Основные понятия следящего гидропривода

В гидравлических системах применяются регулируемые дроссели­рующие распределители (РДР) – гидравлические аппараты, служащие для управления направлением и скоростью движения выходного звена в гидравлических двигателях.

Изменение направления движения рабочих органов (РО) оборудо­вания осуществляется за счет переключения потоков масла в рабочих линиях гидродвигателя, а регулирование скорости движения произво­дится за счет одновременного дросселирования потока масла, посту­пающего в двигатель, и потока, вытесняемого из него, т.е. по схеме с двойным дросселированием на входе и выходе одновременно.

Рассмотрим работу РДР с механическим управлением. При этом расположим его отдельно от РО оборудования (рис.6.1a). Если счи­тать, что РДР выполнен с нулевыми перекрытиями рабочих щелей, то при среднем (нейтральном) положении золотника 1 относительно кор­пуса 2 проход масла из канала подвода Р в каналы А и В, а из них в ка­нал слива Т - перекрыт. Одновременно незначительным по величине смещением золотника относительно корпуса возможно направлять и регулировать потоки масла между каналами РДР.

Для перемещения золотника используем микрометрическую го­ловку, расположив ее так, чтобы золотник был поджат пружиной к из­мерительному стержню 3. Вращением барабана 4 можно расположить золотник в среднем положении. Тогда все потоки теоретически перек­рыты, и РО неподвижен. Такое положение конца измерительного стер­жня примем за нулевое для отсчета смещения X золотника РДР.

Рис.6.1. Схема работы дросселирующего распределителя с механическим управлением (а). Различные положения золотника относительно неподвижного корпуса дросселирующего распределителя (б,в,г)

Повернем барабан 4 так, чтобы золотник сместился влево из сред­него положения (рис.6.1е) в направлении оси X на величину h (рис.6.1б). Масло из напорной линии через канал Р и образовавшуюся рабочую щель на входе гидроаппарата будет проходить в канал А и в поршневую полость цилиндра (Ц), встроенного в РО.

Штоковая полость Ц через канал В и рабочую щель на выходе гид­роаппарата соединится со сливным каналом Т. При этом РО начнет пе­ремещаться влево. Так как корпус 2 РДР неподвижен, то соединение каналов А и В соответствующими каналами в корпусе цилиндра вы­полнено с помощью гибких трубопроводов. Ширина рабочих щелей в РДР, измеренная параллельно оси золотника, называется открытием золотника. В данном случае величина открытия в обоих окнах одина­кова и равна смещению золотника h = x.

Скорость движения РО определяется перепадом давлений на рабо­чих щелях и величиной открытия щелей. Поворачивая барабан 4, мож­но изменять величину открытия золотника и, следовательно, менять скорость движения РО. Если теперь передвигать золотник вправо (в сторону нулевого положения), то сначала скорость движения РО уменьшится и строго в нулевом положении золотника РО остановится.

При дальнейшем перемещении золотника открываются рабочие щели для прохода масла из напорной линии в канал В и из канала А в линию слива (рис.6.1г). При этом РО начнет перемещаться вправо от нулевого положения. Рабочие щели, как и при перемещении золотника влево, выполняют роль двух дросселей, которые одновременно осу­ществляют дросселирование масла на входе и выходе.

В данном варианте расположения и связи между собой РДР и РО (см. рис.6.1) от направления и величины смещения золотника х зависят направление и скорость движения РО. В то же время положение РО по координате у при одном и том же положении золотника может быть различным.

Рис.6.2. Схема работы следящего привода

Перенесем РДР с неподвижного основания на РО (рис.6.2). Уста­новим стержень 3 в то же нулевое положение. Определим, что будет происходить с РО. Если, например, РО вместе с корпусом 2 смещен вправо относительно золотника 1, то масло под давлением подводится в канал А и поршневую полость цилиндра (см. рис.6.1б), а штоковая полость через канал В соединяется со сливом. Это значит, что на РО действует сила от цилиндра, направленная влево, которая будет пере­мещать РО до тех пор, пока потоки масла не будут перекрыты. Это произойдет, когда золотник 1 будет занимать среднее положение от­носительно корпуса 2 (см. рис.6.1в). Однако золотник поджимается пружиной к неподвижному в данном случае упору. Поэтому переме­щаться должен корпус, а значит и весь РО.

Предположим, что РО вместе с корпусом 2 пройдет это среднее положение. В этом случае корпус 2 окажется смещенным относительно золотника 1 влево, масло под давлением будет подводиться в штоковую полость цилиндра, а из поршневой полости отводитсяв слив. Сила от гидроцилиндра будет перемещать РО вправо. В этом случае РО займет то же самое положение, которое соответствует среднему поло­жению золотник относительно корпуса. Таким образом, в данном слу­чае РО сам стремится занять заданное положение. После чего РО не только остается неподвижным, но даже будучи смещенным из этого положения опять стремится в него вернуться.

Теперь будем вращать барабан 4 и смещать через стержень 3 зо­лотник 1 (менять X); РО должен всякий раз перемещаться как бы вслед за золотником и останавливаться, когда прекращается вращение бара­бана, т.е. останавливается золотник. При этом новое положение РО (координата y) будет в точности соответствовать новому положению золотника (координата х). За это свойство «следовать» за движением золотника подобные приводы получили название следящих.

Следящим приводом называют автоматический привод, в котором выходная величина у воспроизводит изменение входной величины х. При этом привод реагирует на рассогласование между входной и вы­ходной величинами. Графически следящий гидравлический привод (ГП) вместе с РО можно представить в виде структурной схемы (рис.6.3).

Рис.6.3. Структурная схема гидравлического следящего привода

Задающее устройство сообщает приводу программу для воспро­изведения (отработки) в виде управляющего входного сигнала X, кото­рый называют также входной величиной или просто «входом». В на­шем примере (см. рис.6.2) задающим устройством служит микрометри­ческая головка, с помощью которой на привод подается входная вели­чина в виде смещения Х золотника.

Рабочий орган - это узел оборудования, которому от гидродвига­теля сообщаются перемещения, воспроизводящие программу, вводи­мую задающим устройством. Фактические перемещения РО называют выходной величиной Y или «выходом». Следящие ГП относят к замк­нутым приводам, в которых производится сравнение фактически отра­ботанного перемещения РО с заданным (выхода привода со входом).

Сравнивающее устройство воспринимает программу от задающе­го устройства, сопоставляет ее с фактически выполненной программой и выдает сигнал рассогласования между ними. Цепь управления, кото­рая служит для измерения результата действия следящего ГП (факти­ческого перемещения РО) и осуществления связи между РО и СУ, назы­вается обратной связью по отработке или просто обратной связью. Об­ратная связь делает следящий привод замкнутым.

В данном примере привод имеет жесткую обратную связь, которая обеспечивается посредством закрепления корпуса распределителя на РО, а СУ является механическая пара золотник-корпус. Положение зо­лотника - входная величина, положение корпуса - выходная величина. Результат сравнения величин входа и выхода получается в виде смеще­ния золотника относительно корпуса (открытия рабочих щелей в РДР).

Сигнал рассогласования из СУ в соответствии со структурной схе­мой передается РДР. Эта передача реализуется за счет того, что корпус и золотник являются одновременно деталями РДР. Для этого в корпусе выполнены соответствующие каналы и расточки для прохода масла, а на золотнике - проточки. Размеры и расположение этих конструктив­ных элементов строго согласованы между собой.

Рассмотрим теперь работу следящего ГП (см. рис.6.2) при измене­нии входной величины (входного сигнала) с постоянной скоростью. Это означает, что золотник 1 передвигается с постоянной скоростью в какую-либо сторону (например, в направлении оси Х). Это изменение входного сигнала можно записать как x= v_x-t, где v_x = const - ско­рость равномерного перемещения золотника.

Если действующие на привод нагрузки остаются одинаковыми на пути движения РО, то последний будет перемещаться вслед за золот­ником с такой же скоростью, но с некоторым отставанием по пути. Чтобы РО двигался, должны открыться рабочие щели в распределите­ле. Для этого золотник должен сместиться относительно среднего положения в корпусе (см. рис.6.1б), т.е. корпус 2 и РО должны переме­щаться с отставанием по отношению к перемещению золотника.

Предположим, что РО перемещается быстрее золотника. В этом случае открытие h рабочих щелей и соответственно расход масла в по­лости гидроцилиндра и скорость движения РО будут уменьшаться. Если же РО будет перемещаться медленнее золотника, то открытие ра­бочих щелей и расход масла будут увеличиваться, возрастет и скорость движения РО.

Таким образом, предположение о том, что РО будет двигаться со скоростью движения золотника, но с некоторым отставанием, подт­вердилось. Этот вывод можно записать так: v_у = v_x, где v_y—скорость движения РО. Отставание по пути является рассогласованием между входной и выходной величинами, которое характеризует погрешность воспроизведения следящего привода или погрешность слежения. Пог­решность слежения, зависящая от скорости, на которой проводится слежение, называют скоростной погрешностью.

Если золотник 1 будет перемещаться с постоянной скоростью, но в противоположном направлении, то аналогично можно убедиться в том, что РО и в этом случае будет двигаться вслед за золотником с та­кой же скоростью, но с некоторым отставанием, которое и является скоростной погрешностью. Эта погрешность возрастает с увеличени­ем скорости слежения и наоборот. Если обозначить скоростную пог­решность Д,то можно записать Д_v = f(v).Если погрешность пропор­циональна скорости слежения, то Д_v ~ v.

Если задать программу работы следящего привода в виде переме­щения из нулевого положения на заданное расстояние Y_n с заданной скоростью v_п, то в приводе для выполнения этой программы управля­ющий входной сигнал х - перемещение золотника - будет меняться во времени от 0 до х_п, равного заданному перемещению (рис.6.4а) с задан­ной скоростью v_n (рис.6.4б).

При таком входном сигнале перемещение РО можно разделить на три фазы. В интервале времени от 0 до t1 РО разгоняется. Его скорость изменяется от 0 до заданного значения v_п, а рассогласование между вы­ходом и входом (отставание РО от золотника по пути) достигает Д_v. От момента t1 до t2 золотник и РО перемещаются равномерно с одинако­вой скоростью v_п и с постоянной величиной рассогласования. В мо­мент t2 золотник заканчивает движение, пройдя заданный путь. С это­го момента скорость золотника становится равной нулю.

РО в этот момент еще не дошел до конца на величину Д_v и продол­жает двигаться. По мере его перемещения уменьшается величина рас­согласования, открытие рабочих щелей в распределителе, расход масла, и соответственно скорость движения РО. Поэтому в интервале времени от t₂ до t3 имеют место за­медление и остановка РО.

Разгон и торможение РО относят к переходным процессам, а движение с постоянной скоростью в промежут­ке времени от t1 до t₂ называют уста­новившимся движением.

Рис.6.4. Изменение заданного перемещения X золотника, фактического перемещения Y РО и скоростей Vx и Vy> от времени t

Указанные особенности характе­ризуют следящий ГП с кинематичес­кой точки зрения, т.е. показывают как он отрабатывает заданную прог­рамму перемещений. Рассмотрим сле­дящий ГП со стороны силовых и энергетических показателей. Для пе­ремещения золотника достаточно приложить усилия, измеряемые от нескольких ньютон до нескольких де­сятков ньютон, а на РО со стороны привода в технологической системе могут действовать усилия в десятки и сотни килоньютонов, т.е. усилие на выходе может в 1000 и более раз превышать усилие на входе. Мощность - это произведение усилия на скорость, а поскольку скорости установившегося движения на входе и выходе одинаковы, то и мощность на выходе во столько же раз превы­шает мощность на входе.

Откуда берется эта энергия? Следует понимать, что мощность на входе не используется для осуществления перемещения РО. Мощность расходуется только на управление подводом гидравлической энергии, которую насосный агрегат сообщает создаваемому потоку масла за счет трансформации электрической энергии, получаемой им от сети. Следящий ГП представляет собой гидравлический усилитель (мощ­ности, усилия или крутящего момента). К нему, как к любому усилите­лю, подводится энергия для совершения полезной работы и управляю­щее воздействие, которое определяет, как правильно расходовать эту энергию, чтобы выполнить полезную работу.