Tryckreglering används ofta i press-, slip- och testsystem. Dessa applikationer kräver ofta kontroll av tryckökningar som är mycket mer komplexa och exakta än vad som kan uppnås med vanliga övertrycksventiler eller tryckregulatorer. Moderna applikationer kan dra full nytta av den fulla kraften. Denna fördel uppnås genom användningen av differentialkontroll, där kraften erhålls genom att multiplicera trycket på båda sidor av kolven med deras respektive ytor, och nettokraften erhålls genom att subtrahera kraften från den stavlösa kaviteten.
Den vanligaste metoden för reglering av sluten-slinga är att realisera den exakta kontrollen av trycket genom att kompensera för mediets viskositetsförändring. Användningen av beprövade PID-algoritmer är mycket mer sofistikerad än den begränsade proportionella styrningen som mekaniska enheter med fjädrar kan ge. Denna speciella prestanda gör att vi kan korrigera och minska överskridandet samtidigt som vi kontrollerar trycket.
Vad är stress? Varför är det så viktigt för exakt kontroll?
Tryck är den kraft som tas emot per ytenhet, det vill säga det totala kraftförhållandet av den totala belastade arean. Trycket i det hydrauliska systemet genereras genom att applicera kraft på oljan i konstantvolymsystemet eller genom att tillföra olja till konstantvolymsystemet. I den här artikeln kommer vi att ignorera effekten av termisk expansion.
Den grundläggande formeln för tryckförändring:
Denna formel talar om för oss att trycket ändras med volymen och volymens elasticitetsmodul, vilket återspeglar vätskans kompressibilitet. Till exempel är bulkens elasticitetsmodul för olja omkring 200 000 psi, medan den för vatten är omkring 312 000 psi. Det betyder att om kapaciteten minskas med 0,1 % kommer oljetrycket att öka med 200 psi, och vattentrycket kommer att öka med 312 psi. Vatten är med andra ord svårare att komprimera än olja.
Följande formel definierar effekten av tid på kraft och tryck:
Med andra ord, om vi antar att volymen och bulk-elasticitetsmodulen är konstanta, kan vi beräkna ändringshastigheten för kraften och trycket när som helst givet hastighet, flöde och strömkapacitet.
Därefter kommer vi att fokusera på formlerna (2) och (3).
Tillämpning av formeln
Trycket kan styras på en mängd olika sätt, vanligtvis med hjälp av en servoventil eller en proportionell ventil med en servospole. Ekvation 2 visar att för att höja ett visst tryck måste vätska sprutas in i kammaren. Hastigheten för vätsketillsatsen bör vara proportionell mot den önskade tryckökningen. När trycket når idealvärdet stoppas fyllningen och systemet håller trycket konstant hela tiden. I praktiska tillämpningar finns alltid en liten mängd läckage, och styrenheten måste tillföra vätska till systemet med den hastighet med vilken vätskan läcker. Därför är nettoflödet Q alltid noll, och tryckändringshastigheten är också noll. För att minska trycket måste skjutventilen justeras så att vätskan kan strömma genom kroppen. När det ideala tryckvärdet uppnåtts stänger ventilkroppen igen för att hålla trycket konstant. Nyckeln här är att tryckförändringshastigheten beror på flödeshastigheten, inte själva trycket.
Om systemet är korrekt konstruerat kan typiska proportionella ventiler användas för tryckreglering. Nyckeln är att ha ett speciellt gap eller por mellan A- och B-portarna på ventilkroppen. Ekvationerna 2 och 3 kan användas för att beräkna det ideala läckaget när den maximala ideala hastigheten för tryckfall är känd. Rörelseregulatorn måste styra ventilkroppen för att tillhandahålla vätska till systemet med en hastighet som är lika med vätskeförlusten genom porerna hela tiden. Om flödet är för lågt kommer trycket att minska när vätskan rinner ut. Om flödet är för högt kommer trycket att öka. Fördelen med denna metod är att när systemet är i rörelse dämpas det och kommer inte att producera våldsamma vibrationer.
Innebörden av kontroll
I ett hydrauliskt drivsystem kan trycket öka snabbt inom en millisekund. Men maskiner svarar inte så snabbt. Mekaniska system styrs av tryck, inte av hastigheten på tryckförändringen. Därför, om tryckförändringshastigheten inte kontrolleras, är det lätt att få den mekaniska utrustningen att hoppa till det inställda värdet. Föreställ dig att du kör, och när du ser ett rött ljus saktar du gradvis ner till ett mjukt stopp istället för ett krockstopp. Tryckregulatorn ska göra samma jobb.
När du utför tryckkontroll bör åtminstone följande fyra punkter beaktas:
1. Trycksensorns reaktionstid måste vara tillräckligt snabb. I de fall materialet inte är lätt att komprimera är det vanligt att oljetrycket ökar med en hastighet av 200psi per millisekund. Trycksensorer med millisekunders tidskonstanter svarar inte tillräckligt snabbt på tryckförändringar vid användning. Tryckets svarstidskonstant måste vara i storleksordningen 100μs för att fungera korrekt. Om den empiriska metoden enbart använder sensorn för att mäta är hastigheten minst tio gånger snabbare än förväntat.
2. Provtagningstiden för tryckgivaren måste vara snabb och ha ett fast intervall. I praktiska tillämpningar, såsom metallstämplingen som nämns ovan, kan trycket variera med hundratals psi på så lite som 10 millisekunder.
3. Provtagningstiden måste vara konstant. Om skanningen är tänkt att vara 10 millisekunder per skanning, men den är faktiskt 9 millisekunder per 11 millisekunder, kommer tryckförhållandeberäkningen att skilja sig med minst 20 %. Därför är en konstant provtagningstid mycket viktig för den exakta beräkningen av tryckförändringshastigheten.
4. PLC är inte nödvändigtvis det bästa valet. Funktionen för PID i PLCS designades ursprungligen för att kontrollera temperatur eller lufttryck, inte för vätskor som är svåra att komprimera. När de är i millisekundsintervallet är tidskonstanten för PID i PLC:n i minutnivån. För tryckreglering krävs en specialdesignad PID-regulator.
Kontrollalternativ
Det första att förstå är att även om vi kan kontrollera position, kraft eller tryck, kan vi inte göra alla tre samtidigt. Vid vilken position som helst, om det finns ett hinder, kommer ställdonet att utsättas för ett motstånd lika med och motsatt drivkraften. Genom att göra sinusformade rörelsetester med ställdon kan vi övervaka trycket, men kan inte kontrollera trycket eller kraften samtidigt som vi styr dess position. Eftersom trycket eller kraften bestäms av kraften från testprovet på ställdonet. Manöverdonet kan ge en sinusformad kraft eller tryck, men dess position bestäms av linjäriteten hos testmaterialets elastiska koefficient.
Stress
Det kanske inte finns någon störning under rörelsen, så det är ingen idé att försöka kontrollera trycket eller kraften. Fördelen med att bara styra trycket eller kraften är att det inte finns något behov av att överväga positionen. Operatören kan helt enkelt ändra börvärdet, men måste vara uppmärksam på situationen med tom last. I en liknande situation kommer hydraulcylinderns kolv att accelerera tills trycket matchar det inställda värdet. I tester där endast tryck eller kraft kontrolleras, bör manöverdonets hastighet övervakas för att undvika ett plötsligt belastningsfall. När belastningen upptäcks försvinna, kan ställdonet växla till läge eller hastighetsläge.
Positions- och tryckbegränsningar
Ett annat alternativ är att begränsa position eller hastighet genom tryck- eller kraftbegränsningar. Den fungerar genom att köra två styrslingor samtidigt, och endast minimivärdet för båda styrutgångarna skickas till den hydrauliska ventilen. Om systemet kommer att nå positionsbörvärdet eller tryckbörvärdet beror på vilken som uppnås först. Därför, om belastningen på hydraulcylindern plötsligt försvinner när trycket ställs in, kommer trycket att sjunka och utlösa tryck-PID-regulatorn att producera en stor styrsignal. Men när systemet accelererar minskar hastighetsfelet och styrsignalen från PID-hastighetsregulatorn minskar när felet minskar. Det mindre värdet av de två signalerna kommer från hastighets-PID-regulatorn. Så ställdonet styrs nu av lägesslingoptionen och överskrider inte det inställda värdet för hastigheten.
Initiering och reglering av tryck- eller kraftkontroll
Reglering är processen att välja det bästa steget för optimal kontroll av position, hastighet, tryck eller kraft. Reglerande tryck eller tryckkontrollsystem skiljer sig från reglerande positionssystem eftersom hydraulcylindern inte rör sig lika mycket när trycket ändras. Det enklaste sättet att justera trycket eller kraften är att dra ut ställdonet helt tills systemtrycket uppnås, samtidigt som alla förstärkningar ställs in på 0. Ange sedan inställt värde eller förstärkning endast med en liten proportionell förstärkning i PID.
Denna "lilla" proportionella vinst kan uppskattas genom:
Denna formel gör det möjligt för arbetaren att bestämma positionen för startregleringen som inte kan bestämmas under tryckregleringsprocessen. Du kan börja med att hitta en styrsignal med en full uteffekt på 10V eller 40mA, eller 100% av ventilen, och använda VCCM-ekvationen för att beräkna maxhastigheten (se Jack L. Johnson, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control"), eller genom att titta på en tabell för att fastställa. Den dynamiska ekvationen måste delas med två gånger arean. Detta beror på att tryckökningen på ena sidan av kolven åtföljs av en minskning av trycket på den andra sidan.
Notera:De uppskattade proportionella vinsterna är inte korrekta, men de kommer att vara mycket nära idealiska initiala värden.
När den proportionella förstärkningen är aktiverad kommer systemets tryck eller kraft att nå börvärdet eller närma sig det. De allra flesta fel beror på läckor. Nästa steg är att få regulatorn att kompensera eller öka flödeshastigheten genom att långsamt öka integralförstärkningen tills felet är noll.
Nu är systemet kontrollerbart och det kan justeras genom dynamiska svar. Det uppnås genom att justera lutningen mellan de två trycken i arbetsbandet. En lutning av tryck eller kraft bör till en början växa långsamt, eftersom det är lättare att behålla kontrollen. Denna PID-förstärkning bör vara justerbar för bättre kontroll. Att försöka justera trycket eller tvinga PID som svar på stegförändringar i systemet är mycket svårt, och det är svårt att få tillfredsställande resultat eftersom tryckstötar kan orsaka läckor. En mjuk tryckövergång är en bra lösning. När trycket eller kraften ändras kommer systemets verkan att bero på ökningen och minskningen av trycket mellan de två börvärdena.
