การควบคุมแรงดันมักใช้ในระบบการอัด การบด และการทดสอบ การใช้งานเหล่านี้มักต้องการการควบคุมการเพิ่มแรงดันที่ซับซ้อนและแม่นยำมากกว่าที่สามารถทำได้ด้วยวาล์วระบายหรือตัวควบคุมแรงดันทั่วไป แอพพลิเคชั่นสมัยใหม่สามารถใช้ประโยชน์ได้เต็มประสิทธิภาพ ข้อได้เปรียบนี้เกิดขึ้นได้จากการใช้การควบคุมแบบดิฟเฟอเรนเชียล โดยแรงที่ได้มาจากการนำแรงดันที่ทั้งสองด้านของลูกสูบคูณด้วยพื้นที่ตามลำดับ และแรงลัพธ์ได้มาจากการลบแรงออกจากช่องไร้ก้าน
วิธีการควบคุมวงปิด-ที่ใช้กันทั่วไปคือการควบคุมแรงกดที่แม่นยำโดยการชดเชยการเปลี่ยนแปลงความหนืดของตัวกลาง การใช้อัลกอริธึม PID ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วมีความซับซ้อนมากกว่าการควบคุมตามสัดส่วนที่จำกัดซึ่งอุปกรณ์กลไกที่มีสปริงสามารถทำได้ ประสิทธิภาพพิเศษนี้ช่วยให้เราสามารถแก้ไขและลดการทำงานเกินขณะควบคุมแรงกดได้
ความเครียดคืออะไร? เหตุใดการควบคุมที่แม่นยำจึงสำคัญมาก
ความดันคือแรงที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งก็คืออัตราส่วนแรงทั้งหมดต่อพื้นที่ความเครียดทั้งหมด แรงดันในระบบไฮดรอลิกถูกสร้างขึ้นโดยการใช้แรงกับน้ำมันในระบบปริมาตรคงที่หรือโดยการเติมน้ำมันลงในระบบปริมาตรคงที่ ในบทความนี้ เราจะเพิกเฉยต่อผลกระทบของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน
สูตรพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงความดัน:
สูตรนี้บอกเราว่าความดันเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาตรและโมดูลัสยืดหยุ่นของปริมาตร ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถในการอัดของของเหลว ตัวอย่างเช่น โมดูลัสยืดหยุ่นของน้ำมันมีค่าประมาณ 200,000 psi ในขณะที่น้ำมีค่าประมาณ 312,000 psi ซึ่งหมายความว่าหากความจุลดลง 0.1% แรงดันน้ำมันจะเพิ่มขึ้น 200 psi และแรงดันน้ำจะเพิ่มขึ้น 312 psi กล่าวอีกนัยหนึ่ง น้ำบีบอัดได้ยากกว่าน้ำมัน
สูตรต่อไปนี้กำหนดผลกระทบของเวลาที่มีต่อแรงและความดัน:
กล่าวอีกนัยหนึ่ง สมมติว่าปริมาตรและโมดูลัสยืดหยุ่นเทกองคงที่ เราสามารถคำนวณอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงและความดันได้ตลอดเวลาโดยพิจารณาจากความเร็ว การไหล และความจุกระแส
ต่อไปเราจะเน้นที่สูตร (2) และ (3)
การประยุกต์ใช้สูตร
สามารถควบคุมความดันได้หลายวิธี โดยปกติจะใช้เซอร์โววาล์วหรือวาล์วสัดส่วนที่มีแกนเซอร์โว สมการที่ 2 แสดงให้เห็นว่าเพื่อเพิ่มความดัน จะต้องฉีดของเหลวเข้าไปในห้องเพาะเลี้ยง อัตราการเติมของเหลวควรเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่เพิ่มขึ้นที่ต้องการ เมื่อความดันถึงค่าที่เหมาะสม การเติมจะหยุดลง และระบบจะรักษาแรงดันให้คงที่ตลอดเวลา ในการใช้งานจริง จะมีการรั่วไหลเล็กน้อยอยู่เสมอ และผู้ควบคุมจะต้องเติมของเหลวเข้าสู่ระบบในอัตราที่ของเหลวรั่วไหล ดังนั้นการไหลสุทธิ Q จึงเป็นศูนย์เสมอ และอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันก็เป็นศูนย์เช่นกัน เพื่อลดแรงดันต้องปรับวาล์วเลื่อนเพื่อให้ของเหลวไหลผ่านร่างกาย เมื่อถึงค่าความดันที่เหมาะสม ตัววาล์วจะปิดอีกครั้งเพื่อรักษาแรงดันให้คงที่ สิ่งสำคัญคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันขึ้นอยู่กับอัตราการไหล ไม่ใช่ตัวแรงดันเอง
หากระบบได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม สามารถใช้วาล์วสัดส่วนทั่วไปในการควบคุมแรงดันได้ สิ่งสำคัญคือการมีช่องว่างหรือรูพรุนพิเศษระหว่างพอร์ต A และ B ของตัววาล์ว สามารถใช้สมการที่ 2 และ 3 เพื่อคำนวณการรั่วไหลในอุดมคติได้ เมื่อทราบอัตราแรงดันตกในอุดมคติสูงสุด ตัวควบคุมการเคลื่อนไหวจะต้องควบคุมตัววาล์วเพื่อจ่ายของเหลวให้กับระบบในอัตราเท่ากับการสูญเสียของเหลวผ่านรูพรุนตลอดเวลา หากอัตราการไหลต่ำเกินไป ความดันจะลดลงเมื่อของเหลวไหลออก หากอัตราการไหลสูงเกินไป ความดันจะเพิ่มขึ้น ข้อดีของวิธีนี้คือเมื่อระบบเคลื่อนที่ ระบบจะหมาดๆ และไม่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่รุนแรง
ความหมายของการควบคุม
ในระบบขับเคลื่อนไฮดรอลิก ความดันอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วภายในมิลลิวินาที แต่เครื่องจักรไม่ตอบสนองเร็วนัก ระบบเครื่องกลถูกควบคุมโดยแรงดัน ไม่ใช่อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดัน ดังนั้นหากอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันไม่ได้รับการควบคุม ก็เป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้อุปกรณ์ทางกลกระโดดไปที่ค่าที่ตั้งไว้ ลองจินตนาการว่าคุณกำลังขับรถอยู่ และเมื่อคุณเห็นไฟแดง คุณจะค่อยๆ ลดความเร็วลงเพื่อหยุดรถอย่างนุ่มนวล แทนที่จะหยุดรถชน ตัวควบคุมความดันควรทำงานเช่นเดียวกัน
เมื่อทำการควบคุมแรงดัน ควรพิจารณาจุดสี่จุดต่อไปนี้เป็นอย่างน้อย:
1. เวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์ความดันจะต้องเร็วพอ ในกรณีที่วัสดุไม่สามารถบีบอัดได้ง่าย เป็นเรื่องปกติที่แรงดันน้ำมันจะเพิ่มขึ้นที่อัตรา 200psi ต่อมิลลิวินาที เซ็นเซอร์วัดแรงดันที่มีค่าคงที่เวลาเป็นมิลลิวินาทีไม่ตอบสนองเร็วพอที่จะเปลี่ยนแปลงแรงดันในการใช้งาน ค่าคงที่เวลาตอบสนองของแรงดันจะต้องอยู่ในลำดับ 100μs เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง หากวิธีเชิงประจักษ์เพียงอย่างเดียวใช้เซนเซอร์ในการวัด ความเร็วจะเร็วกว่าที่คาดไว้อย่างน้อยสิบเท่า
2. เวลาในการสุ่มตัวอย่างของเซ็นเซอร์ความดันจะต้องรวดเร็วและมีช่วงเวลาที่คงที่ ในการใช้งานจริง เช่น การปั๊มโลหะที่กล่าวถึงข้างต้น ความดันอาจแตกต่างกันหลายร้อย psi ในเวลาเพียง 10 มิลลิวินาที
3. เวลาในการสุ่มตัวอย่างจะต้องคงที่ หากการสแกนควรจะเป็น 10 มิลลิวินาทีต่อการสแกน แต่จริงๆ แล้วคือ 9 มิลลิวินาทีต่อ 11 มิลลิวินาที การคำนวณอัตราส่วนความดันจะแตกต่างกันอย่างน้อย 20% ดังนั้นเวลาสุ่มตัวอย่างคงที่จึงมีความสำคัญมากสำหรับการคำนวณอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันที่แม่นยำ
4. PLC ไม่จำเป็นต้องเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด เดิมทีฟังก์ชันของ PID ใน PLCS ได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมอุณหภูมิหรือความดันอากาศ ไม่ใช่สำหรับของเหลวที่บีบอัดได้ยาก เมื่ออยู่ในช่วงมิลลิวินาที ค่าคงที่เวลาของ PID ใน PLC จะอยู่ในระดับนาที สำหรับการควบคุมแรงดัน จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุม PID ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ
ตัวเลือกการควบคุม
สิ่งแรกที่ต้องเข้าใจก็คือ แม้ว่าเราจะสามารถควบคุมตำแหน่ง แรง หรือแรงกดดันได้ แต่เราไม่สามารถทำทั้งสามอย่างพร้อมกันได้ ณ ตำแหน่งใด ๆ หากมีสิ่งกีดขวาง แอคทูเอเตอร์จะถูกต้านทานให้เท่ากับและตรงข้ามกับแรงขับเคลื่อน ด้วยการทดสอบการเคลื่อนที่แบบไซน์ซอยด์ด้วยแอคชูเอเตอร์ เราสามารถตรวจสอบความดันได้ แต่ไม่สามารถควบคุมความดันหรือแรงพร้อมกับการควบคุมตำแหน่งของมันได้ เนื่องจากความดันหรือแรงถูกกำหนดโดยแรงของตัวอย่างทดสอบบนแอคชูเอเตอร์ แอคชูเอเตอร์อาจให้แรงหรือแรงดันไซน์ซอยด์ แต่ตำแหน่งของมันจะถูกกำหนดโดยความเป็นเส้นตรงของสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นของวัสดุทดสอบ
ความเครียด
อาจไม่มีการรบกวนระหว่างการเคลื่อนไหว จึงไม่มีประโยชน์ในการพยายามควบคุมแรงกดหรือแรง ข้อดีของการควบคุมเฉพาะแรงกดหรือแรงคือไม่ต้องคำนึงถึงตำแหน่ง ผู้ปฏิบัติงานสามารถเปลี่ยนจุดที่ตั้งไว้ได้ แต่ต้องให้ความสนใจกับสถานการณ์ของโหลดเปล่า ในสถานการณ์ที่คล้ายกัน ลูกสูบของกระบอกไฮดรอลิกจะเร่งความเร็วจนกระทั่งแรงดันตรงกับค่าที่ตั้งไว้ ในการทดสอบที่มีการควบคุมเฉพาะแรงดันหรือแรง ควรตรวจสอบความเร็วของแอคชูเอเตอร์เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้โหลดลดลงกะทันหัน เมื่อตรวจพบโหลดหายไป แอคชูเอเตอร์อาจสลับไปที่โหมดตำแหน่งหรือความเร็ว
ข้อจำกัดด้านตำแหน่งและแรงกดดัน
อีกทางเลือกหนึ่งคือการจำกัดตำแหน่งหรือความเร็วผ่านแรงกดดันหรือข้อจำกัดของแรง ทำงานโดยการรันลูปควบคุมสองลูปพร้อมกัน และส่งผ่านเฉพาะค่าต่ำสุดของเอาต์พุตควบคุมทั้งสองไปยังวาล์วไฮดรอลิก ไม่ว่าระบบจะไปถึงจุดที่ตั้งของตำแหน่งหรือจุดที่ตั้งของความดันนั้นขึ้นอยู่กับว่าจุดใดจะถึงก่อน ดังนั้นหากโหลดของกระบอกไฮดรอลิกหายไปอย่างกะทันหันเมื่อตั้งค่าความดัน ความดันจะลดลงและกระตุ้นให้ตัวควบคุม PID แรงดันสร้างสัญญาณควบคุมขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม เมื่อระบบเร่งความเร็ว ข้อผิดพลาดด้านความเร็วจะลดลง และสัญญาณควบคุมจากตัวควบคุมความเร็ว PID จะลดลงเมื่อข้อผิดพลาดลดลง ค่าที่น้อยกว่าของสัญญาณทั้งสองนั้นมาจากตัวควบคุมความเร็ว PID ดังนั้นตอนนี้แอคชูเอเตอร์จึงถูกควบคุมโดยตัวเลือกการวนรอบตำแหน่งและไม่เกินค่าความเร็วที่ตั้งไว้
การเริ่มต้นและการควบคุมแรงดันหรือแรง
การควบคุมเป็นกระบวนการในการเลือกส่วนเพิ่มที่ดีที่สุดสำหรับการควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว ความดัน หรือแรงอย่างเหมาะสมที่สุด ระบบควบคุมแรงดันหรือระบบควบคุมแรงดันแตกต่างจากระบบควบคุมตำแหน่งเนื่องจากกระบอกไฮดรอลิกไม่เคลื่อนที่มากนักเมื่อแรงดันเปลี่ยนแปลง วิธีที่ง่ายที่สุดในการปรับความดันหรือแรงคือขยายแอคชูเอเตอร์จนสุดจนถึงแรงดันของระบบ โดยตั้งค่าเกนทั้งหมดเป็น 0 จากนั้น ป้อนค่าที่ตั้งไว้หรือเกนเฉพาะกับเกนตามสัดส่วนเพียงเล็กน้อยใน PID
กำไรตามสัดส่วน "เล็กน้อย" นี้สามารถประมาณได้โดย:
สูตรนี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถกำหนดตำแหน่งของการควบคุมการเริ่มต้นที่ไม่สามารถระบุได้ในระหว่างกระบวนการควบคุมความดัน คุณสามารถเริ่มต้นด้วยการค้นหาสัญญาณควบคุมที่มีเอาต์พุตเต็ม 10V หรือ 40mA หรือ 100% ของวาล์ว และใช้สมการ VCCM เพื่อคำนวณความเร็วสูงสุด (ดู Jack L. Johnson, PE, "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐานสำหรับการควบคุมการเคลื่อนที่ของกระบอกสูบ") หรือโดยดูที่ตารางเพื่อพิจารณา สมการไดนามิกจะต้องหารด้วยสองเท่าของพื้นที่ เนื่องจากแรงดันที่เพิ่มขึ้นที่ด้านหนึ่งของลูกสูบจะมาพร้อมกับแรงดันที่ลดลงที่อีกด้านหนึ่ง
บันทึก:การเพิ่มตามสัดส่วนโดยประมาณนั้นไม่ถูกต้อง แต่จะใกล้เคียงกับค่าเริ่มต้นในอุดมคติมาก
เมื่อเปิดใช้งานอัตราขยายตามสัดส่วน ความดันหรือแรงของระบบจะไปถึงจุดที่ตั้งไว้หรือเข้าใกล้จุดนั้น ข้อผิดพลาดส่วนใหญ่เกิดจากการรั่วไหล ขั้นตอนต่อไปคือการทำให้คอนโทรลเลอร์ชดเชยหรือเพิ่มอัตราการไหลโดยค่อยๆ เพิ่มเกนแบบอินทิกรัลจนกว่าข้อผิดพลาดจะเป็นศูนย์
ขณะนี้ระบบสามารถควบคุมได้ และสามารถปรับได้ด้วยการตอบสนองแบบไดนามิก สามารถทำได้โดยการปรับความชันระหว่างแรงกดดันทั้งสองของแถบปฏิบัติการ ความชันของแรงกดดันหรือแรงควรจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ในตอนแรก เนื่องจากจะควบคุมได้ง่ายกว่า อัตราขยาย PID นี้ควรสามารถปรับได้เพื่อการควบคุมที่ดีขึ้น การพยายามปรับแรงดันหรือแรง PID เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนในระบบนั้นทำได้ยากมาก และยากที่จะได้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจเพราะแรงดันช็อกอาจทำให้เกิดการรั่วไหลได้ การเปลี่ยนแรงดันอย่างราบรื่นเป็นทางออกที่ดี เมื่อความดันหรือแรงมีการเปลี่ยนแปลง การทำงานของระบบจะขึ้นอยู่กับการเพิ่มและลดความดันระหว่างจุดที่ตั้งไว้ทั้งสองจุด
