Nadzor tlaka se pogosto uporablja v sistemih za stiskanje, mletje in testiranje. Te aplikacije pogosto zahtevajo nadzor povečanja tlaka, ki je veliko bolj zapleten in natančen, kot ga je mogoče doseči z običajnimi varnostnimi ventili ali regulatorji tlaka. Sodobne aplikacije lahko v celoti izkoristijo polno moč. Ta prednost je dosežena z uporabo diferencialne regulacije, kjer se sila dobi tako, da se tlak na obeh straneh bata pomnoži z njunima ustreznima površinama, skupna sila pa se dobi z odštevanjem sile iz votline brez droga.
Običajno uporabljena metoda nadzora-zanke je realizacija natančnega nadzora tlaka s kompenzacijo spremembe viskoznosti medija. Uporaba preizkušenih algoritmov PID je veliko bolj sofisticirana od omejenega proporcionalnega krmiljenja, ki ga lahko zagotovijo mehanske naprave z vzmetmi. Ta posebna zmogljivost nam omogoča, da popravimo in zmanjšamo prekoračitev, medtem ko nadzorujemo pritisk.
Kaj je stres? Zakaj je tako pomemben za natančen nadzor?
Tlak je sila, ki jo prejmemo na enoto površine, to je skupno razmerje sile s skupno obremenjeno površino. Tlak v hidravličnem sistemu se ustvari z uporabo sile na olje v sistemu s konstantno prostornino ali z dodajanjem olja v sistem s konstantno prostornino. V tem članku ne bomo upoštevali učinka toplotnega raztezanja.
Osnovna formula za spremembo tlaka:
Ta formula nam pove, da se tlak spreminja z volumnom in volumskim modulom elastičnosti, ki odraža stisljivost tekočine. Na primer, nasipni modul elastičnosti olja je približno 200.000 psi, medtem ko je modul vode približno 312.000 psi. To pomeni, da če se zmogljivost zmanjša za 0,1 %, se bo tlak olja povečal za 200 psi, tlak vode pa za 312 psi. Z drugimi besedami, vodo je težje stisniti kot olje.
Naslednja formula določa učinek časa na silo in pritisk:
Z drugimi besedami, ob predpostavki, da sta prostornina in volumenski modul elastičnosti konstantna, lahko kadar koli izračunamo hitrost spremembe sile in tlaka glede na hitrost, pretok in zmogljivost toka.
Nato se bomo osredotočili na formuli (2) in (3).
Uporaba formule
Tlak je mogoče nadzorovati na različne načine, običajno z uporabo servo ventila ali proporcionalnega ventila s servo kolutom. Enačba 2 kaže, da je treba za dvig določenega tlaka v komoro vbrizgati tekočino. Hitrost dodajanja tekočine mora biti sorazmerna z želenim povečanjem tlaka. Ko tlak doseže idealno vrednost, se polnjenje prekine, sistem pa ves čas vzdržuje konstanten tlak. V praktičnih aplikacijah je vedno prisotna majhna količina puščanja in krmilnik mora dodajati tekočino v sistem s hitrostjo, s katero tekočina pušča. Zato je neto pretok Q vedno nič in tudi stopnja spremembe tlaka je enaka nič. Za zmanjšanje tlaka je treba drsni ventil nastaviti tako, da omogoča pretok tekočine skozi telo. Ko je dosežena idealna vrednost tlaka, se ohišje ventila ponovno zapre, da ohrani tlak konstanten. Ključno pri tem je, da je hitrost spremembe tlaka odvisna od hitrosti pretoka, ne od tlaka samega.
Če je sistem pravilno zasnovan, se lahko za regulacijo tlaka uporabljajo tipični proporcionalni ventili. Ključno je imeti posebno režo ali pore med odprtinama A in B ohišja ventila. Enačbi 2 in 3 se lahko uporabita za izračun idealnega puščanja, ko je znana največja idealna stopnja padca tlaka. Krmilnik gibanja mora nadzirati telo ventila, da zagotovi tekočino sistemu s hitrostjo, ki je enaka izgubi tekočine skozi pore. Če je pretok prenizek, se tlak zmanjša, ko tekočina izteka. Če je pretok previsok, se bo tlak povečal. Prednost te metode je, da je sistem, ko se premika, dušen in ne povzroča močnih vibracij.
Pomen nadzora
V hidravličnem pogonskem sistemu lahko tlak hitro naraste v milisekundi. Toda stroji se ne odzovejo tako hitro. Mehanske sisteme ureja tlak, ne pa hitrost spremembe tlaka. Zato je, če hitrost spremembe tlaka ni nadzorovana, mehanska oprema enostavno skočiti na nastavljeno vrednost. Predstavljajte si, da vozite in ko zagledate rdečo luč, postopoma upočasnite do rahlega ustavljanja namesto do trka. Regulator tlaka bi moral opraviti enako nalogo.
Pri nadzoru tlaka je treba upoštevati vsaj naslednje štiri točke:
1. Reakcijski čas senzorja tlaka mora biti dovolj hiter. V primerih, ko materiala ni enostavno stisniti, je običajno, da tlak olja narašča s hitrostjo 200 psi na milisekundo. Senzorji tlaka z milisekundnimi časovnimi konstantami se ne odzivajo dovolj hitro na spremembe tlaka med uporabo. Tlačna odzivna časovna konstanta mora biti reda vrednosti 100 μs, da deluje pravilno. Če le empirična metoda za merjenje uporablja senzor, je hitrost vsaj desetkrat večja od pričakovane.
2. Čas vzorčenja tlačnega senzorja mora biti hiter in imeti določen interval. V praktičnih aplikacijah, kot je zgoraj omenjeno žigosanje kovin, se lahko tlak spremeni za več sto psi v samo 10 milisekundah.
3. Čas vzorčenja mora biti stalen. Če naj bi skeniranje trajalo 10 milisekund na skeniranje, dejansko pa je 9 milisekund na 11 milisekund, se bo izračun razmerja tlaka razlikoval za vsaj 20 %. Zato je konstanten čas vzorčenja zelo pomemben za natančen izračun hitrosti spremembe tlaka.
4. PLC ni nujno najboljša izbira. Funkcija PID v PLCS je bila prvotno zasnovana za nadzor temperature ali zračnega tlaka, ne za tekočine, ki jih je težko stisniti. Ko so v območju milisekund, je časovna konstanta PID v PLC-ju na ravni minut. Za regulacijo tlaka je potreben posebej zasnovan PID regulator.
Možnost nadzora
Prva stvar, ki jo je treba razumeti, je, da čeprav lahko nadzorujemo položaj, silo ali pritisk, ne moremo narediti vseh treh hkrati. V katerem koli položaju, če obstaja ovira, bo aktuator izpostavljen uporu, ki je enak in nasproten pogonski sili. Z izvajanjem preskusov sinusnega gibanja z aktuatorji lahko spremljamo tlak, vendar ne moremo nadzorovati tlaka ali sile hkrati z nadzorom njegovega položaja. Ker je tlak ali sila določena s silo preskusnega vzorca na aktuator. Aktuator lahko zagotavlja sinusno silo ali tlak, vendar je njegov položaj določen z linearnostjo elastičnega koeficienta preskusnega materiala.
stres
Med gibanjem morda ne bo motenj, zato nima smisla poskušati nadzirati pritiska ali sile. Prednost nadzora samo pritiska ali sile je, da ni treba upoštevati položaja. Upravljavec lahko preprosto spremeni nastavljeno točko, vendar mora biti pozoren na stanje praznega tovora. V podobni situaciji se bo bat hidravličnega cilindra pospeševal, dokler tlak ne ustreza nastavljeni vrednosti. Pri preskusih, pri katerih se nadzoruje samo tlak ali sila, je treba spremljati hitrost pogona, da se prepreči nenaden padec obremenitve. Ko se zazna, da obremenitev izgine, lahko aktuator preklopi v način položaja ali hitrosti.
Omejitve položaja in pritiska
Druga možnost je omejitev položaja ali hitrosti z omejitvami pritiska ali sile. Deluje tako, da hkrati zaženeta dve krmilni zanki in samo najmanjša vrednost obeh krmilnih izhodov se prenese na hidravlični ventil. Ali bo sistem dosegel nastavljeno točko položaja ali nastavljeno točko tlaka, je odvisno od tega, katera je dosežena prva. Če torej obremenitev hidravličnega cilindra nenadoma izgine, ko je tlak nastavljen, bo tlak padel in sprožil krmilnik tlaka PID, da proizvede velik krmilni signal. Ko pa se sistem pospeši, se napaka hitrosti zmanjša in krmilni signal iz regulatorja hitrosti PID se zmanjša, ko se napaka zmanjša. Manjša vrednost obeh signalov prihaja iz PID regulatorja hitrosti. Tako je aktuator zdaj krmiljen z možnostjo pozicijske zanke in ne preseže nastavljene vrednosti hitrosti.
Sprožitev in regulacija tlaka ali nadzora sile
Regulacija je postopek izbire najboljšega prirastka za optimalen nadzor položaja, hitrosti, pritiska ali sile. Sistemi za regulacijo tlaka ali nadzor tlaka se razlikujejo od sistemov za regulacijo položaja, ker se hidravlični cilinder premakne toliko, ko se tlak spremeni. Najlažji način za prilagoditev tlaka ali sile je, da popolnoma iztegnete aktuator, dokler ni dosežen sistemski tlak, medtem ko nastavite vsa ojačenja na 0. Nato vnesite nastavljeno vrednost ali ojačenje samo z majhnim sorazmernim ojačenjem v PID.
Ta "majhen" sorazmerni dobiček je mogoče oceniti z:
Ta formula omogoča delavcu določitev položaja začetne regulacije, ki je ni mogoče določiti med procesom regulacije tlaka. Začnete lahko tako, da poiščete krmilni signal s polnim izhodom 10 V ali 40 mA ali 100 % ventila in uporabite enačbo VCCM za izračun največje hitrosti (glejte Jack L. Johnson, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control") ali pa si ogledate tabelo, da ugotovite. Dinamično enačbo je treba deliti z dvakratno površino. To je zato, ker povečanje tlaka na eni strani bata spremlja zmanjšanje tlaka na drugi strani.
Opomba:Ocenjeni sorazmerni dobički niso točni, vendar bodo zelo blizu idealnim začetnim vrednostim.
Ko je proporcionalno ojačenje aktivirano, bo tlak ali sila sistema dosegel nastavljeno točko ali se ji približal. Velika večina napak je posledica puščanja. Naslednji korak je, da krmilnik kompenzira ali poveča pretok s počasnim povečevanjem integralnega ojačanja, dokler napaka ni enaka nič.
Zdaj je sistem mogoče nadzorovati in ga je mogoče prilagoditi z dinamičnimi odzivi. Doseže se s prilagajanjem naklona med obema tlakoma delovnega pasu. Naklon pritiska ali sile mora sprva naraščati počasi, saj je lažje ohraniti nadzor. Ta dobiček PID mora biti nastavljiv za boljši nadzor. Poskus prilagajanja tlaka ali sile PID kot odziv na stopenjske spremembe v sistemu je zelo težak in težko je dobiti zadovoljive rezultate, ker lahko tlačni sunki povzročijo puščanje. Gladki prehod tlaka je dobra rešitev. Ko se tlak ali sila spremeni, bo delovanje sistema odvisno od povečanja in zmanjšanja tlaka med dvema nastavljenima točkama.
