Podręcznik

Pomimo bezspornego faktu, iż z analizy rysunku 40 nie można odnieść wrażenia, że aplikacja podobnego aktora w konkretnej aplikacji nie nastręczyłaby projektantowi specjalnych trudności, to jednak w praktyce tak może nie być. Zagadnienie prawidłowego doboru i montażu dotyczy również i innych siłowników pneumatycznych.
Po pierwsze, sterowanie siłownikiem pneumatycznym powinno wynikać z rodzaju przewidywanego charakteru pracy tego aktora. Na przykład przy pracy typu: maksymalne wydłużenie – maksymalne skrócenie muskułu, układ sterowania powinien zapewnić tylko dopływ sprężonego medium o odpowiedniej wartości ciśnienia (według danych producenta) dla uniesienia sugerowanego ciężaru oraz późniejszego opróżnienia z medium muskułu. Sama konstrukcja muskułu pneumatycznego zapewni żądane parametry unoszenie ciężaru na te dwie wysokości, wynikające z maksymalnego wydłużenia (l_max) i skrócenia muskułu (l_min). Jednak przy identycznym charakterze pracy, jak powyżej, ale żądaniu od muskułu dodatkowo dużej prędkości unoszenia ciężaru, projektant powinien zaproponować układ sterowania, który stosunkowo szybko napełni muskuł pneumatyczny medium pod ciśnieniem. Schematycznie oba układy sterowania pneumatycznego mogą niczym się nie różnić. Mogą zawierać tylko najprostszy zawór rozdzielający 3/2, który może być de facto elektrozaworem. (Czytelnik powinien przyzwyczaić się do tego, że w większości przypadków w praktyce będziemy mieć do czynienia właśnie ze sterowaniem elektropneumatycznym). Może nie istnieć potrzeba wykorzystania w takim proponowanym sterowaniu jakichkolwiek czujników, zaś załączanie i wyłączanie zaworu może realizować czasomierz (ang. Timer). Sterowanie muskułem dla uzyskanie tylko siły F₁ ilustruje rysunek 43.

Przy braku dopływu ciśnienia do siłownika (p₁=0; EZ=0; F₁=0) muskuł pneumatyczny pozostaje w spoczynku, czyli jest i maksymalnie wydłużony (l_max), co powoduje, że ciężar pozostaje na podstawie. W momencie zmiany stanu elektrozaworu (EZ=1) medium pod ciśnieniem p₁ oraz natężeniem przepływu Q napełnia muskuł pneumatyczny ($F_1\neq 0$) i ciężar jest podniesiony na maksymalną wysokość (l_min). Zamieszczony na rysunku 43 przebieg ciśnienia p₁ w zakresie czasów t₁ i t₂ pokazuje, że między momentem załączenia elektrozaworu (EZ=1) a osiągnięciem w siłowniku ciśnienia p₁ upłynął wyraźny czas t=t₂ – t₁, stanowiący opóźnienie w podnoszeniu ciężaru ku górze. Przyczyną może być źle dobrany elektrozawór pod kątem wartości natężenia przepływu sprężonego medium Q.
Jak wspomniano wcześniej żądanie nie tylko uzyskania siły F₁, ale i odpowiedniej prędkości unoszenia ciężaru v musi wymusić taki układ sterowania, który musi to zapewnić. Zaznaczmy, że ten „nowy” układ może nie tylko niewiele różnić się od zaproponowanego układu sterowania na rysunku 43, ale może być i takim sam. Różnica może wynikać tylko z zaproponowania „lepszego” elektrozaworu (EZ1 w miejsce EZ), czyli charakteryzującego się odpowiednią wielkością natężenia przepływu Q₁ przez zawór sprężonego medium. Pokazuje to rysunek 44.

Zaproponowanie „lepszego” elektrozaworu EZ1, charakteryzującego się większą wartością natężenia przepływu Q₁ spowodowało wyraźne skrócenie czasu narastania ciśnienia w siłowniku oraz moment maksymalnego skrócenia muskułu do długości lmin, co widać na charakterystyce ciśnienia p₁. Fakt zastosowania lepszego elektrozaworu EZ1 symbolizują grubsze linie ciśnienia dochodzące oraz wychodzące z elektrozaworu.
Po drugie, przy konieczności uzyskania uniesień ciężaru między skrajnymi długościami siłownika, czyli l_max i l_min dochodzimy do analogowej pracy muskułu pneumatycznego z rysunku 40 (pracę muskułu z rysunków 43 i 44 nazwiemy po prostu dwustanową). Już prosty układ sterowania muskułu przy użyciu elektrozaworu EZ (lub EZ1) oraz prostego czasomierza, który w odpowiednich interwałach czasowych wygeneruje na przemian sygnały ON i OFF (EZ=1 lub EZ=0) tego nie zapewni. Zaproponowany na rysunku 42 czujnik o sygnale analogowym CZ_anal do kontroli wysokości unoszonego ciężaru musi współdziałać z odpowiednim układem sterowania, najlepiej mikroprocesorowym z wbudowanym algorytmem oraz z zaworem proporcjonalnym przepływu, który będąc „wrażliwym” na sygnały sterujące z mikroprocesora zapewni napełnianie oraz opróżnianie muskułu, aby można było podnosić i opuszczać ciężar na żądaną wysokość. Oczywiście ten nowy układ sterowania w zależności od potrzeby może i zapewnić sterowanie dwustanowe muskułem pneumatycznym według rysunku 43 lub 44. Bardziej rozbudowany układ sterowania muskułem z czujnikiem analogowym CZ_anal ilustruje rysunek 45. 

Jeden z wariantów widocznego na rysunku 45 sterowania muskułem pneumatycznym może przebiegać następująco: po ustaleniu przez użytkownika wysokości h, na którą powinien być podniesiony ciężar (oczywiście taka informacja jest de facto daną zapisaną w algorytmie sterowania) uruchomione zostają dwa podprogramy: pierwszy podprogram zwiększa napięcie sterujące U_ster (które jest podawane na wejście elektrozaworu EZP_przepł), zaś drugi podprogram zaczyna porównywać napięcie U_wej pochodzące z czujnika CZ_anal z wartością odpowiadającą żądanej przez użytkownika wysokości uniesienia ciężaru h. 
Rezultatem końcowym opisanego wyżej działania tych dwóch podprogramów jest zatrzymanie napełnienia muskułu pneumatycznego w momencie, w którym sygnał z czujnika CZ_anal wskaże w postaci odpowiedniej wartości napięcia U_wej osiągniętą przez ciężar wysokość h. 
Należy zaznaczyć, że obowiązkowymi parametrami, które pozwolą, aby elektrozawór proporcjonalny przepływu o działaniu takim, jak na rysunku 45 mógł być w ogóle wykorzystany są m.in. zakres regulacji wartości natężenia przepływu sprężonego medium Q, zakres ciśnienia roboczego p oraz zakres napięcia U_ster (lub prądu I_ster), którymi możemy taki elektrozawór wysterować. Zamieszczona na rysunku 45 charakterystyka pokazuje, że użyty EZPp_rzepł charakteryzuje się zakresem regulacji natężenia przepływu wynoszącym 0÷20 l/min oraz zakresem napięcia sterującego U_ster wynoszącym 1÷10V. Zakres ciśnienia roboczego p, które musi być nieustannie dostarczane do elektrozaworu proporcjonalnego EZP_przepł może być taki, jak na rysunku 46.

Uważny Czytelnik zauważy, że zamieszczona na rysunku 45 charakterystyka elektrozaworu EZP_przepł pokazuje również i to, że doprowadzając do tegoż zaworu na przemian napięcie U_ster o wartości minimalnej i maksymalnej można osiągnąć sterowanie dwustanowe, jak na rysunku 43 i 44. W praktyce tak to wygląda. Elektrozawory proporcjonalne przepływowe, które mogą precyzyjnie sterować położeniem „analogowym” siłowników pneumatycznych, np. przy wszelakim pozycjonowaniu, mogą i również sterować takimi siłownikami dwustanowo.
Można zadać pytanie, czy przedstawiona wyżej dyskusja dotycząca wykorzystania muskułu pneumatycznego (jak i innych w istocie aktorów pneumatycznych) wyczerpuje zagadnienie w zakresie ich prawidłowego doboru i montażu? Odpowiedź brzmi: nie. Co nastąpi bowiem, w przypadku, gdy ciężar uwidoczniony na rysunku 45 będzie podnoszony i opuszczany z dużą prędkością? Można sobie wyobrazić, że zanotujemy wtedy oscylacje ciężaru, który owszem, osiągnie wysokość h, ale to położenie nigdy nie będzie stabilne. W przypadku siłownika pneumatycznego typu sztuczny muskuł, „niechlubną” rolę w drganiach odgrywać będzie materiał, z którego wykonane są „ścięgna” muskułu, zaś w przypadku siłownika tradycyjnego rolę w drganiach może odgrywać przede wszystkim bezwładność tłoczyska siłownika lub/i elementów do niego zamontowanych. Trzymając się dalej wykorzystaniem sztucznego muskułu w udzielaniu wyjaśnień Czytelnikowi zaproponujemy układ sterowania z muskułem pomocniczym, pracującym „w komplecie” z muskułem głównym. Odpowiednie sterowanie tym „tandemem” muskułów wyeliminuje drgania unoszonego i opuszczanego ciężaru. Koncepcję taką zilustrowano na rysunku 47.

Działanie tych dwóch wspólnie działających muskułów pneumatycznych z rysunku 47 polega na tym, że podczas gdy następuje zwiększanie ciśnienia medium w jednym muskule, to w tym samym momencie następuje również odpowiednie jego zwiększanie i w drugim muskule. Oczywiście takie sterowanie tym tandemem muskułów realizuje algorytm, zaimplementowany w kontrolerze mikroprocesorowym. Rola czujnika CZ_anal jest zachowana. Dostarcza on sygnału analogowego U_wej celem porównania tej wartości z wartością będącą ekwiwalentem żądanej przez użytkownika wysokości uniesienia ciężaru. Ponieważ widoczna na rysunku 47 dźwignia łącząca obie ruchome części muskułów wpływa mechanicznie stale na oba siłowniki pneumatyczne, to przy właściwie utworzonym programie sterującym, który dokonuje precyzyjnego dozowania medium do muskułów, nie wystąpią oscylacje ciężaru, a jeżeli nawet to „zgasną” szybciej, niż by to miało miejsce przy jednym muskule.    
Należy podkreślić, że powyższe przykłady pokazały kilka podejść projektanta układów pneumatycznych do adaptacji aktorów pneumatycznych na przykładzie sztucznych muskułów. Wszystko powyższe można odnieść do tradycyjnych siłowników pneumatycznych, zarówno jednostronnego jak i dwustronnego działania i ich wielu odmian oraz konfiguracji układowych. Można zadać kolejne pytanie: czy przedstawione przykłady wyczerpują zagadanie w zakresie ich prawidłowego doboru i montażu? Odpowiedź po raz kolejny brzmi: nie. Jest tak dlatego, że mnogość zastosowań aktorów pneumatycznych jest tak wielka, że aby to opisać niniejsza publikacja byłaby zbyt obszerna jak na jej podstawowe zadanie, które autor sobie założył do spełnienia. Na przykład przy adaptacji aktorów pneumatycznych w pojazdach mobilnych bezzałogowych oraz jednocześnie i niewielkiej masie, ważnym zagadnieniem może być sama waga aktora oraz jego sterowania, które powinny cechować się jak najmniejszą wagą. Z kolei waga aktorów i ich sterowania nie powinna być istotna w sterowaniu procesami produkcyjnymi, ale tutaj może chodzić o jak największą siłę do uzyskania oraz precyzję nastawiania aktorów.