Sterowanie maszyn i urządzeń

Łukasz Derbot 188890

1. Wprowadzenie:

Zaletą układów hydrostatycznych jest, m.in., łatwa możliwość automatyzacji tego rodzaju napędu. Uwidacznia się to zwłaszcza przy zastosowaniu zaworów proporcjonalnych lub serwozaworów. Istota sterowania proporcjonalnego jest utrzymywanie proporcjonalności pomiędzy elektrycznym sygnałem wejściowym (natężeniem prądu sterującego) o małej mocy, a hydraulicznym sygnałem wyjściowym ciśnienia lub natężenia przepływu o znacznie większej mocy (jak przedstawiono na schemacie poniżej).

Rys.1 Przebieg sygnału (Zapoznajmy się z przebiegiem sygnałów zaprezentowanym na rysunku 1.

Sygnał wejściowy w postaci napięcia (najczęściej między 0... -+9V) zostaje

w elektronicznym wzmacniaczu przetworzony w prąd elektryczny odpowiednio do wartości

napięcia np. 1mV =1mA.

Proporcjonalnie do tej wartości prądu elektrycznego jako sygnału wejściowego zostaje

przez proporcjonalny elektromagnes wytworzona wielkość wyjściowa w postaci siły i drogi.

Wielkości te, siła lub droga służące jako sygnał wejściowy dla zaworu hydraulicznego,

oznaczają proporcjonalne do tego sygnału określone natężeniem przepływu lub ciśnienia.

Dla odbiornika, a tym samym dla elementu roboczego maszyny lub urządzenia, oznacza to

nie tylko ewent. zmianę kierunku, lecz również wywarcie wpływu na płynną zmianę

prędkości i siły. Równocześnie, odpowiednio od zależności czasowej np. zmiany natężenia

przepływu w czasie, można powodować płynną zmianę przyspieszenia lub opóźnienia.

Zawory i pompy proporcjonalne z ich proporcjonalnymi magnesami mogą stanowić

miejsca połączeń (złącza) z elektronicznym układem sterowania, a tym samym zapewnić

osiągnięcie większej elastyczności w przebiegu pracy maszyn i urządzeń produkcyjnych,

a nawet umożliwiać tworzenie swobodnie programowalnych sterowań i napędów. Zalety

techniczne proporcjonalnych elementów sterujących polegają przede wszystkim na

kontrolowanym przełączaniu, płynnym sterowaniu i możliwości zredukowania liczby

elementów hydraulicznych potrzebnych do zrealizowania określonych zadań z zakresu

sterowania. W ten sposób sprzyja to również ogólnemu zmniejszeniu materiałochłonności

układów hydraulicznych. Stosując zawory proporcjonalne można uzyskać szybsze

i dokładniejsze przebiegi ruchów z jednoczesnym usprawnieniem procesu przełączania.

Dzięki kontrolowanym przełączeniom unika się szczytowych wartości ciśnienia. Inną

konsekwencją stosowania zaworów proporcjonalnych jest osiągnięcie większej trwałości

elementów mechanicznych i hydraulicznych.

Elektryczne przekazywanie sygnałów sterujących kierunkiem i natężeniem przepływu lub

ciśnieniem umożliwia umieszczania proporcjonalnych elementów sterujących bezpośrednio

na odbiorniku. W ten sposób uzyskuje się istotną poprawę charakterystyki dynamicznej

sterowania hydraulicznego. Użytkownicy urządzeń hydraulicznych zaczęli szerzej

wprowadzać sterowanie proporcjonalne dopiero wówczas, gdy na rynku pojawiły się

odpowiednie elementy sterujące o prostej konstrukcji. Elementy te nie różnią się w istotny

sposób od objętych normalnymi programami produkcyjnymi. Wiele części lub zespołów

przyjęto z standardowego programu produkcji. Ostatecznie do zwiększenia zasięgu

stosowania sterowania proporcjonalnego przyczyniło się także opracowanie funkcjonalnie

niezawodnych i konstrukcyjnie prostych elektronicznych płytek drukowanych

o zunifikowanych wymiarach (tzw. moduł Europy). Do każdego rodzaju proporcjonalnych

elementów sterujących opracowano odpowiedni wzmacniacz, który zawiera właściwe dla

danego elementu zespoły elektroniczne.

Z reguły są to:

- stabilizator napięcia

- generator przebiegów liniowych

- generator funkcji

- elementy zadające

- przekaźnik wartości zadanych

Dzięki integracji różnych dziedzin nauki i techniki powstają nowe obszary dające nowe możliwości i osiągi, które wcześniej nie były możliwe. Tak więc integracja klasycznej hydrauliki, zminiaturyzowanej elektroniki i zaawansowanej informatyki prowadzi do powstania nowego kierunku rozwoju układów napędowych (schemat poniżej).

Rys. 2. Schemat hydrauliczny układu napędowego symulatora akceleracyjnego: 1 – cylinder hydrauliczny, 2 – rozdzielacz proporcjonalny, 3 – zawór bezpieczeństwa, 4 – silnik elektryczny, 5 – pompa zębata, 6 – filtr ssawny, 7 – zbiornik, w – wzmacniacz, C/A – przetwornik cyfra/analog.

Symulator akceleracyjny jest stosowany w badaniach medycznych (laryngologia – badanie wpływu przyspieszenia na błędnik). Pod pojęciem symulatora akceleracyjnego rozumiane jest urządzenie mechaniczne, pozwalające za pomocą specjalnie skonstruowanego uchwytu na głowę badanego pacjenta, wywierać w sposób kontrolowany określone przyspieszenie kątowe oraz umożliwienie pomiaru i rejestracji tego przyspieszenia. W celu zrealizowania założonego przyspieszenia w sposób kontrolowany i cykliczny najkorzystniejszym rozwiązaniem, ze względu na koszt i możliwość automatyzacji, jest układ napędowy hydrostatyczny sterowany mikroprocesorem w oparciu o technikę proporcjonalną.

1. Przykłady układów sterowanych w technice proporcjonalnej:

1. Symulator akceleracyjny (schemat wyżej),

2. Symulator hydrauliczny (jest sterowany za pomocą wzmacniacza elektrohydraulicznego i sprzężonego z nim komputera (wyposażonego w program sterujący) umożliwiający realizowanie różnych rodzajów obciążeń układu. Symulator hydrauliczny (rys.6) jest urządzeniem badawczym układu napędowego o ruchu posuwisto-zwrotnym. Urządzenie to odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy.

Rys.3 Schemat symulatora hydraulicznego

1. Schemat układu hydraulicznego z rozdzielaczem proporcjonalnym:

1. Zawory proporcjonalne-rodzaje, zalety i wady. Rodzaje elektromagnesów proporcjonalnych.

Zawory proporcjonalne powstały w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na tańsze analogowe elementy sterujące, w napędach hydrostatycznych. W wyniku prac prowadzonych nad udoskonaleniem elektromagnesów sterujących uzyskano elektromagnesy o liniowej charakterystyce zależności siły lub przesunięcia od wartości prądu elektrycznego. Pozwoliło to na budowę zaworów sterujących ciśnieniem i natężeniem przepływu w sposób ciągły, proporcjonalnie do elektrycznego sygnału wejściowego. W zworze proporcjonalnym funkcje przetwornika elektromechanicznego spełnia elektromagnes proporcjonalny prądu stałego zamieniający sygnał elektryczny na proporcjonalną siłę lub przesunięcie. Przetwornikiem mechaniczno-hydraulicznym jest najczęściej zawór suwakowy, przetwarzający sygnał mechaniczny na proporcjonalne ciśnienie lub natężenie przepływu.

Zawór proporcjonalny pracuje w układzie otwartym, czyli w układzie sterowania, a serwozawór w układzie regulacji automatycznej. Stąd też zawory proporcjonalne realizują mniejsze dokładności i mniejsze szybkości odpowiedzi, są prostsze w budowie, a przede wszystkim tańsze w stosunku do serwozaworów.

Zastosowanie sterowania proporcjonalnego w hydraulicznych układach napędowych stwarza możliwość ilościowej i jakościowej zmiany odpowiedzi przez zdalne elektryczne wprowadzenie sygnału wejściowego z mikroprocesora zgodnie z cyklogramem projektowanej maszyny.

Zawory proporcjonalne w układach sterowania zapewniają przenoszenie zmian sygnałów wejściowych w niskim paśmie przenoszenia – częstotliwość graniczna wynosi f_g ≤ 10Hz, a histereza i powtarzalność nastaw waha się od 3 do 6%.

Serwozawory działają w układach regulacji automatycznej i realizują duże szybkości odpowiedzi dynamicznej (częstotliwość graniczna jest co najmniej o rząd większa w stosunku do zaworów proporcjonalnych), a histereza i powtarzalność nastaw jest mniejsza od 0,1% w odniesieniu do parametrów nominalnych.

Zależnie od tego, który z parametrów roboczych jest istotniejszy dla wykonywanego procesu, projektant przyjmuje jeden z zaworów proporcjonalnych:

• przepływu (rozdzielacz, regulator przepływu) jeśli nadrzędną wielkością będzie prędkość odbiornika, a wynikową wielkością będzie ciśnienie,

• ciśnienia (przelewowe) jeśli decydującą wielkością będzie obciążenie (siła lub moment), a wynikową będzie prędkość.

Właściwości statyczne i dynamiczne rozdzielaczy proporcjonalnych opisywane są przez szereg parametrów. Do najważniejszych należą m.in. histereza, czułość progowa, częstotliwość graniczna. Ponadto na charakterystykę pracy rozdzielacza proporcjonalnego wpływ ma przekrycie spoczynkowe, które w tego typu zaworach jest zazwyczaj dodatnie. Przez histerezę, w odniesieniu do rozdzielacza proporcjonalnego, rozumie się największą różnice prądu sterującego, przy której suwak osiąga to samo położenie odniesiona do wartości mniejszego z prądów. Wartość histerezy wynosi około 3-6%. Czułość progowa rozdzielacza określa najmniejszą zmianę sygnału wejściowego, przy której następuje zmiana położenia suwaka. Natomiast częstotliwość graniczna , oznacza częstotliwość sygnału wymuszającego, przy której odpowiedź zaworu jest tłumiona o 3dB. Typowa wartość tego parametru wynosi, dla zaworów proporcjonalnych, 6-10Hz.

ELEKTROMAGNESY PROPORCJONALNE:

Rozróżniamy dwa rodzaje elektromagnesów proporcjonalnych:

- z wyjściem siłowym, - z wyjściem położeniowym.

Przykład elektromagnesu z wyjściem siłowym pokazano na rys.5,4. Składa się on z rdzenia 2 połączonego z popychaczem 3, przenoszącym siłę na dalsze elementy. Przedstawiona schematycznie instalacja elektryczna 7 zasilania elektromagnesu składa się z nadajnika potencjometrycznego 8 i wzmacniacza 9. Elektromagnesy z wyjściem siłowym charakteryzują się zwartą budową i małym skokiem.

Przykład elektromagnesu z wyjściem położeniowym pokazano na rys.5,5. Różni się od elektromagnesu z wyjściem siłowym dodatkowym czujnikiem położenia 6 mierzącym położenie rdzenia a tym samym popychacza 3 i przesyłającym w sposób ciągły informacje w postaci sygnału elektrycznego o tym położeniu do elektronicznego układu sterowania. Wartość zadana i rzeczywista położenia porównywane są w węźle sumującym wzmacniacza a ten dokonuje odpowiedniej korekty sygnału sterującego. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu elektromagnesy z wyjściem położeniowym charakteryzują się dobrymi własnościami statycznymi i dynamicznymi. Skok tych elektromagnesów w zależności od wielkości wynosi 3-5mm.

1. Wnioski

Układy hydrauliczne z elementami sterowanymi proporcjonalnie umożliwiają pełną kontrolę nad dynamiką układu mechanicznego. Technika hydraulicznego sterowania proporcjonalnego jest godnym polecenia sposobem na rozwiązywanie problemów dotyczących sterowań hydraulicznych, zarówno w nowo budowanych jak i modernizowanych urządzeniach.