Il controllo della pressione viene spesso utilizzato nei sistemi di pressatura, macinazione e collaudo. Queste applicazioni spesso richiedono un controllo degli aumenti di pressione molto più complesso e preciso di quanto si possa ottenere con le normali valvole di sicurezza o regolatori di pressione. Le applicazioni moderne possono sfruttare appieno tutta la potenza. Questo vantaggio si ottiene attraverso l'uso del controllo differenziale, dove la forza viene ottenuta moltiplicando la pressione su entrambi i lati del pistone per le rispettive aree, e la forza netta viene ottenuta sottraendo la forza dalla cavità senza stelo.
Il metodo di controllo a circuito chiuso- comunemente utilizzato consiste nel realizzare il controllo preciso della pressione compensando la variazione di viscosità del mezzo. L'uso di algoritmi PID comprovati è molto più sofisticato del limitato controllo proporzionale che possono fornire i dispositivi meccanici con molle. Questa prestazione speciale ci consente di correggere e ridurre il superamento controllando la pressione.
Cos'è lo stress? Perché è così importante per un controllo preciso?
La pressione è la forza ricevuta per unità di area, ovvero il rapporto tra la forza totale e l'area sollecitata totale. La pressione nel sistema idraulico viene generata applicando forza all'olio nel sistema a volume costante o aggiungendo olio al sistema a volume costante. In questo articolo ignoreremo l’effetto della dilatazione termica.
La formula base della variazione di pressione:
Questa formula ci dice che la pressione cambia con il volume e il modulo elastico del volume, che riflette la comprimibilità del liquido. Ad esempio, il modulo elastico complessivo dell'olio è di circa 200.000 psi, mentre quello dell'acqua è di circa 312.000 psi. Ciò significa che se la capacità viene ridotta dello 0,1%, la pressione dell'olio aumenterà di 200 psi e la pressione dell'acqua aumenterà di 312 psi. In altre parole, l’acqua è più difficile da comprimere rispetto all’olio.
La seguente formula definisce l'effetto del tempo su forza e pressione:
In altre parole, supponendo che il volume e il modulo elastico di massa siano costanti, possiamo calcolare la velocità di variazione della forza e della pressione in qualsiasi momento dati la velocità, il flusso e la capacità di corrente.
Successivamente, ci concentreremo sulle formule (2) e (3).
Applicazione della formula
La pressione può essere controllata in vari modi, solitamente utilizzando una servovalvola o una valvola proporzionale con servocomando. L'equazione 2 mostra che per aumentare una certa pressione, è necessario iniettare del liquido nella camera. La velocità di aggiunta del liquido dovrebbe essere proporzionale all'aumento di pressione desiderato. Quando la pressione raggiunge il valore ideale, il riempimento viene interrotto e il sistema mantiene la pressione sempre costante. Nelle applicazioni pratiche, è sempre presente una piccola perdita e il controller deve aggiungere liquido al sistema alla velocità con cui il liquido fuoriesce. Pertanto, il flusso netto Q è sempre zero e anche la velocità di variazione della pressione è zero. Per ridurre la pressione, la valvola a cassetto deve essere regolata per consentire al liquido di fluire attraverso il corpo. Quando viene raggiunto il valore di pressione ideale, il corpo valvola si richiude per mantenere la pressione costante. La chiave qui è che la velocità di variazione della pressione dipende dalla portata, non dalla pressione stessa.
Se il sistema è progettato correttamente, è possibile utilizzare le tipiche valvole proporzionali per il controllo della pressione. La chiave è avere uno spazio o un poro speciale tra le porte A e B del corpo valvola. Le equazioni 2 e 3 possono essere utilizzate per calcolare la perdita ideale quando è noto il tasso ideale massimo di caduta di pressione. Il controller di movimento deve controllare il corpo della valvola per fornire fluido al sistema a una velocità pari in ogni momento alla perdita di fluido attraverso i pori. Se la portata è troppo bassa, la pressione diminuirà man mano che il liquido fuoriesce. Se la portata è troppo elevata, la pressione aumenterà. Il vantaggio di questo metodo è che quando il sistema è in movimento è smorzato e non produce vibrazioni violente.
Che cosa è controllo
In un sistema di azionamento idraulico, la pressione può aumentare rapidamente nell'arco di un millisecondo. Ma i macchinari non rispondono così rapidamente. I sistemi meccanici sono governati dalla pressione, non dalla velocità di variazione della pressione. Pertanto, se la velocità di variazione della pressione non viene controllata, è facile far passare l'attrezzatura meccanica al valore impostato. Immagina di guidare e, quando vedi un semaforo rosso, rallenti gradualmente fino a una frenata dolce invece che a un arresto di emergenza. Il regolatore di pressione dovrebbe fare lo stesso lavoro.
Quando si esegue il controllo della pressione, è necessario considerare almeno i seguenti quattro punti:
1. Il tempo di reazione del sensore di pressione deve essere sufficientemente rapido. Nei casi in cui il materiale non è facilmente compresso, è normale che la pressione dell'olio aumenti a una velocità di 200 psi al millisecondo. I sensori di pressione con costanti di tempo in millisecondi non rispondono abbastanza rapidamente alle variazioni di pressione durante l'uso. La costante di tempo di risposta della pressione deve essere dell'ordine di 100μs per funzionare correttamente. Se il solo metodo empirico utilizza il sensore per misurare, la velocità è almeno dieci volte più veloce del previsto.
2. Il tempo di campionamento del sensore di pressione deve essere rapido e avere un intervallo fisso. Nelle applicazioni pratiche, come lo stampaggio dei metalli sopra menzionato, la pressione può variare di centinaia di psi in soli 10 millisecondi.
3. Il tempo di campionamento deve essere costante. Se si suppone che la scansione sia di 10 millisecondi per scansione, ma in realtà è di 9 millisecondi per 11 millisecondi, il calcolo del rapporto di pressione differirà di almeno il 20%. Pertanto, un tempo di campionamento costante è molto importante per il calcolo accurato della velocità di variazione della pressione.
4. Il PLC non è necessariamente la scelta migliore. La funzione PID nei PLCS è stata originariamente progettata per controllare la temperatura o la pressione dell'aria, non per i fluidi difficili da comprimere. Quando sono nell'intervallo dei millisecondi, la costante di tempo del PID nel PLC è al livello dei minuti. Per il controllo della pressione è necessario un controller PID appositamente progettato.
Opzione di controllo
La prima cosa da capire è che mentre possiamo controllare la posizione, la forza o la pressione, non possiamo farle tutte e tre contemporaneamente. In qualsiasi posizione, se c'è un'ostruzione, l'attuatore sarà sottoposto ad una resistenza uguale e opposta alla forza motrice. Eseguendo test di movimento sinusoidale con attuatori, possiamo monitorare la pressione, ma non possiamo controllare la pressione o la forza contemporaneamente al controllo della sua posizione. Perché la pressione o forza è determinata dalla forza del campione di prova sull'attuatore. L'attuatore può fornire una forza o pressione sinusoidale, ma la sua posizione è determinata dalla linearità del coefficiente elastico del materiale di prova.
Stress
Potrebbe non esserci alcuna interferenza durante il movimento, quindi non ha senso cercare di controllare la pressione o la forza. Il vantaggio di controllare solo la pressione o la forza è che non è necessario considerare la posizione. L'operatore può semplicemente modificare il set point, ma deve prestare attenzione alla situazione di carico a vuoto. In una situazione simile, il pistone del cilindro idraulico accelera finché la pressione non corrisponde al valore impostato. Nei test in cui viene controllata solo la pressione o la forza, la velocità dell'attuatore deve essere monitorata per evitare un improvviso calo del carico. Quando viene rilevata la scomparsa del carico, l'attuatore può passare alla modalità posizione o velocità.
Vincoli di posizione e pressione
Un'altra opzione è limitare la posizione o la velocità attraverso vincoli di pressione o forza. Funziona eseguendo due circuiti di controllo contemporaneamente e solo il valore minimo di entrambe le uscite di controllo viene trasmesso alla valvola idraulica. Se il sistema raggiungerà il setpoint di posizione o il setpoint di pressione dipende da quale viene raggiunto per primo. Pertanto, se il carico del cilindro idraulico scompare improvvisamente quando viene impostata la pressione, la pressione diminuirà e attiverà il controller PID della pressione per produrre un ampio segnale di controllo. Tuttavia, man mano che il sistema accelera, l'errore di velocità diminuisce e il segnale di controllo proveniente dal controller di velocità PID diminuisce al diminuire dell'errore. Il valore più piccolo dei due segnali proviene dal controller PID di velocità. Quindi l'attuatore è ora controllato dall'opzione anello di posizione e non supera il valore impostato della velocità.
Avvio e regolazione del controllo della pressione o della forza
La regolazione è il processo di selezione dell'incremento migliore per un controllo ottimale di posizione, velocità, pressione o forza. I sistemi di regolazione della pressione o di controllo della pressione sono diversi dai sistemi di regolazione della posizione perché il cilindro idraulico non si muove molto quando la pressione cambia. Il modo più semplice per regolare la pressione o la forza è estendere completamente l'attuatore fino al raggiungimento della pressione del sistema, impostando tutti i guadagni su 0. Quindi, inserire il valore impostato o il guadagno solo con un piccolo guadagno proporzionale nel PID.
Questo "piccolo" guadagno proporzionale può essere stimato da:
Questa formula consente all'operatore di determinare la posizione della regolazione iniziale che non può essere determinata durante il processo di regolazione della pressione. Puoi iniziare trovando un segnale di controllo con un'uscita completa di 10 V o 40 mA, o il 100% della valvola, e utilizzando l'equazione VCCM per calcolare la velocità massima (vedi Jack L. Johnson, PE, "Elettronica di base per il controllo del movimento del cilindro"), oppure osservando una tabella per determinarlo. L'equazione dinamica deve essere divisa per il doppio dell'area. Questo perché l'aumento della pressione su un lato del pistone è accompagnato da una diminuzione della pressione sull'altro lato.
Nota:I guadagni proporzionali stimati non sono accurati, ma saranno molto vicini ai valori iniziali ideali.
Quando il guadagno proporzionale è attivato, la pressione o la forza del sistema raggiungerà il set point o si avvicinerà ad esso. La stragrande maggioranza degli errori è dovuta a perdite. Il passaggio successivo consiste nel fare in modo che il controller compensi o aumenti la portata aumentando lentamente il guadagno integrale finché l'errore non diventa zero.
Ora il sistema è controllabile e può essere regolato attraverso risposte dinamiche. Si ottiene regolando la pendenza tra le due pressioni della fascia operativa. Inizialmente la pendenza della pressione o della forza dovrebbe crescere lentamente, poiché è più facile mantenere il controllo. Questo guadagno PID dovrebbe essere regolabile per un migliore controllo. Cercare di regolare la pressione o forzare il PID in risposta a cambiamenti repentini nel sistema è molto difficile ed è difficile ottenere risultati soddisfacenti perché gli shock di pressione possono causare perdite. Una transizione graduale della pressione è una buona soluzione. Quando la pressione o la forza cambiano, l'azione del sistema dipenderà dall'aumento e dalla diminuzione della pressione tra i due setpoint.
