کاربرد شیرهای پروپورشنال پنوماتیک و حلقه‌های PID

در این مقاله به کاربرد شیرهای پروپورشنال پنوماتیک و حلقه‌های PID می پردازیم. یک شیر پروپورشنال (Proportional Valve) برخلاف شیر های رو–خاموش (ON/OFF)، می-تواند دبی یا فشار هوا را به-صورت پیوسته و متناسب با سیگنال فرمان (‎0–10 V، ‎4–20 mA یا PWM) تغییر دهد. عنصر محرّک آن معمولاً یک بوبین الکترونیکی کوچک یا پلیت پیزوالکتریک است که اسپول یا اوریفیس را در هر نقطه بین «کاملاً بسته» تا «کاملاً باز» نگه می‌دارد و بدین ترتیب امکان کنترل نرم و دقیق عملگرهای پنوماتیک را فراهم می‌کند.

۱. چرا به شیر پروپورشنال نیاز داریم؟

۲. مکانیزم حلقه PID در پنوماتیک

یک حلقهٔ PID (Proportional–Integral–Derivative) سیگنال خطا (خطای فشار، سرعت یا موقعیت) را گرفته و فرمان تصحیحی برای شیر پروپورشنال ایجاد می‌کند. u(t)=Kp e(t)+Ki ⁣∫e(t) dt+Kdde(t)dtu(t)=K_p\,e(t)+K_i\!\int e(t)\,dt+K_d\frac{de(t)}{dt}u(t)=Kp​e(t)+Ki​∫e(t)dt+Kd​dtde(t)​

نکتهٔ اجرایی: چون هوای فشرده تراکم-پذیر است و تأخیر انتقال (dead-time) دارد، معمولاً نسبت Kp/Ki در پنوماتیک کوچکتر از هیدرولیک انتخاب می‌شود و Kd به صورت فیلتر شده (τ ≈ 3–5 ms) اعمال می‌گردد تا از تقویت نویز سنسور جلوگیری شود.

۳. معماری یک سیستم پروپورشنال + PID نمونه

textCopyEditSet-Point (فشار یا موقعیت)
          ↓
  کنترلر PID دیجیتال (PLC یا ماژول IO-Link)
          ↓
     سیگنال 0–10 V
          ↓
شیر پروپورشنال پنوماتیک  →  جریان یا فشار تنظیم شده
          ↓
   سنسور فشار/خط‌کش → فیدبک ↺

• سنسور فیدبک: فشار (±0.25 % FS) یا خط‌کش مغناطیسی ≤ 50 µm
• پورت ارتباطی: EtherCAT، IO-Link یا آنالوگ
• داده‌های Industry 4.0: شمارش سیکل، میانگین انحراف، زمان پاسخ؛ ارسال به MES برای نگه‌داری پیشگویانه.

۴. مثال‌های واقعی از صنعت

۵. روش‌های رایج تیونینگ PID در پنوماتیک

1. Ziegler–Nichols تعدیل‌ شده – ابتدا Kd = 0، Ki = 0، Kp را تا مرز نوسان بالا ببرید، سپس ضرایب را با ضریب 0.6 (Kp)، 0.5 Kp² Ti/Ku برای Ki و … تنظیم کنید.
2. Self-Tuning الگوریتم Relay – PLC به مدت چند ثانیه سیگنال پله‌ای می‌دهد و پاسخ فشار را می‌خواند؛ پارامترها خودکار استخراج می‌شود.
3. Adaptive Gain Scheduling – دو مجموعه Kp, Ki, Kd برای شروع حرکت (جبرانی اصطکاک بالا) و حرکت پایدار ذخیره می‌شود؛ سوئیچ بر اساس سرعت پیستون.

۶. ملاحظات عملی

۷. جمع‌بندی کاربرد شیرهای پروپورشنال پنوماتیک و حلقه‌های PID

شیرهای پروپورشنال، وقتی در یک حلقه PID قرار می‌گیرند، هوای فشرده را از یک انرژی خام به ابزاری برای تنظیمات دقیق و تکرارپذیر تبدیل می‌کنند. دستاوردها شامل:

• حرکت نرم و بدون ضربه (کاهش استهلاک مکانیکی)
• یکنواختی محصول و کاهش دورریز در صنایع غذایی و دارویی
• پایش داده‌محور (Industry 4.0) برای تشخیص نشتی، پایان عمر آب‌بند یا افت کالیبراسیون
• صرفه‌‌جویی 10–30 ٪ در مصرف هوا با تنظیم فشار بهینه و حذف اورشوت

به بیان ساده، پروپورشنال + PID پلی است که فاصله میان «سرعت بالا و دقت پایین» پنوماتیک کلاسیک و «دقت میکرونی» سیستم‌های سروو‌الکتریک را پُر می‌کند—آن هم با هزینه و سادگی نگه‌داری هوای فشرده.

سپاس از شما که مقاله کاربرد شیرهای پروپورشنال پنوماتیک و حلقه‌های PID را مطالعه کردید. سوالات خود درباره کاربرد شیرهای پروپورشنال پنوماتیک و حلقه‌های PID را از ما بپرسید.

جهت درخواست و سفارش همه نوع محصولات هیدرولیک، پنوماتیک و ابزار دقیق می توانید از طریق WhatsApp با فروشگاه هیدرولیک و پنوماتیک علی در تماس باشید.