Regulacija pneumatskih servo sustava

Pneumatski pogoni nalaze široku primjenu u najrazličitijim automatizacijskim sustavima zbog svojih prednosti kao što su: niska cijena, povoljan odnos snage i veličine elemenata, čistoća pogona, jednostavnost održavanja, jednostavni radni mehanizam, mogućnost ostvarenja velikih brzina gibanja i dr. Tradicionalno, u području industrijske automatizacije pneumatski pogoni koristili su se u sprezi s dvopoložajnim ventilima za jednostavne operacije premještanja predmeta . Gibanje između dva fiksna položaja bilo je ograničeno duljinom hoda aktuatora ili je bilo "regulirano" mehaničkim graničnicima ili senzorima krajnjih položaja. Zbog toga su se za zadatke fleksibilnog pozicioniranja uobičajeno koristile druge tehnologije za realizaciju gibanja pomoću električnih ili hidrauličkih sustava. Razvoj proporcionalnih upravljačkih ventila u kasnim 80-tim godinama prošlog stoljeća, kao i razvoj brzih mikroprocesora niske cijene, doveo je do novih mogućnosti primjene pneumatskih sustava, pored njihovog tradicionalnog načina korištenja. Istraživanje je posljednjih godina usmjereno ka realizaciji pneumatskih pogona koji su u stanju ostvariti složenije zadatke u smislu pozicioniranja i praćenja željene putanje. Istraživanja idu u smjeru razvoja pneumatskih sustava s upravljačkim karakteristikama istovjetnim kao kod električnih i hidrauličkih sustava. Međutim, nekoliko je ograničavajućih razloga za mogućnost uspješne primjene pneumatskih pogona u praksi. Precizna regulacija položaja pneumatskih aktuatora je teško ostvariv zadatak uslijed nelinearnih efekata pneumatskih sustava, povezanih s negativnim učincima stišljivosti zraka, značajnim utjecajem trenja, promjenama opterećenja i dr. Stoga, vrlo zahtjevan zadatak predstavlja dobivanje točnog matematičkog modela za opis dinamičkog ponašanja pneumatskog servo pogona. Da bi se ostvarili željeni zahtjevi reguliranog sustava, povećani napori istraživačke zajednice usmjereni su ka razvoju povoljnijih karakteristika pneumatske opreme, kao i poboljšanju načina regulacije ovakvih sustava.


U Laboratoriju za automatiku i robotiku Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu izrađen je eksperimentalni postav s ciljem istraživanja različitih regulacijskih metoda primjenjenih na pneumatski servo pogon. Fotografija laboratorijske opreme, kao i shematski prikaz regulacijskog sustava prikazani su na slici.

  1. 1. Linearni potenciometar - FESTO MLO-POT-500-TLF
  2. 2. Pneumatski cilindar bez klipnjače- SMC CDY1S15H-500
  3. 3. Teret
  4. 4. Rotacijski potenciometar
  5. 5. Elektronički sklop za održanje ref. napona
  6. 6. Osjetilo tlaka - SMC ISE4-01-26
  7. 7. Proporc. ventil (servoventil) - FESTO MPYE-5 1/8 HF
  8. 8. Proporcionalni tlačni regulatori - SMC VY1A00-M5
  9. 9. Elektromag. dvopolož. ventili - SMC EVT307-5D0-01F
  10. 10. Pripremna grupa (filter-regulator-osjetilo tlaka)
  11. 11. Ventil za otvaranje/zatvaranje dovoda zraka
  12. 12. Elektroničko sučelje
  13. 13. Upravljačko računalo

Fotografija eksperimentalnog modela

 

 

Shematski dijagram reguliranog sustava

 

Za analizu i usporedbu uspješnosti primjene regulacijskih struktura za zadatak preciznog pozicioniranja pneumatskog cilindra razmotreno je nekoliko konvencionalnih regulacijskih strategija, kao i struktura temeljenih na primjeni neizrazitog (fuzzy) regulatora. U najvećem dijelu istraživanja kao upravljačka komponenta korišten je relativno skupi proporcionalni ventil (servoventil) - FESTO MPYE-5 1/8 HF-010B.
Prikazana slika daje eksperimentalne rezultate regulacije poožaja pneumatskog servo pogona primjenom PID regulatora podešenog prema optimumu dvostrukog odnosa, koji uključuje i algoritam za kompenzaciju trenja.

Eksperimentalni rezultati regulacije položaja primjenom  PID regulatora i algoritma za kompenzaciju trenja

 

U cilju razvoja jeftinijeg rješenja pneumatskog servo pogona također su istražene i mogućnosti primjene dva proporcionalna tlačna ventila SMC VY1A00-M5, kao i dva dvopoložajna elektromagnetska ventila SMC EVT307-5D0-01F. Na taj način, primjenom odgovarajućih regulacijskih tehnika postiže se nova razina u pogledu cijene i ostvarenih karakteristika reguliranog sustava.

Na temelju postojeće laboratorijske opreme pneumatskog servo sustava s različitim tipovima pneumatskih proporcionalnih i dvopoložajnih ventila realizirani su i drugi mehatronički sustavi, koji se koriste u edukaciji studenata i istraživanju.