Badanie aktuatora elektrohydraulicznego

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów Przemysłowych
- laboratorium
Ćwiczenie 1
„Badanie aktuatora elektrohydraulicznego”
Instrukcja laboratoryjna
Opracował : mgr inż. Arkadiusz Winnicki
Warszawa 2010
Badanie aktuatora elektrohydraulicznego
Celem ćwiczenia jest uruchomienie i przebadanie aktuatora elektrohydraulicznego
serwonapedu tłokowego w wersji dławieniowej i objetościowej (wyporowej). Badanie
wpływu obciążenia masowego na wybrany wskażnik jakości pozycjonowania przestawnego.
1. WPROWADZENIE
Układem hydraulicznym określa się wszystkie układy, w których czynnikami roboczymi są ciecze. Ważnymi zaletami urządzeń hydraulicznych są łatwość uzyskiwania bardzo
dużych sił, niezawodność działania oraz prostota i mała pracochłonność obsługi. Duży stosunek mocy wyjściowej do ciężaru urządzenia hydraulicznego sprawia, że urządzenia takie są
szczególnie przydatne wszędzie tam, gdzie wymagane jest dokładne sterowanie ruchu, a
także wówczas, gdy dopuszczalne rozmiary i ciężar układu są ograniczone.
1.1.
Rodzaje układów sterowania
Ze względu na sposób dokonywanego sterowania w układach hydraulicznych można
je podzielić na sterowanie dławieniowe i objętościowe (wyporowe). Pierwsze polega na zastosowaniu w układzie zaworów umożliwiających ciągłą zmianę natężenia przepływu cieczy,
drugie na zastosowaniu pompy wyporowej o zmiennej wydajności. Układy sterowania można zaprojektować z elementów konwencjonalnych, serwozaworów przepływowych lub
ciśnieniowych oraz przy zastosowaniu zaworów proporcjonalnych.
1.1.1. Układ dławieniowego sterowania położenia
W układach regulacji położenia, zrealizowanych w technice serwo, stosuje się serwozawory przepływowe w charakterze zaworów z ciągłą zmianą natężenia przepływu. Na
rys.1.1 przedstawiono schemat ideowy elektrohydraulicznego układu regulacji położenia z
zastosowaniem serwozaworu przepływowego ze sterowaniem elektrycznym (wzmacniacz
elektrohydrauliczny).
Rys.1.1. Schemat ideowy elektrohydraulicznego układu regulacji położenia z zastosowaniem serwozaworu przepływowego ze sterowaniem elektrycznym; 1-zadajnik położenia,
2-wzmacniacz elektroniczny, 3-indukcyjny czujnik przemieszczeń,4-wzmacniacz przetwornika położenia,
5-siłownik, 6-serwozawór.
1
Zasada działania tego układu jest następująca. Wejściowy sygnał napięciowy u1 zadany zadajnikiem 1 jest porównywany we wzmacniaczu elektronicznym 2 z napięciowym
sygnałem sprzężenia zwrotnego u2 z przetwornika przemieszczeń liniowych 3, przy czym
wartość sygnału u2 jest proporcjonalna do położenia tłoczyska siłownika 5. Wytworzony we
wzmacniaczu elektronicznym napięciowy sygnał odchyłki u = u1 - u2 jest podawany bezpośrednio na cewki przetwornika elektromechanicznego serwozaworu przepływowego 6 lub
zostaje przetworzony na sygnał prądowy. W pierwszym przypadku mamy napięciowe, a w
drugim prądowe sterowanie serwozaworem. Z chwilą zadania tłoczysku siłownika 5 nowego położenia przez ustalenie zadajnikiem 1 sygnału u1 pojawia się napięciowy u lub prądowy i sygnał odchyłki, który przesterowuje serwozawór 6 do położenia przedstawionego np.
w lewej kratce rozdzielacza. W tym położeniu lewa komora siłownika zostaje połączona z
pompą (przyłącze P), a prawa ze zbiornikiem (przyłącze Z). Tłoczysko siłownika wysuwa
się tak długo, aż napięciowy sygnał sprzężenia zwrotnego u2 zrówna się z sygnałem u1.
Wtedy sygnał odchyłki u staje się równy zeru i suwak serwozaworu 6 zajmuje położenie
pokazane w środkowej kratce, w którym odcina siłownik zarówno od zasilania P jak
i zbiornika Z. Zatem każdej zadanej wartości napięcia u1 odpowiada ściśle określone położenie y tłoczyska siłownika, co odpowiada układowi regulacji położenia. Jeżeli zamiast położenia będziemy mierzyć prędkość tłoczyska, to wtedy otrzymamy układ regulacji prędkości
[4,5].
1.1.2. Układy objętościowego sterowania prędkością
Ten sposób sterowania prędkością tłoczyska siłownika hydraulicznego jest realizowane przez zmianę wydajności pompy hydraulicznej. Wymaga to zastosowania w układzie
pompy o zmiennej wydajności, bądź pompy o stałej wydajności lecz regulowanej prędkości
obrotowej. Zmianę prędkości obrotowej pompy można uzyskać poprzez zastosowanie przetwornicy częstotliwości.
Zmianę kierunku ruchu siłownika hydraulicznego można uzyskać przez zastosowanie
pompy o zmiennym kierunku tłoczenia lub umieszczenie między pompą o jednym kierunku
tłoczenia i siłownikiem hydraulicznym rozdzielacza, Na rys. 1.2 przedstawiono układ
z pompą o zmiennej wydajności 1, w którym zmianę kierunku ruchu siłownika hydraulicznego uzyskuje się za pomocą rozdzielacza 3 [5].
Rys.1.2. Schemat ideowy hydraulicznego objętościowego układu sterowania prędkością z pompą o
zmiennej wydajności; 1-pompa o zmiennej wydajności
2
1.2.
Serworozdzielacz
Rys. 1.3. Schemat serworozdzielacza; 1-silnik momentowy, 2-dysza, 3-suwak rozdzielacza [2].
Jednym z głównych elementów sterowania w układach hydraulicznych wykonanych
w technice serwo jest serworozdzielacz. Na ogół serworozdzielacz (rys.1.3) jest przynajmniej dwustopniowy. Zasadniczymi częściami są: silnik momentowy 1, wzmacniacz mechaniczno-hydrauliczny typu dysza-przysłona 2 oraz stopień mocy 3. Sygnał prądowy doprowadzany do silnika momentowego jest przekształcany w przemieszczenie przysłony, która w
stanie wysterowanym powoduje przydławienie wypływu z jednej dyszy, a zwiększenie wypływu - z drugiej. Powstała w ten sposób różnica ciśnień kaskadowych powoduje przesunięcie suwaka w stopniu mocy. W rezultacie odpowiednie krawędzie sterujące suwaka utworzą
pole przekroju przepływowego proporcjonalnego do wartości prądu sterującego. Wielkość
wyjściowa (pole przekroju przepływowego) serworozdzielacza w stanie ustalonym może być
proporcjonalna do prądowego sygnału wejściowego, czyli strumień objętości Q w kanałach
P-A (lub P - B) może być proporcjonalny do przemieszczenia suwaka, czyli też do prądu
sterującego. Jednak Q zależy silnie od spadku ciśnienia na krawędziach sterujących. Powyższy spadek ciśnienia, przy stałym ciśnieniu zasilania (kanał P) zależy od tzw. ciśnienia obciążenia (w kanale A lub B), które jest miarą wszystkich oporów związanych z ruchem napędzanego odbiornika, np. siłownika. Serworozdzielacze mają wzmocnienie około kilkaset
tysięcy i są najbardziej precyzyjniejszymi zespołami hydraulicznymi o wysokich właściwościach dynamicznych [1, 2].
1.3.
Kryteria oceny jakości sterowania
Ocena jakości sterowania pozycyjnego napędów maszyn hydraulicznych, opiera się
na kryteriach oceny bezpośredniej odpowiedzi układu w czasie na skokową zmianę wartości
sygnału zadającego. Z punktu praktycznej oceny jakości procesu pozycjonowania pożądana
jest minimalizacja wartości trzech podstawowych parametrów:
odchyłki ustalonej (statycznej) est
maksymalnej odchyłki przejściowej (przeregulowania) χ
czasu pozycjonowania tust
3
Dodatkowo często stosuje się całkowe wskaźniki jakości, jakimi są: ITAE (Integral
of Time Multipled with Absolute Error) i ITSE (Integral of Time with Square Error).
k oc
df
I ITAE = ∑ k e s ( k ) = min,
k =0
k oc
I ITSE = ∑ k [e s (k )] = min .
2
df
k =0
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
W ćwiczeniu należy uruchomić oraz przebadać aktuator elektrohydrauliczny serwonapędu tłokowego w wersji ze sterowaniem dławieniowym jak i objętościowym (wyporowym). Celem eksperymentu jest zbadanie wpływu obciążenia masowego, ciśnienia zasilania
oraz wielkości zadanego przemieszczenia na wybrane wskaźniki jakości pozycjonowania
przestawnego.
W ćwiczeniu do badań wykorzystany będzie komputer PC, w którym model sterowania napędu elektrohydraulicznego jest zaimplementowany w Matlab – Simulink, zaś do
akwizycji danych i sterowania napędu wykorzystana jest karta pomiarowo - kontrolna
DS1104 firmy dSpace.
W ćwiczeniu należy:
1. Wykonać charkterystykę czestotliwościową amplitudy i fazy
2. Zbadać wpływ ciśnienia zasilania na jakość pozycjonowania (czas regulacji, odchyłkę
ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE).
3. Zbadać wpływ zadanej wartości przemieszczenia tłoka siłownika na jakość pozycjonowania (czas regulacji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE).
4. Zbadać wpływ obciążenia masowego siłownika na jakość pozycjonowania (czas regulacji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE).
5. Zbadać wpływ obciążenia masowego siłownika na jakość pozycjonowania (czas regulacji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE) w przypadku
układu sterowania wyporowego.
6. Zastanowić się i opisać problemy i ograniczenia wynikające ze sterowania objętościowego (szczególnie przy małych prędkościach obrotowych pracy pompy hydraulicznej).
3. BIBLIOGRAFIA
[1] Lipski J.: Napędy i sterowanie hydrauliczne. WKŁ, Warszawa (1977)
[2] Mednis W.: Laboratorium hydraulicznych napędów i ich sterowania. Warszawa (1996)
[3] Olszewski M., Mednis W., Winnicki A., Wiśniewski P.: Niektóre ograniczenia zastosowania przetwornic częstotliwości w napędach elektrohydraulicznych. Konferencja Naukowo – Techniczna „Automatyzacja – Nowości i Perspektywy” AUTOMATION
’2006, Warszawa (2006), s. 432-438.
[4] Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT, Warszawa (1995)
[5] Pizoń A.: Hydrauliczne i elektrohydrauliczne układy sterowania i regulacji. WNT, Warszawa (1987)
[6] Winnicki A.: Opracowanie, wykonanie, oprogramowanie, uruchomienie i badanie właściwości regulacyjnych elektrohydraulicznego serwonapędu dławieniowego. Praca dyplomowa, Instytut Automatyki i Robotyk PW, Warszawa (2003)
4