Histereza i pętla histerezy – co to jest? Efekt, zjawisko histerezy w pneumatyce, przemyśle
Histereza to zjawisko fizyczne, polegające na tym, że odpowiedź układu na dane pobudzenie zależy nie tylko od aktualnych warunków, lecz także od jego wcześniejszej historii. Innymi słowy – parametr wyjściowy (np. ciśnienie, pozycja, natężenie przepływu) nie jest jednoznacznie powiązany z parametrem wejściowym, lecz zależy od drogi, jaką układ przeszedł, by osiągnąć daną wartość. Zjawisko to jest powszechnie spotykane w wielu dziedzinach techniki, w tym w automatyce przemysłowej, hydraulice i pneumatyce.
W pneumatyce histereza może wpływać na dokładność, powtarzalność oraz stabilność pracy urządzeń. Warto zrozumieć, skąd się bierze, jakie ma skutki oraz jak ją kontrolować.
Definicja i mechanizm histerezy
Najprościej mówiąc, histereza oznacza różnicę między punktami przełączania lub reakcją układu przy zmianie kierunku działania sygnału sterującego. Może występować w systemach mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, a także pneumatycznych.
W układach sterowania pneumatycznego zjawisko to może mieć charakter:
mechaniczny – wynikający z luzów (powoduje opóźnienia reakcji i przesunięcia punktów przełączania), tarcia (większe siły potrzebne do rozpoczęcia ruchu elementu niż do jego utrzymania) i sprężystości elementów (membrany, sprężyny, tłoczyska mogą gromadzić energię i uwalniać ją z opóźnieniem).
dynamiczny – wynikający z bezwładności i opóźnień w działaniu,
sterowniczy – związany z charakterystyką regulatorów, zaworów czy czujników.
Przykład: w regulatorze ciśnienia punkt otwarcia zaworu może wystąpić przy 6,2 bar, a punkt zamknięcia przy 5,8 bar. Ta różnica (0,4 bar) to właśnie histereza.
Histereza w przemyśle
W kontekście przemysłowym histereza jest jednocześnie:
problemem – gdy powoduje niepożądane odchylenia i zmniejsza precyzję,
funkcjonalnym zjawiskiem – gdy jest celowo wprowadzana, aby zapewnić stabilność i uniknąć oscylacji.
W wielu systemach sterowania histereza jest zamierzonym parametrem konstrukcyjnym, stosowanym m.in. w termostatach, presostatach czy regulatorach, aby uniknąć zbyt częstego przełączania elementów wykonawczych.
Histereza w zaworach pneumatycznych
W zaworach pneumatycznych histereza najczęściej objawia się jako różnica w reakcji zaworu podczas otwierania i zamykania. Przyczynami mogą być:
tarcie uszczelnień i prowadnic,
sprężystość membran lub tłoczków,
luz w układzie dźwigni,
lepkość medium (sprężonego powietrza z olejem lub kondensatem).
Skutki histerezy w zaworach pneumatycznych:
opóźnione reakcje układu,
zmniejszona precyzja pozycjonowania siłowników,
konieczność stosowania większego sygnału sterującego dla zmiany położenia.
W aplikacjach wymagających dużej dokładności (np. sterowanie pozycją w automatyce montażowej) histereza może powodować błędy rzędu kilku procent, co przy seryjnej produkcji jest nieakceptowalne. W takich przypadkach stosuje się zawory o minimalnej histerezie lub elementy kompensujące, np. zawory proporcjonalne z układami korekcyjnymi.
Histereza w sprężarkach śrubowych
W sprężarkach śrubowych histereza pojawia się głównie w układach sterowania ciśnieniem. Jeżeli sprężarka pracowałaby w trybie natychmiastowego reagowania na minimalne zmiany ciśnienia, prowadziłoby to do:
częstego załączania i wyłączania silnika,
szybszego zużycia elementów mechanicznych,
zwiększonego zużycia energii.
Dlatego producenci wprowadzają kontrolowaną histerezę w presostatach lub sterownikach. Przykład:
Sprężarka startuje, gdy ciśnienie spadnie poniżej 6,5 bar.
Wyłącza się, gdy osiągnie 7,5 bar. Różnica 1,0 bar jest tu histerezą, która pozwala utrzymać stabilną pracę i ograniczyć liczbę cykli start/stop.
Metody redukcji i kontroli histerezy
W układach pneumatycznych można ograniczać niepożądaną histerezę poprzez:
Optymalizację konstrukcji – dobór zaworów o niskim tarciu, uszczelnień o odpowiedniej charakterystyce, minimalizację luzów.
Stosowanie zaworów proporcjonalnych – pozwalają na płynne sterowanie przepływem i ciśnieniem, redukując efekt opóźnień.
Regularną konserwację – smarowanie, czyszczenie i kontrola stanu uszczelnień zmniejsza opory ruchu.
Kompensację w sterownikach PLC – oprogramowanie może uwzględniać histerezę i korygować sygnały sterujące.
Świadome wprowadzanie histerezy – aby uniknąć oscylacji w systemach wrażliwych na mikrozakłócenia. Wbrew pozorom, histereza nie zawsze jest wadą – w wielu urządzeniach wprowadza się ją świadomie, aby:
unikać zbyt częstego przełączania urządzeń (sprężarki, pompy, wentylatory),
tłumić oscylacje w regulatorach PID,
stabilizować sygnał w warunkach fluktuacji.
Przykład: w zaworze redukcyjnym ciśnienia ustawienie histerezy pozwala uniknąć efektu „polowania” (oscylacji ciśnienia wokół zadanej wartości), co zwiększa żywotność układu.
Przykład z praktyki – zawór sterujący w układzie podciśnienia
W zakładach produkcji opakowań stosuje się przyssawki pneumatyczne do podnoszenia arkuszy folii lub kartonu. Zawór sterujący może mieć histerezę rzędu 0,2 bar, co oznacza, że przy spadku podciśnienia poniżej -0,6 bar włącza się pompa próżniowa, a wyłącza dopiero po osiągnięciu -0,8 bar. Dzięki temu pompa nie pracuje w trybie ciągłego „włącz-wyłącz”, co wydłuża jej żywotność.
Graficzne zobrazowanie histerezy
Histerezę najlepiej widać na wykresach zależności sygnału wyjściowego od wejściowego. Charakterystyczną cechą jest to, że krzywa „w górę” (narastanie sygnału) nie pokrywa się z krzywą „w dół” (spadek sygnału) – powstaje pętla histerezy.
Przykład 1 – Zawór proporcjonalny
Podczas zwiększania sygnału sterującego zawór zaczyna się otwierać przy 3,0 V.
Przy zmniejszaniu sygnału zamyka się dopiero przy 2,7 V.
Różnica 0,3 V to histereza sterowania.
Przykład 2 – Sprężarka śrubowa
Presostat załącza sprężarkę przy 6,5 bar.
Wyłącza ją dopiero przy 7,5 bar.
Różnica 1,0 bar tworzy pętlę histerezy, która stabilizuje pracę systemu.
Takie wykresy pomagają serwisantom szybko ocenić, czy histereza mieści się w dopuszczalnych parametrach producenta.
Autor:
Jerzy Witkoś
Product Manager
Pneumat.
Autor:
Jerzy Witkoś
Product Manager
Pneumat.
