壓力控制在壓力機(jī)、磨削加工和測(cè)試系統(tǒng)中經(jīng)常被用到。這些應(yīng)用往往需要控制壓力值的增加，這種控制的復(fù)雜度及精密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通溢流閥或壓力調(diào)節(jié)器可以達(dá)到的程度。現(xiàn)代應(yīng)用可以充分利用凈力的優(yōu)勢(shì)。這一優(yōu)勢(shì)通過(guò)使用差動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，即將活塞兩側(cè)的壓力與分別與其對(duì)應(yīng)的面積相乘獲得作用力，然后用無(wú)桿腔的力減去有桿腔的力獲得凈力。
現(xiàn)在常用的閉環(huán)控制方法是通過(guò)補(bǔ)償介質(zhì)的粘度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精確控制。利用已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證的PID算法比用帶有彈簧的機(jī)械設(shè)備所能提供的有限比例調(diào)節(jié)控制要精密得多。這一特殊的性能使我們得以在控制壓力的同時(shí)修正和減小超調(diào)量。
壓力是什么?為什么它對(duì)于精確控制如此重要呢?
壓力是單位面積上受到的力，即總的力比上總的受力面積。液壓系統(tǒng)中的壓力是通過(guò)對(duì)定容系統(tǒng)中的油液施加力或向定容系統(tǒng)添加油液而產(chǎn)生的。本文中，我們將忽略熱膨脹的影響。
壓力變化的基本公式：
這一公式告訴我們，壓力隨著容量及體積彈性模量β的改變而改變，而體積彈性模量β反應(yīng)了液體的壓縮性。比如，油的體積彈性模量大約為200,000 psi，而水的體積彈性模量則大約為312,000 psi。這就意味著如果容量減少0.1%，油壓將增加200 psi而水壓將增加312psi。也就是說(shuō)，水比油更難壓縮。
下面的公式定義了時(shí)間對(duì)力及壓力的影響：
也就是說(shuō)，假設(shè)體積和體積彈性模量為常量，在已知速度、流量和當(dāng)前容量的前提下，我們就可以計(jì)算出任意時(shí)刻的力以及壓力的變化率。
接下來(lái)我們將就公式(2)、(3)做重點(diǎn)討論。
公式的應(yīng)用
壓力可通過(guò)多種途徑進(jìn)行控制，常用方法是利用伺服閥或者帶有伺服性質(zhì)閥芯的比例閥。方程2表明要想提高一定的壓力，必須將液體注入腔體之中。液體添加的速率應(yīng)與期望的壓力升幅成正比。當(dāng)壓力達(dá)到理想值時(shí)，停止加注，然后系統(tǒng)一直保持壓力恒定。實(shí)際應(yīng)用中，少量泄漏總是存在，控制器必須以液體泄漏的速率向系統(tǒng)添加液體。因此，凈流量Q始終為零并且壓力變化率亦為零。若要減小壓力則必須調(diào)節(jié)滑閥使液體流過(guò)閥體。當(dāng)達(dá)到理想壓力值時(shí)，閥體再次關(guān)閉以保持壓力恒定。此處的關(guān)鍵是壓力變化率決定于流量而非壓力本身。
如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，可用典型的比例閥來(lái)進(jìn)行壓力控制。其關(guān)鍵在于閥體的A口和 B口之間要設(shè)有專(zhuān)門(mén)的縫隙或孔隙。在已知最大理想壓降速率的前提下，方程2 和方程3 可用來(lái)計(jì)算理想泄漏量。運(yùn)動(dòng)控制器必須控制閥體使其一直以等同于液體經(jīng)由孔隙流失的速度向系統(tǒng)提供液體。如果流量過(guò)低，壓力就會(huì)隨著液體的流出而降低。如果流量過(guò)高，壓力就會(huì)提升。該方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻尼的作用不會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)。
控制的意義
在一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，壓力可能會(huì)在一毫秒內(nèi)迅速增加。但是機(jī)械設(shè)備不會(huì)如此快速地進(jìn)行響應(yīng)。機(jī)械系統(tǒng)受壓力支配，而非壓力變化率。因此，如果壓力變化率未受控制，很容易使機(jī)械設(shè)備跳變至設(shè)定值。試想你正在開(kāi)車(chē)，當(dāng)看到紅燈時(shí)你會(huì)逐漸減速至平緩?fù)＼?chē)，而非急停。壓力控制器應(yīng)該完成同樣的工作。
在進(jìn)行壓力控制時(shí)，至少應(yīng)考慮以下四點(diǎn)：
1、壓力傳感器反應(yīng)時(shí)間必須足夠快。在材料不容易被壓縮的情況下，油壓以每毫秒200psi的速度增加是常見(jiàn)的。具備毫秒級(jí)時(shí)間常量的壓力傳感器在使用中并不能足夠快速地對(duì)壓力變化做出反應(yīng)。壓力反應(yīng)時(shí)間常數(shù)必須在100μs的級(jí)別才能正常工作。如果單憑經(jīng)驗(yàn)的方法使用傳感器進(jìn)行測(cè)量，其速度至少比預(yù)期的快十倍。
2、壓力傳感器的采樣時(shí)間必須快速并且有固定間隔。在實(shí)際應(yīng)用中，如上面提到的金屬?zèng)_壓，壓力能在短短10毫秒中變化數(shù)百psi。
3、采樣時(shí)間必須是常量。如果掃描規(guī)定時(shí)間是每次10毫秒，而實(shí)際上是一次9毫秒一次11毫秒，則壓力比率的計(jì)算結(jié)果將相差至少20%。因此，對(duì)于精準(zhǔn)計(jì)算壓力變化率，恒定的采樣時(shí)間是十分重要的。
4、PLC不一定是最好的選擇。PLC中PID的功能最初是被設(shè)計(jì)用來(lái)控制溫度或者氣壓的，而不是用于很難被壓縮的流體。當(dāng)它們是在毫秒級(jí)范圍內(nèi)變化時(shí)，PLC 中PID的時(shí)間常數(shù)是分鐘級(jí)的。對(duì)于壓力控制，需要特殊設(shè)計(jì)的PID控制器。
控制選項(xiàng)
首先要明白，雖然我們可以控制位置、力或壓力，但在同一時(shí)刻做不到三者兼顧。無(wú)論在任何位置，如果存在阻礙作用，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)受到一個(gè)與驅(qū)動(dòng)力大小相等、方向相反的阻力。通過(guò)用執(zhí)行機(jī)構(gòu)做正弦運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，我們可以監(jiān)測(cè)壓力，但無(wú)法在控制其位置的同時(shí)控制壓力或力的大小。因?yàn)閴毫蛘吡κ怯蓽y(cè)試的樣品作用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的力決定的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以提供正弦的力或壓力，但它的位置是由試驗(yàn)材料的彈性系數(shù)的線(xiàn)性度決定的。
壓力
在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能不存在干擾，所以試圖控制壓力或力是沒(méi)有意義的。僅控制壓力或力的優(yōu)點(diǎn)就是不需要考慮位置。操作者可以簡(jiǎn)單改變?cè)O(shè)定點(diǎn)，但必須注意空載的情況。在類(lèi)似情況下，液壓缸的活塞會(huì)加速直到壓力與設(shè)定值相匹配。在僅對(duì)壓力或者力進(jìn)行控制的測(cè)試中，應(yīng)該監(jiān)測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，以免出現(xiàn)負(fù)載突然下降的情況。當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載消失時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能要轉(zhuǎn)換到位置或是速度模式。
位置和壓力限制
另外一個(gè)選擇是通過(guò)壓力或力限制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)位置或速度的限制。通過(guò)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)控制回路來(lái)工作，并且僅將兩個(gè)控制輸出的最小值傳給液壓閥。系統(tǒng)將達(dá)到位置設(shè)定值還是壓力設(shè)定值取決于哪一個(gè)首先達(dá)到。所以，如果液壓缸在壓力設(shè)定值時(shí)負(fù)載突然消失，壓力將會(huì)下降并引發(fā)壓力PID控制器產(chǎn)生一個(gè)大的控制信號(hào)。然而，當(dāng)系統(tǒng)加速時(shí)，速度誤差下降，從PID速度控制器而來(lái)的控制信號(hào)隨著誤差的減小而減小。兩個(gè)信號(hào)中較小的值來(lái)自速度PID控制器。所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)在由位置回路選項(xiàng)所控制，而不會(huì)超過(guò)速度的設(shè)定值。
壓力或力控制的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)
調(diào)節(jié)是選擇一個(gè)最好的增量以便對(duì)位置、速度、壓力或力進(jìn)行最優(yōu)控制的過(guò)程。調(diào)節(jié)壓力或壓強(qiáng)控制系統(tǒng)與調(diào)節(jié)位置系統(tǒng)不同，因?yàn)楫?dāng)壓力變化時(shí)，液壓缸不會(huì)產(chǎn)生太大的移動(dòng)。調(diào)節(jié)壓力或力的最簡(jiǎn)單的方法，是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全伸出直到達(dá)到系統(tǒng)壓力，同時(shí)將所有增益設(shè)置為0。然后，輸入設(shè)定值或僅用PID中的一個(gè)小的比例增益。這個(gè)“小”比例增益可以由下式估算：
這個(gè)公式可使工作人員確定在壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)法確定的啟動(dòng)調(diào)節(jié)的位置。可以通過(guò)找到全輸出是10V或者40mA或者閥100%的控制信號(hào)來(lái)開(kāi)始工作，并且使用VCCM方程來(lái)計(jì)算最大速度(參考Jack L.Johnson P.E的《氣缸運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)電子學(xué)》)，也可通過(guò)查表來(lái)確定。動(dòng)力方程必須除以面積的兩倍。這是因?yàn)榛钊贿厜毫Φ脑鲩L(zhǎng)伴隨著另一邊壓力的下降。
注：估計(jì)的比例增益不是準(zhǔn)確的，但是它們會(huì)非常接近理想的初始值。
當(dāng)比例增益被激活時(shí)，系統(tǒng)的壓力或力將到達(dá)設(shè)定值或接近它。絕大多數(shù)的誤差是由于泄漏造成的。下一步就是通過(guò)慢慢增加積分增益，使控制器補(bǔ)償或增加流量，直到誤差為零。
現(xiàn)在，系統(tǒng)是可控的，它可通過(guò)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。是通過(guò)調(diào)整工作頻段的兩個(gè)壓力間的斜坡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。壓力或力的斜坡在開(kāi)始時(shí)應(yīng)該緩慢增長(zhǎng)，因?yàn)檫@樣更容易保持控制。這個(gè)PID增益應(yīng)該是可調(diào)的，以達(dá)到更好的控制效果。嘗試調(diào)節(jié)壓力或力PID去響應(yīng)系統(tǒng)的階躍變化時(shí)非常困難的，而且很難獲得滿(mǎn)意的結(jié)果，因?yàn)閴毫_擊會(huì)造成泄漏。平穩(wěn)的壓力轉(zhuǎn)換是一個(gè)很好地解決方法。當(dāng)改變壓力或力時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作將取決于壓力在兩設(shè)定值間的增長(zhǎng)和下降。
從位置控制到壓力或力控制的轉(zhuǎn)變
許多應(yīng)用需要將壓力或力控制與位置控制相結(jié)合，如圖1所示：
紅線(xiàn)是液壓缸的位置;橫軸為時(shí)間;縱軸為幅值;藍(lán)線(xiàn)代表壓力。
建立這樣的系統(tǒng)需要機(jī)械學(xué)和控制學(xué)的相關(guān)知識(shí)。如果材料容易被壓縮的話(huà)，從位置控制到壓力控制的轉(zhuǎn)變就相對(duì)容易，因?yàn)椴牧献冃芜^(guò)程中可以吸收很多能量。相反的，對(duì)于金屬與金屬間的擠壓塊和停止塊，從位移控制轉(zhuǎn)變到壓力或力控制就比較困難。因?yàn)橥Ｖ箟K不能吸收過(guò)多的能量。但是我們可以調(diào)整接觸速度，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)和沖模或者機(jī)床的總動(dòng)能與工作件上吸收與釋放的能量相匹配。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由于液壓系統(tǒng)不能快速換向或者釋放多余的能量，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)和沖模的運(yùn)動(dòng)速度足夠快，將會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)壓力。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)接近工件的速度太慢，那么當(dāng)?shù)竭_(dá)工件的時(shí)候，壓力將會(huì)出現(xiàn)延遲。這就需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)在開(kāi)始的時(shí)候就形成足夠大的壓力，而這個(gè)過(guò)程通常很慢且不能達(dá)到理想值。
調(diào)整位置控制和壓力控制的坐標(biāo)系有一些需要特別考慮之處。通常，控制器生產(chǎn)商提供的繪制調(diào)節(jié)工具是很有幫助的。例如，使用Delta的RMCTool軟件，在選取了某些初始恒定的PID 及前饋增益之后，可以使用調(diào)節(jié)工具對(duì)話(huà)框中的命令按鈕，來(lái)控制軸或者斜坡在指定時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定壓力。這種調(diào)節(jié)是雙向進(jìn)行的，而且還可時(shí)時(shí)的對(duì)目標(biāo)值和實(shí)際值進(jìn)行比較，并決定是否需要改變壓力控制回路中的增益參數(shù)。

圖2是一個(gè)極具代表性的金屬受壓圖，它體現(xiàn)了金屬受壓過(guò)程中從位置控制到壓力控制的一系列變化。在0.1秒時(shí)，壓力斜坡到一個(gè)預(yù)期的壓力值，并且在金屬?zèng)_壓過(guò)程中保持一小段時(shí)間;然后，在大約0.4秒時(shí)進(jìn)入循環(huán)，控制器通過(guò)轉(zhuǎn)換力控制和啟動(dòng)倒退模式來(lái)完成沖壓循環(huán)。