SIMULACE ŘÍZENÍ HYDRAULICKÉHO POHONU KOMBINACÍ VENTILŮ HYDRAULICKÝCH PŮLMŮSTKŮ

Transkript

1 IMULCE ŘÍZENÍ HYDRULICÉHO POHONU OMINCÍ VENTILŮ HYDRULICÝCH PŮLMŮTŮ Ing. oňaří Petr VŠ-Technicá univerzita Ostrava faulta strojní atedra automatizační techniy a řízení bstrat This aer deal with detail modeling and simulation of electro-hydraulic system arts. Concrete arts of connection of four way servo-valve to hydromotor was searated to indeendent realizations of combinations of hydraulic half-bridges. In rincile could be obtained two three state, three way servo-valves, which could realize same functions lie original valve. The idea of that is to create mathematical and dynamic simulation model of half-bridges combinations behaviour for the following synthesis of control algorithms. y suitable combination of connection of half-bridges and theirs control is ossible to achieve classical required behavior of variable dislacement hydromotor. Created model could also wor lie suitable tool, how to easy synchronize sliding and lowering velocity of iston and also mae simle crossing between control algorithms to realize osition, velocity, acceleration and force control of hydromotor. cquired model of universal servo-valve from combinations of half-bridges and their functionality and connection with hydromotor was created, verified and tested in simulation environment of Matlab-imulin. New model in imulin resent an efficient tool for tracing and data analysis and further rocessing. Použité značení Průtoové zesílení P Normovaný tla v omoře, <;> d Průměr činného válce šouáta Průto, normovaný růto Zátěžná síla na ístnici hydromotoru Průto do omory udící eletromagneticá síla na šouátu Průto do omory Tuhost systémový růto z hydrogenerátoru Průtoové zesílení u sv* Řídicí naětí na servoventilu, *, v Rychlostní zesílení v * Rychlost, *, P Tlaové zesílení Normovaná oloha šouáta servoventilu ilové zesílení sv* Poloha šouáta servoventilu, *, P Poddajnost sv* rytí šouáta servoventilu, *, v Poddajnost & hm Rychlost šouáta servoventilu l Geometricý rozměr šouáta R Hydraulicý odor Činná locha ístnice Re Reynoldsovo číslo Tla v omoře ρ Hustota média Tla v omoře ε Průtoový součinitel f(re ystémový tla Indey: T Tla v odadu (atmosfericý tla P, T, P, T šrtící hrany šouáta Úvod Řízení hydraulicých ohonů a zejména a návrh řídicích ventilů ředstavuje rozsáhlou oblast, zahrnující řadu teoreticých oznatů, studií, analýz, zušeností, onstručních návrhů a těžo dostuných firemních nowhow, ja tuto roblematiu vhodně řešit a ja dosáhnout tížených ožadovaných vlastností hydraulicého ohonu. Při ohledu na hydraulicý ohon a jeho řídicí ventil se jedná o systém odorů R, nejčastěji zareslovaných v něterých z následujících analogicých usořádáních na Obr.. Z leva eletricá analogie - Wheatstonův můste, urostřed rinci řazení

2 vstuních a výstuních odorů do ůlmůstů - ůlmůstové zaojení, vravo technicá realizace čtyřhranného odorového řízení omocí osouvače. V R R R R 3 R 4 R R 4 Otevírání Šrcení R Půlmůste Obr. Nejčastější usořádání a zareslení odorového řízení hydraulicého ohonu Charateristiy ůlmůstů Vlastnosti ůlmůstů je možné charaterizovat stacionárními charateristicými arametry: Objemovým růtoovým nebo též rychlostním zesílením v v Tlaovým nebo též silovým zesílením P res. res. v ozn.: Vztaženo e omoře hydromotoru ozn.: Vztaženo e omoře hydromotoru V literatuře je rovněž uváděna ombinací ředchozích vznilá charateristicá veličina oddajnost P P V V R 3 & hm V const, V const, V V v, V P res. v definovaná jao omora omora omora omora, v, v const. V V const. ozn.: Vztaženo e omoře hydromotoru Odvozená zesílení ůlmůstů jsou rovedena bez uvažování růtoových ztrát, tření, a stlačitelnosti aalin a za ředoladu negativního rytí. Odory R a R dle Obr. a usořádání servoventilu na Obr. ředstavují zmíněný odorový dělič tlau a odle nich je možné definovat růtoovou rovnici 4, definující růto hydromotoru do omory. d V v, V, P, T P P T l V & hm V u sv, sv, R, R 4 rytí šouáta: & hm V R 3 V nulové V > ozitivní V < negativní ( ( (3 Obr. ituační schéma usořádání servoventilu T

3 v P T ( V + V ( V V (4 de ε π d. ε - Průtoový součinitel, obecně f(re ρ Půlmůsty mohou být dle Obr. 3 tvořeny v ombinacích,, C, D a E. ZPOJENÍ CHRTERITICÁ VELIČIN V ( + V & hm v v V /, V P V / v, V V /, V V v, V V V & hm V /, v v V /, V V P V / v, V V V v, V V C V & hm V v v V /, V /, V P V / v, V V V v, V V D V /, V & hm v v V /, V P V v, V V v, V E v V v /, V V /, V & hm P V, v V V v, V Obr. 3 Jednotlivá zesílení hydraulicých ůlmůstů

4 ZPOJENÍ CHRTERITI P (, CHRTERITI (, P V V V & hm V V V V & hm V C V V V V & hm V D V V & hm E V V & hm V V Legenda:, ;,,,, ( ; sv sv Obr. 4 Charateristiy hydraulicých ůlmůstů sv

5 3 Dynamicý model servoventilu Při tvorbě matematicého modelu servoventilu vyjdeme z ůvodního usořádání servoventilu (Obr. a z odvozeného modelu v [Nosievič, 999] s namodelovanou dynamiou eletricého řestavení šouáta a z růtoových rovnic šrcení na jednotlivých hranách šouáta. Návrh sestavení lnohodnotného servoventilu (hydraulicého můstu - a jeho adevátní náhrady omocí hydraulicých ůlmůstů, rovedeme v normovaném tvaru a odle (Obr.5, na terém jsou zobrazeny realizace dvou hydraulicých ůlmůstů tyu se samostatným ovládáním aždého z nich., sv u sv, sv u sv d P T T P T, sv, sv l T Obr. 5 Realizace samostatných 3/3 servoventilů, res. hydraulicých ůlmůstů tyu se samostatným eletricým ovládáním Průtoové rovnice ro jednotlivé hrany šouáta v uraveném tvaru je možné shrnout v tabulce. Tabula realizuje výočet na jednotlivých hranách 3/3 ventilů a s ředoládanými malými negativními rytími a to v jejich lném racovním rozsahu. Díy obecnému záisu, lze omocí těchto vztahů očítat růtoové charateristiy všech tyů ůlmůstů. Tab. 3/3 VENTIL (Hydraulicý ůlmůste 3/3 VENTIL (Hydraulicý ůlmůste Hrana P Hrana T Hrana P Hrana T Platnost { sv sv < sv } { sv < sv < sv } { sv sv < sv } { sv < sv < sv } & ( ( + ( ( + & ma* VP sv sv V sv VT sv V sv sv VP sv sv V sv VT sv V sv sv Platnost & ( & ma* sv sv sv sv sv sv G VP sv sv lisv VP ( sv sv G lisv V ma V ma V ma V ma Platnost & & ma* V ma sv < sv sv sv < sv sv Glisv ( VT ( sv + sv V ma V ma Glisv ( VT ( sv + sv V ma ma* P ma ma Maimální otevření: & & P ma T ma V* ma s* sv* ma & T & ma l +, Poměry otevření růmětu P ma ma & & P ma T ma ma V *ma *, Negativní rytí: sv* sv* & & T ma, * Ventil,. Maimální rychlosti: V * & V * ma, G ma* lisv* svodová roustnost, V servoventil, P, T, P, T štící hrany. * Vyobrazení růtoových (rychlostních charateristi v tabulce je rovedeno na Obr.6. Nahoře ůlmůste tyu (vlevo, ůlmůste tyu (urostřed a ůlmůste tyu C (vravo. Dole a onstantní charateristia ůlmůstů D (vlevo a charateristia ůlmůstů E (vravo. Oblast záorného otevření V šouáta vytyčuje normovaná oloha šouáta v oblasti <-;-, oblast

6 rytí <-; > a oblast ladného otevření šouáta (; >. Dále je atrné, že ty a C má stejnou charateristiu, rotože oba realizují stejné funční usořádání, s tím rozdílem, že charateristia vzniá šrcením a charateristia C otevíráním šouáta ři ůsobení shodného signálu, res. olohy V, res.. Normované rychlostní (růtoové charateristiy Půlmůste Půlmůste Půlmůste C, (,, - Otevření - - Oblast rytí - Otevření + Půlmůste D Půlmůste E Obr. 6 Normované rychlostní (růtoové charateristiy ůlmůstů Prostřednictvím tato definovaných charateristi je možné rovádět snadné inverzní řešení roblému, dy na záladě olohy šouáta ventilu číslo je možné zísat nařílad olohu šouáta ventilu číslo ro různé druhy zatížení ístnice hydromotoru (ventil - Tla, ventil - Tah nebo (ventil - Tah, ventil - Tla. 4 imulační model imulační model v imulin ředstavuje model servoventilu, tvořený ombinací zaojení hydraulicých ůlmůstů. Model rovádí interolaci růtoů z ředem vyočtených růtoových charateristi hydraulicých ůlmůstů dle dynamicy, časově roměnných oloh šouáte s uvažováním negativních rytí a růtoových netěsností. Za účelem interolace byla vytvořena výočetní funce v odobě M-file s názvem Muste.m, realizující výočet rychlostních (růtoových charateristi, jejímiž stavitelnými arametry jsou ombinace zaojení ůlmůstů (viz obráze 8, veliosti negativních rytí. a V V, maimální možné otevření ventilů, svodové roustnosti a růtoová zesílení na jednotlivých ventilech či dílčích hranách. ombinace zaojení ůlmůstů - tvoří lnohodnotný čtyřcestný servoventil s možností řízení růtoů do jednotlivých omor hydromotoru zvlášť. imulační orovnání bylo rováděno mezi ůvodním matematicým a simulačním modelem čtyřcestného servoventilu [Nosievič, P., 999] a novým simulačním modelem ro říad sestavení ůlmůstů, teré dohromady tvoří ůvodní čtyřcestný servoventil. Pro orovnání obou jsou jednotlivé ůlmůsty řízeny solečnou ační veličinou a jejich simulace je rováděna ro nesymetricou, jednostrannou ístnici a zatížení ístnice N. V říadě symetricých ístnic vycházejí jednotlivé grafy narosto shodné a nejsou zde rezentovány.

7 Obr.7 imulační blo nového a ůvodního servoventilu a blo s výběrem hydromotorů Výsledy a orovnání simulace: Můste Nový model α N Původní model Původní model Nový model Obr. 8. Porovnání růtoů a a oloh hm ůvodního a nového modelu servoventilu Obr. 9. Možná zaojení ůlmůstů realizované jedním univerzálním stavitelným simulačním bloem

8 5 Závěr V řísěvu je ředstaven sestavený univerzální, omocí masových říazů arametricy stavitelný, simulační model testovacího servoventilu, terý je tvořen libovolnou ombinací sestavení hydraulicých ůlmůstů. Charateristiy jednotlivých ůlmůstů jsou vyobrazeny na Obr. 4. Nový model byl simulačně roojen se stávajícím modelem hydromotoru do jednoho simulačního celu hydraulicého ohonu a tento model byl ověřen a simulačně orovnáván s modelem ůvodním v rostředí Matlab/imulin. Ze simulací jednoznačně vylývá shoda ůvodního a nového modelu ro říad symetricé ístnice a jejich shodného oměru loch. Z grafů na Obr. 8 je a atrné, že v říadě nesymetricé ístnice je generován ja růto, ta oloha ístnice v mnohem symetričtější odobě než ůvodní model díy lešímu oisu oblasti rytí a díy silový zětným vazbám s informaci o zatížení jednotlivých omor hydromotoru. synchronizaci rychlostí zasouvání a vysouvání by a mělo v budoucnu řisět vhodné řízení aždého hydraulicého ůlmůstu zvlášť. Z tlaových růběhů v omorách hydromotoru ři užití lasicého čtyřcestného servoventilu nebo dvou třícestných servoventilů se rovněž jeví možnost jisté energeticé úsory, což bude dalším ředmětem výzumu. Literatura acé, W. 99. Umdruc zur Vorlesung ervohydrauli. 6. uflage, Institut für hydraulische und neumatische ntriebe und teuerungen der Rheinisch- Westfälischen Technischen Hochschule achen, 99, 356 s. lacburn, J.., Reethof, G., hearer, J.L. 96. luid Power Control, Regelung durch trömunsenergie,. and: Regel und teuerelemente, raussof-verlag Wiesbaden, 96, 38s. runo,. 4. Theoretical and eerimental analysis of a -way flowcontrol valve dynamic behaviour, Proceedings of 3rd International PhD ymosium on luid Power, Technical University of Catalonia, arcelona-terrassa, 4, IN Nosievič, P Modelování a identifiace systémů. I. vyd.: Montane a.s. Ostrava, s. IN Paciga,., Ivantyšin, J Teutinové mechanismy.. vydání, NTL, 985, 86 s. ontat Ing. Petr oňaří atedra automatizační techniy a řízení, aulta strojní, VŠ-TU Ostrava 7.listoadu 5, Ostrava - Poruba onari.etr@ost.cz