Zpětnovazební regulátor PWM

Zpráva

GeorgeB · #1 Příspěvek od **GeorgeB** » 01 dub 2007, 23:21

Mám problém při řešení zpětnovazebního regulátoru PWM.
Celé zapojení je třeba k regulaci vysokého tlaku paliva.
Čerpadlo je schopno dodat tlak až 2000 bar a tlak v zásobníku je řízen solenoidovým ventilem, který odpouští tlak do přepadu. Snímání tlaku paliva je realizováno snímačem tlaku s převodní charakteristikou:
Obrázek

Regulátor PWM by měl v závislosti na napětí z čidla a v závislosti na nastavené hodnotě tlaku(potenciometrem) řídit střídu výstupního signálu, aby se výsledný tlak v zásobníku pohyboval okolo nastavené hodnoty. Orientačně bylo změřeno, že ventil regulace tlaku paliva omezuje tlak téměř skokově při střídě signálu 80% (při otáčkách čerpadla 500ot/min).

Navrhl jsem jedno zapojení s obvodem TL494, u kterého jsem změřil převodní charakteristiku
Obrázek

Zapojil jsem tedy za sebou diferenční zesilovač se zesílením Au=1, který měří rozdíl nastavené hodnoty napětí a napětí z tlakového čidla. Tento rozdíl napětí je integrován integračním článkem a výsledné napětí je přivedeno na vstup 3 (feedback PWM) obvodu TL494. Solenoid řízení tlaku paliva je ovládán z výstupu TL494 pomocí darlingtonova tranzistoru.
Celé orientační zapojení je zde:
Obrázek

Zapojení jsem realizoval a vyzkoušel v praxi, ale dochází k zakmitávání tlaku. Čerpadlo načerpe vyšší tlak a postupně klesá až opět regulátor umožní čeprání. Experimetoval jsem s časovou konstantou integračního článku. Pokud jsem zvětšil časovou konstantu, tak odezva byla pomalá a prakticky překmity tlaku byly mnohem vyšší okolo nastavené hodnoty. Při snížení časové konstanty se frekvence nežádoucích zákmitů zvýšila, ale regulátor PWM stejně řídil střídu poměrně skokově. Místo toho, aby se hodnota střídy pohybovala okolo 80% a pouze jemně dolaďovala podle naměřeného tlaku, tak řídila spíše skokově.

Proto se ptám jestli by nebylo lepší místo lineárního integrátoru použít jen odpor a kondenzátor, aby výstupní napětí bylo exponenciálního charakteru(vstup Feedback PWM obvodu TL494). A nebo jestli nevíte o lepším způsobu regulace takto extrémního tlaku.
Děkuji těm, kteří se v mém dotazu(románu) dostali až na konec a odpoví.

#2 Příspěvek od **Sendyx** » 01 dub 2007, 23:30

Myslím, že by to chtělo oprášit základy automatizační techniky, změřit charakteristiky úplně všech prvků včetně ventilu a syntézovat parametry regulátoru s ohledem na stabilitu. U nelineárních prvků to je trochu problém, ale i na to jsou metody.

Crifodo · #3 Příspěvek od **Crifodo** » 01 dub 2007, 23:49

Jak správně Sendyx připomíná, chtělo by to znát dynamické vlastnosti všech prvků, tj. i čidla a ventilu a pak teprve bádat.
Celá soustava by měla být řešitelná s jedním nebo dvěma operáky s nastavitelnou integrační i derivační konstantou (nějaká teorie okolo PID regulace:
http://dce.felk.cvut.cz/sari/SARI-pidreg.html
http://www.protronix.cz/cs/clanky/30-od ... -technika/ )
V praxi je ale asi důležité i vyhodnocení přechodových a poruchových stavů, bezpečnost provozu atd., což by vyžadovalo ošetření mezních stavů. Magnetický ventil možná nebude pro proporcionální otevírání moc vhodný, zkus pouvažovat o pneumatickém řízení ventilu. O jakou část z maximálního tlaku se při regulaci jedná? Regulovat přímo čerpadlo se nedá?

GeorgeB · #4 Příspěvek od **GeorgeB** » 01 dub 2007, 23:52

Sendyx:právě že není co oprašovat. Bohužel jsem byl na průmyslovce na oboru slaboproud a sdělovačka a na vš jsem taktéž. Takže žádné metody neznám. Budu muset vyhledat nějakou literaturu, ale čas mě tlačí, proto dávám dotaz sem.

Charkteristiky systému vysokého tlaku půjdou změřit velice těžkou. Máme na snímání tlaku připojen i vysokotlaký mechanický barometr, ale ten má zatlumenou řučku kapalinou takže skutečnou skokovou změnu tlaku nepoznám. Čerpadlo je třípísté a zvýšením otáček by se dal vyhladit průběh dodávky tlaku paliva. Odezvu snímače tlaku paliva bohužel nezměřím, ale jelikož je to snímač z automobilu, kde je tato regulace prováděna řídící jednotkou, tak to musí jít.

GeorgeB · #5 Příspěvek od **GeorgeB** » 02 dub 2007, 00:00

Crifodo píše:Jak správně Sendyx připomíná, chtělo by to znát dynamické vlastnosti všech prvků, tj. i čidla a ventilu a pak teprve bádat.
Celá soustava by měla být řešitelná s jedním nebo dvěma operáky s nastavitelnou integrační i derivační konstantou (nějaká teorie okolo PID regulace:
http://dce.felk.cvut.cz/sari/SARI-pidreg.html
http://www.protronix.cz/cs/clanky/30-od ... -technika/ )
V praxi je ale asi důležité i vyhodnocení přechodových a poruchových stavů, bezpečnost provozu atd., což by vyžadovalo ošetření mezních stavů. Magnetický ventil možná nebude pro proporcionální otevírání moc vhodný, zkus pouvažovat o pneumatickém řízení ventilu. O jakou část z maximálního tlaku se při regulaci jedná? Regulovat přímo čerpadlo se nedá?

Děkuji za odkazy. Jinak pro upřesnění- je použito čerpadlo CP3, tlakový zásobník a snímač tlaku ze systému vstřikování Common Rail. Tlak by měl být regulován od asi 300bar do max 1300bar. Ošetření mezních stavů jsem v tomto zapojení udělal vedením signálu z čidla na Error Amp vstup obvodu TL494, kde je napětí porovnáváno s napěťovou úrovní z rimru R7 a po překročení mezní hodnoty se ventil skokově otevře a odpustí tlak paliva. Při odpojení čidla se na sginálovém vedení objeví napětí přes pull-up rezistor(ve schématu není zakreslen) a ventil bude stále otevřen, tak tlak ani stoupat nebude.
Ventil řízení tlaku paliva je přímo na čerpadle e i v automobilu je ovládán PWM. Tam se střída pohybuje od 70%-80%, protože v autě se otáčky čerpadla mění s otáčkami motoru a tlak je snižován pravidelně se otevírajícími tryskami.

#6 Příspěvek od **Sendyx** » 02 dub 2007, 00:06

S nelinearitama je to špatné, pokud bude použit lineární regulace, mohou parametry pro rozumnou regulaci v pracovním rozsahu vycházet takové, že pokud to z jakýchkoliv důvodů uteče mimo tento rozsah, objeví se nestabilita a zblázní se to. Některé soustavy pokud vím mají v tabulce zadány charakteristiky nelineárních prvků a takhle linearizují, to ovšem znamená AD, DSP, DA... nebo celou regulaci v digitální doméně.

#7 Příspěvek od **Hill** » 02 dub 2007, 10:42

Nemůžeš spoléhat pouze na elektroniku, že to udrží, většina distribučních potrubí pro vstřiky je v jejich těsné blízkosti opatřená pneumatickým tlumičem rázů a pojistným ventilem, který při případném překročení maximálního bezpečného tlaku před vstřikovacími ventily přepouští palivo zpět do nádrže.
Pojistný ventil musí být nezávislý na jakémkoliv elektrickém řízení, ale můžeš mu podtlakem vzduchu zvenčí snížit tlak, od kterého přepouští.
Pneumatický tlumič tlakových rázů není povinný, ale omezí amplitudu skokových změn tlaku, uklidní skokové změny rychlosti proudění v soustavě, a tedy i sníží nároky na regulaci.
Jenže to se používá u benzínových motorů, kde přetlak v distribučním potrubí je někde do 4 barů, než otevře pojišťovák, a do 3,2 baru za chodu motoru, o přetlačení paliva do válců se postará vstřikovací tryska.
Jak to funguje, vidíš na příloze.

Dej si vyhledat I/P převodníky, to jsou vlastně redukční ventily řízené proudovou smyčkou (0...20mA nebo 4...20mA pro výstupní tlak 0 až Pmax), přitom jejich vnitřní odpor současně bonzuje zpět skutečný výstupní tlak, vlastně měřením napětí na převodníku při známém proudu se zjistí, co skutečně ureguloval.

ViPali · #8 Příspěvek od **ViPali** » 02 dub 2007, 12:44

Tlak je asi v milibaroch (300 - 1300 mbar t.j. 0,3 - 1,3 atm t.j. 3 - 13 mH2O)
Riadiaci signál sa nesmie nikdy používať ako blokovací. Na blokovanie musíš vždy použiť nazávislý systém (viď Hill)

(Predpokladám): Na riadenie solenoidu používaš PI regulátor, pričom čerpadlo riadiš P regulátorom (zapnúť/vypnúť pri tlaku). V takejto sústave budeš mať vždy prekmity.
Potrebuješ doplniť D aby si dostal PID regulátor. Je to derivačná zložka regulácie a spôsobuje rýchlejší nárast regulovanej veličiny pri veľkej odchýlke a pomalý nárast pri malej odchýlke. Zjednodušene; - signál za integrátorom spočítaj s deriváciou riadiacej odchýlky. Tzn. signál za zosilňovačom rozdeľ do dvoch vetví -integrátor /derivátor a pred 494 ich spočítaj. Na vstupy daj potenciometre aby si mohol nastaviť "váhu signálov". Pri nastavovaní nezúfaj, pri troche trpezlivosti sa to dá nastaviť. Začni s malým I a väčším D, P určuje strmosť regulačnej krivky sa dáva 3 - 7 (zosilnenie).

GeorgeB · #9 Příspěvek od **GeorgeB** » 02 dub 2007, 13:31

ViPali: Právě studuji materiály na netu ohledně regulace PID. Jinak já potřebuji řídit tlak 300-1300bar (nikoli mbar!)
Doplním tedy derivační složku a součtem pošlu na vstup FB do TL494.

Ještě se chci zeptat: jelikož řízení tlaku použitým solenoidem není proporcionální, tak nemohu použít proporcionální složku řízení ne? Jde mi o to,že pokud do součtu pošlu PID - proporcionální jako rozdíl nastavené a skutečné se zesílením např 1 dále integrační složku jako integrál rozdílu a derivační jako derivaci rozdílu, tak by se hodnota napětí na vstupu FB PWM regulátoru mohla posunout a řízení by bylo mimo požadovanou hodnotu. Jak jsem psal, tak orientačně potřebuji střídu signálu 80% a okolo ní jemně dolaďovat. Samozřejmě se změnou otáček čeradla a odběrem vysokého tlaku vstřikovači se tato hondota střídy musí sama posunout na správnou hodnotu.

Hill: u tohoto systému se pohybuji ve stonásobcích tlaku benzínového systému, tak jakékoli použití regulátoru z benzinového systému nepřichází v úvahu. Mechanický přepouštěcí ventil na tlakovém zásobníku z důvodu bezpečnosti samozřejmě máme. Už při první zkoušce, než bylo čerpadlo odvzdušněno, tak nám tlak vylítl na 1500bar a přepouštěcí ventil otevřel. Jedna zátka to taky trochu neudržela, tak část tlaku propustila-pěkně se rozpálila. Není to sranda pracovat s takovým tlakem.

#10 Příspěvek od **Cust** » 02 dub 2007, 15:18

Zdravim,
dival jsem se na to tvoje schema..., jak funguje ten integrator, kdyz ti klesa tlak? ten kondik C1 musis necim vybijet (paralelne k nemu pripoj odpor - nejjednodussi - definujes tim i zesileni OZ)
navic bych ten kondik pouzil vetsi, nechces mit zakmity, tak tedy co nejmensi casova konstanta, ne?

na co pouzivas tlak 2 tisice baru? (to je neco kolem 0,2GPa ne?) cim vedes ten tlak?

to zapojeni podle mne nemuze fungovat, ten integrator je trosku nesmysl, jestli ti nekdo poradil, ze to mas integrovat, aby jsi se zbavil ruseni, tak myslel integrator jako dolni propust (tedy ten odpor paralelne k C1). taky muzes pouzit jen RC clanek jak jsi psal (zalezi na vstupnim odporu toho teetbacku z PWM, ale nemel by tam byt problem) jen se zbavis moznosti udelat tu dolni propust druheho radu. Pokud chces merit presne, tak pouzij OZ s malym offsetem, ale jelikoz mas vystup v radech volty, tak to asi nebude treba (to Tl-ko ma max desitky milivolt) Na mereni tlaku pouzivam LTC1050 (temer nulovy offset) nebo XTR101 kdyz potrebuju proudovou smycku na vystupu (vystupu nevadi dlouhe kabely - to ale asi nebude tvuj priklad)

#11 Příspěvek od **Hill** » 02 dub 2007, 15:38

Taky jsem ti uvedl ty benzínové vstřiky jen jako příklad, že šikovně zvolená mechanická koncepce může ušetřit hromadu starostí s elektronikou, uklidňováním a linearizací regulačních smyček atd.
Jiný výkres jsem stejně po ruce neměl, ale určitě bys našel na netu něco k dieselům a podobné havěti.
Jde o to, že tohle zařízení nebude právě univerzální, takže nemusí být nutně na závadu, když část regulační funkce převezmou prvky veskrze neelektrické - tu hranici mezi elektronicky řešenou regulací a mechanicky řešenou regulací můžeš posunout obecně kamkoli.
Děsí mě totiž představa, že jednou bude moje bezpečnost záviset na čipu, a solenoidu, které řídí tak milé a zdraví neškodné tlaky jen metr ode mne. A čip a nakonec i ta cívka budou jednou po navinutí potištěné rozsypaným čajem.
Koukej to udělat tak, aby to spolehlivě zajistilo bezpečnost i bez proudu, nevíš, kdo to jednou bude dělat.

Návštěvník

dival jsem se na to tvoje schema..., jak funguje ten integrator, kdyz ti klesa tlak? ten kondik C1 musis necim vybijet (paralelne k nemu pripoj odpor - nejjednodussi - definujes tim i zesileni OZ)
navic bych ten kondik pouzil vetsi, nechces mit zakmity, tak tedy co nejmensi casova konstanta, ne?

Ujasni si jak funguje integrátor a čím a jak je určena časová konstanta.

ViPali · #13 Příspěvek od **ViPali** » 03 dub 2007, 11:19

WOW

30 - 130 MPa, čo to je? Vodná rezačka?

Pri takýchto tlakoch sa kladie dôraz najmä na blokovačku a až potom na reguláciu.

Skús to nastaviť na menej percent, tým pádom nebude vypínať motor. Motor pôjde kontinuálne a reguláciou solenoidu (napr. 70 - 72%) budeš udržovať tlak.
Samozrejme, ak je vhodný kontinuálny režim.

Stan3 · #14 Příspěvek od **Stan3** » 03 dub 2007, 17:39

Na tom schématu jsou operáky napájeny symetrickým napětím. Nejsem si jistý co to udělá, pokud se na vstupu 3 TL494 objeví záporné napětí.

Zkusil bych zapojení upravit
Použil bych vnitřní OZ (vývody 1,2,3) pro řízení PWM, druhý (vývody 15,16) pro omezení maxima. Ještě doplň na vývod 4 kond pro pomalý rozběh.
Zkus nastavit jiný kmitočet PWM.Pro jednočinné zapojení zapoj vývod 13 na zem,vnitřní tranzistory zapoj paralelně.Takhle jak to máš zapojené dostaneš na výstupu max. 0-50%.

GeorgeB · #15 Příspěvek od **GeorgeB** » 03 dub 2007, 21:23

Stan3 píše:Na tom schématu jsou operáky napájeny symetrickým napětím. Nejsem si jistý co to udělá, pokud se na vstupu 3 TL494 objeví záporné napětí.

Zkusil bych zapojení upravit
Použil bych vnitřní OZ (vývody 1,2,3) pro řízení PWM, druhý (vývody 15,16) pro omezení maxima. Ještě doplň na vývod 4 kond pro pomalý rozběh.
Zkus nastavit jiný kmitočet PWM.Pro jednočinné zapojení zapoj vývod 13 na zem,vnitřní tranzistory zapoj paralelně.Takhle jak to máš zapojené dostaneš na výstupu max. 0-50%.

To schéma jsem sestavil na rychlo, ale v realizovaném vzorku mám samozřejmě vývod 13 na zem. Dále mám i na výstupu integračního článku kombinaci rezistor + dvě diody pro omezení výstupního napětí v rozsahu 0-5V (tedy -0,6 - +5,6V). MOžná bych tedy zkusil použít zapojení TL494 podle Stan3, ale nevím jestli na to budu mít čas. KAždopádně díky za návrh.

Dále jako nouzový STOP mám zapojeny vývody 1 a 2,kde je porovnáváno napětí z čidla s hodnotou napětí na trimru R7,aby v případě překročení tlaku přes 1500bar okamžitě ventil odpustil.

ViPali: Ten tlak je třeba pro zkoušení vstřikovačů Common Rail. Ještě jsem nepochopil co jsi myslel s tím motorem. Asi jsem nenapsal srozumitelně mechanickou část. Čarpadlo je poháněno konstantními otáčkami asi 500 ot/min a tlak je řízen jen jedním solenoidem. Tento solenoid odpouští část paliva do přepadového vedení.

Zítra se dostanu k tomu znova, tak zkusím dodat derivační část a vyzkouším to.