El control de presión se utiliza a menudo en sistemas de prensado, molienda y prueba. Estas aplicaciones a menudo requieren un control de los aumentos de presión que es mucho más complejo y preciso que el que se puede lograr con válvulas de alivio o reguladores de presión comunes. Las aplicaciones modernas pueden aprovechar al máximo toda la potencia. Esta ventaja se logra mediante el uso de control diferencial, donde la fuerza se obtiene multiplicando la presión en ambos lados del pistón por sus respectivas áreas, y la fuerza neta se obtiene restando la fuerza de la cavidad sin vástago.
El método de control de circuito cerrado-usado habitualmente consiste en realizar un control preciso de la presión compensando el cambio de viscosidad del medio. El uso de algoritmos PID probados es mucho más sofisticado que el control proporcional limitado que pueden proporcionar los dispositivos mecánicos con resortes. Este rendimiento especial nos permite corregir y reducir el exceso mientras controlamos la presión.
¿Qué es el estrés? ¿Por qué es tan importante para un control preciso?
La presión es la fuerza recibida por unidad de área, es decir, la relación de fuerza total entre el área total estresada. La presión en el sistema hidráulico se genera aplicando fuerza al aceite en el sistema de volumen constante o agregando aceite al sistema de volumen constante. En este artículo ignoraremos el efecto de la expansión térmica.
La fórmula básica del cambio de presión:
Esta fórmula nos dice que la presión cambia con el volumen y el módulo elástico volumétrico, que refleja la compresibilidad del líquido. Por ejemplo, el módulo de elasticidad aparente del petróleo es de aproximadamente 200 000 psi, mientras que el del agua es de aproximadamente 312 000 psi. Esto significa que si la capacidad se reduce en un 0,1%, la presión del aceite aumentará en 200 psi y la presión del agua aumentará en 312 psi. En otras palabras, el agua es más difícil de comprimir que el petróleo.
La siguiente fórmula define el efecto del tiempo sobre la fuerza y la presión:
En otras palabras, suponiendo que el volumen y el módulo elástico aparente son constantes, podemos calcular la tasa de cambio de la fuerza y la presión en cualquier momento dada la velocidad, el flujo y la capacidad de corriente.
A continuación, nos centraremos en las fórmulas (2) y (3).
Aplicación de la fórmula
La presión se puede controlar de diversas formas, normalmente mediante una servoválvula o una válvula proporcional con servocorriente. La ecuación 2 muestra que para elevar una cierta presión, se debe inyectar líquido en la cámara. La tasa de adición de líquido debe ser proporcional al aumento de presión deseado. Cuando la presión alcanza el valor ideal, se detiene el llenado y el sistema mantiene la presión constante todo el tiempo. En aplicaciones prácticas, siempre hay una pequeña cantidad de fuga y el controlador debe agregar líquido al sistema a la velocidad a la que el líquido se fuga. Por lo tanto, el flujo neto Q es siempre cero y la tasa de cambio de presión también es cero. Para reducir la presión, se debe ajustar la válvula deslizante para permitir que el líquido fluya a través del cuerpo. Cuando se alcanza el valor de presión ideal, el cuerpo de la válvula se cierra nuevamente para mantener la presión constante. La clave aquí es que la tasa de cambio de presión depende del caudal, no de la presión en sí.
Si el sistema está diseñado adecuadamente, se pueden utilizar válvulas proporcionales típicas para el control de presión. La clave es tener un espacio o poro especial entre los puertos A y B del cuerpo de la válvula. Las ecuaciones 2 y 3 se pueden utilizar para calcular la fuga ideal cuando se conoce la tasa máxima ideal de caída de presión. El controlador de movimiento debe controlar el cuerpo de la válvula para proporcionar fluido al sistema a una velocidad igual a la pérdida de fluido a través de los poros en todo momento. Si el caudal es demasiado bajo, la presión disminuirá a medida que el líquido salga. Si el caudal es demasiado alto, la presión aumentará. La ventaja de este método es que cuando el sistema está en movimiento, se amortigua y no produce vibraciones violentas.
Significado de control
En un sistema de accionamiento hidráulico, la presión puede aumentar rápidamente en un milisegundo. Pero la maquinaria no responde tan rápido. Los sistemas mecánicos se rigen por la presión, no por la tasa de cambio de presión. Por lo tanto, si no se controla la tasa de cambio de presión, es fácil hacer que el equipo mecánico salte al valor establecido. Imagínese que está conduciendo y, cuando ve una luz roja, reduce gradualmente la velocidad hasta detenerse suavemente en lugar de detenerse bruscamente. El controlador de presión debería hacer el mismo trabajo.
Al realizar el control de presión, se deben considerar al menos los siguientes cuatro puntos:
1. El tiempo de reacción del sensor de presión debe ser lo suficientemente rápido. En los casos en que el material no se comprime fácilmente, es común que la presión del aceite aumente a una velocidad de 200 psi por milisegundo. Los sensores de presión con constantes de tiempo de milisegundos no responden lo suficientemente rápido a los cambios de presión durante el uso. La constante de tiempo de respuesta de la presión debe ser del orden de 100 μs para funcionar correctamente. Si el método empírico por sí solo utiliza el sensor para medir, la velocidad es al menos diez veces más rápida de lo esperado.
2. El tiempo de muestreo del sensor de presión debe ser rápido y tener un intervalo fijo. En aplicaciones prácticas, como el estampado de metal mencionado anteriormente, la presión puede variar cientos de psi en tan solo 10 milisegundos.
3. El tiempo de muestreo debe ser constante. Si se supone que el escaneo es de 10 milisegundos por escaneo, pero en realidad es de 9 milisegundos por 11 milisegundos, el cálculo de la relación de presión diferirá en al menos un 20 %. Por lo tanto, un tiempo de muestreo constante es muy importante para el cálculo preciso de la tasa de cambio de presión.
4. PLC no es necesariamente la mejor opción. La función de PID en PLCS fue diseñada originalmente para controlar la temperatura o la presión del aire, no para fluidos difíciles de comprimir. Cuando están en el rango de milisegundos, la constante de tiempo del PID en el PLC está en el nivel de minutos. Para el control de presión, se requiere un controlador PID especialmente diseñado.
Opción de control
Lo primero que hay que entender es que si bien podemos controlar la posición, la fuerza o la presión, no podemos hacer las tres al mismo tiempo. En cualquier posición, si hay una obstrucción, el actuador estará sometido a una resistencia igual y opuesta a la fuerza motriz. Al hacer pruebas de movimiento sinusoidal con actuadores, podemos monitorizar la presión, pero no podemos controlar la presión o la fuerza al mismo tiempo que controlamos su posición. Porque la presión o fuerza está determinada por la fuerza de la muestra de prueba sobre el actuador. El actuador puede proporcionar una fuerza o presión sinusoidal, pero su posición está determinada por la linealidad del coeficiente elástico del material de prueba.
Estrés
Puede que no haya interferencias durante el movimiento, por lo que no tiene sentido intentar controlar la presión o la fuerza. La ventaja de controlar sólo la presión o la fuerza es que no es necesario considerar la posición. El operador puede simplemente cambiar el punto de ajuste, pero debe prestar atención a la situación de carga vacía. En una situación similar, el pistón del cilindro hidráulico acelerará hasta que la presión coincida con el valor establecido. En pruebas donde solo se controla la presión o la fuerza, se debe monitorear la velocidad del actuador para evitar una caída repentina de la carga. Cuando se detecta que la carga desaparece, el actuador puede cambiar al modo de posición o velocidad.
Restricciones de posición y presión.
Otra opción es limitar la posición o la velocidad mediante restricciones de presión o fuerza. Funciona ejecutando dos circuitos de control al mismo tiempo y solo el valor mínimo de ambas salidas de control pasa a la válvula hidráulica. Si el sistema alcanzará el punto de ajuste de posición o el punto de ajuste de presión depende de cuál se alcance primero. Por lo tanto, si la carga del cilindro hidráulico desaparece repentinamente cuando se establece la presión, la presión caerá y activará el controlador PID de presión para producir una señal de control grande. Sin embargo, a medida que el sistema acelera, el error de velocidad disminuye y la señal de control del controlador de velocidad PID disminuye a medida que disminuye el error. El valor menor de las dos señales proviene del controlador PID de velocidad. Por lo tanto, el actuador ahora está controlado por la opción de bucle de posición y no excede el valor establecido de velocidad.
Iniciación y regulación del control de presión o fuerza.
La regulación es el proceso de seleccionar el mejor incremento para un control óptimo de la posición, velocidad, presión o fuerza. Los sistemas de regulación de presión o control de presión son diferentes de los sistemas de regulación de posición porque el cilindro hidráulico no se mueve tanto cuando cambia la presión. La forma más sencilla de ajustar la presión o la fuerza es extender completamente el actuador hasta alcanzar la presión del sistema, mientras se configuran todas las ganancias en 0. Luego, ingrese el valor establecido o gane solo con una pequeña ganancia proporcional en el PID.
Esta "pequeña" ganancia proporcional se puede estimar mediante:
Esta fórmula permite al trabajador determinar la posición de la regulación de arranque que no se puede determinar durante el proceso de regulación de presión. Puede comenzar buscando una señal de control con una salida completa de 10 V o 40 mA, o el 100 % de la válvula, y usar la ecuación VCCM para calcular la velocidad máxima (consulte Jack L. Johnson, PE, "Electrónica básica para el control del movimiento del cilindro"), o consultando una tabla para determinarla. La ecuación dinámica debe dividirse por el doble del área. Esto se debe a que el aumento de presión en un lado del pistón va acompañado de una disminución de presión en el otro lado.
Nota:Las ganancias proporcionales estimadas no son exactas, pero estarán muy cerca de los valores iniciales ideales.
Cuando se activa la ganancia proporcional, la presión o fuerza del sistema alcanzará el punto de ajuste o se acercará a él. La gran mayoría de errores se deben a filtraciones. El siguiente paso es hacer que el controlador compense o aumente el caudal aumentando lentamente la ganancia integral hasta que el error sea cero.
Ahora, el sistema es controlable y se puede ajustar mediante respuestas dinámicas. Se consigue ajustando la pendiente entre las dos presiones de la banda operativa. La pendiente de presión o fuerza debería crecer lentamente al principio, ya que es más fácil mantener el control. Esta ganancia PID debe poder ajustarse para un mejor control. Intentar ajustar la presión o forzar el PID en respuesta a cambios graduales en el sistema es muy difícil y es difícil obtener resultados satisfactorios porque los choques de presión pueden causar fugas. Una transición de presión suave es una buena solución. Cuando se cambia la presión o fuerza, la acción del sistema dependerá del aumento y disminución de la presión entre los dos puntos de ajuste.
