Разработка структуры и содержания лекционных

Разработка структуры и содержания лекционных, лабораторных и
практических занятий по дисциплине «Динамика и регулирование гидрои пневмоситем», учитывающих результаты научных исследований
кафедры автоматических систем энергетических установок.
Гидравлические и пневматические привода получают все более
широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, что тесно
связано с растущим количеством комплексной автоматизации.
При достигнутом высоком ровне параметров рабочего процесса
двигателей дальнейшее улучшение характеристик силовых установок
связано с совершенствованием систем управления. Такие примеры можно
видеть уже в автомобилестроении, когда эффективность во многом
повышается вследствие совершенствования системы управления.
Возрастание
требований
к
автоматическим
системам
является
основной причиной углубленного изучения свойств гидравлических и
пневматических устройств, развития методов расчета систем, построенных с
использованием этих устройств. Особое внимание привлекают динамические
процессы, протекающие в таких системах.
Особое внимание уделяется гидросистемам в связи с более жесткими
требованиями
к
проектированию
вследствие
больших
мощностей
гидропривода и в связи с возможностью переноса методов расчета к
пневмосистемам.
В связи с бурным развитием в последнее время электроприводов,
современный гидропривод требует повышения энергоэффективности и
гибкости управления. Данные требования превращают гидропривод в
современное мехатронное устройство и как следствие, предъявляют новые
методы и средства проектирования.
Анализ структуры содержания курса
Пневмогидравлическую систему можно представить как некую
конструкцию взаимосвязанных элементов, рабочим телом в которых
является газ или жидкость. Работа такой системы сопровождается
изменением физических параметров, как конструктивных элементов, так и
рабочего тела. К параметрам конструктивных элементов можно отнести
перемещение (или координату) колебательного элемента, скорость его
движения, развиваемое усилие, частоту вращения выходного вала, например
гидромотора, потребляемую мощность, определяемую как произведение
крутящего момента и частоты вращения, характеризующие динамический
процесс в системе. Параметрами рабочего тела (газа или жидкости) являются
давления, перепады давлений, расход газа или жидкости. По изменению во
времени указанных параметров конструктивных элементов и рабочего тела
определяется показатели динамических свойств ПГС.
Системы
с
гидро-
и
пневмоприводами
во
время
эксплуатации
подвергаются управляющим и возмущающим воздействиям, характерным
для каждого типа объектов регулирования или управления. При этом в
объектах происходят динамические процессы, которые не должны выходить
за
рамки
допустимых
ограничиваемых
границ
процессов,
по
координате
динамические
регулируемых
процессы
должны
или
быть
устойчивыми, причем с определенным запасом по фазе и модулю.
В большинстве гидравлических (пневмо) систем, для управления
скоростью и/или усилием нагрузки используют дросселирующие клапаны,
которые сбрасывают давление или уменьшают расход.
Повышение энергетической эффективности и одновременного снижения
габаритов и массы привели к появлению новых методов и средств
управления потоком рабочей жидкости, основанных на использовании
дискретной техники. Клапаны дискретного действия относительно просты,
дешевы и надежны. По данным зарубежных источников применение таких
средств позволяет повысить КПД гидропривода на десятки процентов. В
настоящее время работы по созданию и совершенствованию таких устройств
и методов управления ими проводятся в ряде ведущих исследовательских
центров мира, в том числе и на кафедре автоматических систем
энергетических установок. Одной из актуальных схем является применение
дискретных регуляторов с инерционным элементом, работающих в режиме
широтно-импульсной модуляции. Как показали исследования модели, а
также
предварительные
испытания,
существенное
влияние
на
характеристики системы оказывают волновые явления. В связи с этим,
актуальным является разработка эффективных методов и средств снижения
пульсаций давления рабочей жидкости. С этой целью на кафедре проводятся
исследования в области разработки активных систем гашения пульсаций,
шума и вибраций.
Очень
важно
наряду
с
изучением
динамики
устройств
гидропневмосистем проводить исследования в области разработки систем
автоматического
управления,
обладающими
возможностью
настройки
регуляторов, адаптирующие к изменениям системы.
Проводимые на кафедре научные исследования позволили определить
перечень важных разделов для изучения магистрантами:
 Дроссельное и объемное регулирование.
 Следящий гидропривод
 Активные системы гашения шума и пульсаций
 Дискретные системы усиления расхода и давления
Электрогидравлический сервопривод
Одним из важных аспектов развития гидропривода в мире является
управление перемещением. Электрогидравлические следящие приводы с
дроссельным
регулированием
широко
применяются
в
современных
автоматических системах управления летательных аппаратов, роботах,
манипуляторах, металлорежущих станках, испытательных машинах и других
технических объектах. Поэтому студентам приобретение знаний по
проектированию следящих гидроприводов и исследованию их динамических
свойств является обязательным, чтобы стать высокопрофессиональным
специалистом в этой области.
Современные
привода
(гидроцилиндры)
превращаются
с
высокотехнологичные мехатронные устройства, сочетающие в одном узле
сервоклапана, электронные устройства и датчики обратной связи. Постоянно
повышается
точность
перемещения,
ресурс
привода
вследствие
использования новых схем перемещения (полимерные, гидростатические
подшипники).
Частоты
перемещения
современных
сервоприводов
(сервоактуаторов) достигают 400 -500 Гц.
Рисунок 5.8 – Структура электрогидравлического сервопривода
Узлы и база
Датчик силы
Сервоклапана
Гидроаккумуляторы
Распределительные
блоки
Пример привода с датчиком
силы и сферическими узлами
Рисунок 5.9 – Схема электрогидравлического сервопривода
Рисунок 5.10 – Электрогидравлический сервопривод (слева) и миниатюрный
сервопривод с датчиком перемещения (справа)
Магистранты должны уметь выбирать параметры и рассчитывать
электрогидравлический привод, моделируя динамические процессы и
оценивая качество управления.
Рисунок 5.11 – Сервопривод MOOG с
гидростатическими подшипниками,
предназначенный для ресурсных испытаний
Рисунок 5.12 – Авиационный
рулевой гидропривод
Гидроусилитель золотникового типа
Одним
гидропривода
из
основных
элементов
современного
сервоклапан.
Студенты
должны
знать
регулирования
конструкции
современных клапанов и иметь знания для расчета подобных клапанов.
Рисунок 5.13 – Схема
типа(гидроусилителя)
и
разрез
сервоклапана
золотникового
Гидроусилитель типа сопло-заслонка состоит из сопел, которые вместе с
подвижной заслонкой образуют два регулируемых щелевых дросселя,
Вся система нужна для того, чтобы на входе мог быть использован
маломощный электрический командный сигнал от задающей электронной
аппаратуры.
Этот
сигнал
подается
на
обмотки
миниатюрного
электромеханического преобразователя в результате чего происходит
отклонение заслонки. До ее отклонения обе дросселирующие ветви А и В
имели одинаковые сопротивления и пропускали одинаковые расходы. После
отклонения сопротивление сопла, к которому приблизилась заслонка,
увеличивается и расход через него уменьшается. Расход в другой ветви
возрастает. При этом возникает неравенство давлений на золотнике. Эта
разница давлений вызывает смещение золотника, что в конечном итоге
приводит в действие гидроцилиндр.
Если в такой системе на выходе исполнительного механизма,
предусмотрен
датчик
обратной
связи,
то
она
будет
представлять
электрогидравлическую следящую систему.
Дискретные системы усиления расхода и давления
Одним из энергетически эффективных средств управления давлением и
расходом является коммутируемое инерционное устройство (КИУ), который
позволяет менять расход и давление с минимальными потерями энергии.
Аналогично гидравлическому трансформатору (или конвертеру) КИУ может
обеспечить повышение или понижение давления или расхода.
Действие КИУ основано на использовании реактивных свойств,
присущих гидравлическим компонентам. КИУ подобно электрическому
импульсно-индуктивному преобразователю, в котором выходное давление
(эквивалент напряжения) и выходной расход (эквивалент тока) могут быть
ступенчато повышены или понижены. Повышение давления связанно с
понижением расхода, а понижение давления связанно с повышением
расхода.
КИУ может использоваться в нескольких режимах, все из которых, как
правило, требуются в гидравлических системах:
необходимо, для обеспечения параллельной работы разных устройств от
общего питания, например, на экскаваторе, где могут быть задействованы
ковш, стрела и колеса.
- Для обеспечения переменного расхода от насоса постоянной
производительности. Это может быть использовано для контроля скорости
гидромотора или лебедки.
- Для получения источника переменного давления от источника
постоянного давления. Это может быть использовано для управления
скоростью и силой одного или нескольких устройств, питающихся от
источника постоянного давления, таких как ковш и стрела на экскаваторе.
HP supply port
Delivery port
LP supply port
Inertance tube
Switching
valve
Load
Reservoir
(a) Hydraulic circuit
Supply
Load
(b) Electrical equivalent
Рисунок 5.14 – Схема усилителя расхода
Усилитель расхода может вырабатывать модулированное давление и
расход от постоянного источника давления подобно пропорциональному
клапану.
Однако,
при
циклическом
переключении
клапана
источниками высокого и низкого давления возникают пульсации.
между
Системы активного гашения шума, вибраций и пульсаций
Методы активной борьбы с шумом дополняют традиционные методы
для подавления низких частот. В этих системах широко применяются
адаптивные фильтры. Используемы алгоритмы независимо от области
применения практически одинаковы, будь то гашения воздушного шума,
вибрации или пульсаций жидкости и газа. В каждом конкретном случае
будут отличаться исполнительные механизмы, датчики и корректирующие
устройства. Однако адаптивные алгоритмы в силу наличия механизмов
обратной связи характеризуются повышенной нестабильностью в некоторых
областях применения.
На практике чаще всего применяют модификации алгоритмов LMS
(LeastMeanSquare,
метод
наименьших
квадратов,
в
отечественных
источниках иногда используется аббревиатура МНК), в частности алгоритм
наименьших средних квадратов с формированием опорного сигнала (FXLMS алгоритм), использующий включенную в параллель к объекту
управления модель его передаточной функции (модель вторичного канала).
Все способы использования адаптивных фильтров, так или иначе, сводятся к
решению задачи идентификации, то есть определения характеристик
некоторой системы. В области развития гидропривода также становятся
актуальными системы активного гашения пульсаций, так как появляются
технологии реализации новых методов и средств управления потоком
рабочей жидкости на использовании дискретной техники.
Рисунок 5.15 – Схема алгоритма активного гашения шума
Рисунок 5.16 – Схема алгоритма идентификации передаточной функции
объекта управления
Важным требованием в адаптивных алгоритмах является наличие
опорного сигнала наиболее коррелированного с источником шума. В случае
если это акустический датчик то остро стоит проблема акустической
обратной связи, решению которой и посвящено множество работ.
Моделирование динамических характеристик гидропневмосистем
Моделирование
осуществляется
на
персональном
компьютере
с
применением программного комплекса SIMULIK, AMESIM, SimulationX.
Магистранты должны моделировать практическую задачу и далее оценивать
результаты на экспериментальных стендах.
Рисунок 5.17 – Интерфейс программы SimulationX и AMESim
Разработка систем управления
Разработка
систем
управления
осуществляется
с
применением
программного комплекса SIMULIK, LABVIEW, SimulationX. Помимо
моделирования в перечисленных пакетах, студенты имеют возможность
сконфигурировать в «железе» разработанный контроллер.
Разработка САР подразумевает следующие шаги:
• Разработка математической модели физической системы
• Анализ модели – исследование динамических характеристик
• Создание
регулятора
для
достижения
заданных
динамических
LabVIEW Real-Time Control
характеристик
LabVIEW System Identification Toolkit
Stimulus
DAQ
Response
LabVIEW Control Design Toolkit
LabVIEW Simulation Module
and
Setpoint
LabVIEW
Real-Time
System
ID
Control
Design
Controller
Model
DAQ
Output
DAQ
Input
Рисунок 5.18 – Модули разработки систем управления в программе Labview
Данные шаги возможно промоделировать и внедрить на аппаратной
Dr.Jovitha Jerome, Professor and Head, Dept. of I&CE, PSG College of Technology, Coimbatore
платформе с помощью следующих модулей Labview.
• System Identification toolkit – моделирование объекта
• LabVIEW Control Design toolkit – Анализ и синтез регулятора
• LabVIEW Simulation Module – Моделирование системы
• LabVIEW Real time module – Реализация на контроллере
Заключение
Основной задачей модернизации курса «Динамика и регулирование
гидросистем» является внедрение практических занятий, где студенты
смогут изучить современные средства управления в гидроприводе на
реальных практических задачах и провести моделирование данных систем с
целью дальнейшего сравнения результатов. Курс позволит повысить уровень
знаний для проектирования гидропневмоприводов.