- •Системы управления исполнительными механизмами
- •Оглавление
- •Принятые сокращения
- •Введение
- •Классификация и общее устройство исполнительных механизмов
- •1.1. Исполнительные механизмы. Основные понятия.
- •Классификация исполнительных механизмов
- •Электрические исполнительные механизмы
- •1.3.1. Исполнительные механизмы электрические однооборотные
- •Структура условного обозначения и основные параметры им мэо:
- •1.3.2. Исполнительные механизмы электрические многооборотные
- •1.3.3. Исполнительные механизмы электрические прямоходные
- •Пневматические исполнительные механизмы
- •Гидравлические исполнительные механизмы
- •Электрогидравлических клапанов
- •1.6. Электромагнитный исполнительный механизм
- •2.2. Обобщенные функциональные схемы, координаты и параметры суим. Функциональные элементы суим.
- •. Основные задачи исследования и стадии проектирования суим
- •2.3.1. Основные задачи исследования суим
- •2.3.2. Стадии проектирования суим
- •3. Математическое описание и характеристики суим
- •3.1. Формы математического описания линейных суим
- •3.2. Линеаризация нелинейных элементов суим
- •3.3. Статические и динамические характеристики суим
- •3.3.1. Статика суим. Коэффициенты ошибок суим по положению, скорости и ускорению
- •3.3.2. Динамика суим. Свободные и вынужденные переходные процессы
- •4. Общие Принципы работы и математические модели элементов суим
- •4.1. Исполнительные механизмы
- •4.2. Приводы
- •4.2.1. Коллекторные двигатели постоянного тока
- •4.2.2. Бесколлекторные двигатели постоянного тока
- •4.2.3. Асинхронные двигатели
- •4.2.4. Синхронные двигатели
- •4.2.5. Шаговые двигатели
- •4.3. Силовые преобразователи энергии
- •4.3.1. Электромашинные преобразователи
- •4.3.2. Тиристорные преобразователи
- •4.3.3. Транзисторные и симисторные преобразователи
- •4.4. Датчики координат суим
- •4.5. Регуляторы, корректирующие звенья
- •1. Пропорциональный регулятор (п-регулятор).
- •2. Интегральный регулятор (и-регулятор).
- •3. Дифференциальный регулятор (д-регулятор).
- •4. Пропорционально-интегральный регулятор (пи-регулятор).
- •6. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (пид-регулятор).
- •5. Общие принципы построения суим
- •5.1. Релейно-контакторные суим
- •5.1.1. Рксу асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
- •5.1.2. Рксу асинхронным двигателем с фазным ротором
- •5.2. Бесконтактные суим постоянной скорости
- •5.3. Системы стабилизации выходной координаты объекта управления. Типовые методы улучшения качества регулирования
- •В статике, т.Е. В установившихся (квазиустановившихся) режимах функционирования систем стабилизации можно сформулировать два основных тесно взаимосвязанных требования:
- •5.4. Системы программного управления, способы ограничения координат суим
- •5.5. Системы следящего управления, понятие добротности
- •6. Синтез суим
- •6.1. Подчиненное регулирование координат
- •6.2. Оптимальные настройки контуров регулирования
- •6.2.1. Технический оптимум
- •6.2.2. Симметричный оптимум
- •6.2.3. Апериодический оптимум
- •6.3. Типовая методика структурно-параметрического синтеза
- •7. Системы регулирования скорости эим
- •7.1. Система регулирования скорости “Тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока”
- •1. Синтез контура регулирования тока якоря.
- •2. Синтез контура регулирования скорости.
- •7.6. Переходный процесс в сар скорости при скачке задания
- •Р ис. 7.7. Переходные процессы в сар скорости при ударном приложении нагрузки на валу электропривода
- •7.2. Система регулирования скорости “Генератор - двигатель постоянного тока”
- •7.4. Системы управление эим переменного тока
- •8. Системы регулирования положения эим
- •8.1. Режимы перемещения рабочих органов
- •8.2. Сар положения с линейным регулятором
- •8.3. Сар положения с нелинейным регулятором
- •Подставляя в это соотношение выражение (8.2) для Kрп в режиме средних перемещений получим
- •8.4. Инвариантные и квазиинвариантные следящие суим
- •9. Дискретно-непрерывные суим
- •9.1. Дискретизация сигналов и z-преобразование
- •9.2. Дискретные передаточные функции и разностные уравнения при описании суим
- •9.3. Синтез цифровых систем управления
- •9.3.1. Методы дискретизации аналоговых регуляторов и билинейного преобразования
- •9.3.2. Метод переменного коэффициента усиления
- •9.3.3. Метод аналитического конструирования цифровых регуляторов состояния
- •Синтез свободного движения сау
- •Синтез вынужденного движения сау
- •10. Интеллектуальные суим
- •10.1. Функциональная структура интеллектуальной суим
- •10.2. Технические средства интеллектуализации суим
- •10.3. Суим на основе средств управления фирмы овен
- •Заключение
- •Список литературы
Гидравлические исполнительные механизмы
Гидравлические исполнительные механизмы (ГИМ) являются неотъемлемой и основной конструктивной частью гидравлического привода (гидропривода), включающего помимо ГИМ гидробак, гидронасос, гидрораспределитель и др. устройства. Приводным двигателем гидронасоса могут быть электродвигатель, дизель и другие двигатели, поэтому иногда гидропривод называют соответственно электронасосным, дизельнасосным и т.д.
Основное назначение гидропривода – преобразование гидравлической энергии в соответствие с требованиями нагрузки (величины статической нагрузки, преобразование вида движения выходного звена ГИМ и др.), а также регулирование, защита от перегрузок и т.п.
Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости.
Широкое распространение в настоящее время получил объёмный гидропривод. Под объёмным гидроприводом понимается совокупность объёмных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения посредством рабочей жидкости.
Объёмной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры. К объёмным машинам относят, например, поршневые насосы, аксиально-поршневые, радиально-поршневые, шестерённые гидромашины и др.
Одна из особенностей, отличающая объёмный гидропривод от гидродинамического – большие давления в гидросистемах. Так, номинальные давления в гидросистемах экскаваторов могут достигать 32 МПа, а в некоторых случаях рабочее давление может быть более 300 МПа. Объёмный гидропривод применяется преимущественно в горных и строительно-дорожных машинах.
В зависимости от конструкции и типа входящих в состав гидропередачи элементов объемные гидроприводы можно классифицировать по следующим признакам.
По характеру движения выходного звена ГИМ:
- гидропривод вращательного движения, когда в качестве гидродвигателя применяется гидромотор, у которого ведомое звено (вал или корпус ГИМ) совершает неограниченное вращательное движение;
- гидропривод поступательного движения, у которого в качестве ГИМ применяется гидроцилиндр – двигатель с возвратно-поступательным движением ведомого звена (штока поршня, плунжера или корпуса);
- гидропривод поворотного движения, когда в качестве ГИМ применен поворотный гидроцилиндр, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360°.
По возможности регулирования:
- нерегулируемый гидропривод, у которого нельзя изменять скорость движения выходного звена ГИМ в процессе эксплуатации;
- регулируемый гидропривод, в котором в процессе его эксплуатации скорость выходного звена ГИМ можно изменять по требуемому закону.
В свою очередь регулирование может быть дроссельным, объемным, объемно-дроссельным или изменением скорости двигателя, приводящего в работу насос.
Кроме того, регулирование может быть ручным или автоматическим.
В зависимости от задач регулирования гидропривод может быть:
- стабилизационным;
- программным;
- следящим.
По схеме циркуляции рабочей жидкости:
- гидропривод с замкнутой схемой циркуляции, в котором рабочая жидкость от гидродвигателя возвращается во всасывающую гидролинию насоса.
Гидропривод с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости компактен, имеет небольшую массу и допускает большую частоту вращения ротора насоса без опасности возникновения кавитации, поскольку в такой системе во всасывающей линии давление всегда превышает атмосферное. К недостаткам следует отнести плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, а также необходимость спускать из гидросистемы рабочую жидкость при замене или ремонте гидроаппаратуры;
- гидропривод с разомкнутой системой циркуляции, в котором рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой. Достоинства такой схемы – хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприводы громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (по условиям бескавитационной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе.
По источнику подачи рабочей жидкости:
- насосный гидропривод; в насосном гидроприводе, получившем наибольшее распространение в технике, механическая энергия двигателя преобразуется насосом в гидравлическую энергию; носитель энергии – рабочая жидкость под давлением – нагнетается через напорную магистраль к ГИМ, где энергия потока жидкости преобразуется в механическую. Рабочая жидкость, отдав свою энергию ГИМ, возвращается либо обратно к насосу (замкнутая схема гидропривода), либо в бак (разомкнутая или открытая схема гидропривода). В общем случае в состав насосного гидропривода входят гидропередача, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроемкости и гидролинии.
- магистральный гидропривод; в магистральном гидроприводе рабочая жидкость нагнетается насосными станциями в напорную магистраль, к которой подключаются потребители гидравлической энергии.
- аккумуляторный гидропривод; в аккумуляторном гидроприводе жидкость подаётся в гидролинию от заранее заряженного гидроаккумулятора. Этот тип гидропривода используется в основном в машинах и механизмах с кратковременными режимами работы, например, в гибридных карьерных автомобилях.
По типу приводящего двигателя гидронасоса:
- с электроприводом;
- с приводом от ДВС;
- приводом от турбин и т.д.
Преимущества гидропривода и ГИМ:
К основным преимуществам относятся:
- возможность универсального преобразования механической характеристики ГИМ в соответствии с требованиями нагрузки;
- относительная простота управления и автоматизации;
- простота предохранения ГИМ и рабочих органов машин от перегрузок; надежность эксплуатации;
- широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена;
- большая передаваемая мощность на единицу массы привода,
- надёжная смазка трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.
Недостатки гидропривода и ГИМ:
- достаточно громоздки и требуют создания и распределения сжатой рабочей жидкости, т.е. наличия гидростанции;
- утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления;
- нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты;
- более низкий КПД (по приведённым выше причинам), чем у сопоставимых механических передач;
- необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в неё воздуха;
- пожароопасность в случае применения горючей рабочей жидкости.
При правильном выборе гидросхем и конструировании гидроузлов некоторые из перечисленных недостатков гидропривода можно устранить или значительно уменьшить их влияние на работу машин.
В целом же, в силу перечисленных недостатков в системах автоматизации технологических процессов и производственных установок ГИМ задействованы крайне мало (менее 1% от общей массы ИМ).
На рис. 1.18 изображена типовая схема гидросистемы с регулируемым насосом 3, приводимым во вращение электродвигателем М. Насос 3 снабжен фильтром 4, установленным на всасывающем трубопроводе, и предохранительным клапаном 6.
Трехпозиционный четырехходовой гидрораспределитель 2 с ручным управлением осуществляет реверс поршня силового цилиндра 1 ГИМ с поступательным движением регулирующего органа. В среднем положении гидрораспределителя 2 все его каналы соединяются с баком 5, что соответствует холостому ходу (разгрузке) насоса и "плавающему" состоянию поршня цилиндра.
Как динамический объект управления сам ГИМ представляет собой интегрирующее звено, у которого входным воздействием является разница давлений жидкости в полостях рабочего цилиндра, а выходной координатой – перемещение штока поршня и, соответственно, рабочего (регулирующего) органа.
Рис. 1.18. Типовая схема гидросистемы
с регулируемым насосом и ГИМ
поступательного движения
В автоматизированных СУИМ на основе гидравлики применяют электрогидравлические (ЭГИМ) и электро-пневмо-гидравлические (ЭПГИМ) исполнительные механизмы. Для этой цели служат, в частности, различного рода электрогидравлические усилители (сервовентили). На рис. 1.19 представлен внешний вид сервовентиля для управления гидравлическими исполнительными механизмами выправо-подбивочно-рихтовочных машин типа ВПР.
Усилитель по своему функциональному назначению и техническим характеристикам может применяться для замены импортных аналогов – сервовентилей фирмы “MOOG”, “Dowty”, “ORSTA” и др. в автоматических системах управления технологическими процессами на железной дороге.
Рис. 1.19. Внешний вид электрогидравлического усилителя УЭГ.С-П
Для управления ЭГИМ разработаны усилители мощности, обеспечивающие пропорциональный закон движения электрогидравлических клапанов (рис. 1.20).
Используются для подачи командных электрических сигналов усилителю мощности, который преобразовывает и усиливает электрические сигналы перед отправкой на электромагниты, управляющие пропорциональными клапанами.
Рис. 1.20. Усилители мощности для пропорциональных