Гидравлические приводы автоматического регулирования

Введение

Основное требование, которому должна удовлетворять любая система автоматического управления (САУ) заключатся в обеспечении заданного для управляемого объекта режима работы. Вследствие возмущающих воздействий или изменения задающего воздействия в САУ в какие-то моменты времени нарушается установившийся режим работы системы. При восстановлении заданного состояния или при смене состояний в системе возникают переходные процессы, сопровождающиеся изменением регулируемых величин во времени. Эти изменения при правильной работе регулятора (управляющей системы) должны находиться в допустимых пределах. Кроме того, иногда накладываются ограничения на продолжительность процессов регулирования.
Можно выделить три основные задачи, которые приходиться решать при исследовании и создании систем автоматического управления. Первой из них является определение условий, при которых САУ будет устойчивой. Вторая задача состоит в нахождении отклонений регулируемых величин при переходных процессах и в определении продолжительности этих процессов. Третья задача заключается в выявлении ошибок, с которыми система автоматического управления работает в установившемся режиме. Эти три задачи по существу сводятся к обеспечению устойчивости, качества и точности регулирования. Ввиду того, что в работе проводится синтез закона высокой точности, для отработки медленноменяющихся входных сигналов, и к быстродействию системы, вообще говоря, никаких требований не предъявляется, вторая задача исключается.
Для решения первой и третьей задач существуют различные пути. При наличии системы автоматического управления она может быть подвергнута всесторонним испытаниям для проверки влияния различных факторов на устойчивость, качество и точность регулирования. Однако, во-первых, такие испытания оказываются очень трудоемкими, во-вторых не всегда известно влияние каких именно факторов необходимо проверять. Вследствие этого даже при большом объеме испытаний, результаты исследования будут недостаточно полными.
Поэтому необходимо сначала получить математическое описание изучаемой системы. Такое описание осуществляется обычно с помощью дифференциальных, интегральных, разностных или алгебраических уравнений, число которых должны быть равно числу неизвестных переменных. В этом случае система уравнений является замкнутой. Замкнутая система уравнений со всеми необходимыми для ее решения начальными и граничными условиями образует математическую модель изучаемой системы.
Очевидно, что после того как математическая модель системы определена, исследование ее свойств сводится к одному из возможных способов нахождения решений полученных уравнений. Такие решения могут быть получены непосредственно на аналоговых или цифровых вычислительных машинах. Этот путь благодаря развитию и совершенствованию вычислительной техники получил наибольшее распространение при расчетах и проектировании современных САУ, поэтому именное его мы и будем использовать.
Рассматриваемая система относится к классу следящих. Это один из наиболее распространенных видов САУ. Назначением систем данного класса является воспроизведение на выходе сигнала, подаваемого на вход. В большинстве случаев качество системы определяется точностью с которой она может отслеживать задающее воздействие.
Улучшить динамические свойства любой САУ можно за счет повышения качества изготовления агрегатов и блоков из которых она состоит. Однако это ведет к увеличению стоимости системы. Альтернативным способом является синтез рационального закона управления, при котором достигается необходимый уровень качества работы системы.
Для этого методами теории автоматического управления (ТАУ) решаются две основные задачи. Первая состоит в анализе системы автоматического управления. Анализ проводиться, когда известна или предварительно выбрана структура системы и необходимо определить зависимости между параметрами и характеристиками отдельных элементов, раскрывающими их влияние на устойчивость, качество и точность регулирования. Второй задачей является синтез систем автоматического управления. При синтезе может быть полностью неизвестна структура регулятора или управляющей системы. В зависимости от предъявляемых к системе требований по устойчивости, качеству и точности регулирования методами синтеза определяются вид и характеристики элемента или группы элементов, которые необходимо ввести в систему. Обычно такие элементы относятся к корректирующим.

1. Постановка задачи
гидропривод автоматический управление преобразователь
Решение любой технической задачи никогда не бывает единственным. Одной и той же цели можно достичь различными путями, одну и ту же функцию могут выполнять различные устройства. При этом сами технические задачи становятся в условиях современной научно-технической революции все масштабней и сложнее, а решение их требует все больших средств. Проектирование, изготовление и эксплуатация современных мощных и сложных машин и аппаратов связаны с огромными и все возрастающими затратами материальных и трудовых ресурсов. В этих условиях становится всё более важным из всех возможных вариантов решения выбрать наилучший, наиболее эффективный и выгодный, другими словами, оптимальный вариант. Сделать такой выбор совсем не просто даже и в том случае, когда имеется исчерпывающее описание всех вариантов и сформирован достаточно информативный критерий качества, позволяющий сравнивать варианты между собой. Однако именно сравнение вариантов, их оценка, часто вызывает наибольшие трудности. Любую техническую систему всегда можно оценивать с разных точек зрения, и среди них всегда присутствуют противоречащие друг другу критерии — эффективность и стоимость.
При проектировании систем автоматического управления (САУ), как и при любом проектировании, также приходится иметь дело с большим количеством противоречивых показателей качества. Не затрагивая весьма важные стоимостные, массогабаритные, эксплуатационные и прочие показатели, остановимся исключительно на показателях, связанных с эффективностью. По большому счёту к САУ предъявляется только одно требование, чтобы выходной сигнал соответствовал назначению системы, был таким, каким требуется. Наиболее простой, хотя и достаточно богатый пример представляют в этом отношении следящие системы, которые должны обеспечить сигнал на выходе по возможности похожий на сигнал на входе.
Добиться эффективности любой системы можно, по меньшей мере, двумя диаметрально противоположными путями — интенсивным и экстенсивным. Применительно к системам управления эти пути означают: первый — применение более точных элементов, более мощных и быстродействующих исполнительных устройств, второй — использование более совершенных алгоритмов и законов управления, позволяющих “выжать” из несовершенных элементов максимум того, на что они способны. Понятны преимущества второго пути, особенно в условиях современной России. Понятна также актуальность проблемы создания теоретических методов и вычислительных алгоритмов, позволяющих обеспечить наибольшую эффективность разрабатываемых или модернизируемых систем управления. По большому счёту именной этой цели и служит вся теория автоматического управления. Однако проблема далеко не исчерпана.
Остановимся ещё раз на вопросе эффективности САУ. Здесь естественно выделить два аспекта — точность и быстродействие, соответствующие двум режимам работы САУ — переходному и установившемуся. В конкретных случаях могут выдвигаться различные дополнительные требования (гладкость, отсутствие перерегулирования, энергосбережение и т.д.), но два основных критерия, быстродействие и точность, сохраняют своё значение практически всегда.
Под быстродействием естественно понимают то время, за которое гарантированно закончится переходный режим и начнётся режим слежения (установившийся режим).
Представляется естественным оценивать точность по величине ошибки, то есть, разности между реальным значением выходного сигнала системы и его требуемым, идеальным значением. Для следящей системы, которая может считаться достаточно общим случаем САУ, это будет разность входного и выходного сигнала, то есть функция времени. Часто в качестве оценки точности используются некоторые преобразованные значения (функционалы) ошибки, причём наибольшей популярностью пользуется средний квадрат (СКО, среднеквадратичное отклонение, дисперсия, мощность). Однако в ряде случаев такая интегральная оценка может оказаться недостаточной. Это относится в первую очередь к тем системам, для которых важно мгновенное значение ошибки. Сюда можно отнести системы наведения и сопровождения, управления технологическими процессами

. В таких системах даже кратковременное превышение ошибкой некоторого критического уровня может вызвать необратимые последствия — срыв слежения, потерю цели, технологический брак. В этом случае разумным представляется принять за оценку точности максимальную величину модуля ошибки по всему процессу.
Следящие системы чаще всего не проектируются для отработки какого-то заранее точно известного сигнала. Конкретная форма входного сигнала обычно не известна заранее не только на стадии проектирования, но и при эксплуатации. Однако практически всегда более или менее известен класс входных сигналов, который может быть описан тем или иным способом. Представляется логичным, оценивая точность системы, говорить именно о точности отработки сигналов из некоторого заранее предопределенного класса.
Приведённые рассуждения приводят к использованию в качестве количественной оценки точности следящей системы максимального значения модуля ошибки в установившемся режиме при отработке произвольных сигналов из заданного класса. Из выше сказанного можно сделать следующий вывод: при синтезе следящей силовой системы возникают две задачи:
обеспечение точности слежения,
обеспечение высокого быстродействия,

2. Гидропривод как исполнительное устройство, общие сведения

Гидропривод—это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии.

2.1 Области применения

Сейчас трудно назвать область техники, где бы ни использовался гидропривод. Эффективность, большие технические возможности делают его почти универсальным средством при механизации и автоматизации многих процессов процессов. В частности: в горной промышленности, в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и литейного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных и сельскохозяйственных машин и т. п.
Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем (в нашем случае это дизельный двигатель) и нагрузкой и выполняет те же функции, что и механическая передача (ременная передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.). Основное назначение гидропривода, как и механической передачи,— преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).
Приводным двигателем насоса может быть не только дизельный двигатель, но и любой другой (например электрический).

2.2 Классификация

По задаче регулирования регулируемый объемный гидропривод разделяется на стабилизированный, программный и следящий.
Стабилизированным гидроприводом называется регулируемый гидропривод, в котором скорость движения выходного звена поддерживается постоянной.
Программным гидроприводом называется регулируемый гидропривод, в котором скорость движения выходного звена изменяется по заранее заданной программе.
Следящим гидроприводом называется регулируемый гидропривод, в котором скорость движения выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от задающего воздействия, величина которого заранее неизвестна.
По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую гидролинию насоса) и гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак).
По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа.
1. Насосный гидропривод — гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода. Он применяется наиболее широко.
2. Аккумуляторный гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гндроаккумулятора. Такие гидроприводы используют в системах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов.
3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Напор рабочей жидкости в гидромагистрали создается насосной станцией, состоящей из одного или нескольких насосов и питающей несколько гидроприводов (централизованная система питания).
По характеру движения выходного звена различают гидроприводы: поступательного движения — с возвратно-поступательным движением выходного звена; поворотного движения — с возвратно-поворотным движением выходного звена на угол менее 360°; вращательного движения — с вращательным движением выходного звена.
По наличию устройства для изменения скорости движения выходного звена различают регулируемые и нерегулируемые гидроприводы.
гидропривод автоматический управление преобразователь
2.3 Управление гидроприводом

Применяются следующие два способа регулирования скорости выходного звена гидроприводов:
1) дроссельное регулирование - регулирование скорости дросселированием потока рабочей жидкости и отводом части потока через дроссель или клапан, минуя гидродвигатель.
При таком регулировании возможны два принципиально разных способа включения регулирующего дросселя: последовательно с гидродвигателем и параллельно ему.
2) объемное регулирование, т. е. регулирование скорости изменением рабочего объема насоса или гидродвигателя или того и другого.
КПД гидропривода с дроссельным регулированием в общем случае мал. Вследствие этого дроссельное регулирование применяется в гидроприводах небольшой мощности.
Рассматриваемый в настоящей работе гидропривод регулируется объемно, однако при превышении предельно допустимого уровня давления в силовой магистрали начинается перепуск рабочей жидкости между магистралями высокго и низкого давления как это обычно бывает в случае с дроссельным управлением. Принимая это во внимание, будем считать в что в системе реалиизовано объемно-дроссельное регулирование.
В некоторых случаях в насосном гидроприводе скорость выходного звена регулируется изменением скорости приводного двигателя (электродвигателя, дизеля и т. п.). Такое регулирование называется регулированием приводящим двигателем.
Также регулирование гидропривода может быть ручным, автоматическим и программным.

2.4 Основные элементы гидропривода

В общем случае в состав насосного гидропривода входят гидропередача, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроемкости и гидролинии. Дадим определение этим элементам.
Гидропередача — часть насосного гидропривода, предназначенная для передачи движения от приводного двигателя к машинам и механизмам. Простейшая гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя и гидролинии. Иногда, в сложных системах работают одновременно несколько насосов и гидродвигателей.
Гидроаппараты применяются для регулирования параметров потока рабочей жидкости (давления и расхода), а также для изменения или поддержания неизменным направления потока жидкости. Как правило, гидроаппараты являются составными элементами гидроавтоматики.
Кондиционеры рабочей жидкости (гидроочистители и теплообменные аппараты) предназначены для получения ее необходимых качественных показателей.
Гидроемкости (гидробаки, гидроаккумуляторы) предназначены для содержания в них рабочей жидкости с целью использования ее в процессе работы гидропривода.
Гидролинии (гидросеть) — устройства для прохождения рабочей жидкости. Конструктивно гидролинии представляют собой трубы, рукава, колена, тройники и т. д.

2.5 Достоинства и недостатки гидроприводов

К явным преимуществам гидроприводов относятся:
меньшие масса и габариты гидропривода по сравнению с массой и габаритами механического и электрического приводов, что объясняется отсутствием или сокращением тяжелых нагруженных валов, редукторов, муфт, генераторов с электроаппаратурой и т. п.;
простая и более совершенная компоновка. Это объясняется тем, что отдельные узлы даже в том случае, когда они размещены на взаимно перемещающихся частях машины, соединяют между собой гидролиниями, которые в зависимости от удобства расположения узлов можно изгибать в различных направлениях. Использование поворотных соединений и рукавов высокого давления совместно с гидролиниями позволяет создавать более совершенную компоновку узлов гидропривода на машинах. Насос обычно устанавливается у приводного двигателя; гидродвигатели - непосредственно у исполнительных органов; элементы управления - на пульте оператора-машиниста;
малая инерционность гидропривода, которая обеспечивает хорошие динамические свойства, увеличивает долговечность машины и позволяет производить включение и реверсирование рабочих движений за доли секунды