Echipamente pneumatice proporionale Din punct de vedere constructiv si funcional echipamentele pneumatice proporionale nu difera semnificativ de cele hidraulice. Apar insa si , ca si in cazul echipamentolor clasice clasice , o serie de particularitati particularitati impuse de proprietatile diferite ale mediului de lucru (compresibil si cu vasozitate mult mai redusa) si de presiunile de lucru mult mai mici. Intr-o prima etapa au fost concepute si realizate echipamente pneumatice proportionale deja consacrate. Ulterior au fost dezvoltate si alte constructii bazate pe alte principii , cum au fost cele ce folosesc tehnicile de modulare a semnalelor. Aceste echipamente sunt specifice pneumaticii proportionale. Dinstribuitoarele pneumatice proportionale sunt echipamente de baza din structura servosistemelor pneumatice.Ele pot fi analogice sau digitale
Distribuitoare proportionale analogice La aceste echipamente caracteristica m=f(i) este continua, unde m reprezinta debitul masic controlat, iar i marimea electrica de comanda. Cea mai intalnita solutie constructiva de distribuitor pneumatic proportional este cea cu sertar cilindric cu miscare de translatie, varianta intalnita de altfel si in hidraulica.Frecvent se intalnesc distrbuitoare cu doua orificii si doua pozitii-2/2 (fig.5.55a1 si a2) , si cu trei orificii si doua pozitii - 3/2 (fig.5.55 b1 si si b2) si cu cinci orificii si trei pozitii pozitii - 5/3 (Fig .5.55 c1 si c2) La aceasta varianta constructiva sertarul 1 se poate deplasa intrun alezaj cilindric prelucrat in corpul 2. Forta dezvoltata de electromagnetul proportional F EMP (fig.1 1a si 1b) este direct proportionala cu intensitatea curentului de excitatie i deci: FEMP=KEMP *1 Sub efectul acestei forte serarul 1 se va deplasa intr-o noua pozitie de echilibru, unde FEMP=Farc. Pentru simplificare, in ecuatia de echilibru scrisa mai sus s-au neglijat fortele de frecare si forta de curgere. Sn=a2 D2n a si a2 coeficienti de debit.
1
La determinarea relatiilor de mai sus s-a tinut seama de faptul ca: S(x)=min{Ds(x-1a)} In figura5.56 d este prezentat modul de variatie a sectiunii de curgere S prin distribuitor in functie de pozitia serarului x.Punctul A de pe caracteristica corespunde figurii5.56a, punctul Bfigurii 5.56 b si puncrul C figurii5.56c. Caracterizarea ideala a unui asemenea distribuitor m=f(i) are o alura identica cu cea din figura 1 In realitate insa aceasta caracteristica prezinta neliniariti de diferite tipuri. Prointre cauzele acestor neliniaritati se pot aminti existenta histerezisului si a pierderilor de debit in pozitia preferentiala Distribuitoarele prezentate principal in figura au caracteristic faptul ca pe pozitia preferentiala sertarul realizeaza blocarea orificiilor, facilitand astfel oprirea ansamblului m mobil obil al motorului motorului in orice punct al cursei de lucru Controlui miscarii sarcinii antrenate de catre motor se poate face fie cu un distribuitor 5/3 ca in figura 5.57a, fie folosind doua distribuitoare 3/2 ca in figura 1
Cate unul pentru fiecare camera activa a motorului ulrima solutie este de multe ori preferata datorita flexibilitatii mai mari a algoritmului de comanda. Pentru a putea opri ansamblul mobil trebuie ca in pozitia preferentiala serarul sa obtureze canalele din corp. Ca si in hidraulica acest lucru este posibil numai daca latimea umerilor u1 si u2 depaseste cu 10«20m 2
latimea canalelor C1 si C2 din corp. In acest caz se spune ca acoperirea este pozitiva, iar caracteristica debit-curent in jurul pozitiei de centru arata ca in figura 2
Figura 2
Curba pozitiei´a´.Atunci cand acoperirea este negativa( latimea umarului sertarului este mai mica decat latimea canalului din corp) caracteristica prezinta o discontinuitate ca in fig 2-curba ÄB´.Datorita insa jocului unor acoperiri pozitive mici (de cativa microni) camerele distribuitorului comunica intre ele si motorul deservit poate poerde pozitia programata.
Distribuitoare proporionale cu funcionare discret Alturi de distribuitoarele pneumatice proporionale analogice, în ultimii ani au aprut i distribuitoare proporionale cu funcionare discret. Acestea sunt de fapt nite microdistribuitoare 3/2 acionate electric, cu poziie preferenial, la care elementul mobil este de cele mai multe ori o supap; 4 D (3/2) IG 3. F la acest distribuitor, al crui simbol este prezentat în figura 3 acionarea se face cu un electromagnet clasic, funcionarea distribuitorului fiind de tipul "totul sau nimic". în aceast situaie elementul mobil mobil realizeaz realizeaz ^ deschiderea i închiderea circuitului intem cu o frecven ridicat (^200 Hz), în acest fel, la orificiul de consumator A se obine un debil de aer ce corespunde valorii medii a debitului efectiv ce travers eaz circuitul intern al echipamentului.
3
Trebuie remarcat faptul c un astfel de echipament nu permite un reglai continuu al debitului instantaneu, dar în schimb realizeaz un control al debitului mediu. Modularea debitului se obine prin tehnici adecvate de comand a echipamentului. Principalele avantaje ale utilizrii acestor distribuitoare sunt: vitez mare de rspuns, pre acceptabil (echipamentele sunt simple constructiv i nu impun condiii deosebite deosebite de execuie i montaj), eliminarea eliminarea histerezisului i a efectelor sale nedorite, obinerea unei repetabiliti foarte bune. Totodat, un sistem de acionare în care sunt integrate asemenea echipamente poate poate fi controlat cu ajutorul unui microprocesor digital, ceea ce simplific foarte mult structura sistemului de comand. Diferitele tehnici de control se bazeaz pe combinarea ieirilor mai multei microdistribuitoare de acelai fel, grupate de regul în "baterii", i mai ales pc reglarea timpului de deschidere i a celui de închidere a seciunii distribuitoru lui
Metode de r eglar eglar e a debitului ba zate zate pe cu pla plar r ea ea mai midiei dist r ribuitoar i buitoar e > Metoda PN M ("P M ("P uise uise N umber ber Modulation Modulation " ) Aceast metod presupune presupune utilizarea unui anumit anumit numr de microdistribuitoau identice, legate în paralel (fig. 4). Debitul ctre consumatorul A va fi:
unde: j ² reprezint numrul de distribuitoare comandate la un moment dat, debitul prin unul dintre distribuitoarele bateriei, Ao seciunea de curgere prin acest distribuitor; celelalte notaii sunt identice cu cele specificate în paragraful paragraful 1.6.2, relaia (4.8). , Dependena m A - f(j) în cazul în cai'e presiunile P A i /',, sunt constante este dat in figura 5.61. Acest mod de comand permite obinerea unui timp de rspuns mic (de ordinul a câtorva milisecunde), deoarece distribuitoarele pot fi comandate comandate concomitent, concomitent, caz în care timpul timpul de rspuns devine devine egal cu cel al unui 51 singur distribuitor. Dezavantajul principal const
4
Fig.5 aceea c incrementul de debit Am este mare, el putând fi micorat prin creterea numrului de distribuitoare din baterie, ceea ce conduce îns la creterea complexitii sistemului de acionare. > Metoda PCM ( 'Pitise Cod Modulation ") Aceast metod reprezint un pas înainte fa de cea prezentat anterior. Metoda presupune utilizarea tot a unui numr de distribuitoare digitale, cuplate în paralel, dar în acest caz cu seciuni nominale de curgere diferite. Prin comanda acestor distribuitoare cu o logic binar se obine un reglaj discret al debitului, incrementul de debit fiind mult mai mic decât în cazul anterior, chiar în condiiile în care se folosete un numr limitat de distribuitoare. Un caz frecvent întâlnit este acela în care distribuitoarele ce compun bateria au seciuni nominale , dup cum urmeaz: ' S ^2°-S l)l) S2=2 -50 S 3=22-5D unde So reprezint seciunea distribuitorului cel mai mic, iar n numrul de distribuitoare distribuit oare baterie. In acest caz incrementul de debit este egal cu deb itul controlat de distribuitorul de seciune 5/, iar cel mai mare debit corespunde seciunii de curgere: S = ( 2 " - l ) S 0 , (5.13) seciune care se obine atunci când toate cele n distribuitoare sunt acionate. Un astfel de distribuitor poate controla 2" -l debite diferite. Valoarea de debit dorit se obine combinând în mod corespunztor comenzile celor n distribuitoare distribuitoare din baterie. De exemplu, pentru n - 4 avem 15 debite diferite, care se obin comandând distribuitoarele dup cum este artat în tabelul din figura 6 . Caracteristica Caracteris tica acestui distribuitor este prezentat în figura 6 . Comanda Comanda în acest caz este un numr întreg, între 0 i 75, ce este transformat în cod binar de 4 biti, fiecare ieire reprezentând în fapt semnalul de acionare al unuia dintre distribuitoarele bateriei. Aceasta face ca acest sistem s poat fi comandat cu uurin cu ajutorul unui programator digital. '
'
5
Fig5.1
o
2 I 1 So 2Sn 0 S» 3 4 So 0 So F ig ig .6 .6
2' I 2 1
2
I 3
0 i
1
0 1
0 1
2
1 1
2 I4
0 0 0 0 1
0 0 1
Aa cum se observ în figura 6 , caracteristica acestui distribuitor este discret, teoretic liniar. Pentru obinerea unei caracteristici liniare trebuie îns ca sectiunik-nominale ale celor n distribuitoare s respecte cu strictee relaiile (5.12), lucru care îns reprezint sarcina proiectanilor i fabricanilor acestor baterii. Metode de r eglar eglar e a debitului f olosind olosind sem semnale de comand modulate Aceste metode presupun presupun folosirea unui singur echipament, echipament, la care elementul elementul mobil realizeaz deschiderea i închiderea seciunii de curgere cu o frecven ridicat. Datorit compresibilitii aerului, în conducta de ieire se realizeaz o integrare a semnalelor produse i se obine un debit de aer ce corespunde valoni medii a debitului efectiv ce traverseaz echipamentul. > Metoda PF M ("P ulse ulse Fr equency equency Modulation Modulation " ) Aceast metod const în modificarea impulsurilor de comand, impulsuri de form dreptunghiular. în figura 5.1 este artat modul de variaie u impulsurilor de comand în timp (fig.5.1) i legea de variaie a debitului corespunztor
6
Metoda are caracteristic faptul c timpul de acionare t a este meninut constant, modificându-se de fiecare dat perioada, i prin aceasta timpul de închidere .i seciunii de curgere ti =Ti - R a. a.
Fig.7 Aceast metod este mai puin folosit în practic datorit complexitii sistemului de comand. în acelai timp, pentru controlul unor debite foarte mici este necesar ca timpul de închidere a distribuitorului s fie lung, deci în aceast iituaie impulsurile de comand sunt foarte rare, ceea ce reprezint un dezavantaj din punct de vedere al stabilitii sistemului de acionare în care este integrat echipamentul. > Metoda PWM ("PuIse.Width Modulation ") Aceast metod presupune folosirea unor impulsuri de comand de form dreptunghiular, frecvena acestora fiind constant. Reglajul debitului se face prin modificarea modificarea valorii timpului de acionare (fig.7).
7
Fig 8 Se poate defini un raport c dup cum urmeaz: c=tcare într-o prim aproximare se poate considera c variaz în intervalul [0,1 J. în realitate timpul de acionare nu poate fi mai mic decât o valoare limit taJim, care reprezint timpul timpul necesar efecturii efecturii de ctre elementul mobil mobil a cursei de de schidere, i în consecin e e[c^.l] , , unde ci:iill = t o H m / T . î n par tic ticular, ular, dac dac se consider onside r dou situaii dou situaii , , i i anum anume: ct. (f ig - ca ca zul zul î î n car e = tmt = ct. , , dec deci c = c, = ct. ig .9) .9) - i i ca zul zul î î n car e ta = tal = ct. , , dec deci c = c2 = ct. (9b ) i i dac dac t0i < ta21 dec deci c, < c2 , debitele masic asice obinute î n cele dou situaii dou situaii vor f i m, Ktr^ (f ig ig .9c). .9c). V aloar aloar ea ea maxim axim a fr ecvenei cvenei de lucr lucr u este dat de dinam dinamica su pa pa pei pei ( elem elementul 50 Hz . mobil a obil ar e o anum anumita masa iner iner tiala tiala ) si ) si u zual zual a ar e valor alor i î nt nt r re 10... 50
8
Aceast metod este frecvent folosit în practic, datorit în primul rând simplitii sistemului de comand, care trebuie s programeze un semnal digital (un numr real între 0 i 1). Metode mixte de reglare Metodele prezentate deja se pot combina, urmrindu-se prin aceasta exploatarea optim a avantajelor pe care le ofer fiecare metod. Spre exemplificare este posibil combinarea metodei PNM cu metoda PWM, cum este artat în figura 5.66. In acest montaj n-1 dintre distribuitoare sunt acionate de semnale digitale on - off, în timp ce ultimul este comandat de un semnal PWM. Semnalul de comand este un numr real cuprins între 0 i n; partea întreag a acestuia determin numrul de distribuitoare acionate PNM, iar partea zecimal reprezint
comanda PWM pentru ultimul distribuitor. în figura 10 este reprezentat caracteristica acestui distribuitor; în acest caz caracteristica este liniar i teoretic continu
Sisteme pneumatice de reglare automat a poziiei Primele
sisteme de acest tip au ap rut în jurul anului 1985. Datorit mediului de luc ru folosit - aerul comp rimat, puternic compresibil, mult timp s-a crezut ca nu este posibil realizarea unor uniti de poziiona re pneumatice precise. Numrul mare de aplicaii ca re cer o poziionare foarte rapid i precis a sa rcinii antrenate, cu o capacitate de înc rcare de la mic la medie, a justificat efo rturile depuse pentru punerea la punct a uno r sisteme de poziiona re pneumatice. Un astfel de sistem (fig.10) a re în structura sa urmtoarele echipamente: moto rul pneumatic MP, t raductorul de poziie Tr , distribuitorul pneumatic proporional DPP, dispozitivul de f râ rânare DF i controllerul C. Se observ c în acest caz sistemul de acionare lucreaz în bucl închis. Poziia sarcinii antrenate este ur mrit în permanen de traductorul de poziie T p i comparat cu poziia programat de ctre controllerul C. Motorul se oprete atunci când cele doua valori coincid. Pentru a face procesul de control mai dinamic, în anumite situaii este posibil a msu ra i consumul de curentul electric i
9
viteza sarcinii, adugând astfel procesului de cont rol înc dou bucle de reacie. Se obine astfel un ci rcuit de cont rol cu t rei bucle de reacie (interioar, de mijloc i exte rioar). deci un circuit de reglare automat în cascad
F IG. 11 Cu
un asemenea sistem se poate poziiona sarcina antrenat în orice punct de pe cursa de lucru, poziiile programate putând fi foarte apropiate. Acurateea depinde de rezoluia traductorului de poziie. în figura 11este prezentat o alt variant de sistem de poziionare pneumatic, ce are în componena sa urmtoarele echipamente: motorul pneumatic liniar MPL, un cilindru cu dubl aciune cu cuplaj magnetic (paragraful 4.5.2.2.) cu frânare la ambele capete de curs, prevzut cu dou drosele de cale DCi i D C?, distribuitorul proporional DPP 5/3, cu sertar cilindric cu micare de translaie i convertor electromecanic de tip electromagnet proporional, fr reacie de poziie; traductorul de poziie Tp, de tip rezistiv; regulatorul PID. Programarea poziiei dorite se face prin aplicarea la intrarea w a regulatorului PID a unui semnal de comand (o tensiune), care poate fi reglat la valoarea dorit cu ajutorul unui poteniometru de intrare. Utilizarea unui regulator de tip PID asigur poziionarea precis în poziia dorit i, de asemenea, o foarte bun repetabilitate în situaia în care setul de parametri ai reglrii este corect ales. Cu oale acestea, poziionarea se realizeaz lent, iar sistemul devine foarte sensibil la perturbaii externe (variaii ale sarcinii, modificri ale temperaturii, pierderi de presiune i debit necontrolate).
10
11
Un moment important în evoluia sistemelor de poziionare pneumatice. 1 -a reprezentat i dezvoltarea unor tehnici de reglare neliniare, de factur inovatoare, cum ar fi reglarea adaptiv sau reglarea fuzzy. hi mod convenional, optimizarea unui sistem de reglare presupune existena unui model matematic. Performanele regulatorului depind nemijlocit de precizia de realizare a modelului dinamic al sistemului analizat, ceea ce conduce la rezultate nesatisfctoare în situaia acionrilor pneumatice, în simaiile în care se utilizeaz un sistem adaptiv de reglare a poziiei, performanele sunt similare cu cele ale sistemului cu regulator P1D. Reglarea adaptiv rezolv mult mai bine problema sensibilitii sistemului la variaii variaii ale sarcinii, dar alg oritmul de reglare devine extrem de complex, ceea ce face ca, la momentul actual, asemenea sisteme s fie foarte greu de realizat. Aparent paradoxal, performanele sistemelor de reglare care nu utilizeaz modele matematice ale procesului, ci se bazeaz pe diferite formulri logice ale relaiilor între mrimile de ieire i cele de intrare, sunt comparabile cu cele ale sistemelor prezentate anterior. Explicaia acestui fapt provine din faptul c metodele clasice se confrunt cu neliniariti importante în strucUira modelului matematic. Totodat, relaiile ce descriu funcionarea sistemului au fost stabilite, din dorina de a le simplifica, în condiiile acceptrii unor ipoteze simplificatoare. De asemenea, apar probleme legate dc identificarea parametrilor pneumatici i de dependenele neliniarc între mrimile din proces (presiuni, debite, forte de frecare). Utilizarea sistemelor cu regulator fuzzy poale reprezenta o soluie a problemei poziionrii cu precizie a sarcinii antrenate în pneumatic. în acest mome nt, în lume exist preocupri susinute în aceast direcie. Simplitatea proiectrii i a implementrii regulatorului fuzzy, precum i posibilitatea exploatrii experienei operatorului uman constituie argumente în plus pentru continuarea cercetrilor în aceast direcie. In figura 5.93 este prezentat o unitate de poziionare condus cu logic fuzzy. Unitatea conine un motor pneumatic liniar cu dubl aciune AfL, dou distribuitoare proporionale DPi i DP2, un traductor de poziie Tp, un traductor de vitez Tv i un controller fuzzy. întrucât performanele unui asemenea sistem de poziionare sunt determinate în mod hotrâtor de performanele echipamentelor componente, o atenie deosebit U'ebuie acordat fiecrui echipament în parte i în mod deosebit echipamentului de distribuie. Alegerea regulatorului fuzzy trebuie s ia în considerare faptul c reglarea poate fi fcut în dou moduri:
12
- folosind componente specializate hardware: un procesor digital fuzzy, la nivelul cruia sunt încrcate regulile de control (regulile lingvistice) i funciile de apartenen; - folosind un software specializat pe un calculator convenional (P C, staie RIS C etc). în prezent regulatoarele din prima familie sunt mult mai puin utilizate, cu toate c viteza de execuie a unui sistem condus cu un astfel de regulator este cu unordin de mrime mai mare decât în cazul în care s -ar opta pentru o soluie exclusiv software. Explicaia rezid în faptul c soluiile hardware sunt mult mai puin flexibile decât cele software (procesorul trebuie modificat chiar i în situaia în care se adaug doar un singur operator). în plus, caracteristicile intrinseci ale procesorului fuzzy (vitez de prelucrare mare i capacitate dc memorare mare) duc de cele mai multe ori la supradimensio supradimensio nare în raport cu majoritatea aplicaiilor, iar soluia hardware este limitat în ceea ce privete definirea mulimii mrimilor de intrare ca vector de mrimi discrete.
13
Pentru sistemul prezentat se pot considera dou variabile lingvistice de intrare eroarea de poziie e (diferena dintre poziia programat i cea realizar efectiv) i viteza de deplasare a sarcinii antrenate v, precum i dou variabile de ieire." tensiunea de comand ui a electromagnefului proporional al distribuitorului DPi i tensiunea de comand u2 a electromagnemlui proporional al distribuitorului DP2. O variant simplificat a sistemului, mai uor de realizat fizic, este prezentat in figura 13. în acest caz în structura unitii se folosete numai un singur distribuitor proporional 3/2. Pentru a putea controla în aceast situaie cele doua sensuri de micare ale sarcinii s-a apelat la un distribuitor clasic D C, 4/3, de tipul "totul sau nimic", care are rolul de a conecta la orificiul de consumator al distribuitorului proporional fie camera activ din stânga a motorului ML (atunci când exist semnalul de comand Ici), fie camera activ din dreapta (atunci când exista Ic2). Sistemul, dei mai ieftin, are dezavantajul ca nu conserv poziia programat a sarcinii antrenate (în poziia preferenial (0) distribuitorul clasic nu asigur o izolare ferm a celor dou camere active ale motorului). De asemenea, traductorul de vitez necesar în componena standului nu a fost montat. în aceast situaie, viteza unitii poate fi determinat prin derivarea informaiilor referitoare la poziia sarcinii în diverse puncte aflate pe cursa de lucru, dar este evident c o asemenea variant conduce la diminuarea preciziei i la creterea timpului de rspuns al unitii.
14
Fig .14 Alimentarea electromagnetului proporional ce echipeaz distribuitorul este realizat prin intermediul unui amplificator. Pentru o tensiune de intrare de 0...I0 V, la ieirea amplificatorului se obine o valoare a intensitii curentului electric cuprins între 0 i / A. Acest tip de amplificator admite la intrare inclusiv semnale de reacie de la traductorul din sistem. în situaia în care se utilizeaz ambele intrri ale amplificatorului, diferena între cele dou semnale se realizeaz la nivelul acestuia. în cazul unitii de poziionare din figura 131 compararea semnalului de comand cu cel de reacie se realizeaz la nivelul calculatorului P C, astfel încât la intrarea amplificatorului apare un singur semnal, diferena celor dou. Curenii lci i I C 2, necesari pentru alimentarea celor doi electromagnei, sunt generai de o surs separat.
Sisteme pneumatice de reglare automat a presiunii în figura 14 este prezentat schema funcional a unui sistem pneumatic de reglare automat a presiunii, în care este integrat, un distribui tor proporional
15
comandat în impulsuri modulate (paragraful 5.4.2.2.). Modularea impulsurilor de comand se poate face folosind mediul de programare LabVIEW, metoda folosit fiind PWM (Puise Width Modulation). în structura acestui sistem exist urmtoare echipamente: - rezervorul Rz a crui presiune trebuie meninut constant; - distribuitorul comandat în impulsuri modulate DP IM; IM; - distribuitorul pneumatic clasic DP ; ; P ; ; - regulatorul de presiune R P - calculatorul personal PC dotat cu o plac de achiziie de date PA D ; ; Tp . - traductorul de presiune Tp. Cu ajutorul distribuitorului clasic DP se realizeaz mai întâi o umplere rapid a rezervorului Rz, -0 ,8 P. P . Presiunea din rezervor Rz , pân la o presiune egal cu Pn m -0 este în permanen urmrit de traductorul de presiune Tp. Tp .
în momentul în care traductorul sesizeaz valoarea P Um distribuitorul DP trece Um, distribuitorul în poziia preferenial (0), iar distribuitomi DP I M este comandat. La atingerea presiunii dorite P, comanda distribuitorului DPm înceteaz. Scderea presiunii în rezervor va determina conectarea unuia dintre cele dou distribuitoare, în funcie de valoarea presiunii.
16
