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Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzionale

PLC, servomotori, inverter...robot

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[1] Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzionale

Messaggioda Foto Utentevitellocromato » 21 mag 2015, 17:50

Buongiorno a tutti

Sono un tecnico di una piccola ditta che produce macchine industriali, mi è stato assegnato un problema di controllo apparentemente banale ma che mi sta mettendo in difficoltà. Ho basi di controllo derivanti dall’università, ma sono limitate non avendole esercitate mai in pratica. L’applicazione che dovrei realizzare prevede di controllare l’altezza di un rullo utilizzandolo una valvola pneumatica proporzionale.

Descrivo meglio il sistema.

Descrizione meccanica.
Il processo prevede la produzione di grossi rotoli di carta che accrescono il loro diametro ad un ritmo variabile ma con una velocità massima di 2 [cm/sec] circa. L’accrescimento dei rotoli è limitato da un rullo che preme il log verso il basso. Il rullo ovviamente si sposta verso l’alto in modo di permettere l’accrescimento desiderato del diametro del rotolo. Lo spostamento del rullo è vincolato da una coppia di bracci rigidi vincolati alla fiancata della macchina (il rullo è collegato ad entrambi gli estremi ad un braccio tramite un cuscinetto, collegato a sua volta al telaio della macchina tramite un secondo cuscinetto; i due bracci poi sono tra loro “speculari”). Il braccio viene fatto ruotare verso l’alto (il rullo si alza) e verso il basso (il rullo si abbassa) tramite un cilindro collegato con un estremo alla fiancata e con l’altro estremo al braccio.

Descrizione pneumatica.
Il braccio viene fatto ruotare “verso l’alto” aumentando opportunamente la pressione nel cilindro. Il braccio viene fatto ruotare “verso il basso” diminuendo opportunamente la pressione del cilindro.

Descrizione elettrica.
Sul braccio è collegato un encoder tramite il quale è possibile misurare l’angolo del braccio.

Descrizione del controllo.
La posizione del braccio campionata dall’encoder viene mandata in ingresso ad una logica di controllo (per esempio un PID) assieme alla posizione desiderata per il braccio. Il controllo elaborerà un valore di pressione che viene inviato alla valvola proporzionale.

Problema.
Il problema è che il sistema attualmente ha dei ritardi piuttosto pesanti e con un semplice PID ottengo delle prestazioni scadenti, in termini soprattutto di errore a regime e di inseguimento. Al momento ho ritardi nell’ordine dei 20 msec su campionamento encoder e ritardi nell’ordine dei 20 msec su campionamento dell’uscita. Ho un tempo mostruoso di ritardo sulla elettrovalvola proporzionale (400 msec, ma passeremo a 60 msec con una elettrovalvola più performante). Da quando poi la pressione si propaga dall’elettrovalvola ai pistoni si suppone passino altri 80 msec circa (ipotizzando una variazione di pressione nel circuito da 3 bar a 3.5 bar, con pressione di alimentazione di 6 bar, portata di 1000 l/min, e un volume di 1 litro per il circuito in cui comprimere l’aria – tra camera del cilindo e tubi di conduzione tra elettrovalvola e cilindri -).

Controlli visti
Un primo controllo rudimentale –che ho trovato implementato su una vecchia macchina - è quello che prevede la seguente logica:
if Posizione>(PosizioneDesiderata+isteresi) -> Pressione=Pressione-Dpressione
if Posizione<(PosizioneDesiderata-isteresi) -> Pressione=Pressione+Dpressione
Probabilmente ho commesso un errore sottovalutando questo algoritmo, ma non mi è parso un buon controllo.

Ho provato poi ad implementare un PID. All’uscita del PID vado a sommare il valore di pressione che serve per tenere in galleggiamento la pressina. Il PID quindi dovrebbe stabilizzare il sistema e “reiettare” i disturbi sul controllo (compensando forze di disturbo esterne che vado ad applicare sulla pressina). Il problema è che con i ritardi presenti nel sistema (siamo nell’ordine dei 500msec), il PID diventa instabile appena si aumenta di poco la banda passante in anello aperto. Il controllo quindi è molto blando, e se si sbaglia la pressione di galleggiamento, l’errore a regime diventa molto grande (compensato molto lentamente dall’integrativo, con i problemi legati). La pressione di galleggiamento tra l’altro è incognita a priori, in quanto dipende dal tipo di rotolo di carta su cui appoggia il rullo: se il rotolo è poco denso questo ha poca influenza nel sostenere il rullo e serve molta pressione per mantenere il rullo in galleggiamento, senza deformare il rotolo; se è troppo denso questo ha molta influenza nel sostenere il rullo e serve poca pressione per mantenere il rullo in galleggiamento.

Pensavo di provare ad implementare un controllo in frequenza più fine del PID, provando a modulare il diagramma di bode dell’anello aperto con dei filtri: ho però paura di non poter percorrere strade di questo tipo a causa dei ritardi che ho e della non linearità dell’aria compressa. Ho anche l’impressione che la prima soluzione (quella con il controllo fatto con degli if) fosse forse la “meno peggio”.

Il problema da un punto di vista teorico però sembrerebbe semplice e comune, chiedo a qualcuno con esperienza come ci si comporta in questi casi.
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[2] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utenteg.schgor » 21 mag 2015, 21:26

vitellocromato ha scritto: i ritardi presenti nel sistema (siamo nell’ordine dei 500msec),

Quelli che chiami ritardi sono dei veri "ritardi" o sono risposte di cdt lente?

Se l'hai già fatto, sarebbe bene esaminare il diagramma di Bode
dell'attuale PID, stabilendo anche i margini di controllo relativi
all'elettrovalvola (per prevedere eventuali possibili "forzamenti").
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[3] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 21 mag 2015, 22:15

vitellocromato ha scritto:PosizioneDesiderata

Questa posizione desiderata da che cosa è data?
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[4] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto UtenteCandy » 21 mag 2015, 23:13

siamo nell’ordine dei 500msec

Mah!, se volevi dire 500 ms, mi viene male. Che razza di sistema stai usando: PLC dei LEGO? Se non riesci a tenere il tempo di scansione di 5 ms, butta via tutto.
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[5] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utenteg.schgor » 22 mag 2015, 5:46

Dopo il post[2], rileggendo
vitellocromato ha scritto:Il braccio viene fatto ruotare “verso l’alto” aumentando opportunamente la pressione nel cilindro.

mi viene un dubbio. Il cilindro dovrebbe integrare la portata d'aria
controllata dall'elettrovalvola, per variare la posizione del cilindro.
Quindi la pressione è soltanto un parametro che influisce sulla velocità di risposta.
Se è così, è chiaro che un regolatore integratore rende facilmente instabile
il sistema.
Posso proporti delle prove per "identificare" il blocco pneumatico?
(attendo anche la risposta sui "ritardi")
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[6] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utentevitellocromato » 22 mag 2015, 8:31

g.schgor ha scritto:
vitellocromato ha scritto: i ritardi presenti nel sistema (siamo nell’ordine dei 500msec),

Quelli che chiami ritardi sono dei veri "ritardi" o sono risposte di cdt lente?


Probabilmente mi sono espresso in modo improprio, "approssimando a ritardo" il tempo che passa da quando il "controllore su carta" imporrebbe la sua pressione di controllo a quando quella pressione "arriva effettivamente" al pistone (spero si capisca il concetto anche se spiegato alla meglio). Ho considerato quindi il peggiore dei casi che ho con i componenti attuali: 20 msec dal campionamento dell'encoder (diventeranno 5)+ tempo elaborazione routine controllo (trascurabile) + 20 msec tempo di scrittura sulla scheda analogica (diventeranno 5) + 400 msec per l'eccitazione dell'elettrovalvola proporzionale (diventeranno 60) + 80 msec per il tempo di propagazione della pressione dall'elettrovalvola.

Appena possibile risponderò alle altre osservazioni, grazie per l'attenzione.
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[7] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utentevitellocromato » 22 mag 2015, 9:31

g.schgor ha scritto:
vitellocromato ha scritto:Se l'hai già fatto, sarebbe bene esaminare il diagramma di Bode
dell'attuale PID, stabilendo anche i margini di controllo relativi
all'elettrovalvola (per prevedere eventuali possibili "forzamenti").


Il PID che ho fatto è molto rudimentale ed ha la seguente equazione:

Codice: Seleziona tutto
L_Errore:=IN_Misura-IN_Riferimento

L_IntErrore:=L_IntErrore+L_Errore

L_v:=(L_Misura-L_Misura_OLD)/DT;
       L_Misura_OLD:=L_Misura;

OUT_UscitaPID:=L_PreCarica + Kp*L_Errore + Ki*L_IntErrore - Kd*L_v;


con l'unica differenza che ho una parte di codice per garantire algebricamente che L_IntErrore non viene fatto crescere oltre il valore per cui l'uscita del PID satura.

Se per diagramma di Bode intende il diagramma di Bode del sistema di controllo in anello aperto, non ho a disposizione questa informazione.

Non so nemmeno cosa si intende per margini di controllo relativi all'elettrovalvola (forse margine di fase e margine di guadagno del sistema in anello aperto?) e nemmeno cosa si intende per forzamenti dell'elettrovalvola.

Rimango in attesa per ulteriori sviluppi, grazie!
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[8] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utentevitellocromato » 22 mag 2015, 9:34

EcoTan ha scritto:
vitellocromato ha scritto:PosizioneDesiderata

Questa posizione desiderata da che cosa è data?



In base alla quantità di carta avvolta all'istante t nel rotolo è possibile calcolare il diametro che deve avere il rotolo all'istante t. Dal diametro che deve avere il rotolo all'istante t si calcola l'angolo che deve avere il braccio all'istante t. Per cui in base alla carta "passata" si calcola la posizione desiderata per il braccio che sostiene il rullo.
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[9] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utentevitellocromato » 22 mag 2015, 9:54

g.schgor ha scritto:Posso proporti delle prove per "identificare" il blocco pneumatico?
(attendo anche la risposta sui "ritardi")

Certo, l'argomento mi interessa. Se sono prove pratiche sul sistema però, faccio presente che non ho il sistema a disposizione adesso.


g.schgor ha scritto:Dopo il post[2], rileggendo
vitellocromato ha scritto:Il braccio viene fatto ruotare “verso l’alto” aumentando opportunamente la pressione nel cilindro.

mi viene un dubbio. Il cilindro dovrebbe integrare la portata d'aria
controllata dall'elettrovalvola, per variare la posizione del cilindro.
Quindi la pressione è soltanto un parametro che influisce sulla velocità di risposta.
Se è così, è chiaro che un regolatore integratore rende facilmente instabile
il sistema.


Non so se ho capito bene, ma la mia elettrovalvola mi permette di comandare direttamente la pressione, non la portata. Meccanicamente mi verrebbe una equazione di questo tipo:

J \ddot \theta=(M_a+M_g+M_R)+M_P

con
\theta: angolo del braccio;
M_a: momento delle forze di attrito equivalente;
M_g: momento delle forze peso;
M_R: momento causato dalla pressione del rotolo sul rullo;
M_P: momento dato dalla pressione comandata nei pistoni.

e considero \theta e \dot\theta come stati;
M_g come funzione dello stato facilmente calcolabile;
M_a+M_R come disturbo sul controllo da reiettare con il controllo;
M_P come ingresso

ovviamente il PID è il primo controllo grossolano che si fa, fregandosene di tutto e tarandolo
con la procedura classica (aumento il k finché il sistema non inizia a oscillare ecc, ecc)

ovviamente però sto tralasciando quello che può accadere nel cilindro e un sacco di altre cose.
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[10] Re: Controllo Pos con elettrovalvola pneumatica proporzional

Messaggioda Foto Utenteg.schgor » 22 mag 2015, 10:22

Dunque mi sembra di capire che non si tratti di ritardi nell'attuatore
(il che semplifica le cose), ma di risposte "lente".
A questo si può forse rimediare se ci sono possibilità di
"forzamento" (vedi il paragrafo in questo articolo).
Bisogna però chiarire a mio avviso la funzione del sistema pneumatico:
il pistone non determina la posizione del braccio? (ovviamente esercitando
una pressione, ma crea o no uno spostamento?).
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