Разработка и исследование мехатронных электрогидравлических модулей для систем рулевых приводов с децентрализованной архитектурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Вашкевич, Олег Викторович

• Вашкевич, Олег Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вашкевич, Олег Викторович

Введение.

1. Гидравлические усилители, как мехатронные устройства в составе электрогидравлических приводов.

1.1. Гидравлические усилители с цифровым управлением.

1.2. Гидравлический усилитель в системе электрогидравлического привода.

1.3. Автономные аксиально-поршневые насосы с управлением от вентильного двигателя и с реверсивным клапаном расхода.

1.4. Цифровые контроллеры.

1.5. Сети контроллеров и синхронные протоколы.

2. Мехатронный модуль гидравлического усилителя.

2.1. Характеристика неизменяемой части ЭГУ и задача синтеза закона управления.

2.2. Задача идентификации и встроенный модуль оценки параметров

2.3. Встроенный модуль синтеза закона управления. 30"

2.4. Исследование системы управления ЭГУ с регулятором, полученным методом компенсации полюсов.

2.5. Экспериментальные результаты и выводы.

3. Мехатронная помпа. Исследование динамики приводов с объемно-дроссельным управлением.

3.1. Исследование динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе с гидравлическими сопротивлениями в линиях всасывания и нагнетания.

3.1.1. Задача плунжера - расчет расхода в поршневом цилиндре с неравномерным изменением геометрии цилиндра на основе уравнения неразрывности.

3.1.2. Задача плунжера в адиабатическом приближении.

3.1.3. Динамика распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе.

3.2. Вопросы асимптотической аппроксимации уравнений гидростатического привода.

3.2.1. Математическая модель привода.

3.2.1.1. Модель двигателя.

3.2.1.2. Уравнения компенсатора.

3.2.1.3. Уравнения давления подачи и слива.

3.2.2. Динамика гидропривода без потери энергии.

3.2.3. Вопросы моделирования.

3.3. Гидростатический привод с нелинейным управлением.

3.4. Нелинейный метод адаптации в системе управления ЛЭД.

4. Многоканальный комплекс управления.

4.1. Децентрализация алгоритмов управления.

4.2. Особенности реакции многоканальной системы на случайные управляющие воздействие с заданными статистическими характеристиками.

4.2.1. Описание модели численного эксперимента.

4.2.2. Параметры модели и условия численного эксперимента.

4.2.3. Асинхронный режим опроса управляющих сигналов.

4.2.4. Синхронный режим опроса управляющих сигналов.

4.3. Выбор архитектуры и протокола взаимодействия программных компонентов в МКУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование мехатронных электрогидравлических модулей для систем рулевых приводов с децентрализованной архитектурой»

Актуальность работы

Большое число современных машин работают в условиях высоких нагру зок. Применение гидравлики в этих условиях до сих пор остается наилучшим, а порой и единственным техническим решением задачи проектирования исполнительного механизма. Гидравлические приводы это механизмы, которые передают энергию. Использование жидкости под высоким давлением в качестве рабочего тела в таких устройствах определяет ряд преимуществ перед другими видами трансмиссий. Основным преимуществом является эффективное соотношение развиваемых усилий к габаритам и весу. Развитие электроники позволило гидравлическому приводу иметь помимо высокой удельной мощности достаточно высокую точность управления и обеспечило тем самым дальнейшую перспективу применения гидравлики в самых различных областях машиностроения. Новое качество электронных систем управления, полученное за счет применения цифровых технологий обработки сигналов, привело к возникновению с одной стороны совершенно новых потребностей рынка гидравлических систем. С другой стороны новые приложения выдвинули и новые технические требования к самим гидравлическим механизмам и к их системам управления. Если раньше гидропривод традиционно применялся в авиационной транспортной индустрии, то сегодня наблюдается почти революционный перенос технологий электрогидравлического привода в индустриальный сектор и наземный транспорт. Вибростенды и вибрационные установки в геологоразведке, управление газовыми турбинами, автоклавы высокого давления в линиях изготовления композитных материалов, приводы тормоза в системах стабилизации курсовой устойчивости автомобилей - вот неполный перечень сегментов рынка машиностроения, где применяется гидравлическое оборудование. Данное оборудование требует дистанционного, распределенного управления электрогидравлическим приводом с высокими динамическими характеристиками, с возможностью удаленного контроля, мониторинга и диагностики исполнительных механизмов. Такое бурное развитие выдвинуло ряд новых требований к технологии производства, особенно в секторе испытательного оборудования.

Системы управления электрогидравлическими приводами всегда считались «методически» или «алгоритмически» зависимыми от конечного объекта I управления, в который входит гидропривод как узел и имеет для данного приложения конкретный алгоритм управления. Необходимость снизить издержки «специализации» заставляет сегодня пересматривать концепцию такого подхода в производстве и переходить к выпуску так называемых мехатронных гидравлических модулей или компонент.

Мехатронный гидравлический модуль в классическом определении [1] это сплав механики, электроники и программных средств обработки информации, объединенный требованиями технологичности и экономичности производства,, который делает гидравлический механизм максимально унифицированным, позволяет менять его параметры и перестраивать режимы его работы на информационном уровне. Ключевые позиции в этом направлении занимают электрогидравлические усилители, насосы переменной производительности и автономные гидростатические приводы, оснащенные электромеханическими преобразователями сигналов и электронными средствами обработки этих сигналов.

При разработке мехатронных модулей необходимо, таким образом, решать задачи из области механики, гидравлики, электроники, программирования, передачи и обработки информации. Несомненно, что ведущую роль в концепции мехатронного подхода к проектированию электрогидравлических приводных систем играет стандартизация, но даже при строгом соблюдении норм возникает целый ряд проблем, которые обусловлены технологией производства гидравлических распределителей, насосов, гидроцилиндров и т.д., а также условиями их эксплуатации. Во-первых, существует технологический разброс параметров. Во-вторых, имеется эксплуатационный уход параметров. В-третьих, как мы уже отметили, статические и дииамические характеристики модулей должны иметь возможность настройки в зависимости от конкретного технического приложения.

Один из способов решить перечисленные проблемы и упростить интеграцию гидравлических модулей в конечное изделие является создание встроенных систем управления, когда, например, гидравлический усилитель выпускается производителем со встроенным контроллером с предоставлением интерфейса дистанционного управления, систем контроля, мониторинга, настройки динамических и статических параметров.

Другой важный аспект проблемы, это создание многоканальных комплексов управления, которые обеспечивают согласование работы мехатронных модулей в децентрализованной среде гидравлических компонент со встроенной электроникой. Архитектура таких комплексов может быть самой различной, от полностью централизованной до независимой по каждой степени свободы.

При создании электрогидравлических приводных систем возникает необходимость проведения исследований в смежных областях науки и техники: от изучения термодинамических процессов изменения состояния рабочей среды в плунжерных парах и динамики нестационарных уравнений, описывающих работу цилиндровых групп, до разработки алгоритмов управления электродвигателями и методов синхронного управления многоканальными приводами. В условиях многоканального управления методы адаптивного управления, методы идентификации динамического состояния и синтеза наблюдателей, методы настраиваемых моделей приобретают новое качество, которое и определяет концепцию мехатронного подхода.

Описанный в общих чертах «Мехатронный» принцип интеграции особенно актуален для авиационных рулевых приводов с резервированием каналов управления. Для данного типа приводных систем характерна структурная избыточность в целях обеспечения надежности и отказоустойчивости. Привод с такой архитектурой состоит из независимых каналов - резервов распределения энергии рабочего тела на общую нагрузку, другими словами, расхода жидкости в гидравлический двигатель. Задача согласования динамических параметров резервов и их синхронизация тесно связана с проблемами взаимной нагрузки выходных звеньев многоканального привода, которая непосредственным образом связана с проблемой энергосбережения и с проблемой стабильности динамических характеристик всего привода. Следует отметить, что наличие двух и более резервов переносит систему управления таким приводом в класс электромеханических комплексов, для которых централизованная архитектура системы управления становится достаточно сложной в реализации и, соответственно, менее надежной. Закономерный вопрос, насколько эффективной будет децентрализованная архитектура управления? Переходя от общей формулировки проблемы к конкретным задачам, необходимо определить, какие регуляторы применять и как организовывать межканальные связи в мультипроцессорной цифровой системе управления гидроприводом.

Цель и задачи исследований.

Целью данной диссертационной работы является разработка практически реализуемых алгоритмов управления мехатронными электрогидравлическими компонентами и создание на их основе децентрализованной многоканальной системы динамического управления авиационными рулевыми приводами.

В диссертационной работе решаются задачи:

1. Разработка алгоритма идентификации импульсной динамики гидравлического усилителя с непосредственным управлением золотником. Разработка закона управления идентифицируемого гидравлического усилителя. Создание мехатронного модуля гидравлического усилителя на основе разработанных алгоритмов идентификации и синтеза закона управления.

2. Исследование физических процессов в объемных распределителях с каналом контроля на основе насоса переменной производительности. Создание математической модели, описывающей динамику распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе.

3. Моделирование динамики гидростатического привода с последовательными каналами управления расходом, состоящими из нереверсивного аксиально-поршневого насоса и пропорционального гидравлического усилителя.

4. Разработка законов управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием.

5. Моделирование многоканальной цифровой системы управления. Исследование реакций системы в асинхронном и синхронном режимах опроса управляющих сигналов. Разработка требований к программным компонентам и протоколу их взаимодействия в многоканальных системах управления авиационными приводами.

Объект исследований

В качестве объекта исследований выбран электрогидравлический привод с несколькими каналами управляющих воздействий. В работе рассматривается дроссельный резервируемый привод, в котором все каналы одинаковые, и привод, в котором используются сервомеханизмы распределения расхода различного типа, а именно электрогидравлический привод с объемно-дроссельным управлением.

Предмет исследований

Предметом изучения являются модели и алгоритмы цифрового управления электрогидравлическими мехатронными компонентами, протоколы межканального обмена в распределенных системах динамического управления, обеспечивающие нужное качество управления и надежность функционирования таких систем, энергосбережение, технологичность и экономичность их производства.

Методы исследований

При проведении исследований и разработок были использованы подходы и методы теории управления, спектрального анализа, методы канонической теории возмущений в гидродинамике и теории случайных процессов. В процессе математического и полунатурного моделирования процессов управления применялись методы расчета разностных схем дифференциальных уравнений в средах программирования С++, PASCAL, MATLAB, методы разработки цифровой аппаратуры и программного обеспечения на базе сигнальных процессоров TEXAS INSTRUMENTS.

Научные результаты.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Алгоритмы идентификации и закона управления мехатронного электрогидравлического усилителя.

2. Математическая модель физического процесса всасывания и нагнетания в аксиально-поршневом насосе гидростатического привода с объемным управлением.

3. Нестационарные уравнения гидростатического привода с объемно — дроссельным управлением.

4. Нелинейный закон управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием.

5. Условия синхронного режима децентрализованной системы динамического управления с цифровым каналом обмена данными. Протокол взаимодействия программных компонентов в многоканальной системе динамического управления.

Научная новизна:

1. Алгоритмы идентификации и закона управления мехатронного электрогидравлического усилителя отличаются от алгоритмов, основанных на стандарте PLC, подсистемами самоидентификации и автонастройки параметров управления.

2. Математическая модель распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе отличается учетом динамического характера процессов всасывания и нагнетания в плунжере.

3. Нестационарные уравнения гидростатического привода с объемно — дроссельным управлением отличается от гармонически линеаризованных моделей адекватным представлением о мультипликативном входном воздействии в приводе с объемно-дроссельным управлением

4. Нелинейный закон управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием в отличие от линейных регуляторов делает характеристики системы управления инвариантными относительно амплитуды входного сигнала.

5. Переход от детерминистского определения синхронизма к его статистической оценке позволил вывести условия синхронного режима в децентрализованной системе управления электрогидравлического привода и получить синхронный протокол межканального обмена данными, который отличается отсутствием необходимости в передаче пакетов временных меток.

Практическая значимость

Предложенная в работе архитектура мехатронного модуля была использована при разработке гидравлического усилителя УГ-133М со встроенным цифровым контроллером. Эффективность подхода подтверждена полученной низкой трудоемкостью выполнения технологических операций настройки и проверки мехатронного клапана при его серийном производстве на предприятии ОАО «ПМЗ ВОСХОД».

На основе выдвинутой концепции построения программного контроля и протокола межканального взаимодействия разработан и внедрен многоканальный комплекс управления гидравлическими рулевыми приводами и их системами. Комплекс прошел успешные испытания в составе системы рулевых приводов для самолета пятого поколения Т50.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Вашкевич, Олег Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие результаты:

Разработаны методы идентификации и синтеза закона управления, которые легли в основу программного обеспечения контроллера мехатронного гидравлического усилителя.

Создана математическая модель распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе, которая учитывает динамический характер процессов всасывания и нагнетания жидкости, при этом разработаны аналитические методы канонической теории возмущений для решения полученных нелинейных уравнений.

Выведено нестационарное линейное уравнение для скорости выходного звена гидростатического привода с двумя каналами управляющих воздействий - дроссельный канал ЭГУ и канал объемного управления посредством насоса переменной производительности.

Найден нелинейный закон управления гидростатическим приводом, учитывающий выведенный в работе мультипликативный характер управляющих воздействий. Закон управления делает характеристики нелинейного объекта управления инвариантными относительно амплитуды управляющего сигнала, а также обеспечивает нужную динамическую жесткость и способность работать в режиме энергосбережения.

Выведены условия синхронного режима задания управляющих воздействий в децентрализованной системе управления многоканального электрогидравлического привода. На основе полученных результатов реализован синхронный высокопроизводительный протокол межканального обмена данными каналов контроля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вашкевич, Олег Викторович, 2009 год

1. Оксфордская иллюстрированная энциклопедия в 9-ти т.т. Изобретения и технология. М.: Изд. Дом «Инфра-М», 2000. Т.6. С. 185.

2. Башта T.M. Гидравлические приводы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967.

3. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение, 1986.

4. Dr.-Ing. Christoph Boes. The advantages of new proportional and servo valves with integrated digital electronics Moog GmbH, Boblingen, Germany, Moog Fluid Power.

5. Digital Pump Appeals to Machine Makers. Design News, September 27,2004

6. Richard T. Schneider, Consider the advantages of digital hydraulic valve — Hy-draulics&Pneumatics, September 2002.

7. Walter Lenz, CANOpen feildbus comes to proportional hydraulics Hydrau-lics&Pneumatics, Penton publication April 2003, www.fpweb.com

8. Dipl-Ing. (FH), MBA, Ari Almqvist, New approach for high performance motion control, The Eighth Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP'03, May 7-9, 2003, Tampere, Finland.

9. Mannuel Barranco, University of the Balear Islands, Pushing error containment and fault tolerance, CAN Newsletter, October 2006.

10. Profile Fluid Power Technology Proportional Valves and Hydrostatic Transmissions Version 1.5, VDMA committee "Bus Systems for Proportional Valves" and "Fluid Intelligent Drives",Frankfurt.

11. Борцов Ю.А. Совершенствование электромеханических систем с использованием средств микроэлектронной техники // Электротехника. -1984. -№7. С. 20-24.

12. Константинов С.В., Редько П.Г., Цифровое управление электрогидравлическим приводом // Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации: Тез. докл. 10-го межд. научн.-техн. со-вещ. Алушта, 2001.

13. Raymond Е.Т. Airshaft Flight control actuation systems design // Includes Bibliographical references and index ISBA S 6091-376-2, 1993.

14. Raymond E.T., Chenoweth C.C., Aircraft flight control actuation system design. SAE Inc. PA 15096-0001, USA-1993.

15. Servovalves D636/D638 Series, Moog Technical Data.

16. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. — М.: Машиностроение, 1987.

17. Метлюк Н.Ф., Автушко В.Г. Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей. -М.: Машиностроение, 1980

18. Разинцев В.И. Повышение эффективности гидроприводов с дроссельным регулированием. — М.: Машиностроение, 1993.

19. Гавриленко Б.А., Минин В.А. Рождественский С.Н. Гидравлический привод. М.: Машиностроение, 1968.

20. Лихтенберг Л., Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. М.: Мир, 1984.

21. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. М.: НАУКА, 1986. 448с.

22. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.:Наука, 1969. 27с.

23. Акт по результатам конструктивно-доводочных испытаний насоса ВОС-ХОД-ЗУ96. № 524.02.18, 2002.

24. В.А. Бесекерский, Цифровые автоматический системы. М.: Наука, 1976.

25. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Кузнецов В.Е., Якупов О. Э., Кузнецов А. В., Вашкевич О. В. Адаптивная система управления гидроприводом. // «Меха-троника, Автоматизация, Управление» №11, 2007.

26. Попов Е.П, Теория нелинейных систем автоматического управления, М.: Наука, 1988.

27. Константинов С.В. Локшин М.А. Шенфинкель Ю.И. Концепция развития систем управления маневровых самолетов, М., Машиностроение, журнал «Полет», 2004.

28. Редько П.Г. Повышение безотказности и улучшение характеристик электрогидравлических следящих приводов. М., Издательский центр МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2002 г.

29. Надежность объемных гидроприводов и их элементов /Беленков Ю.А., Нейман В.Г., Селиванов М.П., Точилин Ю.В./ М., Машиностроение 1977 г.

30. Сырицын Т.А. Эксплуатация и надежность гидро и пневмоприводов /Учебник для ВУЗов/ М., Машиностроение 1990 г.34. фон Нейман Дж. Теория самовоспроизводящихся авто-матов.—М.: Мир, 1971.

31. Цыпкин Я. 3. Адаптация и обучение в автоматических системах.—М.: Наука, 1968.

32. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб, "Питер", 2002.

33. CENTRALIZED AND DISTRIBUTED OPERATING SYSTEMS. Gary J. Nutt, Prentice-Hall, Inc., 1992.

34. David W. Walker, "The design of a standard message-passing interface for distributed memory concurrent computers", Parallel Computing, v.20, n 4, April 1994,657-673. (www.mpi-forum.org)

35. Yukiya Aoyama, Jun Nakano, RS/6000 SP: Practical MPI Programming, August 1999, IBM Redbooks.

36. Switched Reluctance Motor Control Basic Operation and Example Using the TMS320F240, Texas Instruments, Application Report SPRA420.

37. Understanding the CAN Controller on the TMS320C24x DSP Controller, Texas Instruments, Application Report SPRA500.