ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F15B9/12 

Изобретение относится к устройствам автоматического управления, а именно к электрогидравлическим системам управления движением выходных элементов гидродвигателей в зависимости от параметров входного управляющего сигнала.

Известны электрогидравлические системы управления (ЭГСУ), построенные на базе сумматора, электронного усилителя, электромеханического преобразователя, источника гидравлической энергии, гидроусилителя, выходные гидролинии которого соединены с исполнительным гидродвигателем - гидроцилиндром или гидромотором, выход которого через датчик обратной связи соединен с входом сумматора, которые в зависимости от характеристик элементов работают в линейном режиме (см. Гамынин Н.С., Жданов Ю.К., Климашин А.Л. Динамика быстродействующего гидравлического привода. - М.: "Машиностроение", 1979. - 7 с. [1]) или в режиме широтно-импульсной модуляции (см. Денисов Л.А., Нагорный B.C. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. - М.: "Высшая школа", 1978 - 195 с. [2]), где в ЭГСУ формируются мультивибратором вынужденные колебания. Частота колебаний и глубина модуляции - амплитуда колебаний входных и выходных сигналов звеньев жестко фиксируются параметрами модулятора - мультивибратора. Выбор оптимальных параметров колебаний, с целью линеаризации нелинейпостей и повышения быстродействия ЭГСУ ограничен конструктивными параметрами линеаризуемых звеньев - электромеханического преобразователя, гидроусилителя, исполнительного гидродвигателя (см. Гидравлический следящий привод. / Гамынин Н.С., Каменир Я.А., Коробочкин Б.Л. и др. - М.: "Машиностроение", 1968. - С.480-494 [3]). Недостатком таких систем является относительно невысокое их быстродействие.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности является ЭГСУ (см. Динамика и точность функционирования тепломеханических систем: Сб. научн. тр. / Тульский политехнический ин - т. - Тула, 1980. - С.131-133 [4]), принятая за прототип и приведенная на фиг.1, которая содержит последовательно соединенные: первый сумматор 1 с первым входом, являющимся входом управляющего воздействия для ЭГСУ, релейный элемент как частный случай - усилитель с большим коэффициентом усиления 2, второй сумматор 3, релейный усилитель мощности 4, механизм управления 5, регулируемый насос 6, гидромотор 7, причем выход релейного усилителя мощности 4 подключен через апериодический фильтр 8 ко второму входу второго сумматора 3, а выход механизма управления 5 через датчик положения 9 (датчик угла) подключен ко второму входу первого сумматора 1.

Соответствующим выбором параметров усилителя 2, релейного усилителя мощности 4 и апериодического фильтра 8 формируется автоколебательный режим работы ЭГСУ с частотой автоколебаний (25÷40) Гц на выходе механизма управления 5, обеспечивающий повышение быстродействия по сравнению с ЭГСУ [2], а также линеаризацию трения и люфтов в элементах.

Недостатком известной ЭГСУ [4] является ограниченная возможность формирования оптимальных параметров частоты переключений и амплитуды автоколебаний по сигналу с выхода механизма управления 5 на вход регулируемого насоса 6. В прототипе реализуется диапазон частоты автоколебаний (25÷40) Гц и практически получаемая, соответственно, амплитуда колебаний составляет (9÷6)% от максимального значения сигнала с выхода механизма управления 5, что определяет наличие вибрации, воздействующей на гидромеханическую часть ЭГСУ и проходящей на ее выход.

Изобретение направлено на снижение вибрации и повышение надежности в эксплуатации быстродействующей ЭГСУ, работающей в автоколебательном режиме, формирование оптимальных параметров автоколебаний - увеличение частоты и уменьшение амплитуды колебаний по сигналу с выхода механизма управления на вход регулируемого насоса. Появление дополнительных возможностей для формирования оптимальных параметров амплитуды и частоты в режиме автоколебаний позволяет расширить номенклатуру применения серийных и вновь разрабатываемых насосов в быстродействующих ЭГСУ без их доработки, что снизит себестоимость разрабатываемых ЭГСУ.

Это достигается тем, что в ЭГСУ, содержащую последовательно соединенные первый сумматор с первым входом, являющимся входом управляющего воздействия для ЭГСУ, усилитель, второй сумматор, релейный усилитель мощности, механизм управления, регулируемый насос, гидродвигатель, причем выход релейного усилителя мощности подключен через апериодический фильтр ко второму входу второго сумматора, а выход механизма управления подключен к датчику положения, введено корректирующее звено с передаточной функцией W:

где ξ - параметр затухания, должен быть в пределах 0,7÷0,9;

T₁, Т₂ - постоянные времени, с;

р - оператор дифференцирования;

T₁=(0,75÷0,8)¹/ω,

где ω - значение угловой частоты сигнала на первом входе первого сумматора, при котором фазовое запаздывание сигнала на выходе датчика положения 9 равно 180° для корректирующего звена с значением передаточной функции W=1,1/с;

T₂=(0,71÷0,77)Т₁,

причем вход корректирующего звена подключен к выходу датчика положения, а выход подключен ко второму входу первого сумматора.

Изобретение подтверждается чертежами. На фиг.1 приведена функциональная схема прототипа, на фиг.2 - функциональная схема ЭГСУ, на фиг.3 - вариант исполнения корректирующего звена с передаточной функцией (1) для сигнала постоянного тока, поступающего с выхода датчика положения 9 на вход корректирующего звена.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с указанным выше результатом, заключаются в следующем.

ЭГСУ (фиг.2) содержит последовательно соединенные: первый сумматор 1 с первым входом, являющимся входом управляющего воздействия ЭГСУ, усилитель 2, второй сумматор 3, релейный усилитель мощности 4, механизм управления 5, регулируемый насос 6, гидродвигатель 7, причем выход релейного усилителя мощности 4 подключен через апериодический фильтр 8 ко второму входу второго сумматора 3, а выход механизма управления 5 через датчик положения 9 подключен к входу корректирующего звена 10, имеющего передаточную функцию (1) с значением параметров: параметра затухания ξ в пределах (0,7÷0,9), постоянной времени T₁=(0,75÷0,8)¹/ω, где ω - значение угловой частоты сигнала на первом входе первого сумматора, при котором фазовое запаздывание сигнала на выходе датчика положения 9 равно 180° для корректирующего звена с значением передаточной функции W=1, постоянной времени Т₂=(0,71÷0,77)T₁, а выход корректирующего звена 10 подключен ко второму входу первого сумматора 1.

Работа ЭГСУ осуществляется следующим образом.

В замкнутом внутреннем контуре ЭГСУ, образованным сумматором 3, релейным усилителем мощности 4 с обратной связью по току через апериодический фильтр 8, формируются автоколебания относительно высокой частоты от 300 до 600 Гц, обеспечивающие повышение быстродействия электромагнитного преобразователя механизма управления 5.

Во внешнем контуре ЭГСУ, содержащем дополнительно к внутреннему контуру первый сумматор 1, усилитель 2, механизм управления 5 с обратной связью по положению регулирующего органа регулируемого насоса 6 с выхода механизма управления 5 через датчик положения 9 и корректирующее звено 10 на второй вход сумматора 1, формируются автоколебания с частотой до 70 Гц и амплитудой (2÷4)% от максимального значения выходной величины сигнала с выхода механизма управления 5. Указанные параметры автоколебаний достигаются регулировкой коэффициента усиления усилителя 2, коэффициента передачи датчика положения 9 и выбором заявленных передаточной функцией (1) параметров корректирующего звена 10. Корректирующее звено (фиг.3) выполнено на операционном усилителе 11. Вариант реализации передаточной функции корректирующего звена W определяется отношением сопротивления передачи в цепи обратной связи резистора 12 с значением сопротивления R_OC к сопротивлению передачи входной цепи с значением сопротивления, определяемым конфигурацией RC-цепочки из конденсаторов 13, 14 с величиной емкости С1 и С2, резисторов 15, 16 с значением сопротивления R1 и R2 (см. Микросхемы интегральные полупроводниковые. Серия 140 (1УТ402). Руководство по применению РД11.бКО.342.007-72 С.248-255 [5]). Значения параметра затухания ξ и постоянных времени T₁, Т₂ передаточной функции (1) корректирующего звена обеспечиваются выбором номинальных значений параметров элементов С1, С2, R1, R2, R_OC, удовлетворяющих соотношениям [5]:

где W - передаточная функция корректирующего звена 10;

К(р) - значение передаточной функции корректирующего звена 10;

р - оператор дифференцирования;

Z_O(p) - сопротивление передачи в цепи обратной связи с значением сопротивления резистора 12 R_OC, Ом;

Z₁(p) - сопротивление передачи входной цепи, определяемое соотношением:

где R1, R2 - значение сопротивления резисторов 15 и 16, соотношение которых должно удовлетворять условиям R1=R2, R1+R2=R_OC, Ом;

Т₁, Т₂, Т₃ - постоянные времени, с;

ξ - параметр затухания,

где ω - значение угловой частоты сигнала на первом входе первого сумматора, при которой фазовое запаздывание сигнала на выходе датчика положения равно 180° для корректирующего звена 10 с значением передаточной функции W=1,1/с;

С1 и С2 - значение емкости конденсаторов 13 и 14, Ф;

Т₂=(0,71÷0,77)T₁=0,5R1·C1;

Т₃=2ξТ_1:

Знак минус функции К(р) учитывается при формировании сигнала отрицательной обратной связи от датчика положения 9, а значение сопротивления резистора 17: R=R_OC(R1+R2)/(R_OC+R1+R2).

Уменьшение амплитуды и повышение частоты автоколебаний на выходе механизма управления 5 (фиг.2) при работе с корректирующим звеном 10 существенно снижает вибрацию в ЭГСУ, повышает надежность ее эксплуатации, кроме того, обеспечивается быстродействие и линеаризация нелинейностей механизма управления 5, регулируемого насоса 6, гидродвигателя 7, а именно люфтов, трения, зоны нечувствительности, гистерезиса, при этом достигается более высокая полоса пропускания всей ЭГСУ, работающей в широтно-импульсном автоколебательном режиме.

Таким образом, в заявляемой ЭГСУ осуществляется уменьшение в (1,3÷2) раза амплитуды автоколебаний по сигналу с выхода механизма управления 5 и соответствующее увеличение частоты автоколебаний в контуре управления ЭГСУ, за счет чего существенно уменьшается вибрация, при этом обеспечивается быстродействие, линейность характеристик, снижаются нагрузки на элементы ЭГСУ, появляется возможность для расширения номенклатуры применения серийных и вновь разрабатываемых регулируемых гидронасосов, гидрораспределителей с адаптацией их к автоколебательному режиму работы в высокоточных быстродействующих приводах.

Заявляемое техническое решение опробовано в структуре ЭГСУ с управлением подачей серийного аксиально-поршневого насоса объемного регулирования Н32РДМ, опытного аксиально-плунжерного насоса АЮИЖ.063234.026, имеющего более высокие утечки, но, вместе с тем, более технологичного и простого в обслуживании. При этом получены параметры автоколебаний амплитуды на выходе механизма управления (2÷4)% от максимального поворота регулирующего элемента насоса с частотой (50÷70) Гц со снижением вибрации, воздействующей на гидромеханическую часть ЭГСУ.

Заявляемое техническое решение обеспечило восстановление работоспособности ранее изготовленной ЭГСУ в период эксплуатации на объекте за счет введения корректирующего звена с передаточной функцией (1).

ЛИТЕРАТУРА

1 Гамынин B.C., Жданов Ю.К., Климашин А.Л. Динамика быстродействующего гидравлического привода. - М.: "Машиностроение", 1979. - 7 с.

2 Денисов А.А., Нагорный B.C. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. - М.: "Высшая школа", 1978. - 195 с.

3 Гидравлический следящий привод. / Гамынин Н.С., Каменир Я.А., Коробочкин Б.Л. и др. - М.: "Машиностроение", 1968. - С.480-494.

4 Динамика и точность функционирования тепломеханических систем: Сб. науч. тр. / Тульский политехнический ин-т. - Тула, 1980. - С.131-133.

5 Микросхемы интегральные полупроводниковые. Серия 140 (1УТ402). Руководство по применению РД11.бКО.342.007-72 - С.248-255.

Система предназначена для автоматического управления движением выходных элементов гидродвигателей и может быть использована в регуляторах объемного и дроссельного гидропривода с электрической обратной связью по положению элемента, регулирующего расход, например в регулируемых насосах или гидрораспределителях, работающих в автоколебательном режиме. Система содержит последовательно соединенные первый сумматор с первым входом, являющимся входом управляющего воздействия для системы, усилитель, второй сумматор, релейный усилитель мощности, механизм управления, регулируемый насос, гидродвигатель, причем выход релейного усилителя мощности подключен через апериодический фильтр ко второму входу второго сумматора, а выход механизма управления подключен через последовательно соединенные датчик положения и корректирующее звено ко второму входу первого сумматора. Технический результат - снижение вибрации и повышение надежности эксплуатации системы. 3 ил.

Электрогидравлическая система управления, содержащая последовательно соединенные первый сумматор с первым входом, являющимся входом управляющего воздействия для электрогидравлической системы управления, усилитель, второй сумматор, релейный усилитель мощности, механизм управления, регулируемый насос, гидродвигатель, причем выход релейного усилителя мощности подключен через апериодический фильтр ко второму входу второго сумматора, а выход механизма управления подключен к входу датчика положения, отличающаяся тем, что в нее введено корректирующее звено с передаточной функцией W

где ξ - параметр затухания должен быть в пределах 0,7÷0,9;

T₁, Т₂ - постоянные времени, с;

р - оператор дифференцирования;

T₁=(0,75÷0,8)¹/ω,

где ω - значение угловой частоты сигнала на первом входе первого сумматора, при котором фазовое запаздывание сигнала на выходе датчика положения равно 180° для корректирующего звена с значением передаточной функции W=1,1/с;

Т₂=(0,71÷0,77)T₁,

причем вход корректирующего звена подключен к выходу датчика положения, а выход подключен ко второму входу первого сумматора.