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

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

1. ОПИСАНИЕ ПРИВОДА

2. ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

3. определение потребной мощности привода

4. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОСИСТЕМЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ, НАХОЖДЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ

4.1 Электромеханический преобразователь

4.2 Гидроусилитель сопло-заслонка с пружинной синхронной связью

4.3 Гидроцилиндр

4.4 Передаточная функция потенциометра

4.5 Передаточная функция ИДПЗ

4.6 Передаточная функция электронного блока

5. передаточная функция разомкнутой системы

6. переходный процесс замкнутой системы

7. КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ

7.1 Построение желаемой ЛАЧХ

7.2 Выбор корректирующего устройства

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Электрогидравлический привод перемещения рабочего органа манипулятора.

Челябинск: ЮУрГУ, АК, 2009, 31 с.,

илл. 17, табл. 1. Библиография литературы - 10 наименований.

В курсовом проекте рассмотрено проектирование электрогидравлического рулевого привод самолета, подробно описан расчет составных элементов системы.

Графическая часть курсового проекта включает показатели основных характеристик системы, график функции переходного процесса.

1. ОПИСАНИЕ ПРИВОДА

привод гидроусилитель потенциометр корректирующий

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.

Табл. 1 - Исходные данные

Параметры системы	Данные для синтеза
, кг	, м/с	,	,Н/см	, см	Р, МПа	ЭМП	, С	, %	, %	, В
						, 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

привод гидроусилитель потенциометр корректирующий

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)

где

, (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)

где .

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

8. 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

...