Принципы построения СУ ММД с обратной связью по положению и скорости ГЦ

Для реализации стандартной схемы управления, в которой в общем случае реализован принцип подчиненного управления, заключающийся в формировании двух контуров управления – по угловой скорости подъема стрелы (внутренний контур) и по угловому положению стрелы (внешний контур) необходим задатчик угла положения стрелы, формирующий сигнал , пропорциональный заданному углу поворота стрелы манипулятора.

Так как у нас исполнительным элементом является ГЦ, то заданный сигнал необходимо преобразовать в сигнал задания положения ГЦ , соответствующий заданному углу поворота стрелы j. Для этого решается обратная задача кинематики в соответствии с полученным ранее зависимостью :

.

Далее схема управления должна строиться по традиционному принцу подчиненного регулирования (рис. 1).

Рис. 1

Однако такое построение системы имеет тот недостаток, что по мере уменьшения сигнала рассогласования или , где j – угол поворота стрелы или звена манипулятора, – величина выдвижения штока гидроцилиндра, в той или иной пропорции снижается скорость изменения положения стрелы w. Это приводит к снижению быстродействия системы. Кроме того, учитывая, что к таким системам предъявляются достаточно жесткие требования по стабилизации скорости изменения положения стрелы, что связано с устранением дополнительных динамических нагрузок, такое традиционное построение системы является неприемлемым к такого рода системам.

С целью ликвидации указанного недостатка нами предлагается реализация системы, работающей в двух режимах (рис. 2):

1. При больших сигналах рассогласования система работает как система управления по скорости.

2. При подходе к заданному положению стрелы (при малых сигналах рассогласования система переходит в режим работы традиционной системы, соответствующей функциональной схеме, изображенной на рис. 1.

Для реализации такой системы необходимо наличие задатчика скорости изменения положения стрелы, формирующего сигнал , пропорциональный заданной скорости изменения положения стрелы . Кроме того, по аналогии с контуром положения, необходимо выполнить преобразование угловой скорости в сигнал, соответствующий заданной скорости перемещения штока стрелы на основе следующей математической зависимости параметров w и :

.

Для реализации двухрежимной работы СУ необходимо управляющее реле, определяющее следующие состояния:

где S – функция переключения контактов реле, принимающая значение «1», соответствующее работе системы в режиме стабилизации скорости изменения положения стрелы, и значение «0», соответствующее классической системе стабилизации положения стрелы с подчиненным регулированием по скорости стрелы;

– некоторое значение рассогласования (ошибки регулирования), определяющее переход с одного режима работы на другой. В нашем случае значение определится на основе исследования динамики мехатронной системы;

– величина рассогласования, соответствующая сигналу , реализованного на элементе сравнения 1.

Рис. 2

В этом случае для правильной работы системы необходимо определять направление заданной скорости стрелы, что можно реализовать путем следующего логического выражения

Таким образом, если сигнал рассогласования превышает значение , то сигнал рассогласования поступает на регулятор положения звена, где формируется закон управления , являющийся одновременно сигналом задания скорости для контура регулирования скорости стрелы. Далее сигнал поступает на элемент сравнения 2, где происходит его сравнение с сигналом обратной связи , поступающим с датчика скорости перемещения штока гидроцилиндра и соответствующим скорости перемещения штока гидроцилиндра u_шт. Сигнал рассогласования скоростей поступает на регулятор скорости, который формирует закон управления . Полученный управляющий сигнал , пройдя преобразование из цифрового вида в аналоговый посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), поступает на управляющий вход пропорционального клапана расхода, в качестве которого используется двухкаскадный гидроусилитель, включающий в себя пропорциональный электромеханический преобразователь типа «сопло-заслонка» и трехпозиционный гидрораспределитель золотникового типа.

Выходным сигналом пропорционального клапана расхода является расход через распределитель . Этот расход в гидросистеме идет на сжатие рабочей жидкости, на утечки и перетечки, а также на перемещение поршня и штока гидроцилиндра. Именно этот расход поступает далее через гидролинии к исполнительному гидроцилиндру. Выходными параметрами гидроцилиндра являются скорость его штока и перемещение . Эти параметры через кинематику манипулятора преобразуются в угловую скорость стрелы и ее угловое перемещение :

;

.

Выходные параметры гидроцилиндра и измеряются с помощью соответствующих датчиков и их выходные сигналы и поступают через аналого-цифровые преобразователи соответственно на отрицательные входы сумматоров 2 и 1.

В принципе, реализовать рассмотренную систему можно посредством схемы, изображенной на рис. 3.

Рис. 3

Ее отличием от рассмотренной выше схемы является то, что в ней отсутствует управляющее реле, а его виртуальную роль выполняют логические элементы 3 и 4, которые пропускает на элемент сравнения 2 сигналы или в соответствии со следующими логическими выражениями:

Для всех схем, показанных выше, является возможность работы в двух режимах в зависимости от сигнала рассогласования или . При больших сигналах рассогласования или сигнал от регулятора положения звена модуля блокируется и система работает как система управления по скорости со своим задатчиком скорости звена мехатронного модуля. При подходе к заданному положению система управления работает как традиционная система с подчиненным регулированием (рис. 2, 3).

Особенностью схемы, показанной на рис. 2, является организация обратной связи по положению и скорости управляющего гидроцилиндра. Если позволяет возможность конструкции и особенностей эксплуатации мехатронного модуля, целесообразно с точки зрения точности и быстродействия организовывать обратную связь по положению и скорости непосредственно звена манипулирования (рис. 3).

 

 

Рис. 6. Функциональные схемы системы управления мехатронным модулем

с гидравлическим приводом поступательного действия.

 

Системы подчиненного регулирования при подходе к заданному положению позволяют получить плавное торможение без значительных перерегулирований, что особенно важно при работе со значительными грузами и большими вылетами стрелы. Однако в большинстве случаев при работе указанных систем с гидравлическим приводом можно избежать принципа подчиненности и миновать при подходе к заданному положению (сигнал от управляющего реле равен 0) структуру с регулятором скорости (рис. 6), получив при этом также большую точность позиционирования при минимуме динамической ошибки. Достичь этого можно, например, схемным путем, включив в состав привода тормозные клапаны (ТК), подключающие при подходе к заданному положению дополнительный дроссель ТД (рис. 7).

Таким образом, рассмотренные подходы к построению вращательного модуля движения с электрогидравлическим приводом поступательного действия основаны на мехатронных принципах построения систем, учитывающих взаимосвязь точностных и динамических требований к системе, особенностей кинематической схемы и специфики работы электрогидравлических приводов.