Trykkontrol bruges ofte i presse-, slibe- og testsystemer. Disse applikationer kræver ofte styring af trykstigninger, der er meget mere komplekse og præcise, end der kan opnås med almindelige aflastningsventiler eller trykregulatorer. Moderne applikationer kan udnytte den fulde kraft. Denne fordel opnås ved brug af differentialstyring, hvor kraften opnås ved at gange trykket på begge sider af stemplet med deres respektive arealer, og nettokraften opnås ved at trække kraften fra det stangløse hulrum.
Den almindeligt anvendte lukkede-sløjfekontrolmetode er at realisere den præcise kontrol af tryk ved at kompensere for viskositetsændringen af mediet. Brugen af gennemprøvede PID-algoritmer er meget mere sofistikeret end den begrænsede proportionale kontrol, som mekaniske enheder med fjedre kan give. Denne specielle ydeevne giver os mulighed for at korrigere og reducere overskridelse, mens vi kontrollerer trykket.
Hvad er stress? Hvorfor er det så vigtigt for præcis kontrol?
Tryk er den kraft, der modtages pr. arealenhed, det vil sige det samlede kraftforhold med det samlede belastede areal. Trykket i det hydrauliske system genereres ved at påføre olien kraft i konstantvolumensystemet eller ved at tilføre olie til konstantvolumensystemet. I denne artikel vil vi ignorere effekten af termisk udvidelse.
Den grundlæggende formel for trykændring:
Denne formel fortæller os, at trykket ændrer sig med volumenet og volumenets elasticitetsmodul, hvilket afspejler væskens kompressibilitet. For eksempel er bulk-elasticitetsmodulet for olie ca. 200.000 psi, mens det for vand er ca. 312.000 psi. Det betyder, at hvis kapaciteten reduceres med 0,1 %, vil olietrykket stige med 200 psi, og vandtrykket vil stige med 312 psi. Med andre ord er vand sværere at komprimere end olie.
Følgende formel definerer effekten af tid på kraft og tryk:
Med andre ord, hvis vi antager, at volumenet og bulk-elasticitetsmodulet er konstante, kan vi beregne ændringshastigheden for kraften og trykket til enhver tid givet hastigheden, flowet og strømkapaciteten.
Dernæst vil vi fokusere på formlerne (2) og (3).
Anvendelse af formlen
Trykket kan styres på en række forskellige måder, normalt ved hjælp af en servoventil eller en proportionalventil med en servospole. Ligning 2 viser, at for at hæve et vist tryk skal væske sprøjtes ind i kammeret. Hastigheden af væsketilsætning skal være proportional med den ønskede trykstigning. Når trykket når den ideelle værdi, stoppes påfyldningen, og systemet holder trykket konstant hele tiden. I praktiske applikationer er der altid en lille mængde lækage til stede, og regulatoren skal tilføre væske til systemet med den hastighed, hvormed væsken lækker. Derfor er nettoflowet Q altid nul, og trykændringshastigheden er også nul. For at reducere trykket skal skydeventilen justeres, så væsken kan strømme gennem kroppen. Når den ideelle trykværdi er nået, lukker ventilhuset igen for at holde trykket konstant. Nøglen her er, at hastigheden af trykændring afhænger af flowhastigheden, ikke selve trykket.
Hvis systemet er korrekt designet, kan typiske proportionalventiler bruges til trykregulering. Nøglen er at have et særligt mellemrum eller pore mellem A- og B-portene på ventilhuset. Ligning 2 og 3 kan bruges til at beregne den ideelle lækage, når den maksimale ideelle hastighed for trykfald er kendt. Bevægelsesregulatoren skal styre ventilhuset for at levere væske til systemet med en hastighed svarende til væsketabet gennem porerne til enhver tid. Hvis strømningshastigheden er for lav, vil trykket falde, når væsken strømmer ud. Hvis strømningshastigheden er for høj, vil trykket stige. Fordelen ved denne metode er, at når systemet er i bevægelse, er det dæmpet og vil ikke producere voldsomme vibrationer.
Betydningen af kontrol
I et hydraulisk drivsystem kan trykket stige hurtigt inden for et millisekund. Men maskiner reagerer ikke så hurtigt. Mekaniske systemer er styret af tryk, ikke af trykændringshastigheden. Derfor, hvis trykændringshastigheden ikke er kontrolleret, er det nemt at få det mekaniske udstyr til at hoppe til den indstillede værdi. Forestil dig, at du kører, og når du ser et rødt lys, bremser du gradvist ned til et blidt stop i stedet for et styrtstop. Trykregulatoren skal udføre det samme arbejde.
Når du udfører trykkontrol, skal mindst følgende fire punkter tages i betragtning:
1. Tryksensorens reaktionstid skal være hurtig nok. I tilfælde, hvor materialet ikke er let at komprimere, er det almindeligt, at olietrykket stiger med en hastighed på 200psi pr. millisekund. Tryksensorer med millisekunders tidskonstanter reagerer ikke hurtigt nok på trykændringer under brug. Trykresponstidskonstanten skal være i størrelsesordenen 100μs for at fungere korrekt. Hvis den empiriske metode alene bruger sensoren til at måle, er hastigheden mindst ti gange hurtigere end forventet.
2. Prøveudtagningstiden for tryksensoren skal være hurtig og have et fast interval. I praktiske applikationer, såsom metalstemplingen nævnt ovenfor, kan trykket variere med hundredvis af psi på så lidt som 10 millisekunder.
3. Prøveudtagningstiden skal være konstant. Hvis scanningen formodes at være 10 millisekunder pr. scanning, men den faktisk er 9 millisekunder pr. 11 millisekunder, vil trykforholdsberegningen afvige med mindst 20 %. Derfor er en konstant prøvetagningstid meget vigtig for den nøjagtige beregning af trykændringshastigheden.
4. PLC er ikke nødvendigvis det bedste valg. Funktionen af PID i PLCS blev oprindeligt designet til at styre temperatur eller lufttryk, ikke for væsker, der er svære at komprimere. Når de er i millisekundområdet, er tidskonstanten for PID'en i PLC'en i minutniveauet. Til trykregulering kræves en specialdesignet PID-regulator.
Kontrol mulighed
Den første ting at forstå er, at selvom vi kan kontrollere position, kraft eller tryk, kan vi ikke gøre alle tre på samme tid. Ved enhver position, hvis der er en forhindring, vil aktuatoren blive udsat for en modstand svarende til og modsat drivkraften. Ved at lave sinusformede bevægelsestests med aktuatorer kan vi overvåge trykket, men kan ikke kontrollere trykket eller kraften samtidig med at styre dets position. Fordi trykket eller kraften bestemmes af kraften fra prøven på aktuatoren. Aktuatoren kan give en sinusformet kraft eller tryk, men dens position bestemmes af lineariteten af testmaterialets elastiske koefficient.
Stress
Der er muligvis ingen interferens under bevægelsen, så det nytter ikke noget at forsøge at kontrollere trykket eller kraften. Fordelen ved kun at kontrollere trykket eller kraften er, at der ikke er behov for at overveje positionen. Operatøren kan blot ændre sætpunktet, men skal være opmærksom på situationen med tom last. I en lignende situation vil den hydrauliske cylinders stempel accelerere, indtil trykket matcher den indstillede værdi. I test, hvor kun tryk eller kraft styres, bør aktuatorens hastighed overvåges for at undgå et pludseligt fald i belastningen. Når belastningen registreres at forsvinde, kan aktuatoren skifte til positions- eller hastighedstilstand.
Positions- og trykbegrænsninger
En anden mulighed er at begrænse position eller hastighed gennem tryk- eller kraftbegrænsninger. Det fungerer ved at køre to kontrolsløjfer på samme tid, og kun minimumsværdien af begge styreudgange sendes til den hydrauliske ventil. Om systemet vil nå positionsindstillingspunktet eller trykindstillingspunktet afhænger af, hvilken der nås først. Derfor, hvis belastningen af den hydrauliske cylinder pludselig forsvinder, når trykket indstilles, vil trykket falde og udløse tryk-PID-regulatoren til at producere et stort styresignal. Men efterhånden som systemet accelererer, falder hastighedsfejlen, og styresignalet fra PID-hastighedsregulatoren falder, når fejlen falder. Den mindste værdi af de to signaler kommer fra hastigheds-PID-regulatoren. Så aktuatoren styres nu af positionsløkke-optionen og overskrider ikke den indstillede værdi for hastigheden.
Igangsætning og regulering af tryk- eller kraftkontrol
Regulering er processen med at vælge det bedste trin for optimal kontrol af position, hastighed, tryk eller kraft. Reguleringstryk eller trykreguleringssystemer er forskellige fra reguleringspositionssystemer, fordi den hydrauliske cylinder ikke bevæger sig så meget, når trykket ændres. Den nemmeste måde at justere trykket eller kraften på er at forlænge aktuatoren helt, indtil systemtrykket er nået, mens alle forstærkninger indstilles til 0. Indtast derefter den indstillede værdi eller forstærkning kun med en lille proportional forstærkning i PID.
Denne "lille" proportionale gevinst kan estimeres ved:
Denne formel gør det muligt for arbejderen at bestemme positionen for startreguleringen, som ikke kan bestemmes under trykreguleringsprocessen. Du kan starte med at finde et styresignal med en fuld udgang på 10V eller 40mA, eller 100% af ventilen, og bruge VCCM-ligningen til at beregne den maksimale hastighed (se Jack L. Johnson, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control"), eller ved at se på en tabel for at bestemme. Den dynamiske ligning skal divideres med to gange arealet. Dette skyldes, at stigningen i trykket på den ene side af stemplet er ledsaget af et fald i trykket på den anden side.
Note:De estimerede proportionale gevinster er ikke nøjagtige, men de vil være meget tæt på ideelle begyndelsesværdier.
Når den proportionale forstærkning aktiveres, vil systemets tryk eller kraft nå sætpunktet eller nærme sig det. Langt de fleste fejl skyldes lækager. Det næste trin er at få regulatoren til at kompensere eller øge flowhastigheden ved langsomt at øge integralforstærkningen, indtil fejlen er nul.
Nu er systemet kontrollerbart, og det kan justeres gennem dynamiske svar. Det opnås ved at justere hældningen mellem de to tryk i driftsbåndet. En hældning af tryk eller kraft bør vokse langsomt i starten, da det er lettere at bevare kontrollen. Denne PID-forstærkning bør kunne justeres for bedre kontrol. At forsøge at justere trykket eller tvinge PID som reaktion på trinændringer i systemet er meget vanskeligt, og det er svært at få tilfredsstillende resultater, fordi trykstød kan forårsage lækager. En jævn trykovergang er en god løsning. Når trykket eller kraften ændres, vil systemets handling afhænge af stigningen og faldet i trykket mellem de to sætpunkter.
