Диссертация (Улучшение динамических свойств и исследование рабочих процессов авиационного рулевого гидропривода с комбинированным регулированием скорости при увеличении внешней нагрузки), страница 8

Также в модели возможноисследовать рабочие процессы привода - изменение всех промежуточныхкоординат состояния, таких как изменение момента на валу двигателя Mp,перепада давления жидкости в камерах гидроцилиндра dP, утечки в насосе иклапане реверса и др. Основные уравнения и соотношения имитационноймодели для каждого модельного блока рассмотрены ниже.3.2.1. Математическая модель блока управленияБлокуправленияописываетработуконтроллера,управляющегоприводом. Данная модель описывает алгоритмы синхронного управления47скоростью вращения электродвигателя и перемещением золотника клапанареверса, а также алгоритмы коррекции по перепаду давления и подстройкиначального давления на клапане в случае ее отсутствия.Предполагается,чтосовременнаяэлектроника,применяемаядляуправления приводами, обладает высоким уровнем быстродействия и точностидля решения поставленных задач.

В связи с этим запаздывания, вносимыевычислителем, при моделировании не учитываются. В цифровом электронномблоке осуществляется замыкание позиционной обратной связи привода,обеспечивающий следящий режим его работы и реализуются алгоритмыуправления,обеспечивающиекомбинированноерегулированиескоростивыходного звена. В электронный блок условно перенесены передаточныекоэффициенты электрических датчиков положения и давлений.Всоответствиисперечисленнымифункциямимодельныйблокформирует управляющие напряжения клапана реверса Ux и мехатронногомодуля Um в зависимости от командного напряжения следящего привода Ucomи положения Y его выходного звена.Уравнения, описывающие работу электронного блока управления,представлены ниже.

Синхронное управление клапаном реверса и мехатронныммодулем осуществляется исходя из следующего алгоритма:U X  (U com  Y  K OS )  K X 1 U ledK 0 U em0 при U m  0U m   (U com  Y  K OS )  K X  U no при 0  U m  U m max,U m max при U m  0(4.1)(4.2)Здесь U m - управляющий сигнал на входе мехатронного модуля;U X управляющий сигнал на входе клапана реверса; U com - командный сигнал навход привода; Y - положение выходного звена; K OS - коэффициент обратнойсвязи; K X - коэффициент контурного усиления; U no - начальный сигнал намехатронном модуле (при отсутствии динамической коррекции U no = const); K 048- величина относительного диапазона регулирования клапана реверса (ОДРК);U led / U em - коэффициент, согласующий максимальный управляющий сигнал навходе привода с максимальным управляющим напряжением на входе ЛЭД.На рисунке 3.2 представлена известная структура блока управленияприводом, в которой режим преимущественно дроссельного регулированияскорости обеспечивается величиной начального управляющего напряженияUno мехатронного модуля.

Наличие и ширина области преимущественнодроссельного регулирования привода зависит от напряжения смещения Uno всоставе управляющего напряжения мехатронного модуля Um. Коэффициент Koзадает требуемое увеличение чувствительности привода в области малыхвходных сигналов.Рис. 3.2. Функциональная схема блока управленияНа схеме показан блок коррекции, реализующий коррекцию по перепадудавления на клапане реверса с целью улучшения динамических свойств приводапри работе под нагрузкой.

Подробное описание коррекции и исследованиевлияния параметров настройки блока управления на характеристики приводапредставлены в главе 7 диссертационной работы.493.2.2. Математическая модель мехатронного модуляМатематическая модель мехатронного модуля, структура которогопоказананарис.3.3,представленадвумямодельными блоками: моделью бесколлекторногоэлектромотора и моделью контроллера (блокауправления электродвигателем), осуществляющегоуправление скоростью вращения вала электродвигателя.Рис.

3.3. Структурная схема модели мехатронного модуляБесколлекторныйэлектродвигательпредставленупрощеннойматематической моделью однофазной электрической машины постоянного тока(рис.3.4.), определяющей скорость вращения вала Omega и среднюю величинутока в обмотках Iem по средней величине напряжения в обмотках Uem имоментусопротивлениянавалуMem.Индуктивностьобмотокэлектродвигателя учитывается электромагнитной постоянной времени Teэлектромашины,аинерционностьегоротора–электромеханическойпостоянной времени Tm.

Модель определяет также входную мощностиэлектродвигателя Nm. Кроме того в цепи установлен блок ограничения по токув обмотках двигателя, определяемый контроллером блока управления.Особенностью привода с комбинированным регулированием скоростиявляется то, что электродвигатель имеет малую минимальную скоростьвращения, составляющую порядка 400-600 об/мин (для данного привода).

Всвязи с этим к моделям электродвигателя и блока управления не предъявляются50особых требований по точности воспроизведения выходных характеристик вобласти околонулевых сигналов управления.Рис. 3.4 Структурная схема модели электродвигателяУравнения, описывающие работу электродвигателя, представлены ниже:Remd ( M em  M p  M fr  Bmv  )dt Tm  Cm  Ce(4.3)M em  Cm  I em1(4.4) I em max при I em  I em maxI em1   I em при  I em max  I em  I em max I em max при I em   I em max(4.5)Te dI emU C   I em  em edtRem(4.6)Реальный цифровой блок управления электродвигателем осуществляеткоммутацию обмоток бесколлекторной электромашины, а также содержитусилитель мощности с широтно-импульсной модуляцией напряжения иэлементы отрицательных обратных связей по скорости вращения вала и току вобмотках. В модели организована обратная связь по скорости вращения вала,уменьшающая величину скольжения скорости электродвигателя под нагрузкой,токовая обратная связь, ограничивающая область высоконагруженных режимовработы двигателя и учитывающая ограничение предельной величины тока в51обмотках.

Функция коммутации обмоток в упрощенной однофазной моделиэлектродвигателя не востребована. Входными сигналами блока являютсяуправляющее напряжение мехатронного модуля Um, скорость вращения валаOmega и ток в обмотках Iem. Структурная схема контроллера приведена нарис.3.5.Рис. 3.5. Структурная схема контроллера электродвигателяУравнения, описывающие работу блока управления, представлены ниже:U emU em max при U em  U em max U em при  U em max  U em  U em max U em max при U em  U em max(4.7)U em  U1  ( I em  Kiu  I em1  Kiu1 )  K pwm(4.8)U1 max при U1  U1 maxU1  U1 при  U1 max  U1  U1 max U1 max при U1  U1 max(4.9) I em при I em  I em limI em1  0 при  I em lim  I em  I em lim I em при I em   I em lim(4.10)U1  (U m    K )  KU 1(4.11)523.2.3. Математическая модель поршневого насосаМатематическая модель нереверсивного насоса(рис.3.6) определяет теоретический Qtp и реальныйQp расход на выходе насоса с учетом внутреннихутечек в нем жидкости.

Одновременно возможноопределение и соответствующих мощностей Ntp иNp потоков жидкости.При определении момента Mp сопротивления на валу насоса учитываетсявоздействие перепада давления, а также вязкое и сухое трение насоса.Входными сигналами блока являются угловая скорость вращения вала насосаOmega, а также выходное Pp и входное Pr давления. Кроме того модельпозволяет учитывать пульсирующий характер изменения характерного объеманасоса Wp (а, следовательно, и момента сопротивления Mp, связанный сколичеством поршней Z в насосе).Рисунок 3.6. Структурная схема математической модели насосаУравнения, используемые в математической модели, представлены ниже:0, при Q  0Qp  Q, при Q  0(4.12)Q  Qtp  Qleak(4.13)53Qleak  ( Pp  Pr )  ( Rp  Rdr )(4.14)Qtp   Wp(4.15)0, при   0, при   0(4.16)W p , без учета пульсацийWp   f (, z ), при учете пульсаций(4.17)M p  ( Pp  Pr )  Wp  M fr    B p(4.18)3.2.4. Модель формирования давления жидкости на входе клапанаДавление Pp жидкости на входе в клапан реверса формируется в полостинагнетания насоса.

Модель этой полости, показанной на рис. 3.7, описываетпроцесс сжатия в ней упругой жидкости и работу предохранительного клапананасоса. При сжатии жидкости учтена зависимость модуля ее объемнойупругости E от давления, температуры Tc и процентного содержания в нейвоздухаVvozd(рис.3.8).Эту зависимостьреализуетмодельныйблокE=f(P,Vвозд). Давление нагнетания снизу ограничено величиной давлениянасыщенных паров жидкости при заданной температуре Psteam, а сверху –давлением срабатывания предохранительного клапана Pmax.формируемый на выходе клапана реверса,- расход,- расход на выходе насоса,объем полости, где происходит формирование давления,-- расход черезпредохранительный клапан.Рис. 3.7. Структурная схема модели полости нагнетания насоса54Давление нагнетания снизу ограничено величиной давления насыщенныхпаров жидкости при заданной температуре Psteam, а сверху – давлениемсрабатывания предохранительного клапана Pmax.При моделировании были использованы следующие уравнения: Pmax , при P  PmaxP   P1 , при Psteam  P  Pmax Psteam, при P  Psteam(4.19)dPE (Q p  Qin )dt Vcav(4.20)E  f ( P,Vвозд )(4.21)Рис.