Print

Navrhování řízení tekutinových systémů

-- 15.11.17

Aplikace využívající tekutinové systémy jsou složité. Může být těžké volit mezi řízením s otevřenou nebo s uzavřenou smyčkou, neboť obě mají své výhody i nevýhody.

Právě u aplikací tekutinových systémů se setkáváme asi s nejsložitějšími problémy v oblasti polohování, neboť příslušné pracovní médium (vzduch nebo hydraulický olej) nereaguje na regulační zásahy lineárním způsobem. Rozhodování mezi použitím otevřené nebo uzavřené řídicí smyčky se točí okolo koncepce zpětné vazby a toho, jak je pro daný polohovací systém důležité brát zpětnou vazbu v úvahu.

Použití zpětné vazby u řízení s uzavřenou smyčkou může zajistit plynulé a přesné polohování, nicméně toto vyžaduje polohovací regulátor, který dokáže informace o zpětné vazbě využívat. Systémy s otevřenou smyčkou nemusejí vyžadovat nastavení a programování tak jako polohovací systémy s uzavřenou smyčkou, ale bohužel nemají flexibilitu a přesnost, kterou systémy s uzavřenou smyčkou poskytují. Rozhodování závisí na aplikaci a jejích potřebách. Řízení s otevřenou a s uzavřenou smyčkou mají své výhody i nevýhody (viz tabulka v internetové verzi článku).

Kdy použít řízení s otevřenou smyčkou

Řízení s otevřenou smyčkou se využívá v mnoha aplikacích, včetně případů, kdy příliš nezáleží na přesném umístění nebo rychlostní regulaci akčního členu („pracovní strany“ polohovacího systému). U řízení s otevřenou smyčkou se nesnažíme dostat skutečnou rychlost nebo tlak/sílu vynakládané polohovacím systémem na vypočtené cílové hodnoty. Existuje cíl, kterého máme dosáhnout, ale to, jak se k němu systém dostane, není příliš důležité.

Řízení s otevřenou smyčkou se často používá, když je důležitá rychlost, ale už ne přesný chod, například při odtahování nástroje po dokončení obráběcího kroku nebo při předběžném umisťování nástroje, ještě než se dotkne obrobku. Akční člen může měnit rychlosti v závislosti na změně zatížení, v případě hydraulického systému pak v závislosti na změně tlaku nebo teploty oleje.

Řízení s otevřenou smyčkou však není zcela „nezpětnovazebné“. Systémy s otevřenou smyčkou lze používat s diskrétními koncovými spínači, fotobuňkami nebo tlakovými spínači, které určí, kdy se má pohyb zastavit nebo kdy bylo dosaženo mezního tlaku. K provozování polohování typu zapnout/vypnout obvykle není zapotřebí speciální polohovací řídicí prvek – bohatě postačuje univerzální počítač, jako je programovatelný automat PLC. Použití fyzických omezovacích zařízení, která musejí být umístěna na konkrétním místě, může způsobit problémy, pokud se stroj používá ke zpracování materiálů různých rozměrů, protože při přechodu na jiný produkt se budou tato omezovací zařízení muset fyzicky přesunout.

Řízení s otevřenou smyčkou by se mělo používat během nastavování tekutinového systému. Při kontrole potrubí ventilů a polarity zapojení najděte kladné a záporné meze, zkontrolujte linearitu ventilů a ověřte plynulý pohyb.

Kdy použít řízení s uzavřenou smyčkou

Řízení s uzavřenou smyčkou musí využívat aplikace, které vyžadují sledování profilu, synchronizaci nebo zpřevodování pohybu jedné osy na pohyb jiné osy, dále pak aplikace vyžadující vysokou míru provozní flexibility či rychlosti pohybu současně s přesností. Dále jsou to aplikace vyžadující schopnost udržet přesnost při měnících se zátěžích nebo při měnících se podmínkách prostředí.

Řízení s uzavřenou smyčkou lze dosáhnout s různými úrovněmi složitosti nebo sofistikovanosti, a to v závislosti na potřebách aplikace. Některé jednoduché analogové řídicí prvky pracují pouze s proporcionálním řízením, kde výstupní výkon řídicího prvku je funkcí míry rozdílu mezi aktuální a cílovou teplotou, průtokem, pozicí, rychlostí nebo tlakem. Písmeno „P“ v diagramu řídicí smyčky (v internetové verzi článku) typu PID (Proportional-Integral-Derivative) označuje proporcionální řízení.

Pouze proporcionální řízení bude dostačující u některých polohovacích systémů, kde existuje dostatečné mechanické tření zajišťující tlumení pohybu a tím zabraňující vzniku oscilací. Nicméně mnoho hydraulických systémů mívá nedostatečné tlumení (chovají se jako těleso na pružině). V takových případech může zvyšování zisku proporcionální složky se záměrem dostat oscilující systém pod kontrolu ve skutečnosti oscilaci ještě zhoršit.

Protože řídicí systém opírající se pouze o zisk proporcionální složky vyžaduje odchylku, aby dostal systém do pohybu s určitou rychlostí, může v případě nutnosti změny rychlosti dojít ke zpoždění reakce systému na nový vstup. Pro přesnější řízení s uzavřenou smyčkou mohou hrát specifickou roli i zisky ostatních složek.

Často je zapotřebí použít zisk integrální složky, abychom dostali polohovací osu do pohybu na cílovou pozici rychle a spolehlivě. I drobná odchylka mezi aktuálním cílovým stavem může zajistit, že systém pouze s proporcionálním řízením přesune akční člen na cílovou žádanou hodnotu.

Mechanické aspekty systému, jako jsou změny nulové charakteristiky hydraulického ventilu, nebo tření mezi pohybujícími se díly (statické a dynamické) mohou bránit systému dosáhnout cíle. Integrační složka řídicí rovnice v průběhu času akumuluje výši odchylek a nakonec způsobí zvýšení výstupu o hodnotu nezbytnou k vyvolání pohybu akčního členu.

Zisk derivační složky zajišťuje elektronické tlumení, které zabraňuje v oscilaci akčního členu při zvyšování zisku proporcionální složky. Úspěšnost fungování zisku derivační složky závisí na několika významných faktorech, jako je rozlišení výstupních ventilů zpětnovazebního zařízení (například jak plynule se mění), a také na tom, zda jsou striktně dodržovány známé doby vzorkování. Vzhledem k tomu, že zisk derivační složky je činitelem zesílení uplatňovaným na výši odchylky rychlosti, je nezbytné, aby byla rychlost polohovací osy určována přesně. 

Dopředné složky u řízení s uzavřenou smyčkou

Účinnost řídicího systému s uzavřenou smyčkou závisí na odezvě systému na odchylku mezi aktuální naměřenou hodnotou a cílovou hodnotou systému. Nicméně řízení založené pouze na složkách PID má své omezení v tom, že nedojde k žádnému pohybu, pokud neexistuje alespoň nějaká odchylka. V mnoha aplikacích to nevadí, přesto lze přesnost a plynulost sledování pohybu zvýšit odhadem požadovaného výstupu, ještě než dojde k odchylce. A právě zde hrají roli zisky dopředných složek.

Na rozdíl od zisků složek PID, které jsou uplatňovány na zpětnovazební odchylku, jsou zisky dopředných složek (viz dopředná složka rychlosti Fv a dopředná složka zrychlení Fa na obrázku) násobeny cílovou rychlostí a zrychlením a po jejich sečtení je generován příspěvek k výstupu.

Dopředné složky jsou ve skutečnosti zisky otevřené smyčky použité jako prediktivní faktory. Přínosné jsou zejména v hydraulických systémech, jednak z důvodu charakteristik tekutiny a také z důvodu fyzického rozdílu mezi tím, jak se hydraulická kapalina chová na pístnici a na otevřených stranách pístu hydraulického válce. Pro dosažení požadované rychlosti a zrychlení pístu v každém směru polohování jsou obvykle požadovány samostatné zisky.

Teoreticky platí, že pokud jsou prediktivní zisky vypočteny správně, pak by při pohybu systému nemělo docházet k žádné odchylce. V reálném světě však systémy nefungují dokonale. S ohledem na stabilitu systému je cílem využívat prediktivní složky k tomu, aby systém fungoval v rozmezí 90 až 95 % požadovaného polohovacího profilu. Schopnosti algoritmu PID napravovat odchylku se pak mohou použít pouze na zbývajících 5 až 10 %.

Kromě zajištění precizního chodu systému má použití programovatelného polohovacího řídicího prvku další výhodu v tom, že umožňuje snadno a rychle měnit parametry řízení podle měnících se požadavků výroby. Nové žádané hodnoty lze stáhnout po síti Ethernet z dohledového PLC nebo počítače a umožnit tak výrobu nových typů dílů. Navíc není nijak omezeno, jak často je možné parametry měnit.

Přesnější řízení polohovacích profilů s použitím elektronického polohovacího řídicího prvku má další výhodu v tom, že umožňuje plynulejší polohování, omezuje nárazy a vibrace ve stroji, snižuje náklady na údržbu a prodlužuje provozní životnost stroje. Kromě těchto výhod se navíc zlepšuje kvalita a stejnoměrnost výsledné výroby.

Nevýhodou při řízení tlaku nebo síly v hydraulických aplikacích je to, že se akční člen dá náhle do pohybu, pokud se náhle ztratí síla nebo zátěž působící proti pohybu. Pokud by to mohlo představovat problém, lepším řešením by bylo použít řízení s otevřenou smyčkou se schopností omezení tlaku nebo síly, aby se minimalizoval dopad nežádoucí odezvy řízení. 

Kombinace řízení s otevřenou a s uzavřenou smyčkou

Řízení s otevřenou smyčkou je často na jednom stroji kombinováno s řízením s uzavřenou smyčkou, přičemž každá metoda řízení se používá v jiné části cyklu stroje, aby bylo dosaženo co nejlepších výsledků. Například polohování s otevřenou smyčkou lze použít pro směr odtažení, aby se rychle otevřel lis a bylo možno rychle vyhodit vyrobený díl.

Může se tím zjednodušit celkové vyladění chodu stroje, protože pro přesný chod musí být vyladěn pouze směr vysunutí (fáze cyklu, která provádí lisování) – část cyklu využívající otevřenou smyčku není nutno ladit. Viz vysvětlení u obrázku.

Znejte svou aplikaci

Volba mezi řízením s uzavřenou nebo s otevřenou smyčkou u aplikace tekutinového systému nakonec závisí na požadavcích konkrétní aplikace. S polohovacím řídicím prvkem, který je naprogramovaný pro přepínání mezi různými režimy, může systémový integrátor těžit z výhod obou metod.

Je však nutno poznamenat, že ani ten nejlepší polohovací řídicí prvek nedokáže kompenzovat celkově špatné konstrukční řešení systému nebo nesprávně zvolené komponenty jinde v systému, jako jsou motory, ventily nebo snímače potřebné pro uzavření řídicí smyčky.

Bill Savela, marketingový ředitel společnosti Delta Computer Systems. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, cvavra@cfemedia.com.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

PROMOTIC Semináře
2018-10-23 - 2018-10-23
Místo: Trnava
ÚDRŽBA 2018
2018-10-24 - 2018-10-25
Místo: Liblice
PROMOTIC Semináře
2018-10-24 - 2018-10-24
Místo: Praha
Školení pro uživatele kalibrátorů a kalibračního software Beamex
2018-10-30 - 2018-10-31
Místo: Jelínkova vila, Třebíčská 342/10, 594 01 Velké Meziříčí
Bezpečnost v průmyslu
2018-10-31 - 2018-10-31
Místo: Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2018 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI