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如何用DELTA运动控制器实现精确压力控制

        压力控制在压力机、磨削加工和测试系统中经常被用到。这些应用的压力控制复杂,远远高于一般溢流阀或压力调节器可以达到的程度。现代设备可以利用净力的优势,方法是通过使用差分力控制,即将活塞两侧的压力与分别与其对应的面积相乘获得作用力,然后用无杆腔的力减去有杆腔的力获得净力。 现在常用的闭环控制方法是通过补偿介质的粘度变化来实现对压力的更精确的控制。经过实践验证的PID算法,比带有弹簧的机械设备所能提供的有限比例控制要复杂得多。这种额外的能力使我们可以在控制压力的同时,还能实现抬高或降低过冲超调方面的修正。 压力是什么?为什么它对于精确控制如此重要呢? 压力是单位面积上受到的力,即总的力比上总的受力面积。液压系统中的压力是通过对定容系统中的油液施加力或向定容系统添加油液而产生的。本文中,我们将忽略热膨胀的影响。 压力变化的基本公式:

      这一公式告诉我们,压力随着容量及体积弹性模量β的改变而改变,而体积弹性模量β反应了液体的压缩性。比如,油的体积弹性模量大约为13,790 bar,而水的体积弹性模量则大约为21,512 bar。这就意味着如果容量减少0.1% (-0.001) ,油压将增加13.790 bar而水压将增加21.512 bar。也就是说,水比油更难压缩。 

        下面的公式定义了作为时间的函数的压力P和力F:

        假设面积和体积弹性模量为常量,在已知速度、流量和当前容量的前提下,我们就可以计算出任意时刻压力和力的变化率。 接下来我们将就上述两个主要公式(1-5-2)和(1-5-3)做重点讨论。


        公式的应用:压力可通过多种途径进行控制,常用方法之一是利用伺服阀或者阀芯带有伺服切口的比例阀。从公式(1-5-2)可以看到,要想提高压力P,必须有液体加注到容器内(增加流量Q)。流量增加的速率应与期望的压力上升速率成正比。当压力达到期望值时,加注停止,而系统则理应一直保持恒定压力。但在现实中总是有一点点泄漏,因此控制器必须以液体泄漏的速率向系统添加液体,使净流量Q始终为零且压力变化率也为零。若要减小压力则必须移动阀芯使液体能够通过。当达到期望的压力值时,该阀再次被关闭以保持压力恒定。此处的关键点是,压力的变化率是由流量决定,而不是由压力本身来决定的。 如果系统设计得当,可用典型的比例阀来进行压力控制。其关键在于设计阀体时,在A口和B口之间要故意留有泄漏孔隙。在已知最大理想压降或力降速率的前提下,公式(1-5-2)和公式(1-5-3)可用来计算理想泄漏量。运动控制器必须一直以等同于液体经由泄漏孔隙流失的速度,向系统供给液体。如果流量减少,压力就会随着液体的流出而降低。如果流量上升,压力也会随之提高。该方法的优点是当系统运动时受到明显的阻尼的作用,因而不会产生震荡。
控制的意义:在一个液压驱动系统中,压力可能会在一毫秒内迅速增加,但是机械设备不会如此快速地进行响应。机械系统受压力,而不是压力变化率支配。因为压力变化率未受控制,它容易使机械装置跳变到设定值之外。试想你正在开车,当看到红灯时你会逐渐减速至平缓停车,而非急停或冲出交叉路口。压力控制装置应该也是同样的道理。 在进行压力控制时,至少应考虑以下四点准则:
准则1:压力传感器反应时间必须足够快。比如金属材料不易被切割或变形,那么油压在1ms内上升13.790 bar的情况并不罕见。具备毫秒级时间常量的压力传感器在使用中不能足够快速地对压力变化做出反应,因而毫无用处。必须使用压力响应时间常数在100μs范围的传感器才能正常工作。一条经验法则是,传感器的测量速度(响应),至少应该比预期的被测量压力的变化速度要快十倍。 准则2:压力传感器的采样时间必须快速并且有固定的时间间隔。在上面提到的金属冲压之类的应用中,压力在10ms扫描范围内可以变化数十个bar. 准则3:采样时间必须是常量。如果扫描规定时间是每次10ms,而实际是一次9ms而下一次11ms,所测到的压力比率将相差至少20%。因此,对于精确测量和计算压力变化,恒定的采样时间十分重要。 准则4:PLC不一定是最好的选择。PLC中PID的功能最初是被设计用来控制温度或者气压的,而不是用于压缩比极小的流体的。当实际应用需要的时间常数为毫秒级时,PLC中PID的时间常数却只有分钟级。对于压力控制,必须使用专为压力控制而设计的控制器。
控制的选择:必须了解的第一件事情,是我们可以控制位置或压力/力,但在同一时刻不能两者兼顾。无论在任何位置,如果存在阻碍作用,执行机构只可能施加一个与阻力大小相等、方向相反的驱动力。执行机构可以在进行正弦运动试验的同时监测压力,但不能在控制其位置的同一时刻也控制压力或力的大小,因为压力或力是由测试样品反作用在执行机构.上的力来决定的。执行机构可以做正弦力或压力的测试,但位置是由试验材料的弹性常数的线性度决定的。
仅对压力进行控制:在运动过程中可能不存在障碍物,这时试图控制压力或力是没有意义的。仅控制压力或力的好处就是不需要考虑位置。改变设定点为推或拉是很简单的,但我们对空载的情况必须持谨慎态度。在这类情况下,液压缸会加速,直到活塞两端的力达到了设定值。在仅对压力或力进行控制的测试中,明智的办法应该是监测执行机构的速度或者负载的陡然下降,以便在检测到负载消失时得到一个提示:是把执行机构转换成位置或速度模式的时候了。 
位置限制和压力限制:另外一个选择是使用位置/速度限制和压力/力限制。这是通过同时运行两个控制回路来工作的,并且将比较两个控制输出值后仅仅把最小的值传给液压阀。其结果是,系统将或者进人位置设定值,或者进人压力设定值,取决于哪一个值首先达到。所以,如果液压缸在压力设定值时负载突然消失,压力或力将会下降并导致压力/力PID产生一个大的控制信号。

        然而,当系统加速时,速度误差减少,从位置/速度PID来的控制信号也随着误差的减小而减小。两个信号中较小的值来自位置/速度PID,这时执行机构由位置回路所控制而不会超过速度的设定值。

        压力或力控制的启动和调节:调节是选择相关增量以便对运动控制系统的位置、速度、压力或力进行最优控制的过程。调节压力或力控制的执行机构与调节位置的系统不同,因为调节压力时,液压缸不会产生太大的移动。调节压力或力的最简单的方法,是在所有增益设置为0的情况下,先使执行机构达到极限位置(完全伸出)。然后,仅对PID输入设定值和一个小的比例增益。这个“小”比例增益可以由公式1-5-4估算。 这个公式可以给调试人员提供一个在压力调节中往往难以确定的“起点”。调试人员可以先确定什么是全输出,10V或40mA,或阀的100%的控制信号,再使用VCCM方程来计算最大速度(参考Jack L.JohnsonP. E.的《电子液压运动控制基础》一书)或通过查表来确定最大速度。动力方程必须除以面积的两倍。这是因为活塞一边的压力增长伴随着另一边的压力下降。

图1-5-1.系统从位置控制到压力控制的转变

        注意:以上的两个公式是以英制单位估算的,而且因为是估算,所得到的比例增益数值并非绝对准确但是它们足够接近,能够用来作为压力或力控制和调节的良好起点。 当比例增益被启用时,系统的压力或力将到达或趋近设定值。绝大多数的误差通常是由于泄漏造成的。 下一步就是通过慢慢增加积分增益,使控制器对它补偿和增加流量,哪怕误差似乎是零。 现在,系统是可控的,下一步则是调节动态响应。这是通过在运作区域内的两个压力之间,逐渐地提升压力来实现的。压力或力的提升在开始时应该非常缓慢,这样易于保持控制。在加快压力提升之前,应该反复调节PID增益以达到足够好的控制效果。尝试调节压力或力的PID去响应系统的阶跃变化很困难,而且不易奏效,因为这种压力冲击是造成泄漏的原因。所以应该力求平稳的压力变化,在调节压力或力时,使系统在两设定值之间犹如自然呼吸般地随着压力的增长和下降而运动。

图1-5-2.金属压床操作中力控制的曲线图
从位置控制转换到压力或力控制:许多应用需要将压力或力控制与位置控制相结合,如图1-5-1 所示: 红线是液压缸的位置;横轴为时间;纵轴为幅值;蓝线代表“压力”。建立这样的系统需要一定的力学和操作要求方面的知识。如果材料容易被压缩的话,从位置控制到压力或力控制的转变就相对容易,因为材料变形过程中可以吸收很多能量。但对于金属与金属的硬性接触,如压床的冲头和位置挡块,从位置控制转变到压力或力控制就困难得多。因为位置挡块不能吸收多少的能量。当然通过调整接触时的速度,可以使执行机构和所带铳头或模具的总动能与工件成型或变形时吸收的能量相匹配。简单地说,如果执行机构和冲模的运动速度太快就会产生压力峰值,原因是液压系统的响应速度不够快或无法瞬时释放那么多能量。反之,如果执行机构接近工件的速度太慢,那么当压床接触到达工件时会失速,而后再加大压力直到足以使工件成型或变形,但这个过程通常太慢而且不够理想。

        在同一个轴上做到位置和压力的双控调整,需要一些特殊的考虑。如果运动控制器的生产商提供绘制和调节工具,那将是很有帮助的。例如,用DELTA的RMCTools软件,在闭环压力系统中取用一些初始和保守的PID及前馈增益之后,可以通过软件自带的调节导向工具的命令按钮,来控制轴的压力使它在指定时间内渐变达到指定压力值。调试人员可以在两个方向上通过可视化绘图信息,对目标值和实际值随时间的变化进行比较,来决定是否需要改变压力控制回路中的增益参数。图1-5-2是 一个具有代表性的金属受压图,它体现了金属受压过程中从位置控制转到压力控制的一系列变化。在0.1秒时,压力渐变上升到一个预期的压力值,以这个实际压力对金属工件保持一小段时间,大约0.4秒后控制器卸压并由力控制转换为位置控制,启动倒退或反响位置控制来完成金属件压制周期。 下一步,需要反复调节P、I、D的相关参数以及力变化率的前馈增益,并通过可视化绘图来不断优化调节程序。当压力调节定下来之后,下一步就需要调节位置控制和力控制间的过渡转换。在从闭环位置控制转换到闭环压力控制时,这可能需要降低系统的运行速度,以达到期望的效果。
结论 :许多应用涉及到压力或力的控制,使用电子运动控制器,加上把系统设计的关键准则考虑进来,可以使整个系统更加顺利和有效地运作。