Le contrôle de la pression est souvent utilisé dans les systèmes de pressage, de meulage et de test. Ces applications nécessitent souvent un contrôle des augmentations de pression beaucoup plus complexe et précis que ce qui peut être obtenu avec des soupapes de décharge ou des régulateurs de pression ordinaires. Les applications modernes peuvent tirer pleinement parti de toute la puissance. Cet avantage est obtenu grâce à l'utilisation d'un contrôle différentiel, où la force est obtenue en multipliant la pression des deux côtés du piston par leurs surfaces respectives, et la force nette est obtenue en soustrayant la force de la cavité sans tige.
La méthode de contrôle en boucle fermée- couramment utilisée consiste à réaliser un contrôle précis de la pression en compensant le changement de viscosité du fluide. L'utilisation d'algorithmes PID éprouvés est beaucoup plus sophistiquée que le contrôle proportionnel limité que peuvent fournir les dispositifs mécaniques à ressorts. Cette performance particulière nous permet de corriger et de réduire les dépassements tout en contrôlant la pression.
Qu’est-ce que le stress ? Pourquoi est-il si important d’avoir un contrôle précis ?
La pression est la force reçue par unité de surface, c'est-à-dire le rapport de la force totale par la surface totale sollicitée. La pression dans le système hydraulique est générée en appliquant une force à l'huile dans le système à volume constant ou en ajoutant de l'huile au système à volume constant. Dans cet article, nous ignorerons l’effet de la dilatation thermique.
La formule de base du changement de pression :
Cette formule nous indique que la pression change avec le volume et le module élastique volumique, qui reflète la compressibilité du liquide. Par exemple, le module élastique global du pétrole est d’environ 200 000 psi, tandis que celui de l’eau est d’environ 312 000 psi. Cela signifie que si la capacité est réduite de 0,1 %, la pression de l'huile augmentera de 200 psi et la pression de l'eau augmentera de 312 psi. En d’autres termes, l’eau est plus difficile à comprimer que le pétrole.
La formule suivante définit l'effet du temps sur la force et la pression :
En d’autres termes, en supposant que le volume et le module élastique global sont constants, nous pouvons calculer le taux de variation de la force et de la pression à tout moment en fonction de la vitesse, du débit et de la capacité de courant.
Ensuite, nous nous concentrerons sur les formules (2) et (3).
Application de la formule
La pression peut être contrôlée de différentes manières, généralement à l'aide d'une servovalve ou d'une vanne proportionnelle avec un servo-tiroir. L'équation 2 montre que pour augmenter une certaine pression, du liquide doit être injecté dans la chambre. Le taux d'ajout de liquide doit être proportionnel à l'augmentation de pression souhaitée. Lorsque la pression atteint la valeur idéale, le remplissage est arrêté et le système maintient la pression constante en permanence. Dans les applications pratiques, une petite quantité de fuite est toujours présente et le contrôleur doit ajouter du liquide au système au rythme auquel le liquide fuit. Par conséquent, le débit net Q est toujours nul et le taux de changement de pression est également nul. Pour réduire la pression, le tiroir doit être réglé pour permettre au liquide de s'écouler à travers le corps. Lorsque la valeur de pression idéale est atteinte, le corps de la vanne se referme pour maintenir la pression constante. La clé ici est que le taux de changement de pression dépend du débit et non de la pression elle-même.
Si le système est correctement conçu, des vannes proportionnelles typiques peuvent être utilisées pour le contrôle de la pression. La clé est d'avoir un espace ou un pore spécial entre les ports A et B du corps de la vanne. Les équations 2 et 3 peuvent être utilisées pour calculer la fuite idéale lorsque le taux de chute de pression idéal maximum est connu. Le contrôleur de mouvement doit contrôler le corps de la vanne pour fournir du fluide au système à un débit égal à la perte de fluide à travers les pores à tout moment. Si le débit est trop faible, la pression diminuera à mesure que le liquide s'écoule. Si le débit est trop élevé, la pression augmentera. L’avantage de cette méthode est que lorsque le système est en mouvement, il est amorti et ne produira pas de vibrations violentes.
Signification du contrôle
Dans un système d'entraînement hydraulique, la pression peut augmenter rapidement en une milliseconde. Mais les machines ne réagissent pas aussi rapidement. Les systèmes mécaniques sont régis par la pression et non par le taux de changement de pression. Par conséquent, si le taux de changement de pression n’est pas contrôlé, il est facile de faire sauter l’équipement mécanique à la valeur définie. Imaginez que vous conduisez et que lorsque vous voyez un feu rouge, vous ralentissez progressivement jusqu'à un arrêt en douceur au lieu d'un arrêt brutal. Le contrôleur de pression devrait faire le même travail.
Lors du contrôle de la pression, au moins les quatre points suivants doivent être pris en compte :
1. Le temps de réaction du capteur de pression doit être suffisamment rapide. Dans les cas où le matériau n'est pas facilement compressé, il est courant que la pression d'huile augmente à un taux de 200 psi par milliseconde. Les capteurs de pression avec des constantes de temps millisecondes ne réagissent pas assez rapidement aux changements de pression lors de l'utilisation. La constante du temps de réponse en pression doit être de l'ordre de 100μs pour fonctionner correctement. Si la méthode empirique utilise seule le capteur pour mesurer, la vitesse est au moins dix fois plus rapide que prévu.
2. Le temps d'échantillonnage du capteur de pression doit être rapide et avoir un intervalle fixe. Dans des applications pratiques, telles que l'emboutissage des métaux mentionné ci-dessus, la pression peut varier de plusieurs centaines de psi en seulement 10 millisecondes.
3. Le temps d'échantillonnage doit être constant. Si le balayage est censé durer 10 millisecondes par balayage, mais qu'il est en réalité de 9 millisecondes toutes les 11 millisecondes, le calcul du rapport de pression différera d'au moins 20 %. Par conséquent, une durée d’échantillonnage constante est très importante pour le calcul précis du taux de variation de pression.
4. Le PLC n’est pas nécessairement le meilleur choix. La fonction du PID dans PLCS a été conçue à l'origine pour contrôler la température ou la pression de l'air, et non pour les fluides difficiles à comprimer. Lorsqu'elles sont de l'ordre de la milliseconde, la constante de temps du PID dans l'automate est au niveau des minutes. Pour le contrôle de la pression, un contrôleur PID spécialement conçu est requis.
Option de contrôle
La première chose à comprendre est que même si nous pouvons contrôler la position, la force ou la pression, nous ne pouvons pas faire les trois en même temps. Dans n'importe quelle position, s'il y a une obstruction, l'actionneur sera soumis à une résistance égale et opposée à la force motrice. En effectuant des tests de mouvement sinusoïdal avec des actionneurs, nous pouvons surveiller la pression, mais nous ne pouvons pas contrôler la pression ou la force en même temps que contrôler sa position. Parce que la pression ou la force est déterminée par la force de l'échantillon de test sur l'actionneur. L'actionneur peut fournir une force ou une pression sinusoïdale, mais sa position est déterminée par la linéarité du coefficient élastique du matériau d'essai.
Stresser
Il ne peut y avoir aucune interférence pendant le mouvement, il ne sert donc à rien d’essayer de contrôler la pression ou la force. L’avantage de contrôler uniquement la pression ou la force est qu’il n’est pas nécessaire de tenir compte de la position. L'opérateur peut simplement modifier le point de consigne, mais doit faire attention à la situation de charge vide. Dans une situation similaire, le piston du vérin hydraulique accélérera jusqu'à ce que la pression corresponde à la valeur réglée. Dans les essais où seule la pression ou la force est contrôlée, la vitesse de l'actionneur doit être surveillée pour éviter une chute soudaine de la charge. Lorsqu'il est détecté que la charge disparaît, l'actionneur peut passer en mode position ou vitesse.
Contraintes de position et de pression
Une autre option consiste à limiter la position ou la vitesse via des contraintes de pression ou de force. Il fonctionne en exécutant deux boucles de contrôle en même temps, et seule la valeur minimale des deux sorties de contrôle est transmise à la vanne hydraulique. Le fait que le système atteigne le point de consigne de position ou le point de consigne de pression dépend de celui qui est atteint en premier. Par conséquent, si la charge du vérin hydraulique disparaît soudainement lorsque la pression est réglée, la pression chutera et déclenchera le contrôleur de pression PID pour produire un signal de commande important. Cependant, à mesure que le système accélère, l'erreur de vitesse diminue et le signal de commande du contrôleur de vitesse PID diminue à mesure que l'erreur diminue. La plus petite valeur des deux signaux provient du contrôleur de vitesse PID. L'actionneur est donc désormais contrôlé par l'option boucle de position et ne dépasse pas la valeur définie de la vitesse.
Initiation et régulation du contrôle de pression ou de force
La régulation est le processus de sélection du meilleur incrément pour un contrôle optimal de la position, de la vitesse, de la pression ou de la force. Les systèmes de régulation de pression ou de contrôle de pression sont différents des systèmes de régulation de position car le vérin hydraulique ne bouge pas autant lorsque la pression change. Le moyen le plus simple d'ajuster la pression ou la force est d'étendre complètement l'actionneur jusqu'à ce que la pression du système soit atteinte, tout en réglant tous les gains à 0. Ensuite, entrez la valeur définie ou le gain uniquement avec un petit gain proportionnel dans le PID.
Ce « petit » gain proportionnel peut être estimé par :
Cette formule permet à l'opérateur de déterminer la position de la régulation de départ qui ne peut être déterminée lors du processus de régulation de pression. Vous pouvez commencer par trouver un signal de commande avec une sortie complète de 10 V ou 40 mA, ou 100 % de la vanne, et utiliser l'équation VCCM pour calculer la vitesse maximale (voir Jack L. Johnson, PE, « Basic Electronics for Cylindre Motion Control »), ou en consultant un tableau pour le déterminer. L'équation dynamique doit être divisée par deux fois l'aire. En effet, l’augmentation de pression d’un côté du piston s’accompagne d’une diminution de pression de l’autre côté.
Note:Les gains proportionnels estimés ne sont pas précis, mais ils seront très proches des valeurs initiales idéales.
Lorsque le gain proportionnel est activé, la pression ou la force du système atteindra le point de consigne ou s'en approchera. La grande majorité des erreurs sont dues à des fuites. L'étape suivante consiste à faire en sorte que le contrôleur compense ou augmente le débit en augmentant lentement le gain intégral jusqu'à ce que l'erreur soit nulle.
Désormais, le système est contrôlable et peut être ajusté grâce à des réponses dynamiques. Elle est obtenue en ajustant la pente entre les deux pressions de la bande de fonctionnement. Une pente de pression ou de force devrait augmenter lentement au début, car il est plus facile de garder le contrôle. Ce gain PID doit être réglable pour un meilleur contrôle. Essayer d'ajuster la pression ou la force du PID en réponse à des changements progressifs dans le système est très difficile, et il est difficile d'obtenir des résultats satisfaisants car les chocs de pression peuvent provoquer des fuites. Une transition de pression en douceur est une bonne solution. Lorsque la pression ou la force est modifiée, l'action du système dépendra de l'augmentation et de la diminution de la pression entre les deux points de consigne.
