Электрогидравлический привод перемещения рабочего органа манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Гидравлика и гидропневмосистемы»

Пояснительная записка

к курсовому проекту

«Электрогидравлический привод перемещения рабочего органа манипулятора»

Челябинск 2009

1. Описание привода

Управление современным самолётом без систем автоматического регулирования невозможно. Благодаря своим массогабаритным показателям, точности, быстродействию широко применяется в самолётах электрогидравлические следящие системы.

На рис. 1 приведена схема электрогидравлического следящего привода. Здесь управление перемещением штока цилиндра, а, следовательно и рулевой плоскостью РП осуществляется электрогидравлическим усилителем ЭГУ, который состоит из электромеханического преобразователя ЭМП, гидроусилителя сопло-заслонка и четырехщелевого золотника с электрической обратной связью по положению золотника. Отчёт перемещения выходного штока исполнительного гидроцилиндра осуществляется, с помощью потенциометра П. Электрический сигнал на ЭМП поступает с электронного блока ЭБ.

В ЭБ поступает входной электрический сигнал , сигнал о положении штока гидроцилиндра с потенциометра П и сигнал о положении золотника с индуктивного датчика положения золотника ИДПЗ. В ЭБ вычисляется сигнал ошибки, который преобразуется в соответствии с алгоритмом коррекции и усиливается до необходимой величины, потребной для управления ЭМП.

Исходные численные данные приведены в табл. 1.

привод мощность гидроусилитель

Табл. 1 Исходные данные

Параметры системы	Данные для синтеза	, В
, кг	, м/с	,	,Н/см	, см	Р, МПа	ЭМП	, С	, %	, %
						, мм/В	, С
800	20	120	300	30	11	0,015		0,4	0,4	25	8	10

- масса подвижных частей штока;

- перемещение штока;

- скорость штока;

- ускорение штока;

- давление в гидросистеме;

- время переходного процесса;

- величина перерегулирования;

- электрический входной сигнал привода;

- коэффициент передачи ЭМП;

- постоянная времени ЭМП;

- коэффициент демпфирования;

- относительная ошибка регулирования в приводе;

- коэффициент позиционной нагрузки.



Рис. 1 Электрогидравлический рулевой привод самолёта

2. Построение функциональной схемы системы

Рис. 2 Функциональная схема системы

На рис. 2 следующие обозначения:

- управляющее воздействие;

ЭБ - электрический блок;

- напряжение, поступающее на обмотки ЭМП;

ЭМП - электромеханический преобразователь;

- угол поворота заслонки;

ГУ - гидравлический усилитель;

- величина перемещения золотника;

ГЦ - гидравлический цилиндр;

- перемещение поршня;

ИДПЗ - индуктивный датчик положения золотника;

П - потенциометр.

Передаточная функция электромеханического преобразователя (ЭМП) представлена в виде [1, стр. 15]:

, (2.1)

где h - перемещение заслонки (примерно равно отклонению заслонки )

- напряжение электрического сигнала на выходе ЭМП.

3. Определение потребной мощности привода

Считаем законы изменения перемещения, скорости, ускорения выходного звена привода (штока гидроцилиндра) гармоническими.

Перемещение штока:

(3.1)

Скорость штока:

(3.2)

Ускорение штока:

(3.3)

Нагрузка на выходе будет определяться, как сумма сил: инерции и позиционной нагрузки.

Инерционная нагрузка:

(3.4)

Позиционная нагрузка:

(3.5)

Вычисления проводим в программе mathcad:

Рис. 3 Графики изменения инерционной и позиционной нагрузки

Рис. 4 График изменения скорости штока

Рис. 5 График изменения мощности привода

Номинальная мощность:

(3.6)

Вт.

кВт.

Максимальная мощность:

кВт (3.7)

4. Составление уравнений элементов гидросистемы, определение численных коэффициентов, нахождение передаточных функций

4.1 Электромеханический преобразователь

Преобразователь электродинамического типа имеет две степени свободы: вращение поворотной рамки и изменение тока в ее обмотках [2, стр. 163, 169]:

, (4.1)

, где (4.2)

- коэффициент пропорциональности между силой тока и моментом вращения заслонки (крутизна тяговой характеристики ЭМП);

- сила тока и напряжение управления;

- момент инерции подвижных частей ЭМП приведенный к выходному валу;

- коэффициент пропорциональности между моментом вращения и вязким трением в жидкости (коэффициент вязкого трения подвижных частей преобразователя);

- угол поворота заслонки;

- коэффициент жесткости магнитной пружины;

- коэффициент жесткости механической пружины;

- коэффициент жесткости от сил, действующих на заслонку;

- «жесткость» преобразователя по углу поворота якоря (крутизна нагрузочной характеристики)

- активное и индуктивное сопротивление обмоток ЭМП;

Перейдем к изображению по Лапласу:

(4.3)

(4.4)

Передаточная функция ЭМП и коэффициенты указаны в техническом задании:

4.2 Гидроусилитель сопло-заслонка с пружинной синхронной связью

Уравнение гидроусилителя имеет следующий вид [3, стр. 148]:

, (4.5)

где механическая постоянная времени:

, (4.6)

постоянная времени нагрузки:

, (4.7)

коэффициент, учитывающий силу вязкого трения:

, (4.8)

обобщенная постоянная времени гидроусилителя:

, (4.9)

Жесткость пружин:

, (4.10)

коэффициент усиления гидроусилителя по перемещению:

, (4.11)

коэффициент относительного демпфирования:

, (4.12)

гидродинамическая сила:

, (4.13)

гидравлическая проводимость сопел в нейтральном положении ():

, (4.14)

Диаметр сопла:

, (4.15)

где - площадь поперечного сечения золотника;

- масса золотника и пружин;

- коэффициент вязкого трения;

- перемещение золотника;

- коэффициент гидродинамической силы

- перемещение заслонки (в предыдущем пункте мы рассматривали угол поворота заслонки , при малых перемещениях )

- расход через одну ветку сопла;

- давление в ветке.

Уравнение (4.5) преобразуем по Лапласу при ННУ и изображаем в виде передаточной функции гидроусилителя:

, (4.16)

где - изображение перемещения золотника;

- изображение перемещения заслонки;

Как показывают расчеты, существующие гидроусилители имеют . При этом условии колебательное звено передаточной функции (4.16) распадается на два апериодических звена:

, (4.17)

, (4.18)

В связи с тем, что действие малой величины может сказаться только на больших частотах, при практических расчетах можно считать , тогда окончательная передаточная функция гидроусилителя с пружинной синхронной связью запишется так:

 (4.19)

Рассчитаем коэффициенты передаточной функции:

МПа.

Неуказанные параметры гидроусилителя назначаем конструктивно и основываясь на аналогичных исполнениях прототипов:

Максимальный ход:

мм.

Масса золотника:

кг.

Диаметр золотника:

мм.

Площадь поперечного сечения золотника:

.

Плотность масла:

.

Коэффициент расхода:

.

Расход через одну ветку золотника:

.



мм

Примем мм

Максимальный ход заслонки:

мм

Максимальный перепад давления на торцах золотника:

МПа

кг/м

кг/м,

Считаем Н.

Принимаем ,



с.

с.

.

.

.

с, с.

4.3 Гидроцилиндр

Уравнения, описывающие работу гидроцилиндра:

Расход через гидроцилиндр:

, (4.20)

Уравнение движения:

, (4.21)

- перемещение поршня ГЦ.

- коэффициент пропорциональности между расходом через щель и перемещением золотника

- коэффициент пропорциональности между расходом через щель и давлением

- коэффициент вязкого трения поршня гидроцилиндра

Передаточная функция гидроцилиндра:

(4.22)

Нагрузка на гидроцилиндре:

Н

С учетом силы трения считаем кН.

Площадь рабочей поверхности гидроцилиндра в первом приближении:

Принимаем мм, мм.

Реальная площадь поверхности гидроцилиндра:

 .

Расход, необходимый для движения поршня с заданной скоростью:

. (4.23)

Коэффициент передачи:

(4.24)

Коэффициент динамической жесткости гидроцилиндра:

, (4.25)

Постоянная времени гидроцилиндра:

с. (4.26)

где - масса подвижных частей,

Па - приведенный модуль упругости стенок гидроцилиндра и жидкости

- длина хода поршня гидроцилиндра.

Относительный коэффициент демпфирования колебаний:

, (4.27)

где - приведенный коэффициент вязкого трения.

Передаточная функция гидроцилиндра:

,

Так как вместо одного колебательного звена имеем два апериодических:

4.4 Передаточная функция потенциометра

В данном случае потенциометр выполняет роль усилительного звена и описывается уравнением:

,

,

примем максимальное входное напряжение на потенциометре В, м - максимальное перемещение поршня.

4.5 Передаточная функция ИДПЗ

Считаем закон, описывающий работу ИДПЗ следующим:

, (4.28)

где , согласно варианту n=20: с.

- выходное напряжение ИДПЗ; - перемещение золотника.

Уравнение (4.28) преобразуем по Лапласу при ННУ:

(4.29)

Изобразим уравнение (4.29) в виде передаточной функции ИДПЗ:

, (4.30)

примем

4.6 Передаточная функция электронного блока

(4.31)

5. Передаточная функция разомкнутой системы

Структурная схема разомкнутой системы получается путем включения главной обратной связи коэффициента в прямую цепь (рис. 6):

Рис. 6 Структурная схема разомкнутой системы

Для передаточной функции разомкнутой системы имеем:

(5.1)

Подставим значения передаточных функций вычисленных в пункте 4:

Построим график переходного процесса разомкнутой системы с помощью программы Vissim (рис. 7):

Рис. 7 Переходный процесс разомкнутой системы

На рисунке 7 графики переходного процесса преобразованной разомкнутой системы и непреобразованной совпадают, это говорит о том, что структурные преобразования проведены верно.

Зная передаточную функцию , построим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы с помощью программы Vissim (рис. 8, 9):



Рис. 8 ЛАЧХ Разомкнутой системы



Рис. 9 ЛФЧХ Разомкнутой системы

На рисунках 8 и 9 видно, что ЛАЧХ разомкнутой системы пересекает линию «0» на частоте 0,06 Гц, а ЛФЧХ разомкнутой системы пересекает линию «180 градусов» на частоте 0,36 Гц.

Так как 0,06 Гц<0,36 Гц, можно сделать вывод о том, что замкнутая система устойчива.

6. Переходный процесс замкнутой системы

Структурная схема замкнутой системы построена на рисунке 10.

Построим график переходного процесса замкнутой системы (рис. 11).

Согласно техническому заданию перерегулирование %, с - время переходного процесса (время регулирования), % - относительная ошибка регулирования в приводе.

Установившееся значение функции

Максимальное значение функции

Перерегулирование расчетное:

, по этому условию качества синтезируемая система удовлетворяет техническому заданию.

Время переходного процесса расчетное:

,

время переходного процесса не удовлетворяет техническому заданию, необходима коррекция.



Рис. 10 Структурная схема замкнутой системы



Рис. 11 Переходный процесс замкнутой нескорректированной системы

7. Коррекция системы

7.1 Построение желаемой ЛАЧХ [10]

Построение желаемой ЛАЧХ в нижне-частотной области

Качество САР в установившемся режиме характеризуется коэффициентами ошибок. Чем они меньше, тем качество САР выше.

Исходными данными для синтеза в НЧ-области являются коэффициенты ошибок по положению , по скорости и по ускорению . Так как эти коэффициенты не заданы, то поведение ЛАЧХ в НЧ-области примем, как показано на рисунке 12.

Рис. 12 Желаемая ЛАЧХ в НЧ-области

Построение желаемой ЛАЧХ в средне-частотной области



Рис. 12 Желаемая ЛАЧХ в СЧ-области

Качество САР в переходном режиме в основном определяется среднечастотной (СЧ) областью ее ЛАЧХ. СЧ-область - это область частот в районе частоты среза , размером примерно от двух октав до двух декад, где значения ЛАЧХ находятся в пределах от -20 дБ до 20 дБ.

Исходными данными для построения желаемой ЛАЧХ в среднечастотной области являются требования к качеству переходного режима: время регулирования и перерегулирование . ЛАЧХ на частоте среза должна иметь наклон - 20 дБ/дек. Частота среза может быть определена по приближенной формуле:

(7.1)

Гц

Частотный диапазон, в котором желаемая ЛАЧХ в районе частоты среза должна проходить с наклоном - 20 дБ/дек, определяется выражением:

(7.2)

Это требование можно выразить и эквивалентным, предъявляемым к отклонению ЛАЧХ:

(7.3)

Таким образом, желаемая ЛАЧХ имеет вид (рис. 13):

Рис. 13 Вид желаемой ЛАЧХ

7.2 Выбор корректирующего устройства

Имея желаемую ЛАЧХ, не трудно определить ЛАЧХ корректирующего устройства и реализовать его. Для этого нужно:

1 Поднять ЛАЧХ исходной САР над желаемой в области НЧ на 6 - 10 дБ, обеспечивая некоторый запас.

2 Вычесть из желаемой ЛАЧХ приподнятую, получив тем самым ЛАЧХ корректирующего устройства:

, (7.4)

где - ЛАЧХ приподнятая на 6 - 10 дБ разомкнутой системы.

ЛАЧХ корректирующего устройства будет иметь следующий примерный вид (рис. 14):

Рис. 14 Примерный вид ЛАЧХ корректирующего устройства

По ЛАЧХ корректирующего устройства не трудно определить его требуемую структуру (рис. 15) [1, стр. 11]:



Рис. 15 Схема корректирующего устройства

Передаточная функция корректирующего устройства:

, (7.5)

.

Знак минус при подстановке в структурную схему не учитываем, этот знак говорит о необходимости учесть разную полярность входного и выходного напряжения устройства, что потребуется при сборке привода. Т. о.:

, (7.6)

Программа Vissim не может работать с передаточными функциями в виде дифференцирующего звена (7.6) и с другими передаточными функциями, где «числитель больше знаменателя». В данной задаче дифференцирующее звено (7.6) компенсируется интегрирующим звеном, которое входит в передаточную функцию гидроцилиндра.

Коэффициент находится таким образом, чтобы скорректированная система удовлетворяла требуемым показателям качества.

, тогда величина сопротивления и емкости:

кОм, мкФ.

Окончательная структурная схема показана на рисунке 16.

Рис. 16 Передаточная функция и переходный процесс замкнутой скорректированной системы

Отметим на графике переходного процесса замкнутой скорректированной системы (рис. 17) требуемые показатели качества.

Установившееся значение функции

Максимальное значение функции

Перерегулирование расчетное:

, по этому условию качества синтезируемая система удовлетворяет техническому заданию.

Время переходного процесса расчетное:

с,

время переходного процесса удовлетворяет техническому заданию.



Рис. 17 Переходный процесс замкнутой скорректированной системы

Заключение

Согласно данным технического задания требовалось синтезировать систему электрогидравлического рулевого привода самолета. В процессе проектирования были получены передаточные функции основных элементов, передаточная функция разомкнутой и замкнутой системы.

По ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы мы определили устойчивость замкнутой системы. Сравнивая показатели качества разомкнутой системы (перерегулирование расчетное и время переходного процесса расчетное с) с заданными показателями качества (, ) делаем вывод о том, что время переходного процесса не удовлетворяет заданному, следовательно, необходимо введение корректирующего устройства.

Выбор корректирующего устройства производится с помощью его ЛАЧХ. ЛАЧХ корректирующего устройства находится по желаемой и исходной «приподнятой» ЛАЧХ. После проведения коррекции система удовлетворяет заданным показателям качества:

Перерегулирование расчетное:

, по этому условию качества синтезируемая система удовлетворяет техническому заданию.

Время переходного процесса расчетное:

с, время переходного процесса удовлетворяет техническому заданию.

Список используемой литературы

1 Электрогидравлические следящие системы: Методические указания и варианты заданий к выполнению курсового проекта / Составители: И. И. Лапин, В. И. Седнев; Под ред. И. И. Лапина. - Челябинск: ЧГТУ, 1996. - 28 с.

2 Электрогидравлические следящие системы. Колл. авторов. Под ред. В. А. Хохлова. М., «Машиностроение», 1971.

3 Основы следящего гидравлического привода. Н. С. Гамынин. М., «Оборонгиз», 1962.

4 Гидравлический привод систем управления. Гамынин Н. С., М., «Машиностроение», 1972 г., с. 376.

5 Гидравлические приводы летательных аппаратов: Учебник для авиационных специальностей вузов/ Н. С. Гамынин, В. И. Карев, А. М. Потапов, А. М. Селиванов; Под общ. ред. В. И. Карева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 368 с.: илл.

6 Гидравлический следящий привод. Гамынин Н. С. и др. Под ред. В. А. Лещенко. М., «Машиностроение», 1968, 564 с.

7 Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем: Учебник для вузов по специальностям «Гидропневмоавтоматика и гидропривод и «Гидравлические машины и средства автоматики». 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 464 с. ил.

8 Бейязов Й. Й. Аналоговые гидроусилители/ Пер. с болг. С. И. Нейковского. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 151 с., илл.

9 Гамынин Н. С., Жданов Ю. К., Климашин А. Л. Динамика быстродействующего гидравлического привода. - М.: Машиностроение, 1979. - 80 с., ил.

10 http://model.exponenta.ru/bt/bt_00113.html

Размещено на Allbest.ru

...