Автореферат (Повышение точности позиционирования каретки бесштокового пневмоагрегата), страница 2

Для того, чтобы достичь линейного перемещения выходного звенаобычно используются пневматические, электромагнитные и гидравлическиеприводы. Большой проблемой при использовании пневматических цилиндровявляется наличие трения поршня и нелинейных характеристик потока сжатогогаза. Тем не менее, они нашли широкое применение в тех отраслях, гденеобходимо достигать лишь крайние положения кареткой пневмоагрегатов.В последние десятилетия стали доступны промышленные контроллеры, которые имеют достаточный потенциал для отработки сложных алгоритмов управления в реальном времени. Таким образом, в настоящее время стало возможнымразрабатывать пневматические системы с законами управления, требующимибольшой вычислительной мощности.В прошлом веке исследователи зачастую пользовались традиционными законами регулирования из классической теории управления.

Это объяснялосьтем, что промышленность испытывала нехватку аппаратной части для реализации сложных алгоритмов управления кареткой бесштокового пневматическогоцилиндра. С развитием микропроцессорной техники начали появляться все более сложные интеллектуальные алгоритмы управления. Благодаря использованию интеллектуальных алгоритмов управления, в основу которых вошли нейрорегуляторы, удалось снизить ошибку позиционирования до 0,2% от общейдлины хода каретки пневмодвигателя. Но, как правило, в данных регуляторах вкачестве управляющего клапана используются дешевые дискретные распределители, которые, из-за высокой частоты срабатывания, подвержены частым поломкам.8За последние десятилетия рядом ведущих производителей пневмоаппаратуры (FESTO (Germany), Enfild Technologies (USA), Camozzi (Italy)) были созданы контроллеры для следящих пневмосистем, а также пневмосервоприводы.Однако показатель стоимость/технические возможности для них остается достаточно высоким, не обеспечивающим очевидных конкурентных преимуществ посравнению с электроприводом.

Причины кроются, в основном, в невозможностиреализовать высококачественную систему управления столь сложным объектом,ограничиваясь лишь законами ПИД-регулирования. В прикладном аспекте, данная работа посвящена преодолению указанных недостатков.Низкая точность позиционирования в многоосных пневматических системах значительно снижает использование пневматики в манипуляторах и роботах.Быстрое развитие параллельных пневматических манипуляторов накладываетмного требований к контроллерам пневматических сервоприводов, касающихсяточности позиционирования, устойчивости к переменным параметрам состояния.

Проблема точности позиционирования в сервопневматических системахтрудно решаема, когда нет достаточной информации о процессе преобразованияэнергии сжатого газа в механическую энергию пневматического цилиндра. Изза этого новые интеллектуальные методы, основанные на искусственном интеллекте, например, нечеткая логика, широко используются в данных работах.До недавнего времени пневматические цилиндры применялись в основномдля управления системами с небольшими требованиями, предъявляемыми к позиции; конфигурация таких систем состоит из дискретных переключений клапанов с пневматическими цилиндрами без каких – либо сенсорных элементов.

Дляувеличения области применения и достижения более высокой точности в систему был введен пропорциональный пневматический распределитель. В качестве альтернативы для управления пневматическими агрегатами были предложены нечеткие методы, нейронные сети и генетические алгоритмы [6].Меньшее количество научных трудов сфокусировано на силовом управлении. Однако, независимо от того, производится управление по положению илипо усилию, доминирующими факторами являются нелинейности в пневматической части, а не в механической системе.

Поэтому есть фундаментальная необходимость в детальном динамическом моделировании системы с пневматическим цилиндром.Вторая глава диссертации посвящена разработке и уточнению математической модели бесштокового пневматического цилиндра (ПЦ). На рисунке 1представлена упрощенная расчетная схема бесштокового пневматическогопривода, где 1 - поршень, 2 – каретка, 3 – корпус пневмоцилиндра, x − расстоя-9ние фиксированной точки поршня от начала координат, м, S – длина хода каретки пневмоагрегата, м, m − суммарная масса поршня, штока и присоединенных к штоку инструментов либо элементов конструкции, кг, p1 , p 2 − давлениевоздуха в левой и правой полости пневмоагрегата, Па, F − площадь поверхностипоршня, м2, N − сила внешнего сопротивления, Н,f1 , f 2 , – площадипроходных сечений трубопроводов, м2, p M – давлениепитания(давление передтрубопроводом),Па, TM – температура газа в магистрали, К, p A – ат-Рисунок 1 – Упрощенная расчетная схема бесштоковогопневмоцилиндрамосферное давление, Па, Fтр − суммарная сила сопротивления, возникающаявнутри двигателя при начале движения и в процессе движения поршня, Н.  F ,(1)Fтр  Fтр − сила трения в паре поршень-гильза, каретка-направляющая, Н, F где Fтр− сила сопротивления деформации герметизирующей ленты, отделяющей внутреннюю полость цилиндра от окружающего пространства, Н.Движение любой точки поршня можно описать, пользуясь вторым закономНьютона:(2)ma  F  ( p1  p2 )  Fтр  N ,где a  d dt − ускорение, с которым перемещается поршень пневмоцилиндра, м/с2,   dx dt − скорость перемещения поршня пневмоцилиндра, м/с.Согласно первому закону термодинамики:dQМ  dU1  dL1 .iM dmM  u1dm1  m1du1  p1dV1 ,(3)(4)где u1 − удельная внутренняя энергия, dL1 − работа расширения газа в левойполости ПЦ, dQ М − тепловая энергия, подведенная с газом (левая полость ПЦ),dU 1 − изменение внутренней энергии в левой полости ПЦ.10Выразим в уравнении (4) значения энтальпии и внутренней энергии черезпроизведение температуры на теплоемкость, соответственно, при постоянныхдавлении с р и объеме с :с pTM dmM  c T1dm1  c m1dT1  p1dV1 .Рассматривая воздух как идеальный газ, имеем:p1V1  m1 RT1 ,(5)(6)где R − газовая постоянная.

Запишем уравнение (6) в приращениях:p dV V dpm1dT1  1 1  1 1  dm1T1 .(7)RRПодставляя значение m1dT1 из уравнения (7) в уравнение (5), а также учитывая следующие выражения с p с  k и с p  с  R , гдеk − показатель адиа-баты, запишем:с( p1dV1  V1dp1 )  p1dV1 .R(8)После упрощений получим:сpRR TM dmM  1   p1dV1  V1dp1 .cc kRTM dmM  kp1dV1  V1dp1 .(9)с pTM dmM (10)GM  dmM dt , тогда:kRTM GM dt  kp1dV1  V1dp1 ,(11)V1  V P  V1М ,(12)где VP  Fx − рабочий (переменный) объем рабочей полости пневмоцилиндра, м3, V1М − начальный (постоянный) объем пневмоагрегата, м3. Начальный объем V1М включает конструктивный объем полости нагнетания в крайнемположении поршня и объем подводящей линии, состоящий из объемов трубопровода и подключенной пневмоаппаратуры.Для расчета расхода в случае теплоизолированного (адиабатического) потока используют формулу Сен-Венана и Ванцеля:k 122k2kG    f  pM( k   k )    f  pM ( ) ,(13)(1  k ) RTM(1  k ) RTMгде  ( )  (2kk 1k) – расходная функция,  – коэффициент расхода,p – давление за трубопроводом, Па;   p pM – величина относительного давления.

После определения экстремума расходной функции было установлено:11если   0,528;0,259 , ( )  k 12kk(),если   0,528.Уравнения изменения давления в полости нагнетания цилиндра примут вид:2kkRTfp ( 1 )M11M(1k)dpkp1 F dx1, dtFx  V1МFx  V1М dt(14)если 1  0,528;0,259 , ( 1 )  k 12k k) ,(если 1  0,528.11Аналогичным образом получаем систему уравнений истечения сжатого воздуха из правой полости ПЦ.Для точного составления математической модели пневмоагрегата авторомбыли исследованы «мертвые» объемы поршневых полостей пневматическогоцилиндра.

Было установлено, что уменьшение ошибки позиционирования происходит быстрее, когда в математической модели пневматического цилиндра неучитываются «мертвые» объемы, что не соответствует результатам при физическом моделировании.Для измерения величины Fтр был разработан стенд с программным число-вым управлением. На рисунке 2 изображена схема исследовательского стендаизмерения силы трения в парах поршень-гильза и каретка-направляющая бесштокового пневматического цилиндра [10]. Исследовательский стенд включаетв себя: ДС – датчик силы, ЭМП – электромеханический преобразователь поступательного движения, СД – синхронный двигатель, ЧП – частотный преобразователь, ПК – персональный компьютер, УСП – усилитель/преобразователь.Рисунок 2 – Структурная схема исследовательского стенда силы трения вбесштоковом пневматическом цилиндре12Проведя серию экспериментов по измерению силы трения в парах поршеньгильза и каретка-направляющая с различными значениями скоростей и перепадов давления, автором была построена характеристика силы трения для данногопневматического цилиндра (см.