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 u 1 zadany zadajnikiem 1 jest porównywany we wzmacniaczu elektronicznym 2 z napięciowym sygnałem sprzężenia zwrotnego u 2 z przetwornika przemieszczeń liniowych 3, przy czym wartość sygnału u 2 jest proporcjonalna do położenia tłoczyska siłownika 5. Wytworzony we wzmacniaczu elektronicznym napięciowy sygnał odchyłki u = u 1 - u 2 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 u 2 zrówna się z sygnałem u 1. 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 u 1 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) e st maksymalnej odchyłki przejściowej (przeregulowania) χ czasu pozycjonowania t ust 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 I k e ( k) = min, I k[ e ( k) ] = min. ITAE k = 0 s df ITSE k = oc k = 0 s df 2 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