Pneumatische PID-Steuergeräte (PID steht für Proportional-Integral-Derivat) sind Steuerelemente, die ein Klapper-Düsensystem verwenden, um einen Druckausgang zu erzeugen. Es gibt eine breite Palette von industriellen PID-Steuergeräten für Temperaturkontrolle, Luftfeuchte, Druck, Strömung oder beliebige messbare Variablen, die durch Schalter oder PID-Algorithmen gesteuert werden können. Wie der 4-bis-20 Milliampp-Bereich für das elektronische Steuerungssystem verfügt das pneumatische System über eine Reichweite von 3 bis 15 Pfund pro Quadratmeter (psi).

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Eine geregelte Druckversorgung, in der Regel 20 psig, stellt durch die Einschränkung eine Luftquelle dar. Die Düse ist an dem Ende geöffnet, wo die Lücke zwischen Düse und Klapper besteht, und Luft entweicht in dieser Region. Schaltet sich der Klapper ab und schließt die Düsenöffnung ab, so dass keine Luftlecks auftreten, wird der Signaldruck auf den Versorgungsdruck steigen. Wenn sich der Klapper wegbewegt, sinkt der Stelldruck durch das Austreten der austretenden Luft. Schließlich, wenn der Klapper weit weg ist, stabilisiert sich der Druck zu einem gewissen Wert, der durch das maximale Leck durch die Düse bestimmt wird. Genau wie in der elektronischen Steuerung kann das pneumatische PID-Steuergerät nur proportional (P), Proportional-Derivat (PD), Proportional-Integral (PI) oder Proportional-Integral-Derivat (PID) sein.  Schauen wir uns jedes Element an.

Das Proportional-Element des pneumatischen PID-Steuergeräts

Das Proportionalelement eines pneumatischen PID-Steuergeräts wendet eine direkte Änderung des Ausgangswertes nach dem Ablesen des Fehlers zwischen dem Sollwert (SP) und der Prozessvariable (PV) an. Schau dir diese Gleichung an:

Diagramm Pneumatisches PID-Steuergerät
Mit freundlicher Genehmigung von IAMechatronics

Hier werden zwei Drücke auf das rechte Ende des Hebels ausgeübt. Lassen Sie uns den Unterschied zwischen diesen beiden Modellen verstehen. Eine Erhöhung der PV würde die rechte Seite nach oben verschieben, so dass das Leitblech näher an die Düse heranrückt. Diese Änderung erhöht den Druck im Rückführbalg, wodurch der Klapper wieder in seine ursprüngliche Position (oder sehr nahe an diese)  gebracht wird. Beachten Sie, dass die Veränderung des PV direkt den Ausgangsdruck beeinflusst. Ein Anstieg des PV erzeugt eine Steigerung der Ausgangs. Wenn wir die Aktion umkehren wollten, dann tauschen wir die Druckeingänge für den rechten Balg. Jetzt werden Sie sich vielleicht fragen: „Wie kann ich die Verstärkung in diesem System ändern?“ Um das zu tun, muss man Teile des Systems verändern, wie den Balg oder das Verschieben des Drehpunkts.

Automatische und manuelle Modi

Der automatische Modus bedeutet der Satz-Punkt (SP) und die Prozessvariable (PV) bestimmen den Ausgang, und der manuelle Modus hat einen Bediener, der die Ausgabe eingestellt hat. Dieses Bild zeigt dir den ganzen Mechanismus.

Funktionsprinzip Pneumatisches PID-Steuergerät
Mit freundlicher Genehmigung von IAMechatronics

Um von Auto auf Manuell umzuschalten, muss der Bediener die Waagenanzeige überprüfen. Vor dem Umschalten sollte man keinen Druckunterschied zwischen den Ausgangsbalgen und dem Ausgaberegler feststellen können. An diesem Punkt kann der Bediener das Übertragungsventil zum manuellen Modus wechseln. Dann wird die Ausgabe nicht mehr auf Änderungen in der PV oder SP reagieren. Um wieder zum automatischen Modus zu wechseln, wiederholt der Bediener den Vorgang und schaltet das Transferventil zurück, wenn das System bei Null steht. Nun wird der Controller erneut auf Änderungen in PV und SP reagieren.

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Das derivate Element des pneumatischen PID-Steuergeräts

Um ein Derivat-Aktion zu einem pneumatischen PID-Steuergerät hinzuzufügen, muss man ein Sperrventil zwischen dem Düsenrohr und den Ausgangsbälgen einstellen. Dies wird dazu führen, dass die Balge ihren Druck langsamer verändern, wie hier gezeigt.

Derivatdiagramm Pneumatisches PID-Steuergerät
Mit freundlicher Genehmigung von IAMechatronics

Mit diesem Ventil, wenn eine plötzliche Änderung in der PV oder SP auftritt, muss der Ausgangsdruck zuerst gesättigt werden, bevor die Ausgangsbälge den Druck mit der Ausgangssignal-Röhre ausgleichen können. Daher sieht man eine Spitze im Ausgangsdruck mit diesem Änderungsschritt im Eingang. Bei einer Anstiegsänderung an der PV oder SP verschiebt sich das  Ausgangssignal direkt proportional. Es wird jedoch ein Offset zum Ausgangsdruck angezeigt, um Luft durch den Ausgangsbalg strömen zu lassen, um das wechselnde Signal auszugleichen. Die Derivatwirkung verschiebt also den Ausgangsdruck um mehr als ein proportionales Element für einen Anstiegs-Eingang. Okay, kommen wir nun zur integralen Aktion.

Das integrale Element des pneumatischen PID-Steuergeräts

Das integrale Element des pneumatischen PID-Steuergeräts erfordert nicht nur ein anderes Einschränkungsventil, sondern auch einen weiteren Balg. Diese werden als Rückstellbalg bezeichnet und sie sollten dem Ausgangsrückführbalg entgegengesetzt sein, wie Sie hier sehen können.

Integraldiagramm Pneumatisches PID-Steuergerät
Mit freundlicher Genehmigung von IAMechatronics

Diese Einrichtung scheint zuerst nicht intuitiv zu sein. Dieses Ventil bewirkt jedoch eine Verzögerung bei der Befüllung des Rückstellbalgs. So funktioniert das System ähnlich der Widerstand-Kondensator (RC)-Schaltung auf einem elektronischen Controller. Da sich der Rückstellbalg langsam mit dem Ausgangsdruck füllt, zwingt die Druckänderung am Hebel den Ausgangsbalg, durch ständiges Füllen vor dem Rückstellbalg zu bleiben. Verstanden? Nein? Sehen wir uns an, wie es anhand eines Beispiels funktioniert.

Funktionsprinzip des pneumatischen PID-Steuergeräts

Schau dir diese Gleichung an: Wir haben das System auf die integralen Komponenten des pneumatischen PID-Steuergeräts vereinfacht.

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Hier haben wir eine SP von 4 psi, und der PV liest 7 psi und gibt uns einen 3 psi Fehler. Nehmen wir an, dass die Drehpunkt-Lage uns einen Gewinn von 1 gibt. Der Fehler lässt den Mechanismus sofort mit einem 3-psi-Ausgangsdruck auf die Rückführbälge reagieren. Lassen Sie uns auch das Rückstellventil ganz schließen. Bei geschlossenem Rückstellventil und drucklosem Rückstellbalg arbeitet das System wie ein einfacher Proportionalregler. Nun lassen Sie uns das Rückstellventil ein wenig öffnen. Während sich der Rückstellbalg füllt, drücken sie die linke Seite des Hebels nach unten.die linke Seite des Hebels. Diese Kraft lässt das Leitblech näher an die Düse heranrücken und erhöht den Druck in der Ausgangsleitung. Der normale Ausgangsbalg hat kein Restriktionsventil, um seine Füllung zu verlangsamen. Daher übt er mit dem steigenden Ausgangsdruck sofort eine Aufwärtskraft auf den Hebel aus. Mit dieser Erhöhung des Ausgangsdrucks haben die Rückstellbalge einen noch höheren „Enddruck“ zu erreichen, wodurch sie weiter gefüllt werden.

Das Ergebnis

Okay, aber warum wollen wir diese beiden gegensätzlichen Kräfte? Eine dieser Kräfte tritt sofort ein, die andere hat aufgrund ihres Ventils eine Verzögerung. Diese Verzögerung zwingt die Ausgabebälge immer um drei psi vor den Rückstellbalgen zu bleiben, um die Balance zu halten. Dadurch entsteht eine konstante Druckdifferenz von 3 psi gegenüber dem Rückstellventil, was zu einem konstanten Durchfluss in den Reset-Balgen führt. Dies führt letztendlich dazu, dass der Ausgangsdruck maximal gesättigt wird. Bis dahin zeigt der Mechanismus jedoch eine integrale Steuerreaktion auf den konstanten Fehler zwischen PV und SP.

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Je größer der Unterschied zwischen SP und PV ist, desto mehr wird der Druck über das Restriktionsventil fallen. Je schneller sich die Rückstellbalge füllen, desto schneller ändert sich der Ausgangsdruck. Einmal mehr können wir sehen, dass pneumatische und elektronische Steuerungen sehr ähnlich funktionieren, wenn die Größe des Fehlers die Geschwindigkeit des Ausgangssignals bestimmt. Wenn Sie Fragen zu pneumatischen PID-Steuergeräten haben, können Sie sich mit unseren Ingenieuren in Verbindung setzen!

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