Диссертация (Разработка и исследование электрогидравлического привода с раздельным управлением группами поршней), страница 2

Отмечено, что при моделировании обязательным является учетследующих свойств агрегатов и узлов:7 нелинейные характеристики распределяющих устройств, среди которыхперекрытия в золотниковых парах, гистерезис магнитной системы,несимметричность статической характеристики; люфты и упругость в сочленениях механизма привода.Выявленные особенности приводят к возникновению взаимного нагружениягрупп поршней.Для готовой модели проведена процедура идентификации трудно измеряемыхпараметров. Предложен алгоритм поиска этих параметров на основе методабезусловной минимизации. Сделаны выводы об адекватности полученной модели.В четвертой главе описан экспериментальный комплекс, созданный дляисследования электрогидравлического привода с раздельным управлением группамипоршней. Рассмотрен макетный образец привода в составе комплекса, питающаянасосная станция, система управления и сбора данных.

С помощью разработанногокомплекса получены экспериментальные данные о работе привода в режимахслежения по углу поворота и угловой скорости вращения, записаны процессыизменения давления в полостях цилиндров. Эти данные были использованы дляпроведения процедуры идентификации параметров и верификации математическоймодели.Пятая глава посвящена разработке специальных алгоритмов управления.Предложен способ введения коррекции по разности давлений в полостях цилиндров,позволяющийминимизироватьвзаимноенагружениегрупппоршней.Дляповышения точности слежения коррекция вводится только в моменты прохожденияпоршнями мертвых точек. Разработан алгоритм плавного перехода от слежения поуглу поворота к коррекции.Также в пятой главе предложен способ повышения энергетическойэффективности привода за счет синтеза специального алгоритма управления.Принципраздельногоинициированияуправленияуправляемогогруппамивзаимногопоршнейнагруженияиспользовангруппидлясниженияпотребляемого приводом расхода.

Для этого поставлена задача условной8оптимизации, в ходе решения которой минимизируется потребляемый приводомрасход при сохранении равномерности скорости вращения выходного вала не хужезаданной. Варьируемыми параметрами при решении оптимизационной задачиявляются коэффициенты, задающие форму сигнала управления при помощипреобразования Фурье. Предложенный алгоритм применен для синтеза сигналауправления в одном из режимов работы и продемонстрировано повышениеэнергетической эффективности.В заключении представлены основные результаты работы. По результатамсделанысоответствующиевыводы.практическая значимость работы.Сформулированынаучнаяновизнаи9Глава 1.

Разработка концепции электрогидравлического привода сраздельным управлением группами поршней1.1. Современные тенденции создания электрогидравлических приводовВ последние годы, благодаря успешному внедрению новых материалов итехнологий, набирают популярность приводы с регулированием посредствомизменения скорости вращения вала насоса. В современной терминологии такиеприводы называют электрогидростатическими.

Существует большое количестворабот, посвященных созданию структуры и моделированию работы такого привода[1], [2], разработке алгоритмов управления [3], [4], [5], а также осуществляющихкомплексный подход к проблеме [6], [7], [8]. Особого внимания заслуживаютрезультаты совместных работ всемирно известной компании MOOG с партнерами изразных стран. В работе [9], проведенной компанией MOOG совместно с Дрезденскимуниверситетом рассказывается об опыте установки электрогидростатическогопривода на пресс глубокой вытяжки [9].

В статье дано сравнение приводов разноготипа: электромеханического, электрогидравлического и электрогидростатического.Результаты сравнения показаны на Рисунке 1.1.Рисунок 1.1. Сравнение приводов разных типов по данным компании MOOG.10По сравнению с обычным электрогидравлическим приводом с дроссельнымрегулированиемэлектрогидростатическийпоказалснижениеколичествапотребляемой из сети насосной установкой электрической энергии на 29%.Исследования, посвященные электрогидростатическим приводам проводятся ив нашей стране. В 2013-2014 годах в МГТУ им. Н.Э.

Баумана проводилась работа посозданию такого привода, основные результаты которой представлены в работах [10],[11], [12]. Авторы показывают, что электрогидростатический привод являетсяхорошей альтернативой приводу с дроссельным регулированием при использованииего в качестве привода звеньев манипуляторов. Также была показана его высокаяэнергоэффективность.Наряду с достоинствами, приводы с управлением за счет регулированияскорости вращения вала электродвигателя имеют и некоторые недостатки. В работе[13] показано, что следящая система с электрогидростатическим приводом можетиметь колебания при работе на малых рассогласованиях. Также им свойственнаневысокая динамическая жесткость.Решением этих проблем может является привод с комбинированнымуправлением, описанный в работе А.М. Селиванова [14].

Суть предложенной им идеисостоит в том, что скорость вращения вала насоса не опускается ниже некоторойустановленной величины, и при малых рассогласованиях используется обычноедроссельное регулирование. При этом энергоэффективность сохраняется надостаточно высоком уровне, а точность слежения повышается.Применение новейших разработок электротехнической отрасли в областигидравлики не ограничивается использованием современных серводвигателей.Использованиеновыхматериаловсделаловозможнымсозданиеновыхбыстродействующих дискретных клапанов.

Например, такие клапаны описывают вработе Н.П. Селла, Д.Н. Джонсона и др. из университета Бат в Великобритании [15].Такие клапаны стали использовать в системах распределения многопоршневыхгидродвигателей и насосов, основав, тем самым, новый метод управлениягидромашинами и гидроприводами в целом. В англоязычной литературе этот методполучил название “digital displacement” [16]. По своей сути он представляет собой11фазовое регулирование подачи объемной гидромашины.

Новшество относительноизвестных ранее вариантов реализации фазового регулирования состоит в том, чтокаждая рабочая камера гидромашины оснащается двумя дискретными клапанами сэлектроуправлением, осуществляющими ее подключение к линиям высокого инизкогодавленийпонекоторомуалгоритму.Этоталгоритмспециальноразрабатывается в каждом конкретном случае с учетом режима работы гидромашиныи требований к ее характеристикам. В виду отсутствия в имеющейся русскоязычнойлитературе описания и даже названия такого метода, назовем его дискретно-фазовымрегулированием рабочего объема гидромашины.В настоящее время метод дискретно-фазового регулирования активноисследуется, ведутся работы по созданию специально адаптированных гидромашини алгоритмов управления [17], [18], [19].

В работе [20], проведенной исследователямииз Инновационного центра корпорации Eaton, излагается опыт применения этогометода для управления героторным гидродвигателем. В этой работе метод назван«многоуровневым управлением героторной гидромашиной». Как показано наРисунке 1.1.2 каждая рабочая камера гидромотора оснащена трехлинейнымдискретным клапаном с электроуправленим, осуществляющим ее коммутацию либос линией высокого давления, либо с линией низкого давления.Рисунок 1.2. Гидравлическая схема многоуровневого управления героторнымгидромотором.12На валу гидромотора установлен датчик угла поворота, информация с которогопоступает в электронный блок управления.

В электронном блоке управленияформируется сигналы, подаваемые на электромагниты клапанов. Структурная схематакой системы показана на Рисунке 1.1.3.Рисунок 1.3. Структурная схема системы.Авторы моделировали работу привода в режиме слежения по угловой скоростивращения. Результаты моделирования показаны на Рисунке 1.1.4.Рисунок 1.4. Работа героторного гидродвигателя с системой многоуровневогоуправления в режиме слежения по угловой скорости.Предложенная схема позволяет достичь большой гибкости в плане управлениягидродвигателем.

Одновременно с этим возникает проблема неоднозначногосоответствия состояния клапанов и развиваемого двигателем момента. Для решения13этой задачи авторы предлагают разрабатывать специальные оптимизационныеалгоритмы. Другой проблемой является значительный «шум» момента на валугидродвигателя.Проблемы синтеза алгоритмов, а так же повышения плавности работыприводов с дискретно-фазовым регулированием частично решены в работе [21]коллективом авторов Мэтью Снеготски, Маркуса Готфрида и Уве Кинглауфа изкорпорации Bosch Rexroth AG и Дармштадтского технического университета.

Длярассмотрения они выбрали привод, схема которого показана на Рисунке 1.1.5.Рисунок 1.5. Схема гидропривода с дискретно-фазовым регулированием снесколькими группами поршней. 1 – гидропневмоаккумулятор; 2- линия высокогодавления; 3 – линия низкого давления; 4 – клапан низкого давления; 5 – клапанвысокого давления; 6 – обратный клапан; 7 – поршень; 8 – рабочая жидкость; 9 –цилиндр; 10 – бак.Принципиальное отличие этого привода от рассмотренного ранее состоит вналичии нескольких групп поршней. Каждая группа повернута на некоторый угол14относительно предыдущей.

Угол поворота вычисляется исходя из общего числагрупп. Такая схема существенно повышает плавность работы привода.Для синтеза алгоритма управления авторы статьи предлагают использоватьметоды целочисленного квадратичного программирования, в частности алгоритмуправления с прогнозирующими моделями. Такой подход позволяет отдаватьприоритет при работе привода либо более плавной работе, либо снижению числапереключений клапанов.Рисунок 1.6. Результаты работы различных алгоритмов.На Рисунке 1.1.6 приведены результаты расчетов для случая, когда приводпереходит из одной установившейся скорости вращения в другую. Левая колонкаграфиков соответствует более плавной работе, правая – минимуму количествасрабатываний клапанов.

Верхние графики показывают состояния клапанов, средние– момент от каждого из поршней, нижние – суммарный момент.Вопросам гидроприводов с дискретно-фазовым регулированием и тесносвязанным с ним вопросам «цифровой гидравлики» посвящено много работпрофессора Матти Линьяма из Технического университета Тампере в Финляндии[22], [23], . Среди прочих стоит отметить наиболее интересные [16], [24], в которыхподробно рассматриваются все стадии разработки таких систем, проводится ихсравнение с гидроприводами с объемным регулированием.