Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów Przemysłowych - laboratorium
Ćwiczenie 1
„Badanie aktuatora elektrohydraulicznego”
Instrukcja laboratoryjna
Opracował : mgr inż. Arkadiusz Winnicki
Warszawa 2010
1
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 robo- czymi są ciecze. Ważnymi zaletami urządzeń hydraulicznych są łatwość uzyskiwania bardzo dużych sił, niezawodność działania oraz prostota i mała pracochłonność obsługi. Duży stosu- nek 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 za- stosowaniu w układzie zaworów umożliwiających ciągłą zmianę natężenia przepływu cieczy, drugie na zastosowaniu pompy wyporowej o zmiennej wydajności. Układy sterowania moż- na 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 serwo- zawory 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 serwo- zaworu przepływowego ze sterowaniem elektrycznym; 1-zadajnik położenia,
2-wzmacniacz elektroniczny, 3-indukcyjny czujnik przemieszczeń,4-wzmacniacz przetwornika położenia, 5-siłownik, 6-serwozawór.
2 Zasada działania tego układu jest następująca. Wejściowy sygnał napięciowy u1 za- dany 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 bez- pośrednio 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 no- wego położenia przez ustalenie zadajnikiem 1 sygnału u1 pojawia się napięciowy u lub prą- dowy 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 poło- żenie y tłoczyska siłownika, co odpowiada układowi regulacji położenia. Jeżeli zamiast poło- żenia 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 realizo- wane 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 prze- twornicy 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 hydraulicz- nego 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
3 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 przynajm- niej dwustopniowy. Zasadniczymi częściami są: silnik momentowy 1, wzmacniacz mecha- niczno-hydrauliczny typu dysza-przysłona 2 oraz stopień mocy 3. Sygnał prądowy doprowa- dzany do silnika momentowego jest przekształcany w przemieszczenie przysłony, która w stanie wysterowanym powoduje przydławienie wypływu z jednej dyszy, a zwiększenie wy- pływu - z drugiej. Powstała w ten sposób różnica ciśnień kaskadowych powoduje przesunię- cie 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. Powyż- szy spadek ciśnienia, przy stałym ciśnieniu zasilania (kanał P) zależy od tzw. ciśnienia ob- ciążenia (w kanale A lub B), które jest miarą wszystkich oporów związanych z ruchem napę- dzanego odbiornika, np. siłownika. Serworozdzielacze mają wzmocnienie około kilkaset tysięcy i są najbardziej precyzyjniejszymi zespołami hydraulicznymi o wysokich właściwo- ściach 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
4 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).
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
W ćwiczeniu należy uruchomić oraz przebadać aktuator elektrohydrauliczny serwo- napędu tłokowego w wersji ze sterowaniem dławieniowym jak i objętościowym (wyporo- wym). 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 sterowa- nia 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 pozycjono- wania (czas regulacji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE).
4. Zbadać wpływ obciążenia masowego siłownika na jakość pozycjonowania (czas regula- cji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE).
5. Zbadać wpływ obciążenia masowego siłownika na jakość pozycjonowania (czas regula- cji, odchyłkę ustaloną, przeregulowanie, współczynniki ITAE i ITSE) w przypadku układu sterowania wyporowego.
6. Zastanowić się i opisać problemy i ograniczenia wynikające ze sterowania objętościo- wego (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 zastoso-
wania przetwornic częstotliwości w napędach elektrohydraulicznych. Konferencja Na- ukowo – Techniczna „Automatyzacja – Nowości i Perspektywy” AUTOMATION
’2006, Warszawa (2006), s. 432-438.
[4] Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT, Warsza- wa (1995)
[5] Pizoń A.: Hydrauliczne i elektrohydrauliczne układy sterowania i regulacji. WNT, War- szawa (1987)
[6] Winnicki A.: Opracowanie, wykonanie, oprogramowanie, uruchomienie i badanie wła- ściwości regulacyjnych elektrohydraulicznego serwonapędu dławieniowego. Praca dy- plomowa, Instytut Automatyki i Robotyk PW, Warszawa (2003)
min, )
(
0
∑
=
=
= koc
k
df s
ITAE ke k
I
[
( )]
min.0
∑
2=
=
= koc
k
df s
ITSE k e k
I
