Kiểm soát áp suất thường được sử dụng trong các hệ thống ép, mài và thử nghiệm. Những ứng dụng này thường yêu cầu kiểm soát mức tăng áp suất phức tạp và chính xác hơn nhiều so với những gì có thể đạt được bằng van giảm áp hoặc bộ điều chỉnh áp suất thông thường. Các ứng dụng hiện đại có thể tận dụng tối đa sức mạnh. Lợi thế này đạt được thông qua việc sử dụng điều khiển vi sai, trong đó lực có được bằng cách nhân áp suất ở cả hai phía của piston với diện tích tương ứng của chúng và lực ròng có được bằng cách trừ đi lực khỏi khoang không cần trục.
Phương pháp điều khiển vòng -đóng thường được sử dụng là thực hiện việc kiểm soát áp suất chính xác bằng cách bù đắp cho sự thay đổi độ nhớt của môi trường. Việc sử dụng các thuật toán PID đã được chứng minh phức tạp hơn nhiều so với việc điều khiển tỷ lệ giới hạn mà các thiết bị cơ khí có lò xo có thể cung cấp. Hiệu suất đặc biệt này cho phép chúng tôi điều chỉnh và giảm độ vọt lố trong khi kiểm soát áp suất.
Căng thẳng là gì? Tại sao nó rất quan trọng để kiểm soát chính xác?
Áp suất là lực nhận được trên một đơn vị diện tích, nghĩa là tỷ số tổng lực trên tổng diện tích ứng suất. Áp suất trong hệ thống thủy lực được tạo ra bằng cách tác dụng lực lên dầu trong hệ thống thể tích không đổi hoặc bằng cách thêm dầu vào hệ thống thể tích không đổi. Trong bài này chúng ta sẽ bỏ qua ảnh hưởng của sự giãn nở nhiệt.
Công thức cơ bản của sự thay đổi áp suất:
Công thức này cho chúng ta biết rằng áp suất thay đổi theo thể tích và mô đun đàn hồi thể tích, phản ánh khả năng nén của chất lỏng. Ví dụ, mô đun đàn hồi khối của dầu là khoảng 200.000 psi, trong khi mô đun đàn hồi của nước là khoảng 312.000 psi. Điều này có nghĩa là nếu giảm công suất 0,1% thì áp suất dầu sẽ tăng thêm 200 psi và áp suất nước sẽ tăng thêm 312psi. Nói cách khác, nước khó nén hơn dầu.
Công thức sau đây xác định ảnh hưởng của thời gian đến lực và áp suất:
Nói cách khác, giả sử rằng thể tích và mô đun đàn hồi khối là không đổi, chúng ta có thể tính tốc độ thay đổi của lực và áp suất tại bất kỳ thời điểm nào với tốc độ, dòng chảy và công suất dòng điện.
Tiếp theo, chúng ta sẽ tập trung vào công thức (2) và (3).
Ứng dụng công thức
Áp suất có thể được kiểm soát theo nhiều cách khác nhau, thường là sử dụng van trợ lực hoặc van tỷ lệ có ống trợ động. Phương trình 2 cho thấy để tăng một áp suất nhất định, chất lỏng phải được bơm vào buồng. Tỷ lệ bổ sung chất lỏng phải tỷ lệ thuận với mức tăng áp suất mong muốn. Khi áp suất đạt đến giá trị lý tưởng, việc đổ đầy sẽ dừng lại và hệ thống luôn giữ áp suất không đổi. Trong các ứng dụng thực tế, luôn tồn tại một lượng nhỏ rò rỉ và bộ điều khiển phải thêm chất lỏng vào hệ thống với tốc độ rò rỉ chất lỏng. Do đó, lưu lượng ròng Q luôn bằng 0 và tốc độ thay đổi áp suất cũng bằng 0. Để giảm áp suất, van trượt phải được điều chỉnh để cho chất lỏng chảy qua cơ thể. Khi đạt đến giá trị áp suất lý tưởng, thân van sẽ đóng lại để giữ áp suất không đổi. Điều quan trọng ở đây là tốc độ thay đổi áp suất phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy chứ không phải bản thân áp suất.
Nếu hệ thống được thiết kế hợp lý, các van tỷ lệ điển hình có thể được sử dụng để kiểm soát áp suất. Điều quan trọng là phải có một khe hở hoặc lỗ rỗng đặc biệt giữa cổng A và B của thân van. Phương trình 2 và 3 có thể được sử dụng để tính toán độ rò rỉ lý tưởng khi biết tốc độ giảm áp suất lý tưởng tối đa. Bộ điều khiển chuyển động phải điều khiển thân van để cung cấp chất lỏng cho hệ thống với tốc độ luôn bằng lượng chất lỏng mất đi qua các lỗ. Nếu tốc độ dòng chảy quá thấp, áp suất sẽ giảm khi chất lỏng chảy ra ngoài. Nếu tốc độ dòng chảy quá cao, áp suất sẽ tăng lên. Ưu điểm của phương pháp này là khi hệ chuyển động, nó bị giảm chấn và không tạo ra rung động mạnh.
Ý nghĩa của việc kiểm soát
Trong hệ thống truyền động thủy lực, áp suất có thể tăng nhanh trong vòng một phần nghìn giây. Nhưng máy móc không phản ứng nhanh như vậy. Hệ thống cơ học bị chi phối bởi áp suất chứ không phải bởi tốc độ thay đổi áp suất. Vì vậy, nếu không kiểm soát được tốc độ thay đổi áp suất sẽ dễ khiến thiết bị cơ khí nhảy vọt về giá trị đã đặt. Hãy tưởng tượng bạn đang lái xe và khi nhìn thấy đèn đỏ, bạn sẽ giảm dần tốc độ đến mức dừng nhẹ nhàng thay vì dừng đột ngột. Bộ điều khiển áp suất nên làm công việc tương tự.
Khi thực hiện kiểm soát áp suất, cần xem xét ít nhất bốn điểm sau:
1. Thời gian phản ứng của cảm biến áp suất phải đủ nhanh. Trong trường hợp vật liệu không dễ bị nén, áp suất dầu thường tăng với tốc độ 200psi mỗi mili giây. Cảm biến áp suất có hằng số thời gian tính bằng mili giây không phản ứng đủ nhanh với những thay đổi áp suất khi sử dụng. Hằng số thời gian đáp ứng áp suất phải ở mức 100μs để hoạt động bình thường. Nếu chỉ dùng phương pháp thực nghiệm là sử dụng cảm biến để đo thì tốc độ ít nhất phải nhanh hơn dự kiến gấp chục lần.
2. Thời gian lấy mẫu của cảm biến áp suất phải nhanh và có khoảng thời gian cố định. Trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như dập kim loại được đề cập ở trên, áp suất có thể thay đổi hàng trăm psi chỉ trong 10 mili giây.
3. Thời gian lấy mẫu phải không đổi. Nếu quá trình quét được cho là 10 mili giây cho mỗi lần quét, nhưng thực tế là 9 mili giây trên 11 mili giây thì việc tính toán tỷ lệ áp suất sẽ khác nhau ít nhất 20%. Vì vậy, thời gian lấy mẫu không đổi là rất quan trọng để tính toán chính xác tốc độ thay đổi áp suất.
4. PLC chưa hẳn là lựa chọn tốt nhất. Chức năng của PID trong PLCS ban đầu được thiết kế để kiểm soát nhiệt độ hoặc áp suất không khí, không dành cho những chất lỏng khó nén. Khi chúng ở phạm vi mili giây, hằng số thời gian của PID trong PLC ở mức phút. Để điều khiển áp suất, cần có bộ điều khiển PID được thiết kế đặc biệt.
Tùy chọn điều khiển
Điều đầu tiên cần hiểu là mặc dù chúng ta có thể kiểm soát vị trí, lực hoặc áp lực nhưng chúng ta không thể thực hiện cả ba điều đó cùng một lúc. Tại bất kỳ vị trí nào nếu có vật cản thì cơ cấu chấp hành sẽ chịu một lực cản bằng và ngược chiều với lực dẫn động. Bằng cách thực hiện các bài kiểm tra chuyển động hình sin với bộ truyền động, chúng ta có thể theo dõi áp suất, nhưng không thể kiểm soát áp suất hoặc lực cùng lúc với việc kiểm soát vị trí của nó. Bởi vì áp suất hoặc lực được xác định bởi lực của mẫu thử tác dụng lên bộ truyền động. Bộ truyền động có thể tạo ra lực hoặc áp suất hình sin, nhưng vị trí của nó được xác định bởi độ tuyến tính của hệ số đàn hồi của vật liệu thử.
Nhấn mạnh
Có thể không có sự can thiệp nào trong quá trình chuyển động, vì vậy không có ích gì khi cố gắng kiểm soát áp lực hoặc lực. Ưu điểm của việc chỉ kiểm soát áp lực hoặc lực là không cần phải xem xét vị trí. Người vận hành có thể chỉ cần thay đổi điểm đặt nhưng phải chú ý đến tình trạng tải trống. Trong tình huống tương tự, piston của xi lanh thủy lực sẽ tăng tốc cho đến khi áp suất khớp với giá trị đã đặt. Trong các thử nghiệm chỉ kiểm soát áp suất hoặc lực, cần theo dõi tốc độ của bộ truyền động để tránh tải giảm đột ngột. Khi phát hiện tải biến mất, bộ truyền động có thể chuyển sang chế độ vị trí hoặc tốc độ.
Hạn chế về vị trí và áp suất
Một lựa chọn khác là giới hạn vị trí hoặc tốc độ thông qua các ràng buộc về áp suất hoặc lực. Nó hoạt động bằng cách chạy hai vòng điều khiển cùng một lúc và chỉ giá trị tối thiểu của cả hai đầu ra điều khiển được truyền tới van thủy lực. Việc hệ thống sẽ đạt đến điểm đặt vị trí hay điểm đặt áp suất tùy thuộc vào điểm nào đạt được trước. Do đó, nếu tải của xi lanh thủy lực đột ngột biến mất khi áp suất được đặt, áp suất sẽ giảm và kích hoạt bộ điều khiển PID áp suất để tạo ra tín hiệu điều khiển lớn. Tuy nhiên, khi hệ thống tăng tốc, sai số tốc độ sẽ giảm và tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển tốc độ PID sẽ giảm khi sai số giảm. Giá trị nhỏ hơn của hai tín hiệu đến từ bộ điều khiển tốc độ PID. Vì vậy, bộ truyền động hiện được điều khiển bởi tùy chọn vòng lặp vị trí và không vượt quá giá trị cài đặt của tốc độ.
Bắt đầu và điều chỉnh áp lực hoặc kiểm soát lực
Điều chỉnh là quá trình lựa chọn mức tăng tốt nhất để kiểm soát tối ưu vị trí, tốc độ, áp suất hoặc lực. Điều chỉnh áp suất hoặc hệ thống kiểm soát áp suất khác với hệ thống điều chỉnh vị trí vì xi lanh thủy lực không di chuyển nhiều khi áp suất thay đổi. Cách dễ nhất để điều chỉnh áp suất hoặc lực là mở rộng hoàn toàn bộ truyền động cho đến khi đạt được áp suất hệ thống, đồng thời đặt tất cả mức tăng về 0. Sau đó, chỉ nhập giá trị cài đặt hoặc mức tăng với mức tăng tỷ lệ nhỏ trong PID.
Mức tăng tỷ lệ "nhỏ" này có thể được ước tính bằng:
Công thức này cho phép người công nhân xác định được vị trí của bộ điều chỉnh khởi động mà không thể xác định được trong quá trình điều chỉnh áp suất. Bạn có thể bắt đầu bằng cách tìm tín hiệu điều khiển có đầu ra tối đa là 10V hoặc 40mA hoặc 100% của van và sử dụng phương trình VCCM để tính tốc độ tối đa (xem Jack L. Johnson, PE, "Điện tử cơ bản cho điều khiển chuyển động xi lanh") hoặc bằng cách nhìn vào bảng để xác định. Phương trình động phải được chia cho hai lần diện tích. Điều này là do sự gia tăng áp suất ở một bên của piston đi kèm với việc giảm áp suất ở phía bên kia.
Ghi chú:Mức tăng theo tỷ lệ ước tính không chính xác nhưng chúng sẽ rất gần với giá trị ban đầu lý tưởng.
Khi mức tăng tỷ lệ được kích hoạt, áp suất hoặc lực của hệ thống sẽ đạt đến điểm đặt hoặc tiến gần đến điểm đó. Phần lớn các lỗi là do rò rỉ. Bước tiếp theo là làm cho bộ điều khiển bù hoặc tăng tốc độ dòng bằng cách tăng dần độ lợi tích phân cho đến khi sai số bằng 0.
Bây giờ, hệ thống có thể được điều khiển và điều chỉnh thông qua các phản ứng động. Nó đạt được bằng cách điều chỉnh độ dốc giữa hai áp suất của dải vận hành. Lúc đầu, độ dốc của áp suất hoặc lực nên tăng chậm vì việc duy trì kiểm soát sẽ dễ dàng hơn. Mức tăng PID này cần được điều chỉnh để kiểm soát tốt hơn. Việc cố gắng điều chỉnh áp suất hoặc lực PID để đáp ứng các thay đổi từng bước trong hệ thống là rất khó và khó đạt được kết quả như ý vì sốc áp suất có thể gây rò rỉ. Một sự chuyển đổi áp suất suôn sẻ là một giải pháp tốt. Khi áp suất hoặc lực thay đổi, hoạt động của hệ thống sẽ phụ thuộc vào sự tăng giảm áp suất giữa hai điểm đặt.
