Los sistemas electrohidráulicos se vuelven «salvajes»

Los juegos acuáticos son una excelente manera de refrescarse y puedes divertirte mucho en ellos. El problema es que, una vez que termina su viaje de menos de un minuto, tiene que subir docenas de tramos de escaleras para volver a montar.

Pero si los prototipos de simuladores se ponen de moda, eso podría ser cosa del pasado. Imagine un curso de tobogán de agua de 450 pies de alto y 3600 pies de largo, esencialmente un tobogán de agua sin fin que cabe en su patio trasero. Prototipo de Discovery Channel Este programa muestra un prototipo del concepto. Prototipos es una colección en la que un grupo de ingenieros y científicos pueden diseñar y construir prototipos para resolver problemas mundiales o simplemente refrescarse.

En un episodio reciente del programa, una computadora proyectó la imagen de un tobogán de agua dentro de un anillo hueco de fibra de vidrio de 30 pies de diámetro, Figura 1. El jinete y una pequeña cantidad de agua están dentro del anillo, por lo que girar el anillo crea la sensación de moverse por el tobogán de agua. Subir y bajar el anillo proporciona fuerzas G para simular una cascada, mientras que inclinar el anillo desde la horizontal crea la impresión de un giro a la izquierda o a la derecha. Todo lo que queda, entonces, es sincronizar todas estas acciones con un video de demostración proyectado en la superficie interior del ring, justo en frente del ciclista.

Debido a la enorme masa de esta máquina, se eligió el sistema hidráulico para accionar el sistema. El anillo en sí pesa alrededor de 6,000 libras y levanta e inclina una carga tan grande de manera suave y precisa con cambios de dirección rápidos y frecuentes, lo que hace que el sistema hidráulico sea la mejor opción para la transmisión de potencia. Se podría usar un motor eléctrico para girar el anillo, pero dado que se eligieron cilindros hidráulicos para levantar e inclinar el anillo, el equipo de diseño optó por usar un motor hidráulico para impulsar la rueda de fricción para girar el anillo a velocidades de hasta 10 rpm.

Poder y control
Dos pares de cilindros hidráulicos proporcionan empuje y movimiento para levantar y bajar el anillo e inclinarlo 15° desde la vertical a medida que gira. Cada cilindro se considera un eje de movimiento porque no solo debe sincronizarse con precisión con el video de conducción, sino también entre sí. De lo contrario, la fuerza cilíndrica puede crear tensión para separar el marco.

El desafío de sincronizar el movimiento surge del uso de dos configuraciones diferentes de montaje de cilindros. Los cilindros de elevación funcionan en pares, por lo que cada cilindro debe extenderse o retraerse la misma distancia dentro de tolerancias estrictas. Por otro lado, los cilindros del anillo de inclinación tienen el montaje opuesto, cuando uno se extiende y el otro se retrae. Esto significa que las válvulas proporcionales que alimentan a los dos cilindros deben abrirse en cantidades diferentes, ya que una envía fluido al extremo del vástago del cilindro y la otra al extremo de la cabeza del otro cilindro.

Los ejes de movimiento de los motores hidráulicos funcionan independientemente de los ejes de los cilindros, pero el movimiento de los cinco ejes debe coordinarse con el programa de video. El sexto, el eje virtual, se utiliza para coordinar el movimiento del eje físico con la imagen proyectada sobre las superficies interiores de la atracción.

Entrada del distribuidor
Mike Rogers de Hydraulic Controls, Inc. (HCI), un distribuidor de Delta Computer Systems en Walnut, CA, recomendó el controlador de movimiento Delta RMC150 y suministró la mayoría de los componentes hidráulicos para el proyecto, incluida la HPU. Parker suministra el cilindro. Para controlar y sincronizar todos los ejes de movimiento, el equipo de prototipos eligió el controlador de movimiento RMC150, Figura 2, que es capaz de controlar y sincronizar hasta ocho ejes hidráulicos simultáneamente.

Una vez que se ha ajustado y programado el movimiento, se emite un comando de «mover» al RMC150 para iniciar la secuencia de movimiento y se emite el reproductor de video para iniciar el video del viaje.

Los puntos de datos correspondientes al objetivo móvil del anillo deslizante de agua fueron generados por Zoz Brooks, un experto en robótica del MIT y coanfitrión de Prototype This. Analizó la posición de la cámara virtual en el video del viaje y generó alrededor de 50 000 puntos de datos de ubicación, que el equipo de diseño redujo a alrededor de 1000 puntos, lo que representa un punto objetivo cada 180 milisegundos.

Correspondiente a cada punto hay un conjunto de datos que consta de valores de elevación, inclinación y velocidad de rotación. El controlador de movimiento usa sus splines para generar movimiento en cada eje que «conecta los puntos» entre cuadros de video a través de una secuencia suave de movimientos de inclinación, elevación y rotación.

Manejo de efectos de resorte
Si eso fuera todo lo que los diseñadores de controladores y sistemas tuvieran que hacer, el diseño sería simple. Sin embargo, como suele ser el caso en la vida real, existen algunos desafíos de diseño del sistema hidráulico.

Una cuestión clave es lo que comúnmente se conoce como efecto resorte. Al momento de la construcción, el proyecto tenía 50 pies de manguera hidráulica entre la válvula proporcional y el cilindro hidráulico en la estructura. La expansión y contracción de la manguera hace que el efecto de todas las mangueras haga que los cilindros se retrasen con respecto a su movimiento objetivo debido a los cambios en la presión hidráulica dentro de la manguera.

Esto da como resultado un sistema que no se puede controlar usando un algoritmo de control PID simple. El diseñador podría haber usado una ganancia proporcional muy baja para hacer que el sistema fuera más lento para compensar el efecto de resorte. Pero esto perjudicará el rendimiento de la aplicación. En retrospectiva, se suponía que la válvula hidráulica se montaría directamente en el cilindro, pero este fue un prototipo de construcción rápida y este detalle se omitió por conveniencia.

Se contrató a Delta Computer Systems para la programación de control de máquinas y el ajuste de ejes. Esto incluye la solución de problemas causados ​​por mangueras largas. La solución a este problema se realiza en software al habilitar la ganancia de la segunda derivada en el algoritmo de control. Delta RMC tiene una opción para admitir el control de aceleración (el algoritmo de control utilizado es PID+D2, no PID), lo que reduce el perfil de error entre la aceleración real del eje y la aceleración objetivo en cualquier punto del movimiento. Cuando el eje comienza a retrasarse, esto hace que el movimiento del eje se acelere o desacelere prematuramente.

Durante la configuración de la ganancia, utilizamos Delta RMC Plot Manager para determinar el valor de la ganancia de la segunda derivada (D2). Para configurar D2, realizamos algunos experimentos;Pruebe diferentes valores y grafique los resultados usando el paquete RMCTools de Delta, Figura 3. Después de hacer esto, notamos que el sistema se volvió muy sensible a pequeños cambios en la retroalimentación de la posición del eje, lo que requería filtrar la salida del controlador de movimiento para reducir el ruido.

arreglo final
Para garantizar aún más que el sistema pueda responder rápidamente a la cambiante curva de movimiento del objetivo, se agrega un parámetro de ganancia anticipada al algoritmo de control, como se muestra en la Figura 4. El término feedforward es un elemento predictor en la ecuación del lazo de control que se usa para predecir cuál debe ser la salida de control (los otros parámetros de ganancia en la ecuación se usan para reducir el error, no para predecir cuál debe ser el movimiento). A medida que se ajustaban los parámetros, observamos los gráficos generados por RMCTools para ver si mejoraba el control. Una vez ajustados, los controles del sistema responden y funcionan «como la seda».

El prototipo de «tobogán de agua virtual» es único hasta ahora, pero muestra las ventajas de la hidráulica en el apoyo de simuladores de movimiento, moviendo grandes cargas con mucha suavidad y proporcionando un viaje muy realista.

Para obtener más información, póngase en contacto con el autor. Dennis. Ritola@deltamotion.com , llame al (360) 254-8688, o visite www.deltamotion.com .

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