[分享]壓力環境下,運用運動控制器進行壓力控制

壓力控制在壓力機、磨削加工和測試系統中經常被用到。這些應用往往需要控制壓力值的增加，這種控制的復雜度及精密度遠遠高于普通溢流閥或壓力調節器可以達到的程度?，F代應用可以充分利用凈力的優勢。這一優勢通過使用差動控制實現，即將活塞兩側的壓力與分別與其對應的面積相乘獲得作用力，然后用無桿腔的力減去有桿腔的力獲得凈力。
現在常用的閉環控制方法是通過補償介質的粘度變化來實現對壓力的精確控制。利用已經通過驗證的PID算法比用帶有彈簧的機械設備所能提供的有限比例調節控制要精密得多。這一特殊的性能使我們得以在控制壓力的同時修正和減小超調量。
壓力是什么?為什么它對于精確控制如此重要呢?
壓力是單位面積上受到的力，即總的力比上總的受力面積。液壓系統中的壓力是通過對定容系統中的油液施加力或向定容系統添加油液而產生的。本文中，我們將忽略熱膨脹的影響。
壓力變化的基本公式：
這一公式告訴我們，壓力隨著容量及體積彈性模量β的改變而改變，而體積彈性模量β反應了液體的壓縮性。比如，油的體積彈性模量大約為200,000 psi，而水的體積彈性模量則大約為312,000 psi。這就意味著如果容量減少0.1%，油壓將增加200 psi而水壓將增加312psi。也就是說，水比油更難壓縮。
下面的公式定義了時間對力及壓力的影響：
也就是說，假設體積和體積彈性模量為常量，在已知速度、流量和當前容量的前提下，我們就可以計算出任意時刻的力以及壓力的變化率。
接下來我們將就公式(2)、(3)做重點討論。
公式的應用
壓力可通過多種途徑進行控制，常用方法是利用伺服閥或者帶有伺服性質閥芯的比例閥。方程2表明要想提高一定的壓力，必須將液體注入腔體之中。液體添加的速率應與期望的壓力升幅成正比。當壓力達到理想值時，停止加注，然后系統一直保持壓力恒定。實際應用中，少量泄漏總是存在，控制器必須以液體泄漏的速率向系統添加液體。因此，凈流量Q始終為零并且壓力變化率亦為零。若要減小壓力則必須調節滑閥使液體流過閥體。當達到理想壓力值時，閥體再次關閉以保持壓力恒定。此處的關鍵是壓力變化率決定于流量而非壓力本身。
如果系統設計得當，可用典型的比例閥來進行壓力控制。其關鍵在于閥體的A口和 B口之間要設有專門的縫隙或孔隙。在已知最大理想壓降速率的前提下，方程2 和方程3 可用來計算理想泄漏量。運動控制器必須控制閥體使其一直以等同于液體經由孔隙流失的速度向系統提供液體。如果流量過低，壓力就會隨著液體的流出而降低。如果流量過高，壓力就會提升。該方法的優點是當系統運動時受到阻尼的作用不會產生劇烈震動。
控制的意義
在一個液壓驅動系統中，壓力可能會在一毫秒內迅速增加。但是機械設備不會如此快速地進行響應。機械系統受壓力支配，而非壓力變化率。因此，如果壓力變化率未受控制，很容易使機械設備跳變至設定值。試想你正在開車，當看到紅燈時你會逐漸減速至平緩停車，而非急停。壓力控制器應該完成同樣的工作。
在進行壓力控制時，至少應考慮以下四點：
1、壓力傳感器反應時間必須足夠快。在材料不容易被壓縮的情況下，油壓以每毫秒200psi的速度增加是常見的。具備毫秒級時間常量的壓力傳感器在使用中并不能足夠快速地對壓力變化做出反應。壓力反應時間常數必須在100μs的級別才能正常工作。如果單憑經驗的方法使用傳感器進行測量，其速度至少比預期的快十倍。
2、壓力傳感器的采樣時間必須快速并且有固定間隔。在實際應用中，如上面提到的金屬沖壓，壓力能在短短10毫秒中變化數百psi。
3、采樣時間必須是常量。如果掃描規定時間是每次10毫秒，而實際上是一次9毫秒一次11毫秒，則壓力比率的計算結果將相差至少20%。因此，對于精準計算壓力變化率，恒定的采樣時間是十分重要的。
4、PLC不一定是最好的選擇。PLC中PID的功能最初是被設計用來控制溫度或者氣壓的，而不是用于很難被壓縮的流體。當它們是在毫秒級范圍內變化時，PLC 中PID的時間常數是分鐘級的。對于壓力控制，需要特殊設計的PID控制器。
控制選項
首先要明白，雖然我們可以控制位置、力或壓力，但在同一時刻做不到三者兼顧。無論在任何位置，如果存在阻礙作用，執行機構會受到一個與驅動力大小相等、方向相反的阻力。通過用執行機構做正弦運動試驗，我們可以監測壓力，但無法在控制其位置的同時控制壓力或力的大小。因為壓力或者力是由測試的樣品作用在執行機構上的力決定的。執行機構可以提供正弦的力或壓力，但它的位置是由試驗材料的彈性系數的線性度決定的。
壓力
在運動過程中可能不存在干擾，所以試圖控制壓力或力是沒有意義的。僅控制壓力或力的優點就是不需要考慮位置。操作者可以簡單改變設定點，但必須注意空載的情況。在類似情況下，液壓缸的活塞會加速直到壓力與設定值相匹配。在僅對壓力或者力進行控制的測試中，應該監測執行機構的速度，以免出現負載突然下降的情況。當檢測到負載消失時，執行機構可能要轉換到位置或是速度模式。
位置和壓力限制
另外一個選擇是通過壓力或力限制來實現對位置或速度的限制。通過同時運行兩個控制回路來工作，并且僅將兩個控制輸出的最小值傳給液壓閥。系統將達到位置設定值還是壓力設定值取決于哪一個首先達到。所以，如果液壓缸在壓力設定值時負載突然消失，壓力將會下降并引發壓力PID控制器產生一個大的控制信號。然而，當系統加速時，速度誤差下降，從PID速度控制器而來的控制信號隨著誤差的減小而減小。兩個信號中較小的值來自速度PID控制器。所以執行機構現在由位置回路選項所控制，而不會超過速度的設定值。
壓力或力控制的啟動和調節
調節是選擇一個最好的增量以便對位置、速度、壓力或力進行最優控制的過程。調節壓力或壓強控制系統與調節位置系統不同，因為當壓力變化時，液壓缸不會產生太大的移動。調節壓力或力的最簡單的方法，是使執行機構完全伸出直到達到系統壓力，同時將所有增益設置為0。然后，輸入設定值或僅用PID中的一個小的比例增益。這個“小”比例增益可以由下式估算：
這個公式可使工作人員確定在壓力調節過程中無法確定的啟動調節的位置。可以通過找到全輸出是10V或者40mA或者閥100%的控制信號來開始工作，并且使用VCCM方程來計算最大速度(參考Jack L.Johnson P.E的《氣缸運動控制基礎電子學》)，也可通過查表來確定。動力方程必須除以面積的兩倍。這是因為活塞一邊壓力的增長伴隨著另一邊壓力的下降。
注：估計的比例增益不是準確的，但是它們會非常接近理想的初始值。
當比例增益被激活時，系統的壓力或力將到達設定值或接近它。絕大多數的誤差是由于泄漏造成的。下一步就是通過慢慢增加積分增益，使控制器補償或增加流量，直到誤差為零。
現在，系統是可控的，它可通過動態響應進行調節。是通過調整工作頻段的兩個壓力間的斜坡來實現的。壓力或力的斜坡在開始時應該緩慢增長，因為這樣更容易保持控制。這個PID增益應該是可調的，以達到更好的控制效果。嘗試調節壓力或力PID去響應系統的階躍變化時非常困難的，而且很難獲得滿意的結果，因為壓力沖擊會造成泄漏。平穩的壓力轉換是一個很好地解決方法。當改變壓力或力時，系統動作將取決于壓力在兩設定值間的增長和下降。
從位置控制到壓力或力控制的轉變
許多應用需要將壓力或力控制與位置控制相結合，如圖1所示：
紅線是液壓缸的位置;橫軸為時間;縱軸為幅值;藍線代表壓力。
建立這樣的系統需要機械學和控制學的相關知識。如果材料容易被壓縮的話，從位置控制到壓力控制的轉變就相對容易，因為材料變形過程中可以吸收很多能量。相反的，對于金屬與金屬間的擠壓塊和停止塊，從位移控制轉變到壓力或力控制就比較困難。因為停止塊不能吸收過多的能量。但是我們可以調整接觸速度，使執行機構和沖?；蛘邫C床的總動能與工作件上吸收與釋放的能量相匹配。簡單來說，由于液壓系統不能快速換向或者釋放多余的能量，如果執行機構和沖模的運動速度足夠快，將會產生瞬時壓力。如果執行機構接近工件的速度太慢，那么當到達工件的時候，壓力將會出現延遲。這就需要執行機構在開始的時候就形成足夠大的壓力，而這個過程通常很慢且不能達到理想值。
調整位置控制和壓力控制的坐標系有一些需要特別考慮之處。通常，控制器生產商提供的繪制調節工具是很有幫助的。例如，使用Delta的RMCTool軟件，在選取了某些初始恒定的PID 及前饋增益之后，可以使用調節工具對話框中的命令按鈕，來控制軸或者斜坡在指定時間內達到指定壓力。這種調節是雙向進行的，而且還可時時的對目標值和實際值進行比較，并決定是否需要改變壓力控制回路中的增益參數。

圖2是一個極具代表性的金屬受壓圖，它體現了金屬受壓過程中從位置控制到壓力控制的一系列變化。在0.1秒時，壓力斜坡到一個預期的壓力值，并且在金屬沖壓過程中保持一小段時間;然后，在大約0.4秒時進入循環，控制器通過轉換力控制和啟動倒退模式來完成沖壓循環。