Brevet FR2874410A1 — publié le 20060224

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR COMMANDER UN VERIN PNEUMATIQUE Domaine technique La présente invention est relative à un procédé et un dispositif pour commander un vérin pneumatique à l'aide 5 d'un servodistributeur pneumatique. Art antérieur La Figure 4 illustre un exemple de montage de base d'un dispositif pour commander une force de poussée d'un vérin pneumatique à l'aide d'un servo-distributeur pneumatique. Sur la figure, le repère 1 désigne un vérin pneumatique, le repère 2 désigne un servo-distributeur pneumatique à trois positions relié à une chambre de pression la, côté charge, du vérin pneumatique 1, le repère 3 désigne une source d'air sous pression reliée au servo- distributeur pneumatique 2 et à une chambre de pression lb, côté tige, par l'intermédiaire d'un régulateur 4, le repère 5 désigne un dispositif de commande commandant le servodistributeur 2 à l'aide d'un dispositif de réglage 5a à action PID (cf. Fig. 5), le repère 6 désigne un détecteur de pression détectant une pression pneumatique dans la chambre de pression la côté charge et renvoyant au dispositif de commande 5 un signal de la pression détectée, et le repère 7 désigne un détecteur de position détectant la position d'un piston le du vérin pneumatique 1. Dans le dispositif, lorsque le servo-distributeur pneumatique 2 passe dans une première position, illustrée à gauche sur la figure, sous l'action du dispositif de commande 5, et que de l'air sous pression est envoyé dans la chambre de pression la, côté charge, du vérin pneumatique 1, le piston 1c et une tige 1d du vérin pneumatique 1 avancent vers la droite sur la figure. A cette occasion, une pression dans la chambre de pression la, côté charge, est détectée par le détecteur de pression 6, la position du piston 1c est détectée par le détecteur 7 de position et des signaux de détection respectifs sont renvoyés au dispositif de commande 5. Ensuite, en appliquant un gain nécessaire (amplification) à une différence entre une valeur d'instruction de pression et la valeur de détection de la pression dans le dispositif de réglage 5a à action PID du dispositif de commande 5, et en commandant le servo-distributeur pneumatique 2, on réalise une commande de poussée d'après la position du piston 1c. A cette occasion, le servo-distributeur pneumatique 2 s'ouvre dans le degré d'ouverture correspondant à un signal de commande auquel est appliqué le gain, et la pression dans la chambre de pression la du vérin 1 est commandée avec un débit d'air correspondant au degré d'ouverture. La Figure 5 est un schéma de principe du dispositif, pour commander une force de poussée du vérin pneumatique 1 en commandant la pression dans la chambre de pression la. En ce qui concerne les repères de la figure, "Pi" est une valeur d'instruction, "Kp" est un gain proportionnel du dispositif de réglage 5a à action PID, "G(S)" est la fonction de transfert du servo-distributeur pneumatique 2, "V" est le volume de la chambre de pression, "l/VS" est une fonction de transfert du vérin pneumatique 1, "a" est une constante, "T" est une constante de temps, "s" est un opérateur laplacien, "Q" est une variable de commande, "Po" est une variable commandée et "Kc" est un gain de retour. Le schéma de principe sera décrit en détail plus loin, dans le cadre de la description de la présente invention. Description de l'invention Or, dans le cas de la commande d'un vérin pneumatique par le servodistributeur pneumatique décrit ci-dessus, il est difficile de commander avec précision le vérin pneumatique à l'aide d'un type de commande connu, en raison d'une réponse défectueuse due à une différence régulière entre une valeur d'instruction et une valeur de mesure, et à l'influence d'une perturbation. En particulier, comme le volume (volume de réservoir) de la chambre de pression qui sert de charge change énormément en fonction de la variation de position du piston, le problème est que le vérin pneumatique n'est pas commandé d'une façon souple. En outre, un problème est qu'un volume petit ou grand de la chambre de pression provoque respectivement dans le système de commande une réponse instable ou défectueuse. Ainsi, dans le but de résoudre les problèmes posés par le type de commande selon la technique antérieure, la présente invention vise à réaliser une nouvelle technique de commande à l'aide de laquelle un vérin pneumatique soit commandé avec précision car une différence stable est réduite et une perturbation est également moins influencée de manière à améliorer la réponse et la stabilité. Moyens pour résoudre l'invention Afin d'atteindre l'objectif ci-dessus, la présente invention propose un procédé de commande pour commander un 20 vérin pneumatique dans lequel: - on alimente en air et on refoule de l'air depuis au moins une chambre de pression du vérin pneumatique par au moins un servo-distributeur pneumatique; - on détecte une pression dans la chambre de 25 pression au moyen d'un détecteur de pression; - on envoie un signal de la pression détectée à un dispositif de commande; et - on règle le degré d'ouverture du servodistributeur pneumatique par au moins un dispositif de réglage à action PID du dispositif de commande d'après une différence entre une valeur d'instruction et une valeur de détection, - on détecte une course d'une tige du vérin pneumatique au moyen d'un détecteur de course et on adapte un gain du dispositif de réglage à action PID d'après un signal de détection de la course. De préférence, on adapte en permanence seulement le gain du dispositif de réglage à action PID d'après un 5 signal de détection de la course. Dans ce cas, un gain proportionnel qu'on adapte un gain proportionnel proportionnellement à la course de la tige. Conformément à l'invention, le procédé comprend en 10 outre les caractéristiques suivantes: - on alimente en air et on refoule de l'air depuis les deux chambres de pression, côté charge et côté tige, du vérin pneumatique par deux servo- distributeurs pneumatiques respectifs, et - on adapte les gains des dispositifs de réglage à action PID correspondant aux servo-distributeurs pneumatiques respectifs conformément à un signal de détection de la course fourni par le détecteur de course. En outre, pour mettre en uvre le procédé ci- dessus, la présente invention propose un dispositif de commande de vérin pneumatique, qui comprend: - un vérin pneumatique; - au moins un servo-distributeur pneumatique alimentant en air et refoulant de l'air depuis au moins une 25 chambre de pression du vérin pneumatique; - un détecteur de pression détectant une pression dans la chambre de pression; - un détecteur de course détectant une course d'une tige (15) du vérin pneumatique; et - un dispositif de commande qui commande le servodistributeur pneumatique à l'aide d'au moins un dispositif de réglage à action PID, d'après une différence entre une valeur de détection de la pression fournie par le détecteur de pression et une valeur d'instruction. Conformément à l'invention, le dispositif de commande adapte un gain du dispositif de réglage à action PID en fonction d'un signal de détection de la course fourni par le détecteur de course. Dans ce cas, le dispositif de commande adapte un gain proportionnel proportionnellement à la course de la tige. En outre, selon une autre caractéristique conforme à l'invention, le dispositif de commande comprend: - deux servo-distributeurs pneumatiques et deux détecteurs de pression, chaque paire étant reliée à l'une et l'autre des chambres de pression, côté charge et côté tige, du vérin pneumatique; - deux dispositifs de réglage à action PID 15 correspondant aux servo- distributeurs pneumatiques respectifs; et - l'unique détecteur de course. Selon la présente invention, comme la course de la tige du vérin pneumatique est détectée par le détecteur de course et que seul le gain du dispositif de réglage à action PID est adapté en permanence d'après un signal de détection de la course, même si le volume de la chambre de pression du vérin pneumatique est énormément modifié, ou même si le volume de la chambre est petit ou grand, en raison d'une possibilité de commande semblable à celle de la commande adaptative, une différence stable est réduite et une perturbation est également moins influencée, ce qui améliore donc la réponse et la stabilité, en aboutissant à une commande précise du vérin pneumatique. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de branchement global d'un dispositif de commande de vérin selon une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2A illustre les variations des signaux 5 d'entrée en fonction du temps conformément à la présente invention; - la figure 2B illustre les variations de la course du piston en fonction du temps conformément à la présente invention; - la figure 2C illustre les variations de pression dans la chambre du piston en fonction du temps conformément à la présente invention; - la figure 3 est un schéma de principe d'un système de commande, côté charge, du dispositif de commande 15 représenté à la figure 1; - la figure 4 est un schéma de branchement d'un dispositif de commande de vérin selon la technique antérieure; et - la figure 5 est un schéma de principe du 20 dispositif de commande représenté à la figure 4. Meilleur mode réalisation de l'invention La figure 1 représente un dispositif de commande de vérin selon une forme de réalisation de la présente invention, dans lequel, par exemple, un vérin pneumatique 10 est utilisé comme pistolet pneumatique de soudage asservi. Plus particulièrement, le dispositif de commande comprend le vérin pneumatique 10 qui constitue le pistolet de soudage; des servodistributeurs 20 et 30, respectivement du côté charge et du côté tige, reliés à des chambres de pression 11 et 12, côté charge et côté tige, du vérin pneumatique 10; un dispositif de commande 40 délivrant un signal de commande à ces servo-distributeurs pneumatiques 20 et 30; et un dispositif de commande extérieur 50 fournissant de l'extérieur une instruction au dispositif de commande 40 et commandant les deux servodistributeurs pneumatiques 20 et 30 à l'aide du dispositif de commande 40 afin de mettre le vérin pneumatique 10 dans une position de fonctionnement voulue. Par ailleurs, le vérin pneumatique 10 comprend un cylindre 13 de vérin; un piston 14 inséré dans le cylindre 13 de vérin; et une tige 15 de piston reliée au piston 14, et une pièce est serrée par la tige 15 de piston. Le cylindre 13 de vérin est un corps cylindrique hermétique et comporte ses chambres de pression 11 et 12, côté charge et côté tige, le piston 14 étant intercalé entre elles. La tige 15 de piston s'étend hermétiquement à travers le cylindre 13 de vérin et jusqu'à l'extérieur. La tige 15 de piston comporte un élément formant électrode du pistolet de soudage (non représenté) placé à l'extrémité de la partie de celle-ci qui s'étend à l'extérieur. De l'air à une pression requise est fourni à/refoulé depuis la chambre de pression 11, côté charge, depuis/vers le servo-distributeur 20 côté charge via un passage d'écoulement 22, et la chambre de pression 11, côté charge, comporte un détecteur 23 de pression, côté charge, couplé à celle- ci, pour détecter sa pression d'air. Par ailleurs, la chambre de pression 11, côté charge, contient une sonde 26 d'un détecteur 25 de course, insérée dans le piston 14 depuis le côté couvercle supérieur, pour détecter la position d'entraînement du piston 14. Des signaux de détection de la pression et de la course, détectées respectivement par le détecteur de pression 23 côté charge et le détecteur de déplacement 25 sont renvoyés au dispositif de commande 40. D'autre part, de l'air est envoyé dans/refoulé depuis la chambre de pression 12, côté tige, depuis/vers le servo-distributeur pneumatique 30 côté charge via un passage d'écoulement 32, et à la chambre de pression 12, côté tige, et connecté à un connecteur 33 de pression côté tige pour détecter une pression de l'air. Un signal de la pression détectée fourni par le détecteur 33 de pression, côté tige, est renvoyé au dispositif de commande 40. Chacun des servo-distributeurs pneumatiques 20 et 30, côté charge et côté tige, est un distributeur à trois positions, à trois orifices, ayant pratiquement la même structure les uns et les autres, comportant un orifice d'alimentation introduisant de l'air à partir d'une source 41 d'alimentation en air, un orifice de sortie délivrant celui-ci et un orifice d'échappement refoulant celui-ci et, si nécessaire, ouvre chaque orifice au degré d'ouverture correspondant à un signal délivré par le dispositif de commande 40 afin de fournir l'air sous pression régulée à la chambre de pression correspondante. Comme décrit plus haut, les signaux des pressions détectées fournis par les détecteurs 23 et 33 de pression, côté charge et côté tige, et un signal de position détectée par le détecteur 25 de course sont renvoyés au dispositif de commande 40. Par ailleurs, des modes de fonctionnement du piston 14 et des valeurs d'instructions de pressions pneumatiques dans les deux chambres de pression 11 et 12 en fonction de la position de fonctionnement du piston 14 et autres sont établis conformément à un chronogramme et sont mémorisés dans le dispositif de commande 40. Ainsi, d'après des signaux d'instructions reçus d'un ordinateur extérieur 50, les valeurs de détection renvoyées par les détecteurs de pression correspondants 23 et 33 et les valeurs d'instructions sont respectivement comparées par des dispositifs de réglage à action PID d'unités de commande 40a et 40b, côté tige, du dispositif de commande 40, les gains (amplification) nécessaires sont appliqués à ces différences, et les servo-distributeurs pneumatiques 20 et correspondants, côté charge et côté tige, sont commandés à l'aide de ces signaux. A cette occasion, les servodistributeurs pneumatiques 20 et 30 s'ouvrent aux degrés d'ouverture conformément aux signaux de commande appliqués, à gain correspondant, des pressions Ph et Pr dans les chambres de pression respectives 11 et 12 du vérin pneumatique 10 sont commandées avec des débits d'écoulement d'air en fonction du degré d'ouverture, et une différence entre ces pressions est délivrée comme force de poussée. De la sorte, le servo-distributeur pneumatique 20 côté charge, le détecteur de pression 23 côté charge et le dispositif de commande 40a côté charge constituent un système de commande 60A côté charge, et le servodistributeur pneumatique 30 côté tige, le détecteur de pression 33 côté tige et l'unité de commande 40b côté tige constituent un système de commande 60B côté tige. Or, les repères 24 et 34 de la figure désignent des détecteurs de pression disposés sur les passages d'écoulement 22 et 32 s'étendant depuis les servodistributeurs pneumatiques 20 et 30 jusqu'aux chambres de pression correspondantes. Les figures 2 (A) à 2 (C) illustrent un exemple d'opération de commande du vérin pneumatique 10 conformément à un chronogramme. La Figure 2 (A) illustre des variations de signaux d'entrée Vh et Vr appliqués à des servo-distributeurs pneumatiques respectifs 20 et 30, en partant d'une position d'arrêt arbitraire du vérin pneumatique 10, la Figure 2 (B) illustre un changement de course X de piston et la Figure 2 (C) illustre des changements de pressions Ph et Pr dans les chambres de pression 11 et 12, côté charge et côté tige, du vérin pneumatique 10. Sur la figure 2 (A), à l'instant t1, pendant qu'un signal d'entrée indiqué par une courbe Vh est appliqué au servo-distributeur pneumatique 20 côté charge, de manière à ouvrir entièrement ou presque entièrement le côté alimentation en air du servo-distributeur pneumatique 20 et que l'autre signal d'entrée indiqué par la courbe Vr est appliqué au servodistributeur pneumatique 30, côté tige, de manière à ouvrir entièrement le côté échappement d'air du servo-distributeur pneumatique 30. Ainsi, comme illustré sur la figure 2 (B), le piston 14 situé dans une position d'arrêt arbitraire (Xa) est entraîné depuis cette position vers une position de serrage (Xo) servant de position visée (Xt) dans laquelle une pièce est serrée. Lorsque le piston 14 est entraîné de la manière décrite plus haut et est employé pour serrer, la pression du servo-distributeur pneumatique 20, côté charge, est commandée de la manière illustrée sur la figure et celle du servo-distributeur pneumatique 30 côté tige est commandée de façon que, en maintenant le degré d'ouverture du servodistributeur pneumatique de manière à correspondre à un signal d'entrée (a AX, où "a" est une constante) en proportion d'une différence (AX = X - Xo), la vitesse du piston du vérin peut être réduite régulièrement à mesure que le piston se rapproche de la position de serrage de la pièce. Or, une diminution du degré d'ouverture du servodistributeur pneumatique 20, côté charge, est également nécessaire en fonction de la différence AX. Lorsque la vitesse du piston est réduite dans une mesure satisfaisante et que piston arrive près de la position de serrage de la pièce également dans une mesure satisfaisante, en fixant à une valeur constante précise le degré d'ouverture (4V) du servo-distributeur pneumatique 30, côté tige, à partir de l'instant où le piston atteint une position donnée (Xc), un organe de serrage arrive au contact de la pièce à une vitesse constante et faible. La figure 3 est un schéma de principe du système de commande 60A, côté charge, du dispositif de commande qui commande la pression de la chambre de pression 11 côté charge. Le système de commande 60A côté charge a une structure dans laquelle, tandis que la pression de la chambre de pression 11 côté charge est commandée de la manière décrite plus haut, un signal de détection de la course de la tige détectée par le détecteur 25 de course est renvoyé en même temps à l'unité de commande 40a côté charge et, d'après une valeur de détection K du signal, un gain Kp d'un dispositif de réglage 40a' (non représenté) à action PID est toujours modifié d'après un changement de volume V du vérin (un volume de la chambre de pression côté charge). En même temps, comme l'essentiel de la commande de pression exécutée par le système de commande 60A est pratiquement identique à l'exécution faite par un dispositif selon la technique antérieure représenté sur les figures 4 et 5, on décrira l'essentiel de celle-ci en référence à un schéma de principe du dispositif selon la technique antérieure représenté sur la Figure 5. Une fonction de transfert du schéma de principe 20 général du dispositif selon la technique antérieure est donnée par l'Expression (1). [Expression 1] Po(S) G(S).KP P,(S) VÉs+Ko ÉKp ÉG(S) (1) En outre, dans l'Expression (1) ci-dessus, si une approximation du premier ordre est appliquée à une fonction de transfert d'un distributeur de façon à la simplifier, elle est donnée par G(S) = a/ (1 + T É s). De la sorte, l'Expression (1) est donnée par l'Expression (2), et son membre droit est donné par l'Expression (3). [Expression 2] a Kp 1+TÉs VÉs+(K'.ÉKpÉa)/(1+TÉs) aÉKn T V s2+V s+aÉ Kn (2) [Expression 3] aÉK p 1 TÉV s2+(1/T)s+(aÉKc ÉKp)/(TÉV) (3) Une fonction de transfert d'une pression de sortie délivrée au vérin pneumatique 10 est exprimée par un système du deuxième ordre par rapport à une valeur d'instruction de pression appliquée au dispositif de réglage à action PID et est donnée par l'Expression (4) ci- après. [Expression 4] K.. (4) s2+2conÉs+wn2 Dans l'expression ci-dessus, con et désignent une fréquence angulaire propre non amortie et un coefficient d'amortissement et sont donnés Expressions (5) et (6) suivantes: [Expression 5] wn=.\I(KçÉKpÉa)/(TÉV) [Expression 6] 2 V/(KÉKp'aÉT) D'après ces expressions, il est entendu que la fréquence angulaire propre non amortie on et le coefficient d'amortissement dépendent fortement du volume du vérin. Comme le volume de la chambre de pression du vérin varie en fonction de la position du piston, et que cela fait varier la fréquence angulaire propre non amortie on et le coefficient d'amortissement les possibilités de respectivement par les (6) commande du cylindre changent également et la réponse de la commande est mauvaise car elle est facilement influencée, par exemple, par la différence d'état stable entre les valeurs d'instruction et de mesure, et par une perturbation, si bien qu'il est difficile de réaliser une commande précise. Cependant, si on s'intéresse plus particulièrement aux Expressions (5) et (6) ci-dessus, il est entendu que le volume V du vérin et le gain Kp du dispositif de réglage à action PID sont inclus dans le dénominateur et le numérateur ou dans le numérateur et le dénominateur de l'expression correspondante. De la sorte, lorsque le gain Kp est réglé d'après un changement du volume du vérin de manière à rendre constant le rapport Kp/V, la fréquence angulaire propre non amortie et le coefficient d'amortissement ne varient pas, ce qui donne une possibilité de commande constante. De ce point de vue, selon la présente invention, comme représenté sur la figure 3, un signal de la course de la tige détectée par le détecteur de course 25 est renvoyé à l'unité de commande 40a côté charge de façon que le gain Kp du dispositif de réglage 40a' à action PID soit modifié en permanence d'après la valeur de détection K du signal. Concrètement, il suffit que la valeur de détection K de la course soit multipliée par une valeur du gain. Avec cet agencement, même si le volume de la chambre de pression du vérin pneumatique 10 varie énormément, du fait d'une possibilité de commande toute aussi excellente que celle de la commande adaptative, la survenance d'une différence de régime stable et d'une perturbation est empêchée d'une manière fiable, ce qui donne une excellente réponse quelle que soit la position de la tige. En même temps, tandis que le gain du dispositif de 35 réglage à action PID du système de commande côté charge est modifié dans la forme de réalisation ci-dessus, la même commande peut être réalisée pour le système de commande du côté tige. En outre, en utilisant un détecteur de vitesse ou un détecteur d'accélération comme détecteur de course pour détecter une vitesse ou une accélération de la tige pour l'utiliser comme signal de course, la même commande peut également être exécutée. En outre, on peut comprendre que la technique lo commandant la pression d'air de la chambre de pression du vérin pneumatique 10 selon le procédé décrit ci-dessus est applicable non seulement à la commande de poussée du vérin pneumatique 10, mais également à la commande de positionnement de la tige. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander un vérin pneumatique (10) dans lequel: - on alimente en air et on refoule de l'air depuis au moins une chambre de pression (11, 12) du vérin pneumatique (10) par au moins un servodistributeur pneumatique (20, 30) ; - on détecte une pression dans la chambre de pression (11, 12) au moyen d'un détecteur (23, 33) de Io pression; - on envoie un signal de la pression détectée à un dispositif de commande (40) ; et - on règle le degré d'ouverture du servodistributeur pneumatique (20, 30) par au moins un dispositif de réglage (40a') à action PID du dispositif de commande d'après une différence entre une valeur d'instruction et une valeur de détection, caractérisé en ce qu'on détecte une course d'une tige (15) du vérin pneumatique (10) au moyen d'un détecteur (25) de course et on adapte un gain du dispositif de réglage (40a') à action PID d'après un signal de détection de la course. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on adapte un gain proportionnel 25 proportionnellement à la course de la tige (15). 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que: - on alimente en air et on refoule de l'air depuis les deux chambres de pression (11, 12), côté charge et côté tige, du vérin pneumatique (10) par deux servo- distributeurs pneumatiques respectifs (20, 30), et - on adapte les gains des dispositifs de réglage (40a') à action PID correspondant aux servo-distributeurs pneumatiques respectifs (20, 30) conformément à un signal de détection de la course fourni par le détecteur (25) de course. 4. Dispositif de commande de vérin pneumatique (10), comprenant: - un vérin pneumatique (10) ; - au moins un servo-distributeur pneumatique (20, 30) alimentant en air et refoulant de l'air depuis au moins une chambre de pression (11, 12) du vérin pneumatique (10) ; - un détecteur (23, 33) de pression détectant une pression dans la chambre de pression (11, 12) ; un détecteur de course (25) détectant une course d'une tige (15) du vérin pneumatique (10) ; et - un dispositif de commande (40) qui commande le servo-distributeur pneumatique (20, 30) à l'aide d'au moins un dispositif de réglage (40a') à action PID, d'après une différence entre une valeur de détection de la pression fournie par le détecteur (23, 33) de pression et une valeur d'instruction, caractérisé en ce que le dispositif de commande (40) adapte un gain du dispositif de réglage (40a') à action PID en fonction d'un signal de détection de la course fourni par le détecteur (25) de course. 5. Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de commande (40) adapte un gain proportionnel proportionnellement à la course de la tige (15). 6. Dispositif de commande selon la revendication 4 ou 5, comprenant: deux servo-distributeurs pneumatiques (20, 30) et deux détecteurs de pression (23, 33), chaque paire étant reliée à l'une et l'autre des chambres de pression (11, 12), côté charge et côté tige, du vérin pneumatique (10) ; - deux dispositifs de réglage (40a') à action PID correspondant aux servo- distributeurs pneumatiques respectifs (20, 30) ; et - l'unique détecteur (25) de course.