ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ДРОССЕЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ОДНОКАСКАДНЫМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК F15B9/03 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к электрогидравлическим автоматическим системам, широко применяемым в различных отраслях техники, где требуется быстродействующий электрогидравлический привод (ЭГСП) дроссельного регулирования небольшой мощности (не более 1,5÷2 кВт). Это приводы систем управления беспилотных летательных аппаратов, приводы механизмов управления мощных гидромашин, приводы систем регулирования гидравлических и газовых турбин и ряд других применений. В качестве электрогидравлических усилителей мощности (ЭГУ) в таких приводах используются однокаскадные ЭГУ с золотниковыми гидрораспределителями (ГР) двух видов - с цилиндрическим золотником и с плоским золотником на упругом подвесе (ПЗ). Последний золотник обладает рядом преимуществ (технологичность, гарантированный зазор, отсутствие трения) (см. Разинцев В.И. «Электрогидравлические усилители мощности» М., «Машиностроение», 1980 г.).

Принципиальная схема однокаскадного ЭГУ с ГР в виде ПЗ изображена на рис.10 в вышеуказанной работе. В качестве прототипа будем рассматривать ЭГСП с однокаскадным ЭГУ с ГР в виде ПЗ и с исполнительным механизмом в виде гидроцилиндра (ГЦ) с электрическим датчиком обратной связи (ДОС) совместно с набором стандартной электронной аппаратуры, необходимой для реализации следящего режима работы привода.

ЭГСП-прототип содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель, на один вход которого подается управляющий сигнал, а другой вход через согласующую аппаратуру соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;

- электронный усилитель мощности, выход которого соединен с управляющей обмоткой электромеханического преобразователя;

- электромеханический преобразователь, якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя;

- регулировочный узел, кинематически связанный с якорем электромеханического преобразователя;

- гидрораспределитель, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;

- гидроцилиндр, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;

- согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидроцилиндра.

Недостатками вышеописанного ЭГСП являются:

1. Необходимость в регулировке коэффициента усиления по цепи управления от тока в обмотках электромеханического преобразователя (ЭМП) до координаты ГР из-за допусков моментной характеристики ЭМП и допусков на жесткость упругого подвеса ПЗ. Эта регулировка реализуется с помощью регулировочного узла (см. рис.10 в вышеуказанной книге).

2. Зависимость коэффициента усиления по скорости выходного звена ЭГСП (штока ГЦ) от величин давлений нагнетания и слива, от нагрузки на выходном звене исполнительного механизма ЭГСП и от температуры рабочей жидкости, что ухудшает статические и динамические характеристики ЭГСП.

3. Большой непроизводительный расход рабочей жидкости (до 40% от максимального расхода) из-за малых перекрытий по рабочим кромкам ПЗ, что обусловлено необходимостью обеспечить:

- малую зону нечувствительности скоростной характеристики ЭГСП;

- малую зону скоростной характеристики, в пределах которой из-за перекрытий ГР уменьшается коэффициент усиления в цепи ошибки контура привода при малых амплитудах управляющего сигнала и на малых частотах работы ЭГСП, что ухудшает его статические и динамические характеристики (Фомичев В.М. «Повышение характеристик золотниковых гидрораспределителей в области «нуля»» «Гидравлика и пневматика» №30(05) 2006 г.).

4. Сложность конструктивной реализации ограничения максимальной скорости выходного звена исполнительного механизма ЭГСП с помощью механических или гидравлических устройств. Указанное ограничение требуется в ряде автоматизированных систем управления (например, в системах управления летательными аппаратами).

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная задача решается тем, что заявленный следящий привод содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель, на один вход которого подается управляющий сигнал, а другой вход через согласующую аппаратуру соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;

- электронный усилитель мощности, выход которого соединен с управляющей обмоткой электромеханического преобразователя;

- электромеханический преобразователь, якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя;

- гидрораспределитель, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;

- гидроцилиндр, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи;

согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидроцилиндра,

При этом согласно изобретению:

- выход первого суммирующего операционного усилителя соединен с входом первого электронного корректирующего устройства, передаточная функция которого W_КУ1(s) имеет следующий вид:

,

где: u₁ - выходной сигнал первого электронного корректирующего устройства;

Δu₁ - входной сигнал первого электронного корректирующего устройства (выходной сигнал суммирующего операционного усилителя);

Δu₁=u_вх-u_oc1;

u_вх - управляющий сигнал на входе первого суммирующего операционного усилителя;

u_oc1 - выходной сигнал согласующей аппаратуры;

Т_к1, Т_к2, Т_к3 - постоянные времени передаточной функции W_KУ1(s).

Т_к1=(2÷4)Т_ср.

Постоянная времени Т_ср определяется по соотношению: ;

ω_ср - частота, на которой амплитудная частотная характеристика разомкнутого внешнего контура следящего привода пересекает ось частот;

T_к2=(2÷4)T_к1; ;

f_раб - частота, в пределах которой нормируются динамические характеристики ЭГСП;

- выход первого электронного корректирующего устройства соединен с входом электронного блока ограничения, реализующего следующую функциональную зависимость выходного сигнала (u₂) от входного сигнала (u₁):

;

- максимальная скорость холостого хода (без нагрузки) выходного звена ЭГСП при номинальных значениях давлений нагнетания и слива и при нормальной температуре рабочей жидкости;

k_ДОС - коэффициент передачи электрического датчика обратной связи;

k_CA - коэффициент передачи согласующей аппаратуры;

k_ДОСk_CA [В/см];

k_y2 - коэффициент усиления передаточной функции второго электронного корректирующего устройства; k_y2 [c].

- выход блока ограничения u₂ соединен с одним из входов второго суммирующего операционного усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства, вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры и передаточная функция которого W_КУ2(s) имеет следующий вид:

,

где: u_oc2(s) - выходной сигнал второго электронного корректирующего устройства;

.

- выход второго суммирующего операционного усилителя Δu₂ (Δu₂=u₂-u_oc2) соединен с входом электронного усилителя мощности.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема усовершенствованного электрогидравлического следящего привода (ЭГСП).

Усовершенствованный ЭГСП содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель (СОУ1) (1), на один вход которого подается управляющий сигнал (u_вх), а другой вход через согласующую аппаратуру (СА) (9) соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (ДОС) (11) гидроцилиндра;

- первое электронное корректирующее устройство (КУ1) (2), вход которого соединен с выходом СОУ1 (1) - Δu₁ (Δu₁=u_вх-u_oc1), где u_oc1 - выходной сигнал СА (9);

- блок ограничения (БО) (3), вход которого соединен с выходом КУ1 (2) - u₁;

- второй суммирующий операционный усилитель (СОУ2) (4), один вход которого соединен с выходом БО (3) - u₂, а другой вход соединен с выходом КУ2 (8) - u_ос2;

- второе электронное корректирующее устройство (КУ2) (8), вход которого соединен с выходом СА (9);

- электронный усилитель мощности (ЭУМ) (5), выход которого соединен с управляющей обмоткой ЭМП (6);

- электромеханический преобразователь (ЭМП) (6), якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя;

- гидрораспределитель (ГР) (7), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;

- гидроцилиндр (ГЦ) (10), шток которого кинематически связан с подвижным элементом ДОС (11);

- согласующую аппаратуру (СА) (9), вход которой соединен с сигнальной обмоткой ДОС (11).

Усовершенствованный ЭГСП работает следующим образом.

Управляющий сигнал (u_вх) поступает на один вход первого суммирующего операционного усилителя (СОУ1) (1), второй вход которого через согласующую аппаратуру (СА) (9) соединен с сигнальной обмоткой датчика обратной связи (ДОС) (11).

Таким образом, формируется внешний контур ЭГСП, обеспечивающий следящий режим работы ЭГСП по выходной координате (х_п) - соответствие модуля и знака этой координаты модулю и знаку управляющего сигнала (u_вх).

Выход СОУ1 (1) соединен с входом первого электронного корректирующего устройства (КУ1) (2) с передаточной функцией W_КУ1s) следующего вида:

;

где: u₁ - выходной сигнал КУ1;

Δu₁ - входной сигнал КУ1 (выходной сигнал СОУ1);

Δu₁=u_вх-u_oc1;

u_oc1 - выходной сигнал СА (9).

T_к1 и T_к2 - постоянные времени интегро-дифференцирующей составляющей W_КУ1(s), обеспечивающей повышение коэффициента усиления в цепи ошибки внешнего контура ЭГСП в определенной полосе частот, что позволяет:

- уменьшить непроизводительный расход ЭГУ за счет увеличения перекрытий по рабочим кромкам гидрораспределителя без ухудшения зоны нечувствительности;

- повысить точность воспроизведения выходной координаты ЭГСП (x_п) при малых амплитудах управляющего сигнала и на малых частотах работы ЭГСП.

T_к1=(2÷4)T_cp.

Т_cp - постоянная времени, определяемая по соотношению:

;

ω_ср - частота, на которой амплитудная частотная характеристика разомкнутого внешнего контура ЭГСП пересекает ось частот;

T_к2=(2÷4)T_к1.

f_раб - частота, в пределах которой нормируются динамические характеристики ЭГСП.

Апериодическое звено введено в W_КУ1(s) для компенсации дифференцирующего эффекта звена с передаточной функцией (T_к3s+1) в цепи ошибки внешнего контура ЭГСП. Указанное дифференцирующее звено обусловлено видом передаточной функции второго электронного корректирующего устройства (КУ2) (8) (см. ниже).

Выход КУ1 (u₁) соединен с входом электронного блока ограничения (БО) (3), позволяющего реализовать ограничение максимального значения скорости выходной координаты ЭГСП . Блок ограничения реализует следующую функциональную зависимость выходного сигнала (u₂) от входного сигнала (u₁):

;

- максимальная скорость холостого хода (без нагрузки) выходного звена ЭГСП при номинальных значениях давлений нагнетания и слива и при нормальной температуре рабочей жидкости;

k_ДОС - коэффициент передачи ДОС (11);

k_CA - коэффициент передачи СА (9);

k_ДОСk_CA [В/см];

k_y2 - коэффициент усиления передаточной функции второго электронного корректирующего устройства КУ2 (8) (см. ниже),

k_y2 [c].

Выход БО (3) - u₂ соединен с одним из входов второго суммирующего операционного усилителя (СОУ2) (4), второй вход которого соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства КУ2 (8) - u_oc2 и вход которого соединен с выходом СА (9). Модуль и знак u_oc2 соответствуют модулю и знаку скорости выходного звена ЭГСП . Таким образом, формируется внутренний контур ЭГСП, обеспечивающий обратную связь по скорости выходного звена ЭГСП.

Этот контур обеспечивает инвариантность коэффициента усиления по скорости выходной координаты ЭГСП к нагрузке, к изменению давлений нагнетания и слива и к изменению температуры рабочей жидкости.

Передаточная функция КУ2 (8) W_КУ2(s) имеет следующий вид:

,

где: u_oc2(s) - выход КУ2 (8);

.

Отметим, что постоянная времени Т_к3 фигурирует и в W_КУ1(s) (см. выше).

Реализация указанного выше принципа работы внутреннего контура ЭГСП, помимо обеспечения инвариантности скорости выходного звена ЭГСП, позволяет исключить в ЭГУ регулированный узел, так как сформированный внутренний контур ЭГСП компенсирует влияние на коэффициент усиления по скорости ЭГСП допусков: на коэффициент усиления ЭУМ (5), на моментную характеристику ЭМП (6) и на жесткость упругих подвесов гидрораспределителя (плоского золотника) (7).

Выход СОУ2 - Δu₂ (Δu₂=u₂-u_oc1) соединен с входом ЭУМ (5); выход ЭУМ (5) соединен с управляющей обмоткой ЭМП (6).

Так как подвижный элемент ГР (7) кинематически связан с якорем ЭМП (6), то и модуль, и знак координаты подвижного элемента ГР (7) определяется модулем и знаком тока в управляющей обмотке ЭМП (6).

При отклонении подвижного элемента ГР (7) от нейтрального положения возникает перепад давлений в рабочих полостях ГЦ (10). В результате выходное звено ГЦ (шток ГЦ) начинает движение из своего исходного положения, что предопределяет появление сигнала обратной связи в сигнальной обмотке ДОС (11). Этот сигнал после прохождения согласующей аппаратуры одновременно поступает на один из входов СОУ1 (1) и на вход КУ2 (8).

В итоге имеем:

1. Упрощение конструкции ЭГУ за счет исключения регулировочного узла.

2. Улучшение статических, динамических и энергетических характеристик ЭГСП за счет введения обратной связи по скорости его выходного звена, что обеспечивает инвариантность коэффициента усиления по скорости выходного звена ЭГСП к внешней нагрузке, к изменению давлений нагнетания и слива и к изменению температуры рабочей жидкости.

3. Уменьшение непроизводительного расхода рабочей жидкости за счет введения интегро-дифференцирующего звена в цепь ошибки внешнего контура привода, позволяющего без ущерба для статических и динамических характеристик увеличить перекрытия в гидрораспределителе.

4. Упрощение схемы ограничения максимальной скорости выходного звена ЭГСП за счет замены гидравлического (ограничение площади рабочего окна золотника) или механического (механические упоры по ходу золотника) устройств на простое и дешевое электронное устройство.

Привод предназначен для электрогидравлических автоматических систем управления летательных аппаратов. Привод с однокаскадным электрогидравлическим усилителем мощности содержит первый суммирующий операционный усилитель, выход которого соединен с входом первого электронного корректирующего устройства, выход которого соединен с входом электронного блока ограничения, выход которого соединен с одним из входов второго суммирующего операционного усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства, вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры, выход второго суммирующего операционного усилителя соединен с входом электронного усилителя мощности, выход которого соединен с управляющей обмоткой электромеханического преобразователя, якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя, гидравлически соединенного с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенного с рабочими полостями гидроцилиндра, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, соединенного с согласующей аппаратурой. Технический результат - упрощение конструкции. 1 ил.

Электрогидравлический следящий привод дроссельного регулирования с однокаскадным электрогидравлическим усилителем мощности, содержащий:
первый суммирующий операционный усилитель, на один вход которого подается управляющий сигнал, а другой вход, через согласующую аппаратуру, соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;
электронный усилитель мощности, выход которого соединен с управляющей обмоткой электромеханического преобразователя;
электромеханический преобразователь, якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя;
гидрораспределитель, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и, через две гидролинии, гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;
гидроцилиндр, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи;
согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидроцилиндра,
отличающийся тем, что
выход первого суммирующего операционного усилителя соединен с входом первого электронного корректирующего устройства, передаточная функция которого W_КУ1(s) имеет следующий вид:

где u₁ - выходной сигнал первого электронного корректирующего устройства;
Δu₁ - входной сигнал первого электронного корректирующего устройства (выходной сигнал суммирующего операционного усилителя);
Δu₁=u_вх-u_oc1;
u_вх - управляющий сигнал на входе первого суммирующего операционного усилителя;
u_oc1 - выходной сигнал согласующей аппаратуры;
Т_к1, Т_к2, Т_к3 - постоянные времени передаточной функции W_KУ1(s);
Т_к1=(2÷4)Т_ср;
постоянная времени Т_ср определяется по
ω_ср - частота, на которой амплитудная частотная характеристика разомкнутого внешнего контура следящего привода пересекает ось частот;

f_раб - частота, в пределах которой нормируются динамические характеристики электрогидравлического следящего привода;
выход первого электронного корректирующего устройства соединен с входом электронного блока ограничения, реализующего следующую функциональную зависимость выходного сигнала (u₂) от входного сигнала (u₁):


- максимальная скорость холостого хода (без нагрузки) выходного звена электрогидравлического следящего привода при номинальных значениях давлений нагнетания и слива и при нормальной температуре рабочей жидкости;
k_ДОС - коэффициент передачи электрического датчика обратной связи;
k_CA - коэффициент передачи согласующей аппаратуры;
k_ДОСk_CA [В/см];
k_y2 - коэффициент усиления передаточной функции второго электронного корректирующего устройства;
k_y2 [c];
выход блока ограничения u₂ соединен с одним из входов второго суммирующего операционного усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства, вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры, и передаточная функция которого W_КУ2(s) имеет следующий вид:

где u_oc2(s) - выходной сигнал второго электронного корректирующего устройства;

выход второго суммирующего операционного усилителя Δu₂ (Δu₂=u₂-u_oc2) соединен с входом электронного усилителя мощности.