בקרת לחץ משמשת לעתים קרובות במערכות לחיצה, טחינה ובדיקה. יישומים אלה דורשים לעתים קרובות שליטה על עליות לחץ שהן הרבה יותר מורכבות ומדויקות ממה שניתן להשיג עם שסתומי הקלה רגילים או ווסתי לחץ. יישומים מודרניים יכולים לנצל את מלוא הכוח. יתרון זה מושג באמצעות שימוש בבקרה דיפרנציאלית, כאשר הכוח מתקבל על ידי הכפלת הלחץ משני צידי הבוכנה בשטחים שלהם, והכוח הנקי מתקבל על ידי הפחתת הכוח מהחלל חסר המוט.
שיטת הבקרה הסגורה- הנפוצה היא לממש את השליטה המדויקת של הלחץ על ידי פיצוי על שינוי הצמיגות של המדיום. השימוש באלגוריתמי PID מוכחים הרבה יותר מתוחכם מהשליטה הפרופורציונלית המוגבלת שמכשירים מכניים עם קפיצים יכולים לספק. ביצועים מיוחדים אלו מאפשרים לנו לתקן ולהפחית חריגה תוך שליטה בלחץ.
מה זה לחץ? למה זה כל כך חשוב לשליטה מדויקת?
לחץ הוא הכוח המתקבל ליחידת שטח, כלומר יחס הכוח הכולל על ידי שטח הלחץ הכולל. הלחץ במערכת ההידראולית נוצר על ידי הפעלת כוח על השמן במערכת הנפח הקבוע או על ידי הוספת שמן למערכת הנפח הקבוע. במאמר זה נתעלם מהשפעת ההתפשטות התרמית.
הנוסחה הבסיסית של שינוי לחץ:
נוסחה זו אומרת לנו שהלחץ משתנה עם הנפח ועם מודול האלסטי של הנפח, המשקף את יכולת הדחיסה של הנוזל. לדוגמה, מודול האלסטיות בתפזורת של שמן הוא כ-200,000 psi, בעוד של מים הוא כ-312,000 psi. המשמעות היא שאם הקיבולת יורדת ב-0.1%, לחץ השמן יגדל ב-200 psi, ולחץ המים יגדל ב-312psi. במילים אחרות, מים קשה יותר לדחוס מאשר שמן.
הנוסחה הבאה מגדירה את השפעת הזמן על כוח ולחץ:
במילים אחרות, בהנחה שהנפח ומודול האלסטיות בתפזורת קבועים, נוכל לחשב את קצב השינוי של הכוח והלחץ בכל זמן בהינתן המהירות, הזרימה וקיבולת הזרם.
לאחר מכן, נתמקד בנוסחאות (2) ו-(3).
יישום הנוסחה
ניתן לשלוט בלחץ במגוון דרכים, לרוב באמצעות שסתום סרוו או שסתום פרופורציונלי עם סליל סרוו. משוואה 2 מראה שכדי להעלות לחץ מסוים, יש להזריק נוזל לתא. קצב הוספת הנוזל צריך להיות פרופורציונלי לעליית הלחץ הרצויה. כאשר הלחץ מגיע לערך האידיאלי, המילוי מופסק, והמערכת שומרת על לחץ קבוע כל הזמן. ביישומים מעשיים קיימת תמיד כמות קטנה של דליפה, והבקר חייב להוסיף נוזל למערכת בקצב בו הנוזל דולף. לכן, הזרימה נטו Q היא תמיד אפס, וקצב שינוי הלחץ גם הוא אפס. כדי להפחית את הלחץ, יש לכוונן את שסתום ההחלקה כדי לאפשר לנוזל לזרום דרך הגוף. כאשר מגיעים לערך הלחץ האידיאלי, גוף השסתום נסגר שוב כדי לשמור על הלחץ קבוע. המפתח כאן הוא שקצב שינוי הלחץ תלוי בקצב הזרימה, לא בלחץ עצמו.
אם המערכת מתוכננת כהלכה, ניתן להשתמש בשסתומים פרופורציונליים טיפוסיים לבקרת לחץ. המפתח הוא רווח או נקבובית מיוחדים בין יציאות A ו-B של גוף השסתום. ניתן להשתמש במשוואות 2 ו-3 כדי לחשב את הדליפה האידיאלית כאשר ידוע הקצב האידיאלי המרבי של ירידת הלחץ. בקר התנועה חייב לשלוט בגוף השסתום כדי לספק נוזל למערכת בקצב השווה לאיבוד הנוזל דרך הנקבוביות בכל עת. אם קצב הזרימה נמוך מדי, הלחץ יקטן ככל שהנוזל יזרום החוצה. אם קצב הזרימה גבוה מדי, הלחץ יגדל. היתרון בשיטה זו הוא שכאשר המערכת בתנועה, היא נבוכה ולא תייצר רטט עז.
משמעות השליטה
במערכת הנעה הידראולית, הלחץ עשוי לעלות במהירות תוך אלפית שנייה. אבל מכונות לא מגיבות כל כך מהר. מערכות מכניות נשלטות על ידי לחץ, לא על ידי קצב שינוי הלחץ. לכן, אם קצב שינוי הלחץ אינו נשלט, קל לגרום לציוד המכני לקפוץ לערך שנקבע. תארו לעצמכם שאתם נוהגים, וכשאתם רואים אור אדום, אתם מאטים בהדרגה עד לעצירה עדינה במקום לעצירת תאונה. בקר הלחץ צריך לעשות את אותה עבודה.
בעת ביצוע בקרת לחץ, יש לקחת בחשבון לפחות את ארבע הנקודות הבאות:
1. זמן התגובה של חיישן הלחץ חייב להיות מהיר מספיק. במקרים בהם החומר אינו נדחס בקלות, נהוג שלחץ השמן עולה בקצב של 200psi לאלפית שנייה. חיישני לחץ עם קבועי זמן של אלפיות שנייה אינם מגיבים מספיק מהר לשינויי לחץ בשימוש. קבוע זמן תגובת הלחץ חייב להיות בסדר גודל של 100μs כדי לעבוד כראוי. אם השיטה האמפירית לבדה משתמשת בחיישן למדידה, המהירות מהירה לפחות פי עשרה מהצפוי.
2. זמן הדגימה של חיישן הלחץ חייב להיות מהיר ובעל מרווח קבוע. ביישומים מעשיים, כמו הטבעת המתכת שהוזכרה לעיל, הלחץ יכול להשתנות במאות psi תוך 10 מילישניות.
3. זמן הדגימה חייב להיות קבוע. אם הסריקה אמורה להיות 10 מילישניות לסריקה, אך היא למעשה 9 מילישניות לכל 11 מילישניות, חישוב יחס הלחץ יהיה שונה ב-20% לפחות. לכן, זמן דגימה קבוע חשוב מאוד לחישוב מדויק של קצב שינוי הלחץ.
4. PLC היא לא בהכרח הבחירה הטובה ביותר. הפונקציה של PID ב-PLCS תוכננה במקור לשלוט בטמפרטורה או בלחץ האוויר, לא עבור נוזלים שקשה לדחוס. כאשר הם נמצאים בטווח של אלפיות השנייה, קבוע הזמן של ה-PID ב-PLC הוא ברמת הדקה. עבור בקרת לחץ, נדרש בקר PID שתוכנן במיוחד.
אפשרות שליטה
הדבר הראשון שצריך להבין הוא שבעוד שאנחנו יכולים לשלוט בעמדה, בכוח או בלחץ, אנחנו לא יכולים לעשות את כל השלושה בו זמנית. בכל מצב, אם ישנה חסימה, המפעיל יהיה נתון להתנגדות השווה ומנוגדת לכוח המניע. על ידי ביצוע בדיקות תנועה סינוסואידיות עם מפעילים, אנו יכולים לנטר את הלחץ, אך לא יכולים לשלוט בלחץ או בכוח בו זמנית עם השליטה במיקומו. מכיוון שהלחץ או הכוח נקבעים על ידי הכוח של דגימת הבדיקה על המפעיל. המפעיל עשוי לספק כוח או לחץ סינוסואידי, אך מיקומו נקבע על ידי הליניאריות של מקדם האלסטי של חומר הבדיקה.
לְהַדגִישׁ
ייתכן שלא תהיה הפרעה במהלך התנועה, ולכן אין טעם לנסות לשלוט בלחץ או בכוח. היתרון בשליטה רק בלחץ או בכוח הוא שאין צורך להתחשב בעמדה. המפעיל יכול פשוט לשנות את נקודת ההגדרה, אבל חייב לשים לב למצב של עומס ריק. במצב דומה, הבוכנה של הצילינדר ההידראולי תאיץ עד שהלחץ יתאים לערך שנקבע. בבדיקות שבהן רק לחץ או כוח נשלטים, יש לנטר את מהירות המפעיל כדי למנוע ירידה פתאומית בעומס. כאשר העומס מזוהה נעלם, המפעיל עשוי לעבור למצב או למצב מהירות.
אילוצי מיקום ולחץ
אפשרות נוספת היא להגביל את המיקום או המהירות באמצעות אילוצי לחץ או כוח. זה עובד על ידי הפעלת שתי לולאות בקרה בו זמנית, ורק הערך המינימלי של שתי יציאות הבקרה מועבר אל השסתום ההידראולי. האם המערכת תגיע לנקודת הקביעה של המיקום או לנקודת הקביעה של הלחץ תלוי באיזה מהם מגיעים קודם. לכן, אם העומס של הצילינדר ההידראולי נעלם פתאום כאשר הלחץ מוגדר, הלחץ יירד ויפעיל את בקר הלחץ PID להפיק אות בקרה גדול. עם זאת, ככל שהמערכת מאיצה, שגיאת המהירות פוחתת, ואות הבקרה מבקר מהירות ה-PID פוחת ככל שהשגיאה פוחתת. הערך הקטן יותר של שני האותות מגיע מבקר המהירות PID. אז המפעיל נשלט כעת על ידי אפשרות לולאת המיקום ואינו חורג מהערך המוגדר של המהירות.
ייזום וויסות של בקרת לחץ או כוח
ויסות הוא תהליך בחירת התוספת הטובה ביותר לשליטה מיטבית במיקום, מהירות, לחץ או כוח. מערכות וויסות לחץ או בקרת לחץ שונות ממערכות וויסות מיקום מכיוון שהצילינדר ההידראולי אינו זז כל כך כאשר הלחץ משתנה. הדרך הקלה ביותר לכוונן את הלחץ או הכוח היא להאריך את המפעיל עד ללחץ המערכת, תוך הגדרת כל ההגברות ל-0. לאחר מכן, הזן את הערך שנקבע או הגבר רק עם רווח פרופורציונלי קטן ב-PID.
ניתן להעריך רווח פרופורציונלי "קטן" זה על ידי:
נוסחה זו מאפשרת לעובד לקבוע את המיקום של ויסות ההתחלה שלא ניתן לקבוע במהלך תהליך ויסות הלחץ. אתה יכול להתחיל על ידי מציאת אות בקרה עם פלט מלא של 10V או 40mA, או 100% מהשסתום, ושימוש במשוואת VCCM כדי לחשב את המהירות המקסימלית (ראה ג'ק ל. ג'ונסון, PE, "Basic Electronics for Cylinder Motion Control"), או על ידי התבוננות בטבלה כדי לקבוע. יש לחלק את המשוואה הדינמית פי שניים מהשטח. הסיבה לכך היא שהעלייה בלחץ בצד אחד של הבוכנה מלווה בירידה בלחץ בצד השני.
פֶּתֶק:הרווחים הפרופורציונליים המשוערים אינם מדויקים, אך הם יהיו קרובים מאוד לערכים התחלתיים אידיאליים.
כאשר הרווח הפרופורציונלי מופעל, הלחץ או הכוח של המערכת יגיעו לנקודת ההגדרה או יתקרבו אליה. הרוב המכריע של השגיאות נובע מדליפות. השלב הבא הוא לגרום לבקר לפצות או להגדיל את קצב הזרימה על ידי הגדלת איטית של הרווח האינטגרלי עד שהשגיאה תהיה אפסית.
כעת, המערכת ניתנת לשליטה, והיא ניתנת להתאמה באמצעות תגובות דינמיות. זה מושג על ידי התאמת השיפוע בין שני הלחצים של רצועת ההפעלה. שיפוע של לחץ או כוח צריך לגדול לאט בהתחלה, מכיוון שקל יותר לשמור על שליטה. רווח PID זה צריך להיות מתכוונן לשליטה טובה יותר. ניסיון להתאים את הלחץ או כוח PID בתגובה לשינויים שלבים במערכת הוא קשה מאוד, וקשה להגיע לתוצאות משביעות רצון מכיוון שהלם לחץ עלול לגרום לדליפות. מעבר לחץ חלק הוא פתרון טוב. כאשר הלחץ או הכוח משתנים, פעולת המערכת תהיה תלויה בעלייה וירידה של הלחץ בין שתי נקודות ההגדרה.
