Echipamente pneumatice proporţionale

Din punct de vedere constructiv si funcţional echipamentele pneumatice proporţionale nu difera semnificativ de cele hidraulice. Apar insa si , ca si in cazul echipamentolor clasice , o serie de 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 b2) si cu cinci orificii si trei 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 FEMP (fig.1 1a si 1b) este direct proportionala cu intensitatea curentului de excitatie i deci: FEMP=KEMP *1Sub 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 •D2na si a2 coeficienti de debit.

1

La determinarea relatiilor de mai sus s-a tinut seama de faptul ca: S(x)=min{α•∏•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 mobil al motorului in orice punct al cursei de lucruControlui 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…20μm

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 „B”.Datorita insa jocului unor acoperiri pozitive mici (de cativa microni) camerele distribuitorului comunica intre ele si motorul deservit poate poerde pozitia programata.

Distribuitoare proporţionale cu funcţionare discretăAlături de distribuitoarele pneumatice proporţionale analogice, în ultimii ani auapărut şi distribuitoare proporţionale cu funcţionare discretă. Acestea sunt defapt nişte microdistribuitoare 3/2 acţionate electric, cu poziţie preferenţială, lacare elementul mobil este de cele mai multe ori o supapă; 4

D (3/2) FIG 3.la acest distribuitor, al cărui simbol este prezentat înfigura 3 acţionarea se face cu un electromagnet clasic,funcţionarea distribuitorului fiind de tipul "totul saunimic". în această situaţie elementul mobil realizează ^

3

deschiderea şi închiderea circuitului intem cu o frecvenţă ridicată (^200 Hz), în acest fel, la orificiul de consumator A se obţine un debil de aer ce corespunde valorii medii a debitului efectiv ce traversează circuitul intern al echipamentului.Trebuie remarcat faptul că un astfel de echipament nu permite un reglai continuu al debitului instantaneu, dar în schimb realizează un control al debitului mediu. Modularea debitului se obţine prin tehnici adecvate de comandă a echipamentului.Principalele avantaje ale utilizării acestor distribuitoare sunt: viteză mare de răspuns, preţ acceptabil (echipamentele sunt simple constructiv şi nu impun condiţii deosebite de execuţie şi montaj), eliminarea histerezisului şi a efectelor sale nedorite, obţinerea unei repetabilităţi foarte bune. Totodată, un sistem de acţionare în care sunt integrate asemenea echipamente poate fi controlat cu ajutorul unui microprocesor digital, ceea ce simplifică foarte mult structura sistemului de comandă.Diferitele tehnici de control se bazează pe combinarea ieşirilor mai multei microdistribuitoare de acelaşi fel, grupate de regulă în "baterii", şi mai ales pc reglarea timpului de deschidere şi a celui de închidere a secţiunii distribuitorului

Metode de reglare a debitului bazate pe cuplarea mai midiei distribuitoare

> Metoda PNM ("Puise Number Modulation ")Această metodă presupune utilizarea unui anumit număr de microdistribuitoau-identice, legate în paralel (fig.4). Debitul către consumatorul A va fi:

unde: j — reprezintă numărul de distribuitoare comandate la un moment dat, debitul prin unul dintre distribuitoarele bateriei, Ao secţiunea de curgere prin acest distribuitor; celelalte notaţii sunt identice cu cele specificate în paragraful 1.6.2, relaţia (4.8). ,Dependenţa mA - f(j) în cazul în cai'e presiunile PA şi /',, sunt constante este dată in figura 5.61. Acest mod de comandă permite obţinerea unui timp de răspuns mic (de ordinul a câtorva milisecunde), deoarece distribuitoarele pot fi comandate concomitent, caz în care timpul de răspuns devine egal cu cel al unui 51 singur distribuitor. Dezavantajul principal constă

4

Fig.5

aceea că incrementul de debit Am este mare, el putând fi micşorat prin creşterea numărului de distribuitoare din baterie, ceea ce conduce însă la creşterea complexităţii sistemului de acţionare. > Metoda PCM ( 'Pitise Cod Modulation ")Această metodă reprezintă un pas înainte faţă de cea prezentată anterior. Metoda presupune utilizarea tot a unui număr de distribuitoare digitale, cuplate în paralel, dar în acest caz cu secţiuni nominale de curgere diferite. Prin comanda acestor distribuitoare cu o logică binară se obţine un reglaj discret al debitului, incrementul de debit fiind mult mai mic decât în cazul anterior, chiar în condiţiile în care se foloseşte un număr limitat de distribuitoare. Un caz frecvent întâlnit este acela în care distribuitoarele ce compun bateria au secţiuni nominale după cum urmează: ' S ^2°-Sl) S2=2,-50

S 3=22-5D

unde So reprezintă secţiunea distribuitorului cel mai mic, iar n numărul de distribuitoare baterie. In acest caz incrementul de debit este egal cu debitul controlat de distribuitorul de secţiune 5/, iar cel mai mare debit corespunde secţiunii de curgere:' S = ( 2 " - l ) ' S 0 , (5.13)secţiune care se obţine atunci când toate cele n distribuitoare sunt acţionate. Un astfel de distribuitor poate controla 2"-l debite diferite. Valoarea de debit dorită se obţine combinând în mod corespunzător comenzile celor n distribuitoare din baterie. De exemplu, pentru n - 4 avem 15 debite diferite, care se obţin comandând distribuitoarele după cum este arătat în tabelul din figura 6 . Caracteristica acestui distribuitor este prezentată în figura 6 . Comanda în acest caz este un număr întreg, între 0 şi 75, ce este transformat în cod binar de 4 biti, fiecare ieşire reprezentând în fapt semnalul de acţionare al unuia dintre distribuitoarele bateriei. Aceasta face ca acest sistem să poată fi comandat cu uşurinţă cu ajutorul unui programator digital.

5

Fig5.1

2o 2' 22 2I1 I2 I3 I4

So 1 0 0 02Sn 0 i 0 03S» 1 1 0 04 So 0 0 1 0So 1 1 1 1

Fig.6

Aşa cum se observă în figura 6 , caracteristica acestui distribuitor este discretă, teoretic liniară. Pentru obţinerea unei caracteristici liniare trebuie însă ca sectiunik-nominale ale celor n distribuitoare să respecte cu stricteţe relaţiile (5.12), lucru care însă reprezintă sarcina proiectanţilor şi fabricanţilor acestor baterii. Metode de reglare a debitului folosind semnale de comandă modulateAceste metode presupun folosirea unui singur echipament, la care elementul mobil realizează deschiderea şi închiderea secţiunii de curgere cu o frecvenţă ridicată. Datorită compresibilităţii aerului, în conducta de ieşire se realizează o integrare a semnalelor produse şi se obţine un debit de aer ce corespunde valoni medii a debitului efectiv ce traversează echipamentul. > Metoda PFM ("Pulse Frequency Modulation " )Această metodă constă în modificarea impulsurilor de comandă, impulsuri de formă dreptunghiulară. în figura 5.1 este arătat modul de variaţie u impulsurilor de comandă în timp (fig.5.1) şi legea de variaţie a debitului corespunzător

6

Metoda are caracteristic faptul că timpul de acţionare ta este menţinut constant, modificându-se de fiecare dată perioada, şi prin aceasta timpul de închidere .i secţiunii de curgere ti =Ti - Ra.

Fig.7Această metodă este mai puţin folosită în practică datorită complexităţii sistemului de comandă. în acelaşi timp, pentru controlul unor debite foarte mici este necesar ca timpul de închidere a distribuitorului să fie lung, deci în această •iituaţie impulsurile de comandă sunt foarte rare, ceea ce reprezintă un dezavantaj din punct de vedere al stabilităţii sistemului de acţionare în care este integrat echipamentul.> Metoda PWM ("PuIse.Width Modulation ")Această metodă presupune folosirea unor impulsuri de comandă de formă dreptunghiulară, frecvenţa acestora fiind constantă. Reglajul debitului se face prin modificarea valorii timpului de acţionare (fig.7).

7

Fig 8Se poate defini un raport c după cum urmează: c=tcare într-o primă aproximare se poate considera că variază în intervalul [0,1 J. în realitate timpul de acţionare nu poate fi mai mic decât o valoare limită taJim, care reprezintă

timpul necesar efectuării de către elementul mobil a cursei de deschidere, şi în consecinţă e e[c^.l], unde ci:iill = t o H m /T .

în particular, dacă se consideră două situaţii, şi anume:- cazul în care = tmt = ct., deci c = c, = ct. (fig.9)- şi cazul în care ta = tal = ct., deci c = c2 = ct. (9b)şi dacă t0i < ta21 deci c, < c2, debitele masice obţinute în cele două situaţii vorfi m, Ktr^ (fig.9c).

Valoarea maximă a frecvenţei de lucru este dată de dinamica supapei (elementul mobil are o anumita masa inertiala) si uzual are valori între 10... 50 Hz.

8

Această metodă este frecvent folosită în practică, datorită în primul rând simplităţii sistemului de comandă, care trebuie să programeze un semnal digital (un număr real între 0 şi 1). Metode mixte de reglareMetodele prezentate deja se pot combina, urmărindu-se prin aceasta exploatarea optimă a avantajelor pe care le oferă fiecare metodă. Spre exemplificare este posibilă combinarea metodei PNM cu metoda PWM, cum este arătat în figura 5.66. In acest montaj n-1 dintre distribuitoare sunt acţionate de semnale digitale on - off, în timp ce ultimul este comandat de un semnal PWM. Semnalul de comandă este un număr real cuprins între 0 şi n; partea întreagă a acestuia determină numărul de distribuitoare acţionate PNM, iar partea zecimală reprezintă

comanda PWM pentru ultimul distribuitor. în figura 10 este reprezentată caracteristica acestui distribuitor; în acest caz caracteristica este liniară şi teoretic continuă

Sisteme pneumatice de reglare automată a poziţiei

Primele sisteme de acest tip au apărut în jurul anului 1985. Datorită mediului de lucru folosit - aerul comprimat, puternic compresibil, mult timp s-a crezut ca nu este posibilă realizarea unor unităţi de poziţionare pneumatice precise. Numărul mare de aplicaţii care cer o poziţionare foarte rapidă şi precisă a sarcinii antrenate, cu o capacitate de încărcare de la mică la medie, a justificat eforturile depuse pentru punerea la punct a unor sisteme de poziţionare pneumatice. Un astfel de sistem (fig.10) are în structura sa următoarele echipamente: motorul pneumatic MP, traductorul de poziţie Tr, distribuitorul pneumatic proporţional DPP, dispozitivul de frânare DF şi controllerul C. Se observă că în acest caz sistemul de acţionare lucrează în buclă închisă. Poziţia sarcinii antrenate este urmărită în permanenţă de traductorul de poziţie Tp şi comparată cu poziţia programată de către controllerul C. Motorul se opreşte atunci când cele doua valori coincid. Pentru a face procesul de control mai dinamic, în anumite situaţii este posibil a măsura şi consumul de curentul electric şi

9

viteza sarcinii, adăugând astfel procesului de control încă două bucle de reacţie. Se obţine astfel un circuit de control cu trei bucle de reacţie (interioară, de mijloc şi exterioară). deci un circuit de reglare automată în cascadă

FIG. 11Cu un asemenea sistem se poate poziţiona sarcina antrenată în orice punct de pe cursa de lucru, poziţiile programate putând fi foarte apropiate. Acurateţea depinde de rezoluţia traductorului de poziţie.în figura 11este prezentată o altă variantă de sistem de poziţionare pneumatic, ce are în componenţa sa următoarele echipamente:■ motorul pneumatic liniar MPL, un cilindru cu dublă acţiune cu cuplaj magnetic (paragraful 4.5.2.2.) cu frânare la ambele capete de cursă, prevăzut cu două drosele de cale DCi şi DC?,■ distribuitorul proporţional DPP 5/3, cu sertar cilindric cu mişcare de translaţie şi convertor electromecanic de tip electromagnet proporţional, fără reacţie de poziţie;■ traductorul de poziţie Tp, de tip rezistiv;■ regulatorul PID.Programarea poziţiei dorite se face prin aplicarea la intrarea w a regulatorului PID a unui semnal de comandă (o tensiune), care poate fi reglat la valoarea dorită cu ajutorul unui potenţiometru de intrare.Utilizarea unui regulator de tip PID asigură poziţionarea precisă în poziţia dorită şi, de asemenea, o foarte bună repetabilitate în situaţia în care setul de parametri ai reglării este corect ales. Cu ţoale acestea, poziţionarea se realizează lent, iar sistemul devine foarte sensibil la perturbaţii externe (variaţii ale sarcinii, modificări ale temperaturii, pierderi de presiune şi debit necontrolate).

10

11

Un moment important în evoluţia sistemelor de poziţionare pneumatice. 1-a reprezentat şi dezvoltarea unor tehnici de reglare neliniare, de factură inovatoare, cum ar fi reglarea adaptivă sau reglarea fuzzy. hi mod convenţional, optimizarea unui sistem de reglare presupune existenţa unui model matematic. Performanţele regulatorului depind nemijlocit de precizia de realizare a modelului dinamic al sistemului analizat, ceea ce conduce la rezultate nesatisfăcătoare în situaţia acţionărilor pneumatice, în simaţiile în care se utilizează un sistem adaptiv de reglare a poziţiei, performanţele sunt similare cu cele ale sistemului cu regulator P1D. Reglarea adaptivă rezolvă mult mai bine problema sensibilităţii sistemului la variaţii ale sarcinii, dar algoritmul de reglare devine extrem de complex, ceea ce face ca, la momentul actual, asemenea sisteme să fie foarte greu de realizat. Aparent paradoxal, performanţele sistemelor de reglare care nu utilizează modele matematice ale procesului, ci se bazează pe diferite formulări logice ale relaţiilor între mărimile de ieşire şi cele de intrare, sunt comparabile cu cele ale sistemelor prezentate anterior.Explicaţia acestui fapt provine din faptul că metodele clasice se confruntă cu neliniarităţi importante în strucUira modelului matematic. Totodată, relaţiile ce descriu funcţionarea sistemului au fost stabilite, din dorinţa de a le simplifica, în condiţiile acceptării unor ipoteze simplificatoare. De asemenea, apar probleme legate dc identificarea parametrilor pneumatici şi de dependenţele neliniarc între mărimile din proces (presiuni, debite, forte de frecare).Utilizarea sistemelor cu regulator fuzzy poale reprezenta o soluţie a problemei poziţionării cu precizie a sarcinii antrenate în pneumatică. în acest moment, în lume există preocupări susţinute în această direcţie.Simplitatea proiectării şi a implementării regulatorului fuzzy, precum şi posibilitatea exploatării experienţei operatorului uman constituie argumente în plus pentru continuarea cercetărilor în această direcţie.In figura 5.93 este prezentată o unitate de poziţionare condusă cu logică fuzzy. Unitatea conţine un motor pneumatic liniar cu dublă acţiune AfL, două distribuitoare proporţionale DPi şi DP2, un traductor de poziţie Tp, un traductor de viteză Tv şi un controller fuzzy.întrucât performanţele unui asemenea sistem de poziţionare sunt determinate în mod hotărâtor de performanţele echipamentelor componente, o atenţie deosebită U'ebuie acordată fiecărui echipament în parte şi în mod deosebit echipamentului de distribuţie. Alegerea regulatorului fuzzy trebuie să ia în considerare faptul că reglarea poate fi făcută în două moduri:

12

- folosind componente specializate hardware: un procesor digital fuzzy, la nivelul căruia sunt încărcate regulile de control (regulile lingvistice) şi funcţiile de apartenenţă;- folosind un software specializat pe un calculator convenţional (PC, staţie RISC etc).în prezent regulatoarele din prima familie sunt mult mai puţin utilizate, cu toate că viteza de execuţie a unui sistem condus cu un astfel de regulator este cu un ordin de mărime mai mare decât în cazul în care s-ar opta pentru o soluţie exclusiv software. Explicaţia rezidă în faptul că soluţiile hardware sunt mult mai puţin flexibile decât cele software (procesorul trebuie modificat chiar şi în situaţia în care se adaugă doar un singur operator). în plus, caracteristicile intrinseci ale procesorului fuzzy (viteză de prelucrare mare şi capacitate dc memorare mare) duc de cele mai multe ori la supradimensionare în raport cu majoritatea aplicaţiilor, iar soluţia hardware este limitată în ceea ce priveşte definirea mulţimii mărimilor de intrare ca vector de mărimi discrete.

13

Pentru sistemul prezentat se pot considera două variabile lingvistice de intrare-eroarea de poziţie e (diferenţa dintre poziţia programată şi cea realizară efectiv) şi viteza de deplasare a sarcinii antrenate v, precum şi două variabile de ieşire." tensiunea de comandă ui a electromagnefului proporţional al distribuitorului DPi şi tensiunea de comandă u2 a electromagnemlui proporţional al distribuitorului DP2.O variantă simplificată a sistemului, mai uşor de realizat fizic, este prezentată in figura 13. în acest caz în structura unităţii se foloseşte numai un singur distribuitor proporţional 3/2. Pentru a putea controla în această situaţie cele doua sensuri de mişcare ale sarcinii s-a apelat la un distribuitor clasic DC, 4/3, de tipul "totul sau nimic", care are rolul de a conecta la orificiul de consumator al distribuitorului proporţional fie camera activă din stânga a motorului ML (atunci când există semnalul de comandă Ici), fie camera activă din dreapta (atunci când exista Ic2). Sistemul, deşi mai ieftin, are dezavantajul ca nu conservă poziţia programată a sarcinii antrenate (în poziţia preferenţială (0) distribuitorul clasic nu asigură o izolare fermă a celor două camere active ale motorului). De asemenea, traductorul de viteză necesar în componenţa standului nu a fost montat. în această situaţie, viteza unităţii poate fi determinată prin derivarea informaţiilor referitoare la poziţia sarcinii în diverse puncte aflate pe cursa de lucru, dar este evident că o asemenea variantă conduce la diminuarea preciziei şi la creşterea timpului de răspuns al unităţii.

14

Fig .14 Alimentarea electromagnetului proporţional ce echipează distribuitorul este realizată prin intermediul unui amplificator. Pentru o tensiune de intrare de 0...I0 V, la ieşirea amplificatorului se obţine o valoare a intensităţii curentului electric cuprinsă între 0 şi / A. Acest tip de amplificator admite la intrare inclusiv semnale de reacţie de la traductorul din sistem. în situaţia în care se utilizează ambele intrări ale amplificatorului, diferenţa între cele două semnale se realizează la nivelul acestuia.în cazul unităţii de poziţionare din figura 131 compararea semnalului de comandă cu cel de reacţie se realizează la nivelul calculatorului PC, astfel încât la intrarea amplificatorului apare un singur semnal, diferenţa celor două. Curenţii lci şi IC2, necesari pentru alimentarea celor doi electromagneţi, sunt generaţi de o sursă separată.Sisteme pneumatice de reglare automată a presiuniiîn figura 14 este prezentată schema funcţională a unui sistem pneumatic de reglare automată a presiunii, în care este integrat, un distribuitor proporţional

15

comandat în impulsuri modulate (paragraful 5.4.2.2.). Modularea impulsurilor de comandă se poate face folosind mediul de programare LabVIEW, metoda folosită fiind PWM (Puise Width Modulation). în structura acestui sistem există următoare echipamente:- rezervorul Rz a cărui presiune trebuie menţinută constantă;- distribuitorul comandat în impulsuri modulate DPIM;- distribuitorul pneumatic clasic DP;- regulatorul de presiune RP;- calculatorul personal PC dotat cu o placă de achiziţie de date PAD;- traductorul de presiune Tp.Cu ajutorul distribuitorului clasic DP se realizează mai întâi o umplere rapidă a rezervorului Rz, până la o presiune egală cu Pnm-0,8 • P. Presiunea din rezervor este în permanenţă urmărită de traductorul de presiune Tp.

în momentul în care traductorul sesizează valoarea PUm, distribuitorul DP treceîn poziţia preferenţială (0), iar distribuitomi DPIM este comandat. La atingerea presiunii dorite P, comanda distribuitorului DPm încetează. Scăderea presiunii în rezervor va determina conectarea unuia dintre cele două distribuitoare, în funcţie de valoarea presiunii.

16