Ο έλεγχος πίεσης χρησιμοποιείται συχνά σε συστήματα συμπίεσης, λείανσης και δοκιμών. Αυτές οι εφαρμογές απαιτούν συχνά τον έλεγχο των αυξήσεων πίεσης που είναι πολύ πιο περίπλοκες και ακριβείς από ό,τι μπορεί να επιτευχθεί με τις συνηθισμένες ανακουφιστικές βαλβίδες ή ρυθμιστές πίεσης. Οι σύγχρονες εφαρμογές μπορούν να εκμεταλλευτούν πλήρως την πλήρη ισχύ. Αυτό το πλεονέκτημα επιτυγχάνεται με τη χρήση διαφορικού ελέγχου, όπου η δύναμη λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας την πίεση και στις δύο πλευρές του εμβόλου με τις αντίστοιχες περιοχές τους και η καθαρή δύναμη προκύπτει αφαιρώντας τη δύναμη από την κοιλότητα χωρίς ράβδο.
Η συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος ελέγχου κλειστού-βρόχου είναι η πραγματοποίηση του ακριβούς ελέγχου της πίεσης αντισταθμίζοντας την αλλαγή ιξώδους του μέσου. Η χρήση αποδεδειγμένων αλγορίθμων PID είναι πολύ πιο περίπλοκη από τον περιορισμένο αναλογικό έλεγχο που μπορούν να παρέχουν οι μηχανικές συσκευές με ελατήρια. Αυτή η ειδική απόδοση μας επιτρέπει να διορθώσουμε και να μειώσουμε την υπέρβαση ενώ ελέγχουμε την πίεση.
Τι είναι το άγχος; Γιατί είναι τόσο σημαντικό για ακριβή έλεγχο;
Πίεση είναι η δύναμη που λαμβάνεται ανά μονάδα επιφάνειας, δηλαδή η συνολική αναλογία δύναμης από τη συνολική τεντωμένη περιοχή. Η πίεση στο υδραυλικό σύστημα δημιουργείται με την εφαρμογή δύναμης στο λάδι στο σύστημα σταθερού όγκου ή με την προσθήκη λαδιού στο σύστημα σταθερού όγκου. Σε αυτό το άρθρο, θα αγνοήσουμε την επίδραση της θερμικής διαστολής.
Ο βασικός τύπος αλλαγής πίεσης:
Αυτός ο τύπος μας λέει ότι η πίεση αλλάζει με τον όγκο και το μέτρο ελαστικότητας όγκου, που αντανακλά τη συμπιεστότητα του υγρού. Για παράδειγμα, ο συντελεστής ελαστικότητας του λαδιού είναι περίπου 200.000 psi, ενώ του νερού είναι περίπου 312.000 psi. Αυτό σημαίνει ότι εάν η χωρητικότητα μειωθεί κατά 0,1%, η πίεση λαδιού θα αυξηθεί κατά 200 psi και η πίεση του νερού θα αυξηθεί κατά 312 psi. Με άλλα λόγια, το νερό συμπιέζεται πιο δύσκολα από το λάδι.
Ο ακόλουθος τύπος ορίζει την επίδραση του χρόνου στη δύναμη και την πίεση:
Με άλλα λόγια, υποθέτοντας ότι ο όγκος και ο όγκος του συντελεστή ελαστικότητας είναι σταθεροί, μπορούμε να υπολογίσουμε τον ρυθμό μεταβολής της δύναμης και της πίεσης ανά πάσα στιγμή δεδομένης της ταχύτητας, της ροής και της χωρητικότητας ρεύματος.
Στη συνέχεια, θα επικεντρωθούμε στους τύπους (2) και (3).
Εφαρμογή του τύπου
Η πίεση μπορεί να ελεγχθεί με διάφορους τρόπους, συνήθως χρησιμοποιώντας μια σερβοβαλβίδα ή μια αναλογική βαλβίδα με σερβο κύλινδρο. Η εξίσωση 2 δείχνει ότι για να αυξηθεί μια ορισμένη πίεση, πρέπει να εγχυθεί υγρό στον θάλαμο. Ο ρυθμός προσθήκης υγρού πρέπει να είναι ανάλογος με την επιθυμητή αύξηση της πίεσης. Όταν η πίεση φτάσει στην ιδανική τιμή, η πλήρωση διακόπτεται και το σύστημα διατηρεί την πίεση σταθερή όλη την ώρα. Σε πρακτικές εφαρμογές, υπάρχει πάντα μια μικρή ποσότητα διαρροής και ο ελεγκτής πρέπει να προσθέσει υγρό στο σύστημα με τον ρυθμό με τον οποίο διαρρέει το υγρό. Επομένως, η καθαρή ροή Q είναι πάντα μηδέν και ο ρυθμός αλλαγής πίεσης είναι επίσης μηδέν. Για να μειωθεί η πίεση, η βαλβίδα ολίσθησης πρέπει να ρυθμιστεί ώστε να επιτρέπει στο υγρό να ρέει μέσα από το σώμα. Όταν επιτευχθεί η ιδανική τιμή πίεσης, το σώμα της βαλβίδας κλείνει ξανά για να διατηρήσει την πίεση σταθερή. Το κλειδί εδώ είναι ότι ο ρυθμός μεταβολής της πίεσης εξαρτάται από τον ρυθμό ροής και όχι από την ίδια την πίεση.
Εάν το σύστημα έχει σχεδιαστεί σωστά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τυπικές αναλογικές βαλβίδες για τον έλεγχο της πίεσης. Το κλειδί είναι να υπάρχει ένα ειδικό κενό ή πόρος μεταξύ των θυρών Α και Β του σώματος της βαλβίδας. Οι εξισώσεις 2 και 3 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της ιδανικής διαρροής όταν είναι γνωστός ο μέγιστος ιδανικός ρυθμός πτώσης πίεσης. Ο ελεγκτής κίνησης πρέπει να ελέγχει το σώμα της βαλβίδας για να παρέχει υγρό στο σύστημα με ρυθμό ίσο με την απώλεια υγρού μέσω των πόρων ανά πάσα στιγμή. Εάν ο ρυθμός ροής είναι πολύ χαμηλός, η πίεση θα μειωθεί καθώς το υγρό ρέει έξω. Εάν ο ρυθμός ροής είναι πολύ υψηλός, η πίεση θα αυξηθεί. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι όταν το σύστημα κινείται, είναι αποσβεσμένο και δεν προκαλεί βίαιους κραδασμούς.
Έννοια ελέγχου
Σε ένα σύστημα υδραυλικής μετάδοσης κίνησης, η πίεση μπορεί να αυξηθεί γρήγορα μέσα σε ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Αλλά τα μηχανήματα δεν ανταποκρίνονται τόσο γρήγορα. Τα μηχανικά συστήματα διέπονται από την πίεση και όχι από το ρυθμό μεταβολής της πίεσης. Επομένως, εάν ο ρυθμός αλλαγής πίεσης δεν ελέγχεται, είναι εύκολο να κάνετε τον μηχανικό εξοπλισμό να μεταπηδήσει στην καθορισμένη τιμή. Φανταστείτε ότι οδηγείτε και όταν βλέπετε ένα κόκκινο φανάρι, σταδιακά επιβραδύνετε σε μια ήπια στάση αντί για ένα σύγκρουση. Ο ελεγκτής πίεσης πρέπει να κάνει την ίδια δουλειά.
Κατά την εκτέλεση ελέγχου πίεσης, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τουλάχιστον τα ακόλουθα τέσσερα σημεία:
1. Ο χρόνος αντίδρασης του αισθητήρα πίεσης πρέπει να είναι αρκετά γρήγορος. Σε περιπτώσεις που το υλικό δεν συμπιέζεται εύκολα, είναι σύνηθες φαινόμενο η πίεση του λαδιού να αυξάνεται με ρυθμό 200psi ανά χιλιοστό του δευτερολέπτου. Οι αισθητήρες πίεσης με σταθερές χρόνου χιλιοστού του δευτερολέπτου δεν ανταποκρίνονται αρκετά γρήγορα στις αλλαγές πίεσης κατά τη χρήση. Η σταθερά χρόνου απόκρισης πίεσης πρέπει να είναι της τάξης των 100μs για να λειτουργήσει σωστά. Εάν η εμπειρική μέθοδος χρησιμοποιεί μόνο τον αισθητήρα για μέτρηση, η ταχύτητα είναι τουλάχιστον δέκα φορές μεγαλύτερη από την αναμενόμενη.
2. Ο χρόνος δειγματοληψίας του αισθητήρα πίεσης πρέπει να είναι γρήγορος και να έχει σταθερό διάστημα. Σε πρακτικές εφαρμογές, όπως η σφράγιση μετάλλων που αναφέρθηκε παραπάνω, η πίεση μπορεί να ποικίλλει κατά εκατοντάδες psi σε μόλις 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
3. Ο χρόνος δειγματοληψίας πρέπει να είναι σταθερός. Εάν η σάρωση υποτίθεται ότι είναι 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου ανά σάρωση, αλλά στην πραγματικότητα είναι 9 χιλιοστά του δευτερολέπτου ανά 11 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ο υπολογισμός του λόγου πίεσης θα διαφέρει τουλάχιστον κατά 20%. Επομένως, ένας σταθερός χρόνος δειγματοληψίας είναι πολύ σημαντικός για τον ακριβή υπολογισμό του ρυθμού αλλαγής πίεσης.
4. Το PLC δεν είναι απαραίτητα η καλύτερη επιλογή. Η λειτουργία του PID στο PLCS σχεδιάστηκε αρχικά για τον έλεγχο της θερμοκρασίας ή της πίεσης του αέρα, όχι για υγρά που συμπιέζονται δύσκολα. Όταν βρίσκονται στην περιοχή του χιλιοστού του δευτερολέπτου, η σταθερά χρόνου του PID στο PLC είναι στο επίπεδο των λεπτών. Για τον έλεγχο της πίεσης απαιτείται ένας ειδικά σχεδιασμένος ελεγκτής PID.
Επιλογή ελέγχου
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι ενώ μπορούμε να ελέγξουμε τη θέση, τη δύναμη ή την πίεση, δεν μπορούμε να κάνουμε και τα τρία ταυτόχρονα. Σε οποιαδήποτε θέση, εάν υπάρχει εμπόδιο, ο ενεργοποιητής θα υποβληθεί σε αντίσταση ίση και αντίθετη με την κινητήρια δύναμη. Κάνοντας δοκιμές ημιτονοειδούς κίνησης με ενεργοποιητές, μπορούμε να παρακολουθήσουμε την πίεση, αλλά δεν μπορούμε να ελέγξουμε την πίεση ή τη δύναμη ταυτόχρονα με τον έλεγχο της θέσης της. Επειδή η πίεση ή η δύναμη καθορίζεται από τη δύναμη του δείγματος δοκιμής στον ενεργοποιητή. Ο ενεργοποιητής μπορεί να παρέχει μια ημιτονοειδή δύναμη ή πίεση, αλλά η θέση του καθορίζεται από τη γραμμικότητα του συντελεστή ελαστικότητας του υλικού δοκιμής.
Στρες
Μπορεί να μην υπάρχουν παρεμβολές κατά τη διάρκεια της κίνησης, επομένως δεν έχει νόημα να προσπαθήσουμε να ελέγξουμε την πίεση ή τη δύναμη. Το πλεονέκτημα του ελέγχου μόνο της πίεσης ή της δύναμης είναι ότι δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη η θέση. Ο χειριστής μπορεί απλώς να αλλάξει το σημείο ρύθμισης, αλλά πρέπει να προσέξει την κατάσταση κενού φορτίου. Σε παρόμοια κατάσταση, το έμβολο του υδραυλικού κυλίνδρου θα επιταχύνει έως ότου η πίεση ταιριάζει με την καθορισμένη τιμή. Σε δοκιμές όπου ελέγχεται μόνο η πίεση ή η δύναμη, η ταχύτητα του ενεργοποιητή θα πρέπει να παρακολουθείται για να αποφευχθεί μια ξαφνική πτώση του φορτίου. Όταν εντοπιστεί ότι το φορτίο εξαφανίζεται, ο ενεργοποιητής μπορεί να μεταβεί σε λειτουργία θέσης ή ταχύτητας.
Περιορισμοί θέσης και πίεσης
Μια άλλη επιλογή είναι ο περιορισμός της θέσης ή της ταχύτητας μέσω περιορισμών πίεσης ή δύναμης. Λειτουργεί με τη λειτουργία δύο βρόχων ελέγχου ταυτόχρονα και μόνο η ελάχιστη τιμή και των δύο εξόδων ελέγχου περνά στην υδραυλική βαλβίδα. Το αν το σύστημα θα φτάσει στο σημείο ρύθμισης θέσης ή στο σημείο ρύθμισης πίεσης εξαρτάται από το ποιο θα φτάσει πρώτο. Επομένως, εάν το φορτίο του υδραυλικού κυλίνδρου εξαφανιστεί ξαφνικά όταν ρυθμιστεί η πίεση, η πίεση θα πέσει και θα ενεργοποιήσει τον ελεγκτή πίεσης PID για να παράγει ένα μεγάλο σήμα ελέγχου. Ωστόσο, καθώς το σύστημα επιταχύνει, το σφάλμα ταχύτητας μειώνεται και το σήμα ελέγχου από τον ελεγκτή ταχύτητας PID μειώνεται καθώς μειώνεται το σφάλμα. Η μικρότερη τιμή των δύο σημάτων προέρχεται από τον ελεγκτή ταχύτητας PID. Έτσι, ο ενεργοποιητής ελέγχεται τώρα από την επιλογή βρόχου θέσης και δεν υπερβαίνει την καθορισμένη τιμή της ταχύτητας.
Έναρξη και ρύθμιση ελέγχου πίεσης ή δύναμης
Η ρύθμιση είναι η διαδικασία επιλογής της καλύτερης αύξησης για βέλτιστο έλεγχο της θέσης, της ταχύτητας, της πίεσης ή της δύναμης. Τα συστήματα ρύθμισης πίεσης ή ελέγχου πίεσης διαφέρουν από τα συστήματα ρύθμισης θέσης επειδή ο υδραυλικός κύλινδρος δεν κινείται τόσο πολύ όταν αλλάζει η πίεση. Ο ευκολότερος τρόπος για να ρυθμίσετε την πίεση ή τη δύναμη είναι να επεκτείνετε πλήρως τον ενεργοποιητή μέχρι να επιτευχθεί η πίεση του συστήματος, ενώ ρυθμίζετε όλα τα κέρδη στο 0. Στη συνέχεια, εισαγάγετε την καθορισμένη τιμή ή κέρδος μόνο με ένα μικρό αναλογικό κέρδος στο PID.
Αυτό το "μικρό" αναλογικό κέρδος μπορεί να εκτιμηθεί από:
Αυτός ο τύπος επιτρέπει στον εργαζόμενο να προσδιορίσει τη θέση της ρύθμισης εκκίνησης που δεν μπορεί να προσδιοριστεί κατά τη διαδικασία ρύθμισης της πίεσης. Μπορείτε να ξεκινήσετε βρίσκοντας ένα σήμα ελέγχου με πλήρη έξοδο 10V ή 40mA ή 100% της βαλβίδας και χρησιμοποιώντας την εξίσωση VCCM για να υπολογίσετε τη μέγιστη ταχύτητα (βλ. Jack L. Johnson, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control") ή κοιτάζοντας έναν πίνακα για να προσδιορίσετε. Η δυναμική εξίσωση πρέπει να διαιρεθεί με το διπλάσιο του εμβαδού. Αυτό συμβαίνει γιατί η αύξηση της πίεσης στη μία πλευρά του εμβόλου συνοδεύεται από μείωση της πίεσης στην άλλη πλευρά.
Σημείωμα:Τα εκτιμώμενα αναλογικά κέρδη δεν είναι ακριβή, αλλά θα είναι πολύ κοντά στις ιδανικές αρχικές τιμές.
Όταν ενεργοποιηθεί το αναλογικό κέρδος, η πίεση ή η δύναμη του συστήματος θα φτάσει στο σημείο ρύθμισης ή θα το πλησιάσει. Η συντριπτική πλειοψηφία των σφαλμάτων οφείλεται σε διαρροές. Το επόμενο βήμα είναι να αναγκάσετε τον ελεγκτή να αντισταθμίσει ή να αυξήσει τον ρυθμό ροής αυξάνοντας αργά το αναπόσπαστο κέρδος μέχρι το σφάλμα να μηδενιστεί.
Τώρα, το σύστημα είναι ελεγχόμενο και μπορεί να ρυθμιστεί μέσω δυναμικών αποκρίσεων. Αυτό επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση της κλίσης μεταξύ των δύο πιέσεων της ζώνης λειτουργίας. Μια κλίση πίεσης ή δύναμης θα πρέπει να αυξάνεται αργά στην αρχή, καθώς είναι ευκολότερο να διατηρηθεί ο έλεγχος. Αυτό το κέρδος PID θα πρέπει να είναι ρυθμιζόμενο για καλύτερο έλεγχο. Η προσπάθεια προσαρμογής της πίεσης ή της πίεσης του PID ως απόκριση στις αλλαγές σταδίου στο σύστημα είναι πολύ δύσκολη και είναι δύσκολο να ληφθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα επειδή οι κραδασμοί πίεσης μπορεί να προκαλέσουν διαρροές. Μια ομαλή μετάβαση πίεσης είναι μια καλή λύση. Όταν αλλάξει η πίεση ή η δύναμη, η δράση του συστήματος θα εξαρτηθεί από την αύξηση και τη μείωση της πίεσης μεταξύ των δύο σημείων ρύθμισης.
