Diagnóstico usando control de lazo abierto

El control de bucle abierto es útil durante la depuración o cuando se intenta diagnosticar un problema. Cada pequeño problema del sistema parece atribuirse al controlador de movimiento, por lo que si el controlador de movimiento simplemente puede generar voltaje, no es diferente a si el voltaje proviene de una batería o fuente de alimentación. Esto hace posible separar las funciones de control del controlador de posibles problemas con la operación del sistema.

Lo primero que me gusta hacer es configurar algunas teclas de acceso directo en la computadora para generar voltaje positivo bajo, voltaje negativo bajo y voltaje cero. Una pequeña señal de control moverá con seguridad el pistón a lo largo del cilindro sin golpear el extremo con demasiada fuerza. Lo uso para asegurarme de que la válvula esté cableada y conectada correctamente. La convención que uso es que el voltaje positivo hace que el actuador se extienda y el voltaje negativo hace que el actuador se retraiga. También verifiqué si el conteo de retroalimentación aumenta cuando se extiende el actuador. Es muy importante conectar correctamente el feedback de posición. De lo contrario, el actuador podría golpear un extremo del cilindro cuando el controlador está en modo de circuito cerrado. Esto sucede cuando la retroalimentación es positiva en lugar de negativa. Si no se puede cambiar el cableado, se debe invertir la polaridad en el software del controlador.

1. Este gráfico muestra claramente la banda muerta de respuesta de la válvula. A medida que aumenta la señal de voltaje de salida (verde), la velocidad real no se mueve desde cero hasta que el voltaje de control alcanza aproximadamente 2 V. Esto puede estar bien si la aplicación requiere una operación principalmente en un borde del carrete, pero no se recomienda una operación rápida.

Determinar la escala y el desplazamiento

El siguiente paso es determinar la escala y el desplazamiento para convertir los recuentos del dispositivo de retroalimentación en unidades de usuario, como milímetros o pulgadas. Hay dos maneras de hacer esto. El primero requiere mover el pistón a dos posiciones en ambos extremos de la carrera. Las ubicaciones deben medirse con precisión y los conteos del dispositivo de retroalimentación deben registrarse en ambas ubicaciones. El software del controlador de movimiento debe poder calcular el factor de escala y la compensación. Si no puede, se requiere un poco de álgebra de secundaria simple.¿Recuerdas cómo calcular la ecuación de una recta?De lo contrario, el software del controlador de movimiento puede calcular el factor de escala y la compensación a partir de los datos proporcionados en dos puntos.

El segundo método es más simple, pero requiere que el dispositivo de retroalimentación ya tenga un factor de escala. Las varillas magnetoestrictivas ahora están calibradas en micras, por lo que solo necesita convertir micras a pulgadas y encontrar el desplazamiento. Esto requiere mover el pistón a una posición conocida llevándolo a un tope mecánico. O puede medir la posición actual y contar y calcular el desplazamiento.

2. Este gráfico de una válvula de respuesta lineal muestra claramente que a medida que aumenta el voltaje de control, la velocidad real aumenta inmediatamente de forma lineal.

Establecer límites de viaje

Ahora se pueden establecer los límites de extensión y retracción. El pistón debe moverse lentamente usando una señal de control baja en un extremo del cilindro. El límite debe establecerse cerca del extremo del cilindro para limitar cualquier comando falso y evitar que el pistón golpee contra la tapa del extremo. Un buen controlador de movimiento hidráulico detectará comandos erróneos y evitará que se ejecuten si es necesario.

Me gusta usar las teclas preprogramadas para mover el eje hacia adelante y hacia atrás varias veces y ver un gráfico de la posición real y la velocidad real. Por lo general, comienzo con una señal de control muy pequeña solo para verificar la banda muerta en la válvula. Si el voltaje de control no es suficiente para mover el pistón de la válvula fuera de la zona muerta, el cilindro no se moverá (Figura 1). Si la válvula tiene una respuesta lineal alrededor del cero de la válvula, aumentaría el voltaje ligeramente después de cada movimiento y observaría qué tan rápido se mueve el actuador (imagen 2).

Si la señal de control se duplica del 10 % al 20 %, la velocidad del actuador también debe duplicarse. La Figura 3 muestra una válvula con una respuesta de ganancia dual, donde la ganancia es un valor cerca de la posición de voltaje cero, pero cambia a una ganancia diferente cuando el voltaje de control alcanza un cierto valor. Esto proporciona una buena estimación de la ganancia de bucle abierto. Por ejemplo, cuando la salida de control cambia del 10 % al 20 %, si la velocidad real cambia de 50 mm/seg a 100 mm/seg, la ganancia de bucle abierto será de 50 mm/seg cada 10 % o 5 mm/seg cada 1 %La velocidad máxima al 100 % de la salida de control ahora se estima fácilmente en 500 mm/s. En el artículo anterior, el valor de realimentación de velocidad es el inverso de la ganancia de bucle abierto, por lo que el valor de realimentación de velocidad en este ejemplo es 0,2 % de control/(mm/seg).

Otras cosas que observé cuando me movía lentamente de un lado a otro en bucle abierto es verificar la velocidad real del suavizado. A veces, hay puntos ásperos en el cilindro o en el enlace mecánico que hacen que la velocidad cambie en ciertos puntos. Esto se ve fácilmente en un gráfico de posición y velocidad reales (Figura 4).

3. El gráfico de respuesta de la válvula de ganancia doble muestra un cambio significativo en la velocidad real con una señal de control de 1,4 V, mientras que la rampa de voltaje de control permanece lineal.

Manipulación de stick-slip

Estos mapas facilitan la identificación de puntos ásperos o uniones en el sistema durante las carreras del cilindro. A veces, el sistema intenta mover cargas pesadas que se ven obstaculizadas por una alta fricción estática. Idealmente, la fricción debería aumentar linealmente con la velocidad. Sin embargo, en el mundo real, la fricción estática puede ser muy alta en relación con la fricción cinética. Esto da como resultado lo que se conoce como movimiento stick-slip (o fricción estática), donde dos superficies de contacto alternan entre un movimiento suave y un estancamiento. Esto puede causar inestabilidad en el movimiento cuando se mueve lentamente. Dentro del cilindro, la presión y la fuerza se acumulan hasta que la fuerza es suficiente para superar la fricción estática. El pistón y la carga se mueven, pero la presión y la fuerza caen rápidamente a medida que se expande el aceite. Eventualmente, la fuerza no es suficiente para mover el pistón y la carga lo suficientemente rápido, por lo que el pistón y la carga se atascan nuevamente. Este atascamiento y deslizamiento ocurre con bastante rapidez. He visto situaciones en las que el movimiento brusco inutiliza el sistema.

La mayoría de los controladores de movimiento no pueden compensar los cambios rápidos de carga. Los controladores de movimiento más avanzados intentarán reducir los cambios repentinos en la fuerza. En algunos casos, parece que se ha eliminado el stick-slip. Sin embargo, lo más probable es que el efecto stick-slip se reduzca hasta el punto en que no se note. Stick-slip se puede evitar si se puede reducir la fricción estática. Stick-slip también se puede reducir mediante el uso de cilindros de mayor diámetro, pero esto requiere más costos de construcción y más costos de operación.

A medida que tenga más confianza para mover el actuador y la carga, moveré el actuador con carreras más rápidas y más largas. Lo que busco es que la velocidad real permanezca constante cuando la señal de control es constante. El hecho de no mantener una velocidad constante generalmente indica que la presión del sistema está cayendo porque el acumulador es demasiado pequeño o no está precargado lo suficientemente alto como para mantener una presión del sistema relativamente constante.

A veces, los usuarios tienen expectativas poco realistas sobre las perturbaciones que puede corregir un controlador de movimiento hidráulico. Los controladores de movimiento hidráulicos modernos tienen tiempos de ciclo de 1 milisegundo o menos. Los controladores a menudo pueden responder a las perturbaciones en microsegundos, moviendo electrones casi a la velocidad de la luz. Lo que causa el retraso es el tiempo de respuesta de la válvula y el tiempo que tarda el flujo en ajustar la presión y la fuerza en el cilindro. Un gráfico que muestra el movimiento del actuador ayuda a determinar el efecto de la respuesta retardada de la válvula.

4. Los puntos ásperos del cilindro se pueden ver después de 9,4 segundos. Alrededor de 8,2 pulgadas a 3 pulgadas y 10 segundos.

¿Son dos mejores que uno?

Finalmente, a veces es conveniente tener dos modos de bucle abierto: uno para configuración y diagnóstico y otro para operación. La diferencia entre los dos modos es que los modos de configuración y diagnóstico permiten que los comandos de lazo abierto ignoren los límites y las fallas. El modo de lazo abierto operativo responderá a fallas tales como exceder los límites finales establecidos o fallas en el dispositivo de retroalimentación.

El control de movimiento hidráulico ofrece muchas oportunidades para utilizar el control de bucle abierto. El control de bucle abierto combinado con el trazado o el registro de datos puede ser muy útil para identificar dónde surgen los problemas. Es una herramienta muy útil cuando se trata de diagnosticar problemas de rendimiento.

Peter Nachtwey es presidente de Delta Computer Systems Inc., Battlefield, estado de Washington. Para más información visite www.deltamotion.com .

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