Paineensäätöä käytetään usein puristus-, hionta- ja testausjärjestelmissä. Nämä sovellukset vaativat usein paineen nousun hallintaa, joka on paljon monimutkaisempaa ja tarkempaa kuin tavallisilla ylipaineventtiileillä tai paineensäätimillä. Nykyaikaiset sovellukset voivat hyödyntää täyden tehon. Tämä etu saavutetaan käyttämällä differentiaalisäätöä, jossa voima saadaan kertomalla männän molemmilla puolilla oleva paine niiden vastaavilla alueilla ja nettovoima saadaan vähentämällä voima varrettomasta ontelosta.
Yleisesti käytetty suljetun{0}}silmukan säätömenetelmä on toteuttaa tarkka paineen säätö kompensoimalla väliaineen viskositeetin muutos. Todistettujen PID-algoritmien käyttö on paljon kehittyneempää kuin rajoitettu suhteellinen ohjaus, jonka jousilla varustetut mekaaniset laitteet voivat tarjota. Tämän erikoissuorituskyvyn avulla voimme korjata ja vähentää ylitystä samalla kun hallitsemme painetta.
Mitä stressi on? Miksi se on niin tärkeää tarkalle ohjaukselle?
Paine on pinta-alayksikköä kohden vastaanotettu voima, eli kokonaisvoiman suhde kokonaisjännitettyyn pinta-alaan. Hydraulijärjestelmän paine syntyy kohdistamalla voimaa öljyyn vakiotilavuusjärjestelmässä tai lisäämällä öljyä vakiotilavuusjärjestelmään. Tässä artikkelissa jätämme huomioimatta lämpölaajenemisen vaikutuksen.
Paineen muutoksen peruskaava:
Tämä kaava kertoo, että paine muuttuu tilavuuden ja tilavuuden kimmomoduulin mukaan, mikä heijastaa nesteen kokoonpuristuvuutta. Esimerkiksi öljyn bulkkikimmomoduuli on noin 200 000 psi, kun taas veden kimmomoduuli on noin 312 000 psi. Tämä tarkoittaa, että jos kapasiteettia pienennetään 0,1 %, öljynpaine kasvaa 200 psi ja vedenpaine kasvaa 312 psi. Toisin sanoen vettä on vaikeampi puristaa kuin öljyä.
Seuraava kaava määrittelee ajan vaikutuksen voimaan ja paineeseen:
Toisin sanoen olettaen, että tilavuus ja bulkkikimmomoduuli ovat vakioita, voimme laskea voiman ja paineen muutosnopeuden milloin tahansa nopeuden, virtauksen ja virtakapasiteetin perusteella.
Seuraavaksi keskitymme kaavoihin (2) ja (3).
Kaavan soveltaminen
Painetta voidaan ohjata monin eri tavoin, yleensä käyttämällä servoventtiiliä tai servokelalla varustettua suhteellista venttiiliä. Yhtälö 2 osoittaa, että tietyn paineen nostamiseksi kammioon on ruiskutettava nestettä. Nesteen lisäysnopeuden tulee olla verrannollinen haluttuun paineen nousuun. Kun paine saavuttaa ihanteellisen arvon, täyttö lopetetaan ja järjestelmä pitää paineen vakiona koko ajan. Käytännön sovelluksissa vuotoa on aina pieni määrä ja säätimen on lisättävä nestettä järjestelmään sillä nopeudella, jolla nestettä vuotaa. Siksi nettovirtaus Q on aina nolla ja paineen muutosnopeus on myös nolla. Paineen vähentämiseksi liukuventtiiliä on säädettävä niin, että neste pääsee virtaamaan kehon läpi. Kun ihanteellinen painearvo saavutetaan, venttiilin runko sulkeutuu jälleen paineen pitämiseksi vakiona. Tärkeintä tässä on, että paineen muutosnopeus riippuu virtausnopeudesta, ei itse paineesta.
Jos järjestelmä on oikein suunniteltu, paineensäätöön voidaan käyttää tyypillisiä suhteellisia venttiileitä. Tärkeintä on, että venttiilirungon A- ja B-porttien välissä on erityinen rako tai huokos. Yhtälöitä 2 ja 3 voidaan käyttää ihanteellisen vuodon laskemiseen, kun suurin ihanteellinen painehäviön nopeus tunnetaan. Liikeohjaimen on ohjattava venttiilin runkoa tuottamaan nestettä järjestelmään nopeudella, joka on yhtä suuri kuin nestehävikki huokosten läpi koko ajan. Jos virtausnopeus on liian pieni, paine laskee nesteen virratessa ulos. Jos virtausnopeus on liian suuri, paine kasvaa. Tämän menetelmän etuna on, että kun järjestelmä liikkuu, se vaimenee eikä aiheuta voimakasta tärinää.
Tarkoituksena on valvoa
Hydraulisessa käyttöjärjestelmässä paine voi nousta nopeasti millisekunnissa. Mutta koneet eivät reagoi niin nopeasti. Mekaanisia järjestelmiä ohjaa paine, ei paineen muutosnopeus. Siksi, jos paineen muutosnopeutta ei säädetä, mekaaninen laite on helppo saada hyppäämään asetettuun arvoon. Kuvittele, että ajat ja kun näet punaisen valon, hidastat vähitellen loivaa pysähdystä törmäyspysähdyksen sijaan. Paineensäätimen pitäisi tehdä sama työ.
Paineensäätöä suoritettaessa tulee ottaa huomioon ainakin seuraavat neljä seikkaa:
1. Paineanturin reaktioajan tulee olla riittävän nopea. Tapauksissa, joissa materiaalia ei ole helppo puristaa, on tavallista, että öljynpaine kasvaa nopeudella 200 psi millisekunnissa. Paineanturit, joissa on millisekunnin aikavakiot, eivät reagoi riittävän nopeasti käytössä oleviin paineen muutoksiin. Paineen vasteaikavakion on oltava luokkaa 100 μs toimiakseen kunnolla. Jos empiirisellä menetelmällä yksinään käytetään anturia mittaamiseen, nopeus on vähintään kymmenen kertaa odotettua nopeampi.
2. Paineanturin näytteenottoajan tulee olla nopea ja sillä on oltava kiinteä väli. Käytännön sovelluksissa, kuten edellä mainitussa metallileimauksessa, paine voi vaihdella satoja psi:iä jopa 10 millisekunnissa.
3. Näytteenottoajan on oltava vakio. Jos skannauksen oletetaan olevan 10 millisekuntia skannausta kohden, mutta se on itse asiassa 9 millisekuntia per 11 millisekuntia, painesuhteen laskenta eroaa vähintään 20 %. Siksi vakio näytteenottoaika on erittäin tärkeä paineenmuutosnopeuden tarkan laskennan kannalta.
4. PLC ei välttämättä ole paras valinta. PID:n toiminto PLCS:ssä suunniteltiin alun perin säätämään lämpötilaa tai ilmanpainetta, ei vaikeasti puristettavia nesteitä varten. Kun ne ovat millisekunnin alueella, PID:n aikavakio PLC:ssä on minuuttitasolla. Paineensäätöön tarvitaan erityisesti suunniteltu PID-säädin.
Ohjausvaihtoehto
Ensimmäinen asia, joka on ymmärrettävä, on, että vaikka voimme hallita asentoa, voimaa tai painetta, emme voi tehdä kaikkia kolmea samanaikaisesti. Missä tahansa asennossa, jos on esteitä, toimilaitteeseen kohdistuu käyttövoimaa vastaava ja vastakkainen vastus. Tekemällä sinimuotoisia liiketestejä toimilaitteilla voimme valvoa painetta, mutta emme voi ohjata painetta tai voimaa samalla kun ohjaamme sen asentoa. Koska paine tai voima määräytyy testinäytteen toimilaitteeseen kohdistuvan voiman perusteella. Toimilaite voi tuottaa sinimuotoisen voiman tai paineen, mutta sen asennon määrää testimateriaalin kimmokertoimen lineaarisuus.
Korostaa
Liikkeen aikana ei ehkä ole häiriöitä, joten painetta tai voimaa ei kannata yrittää hallita. Pelkän paineen tai voiman ohjaamisen etuna on, että asentoa ei tarvitse ottaa huomioon. Käyttäjä voi yksinkertaisesti muuttaa asetusarvoa, mutta hänen on kiinnitettävä huomiota tyhjän kuorman tilanteeseen. Samanlaisessa tilanteessa hydraulisylinterin mäntä kiihtyy, kunnes paine on asetettu arvoon. Testeissä, joissa ohjataan vain painetta tai voimaa, toimilaitteen nopeutta tulee tarkkailla, jotta vältetään äkillinen kuormituksen lasku. Kun kuorman havaitaan katoavan, toimilaite voi siirtyä asento- tai nopeustilaan.
Paikka- ja painerajoitukset
Toinen vaihtoehto on rajoittaa sijaintia tai nopeutta paineen tai voimanrajoitusten avulla. Se toimii ajamalla kahta säätösilmukkaa samanaikaisesti, ja vain molempien ohjausulostulojen vähimmäisarvo välitetään hydrauliventtiiliin. Se, saavuttaako järjestelmä asennon asetuspisteen vai paineen asetuspisteen, riippuu siitä, kumpi saavutetaan ensin. Siksi, jos hydraulisylinterin kuormitus katoaa yhtäkkiä, kun paine on asetettu, paine laskee ja laukaisee paineen PID-säätimen tuottamaan suuren ohjaussignaalin. Kuitenkin järjestelmän kiihtyessä nopeusvirhe pienenee ja PID-nopeussäätimen ohjaussignaali pienenee virheen pienentyessä. Kahden signaalin pienempi arvo tulee nopeuden PID-säätimestä. Toimilaitetta ohjataan nyt asentosilmukkavaihtoehdolla, eikä se ylitä asetettua nopeuden arvoa.
Paineen tai voiman ohjauksen aloitus ja säätö
Säätö on prosessi, jossa valitaan paras lisäys asennon, nopeuden, paineen tai voiman optimaalista hallintaa varten. Paineen säätöjärjestelmät tai paineensäätöjärjestelmät eroavat asennonsäätöjärjestelmistä, koska hydraulisylinteri ei liiku yhtä paljon paineen muuttuessa. Helpoin tapa säätää painetta tai voimaa on laajentaa toimilaite kokonaan ulos, kunnes järjestelmän paine on saavutettu, ja samalla kaikki vahvistukset asetetaan arvoon 0. Syötä sitten asetettu arvo tai vahvistus vain pienellä suhteellisella vahvistuksella PID:ssä.
Tämä "pieni" suhteellinen voitto voidaan arvioida seuraavasti:
Tämän kaavan avulla työntekijä voi määrittää käynnistyssäädön sijainnin, jota ei voida määrittää paineensäätöprosessin aikana. Voit aloittaa etsimällä ohjaussignaalin, jonka täysi lähtöjännite on 10 V tai 40 mA tai 100 % venttiilistä, ja käyttämällä VCCM-yhtälöä maksiminopeuden laskemiseen (katso Jack L. Johnson, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control") tai katsomalla taulukkoa määrittääksesi. Dynaaminen yhtälö on jaettava kaksinkertaisella alueella. Tämä johtuu siitä, että männän toisella puolella tapahtuvaan paineen nousuun liittyy paineen lasku toisella puolella.
Huomautus:Arvioidut suhteelliset vahvistukset eivät ole tarkkoja, mutta ne ovat hyvin lähellä ihanteellisia alkuarvoja.
Kun suhteellinen vahvistus aktivoidaan, järjestelmän paine tai voima saavuttaa asetuspisteen tai lähestyy sitä. Suurin osa virheistä johtuu vuodoista. Seuraava askel on saada säädin kompensoimaan tai lisäämään virtausnopeutta lisäämällä hitaasti integraalivahvistusta, kunnes virhe on nolla.
Nyt järjestelmä on ohjattavissa ja sitä voidaan säätää dynaamisilla vasteilla. Se saavutetaan säätämällä toimintakaistan kahden paineen välistä kaltevuutta. Paineen tai voiman kaltevuuden tulee kasvaa aluksi hitaasti, koska sen hallinta on helpompi ylläpitää. Tämän PID-vahvistuksen tulisi olla säädettävissä paremman hallinnan saavuttamiseksi. Paineen säätäminen tai PID:n pakottaminen järjestelmän askelmuutoksien vuoksi on erittäin vaikeaa, ja tyydyttäviä tuloksia on vaikea saada, koska paineiskut voivat aiheuttaa vuotoja. Tasainen paineensiirtymä on hyvä ratkaisu. Kun painetta tai voimaa muutetaan, järjestelmän toiminta riippuu paineen noususta ja laskusta kahden asetusarvon välillä.
