کنترل فشار اغلب در سیستم های پرس، سنگ زنی و آزمایش استفاده می شود. این کاربردها اغلب نیاز به کنترل افزایش فشار دارند که بسیار پیچیدهتر و دقیقتر از آن چیزی است که میتوان با شیرهای تخلیه معمولی یا تنظیمکنندههای فشار به دست آورد. برنامه های مدرن می توانند از تمام قدرت بهره ببرند. این مزیت از طریق استفاده از کنترل دیفرانسیل به دست می آید که در آن نیرو با ضرب فشار دو طرف پیستون در نواحی مربوطه به دست می آید و نیروی خالص با کم کردن نیرو از حفره بدون میله به دست می آید.
روش کنترل حلقه بسته معمولاً برای کنترل دقیق فشار با جبران تغییر ویسکوزیته محیط است. استفاده از الگوریتم های اثبات شده PID بسیار پیچیده تر از کنترل تناسبی محدودی است که دستگاه های مکانیکی دارای فنر می توانند ارائه دهند. این عملکرد ویژه به ما این امکان را می دهد که در حین کنترل فشار، مازاد برداشت را اصلاح و کاهش دهیم.
استرس چیست؟ چرا برای کنترل دقیق بسیار مهم است؟
فشار نیروی دریافتی در واحد سطح است، یعنی نسبت کل نیرو به کل ناحیه تحت تنش. فشار در سیستم هیدرولیک با اعمال نیرو به روغن در سیستم حجم ثابت یا با افزودن روغن به سیستم حجم ثابت ایجاد می شود. در این مقاله تاثیر انبساط حرارتی را نادیده می گیریم.
فرمول اصلی تغییر فشار:
این فرمول به ما می گوید که فشار با حجم و مدول الاستیک حجمی تغییر می کند که تراکم پذیری مایع را منعکس می کند. به عنوان مثال، مدول الاستیک حجمی روغن حدود 200000 psi است در حالی که مدول الاستیک آب حدود 312000 psi است. به این معنی که اگر ظرفیت 0.1 درصد کاهش یابد، فشار روغن 200 psi افزایش می یابد و فشار آب 312psi افزایش می یابد. به عبارت دیگر، فشرده سازی آب سخت تر از روغن است.
فرمول زیر تاثیر زمان بر نیرو و فشار را تعریف می کند:
به عبارت دیگر، با فرض ثابت بودن حجم و مدول الاستیک حجیم، میتوان نرخ تغییر نیرو و فشار را در هر زمان با توجه به سرعت، جریان و ظرفیت جریان محاسبه کرد.
در ادامه به فرمول های (2) و (3) می پردازیم.
کاربرد فرمول
فشار را می توان به روش های مختلفی کنترل کرد، معمولاً با استفاده از شیر سروو یا شیر تناسبی با قرقره سروو. معادله 2 نشان می دهد که برای افزایش فشار معین، مایع باید به محفظه تزریق شود. سرعت افزودن مایع باید متناسب با افزایش فشار مورد نظر باشد. هنگامی که فشار به مقدار ایده آل رسید، پر کردن متوقف می شود و سیستم فشار را همیشه ثابت نگه می دارد. در کاربردهای عملی، مقدار کمی نشتی همیشه وجود دارد و کنترل کننده باید مایع را با سرعت نشت مایع به سیستم اضافه کند. بنابراین، جریان خالص Q همیشه صفر است و نرخ تغییر فشار نیز صفر است. برای کاهش فشار، شیر کشویی باید طوری تنظیم شود که مایع در بدن جریان یابد. وقتی به مقدار فشار ایده آل رسید، بدنه شیر دوباره بسته می شود تا فشار ثابت بماند. نکته کلیدی در اینجا این است که نرخ تغییر فشار به سرعت جریان بستگی دارد نه خود فشار.
اگر سیستم به درستی طراحی شده باشد، می توان از شیرهای تناسبی معمولی برای کنترل فشار استفاده کرد. نکته کلیدی این است که یک شکاف یا منفذ خاص بین پورت های A و B بدنه شیر وجود داشته باشد. از معادلات 2 و 3 می توان برای محاسبه نشتی ایده آل زمانی که حداکثر نرخ ایده آل افت فشار شناخته شده است استفاده کرد. کنترل کننده حرکت باید بدنه دریچه را کنترل کند تا سیال را با سرعتی برابر با اتلاف سیال از طریق منافذ در همه زمان ها به سیستم ارائه دهد. اگر سرعت جریان خیلی کم باشد، با خروج مایع، فشار کاهش می یابد. اگر سرعت جریان خیلی زیاد باشد، فشار افزایش می یابد. مزیت این روش این است که وقتی سیستم در حال حرکت است، میرا می شود و ارتعاش شدید ایجاد نمی کند.
معنی کنترل
در یک سیستم درایو هیدرولیک، فشار ممکن است به سرعت در عرض یک میلی ثانیه افزایش یابد. اما ماشین آلات به این سرعت پاسخ نمی دهند. سیستم های مکانیکی توسط فشار کنترل می شوند، نه با نرخ تغییر فشار. بنابراین، اگر نرخ تغییر فشار کنترل نشود، به راحتی می توان تجهیزات مکانیکی را به مقدار تنظیم شده پرش کرد. تصور کنید در حال رانندگی هستید و با دیدن چراغ قرمز، بهجای توقف تصادف، به تدریج سرعت خود را کاهش میدهید و به یک توقف ملایم میرسید. کنترل کننده فشار نیز باید همین کار را انجام دهد.
هنگام انجام کنترل فشار، حداقل چهار نکته زیر باید در نظر گرفته شود:
1. زمان واکنش سنسور فشار باید به اندازه کافی سریع باشد. در مواردی که مواد به راحتی فشرده نمی شوند، معمولا فشار روغن با نرخ 200psi در میلی ثانیه افزایش می یابد. سنسورهای فشار با ثابتهای زمانی میلیثانیهای به تغییرات فشار در استفاده سریع پاسخ نمیدهند. ثابت زمان پاسخ فشار باید به ترتیب 100μs باشد تا به درستی کار کند. اگر روش تجربی به تنهایی از سنسور برای اندازه گیری استفاده کند، سرعت حداقل ده برابر بیشتر از حد انتظار است.
2. زمان نمونه برداری سنسور فشار باید سریع و دارای فاصله زمانی ثابت باشد. در کاربردهای عملی، مانند مهر زنی فلزی که در بالا ذکر شد، فشار می تواند صدها psi در کمتر از 10 میلی ثانیه تغییر کند.
3. زمان نمونه برداری باید ثابت باشد. اگر قرار باشد اسکن 10 میلی ثانیه در هر اسکن باشد، اما در واقع 9 میلی ثانیه در هر 11 میلی ثانیه باشد، محاسبه نسبت فشار حداقل 20٪ متفاوت خواهد بود. بنابراین، زمان نمونه برداری ثابت برای محاسبه دقیق نرخ تغییر فشار بسیار مهم است.
4. PLC لزوما بهترین انتخاب نیست. عملکرد PID در PLCS در اصل برای کنترل دما یا فشار هوا طراحی شده بود، نه برای سیالاتی که فشرده سازی آنها دشوار است. هنگامی که آنها در محدوده میلی ثانیه هستند، ثابت زمانی PID در PLC در سطح دقیقه است. برای کنترل فشار، یک کنترلر PID با طراحی خاص مورد نیاز است.
گزینه کنترل
اولین چیزی که باید درک کرد این است که در حالی که می توانیم موقعیت، نیرو یا فشار را کنترل کنیم، نمی توانیم هر سه را همزمان انجام دهیم. در هر موقعیتی، اگر مانعی وجود داشته باشد، محرک در معرض مقاومتی برابر و مخالف نیروی محرکه قرار می گیرد. با انجام تستهای حرکت سینوسی با محرکها، میتوانیم فشار را کنترل کنیم، اما نمیتوانیم فشار یا نیرو را همزمان با کنترل موقعیت آن کنترل کنیم. زیرا فشار یا نیرو با نیروی نمونه آزمایشی بر روی محرک تعیین می شود. محرک ممکن است یک نیرو یا فشار سینوسی ایجاد کند، اما موقعیت آن توسط خطی بودن ضریب الاستیک ماده آزمایش تعیین می شود.
استرس
ممکن است هیچ تداخلی در طول حرکت وجود نداشته باشد، بنابراین تلاش برای کنترل فشار یا نیرو فایده ای ندارد. مزیت کنترل فقط فشار یا نیرو این است که نیازی به در نظر گرفتن موقعیت نیست. اپراتور به سادگی می تواند نقطه تنظیم را تغییر دهد، اما باید به وضعیت بار خالی توجه کند. در شرایط مشابه، پیستون سیلندر هیدرولیک تا زمانی که فشار با مقدار تنظیم شده مطابقت داشته باشد، شتاب می گیرد. در آزمایش هایی که فقط فشار یا نیرو کنترل می شود، سرعت محرک باید کنترل شود تا از افت ناگهانی بار جلوگیری شود. وقتی مشخص شد که بار ناپدید می شود، محرک ممکن است به حالت موقعیت یا سرعت تغییر کند.
محدودیت های موقعیت و فشار
گزینه دیگر محدود کردن موقعیت یا سرعت از طریق محدودیت های فشار یا نیرو است. با اجرای همزمان دو حلقه کنترل کار می کند و تنها مقدار حداقل هر دو خروجی کنترل به شیر هیدرولیک منتقل می شود. اینکه آیا سیستم به نقطه تنظیم موقعیت یا نقطه تنظیم فشار می رسد بستگی به این دارد که کدام یک ابتدا به آن رسیده است. بنابراین، اگر بار سیلندر هیدرولیک به طور ناگهانی هنگام تنظیم فشار ناپدید شود، فشار کاهش می یابد و کنترل کننده PID فشار را برای تولید یک سیگنال کنترل بزرگ فعال می کند. با این حال، با افزایش سرعت سیستم، خطای سرعت کاهش می یابد و سیگنال کنترل از کنترل کننده سرعت PID با کاهش خطا کاهش می یابد. مقدار کوچکتر دو سیگنال از کنترل کننده سرعت PID می آید. بنابراین محرک اکنون توسط گزینه حلقه موقعیت کنترل می شود و از مقدار تنظیم شده سرعت تجاوز نمی کند.
شروع و تنظیم کنترل فشار یا نیرو
تنظیم فرآیند انتخاب بهترین افزایش برای کنترل بهینه موقعیت، سرعت، فشار یا نیرو است. سیستم های تنظیم فشار یا کنترل فشار با سیستم های موقعیت تنظیمی متفاوت هستند زیرا سیلندر هیدرولیک در هنگام تغییر فشار زیاد حرکت نمی کند. ساده ترین راه برای تنظیم فشار یا نیرو این است که محرک را تا رسیدن به فشار سیستم به طور کامل گسترش دهید، در حالی که تمام بهره ها را روی 0 تنظیم کنید. سپس مقدار تنظیم شده یا بهره را فقط با یک بهره متناسب کوچک در PID وارد کنید.
این سود نسبی "کوچک" را می توان از طریق زیر تخمین زد:
این فرمول کارگر را قادر میسازد تا موقعیت تنظیم راهاندازی را تعیین کند که در طول فرآیند تنظیم فشار قابل تعیین نیست. می توانید با یافتن یک سیگنال کنترل با خروجی کامل 10 ولت یا 40 میلی آمپر یا 100 درصد شیر و استفاده از معادله VCCM برای محاسبه حداکثر سرعت شروع کنید (به جک ال. جانسون، PE، "الکترونیک پایه برای کنترل حرکت سیلندر" مراجعه کنید)، یا با نگاه کردن به جدول برای تعیین آن. معادله دینامیکی باید بر دو برابر مساحت تقسیم شود. زیرا افزایش فشار در یک طرف پیستون با کاهش فشار در طرف دیگر همراه است.
توجه:سودهای متناسب برآورد شده دقیق نیستند، اما به مقادیر اولیه ایده آل بسیار نزدیک خواهند بود.
هنگامی که بهره متناسب فعال می شود، فشار یا نیروی سیستم به نقطه تنظیم می رسد یا به آن نزدیک می شود. اکثریت قریب به اتفاق خطاها به دلیل نشت است. گام بعدی این است که کنترل کننده را مجبور کنید تا با افزایش آهسته بهره انتگرال، سرعت جریان را جبران یا افزایش دهد تا زمانی که خطا به صفر برسد.
اکنون، سیستم قابل کنترل است و می توان آن را از طریق پاسخ های پویا تنظیم کرد. با تنظیم شیب بین دو فشار باند عملیاتی به دست می آید. شیب فشار یا نیرو در ابتدا باید به آرامی رشد کند، زیرا حفظ کنترل آسان تر است. این بهره PID باید برای کنترل بهتر قابل تنظیم باشد. تلاش برای تنظیم فشار یا نیروی PID در پاسخ به تغییرات پله ای در سیستم بسیار دشوار است و به سختی می توان به نتایج رضایت بخش دست یافت زیرا شوک های فشاری می توانند باعث نشتی شوند. انتقال فشار صاف راه حل خوبی است. هنگامی که فشار یا نیرو تغییر می کند، عملکرد سیستم به افزایش و کاهش فشار بین دو نقطه تنظیم بستگی دارد.
