Diseño del servosistema hidráulico
En el servosistema hidráulico, la servoválvula hidráulica se utiliza como componente de conversión y amplificación de la señal de entrada. El servosistema hidráulico puede controlar la salida de energía hidráulica de alta potencia (flujo y presión) con una entrada de señal eléctrica de baja potencia y puede lograr una mayor precisión de control y una velocidad de respuesta más rápida. Los pasos generales de diseño para los tres servosistemas hidráulicos de control de posición, control de velocidad y control de fuerza son los siguientes:
1) Aclarar los requisitos de diseño: comprender completamente los requisitos de proceso, estructura y rendimiento del sistema propuesto. por la tarea de diseño y analizar la carga en detalle Condición.
2) Desarrollar un plan de control y dibujar un diagrama esquemático del sistema.
3) Cálculo estático: Determina los parámetros del componente de potencia, selecciona los componentes de retroalimentación y otros componentes eléctricos.
4) Cálculo dinámico: determine la función de transferencia del sistema, dibuje un diagrama de Bode de bucle abierto, analice la estabilidad y calcule indicadores de rendimiento dinámico.
5) Verificar los indicadores de precisión y desempeño, seleccionar el método de corrección y diseñar los componentes de corrección.
6) Seleccionar la energía hidráulica y los componentes auxiliares correspondientes.
7) Completar el diseño estructural del actuador y fuente de energía hidráulica.
El contenido de este capítulo se basa principalmente en los pasos de diseño anteriores para profundizar en los principios de diseño del servosistema hidráulico e introducir métodos de cálculo de diseño específicos. Debido a que el sistema de control de posición es el sistema más básico y más utilizado, la introducción se centrará en el sistema de posición del cilindro hidráulico controlado por válvula.
4.1 Comprender completamente los requisitos de diseño
4.1.1 Comprender completamente el objeto controlado.
El sistema de servocontrol hidráulico es un componente del objeto controlado: la máquina principal, y debe cumplir con los requisitos técnicos y estructurales de la máquina principal. Por ejemplo, el sistema de control de posición de prensado hidráulico del laminador no solo debe ser capaz de soportar la carga máxima de laminación y cumplir con los requisitos para el ajuste máximo de la carrera, la velocidad de ajuste y la precisión de control de la separación entre los rodillos del laminador, sino también las dimensiones externas de el actuador - el cilindro hidráulico de presión se ve afectado por el marco del laminador. Debido a las limitaciones del tamaño de la ventana, la estructura también debe cumplir con los requisitos de reemplazo conveniente de los rodillos. Para diseñar un buen sistema de control, se debe prestar total atención a la solución de estos problemas. Por lo tanto, los diseñadores deben comprender completamente las condiciones de trabajo del objeto controlado y utilizar de manera integral conocimientos teóricos en electricidad, maquinaria, hidráulica, tecnología, etc. para que el sistema de control diseñado cumpla con los requisitos del objeto controlado.
4.1.2 Requisitos de funcionamiento del sistema de diseño de ángulo abierto
1) La cantidad física del objeto controlado: posición, velocidad o fuerza.
2) Límites estáticos: carrera máxima, velocidad máxima, fuerza o par máximo, potencia máxima.
3) Precisión de control requerida: sistemas causados por señales dadas, fuerzas de carga, señales de interferencia, deriva del punto cero de servoválvulas y sistemas de control electrónico, enlaces no lineales (como fricción, zonas muertas), sensores, etc. Error, precisión de posicionamiento, resolución y deriva permitida.
4) Características dinámicas: la estabilidad relativa se puede especificar mediante el margen de fase y el margen de ganancia, el pico de resonancia y el exceso, y la respuesta rápida se puede determinar mediante la frecuencia de parada o el tiempo de subida y el tiempo de ajuste de la respuesta escalonada. Regulaciones;
5) Entorno de trabajo: temperatura de funcionamiento del host, enfriamiento del medio de trabajo, impacto de vibración, interferencia de ruido eléctrico y requisitos correspondientes de resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y antivibración.
6) Requisitos especiales; requisitos técnicos como peso del equipo, protección de seguridad y confiabilidad del trabajo.
4.1.3 Análisis de las características de carga
Determinar correctamente la carga externa del sistema es una cuestión básica en el diseño de un sistema de control. Afecta directamente la composición del sistema y la selección de los parámetros de los componentes de potencia, por lo que el análisis de las características de carga debe reflejar la realidad objetiva tanto como sea posible. Los tipos de carga del servosistema hidráulico incluyen cargas inerciales, cargas elásticas, cargas viscosas, diversas cargas de fricción (como fricción estática, fricción dinámica, etc.), gravedad y otras cargas constantes que no cambian con el tiempo, la posición y otros parámetros. .
4.2 Desarrollar plan de control y diagrama esquemático del sistema.
Después de comprender completamente los requisitos de diseño, de acuerdo con los diferentes objetos de control, se puede seleccionar el esquema de control de acuerdo con los tipos básicos enumerados en la Tabla 6 y se puede dibujar el diagrama de bloques del sistema de control. Por ejemplo, los sistemas de control de posición lineal generalmente utilizan cilindros hidráulicos controlados por válvulas y el diagrama de bloques se muestra en la Figura 36.
Figura 36 Diagrama de bloques del sistema de control de posición del cilindro hidráulico controlado por válvula
Tabla 6 Tipos básicos de modos de control del servosistema hidráulico
Parámetros de control de la señal de control del servosistema y elemento de tipos de movimiento.
Fluidos de máquina
Electrohidráulico
Aire y presión hidráulica
Cantidades analógicas electrohidráulicas
Digital cantidades
Movimiento lineal de posición de desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, momento y presión
Movimiento de giro
Movimiento de rotación 1. Control de válvula: válvula-cilindro hidráulico, válvula-motor hidráulico.
2. Control de volumen: bomba variable-cilindro hidráulico; bomba variable-motor hidráulico; válvula-cilindro hidráulico-bomba variable-motor hidráulico
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4.3 Selección de parámetros de los componentes de potencia
Los componentes de potencia son componentes clave del servosistema. Su función principal es hacer que la carga se mueva a la velocidad requerida durante todo el ciclo de trabajo. En segundo lugar, sus principales parámetros de rendimiento pueden cumplir con las características dinámicas requeridas por todo el sistema. Además, la selección de los parámetros de los componentes de potencia también debe considerar la mejor combinación con los parámetros de carga para garantizar el mínimo consumo de energía y una alta eficiencia del sistema.
Los principales parámetros de los componentes de potencia incluyen la presión de suministro de aceite del sistema, el área efectiva del cilindro hidráulico (o el desplazamiento del motor hidráulico) y el caudal de la servoválvula. Al seleccionar un motor hidráulico como actuador, también se debe incluir la relación de transmisión del engranaje.
4.3.1 Selección de la presión de suministro de aceite
Bajo la misma potencia de salida, elegir una presión de suministro de aceite más alta puede reducir el área del pistón del cilindro hidráulico (o el desplazamiento del motor hidráulico) ), lo que hace que la bomba y los componentes de potencia sean de tamaño pequeño, livianos y de estructura compacta. Al mismo tiempo, el volumen de la cavidad de aceite disminuye y el módulo elástico aumenta, lo que resulta beneficioso para mejorar la velocidad de respuesta del sistema. Sin embargo, a medida que aumenta la presión del suministro de aceite, debido a las limitaciones en la resistencia del material, el tamaño y el peso de los componentes hidráulicos también tienden a aumentar. También se requiere que aumente la precisión del procesamiento de los componentes y también aumenta el costo del sistema. Al mismo tiempo, bajo alta presión, las fugas son grandes, la generación de calor es alta, la pérdida de energía del sistema aumenta, el ruido aumenta, la vida útil de los componentes se reduce y el mantenimiento es difícil. Por lo tanto, cuando las condiciones lo permiten, generalmente se selecciona una presión de suministro de aceite más baja.
Los niveles de presión de suministro de aceite comúnmente utilizados son de 7 MPa a 28 MPa, y la presión de suministro de aceite adecuada se puede seleccionar según los requisitos del sistema y las restricciones estructurales.
4.3.2 Determinación del caudal de la servoválvula y tamaño del actuador
Como se mencionó anteriormente, la selección de parámetros de los componentes de potencia no solo debe cumplir con los requisitos de carga de tracción y rendimiento del sistema, sino también Considere también la mejor coincidencia para cargar. Lo siguiente se centra en la mejor combinación con la carga.
(1) Características de salida de los componentes de potencia
La curva flujo-presión de la servoválvula se traza en el plano υ-FL mediante transformación de coordenadas
La parábola resultante Esta es la característica de salida del componente de potencia en su estado estacionario, como se muestra en la Figura 37.
Figura 37 El impacto de los cambios de parámetros en las características de salida del mecanismo de potencia
a) Cambios en la presión del suministro de aceite; b) Cambios en la capacidad de la servoválvula c) Cambios en la presión; área del cilindro hidráulico
En la figura, FL - fuerza de carga, FL = pLA;
PL - la presión de trabajo de la servoválvula;
A - el área efectiva del cilindro hidráulico;
υ-La velocidad del pistón del cilindro hidráulico,
QL caudal de la servoválvula;
Q0——Caudal sin carga de la servoválvula;
PS- Presión de suministro de aceite.
Se puede ver en la Figura 37 que cuando las especificaciones de la servoválvula y el área del cilindro hidráulico permanecen sin cambios, la curva se expande hacia afuera, la potencia máxima aumenta y el punto de potencia máxima se mueve hacia la derecha, como se muestra en Figura 37a.
Cuando la presión del suministro de aceite y el área del cilindro hidráulico permanecen sin cambios, la especificación de la servoválvula aumenta, la curva se vuelve más alta, el vértice de la curva A ps permanece sin cambios, la potencia máxima aumenta y el punto de potencia máxima permanece sin cambios. , como se muestra en la Figura 37b.
Cuando la presión de suministro de aceite y las especificaciones de la servoválvula permanecen sin cambios, aumenta el área del cilindro hidráulico a, la curva se vuelve más baja, el vértice se mueve hacia la derecha, la potencia máxima permanece sin cambios y el punto de máxima potencia se mueve. hacia la derecha, como se muestra en la Figura 37c.
(2) Método gráfico para una adaptación óptima de la carga
Dibuje la curva característica de salida del componente de potencia en el plano de la curva de trayectoria de la carga υ-FL y ajuste los parámetros para hacer la salida del componente de potencia La curva característica rodea completamente la curva de trayectoria de carga desde el exterior, lo que garantiza que el componente de potencia pueda arrastrar la carga. En la Figura 38, las curvas 1, 2 y 3 representan las curvas características de salida de los tres elementos de potencia. La curva 2 es tangente al punto de máxima potencia C de la trayectoria de la carga, que cumple con las mejores condiciones de adaptación para la carga, mientras que los puntos de operación α y B en las curvas 1 y 3 pueden arrastrar la carga, pero con baja eficiencia.
(3) Método de análisis para una adaptación óptima de la carga
Ver adaptación de carga de los componentes de potencia hidráulica.
(4) Método de cálculo aproximado
En el diseño de ingeniería, el método de cálculo aproximado se suele utilizar para diseñar componentes de potencia, es decir, los componentes de potencia se seleccionan de acuerdo con la fuerza de carga máxima. FLmáx. En la curva característica de salida del componente de potencia, la definición es
FLmax≤pLA=
Se considera que la fuerza de carga, la velocidad máxima y la aceleración máxima aparecen al mismo tiempo, para que se pueda presionar el área efectiva del cilindro hidráulico Cálculo de la fórmula:
(37)
Figura 38 Diagrama coincidente de componentes de potencia y carga
Después Al obtener el valor de a según la Ecuación 37, se puede calcular el flujo de carga qL, es decir, se puede seleccionar la servoválvula apropiada de la muestra de servoválvula de acuerdo con la caída de presión de la válvula. Los métodos de cálculo aproximados son fáciles de utilizar, pero tienden a ser conservadores. Este método puede garantizar el rendimiento del sistema, pero la eficiencia de transmisión es ligeramente menor.
(5) Seleccionar los componentes de potencia según la frecuencia natural hidráulica.
Para los servosistemas hidráulicos con potencia y carga pequeñas, la pérdida de potencia no es un problema importante y los componentes de potencia se pueden determinar en función de la frecuencia natural hidráulica requerida por el sistema.
El área efectiva del pistón del cilindro hidráulico controlado por la válvula deslizante de cuatro vías es
(38)
El área efectiva de el pistón del cilindro hidráulico controlado por la válvula deslizante de dos vías es
(39)
La frecuencia natural hidráulica ωh se puede determinar mediante (5 ~ 10) veces la requerida ancho de banda del sistema. Para algunos sistemas con grandes fuerzas de interferencia y formas complejas de trayectoria de carga, el componente de potencia no se puede calcular utilizando el método anterior y el componente de potencia solo se puede determinar mediante dibujo.
Al calcular los componentes de potencia de la combinación de motor hidráulico controlado por válvula, solo necesita reemplazar el área efectiva a del cilindro hidráulico con el desplazamiento d del motor hidráulico, reemplazar la fuerza de carga FL con la par de carga TL, y reemplace la velocidad de carga con Reemplácela con la velocidad angular del motor hidráulico, y podrá obtener la fórmula de cálculo correspondiente. Cuando el sistema utiliza un mecanismo de desaceleración, cabe señalar que parámetros como la inercia de la carga, la fuerza de la carga, el desplazamiento de la carga, la velocidad, la aceleración, etc. se pueden convertir al eje del motor hidráulico como parámetros de cálculo. El principio de selección de la relación de transmisión del mecanismo de reducción es: bajo la condición de que se cumplan los requisitos de frecuencia natural hidráulica, la relación de transmisión mínima es la relación de transmisión óptima.
Selección de la servoválvula
De acuerdo con la presión de suministro de aceite ps determinada y el caudal sin carga q0 de la servoválvula calculado a partir del caudal de carga qL (es decir, el caudal que la servoválvula necesita generar), puede determinar el tamaño de la servoválvula en el catálogo de servoválvulas. Debido a que el flujo de salida de la servoválvula es un factor importante para limitar el ancho de banda del sistema, debe haber un margen para el flujo de la servoválvula. Generalmente, se puede tomar un caudal de carga de aproximadamente 15 como reserva de flujo de la servoválvula.
Además de los parámetros de flujo, también se deben considerar los siguientes factores al seleccionar una servoválvula:
1) La servoválvula tiene una buena linealidad de ganancia de flujo. En los sistemas de control de posición, generalmente se seleccionan válvulas de flujo de apertura cero porque este tipo de válvula tiene una alta ganancia de presión, lo que puede hacer que los componentes de potencia tengan mayor rigidez y mejorar la velocidad y la precisión del control del sistema.
2) El ancho de banda de la servoválvula debe cumplir con los requisitos de ancho de banda del sistema. Generalmente, el ancho de banda de la servoválvula debe ser mayor que 5 veces el ancho de banda del sistema para reducir el impacto de la servoválvula en las características de respuesta del sistema.
3) La deriva del punto cero, la deriva de temperatura y el área insensible de la servoválvula deben ser lo más pequeñas posible para garantizar que el error del sistema causado por ellos no exceda los requisitos de diseño.
4) Otros requisitos, como cero fugas, capacidad anticontaminación, electricidad, vida útil, precio, etc., tienen ciertos requisitos.
4.3.4 Selección de actuadores
El actuador del servosistema hidráulico es un componente clave de todo el sistema de control y afecta directamente el rendimiento del sistema. La selección y diseño del actuador no sólo determina el valor óptimo del área efectiva a del cilindro hidráulico (o desplazamiento d del motor hidráulico) según el método descrito en esta sección, sino que también involucra cuestiones tales como sellado, resistencia, Resistencia a la fricción y estructura de instalación.
4.4 Selección de sensores de retroalimentación
Según la cantidad física detectada, los sensores de retroalimentación se pueden dividir en sensores de desplazamiento, sensores de velocidad, sensores de aceleración y sensores de fuerza (o presión). Se utilizan en diferentes tipos de servosistemas hidráulicos como elementos de retroalimentación del sistema. La precisión del control del sistema de control de circuito cerrado depende principalmente de la precisión de los componentes dados del sistema y de los componentes de retroalimentación, por lo que la selección razonable de sensores de retroalimentación es crucial.
El ancho de banda del sensor generalmente debe ser de 5 a 10 veces el ancho de banda del sistema de control para proporcionar al sistema el verdadero valor instantáneo de medición y reducir el desfase. El ancho de banda del sensor puede cumplir con los requisitos del sistema general, por lo que la función de transferencia del sensor se puede considerar aproximadamente en proporción.
4.5 Determinar el diagrama de bloques del sistema
Con base en el diagrama esquemático del sistema y las funciones de transferencia de cada enlace del sistema, se puede formar el diagrama de bloques del sistema. Según el diagrama de bloques del sistema, la función de transferencia de bucle abierto del sistema se puede escribir directamente. Las funciones de transferencia de los sistemas de control de cilindros hidráulicos controlados por válvulas y de motores hidráulicos controlados por válvulas tienen la misma forma estructural, siempre que se cambien los símbolos correspondientes.
4.6 Dibujar el diagrama de Bode en lazo abierto del sistema y determinar la ganancia en lazo abierto.
El cálculo y análisis dinámico del sistema aquí adopta el método de frecuencia. Primero, según la función de transferencia del sistema, se obtiene un diagrama de Bode. Al dibujar un diagrama de Bode, es necesario determinar la ganancia k de bucle abierto del sistema.
Cuando la ganancia k de bucle abierto del sistema cambia, la curva de amplitud-frecuencia en el diagrama de Bode de bucle abierto solo aumenta o disminuye en una constante, la forma de la curva permanece sin cambios y la frecuencia de fase la curva no cambia. La banda de baja frecuencia, la frecuencia de cruce y el margen de ganancia de amplitud de la curva de amplitud-frecuencia en el diagrama de Bode reflejan la precisión del estado estacionario, la frecuencia de corte y la estabilidad del sistema de circuito cerrado, respectivamente. Por lo tanto, de acuerdo con la precisión en estado estable requerida, el ancho de banda y la estabilidad relativa del sistema de circuito cerrado, la posición de la curva de amplitud-frecuencia se puede ajustar en el diagrama de Bode de circuito abierto para obtener un valor de K adecuado para el sistema de circuito cerrado. sistema de bucle.
4.6.1 K está determinado por los requisitos de precisión en estado estable del sistema.
Según el principio de control, la precisión en estado estable de diferentes tipos de sistemas de control depende de la ganancia en bucle abierto del sistema. Por lo tanto, la ganancia de bucle abierto k que debería tener el sistema se puede calcular en función de los requisitos del sistema en cuanto a precisión en estado estable y el tipo de sistema.
4.6.2 K está determinado por los requisitos de ancho de banda del sistema.
Al analizar la relación entre las características del sistema de segundo o tercer orden y el diagrama de Bode, se puede ver que cuando ζh y K/ωh son pequeños, el ancho de banda del sistema puede ser aproximadamente igual a la frecuencia de cruce de la curva de amplitud logarítmica de bucle abierto, es decir, ω-3dB≈ωc, por lo que la curva logarítmica de amplitud-frecuencia se puede dibujar para hacer que ωc sea igual al valor de ω-3dB requerido por el sistema, como se muestra en la Figura 39. El valor de k se puede obtener de este gráfico.
La Figura 39 traza las características de amplitud-frecuencia logarítmicas de bucle abierto con ω-3dB
a) Sistema tipo 0 b) Sistema tipo I
4.6. 3 Determine K basándose en la estabilidad relativa del sistema.
La estabilidad relativa del sistema se puede expresar mediante el margen de amplitud y el margen de fase. Según el margen de amplitud y el margen de fase requeridos por el sistema, se puede dibujar un diagrama de Bode de bucle abierto y también se puede calcular K. Ver Figura 40.
De hecho, para determinar la ganancia de bucle abierto k del sistema mediante dibujo, a menudo es necesario considerar exhaustivamente y satisfacer varios indicadores principales de rendimiento del sistema tanto como sea posible.
4.7 Análisis de calidad estático y dinámico del sistema y determinación de las características de corrección
Después de determinar los parámetros de la función de transferencia del sistema, se realiza el diagrama de Bode de bucle cerrado o transición de respuesta en el dominio del tiempo. Se pueden utilizar curvas o parámetros del proceso. Se realizan cálculos para comprobar los indicadores estáticos y dinámicos y los errores del sistema. Si el rendimiento del sistema diseñado no cumple con los requisitos, se deben ajustar los parámetros, repetir los cálculos anteriores o usar el enlace de corrección para compensar el sistema y cambiar las características de frecuencia de bucle abierto del sistema hasta que se cumplan los requisitos del sistema.
4.8 Análisis de simulación
Después de determinar inicialmente la función de transferencia del sistema, se puede realizar una simulación por computadora del sistema para obtener el diseño óptimo. Actualmente existen software comerciales para simulación digital, como el software Matlab, que es muy adecuado para el análisis de simulación.