Controlul presiunii este adesea folosit în sistemele de presare, măcinare și testare. Aceste aplicații necesită adesea controlul creșterilor de presiune, care sunt mult mai complexe și precise decât se poate obține cu supape de siguranță obișnuite sau regulatoare de presiune. Aplicațiile moderne pot profita din plin de puterea maximă. Acest avantaj se realizează prin utilizarea controlului diferențial, unde forța se obține prin înmulțirea presiunii de pe ambele părți ale pistonului cu suprafețele respective, iar forța netă se obține prin scăderea forței din cavitatea fără tijă.
Metoda de control în buclă închisă utilizată în mod obișnuit este de a realiza un control precis al presiunii prin compensarea modificării vâscozității mediului. Utilizarea algoritmilor PID dovediți este mult mai sofisticată decât controlul proporțional limitat pe care îl pot oferi dispozitivele mecanice cu arcuri. Această performanță specială ne permite să corectăm și să reducem depășirea în timp ce controlăm presiunea.
Ce este stresul? De ce este atât de important pentru un control precis?
Presiunea este forța primită pe unitatea de suprafață, adică raportul forțelor totale cu suprafața totală solicitată. Presiunea din sistemul hidraulic este generată prin aplicarea forței uleiului în sistemul cu volum constant sau prin adăugarea de ulei în sistemul cu volum constant. În acest articol, vom ignora efectul expansiunii termice.
Formula de bază a schimbării presiunii:
Această formulă ne spune că presiunea se modifică odată cu volumul și cu modulul elastic de volum, ceea ce reflectă compresibilitatea lichidului. De exemplu, modulul de elasticitate în vrac al uleiului este de aproximativ 200.000 psi, în timp ce cel al apei este de aproximativ 312.000 psi. Aceasta înseamnă că dacă capacitatea este redusă cu 0,1%, presiunea uleiului va crește cu 200 psi, iar presiunea apei va crește cu 312 psi. Cu alte cuvinte, apa este mai greu de comprimat decât uleiul.
Următoarea formulă definește efectul timpului asupra forței și presiunii:
Cu alte cuvinte, presupunând că volumul și modulul elastic în vrac sunt constante, putem calcula viteza de schimbare a forței și presiunii în orice moment, având în vedere viteza, debitul și capacitatea curentului.
În continuare, ne vom concentra pe formulele (2) și (3).
Aplicarea formulei
Presiunea poate fi controlată într-o varietate de moduri, de obicei folosind o supapă servo sau o supapă proporțională cu o bobină servo. Ecuația 2 arată că pentru a crește o anumită presiune, lichidul trebuie injectat în cameră. Rata de adăugare a lichidului trebuie să fie proporțională cu creșterea dorită a presiunii. Când presiunea atinge valoarea ideală, umplerea este oprită, iar sistemul menține presiunea constantă tot timpul. În aplicațiile practice, o cantitate mică de scurgeri este întotdeauna prezentă, iar controlerul trebuie să adauge lichid în sistem la viteza cu care se scurge lichidul. Prin urmare, debitul net Q este întotdeauna zero, iar rata de schimbare a presiunii este, de asemenea, zero. Pentru a reduce presiunea, supapa glisantă trebuie reglată pentru a permite lichidului să curgă prin corp. Când se atinge valoarea ideală a presiunii, corpul supapei se închide din nou pentru a menține presiunea constantă. Cheia aici este că viteza de schimbare a presiunii depinde de debit, nu de presiunea în sine.
Dacă sistemul este proiectat corespunzător, supapele proporționale tipice pot fi utilizate pentru controlul presiunii. Cheia este să aveți un spațiu sau un poru special între porturile A și B ale corpului supapei. Ecuațiile 2 și 3 pot fi utilizate pentru a calcula scurgerea ideală atunci când este cunoscută rata ideală maximă de cădere de presiune. Controlerul de mișcare trebuie să controleze corpul supapei pentru a furniza fluid sistemului la o rată egală cu pierderea de fluid prin pori în orice moment. Dacă debitul este prea mic, presiunea va scădea pe măsură ce lichidul curge. Dacă debitul este prea mare, presiunea va crește. Avantajul acestei metode este că atunci când sistemul este în mișcare, acesta este amortizat și nu va produce vibrații violente.
Înţeles control
Într-un sistem de antrenare hidraulic, presiunea poate crește rapid într-o milisecundă. Dar utilajele nu răspund atât de repede. Sistemele mecanice sunt guvernate de presiune, nu de rata de schimbare a presiunii. Prin urmare, dacă rata de schimbare a presiunii nu este controlată, este ușor să faceți ca echipamentul mecanic să sară la valoarea setată. Imaginați-vă că conduceți și când vedeți o lumină roșie, încetiniți treptat până la o oprire ușoară în loc de o oprire în caz de accident. Controlerul de presiune ar trebui să facă aceeași treabă.
Când se efectuează controlul presiunii, trebuie luate în considerare cel puțin următoarele patru puncte:
1. Timpul de reacție al senzorului de presiune trebuie să fie suficient de rapid. În cazurile în care materialul nu este ușor comprimat, este obișnuit ca presiunea uleiului să crească cu o rată de 200 psi pe milisecundă. Senzorii de presiune cu constante de timp în milisecunde nu răspund suficient de repede la schimbările de presiune în timpul utilizării. Pentru a funcționa corect, constanta de timp de răspuns la presiune trebuie să fie de ordinul a 100μs. Dacă numai metoda empirică folosește senzorul pentru a măsura, viteza este de cel puțin zece ori mai mare decât se aștepta.
2. Timpul de eșantionare al senzorului de presiune trebuie să fie rapid și să aibă un interval fix. În aplicațiile practice, cum ar fi ștanțarea metalică menționată mai sus, presiunea poate varia cu sute de psi în doar 10 milisecunde.
3. Timpul de prelevare trebuie să fie constant. Dacă scanarea ar trebui să fie de 10 milisecunde per scanare, dar este de fapt 9 milisecunde pe 11 milisecunde, calculul raportului de presiune va diferi cu cel puțin 20%. Prin urmare, un timp de prelevare constant este foarte important pentru calculul precis al ratei de schimbare a presiunii.
4. PLC nu este neapărat cea mai bună alegere. Funcția PID în PLCS a fost concepută inițial pentru a controla temperatura sau presiunea aerului, nu pentru fluide greu de comprimat. Când sunt în intervalul de milisecunde, constanta de timp a PID-ului din PLC este la nivelul minutelor. Pentru controlul presiunii, este necesar un regulator PID special conceput.
Opțiune de control
Primul lucru de înțeles este că, deși putem controla poziția, forța sau presiunea, nu le putem face pe toate trei în același timp. În orice poziție, dacă există o obstrucție, actuatorul va fi supus unei rezistențe egale și opuse forței de antrenare. Făcând teste de mișcare sinusoidală cu actuatoare, putem monitoriza presiunea, dar nu putem controla presiunea sau forța în același timp cu controlul poziției acesteia. Deoarece presiunea sau forța este determinată de forța eșantionului de testat asupra actuatorului. Dispozitivul de acționare poate furniza o forță sau o presiune sinusoidală, dar poziția sa este determinată de liniaritatea coeficientului elastic al materialului de testat.
Stres
Este posibil să nu existe interferențe în timpul mișcării, așa că nu are rost să încerci să controlezi presiunea sau forța. Avantajul de a controla doar presiunea sau forța este că nu este nevoie să luăm în considerare poziția. Operatorul poate schimba pur și simplu valoarea de referință, dar trebuie să fie atent la situația de sarcină goală. Într-o situație similară, pistonul cilindrului hidraulic va accelera până când presiunea se potrivește cu valoarea setată. În testele în care numai presiunea sau forța este controlată, turația actuatorului trebuie monitorizată pentru a evita o scădere bruscă a sarcinii. Când se detectează că sarcina dispare, actuatorul poate comuta în modul poziție sau viteză.
Constrângeri de poziție și presiune
O altă opțiune este limitarea poziției sau a vitezei prin constrângeri de presiune sau forță. Funcționează prin rularea a două bucle de control în același timp și numai valoarea minimă a ambelor ieșiri de control este transmisă supapei hidraulice. Dacă sistemul va atinge punctul de referință al poziției sau punctul de referință al presiunii depinde de care este atins primul. Prin urmare, dacă sarcina cilindrului hidraulic dispare brusc când presiunea este setată, presiunea va scădea și va declanșa controlerul PID de presiune pentru a produce un semnal de control mare. Cu toate acestea, pe măsură ce sistemul accelerează, eroarea de viteză scade, iar semnalul de control de la regulatorul de viteză PID scade pe măsură ce eroarea scade. Valoarea mai mică a celor două semnale provine de la regulatorul PID de viteză. Deci servomotorul este acum controlat de opțiunea buclă de poziție și nu depășește valoarea setată a vitezei.
Initierea si reglarea controlului presiunii sau fortei
Reglarea este procesul de selectare a celui mai bun increment pentru controlul optim al poziției, vitezei, presiunii sau forței. Sistemele de reglare a presiunii sau de control al presiunii sunt diferite de sistemele de reglare a poziției deoarece cilindrul hidraulic nu se mișcă la fel de mult atunci când presiunea se schimbă. Cel mai simplu mod de a regla presiunea sau forța este extinderea completă a actuatorului până la atingerea presiunii sistemului, în timp ce setați toate câștigurile la 0. Apoi, introduceți valoarea setată sau câștigul numai cu un mic câștig proporțional în PID.
Acest câștig proporțional „mic” poate fi estimat prin:
Această formulă permite lucrătorului să determine poziția reglajului de pornire care nu poate fi determinată în timpul procesului de reglare a presiunii. Puteți începe prin a găsi un semnal de control cu o ieșire completă de 10V sau 40mA, sau 100% din supapă și folosind ecuația VCCM pentru a calcula viteza maximă (a se vedea Jack L. Johnson, PE, „Electronica de bază pentru controlul mișcării cilindrului”) sau uitându-vă la un tabel pentru a determina. Ecuația dinamică trebuie împărțită de două ori suprafața. Acest lucru se datorează faptului că creșterea presiunii pe o parte a pistonului este însoțită de o scădere a presiunii pe cealaltă parte.
Nota:Câștigurile proporționale estimate nu sunt exacte, dar vor fi foarte apropiate de valorile inițiale ideale.
Când câștigul proporțional este activat, presiunea sau forța sistemului va atinge punctul de referință sau se va apropia de acesta. Marea majoritate a erorilor se datorează scurgerilor. Următorul pas este de a face controlerul să compenseze sau să crească debitul prin creșterea lent a câștigului integral până când eroarea este zero.
Acum, sistemul este controlabil și poate fi ajustat prin răspunsuri dinamice. Se realizează prin reglarea pantei dintre cele două presiuni ale benzii de operare. O pantă de presiune sau forță ar trebui să crească lent la început, deoarece este mai ușor să mențineți controlul. Acest câștig PID ar trebui să fie reglabil pentru un control mai bun. Încercarea de a regla presiunea sau forța PID ca răspuns la schimbările de treaptă din sistem este foarte dificilă și este dificil să obțineți rezultate satisfăcătoare, deoarece șocurile de presiune pot provoca scurgeri. O tranziție lină de presiune este o soluție bună. Când presiunea sau forța este modificată, acțiunea sistemului va depinde de creșterea și scăderea presiunii între cele două puncte de referință.
