غالبًا ما يستخدم التحكم في الضغط في أنظمة الضغط والطحن والاختبار. غالبًا ما تتطلب هذه التطبيقات التحكم في زيادات الضغط التي تكون أكثر تعقيدًا ودقة مما يمكن تحقيقه باستخدام صمامات التنفيس العادية أو منظمات الضغط. يمكن للتطبيقات الحديثة الاستفادة الكاملة من القوة الكاملة. وتتحقق هذه الميزة من خلال استخدام التحكم التفاضلي، حيث يتم الحصول على القوة عن طريق ضرب الضغط على جانبي المكبس بمساحة كل منهما، ويتم الحصول على القوة الصافية عن طريق طرح القوة من التجويف الخالي من القضبان.
تتمثل طريقة التحكم في الحلقة المغلقة- الشائعة الاستخدام في تحقيق التحكم الدقيق في الضغط عن طريق تعويض تغير لزوجة الوسط. يعد استخدام خوارزميات PID المثبتة أكثر تعقيدًا من التحكم التناسبي المحدود الذي يمكن أن توفره الأجهزة الميكانيكية ذات النوابض. يتيح لنا هذا الأداء الخاص تصحيح التجاوز وتقليله أثناء التحكم في الضغط.
ما هو التوتر؟ لماذا هو مهم جدا للتحكم الدقيق؟
الضغط هو القوة المتلقاة لكل وحدة مساحة، أي نسبة القوة الإجمالية إلى إجمالي المساحة المجهدة. يتم توليد الضغط في النظام الهيدروليكي عن طريق تطبيق القوة على الزيت في نظام الحجم الثابت أو عن طريق إضافة الزيت إلى نظام الحجم الثابت. وفي هذه المقالة سوف نتجاهل تأثير التمدد الحراري.
الصيغة الأساسية لتغير الضغط:
تخبرنا هذه الصيغة أن الضغط يتغير مع الحجم ومعامل الحجم المرن، مما يعكس انضغاط السائل. على سبيل المثال، يبلغ معامل مرونة الزيت حوالي 200000 رطل لكل بوصة مربعة، في حين يبلغ معامل مرونة الماء حوالي 312000 رطل لكل بوصة مربعة. وهذا يعني أنه إذا تم تخفيض السعة بنسبة 0.1%، فإن ضغط الزيت سيزيد بمقدار 200 رطل لكل بوصة مربعة، وسيزيد ضغط الماء بمقدار 312 رطل لكل بوصة مربعة. وبعبارة أخرى، فإن ضغط الماء أصعب من ضغط الزيت.
تحدد الصيغة التالية تأثير الوقت على القوة والضغط:
بمعنى آخر، بافتراض أن الحجم ومعامل المرونة الحجمي ثابتان، يمكننا حساب معدل تغير القوة والضغط في أي وقت بمعلومية السرعة والتدفق والقدرة الحالية.
بعد ذلك، سنركز على الصيغتين (2) و(3).
تطبيق الصيغة
يمكن التحكم في الضغط بعدة طرق، عادةً باستخدام صمام مؤازر أو صمام تناسبي مع بكرة مؤازرة. توضح المعادلة 2 أنه لرفع ضغط معين، يجب حقن السائل في الغرفة. يجب أن يتناسب معدل إضافة السائل مع زيادة الضغط المطلوبة. عندما يصل الضغط إلى القيمة المثالية، يتم إيقاف التعبئة، ويحافظ النظام على ثبات الضغط طوال الوقت. في التطبيقات العملية، توجد دائمًا كمية صغيرة من التسرب، ويجب على وحدة التحكم إضافة السائل إلى النظام بالمعدل الذي يتسرب به السائل. ولذلك، فإن التدفق الصافي Q يكون دائمًا صفرًا، ومعدل تغير الضغط هو أيضًا صفر. لتقليل الضغط، يجب تعديل الصمام المنزلق للسماح للسائل بالتدفق عبر الجسم. عند الوصول إلى قيمة الضغط المثالية، يغلق جسم الصمام مرة أخرى للحفاظ على ثبات الضغط. المفتاح هنا هو أن معدل تغير الضغط يعتمد على معدل التدفق، وليس الضغط نفسه.
إذا تم تصميم النظام بشكل صحيح، فيمكن استخدام الصمامات التناسبية النموذجية للتحكم في الضغط. المفتاح هو وجود فجوة أو مسام خاصة بين المنفذين A وB في جسم الصمام. يمكن استخدام المعادلتين 2 و 3 لحساب التسرب المثالي عندما يكون الحد الأقصى للمعدل المثالي لانخفاض الضغط معروفًا. يجب أن يتحكم جهاز التحكم في الحركة في جسم الصمام لتوفير السائل للنظام بمعدل يساوي فقدان السائل عبر المسام في جميع الأوقات. إذا كان معدل التدفق منخفضًا جدًا، فسوف ينخفض الضغط مع تدفق السائل للخارج. إذا كان معدل التدفق مرتفعًا جدًا، فسيزداد الضغط. ميزة هذه الطريقة هي أنه عندما يتحرك النظام، فإنه يكون مخمدًا ولن ينتج عنه اهتزازات عنيفة.
معنى السيطرة
في نظام القيادة الهيدروليكي، قد يزيد الضغط بسرعة خلال ميلي ثانية واحدة. لكن الآلات لا تستجيب بهذه السرعة. الأنظمة الميكانيكية تحكمها الضغط وليس معدل تغير الضغط. لذلك، إذا لم يتم التحكم في معدل تغير الضغط، فمن السهل جعل المعدات الميكانيكية تقفز إلى القيمة المحددة. تخيل أنك تقود السيارة، وعندما ترى ضوءًا أحمر، فإنك تبطئ سرعتك تدريجيًا حتى تتوقف بشكل لطيف بدلاً من التوقف عند الاصطدام. يجب أن يقوم جهاز التحكم بالضغط بنفس المهمة.
عند إجراء التحكم في الضغط، يجب مراعاة النقاط الأربع التالية على الأقل:
1. يجب أن يكون وقت رد فعل مستشعر الضغط سريعًا بدرجة كافية. في الحالات التي لا يتم فيها ضغط المادة بسهولة، فمن الشائع أن يزيد ضغط الزيت بمعدل 200 رطل لكل بوصة مربعة في الثانية. لا تستجيب أجهزة استشعار الضغط ذات الثوابت الزمنية بالمللي ثانية بسرعة كافية لتغيرات الضغط أثناء الاستخدام. يجب أن يكون ثابت زمن استجابة الضغط في حدود 100 ميكروثانية حتى يعمل بشكل صحيح. إذا كانت الطريقة التجريبية وحدها تستخدم المستشعر للقياس، فإن السرعة تكون أسرع بعشر مرات على الأقل من المتوقع.
2. يجب أن يكون وقت أخذ العينات لمستشعر الضغط سريعًا وله فاصل زمني ثابت. في التطبيقات العملية، مثل ختم المعدن المذكور أعلاه، يمكن أن يختلف الضغط بمئات رطل لكل بوصة مربعة في أقل من 10 مللي ثانية.
3. يجب أن يكون وقت أخذ العينات ثابتًا. إذا كان من المفترض أن يكون الفحص 10 مللي ثانية لكل مسح، لكنه في الواقع 9 مللي ثانية لكل 11 مللي ثانية، فإن حساب نسبة الضغط سيختلف بنسبة 20% على الأقل. ولذلك، فإن وقت أخذ العينات الثابت مهم جدًا للحساب الدقيق لمعدل تغير الضغط.
4. PLC ليس بالضرورة الخيار الأفضل. تم تصميم وظيفة PID في PLCS في الأصل للتحكم في درجة الحرارة أو ضغط الهواء، وليس للسوائل التي يصعب ضغطها. عندما تكون في نطاق المللي ثانية، فإن الثابت الزمني لمعرف PID في PLC يكون في مستوى الدقيقة. للتحكم في الضغط، يلزم وجود وحدة تحكم PID مصممة خصيصًا.
خيار التحكم
أول شيء يجب أن نفهمه هو أنه على الرغم من قدرتنا على التحكم في الوضع أو القوة أو الضغط، إلا أنه لا يمكننا القيام بالثلاثة في نفس الوقت. في أي موضع، إذا كان هناك عائق، فسيتعرض المشغل لمقاومة مساوية ومعاكسة للقوة الدافعة. من خلال إجراء اختبارات الحركة الجيبية باستخدام المحركات، يمكننا مراقبة الضغط، لكن لا يمكننا التحكم في الضغط أو القوة في نفس الوقت الذي نتحكم فيه في موضعه. لأن الضغط أو القوة يتم تحديدها من خلال قوة عينة الاختبار على المشغل. قد يوفر المشغل قوة أو ضغطًا جيبيًا، ولكن يتم تحديد موضعه من خلال خطية المعامل المرن لمادة الاختبار.
ضغط
قد لا يكون هناك أي تداخل أثناء الحركة، فلا فائدة من محاولة التحكم في الضغط أو القوة. ميزة التحكم فقط في الضغط أو القوة هي أنه ليست هناك حاجة للنظر في الموقف. يمكن للمشغل ببساطة تغيير نقطة الضبط، ولكن يجب عليه الانتباه إلى حالة الحمولة الفارغة. في حالة مماثلة، سوف يتسارع مكبس الأسطوانة الهيدروليكية حتى يتطابق الضغط مع القيمة المحددة. في الاختبارات التي يتم فيها التحكم في الضغط أو القوة فقط، يجب مراقبة سرعة المشغل لتجنب الانخفاض المفاجئ في الحمل. عندما يتم اكتشاف اختفاء الحمل، قد يتحول المشغل إلى الوضع أو وضع السرعة.
قيود الموقف والضغط
هناك خيار آخر يتمثل في تحديد الموضع أو السرعة من خلال قيود الضغط أو القوة. إنه يعمل عن طريق تشغيل حلقتي تحكم في نفس الوقت، ويتم تمرير الحد الأدنى فقط من قيمة مخرجات التحكم إلى الصمام الهيدروليكي. يعتمد ما إذا كان النظام سيصل إلى نقطة ضبط الموضع أو نقطة ضبط الضغط على النقطة التي يتم الوصول إليها أولاً. لذلك، إذا اختفى حمل الأسطوانة الهيدروليكية فجأة عند ضبط الضغط، فسوف ينخفض الضغط ويؤدي إلى تشغيل وحدة التحكم PID للضغط لإنتاج إشارة تحكم كبيرة. ومع ذلك، مع تسارع النظام، يقل خطأ السرعة، وتقل إشارة التحكم من وحدة التحكم في السرعة PID مع انخفاض الخطأ. القيمة الأصغر للإشارتين تأتي من وحدة التحكم في السرعة PID. لذلك يتم الآن التحكم في المشغل من خلال خيار حلقة الموضع ولا يتجاوز القيمة المحددة للسرعة.
بدء وتنظيم الضغط أو السيطرة على القوة
التنظيم هو عملية اختيار أفضل زيادة للتحكم الأمثل في الموضع أو السرعة أو الضغط أو القوة. تختلف أنظمة تنظيم الضغط أو التحكم في الضغط عن أنظمة تنظيم الموضع لأن الأسطوانة الهيدروليكية لا تتحرك كثيرًا عند تغير الضغط. أسهل طريقة لضبط الضغط أو القوة هي تمديد المشغل بالكامل حتى يتم الوصول إلى ضغط النظام، مع ضبط جميع المكاسب على 0. ثم أدخل القيمة المحددة أو الكسب فقط مع ربح نسبي صغير في PID.
ويمكن تقدير هذا الكسب النسبي "الصغير" من خلال ما يلي:
تتيح هذه الصيغة للعامل تحديد موضع تنظيم البداية الذي لا يمكن تحديده أثناء عملية تنظيم الضغط. يمكنك البدء بإيجاد إشارة تحكم بخرج كامل يبلغ 10 فولت أو 40 مللي أمبير، أو 100% من الصمام، واستخدام معادلة VCCM لحساب السرعة القصوى (انظر Jack L. Johnson, PE, "الإلكترونيات الأساسية للتحكم في حركة الأسطوانة")، أو من خلال النظر إلى جدول لتحديد ذلك. يجب تقسيم المعادلة الديناميكية على ضعف المساحة. وذلك لأن زيادة الضغط على أحد جانبي المكبس يصاحبها انخفاض في الضغط على الجانب الآخر.
ملحوظة:المكاسب التناسبية المقدرة ليست دقيقة، لكنها ستكون قريبة جدًا من القيم الأولية المثالية.
عندما يتم تنشيط الكسب النسبي، فإن ضغط أو قوة النظام سوف تصل إلى النقطة المحددة أو تقترب منها. الغالبية العظمى من الأخطاء ناتجة عن التسريبات. والخطوة التالية هي جعل جهاز التحكم يعوض أو يزيد معدل التدفق عن طريق زيادة الكسب المتكامل ببطء حتى يصبح الخطأ صفرًا.
الآن، أصبح النظام قابلاً للتحكم، ويمكن تعديله من خلال الاستجابات الديناميكية. ويتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط الميل بين الضغطين في نطاق التشغيل. يجب أن ينمو منحدر الضغط أو القوة ببطء في البداية، حيث يكون من الأسهل الحفاظ على السيطرة. يجب أن يكون كسب PID هذا قابلاً للتعديل للتحكم بشكل أفضل. إن محاولة ضبط الضغط أو فرض PID استجابة للتغيرات التدريجية في النظام أمر صعب للغاية، ومن الصعب الحصول على نتائج مرضية لأن صدمات الضغط يمكن أن تسبب تسربات. يعد الانتقال السلس للضغط حلاً جيدًا. عندما يتغير الضغط أو القوة، فإن عمل النظام سيعتمد على زيادة ونقصان الضغط بين نقطتي الضبط.
