Drukregeling wordt vaak gebruikt in pers-, slijp- en testsystemen. Deze toepassingen vereisen vaak controle van drukverhogingen die veel complexer en nauwkeuriger zijn dan kan worden bereikt met gewone ontlastkleppen of drukregelaars. Moderne toepassingen kunnen optimaal profiteren van het volledige vermogen. Dit voordeel wordt bereikt door het gebruik van differentiële regeling, waarbij de kracht wordt verkregen door de druk aan beide zijden van de zuiger te vermenigvuldigen met hun respectieve oppervlakken, en de netto kracht wordt verkregen door de kracht af te trekken van de stangloze holte.
De algemeen gebruikte regelmethode met gesloten-lus is het realiseren van een nauwkeurige regeling van de druk door de viscositeitsverandering van het medium te compenseren. Het gebruik van beproefde PID-algoritmen is veel geavanceerder dan de beperkte proportionele regeling die mechanische apparaten met veren kunnen bieden. Dankzij deze speciale prestatie kunnen we overshoot corrigeren en verminderen, terwijl we de druk onder controle houden.
Wat is stress? Waarom is het zo belangrijk voor nauwkeurige controle?
Druk is de kracht die per oppervlakte-eenheid wordt ontvangen, dat wil zeggen de totale krachtverhouding ten opzichte van het totale belaste gebied. De druk in het hydraulische systeem wordt gegenereerd door kracht uit te oefenen op de olie in het constant volumesysteem of door olie toe te voegen aan het constant volumesysteem. In dit artikel negeren we het effect van thermische uitzetting.
De basisformule van drukverandering:
Deze formule vertelt ons dat de druk verandert met het volume en de volume-elastische modulus, die de samendrukbaarheid van de vloeistof weerspiegelt. De bulk-elastische modulus van olie is bijvoorbeeld ongeveer 200.000 psi, terwijl die van water ongeveer 312.000 psi is. Dit betekent dat als de capaciteit met 0,1% wordt verminderd, de oliedruk met 200 psi zal toenemen en de waterdruk met 312 psi zal toenemen. Met andere woorden: water is moeilijker samen te drukken dan olie.
De volgende formule definieert het effect van tijd op kracht en druk:
Met andere woorden, ervan uitgaande dat het volume en de elasticiteitsmodulus van de bulk constant zijn, kunnen we op elk moment de veranderingssnelheid van de kracht en druk berekenen, gegeven de snelheid, stroming en stroomcapaciteit.
Vervolgens zullen we ons concentreren op formules (2) en (3).
Toepassing van de formule
De druk kan op verschillende manieren worden geregeld, meestal met behulp van een servoklep of een proportionele klep met een servospoel. Vergelijking 2 laat zien dat om een bepaalde druk te verhogen vloeistof in de kamer moet worden geïnjecteerd. De snelheid waarmee de vloeistof wordt toegevoegd moet evenredig zijn met de gewenste drukverhoging. Wanneer de druk de ideale waarde bereikt, wordt het vullen gestopt en houdt het systeem de druk voortdurend constant. In praktische toepassingen is er altijd een kleine hoeveelheid lekkage aanwezig en moet de controller vloeistof aan het systeem toevoegen met de snelheid waarmee de vloeistof lekt. Daarom is de nettostroom Q altijd nul, en is de drukveranderingssnelheid ook nul. Om de druk te verlagen moet de schuif zo worden afgesteld dat de vloeistof door het lichaam kan stromen. Wanneer de ideale drukwaarde is bereikt, sluit het kleplichaam weer om de druk constant te houden. De sleutel hier is dat de snelheid van de drukverandering afhangt van de stroomsnelheid, en niet van de druk zelf.
Als het systeem goed is ontworpen, kunnen typische proportionele kleppen worden gebruikt voor drukregeling. De sleutel is om een speciale opening of porie te hebben tussen de A- en B-poorten van het kleplichaam. Vergelijkingen 2 en 3 kunnen worden gebruikt om de ideale lekkage te berekenen wanneer de maximale ideale drukvalsnelheid bekend is. De bewegingscontroller moet het kleplichaam besturen om te allen tijde vloeistof aan het systeem te leveren met een snelheid die gelijk is aan het vloeistofverlies door de poriën. Als het debiet te laag is, zal de druk afnemen naarmate de vloeistof naar buiten stroomt. Als het debiet te hoog is, zal de druk toenemen. Het voordeel van deze methode is dat wanneer het systeem in beweging is, het gedempt wordt en geen hevige trillingen veroorzaakt.
Betekenis van controle
Bij een hydraulisch aandrijfsysteem kan de druk binnen een milliseconde snel toenemen. Maar machines reageren niet zo snel. Mechanische systemen worden bepaald door de druk, niet door de snelheid waarmee de druk verandert. Als de drukveranderingssnelheid niet wordt geregeld, is het daarom eenvoudig om de mechanische apparatuur naar de ingestelde waarde te laten springen. Stel je voor dat je aan het rijden bent en als je een rood licht ziet, vertraag je geleidelijk tot een zachte stop in plaats van een crashstop. De drukregelaar zou hetzelfde werk moeten doen.
Bij het uitvoeren van drukcontrole moeten ten minste de volgende vier punten in acht worden genomen:
1. De reactietijd van de druksensor moet snel genoeg zijn. In gevallen waarin het materiaal niet gemakkelijk kan worden samengedrukt, is het gebruikelijk dat de oliedruk toeneemt met een snelheid van 200 psi per milliseconde. Druksensoren met tijdconstanten in milliseconden reageren niet snel genoeg op drukveranderingen tijdens het gebruik. De drukresponstijdconstante moet in de orde van 100 μs liggen om goed te kunnen werken. Als alleen de empirische methode de sensor gebruikt om te meten, is de snelheid minstens tien keer sneller dan verwacht.
2. De bemonsteringstijd van de druksensor moet snel zijn en een vast interval hebben. In praktische toepassingen, zoals het hierboven genoemde metaalstansen, kan de druk in slechts 10 milliseconden met honderden psi variëren.
3. De bemonsteringstijd moet constant zijn. Als de scan 10 milliseconden per scan zou moeten zijn, maar in werkelijkheid 9 milliseconden per 11 milliseconden is, zal de berekening van de drukverhouding minimaal 20% afwijken. Daarom is een constante bemonsteringstijd erg belangrijk voor de nauwkeurige berekening van de drukveranderingssnelheid.
4. PLC is niet noodzakelijkerwijs de beste keuze. De functie van PID in PLCS is oorspronkelijk ontworpen om de temperatuur of de luchtdruk te regelen, niet voor vloeistoffen die moeilijk te comprimeren zijn. Wanneer ze zich in het millisecondenbereik bevinden, ligt de tijdconstante van de PID in de PLC op minutenniveau. Voor drukregeling is een speciaal ontworpen PID-regelaar vereist.
Controle optie
Het eerste dat we moeten begrijpen is dat we weliswaar positie, kracht of druk kunnen beheersen, maar dat we ze niet alle drie tegelijk kunnen doen. Op elke positie zal de actuator, als er een obstakel is, worden onderworpen aan een weerstand die gelijk is aan en tegengesteld is aan de aandrijfkracht. Door sinusoïdale bewegingstests met actuatoren uit te voeren, kunnen we de druk monitoren, maar kunnen we de druk of kracht niet tegelijkertijd controleren en tegelijkertijd de positie ervan controleren. Omdat de druk of kracht wordt bepaald door de kracht van het testmonster op de actuator. De actuator kan een sinusoïdale kracht of druk leveren, maar zijn positie wordt bepaald door de lineariteit van de elastische coëfficiënt van het testmateriaal.
Spanning
Er mag geen sprake zijn van interferentie tijdens de beweging, dus het heeft geen zin om de druk of kracht te beheersen. Het voordeel van het regelen van alleen de druk of kracht is dat er geen rekening hoeft te worden gehouden met de positie. De operator kan het setpoint eenvoudig wijzigen, maar moet wel letten op de situatie van lege lading. In een vergelijkbare situatie zal de zuiger van de hydraulische cilinder versnellen totdat de druk overeenkomt met de ingestelde waarde. Bij tests waarbij alleen druk of kracht wordt gecontroleerd, moet de snelheid van de actuator worden gecontroleerd om een plotselinge belastingdaling te voorkomen. Wanneer wordt gedetecteerd dat de belasting verdwijnt, kan de actuator overschakelen naar de positie- of snelheidsmodus.
Positie- en drukbeperkingen
Een andere optie is om de positie of snelheid te beperken door middel van druk- of krachtbeperkingen. Het werkt door twee regelcircuits tegelijkertijd uit te voeren, en alleen de minimumwaarde van beide regeluitgangen wordt doorgegeven aan de hydraulische klep. Of het systeem het positie-instelpunt of het druk-instelpunt zal bereiken, hangt af van welk punt het eerst wordt bereikt. Als de belasting van de hydraulische cilinder plotseling verdwijnt wanneer de druk wordt ingesteld, zal de druk daarom dalen en de druk-PID-regelaar ertoe aanzetten een groot stuursignaal te produceren. Naarmate het systeem echter accelereert, neemt de snelheidsfout af en neemt het stuursignaal van de PID-snelheidsregelaar af naarmate de fout afneemt. De kleinere waarde van de twee signalen komt van de snelheids-PID-regelaar. De actuator wordt nu dus bestuurd door de positielusoptie en overschrijdt de ingestelde snelheidswaarde niet.
Initiatie en regeling van druk- of krachtcontrole
Regeling is het proces waarbij de beste stapgrootte wordt geselecteerd voor optimale controle over positie, snelheid, druk of kracht. Regeldruk- of drukregelsystemen onderscheiden zich van regelpositiesystemen doordat de hydraulische cilinder minder beweegt als de druk verandert. De eenvoudigste manier om de druk of kracht aan te passen is door de actuator volledig uit te schuiven totdat de systeemdruk is bereikt, terwijl alle versterkingen op 0 worden ingesteld. Voer vervolgens de ingestelde waarde in, of voer alleen de versterking in met een kleine proportionele versterking in de PID.
Deze "kleine" proportionele winst kan worden geschat door:
Met deze formule kan de werknemer de positie van de startregeling bepalen die niet kan worden bepaald tijdens het drukregelproces. U kunt beginnen door een stuursignaal te vinden met een volledige output van 10 V of 40 mA, of 100% van de klep, en de VCCM-vergelijking te gebruiken om de maximale snelheid te berekenen (zie Jack L. Johnson, PE, "Basiselektronica voor cilinderbewegingscontrole"), of door naar een tabel te kijken om dit te bepalen. De dynamische vergelijking moet worden gedeeld door tweemaal de oppervlakte. Dit komt omdat de toename van de druk aan de ene kant van de zuiger gepaard gaat met een afname van de druk aan de andere kant.
Opmerking:De geschatte proportionele winsten zijn niet nauwkeurig, maar zullen zeer dicht bij de ideale initiële waarden liggen.
Wanneer de proportionele versterking wordt geactiveerd, zal de druk of kracht van het systeem het instelpunt bereiken of benaderen. De overgrote meerderheid van de fouten is te wijten aan lekken. De volgende stap is om de controller het debiet te laten compenseren of verhogen door de integrale versterking langzaam te verhogen totdat de fout nul is.
Nu is het systeem bestuurbaar en kan het worden aangepast door middel van dynamische reacties. Dit wordt bereikt door de helling tussen de twee drukken van de bedieningsband aan te passen. Een helling van druk of kracht zou in het begin langzaam moeten groeien, omdat het gemakkelijker is om de controle te behouden. Deze PID-versterking moet instelbaar zijn voor een betere controle. Proberen de druk aan te passen of PID te forceren als reactie op stapsgewijze veranderingen in het systeem is erg moeilijk, en het is moeilijk om bevredigende resultaten te verkrijgen omdat drukschokken lekkages kunnen veroorzaken. Een soepele drukovergang is een goede oplossing. Wanneer de druk of kracht wordt gewijzigd, zal de werking van het systeem afhangen van de toename en afname van de druk tussen de twee instelpunten.
