圧力制御は、プレス、研削、試験システムでよく使用されます。これらの用途では、通常のリリーフバルブや圧力調整器で実現できるよりもはるかに複雑かつ正確な圧力増加の制御が必要になることがよくあります。最新のアプリケーションは、その能力を最大限に活用できます。この利点は、差動制御の使用によって達成されます。この場合、力はピストンの両側の圧力にそれぞれの面積を乗じることによって得られ、正味の力はロッドレスキャビティからの力を差し引くことによって得られます。
一般的に使用される閉ループ制御方法は、媒体の粘度変化を補償することで圧力の正確な制御を実現するものです。-実証済みの PID アルゴリズムの使用は、バネを備えた機械デバイスが提供できる限定的な比例制御よりもはるかに洗練されています。この特別な性能により、圧力を制御しながらオーバーシュートを修正および低減することができます。
ストレスとは何ですか？正確な制御がなぜそれほど重要なのでしょうか?
圧力は単位面積あたりに受ける力、つまり応力の合計面積による力の合計の比率です。油圧システム内の圧力は、定容量システム内のオイルに力を加えるか、定容量システムにオイルを追加することによって生成されます。この記事では、熱膨張の影響を無視します。
圧力変化の基本式:
この式は、圧力が体積と液体の圧縮率を反映する体積弾性率に応じて変化することを示しています。たとえば、油の体積弾性率は約 200,000 psi ですが、水の体積弾性率は約 312,000 psi です。これは、容量が 0.1% 減少すると、油圧が 200 psi 増加し、水圧が 312 psi 増加することを意味します。言い換えれば、水は油よりも圧縮しにくいということです。
次の式は、力と圧力に対する時間の影響を定義します。
言い換えれば、体積と体積弾性率が一定であると仮定すると、速度、流量、電流容量を考慮して、いつでも力と圧力の変化率を計算できます。
次に、式(2)と式(3)に焦点を当てます。
公式の適用
圧力はさまざまな方法で制御できますが、通常はサーボ バルブまたはサーボスプールを備えた比例バルブを使用します。式 2 は、特定の圧力を上げるには、液体をチャンバーに注入する必要があることを示しています。液体の添加速度は、所望の圧力増加に比例する必要があります。圧力が理想値に達すると充填が停止され、システムは圧力を常に一定に保ちます。実際のアプリケーションでは、少量の漏れが常に存在するため、コントローラーは液体が漏れる速度でシステムに液体を追加する必要があります。したがって、正味流量 Q は常にゼロとなり、圧力変化率もゼロになります。圧力を下げるには、液体が本体内を流れるようにスライド バルブを調整する必要があります。理想的な圧力値に達すると、バルブ本体が再び閉じて圧力を一定に保ちます。ここで重要なのは、圧力変化率は圧力自体ではなく流量に依存するということです。
システムが適切に設計されていれば、圧力制御に一般的な比例弁を使用できます。重要なのは、バルブ本体の A ポートと B ポートの間に特別なギャップまたは細孔があることです。最大の理想的な圧力降下率がわかっている場合、式 2 および 3 を使用して理想的な漏れを計算できます。モーション コントローラーは、常に細孔を通る流体損失と同じ速度でシステムに流体を供給するようにバルブ本体を制御する必要があります。流量が低すぎると、液体が流出するにつれて圧力が低下します。流量が多すぎると圧力が上昇します。この方法の利点は、システムが動いているときにシステムが減衰され、激しい振動が発生しないことです。
コントロールの意味
油圧駆動システムでは、圧力がミリ秒以内に急速に増加することがあります。しかし、機械はそれほどすぐには反応しません。機械システムは、圧力の変化率ではなく、圧力によって支配されます。したがって、圧力変化率を管理しないと、機械装置が設定値に飛びついてしまいやすくなります。車を運転していて、赤信号が見えたら、衝突停止ではなく緩やかに停止するまで徐々に速度を落としていると想像してください。圧力コントローラーも同じ仕事をする必要があります。
圧力制御を行う際には、少なくとも次の 4 点を考慮する必要があります。
1. 圧力センサーの反応時間は十分に速い必要があります。材料が容易に圧縮されない場合、油圧は 1 ミリ秒あたり 200 psi の速度で増加するのが一般的です。ミリ秒の時定数を持つ圧力センサーは、使用中の圧力変化に十分早く反応しません。適切に動作するには、圧力応答時定数が 100μs 程度である必要があります。経験的な方法だけでセンサーを使用して測定した場合、その速度は予想より少なくとも 10 倍速くなります。
2. 圧力センサーのサンプリング時間は一定間隔で高速である必要があります。前述の金属スタンピングなどの実際の用途では、圧力はわずか 10 ミリ秒で数百 psi 変化する可能性があります。
3. サンプリング時間は一定でなければなりません。スキャンが 1 回のスキャンあたり 10 ミリ秒であると想定されているが、実際には 11 ミリ秒あたり 9 ミリ秒である場合、圧力比の計算は少なくとも 20% 異なります。したがって、圧力変化率を正確に計算するには、サンプリング時間を一定にすることが非常に重要です。
4. PLC が必ずしも最良の選択であるとは限りません。 PLCS の PID の機能は、もともと温度や気圧を制御するために設計されたものであり、圧縮が難しい流体のために設計されたものではありません。ミリ秒の範囲にある場合、PLC 内の PID の時定数は分レベルになります。圧力制御には、特別に設計された PID コントローラーが必要です。
制御オプション
まず理解すべきことは、位置、力、圧力を制御することはできますが、3 つすべてを同時に制御することはできないということです。どの位置においても、障害物があるとアクチュエータには駆動力と同等または逆の抵抗がかかります。アクチュエータを使用して正弦波運動テストを行うことにより、圧力を監視することはできますが、位置の制御と同時に圧力や力を制御することはできません。圧力または力は、アクチュエータにかかるテストサンプルの力によって決まるためです。アクチュエータは正弦波の力または圧力を提供できますが、その位置は試験材料の弾性係数の線形性によって決まります。
ストレス
動作中に干渉がない可能性があるため、圧力や力を制御しようとしても意味がありません。圧力または力のみを制御する利点は、位置を考慮する必要がないことです。オペレータは設定値を変更するだけで済みますが、空荷の状況に注意を払う必要があります。同様の状況では、圧力が設定値と一致するまで油圧シリンダーのピストンが加速します。圧力または力のみを制御するテストでは、負荷の突然の低下を避けるためにアクチュエータの速度を監視する必要があります。負荷の消滅が検出されると、アクチュエータは位置モードまたは速度モードに切り替わります。
位置と圧力の制約
別のオプションは、圧力または力の制約によって位置または速度を制限することです。 2 つの制御ループを同時に実行することで機能し、両方の制御出力の最小値のみが油圧バルブに渡されます。システムが位置設定点に到達するか圧力設定点に到達するかは、どちらが先に到達するかによって決まります。したがって、圧力を設定したときに油圧シリンダの負荷が突然なくなると、圧力が低下し、圧力 PID コントローラが大きな制御信号を生成します。しかし、システムが加速するにつれて速度誤差は減少し、誤差の減少に伴って PID 速度コントローラからの制御信号も減少します。 2 つの信号の小さい方の値は、速度 PID コントローラーから得られます。したがって、アクチュエータは位置ループ オプションによって制御され、速度の設定値を超えなくなります。
圧力または力の制御の開始と調整
調整は、位置、速度、圧力、または力を最適に制御するために最適な増分を選択するプロセスです。圧力調整システムまたは圧力制御システムは、圧力が変化しても油圧シリンダがあまり動かないため、位置調整システムとは異なります。圧力または力を調整する最も簡単な方法は、すべてのゲインを 0 に設定しながら、システム圧力に達するまでアクチュエータを完全に伸ばすことです。その後、PID に小さな比例ゲインのみを使用して設定値またはゲインを入力します。
この「小さな」比例ゲインは次のように推定できます。
この計算式により、圧力調整プロセスでは決定できない始動調整の位置を作業者が決定できるようになります。まず、10V または 40mA、またはバルブの 100% の最大出力を持つ制御信号を見つけ、VCCM 方程式を使用して最大速度を計算することから始めることができます (Jack L. Johnson, PE、「Basic Electronics for Cylinder Motion Control」を参照)、またはテーブルを参照して決定することができます。動的方程式は面積の 2 倍で除算する必要があります。これは、ピストンの一方の側の圧力が増加すると、もう一方の側の圧力が減少するためです。
注記：推定された比例ゲインは正確ではありませんが、理想的な初期値に非常に近くなります。
比例ゲインがアクティブになると、システムの圧力または力が設定値に到達するか、それに近づきます。エラーの大部分はリークが原因です。次のステップは、誤差がゼロになるまで積分ゲインをゆっくりと増加させることによって、コントローラに流量を補償または増加させることです。
現在、システムは制御可能であり、動的応答を通じて調整できるようになりました。これは、動作バンドの 2 つの圧力の間の傾きを調整することによって実現されます。制御を維持しやすいため、圧力または力の勾配は最初はゆっくりと大きくなります。より適切に制御するには、この PID ゲインを調整できる必要があります。システムのステップ変化に応じて圧力または力 PID を調整することは非常に難しく、圧力衝撃により漏れが発生する可能性があるため、満足のいく結果を得ることが困難です。スムーズな圧力変化は良い解決策です。圧力または力が変化すると、システムの動作は 2 つの設定値間の圧力の増減に依存します。
