyys? (C) 2007 Matti Linjama, TUT/IHA Kalvo 36 7