În procese industriale automate, este esențial să păstrați variabilele de proces, ca temperatura, debitul, presiunea sistemului,      nivelul fluidului etc. la valoarea dorită pentru operare în siguranță și economică. Considerați un exemplu în care fluxul de apă  printr-o conductă trebuie să fie menținut constant la o valoare predeterminată (Fig. 6.5.1). Valoarea debitului care trebuie măsurat este „V“ (variabila de proces PV). Acest debit este comparat cu valoarea de debit necesară, să zicem „V1” (punct setat SP).  Diferența  dintre aceste două valori este eroarea care este trimisă controllerului. Dacă există vreo eroare, controller-ul reglează semnalul de acționare la actuator, informându-l să mute supapa pentru a da debitul necesar (eroare zero). Acest tip de sistem de control se numește sistem de control cu ​​buclă închisă. El include în principal un controller, un actuator și un dispozitiv de măsurare. 

Fig. 6.5.1 Sistem de control cu ​​buclă închisă 

Controlul poate fi realizat prin utilizarea electronicii de control sau prin controlul procesului pneumatic. Sistemele pneumatice sunt destul de populare, deoarece sunt sigure. În industriile de proces precum rafinăriile și uzinele chimice, atmosfera este explozivă.  Aplicarea sistemelor electronice poate fi periculoasă în astfel de cazuri. Deoarece sistemele pneumatice folosesc aer, există foarte puține șanse de riscuri de incendiu. Chiar dacă sunt disponibile actuatoare electrice, majoritatea supapelor folosite sunt acționate de semnale pneumatice. 

1. Componente ale unui regulator pneumatic 

• Amplificator cu duză și clapă 

• Releu de aer 

• Burduf 

• Arcuri

• Modalități de feedback  

1.1  Amplificator cu duză și clapă 

Un sistem de control pneumatic funcționează cu aer. Semnalul este transmis sub formă de presiune variabilă a aerului (adesea în gama 0,2 până la 1,0 bar (3-15 psi)) care inițiază acțiunea de control. Unul dintre elementele de bază ale unui sistem de control pneumatic este amplificatorul cu duză cu clapă. Acesta convertește semnalul de deplasare foarte mic (de ordinul micronilor) în variația presiunii aerului. Construcția de bază a unui amplificator cu duză și clapă este prezentată în figura 6.5.2 

Fig 6.5.2 Amplificator cu duză și clapă

Presiunea constantă a aerului este furnizată la un capăt al conductei. În acest scop există un orificiu. La celălalt capăt al țevii, există o duză și o clapă. Interstițiul dintre duză și clapă este setat de semnalul de intrare. Pe măsură ce clapa se apropie de duză, va fi mai puțin flux de aer prin duză și presiunea de aer din interiorul conductei va crește. Pe de altă parte, dacă clapa se îndepărtează de  duză, presiunea aerului scade. La extrem, dacă duza este deschisă (clapa este departe), presiunea de ieșire va fi egală cu presiunea atmosferică. Dacă duza este blocată, presiunea de ieșire va fi egală cu presiunea de alimentare. 

1.2 Releu de aer   

Limitarea principală a unui amplificator cu duză și clapă este capacitatea sa limitată de manipulare a aerului. Variația presiunii aerului obținută nu poate fi utilizată pentru orice aplicație utilă, cu excepția cazului în care capacitatea de manipulare a aerului este crescută. Este utilizat după amplificatorul cu duză și clapă pentru a îmbunătăți volumul de aer care trebuie manevrat. Principiul funcționării unui releu de aer poate fi explicat folosind diagrama schematică prezentată în figura 6.5.3. Se poate observa că releul de aer este conectat direct la linia de alimentare (fără orificiu între ele). Presiunea de ieșire a amplificatorului cu duză și clapă (p2) este conectată la camera inferioară a releului de aer cu o diafragmă în partea superioară. Variația presiunii p2 determină mișcarea (y) a diafragmei.  Există o supapă cu două scaune fixată pe partea superioară a diafragmei. Când presiunea duzei p2 crește din cauza scăderii în xi, diafragma se mișcă în sus, blocând linia de ventilare (vent) a aerului și formând o duză între linia de presiune de ieșire și linia de presiune a aerului de alimentare. Mai mult aer merge pe linia de ieșire și presiunea aerului crește. Când p2  scade, diafragma se mișcă în jos, blocând astfel linia de alimentare a aerului și conectând portul de ieșire la ventilare. Presiunea aerului va scădea.   

Fig 6.5.3 Releu de aer 

2. Tipuri de controllere pneumatice  

Mai jos este lista de variante de controllere pneumatice. 

• Controller numai proporțional (P) 

• Controler proporțional-derivativ (PD) 

• Controler proporțional-integrator (PI) 

• Controler proporțional-integrator-derivativ (PID)  

Cea mai simplă formă de regulator pneumatic este controllerul numai proporțional. Figura 6.5.4 prezintă circuitul pneumatic al regulatorului „numai proporțional”. Semnalul de ieșire este produsul semnalului de eroare înmulțit cu un câștig (K). 

                                                                             Ieșire = (Eroare * câștig)                                           (6.5.1) 

2.1 Controller numai P (proporțional) 

Fig. 6.5.4 Controller numai proporțional 

Luați în considerare sistemul pneumatic format din mai multe componente pneumatice, de ex. amplificator cu duză și clapă, releu de aer, burduf și arcuri, aranjament de feedback. Aranjamentul de ansamblu este cunoscut ca un regulator proporțional pneumatic așa cum se arată în figura 6.5.5.

Fig 6.5.5 Elemente de controller numai proporțional (P) 

Acționează ca un controller într-un sistem pneumatic care generează presiune de ieșire proporțională cu deplasarea la un capăt al grinzii. Acțiunea acestui controller particular este directă, deoarece o creștere a semnalului (presiune) variabil din proces duce la o creștere a semnalului de ieșire (presiune). Creșterea presiunii variabile din proces (PV) încearcă să împingă capătul din dreapta al grinzii în sus, provocând deflectorul (baffle) să se apropie de duză. Acest blocaj al duzei cauzează creșterea contrapresiunii pneumatice a duzei, deci, creșterea cantității de forță aplicată de burduful de feedback de ieșire pe capătul din stânga al grinzii și  întoarcerea deflectorului (foarte aproape) la poziția inițială. Dacă dorim să se inverseze acțiunea controllerului, avem nevoie de a  schimba conexiunile semnalului pneumatic între burdufurile de intrare, așa încât presiunea PV va fi aplicată la burduful superior și  presiunea SP la burduful inferior. Raportul dintre presiunea de intrare (s) și presiunea de ieșire este numit ca o ajustare de câștig  (bandă proporțională) în acest mecanism. Schimbarea ariei de burduf (fie ambele burdufuri PV și SP în mod egal, iar la ieșire  burduful prin el însăși) influențează acest raport. Câștigul, de asemenea, este afectat de schimbarea în poziția burdufului de ieșire.  Mutarea punctul de sprijin (fulcrum) în stânga sau în dreapta poate fi folosită pentru a controla câștigul, și în fapt, este uzual cel mai convenabil pentru inginer.

2.2 Controller proporțional-derivativ (PD)  

Un controller proporțional-derivativ (PD) este prezentat în figura 6.5.6. Pentru a adăuga acțiunea de control derivativ la un controller numai-P, nu trebuie decât să punem o supapă de restricție între tubul duzei și burduful de feedback de ieșire, ceea ce determină burduful să întârzie umplerea sau golirea presiunea aerului său în timp.

Fig 6.5.6 Controller proporțional-derivativ (PD) 

Dacă apare o schimbare bruscă în PV sau SP, presiunea de ieșire se va satura înainte ca burduful de ieșire să aibă posibilitatea de a se egala în presiune cu tubul semnalului de ieșire. Astfel, presiunea de ieșire „va sălta” cu orice „variație treaptă” bruscă a intrării: exact ceea ce ne-am aștepta cu acțiunea de control derivativ. Dacă în timp, fie PV sau SP va urca, semnalul de ieșire va urca în proporție directă (acțiune proporțională). Însă va exista un offset suplimentar al presiunii la semnalul de ieșire pentru a menține fluxul de aer, fie in sau out al burdufului de ieșire, la o viteză constantă, încât să genereze forța necesară pentru a echilibra variația semnalului de intrare. Astfel, acțiunea derivativă provoacă presiunea de ieșire pentru a se deplasa fie în sus, fie în jos (în funcție de direcția de variație a intrării) mai mult decât ar face cu o acțiune doar proporțională ca răspuns la o intrare în rampă. 

2.3 Controler proporțional-integrator (PI) 

În unele sisteme, dacă câștigul este prea mare, sistemul poate deveni instabil. În aceste condiții, regulatorul de bază poate fi modificat prin adăugarea integralei în timp a erorii pentru a controla operația (Fig. 6.5.7). Astfel, ieșirea poate fi dată de o ecuație,

                                                                     O/P = K (eroare + 1/Ti ∫eroare dt)                                  (6.5.2)  

Fig. 6.5.7 Schema bloc a controllerului P-I

Ti  este o constantă numită timp de integrare. Atâta timp cât există o eroare, ieșirea controllerului urcă sau coboară conform vitezei determinate de Ti. Dacă nu există nicio eroare, ieșirea controllerului rămâne constantă. Termenul de integrare în ecuația de mai sus elimină orice eroare de offset.

Figura 6.5.8 prezintă configurația controllerului pneumatic proporțional plus integrator. Acțiunea de integrare necesită adăugarea unui al doilea burduf (un burduf de „resetare”,  poziționat opus burdufului de feedback de ieșire) și a unei alte supape de restricție la  mecanism.   

Fig. 6.5.8 Controler proporțional-integrator (P-I) 

Pe măsură ce burduful de resetare se umple cu aer sub presiune, el începe să împingă în jos capătul din stânga al grinzii de forță.  Acest lucru forțează deflectorul mai aproape de duză, determinând creșterea presiunii de ieșire. Burduful de ieșire obișnuit nu are supapă de restricție care să împiedice umplerea acestuia și, prin urmare, aplică imediat mai multă forță ascendentă pe grindă cu  presiunea de ieșire în creștere. Cu această presiune de ieșire mai mare, burduful de resetare are o presiune „finală” și mai mare, și astfel rata lui de umplere continuă.

2.4 Controler proporțional-integrator-derivativ (PID) 

Controlul pneumatic cu trei termeni poate fi realizat folosind un controler P-I-D. Aici acțiunea burdufurilor de feedback este întârziată. Ieșirea este dată de,

                                                        O/P = K (eroare + 1/Ti ∫eroare dt + Td deroare/dt)                   (6.5.3)                       

Termenii câștig K, timp derivativ Td, timp integrator Ti pot fi setați prin punctul de pivotare a grinzii și două supape de golire (Fig. 6.5.9). Aceasta este o combinație a tuturor celor trei controllere descrise mai sus. Prin urmare, combină avantajele tuturor celor trei. Se adaugă o supapă de control derivativ pentru a întârzia răspunsul la burduful de feedback. Adăugarea termenului derivativ face ca sistemul de control să modifice rapid ieșirea de control atunci când SP și PV se schimbă rapid. Acest lucru face sistemul mai stabil.           

 Fig. 6.5.9 Controller proporțional-integrator-derivativ (P-I-D) 

Avantajele controller-elor pneumatice 

• Simplitatea componentelor și nici o structură complexă 

• Mentenabilitate ușoară 

• Sigur și poate fi utilizat în atmosfere periculoase 

• Cost redus de instalare 

• Fiabilitate și reproductibilitate bună 

• Viteza de răspuns este relativ lentă, dar constantă 

• Capacitate limitată de putere pentru transfer de masă mare  

Limitările controller-elor pneumatice  

• Răspuns lent 

• Dificil de utilizat la temperaturi sub-normale 

• Cuplaje de conducte pot duce la scurgeri în anumite condiții de mediu 

• Piese mobile - mai multă întreținere