Hydrostatické pohony a jejich øízení

A

PNEUMATICKÉ A HYDRAULICKÉ SYSTÉMY PRO AUTOMATIZACI

Hydrostatické pohony a jejich øízení Hydrostatické pohony zaujímají významné místo v konstrukci strojních zaøízení pro výrobu, dopravu a manipulaci s materiálem, stavebních strojù, zaøízení pro divadelní techniku a zábavní prùmysl atd., a to i pøes rostoucí konkurenci elektrických pohonù. V èlánku jsou shrnuty principy èinnosti hydrostatických pohonù, pøipomenuty jejich pøednosti a ukázány souèasné možnosti jejich øízení.

motory. U mobilních strojù – bagrù, nakládaèù apod. – je hydrogenerátor nejèastìji pohánìn vznìtovým motorem. Pracovní tlak ps v obvodu se nastaví na pojišovacím ventilu. Tlakový filtr zajišuje èistotu pracovní kapaliny nezbytnou pro správnou èinnost prvkù hydraulického obvodu, zejména øídicích ventilù jako prvkù umožòujících plynule øídit prùtok pracovní kapaliny od zdroje ke spotøebièi. Velikost otevøení øídicího ventilu je urèena spojitým øídicím signálem, zpravidla napìtím v rozsahu ±10 V. Kapalina proudící øízeným zpùsobem se dostává pøívodním vedením ke spotøebièi, kterým mùže být hydromotor pøímoèarý (podle obr. 1), rotaèní nebo kyvný. Hydromotor je spojen s pohybující se èástí konstrukce stroje pøímo, popø. prostøednictvím více èi ménì složitého mechanismu. Z hlediska dimenzování vlastního pohonu je nutné správnì urèit statické a dynamické úèinky pùsobící na nìj od zatìžovacího mechanismu. K výhodným vlastnostem hydrostatických pohonù patøí snadná realizace pøímoèarého pohybu a možnost øídit všechny jeho velièiny s plynulým øízením rychlosti od nulové hodnoty i pøi zatížení pohonu (i maximálním) a snadná ochrana pohonu pøed pøetížením (pomocí pojišovacího ventilu). Rozmìry hydromotoru jako akèního èlenu jsou, vzhledem k pøenášenému výkonu, pomìrnì malé.

1. Základní principy 1.1 Konstrukèní uspoøádání Pohony využívající k pøenosu energie pracovní kapalinu se nazývají hydraulické. Dìlí se na pohony hydrodynamické (hydrodynamické mìnièe, spojky), které využívají kinetickou energii kapaliny, a hydrostatické, založené na využití tlakové energie kapaliny [8]. Základní struktura hydraulického obvodu hydrostatického pohonu, u kterého lze, podle zpùsobu øízení (odvozování øídicí velièiny u), øídit polohu x a rychlost pohybu v pístnice a vyvozenou sílu F, je ukázána na obr. 1. Pracovní kapalina získává energii v hydrogenerátoru, pøemìòujícím mechanickou energii z motoru na tlakovou energii kapaliny. Zdrojem mechanické energie u stacionárních zaøízení jsou nejèastìji asynchronní elektro-

Tab. 1. Základní typy hydraulických obvodù hydrostatických pohonù

Typ obvodu

Základní vztahy PHG = Qmax ps

systém s konstantním průtokem

Principiální s ché ma pZ

PHM = Qpz Pz = Qmax ps - Qpz

Ene rge tická bilance

systém s konstantním tlakem

load-sensing systém s regulačním hydrogenerátorem

PHM = Qpz Pz = QpLS až ηmax > 67 %

&

Q

Qmax

pZ p-REG

ηmax = 67 % PHG = Q(pz-∆pLS)

0

ps

Q

Qmax

Q

Qmax

pmax

pZ

∆pLS

motor

M

ps

pojišťovací ventil

Obr. 1. Základní struktura hydrostatického obvodu (význam symbolù je uveden v textu) Skuteèností však zùstává, že pracovní kapalina získává energii pøedcházející pøemìnou jiné energie (napø. elektrické) na mechanickou. Pro dosažení pøimìøené úèinnosti je nutné správnì volit hydrogenerátor a zpùsob jeho øízení. Únik pracovní kapaliny, kterou je nejèastìji minerální olej nebo nehoølavá kapalina na bázi vody, mùže pøi poruše tìsnosti hydraulického pohonu zpùsobit problémy, kterým se pøedchází konstrukèním opatøením zajišujícím vyhovující ekologické vlastnosti konstrukce. V pøípadech, kde by mohlo únikem kapaliny z pohonu být ohroženo životní prostøedí, lze použít biologicky odbouratelné pracovní kapaliny (rostlinné oleje, napø. øepkový olej).

P=Qp

pS

přívodní potrubí

u

filtr

Energii pøenášenou v hydraulickém obvodu je možné vyjádøit výkonem P jako souèinem objemového prùtoku Q a tlaku p pracovní kapaliny, tedy

pS

PHM = Qpz

zátěž pohonu

řídicí ventil

hydrogenerátor

F

pZ

0

pZ

m

1.2 Pøenos energie v hydraulickém pohonu

pS

Pz = Q(ps - pz)

x, v

přímočarý motor

pS

ηmax = 38 % PHG = Qps

Mùže tedy být zabudováván do konstrukce stroje nejrùznìjšími zpùsoby. Tlakovou kapalinu lze potrubím a hadicemi snadno rozvádìt i na špatnì pøístupná místa a na pohyblivé èásti strojù.

pS pZ

0

(2002) èíslo 1

(1)

Má-li být množství pøenášené energie øízeno, musí být možné mìnit alespoò jednu z velièin nacházejících se na pravé stranì vztahu (1). Je tedy tøeba mít k dispozici prvky umožòující mìnit prùtok a popø. tlak kapaliny – regulaèní hydrogenerátory, ventily pro spojité øízení prùtoku, ventily pro øízení tlaku atd. Øídit lze množství energie dodané pracovní kapalinì (mluvíme o primárním øízení) a množství energie odebrané spotøebièem z hydraulického obvodu (sekundární øízení). Rozdíl mezi energií dodanou do hydraulického obvodu a spotøebovanou hydromotorem

AUTOMA

A

PNEUMATICKÉ A HYDRAULICKÉ SYSTÉMY PRO AUTOMATIZACI p u psmax

3 x 400V/50 Hz

regulace ps

ps

u

ω f

M

u

střídavý motor

měnič frekvence

Obr. 2. Schéma hydraulického agregátu øízeného otáèkami (pøevedenou na mechanickou práci vykonanou pohonem) se na hydraulických odporech pøemìní v teplo, pøièemž je snahou tomu bránit vhodným návrhem struktury a dimenzováním prvkù hydraulického obvodu.

1.3 Hydraulické obvody Množství energie dodané hydrogenerátorem do obvodu lze na základì (1) vyjádøit vztahem P = QHG ps = n Vt ps

(2)

kde Vt je objem hydrogenerátoru (objem kapaliny dodaný hydrogenerátorem bìhem jeho jedné otáèky pøi zanedbání ztrát), n otáèky hydrogenerátoru, ps tlak kapaliny dodávané do systému. Podle toho, která z velièin na pravé stranì (2) se mìní, se rozlišují rùzné typy hydrogenerátorù a hydraulických obvodù. Jejich pøehled s uvedením energetické bilance a dosažitelné úèinnosti je uveden v tab. 1 [3]. p S, Q

šoupátko

y

těleso ventilu

p

Obr. 3. Promìnný hydraulický odpor Systém s konstantním prùtokem využívá hydrogenerátor s konstantním objemem V t (tzv. konstantní hydrogenerátor, napø. zubové èerpadlo), konstantními otáèkami a pevnì nastaveným tlakem ps. Množství energie dodávané do obvodu je konstantní a je v pravém krajním sloupci tab. 1 znázornìno obdélníkem o stranách Qmax a ps. Energie odebraná z obvodu je dána aktuálním prùtokem Q a tlakem v hydromotoru pz (resp. jimi vymezenou plochou v grafech v tab. 1). Rozdíl pøedstavuje ztrátový výkon pøemìnìný v teplo v øídicím a v pojišovacím ventilu. Systém má maximální úèinnost 38 % a je vhodný tam, kde jde napø. jen o obèasné použití, a nikoliv o trvalý provoz.

AUTOMA

Systém s konstantním tlakem využívá hydrogenerátor s promìnným objemem, umožòujícím plynule mìnit množství pracovní kapaliny dodávané do obvodu: objem V t ve vztahu (2) je promìnný. Hydrogenerátor obsahuje hydraulicko-mechanický nebo elektronický regulátor tlaku ps, který je udržován konstantní. Vzroste-li odbìr Q, dodává hydrogenerátor vìtší množství kapaliny. Pøi zastavení spotøebièe dodávka klesne k nule a pokrývají se pouze svodové propustnosti. Energetická bilance systému je lepší a úèinnost mùže dosáhnout až 67 %. Systémy øízené podle zatížení (Load Sensing – LS) se vyznaèují promìnným tlakem ps, jehož hodnota se nastavuje podle aktuálního zatížení pohonu. Mìní se tlak ps i množství Q kapaliny dodávané do obvodu, tedy dva ze tøí parametrù na pravé stranì vztahu (2). Úèinnost pohonu mùže být i vìtší než 67 %. Systém LS se realizuje hydraulicko-mechanicky a je velmi rozšíøen zejména u mobilních strojù, kde dobrá energetická bilance znamená pøímou úsporu pohonných hmot. V poslední dobì se zaèíná realizovat i elektrohydraulický systém LS, který využívá elektronickou regulaci s vyhodnocováním tlaku od zátìže. U uvedených typù regulaèních hydrogenerátorù se pøedpokládá, že otáèky n ve vztahu (2) jsou konstantní. Rozvoj mìnièù frekvence nabízí možnost mìnit dodávané množství øízením otáèek asynchronního elektromotoru pohánìjícího konstantní hydrogenerátor. Tímto zpùsobem je možné realizovat obvod s elektronickou regulací tlaku i pøi použití konstantního (napø. zubového) hydrogenerátoru, jak ukazuje obr. 2. Takovýto hydraulický agregát lze použít i pro realizaci elektrohydraulického systému LS [1]. Aplikace elektroniky a regulaèní techniky zde do øízení hydraulických agregátù jednoznaènì pøináší nové možnosti a pøispívá ke zlepšení jejich dynamických vlastností a energetické úèinnosti.

2. Prvky pro øízení hydromotoru Z hlediska øízení pohybu hydromotoru mají nejvìtší význam øídicí ventily, umožòující plynule øídit prùtok, a tudíž rychlost pohybu a tlak (pøítlaènou sílu). Ventily pro plynulé øízení prùtoku využívají promìnné hydraulické odpory nejèastìji realizované s použitím šoupátka umístìného v tìlese ventilu (obr. 3). Pøestavením šoupátka se zmìní prùtoèný prùøez ventilu a tím i jeho hydraulický odpor R = R (y). Závislost mezi prùtokem Q a tlakovým spádem ps – p na ventilu je nelineární

∆p = pS – p = R(y)Q2

Q, ps

ps

p

y

Fk

síla pružiny Fk

I

FI

rovnováha sil F

síla magnetu FI

y

yI

Iy

Iy

y

y

Obr. 4. Pøímé øízení polohy šoupátka Na obr. 4 je ukázán princip regulaèního ventilu s pøímým øízením polohy šoupátka. Síla FI elektromagnetu úmìrná øídicímu proudu I uvede šoupátko do pohybu proti pružinì, která pøi stlaèení vyvozuje sílu opaèného smìru. Šoupátko se zastaví v bodì, ve kterém nastane rovnováha sil. Velikostí budicího proudu tak lze øídit otevøení ventilu. Jde však o pøímé øízení, tj. bez zpìtné vazby. Vylouèit vliv hydrodynamických sil pùsobících na šoupátko pøi proudìní kapaliny a vylepšit dynamické vlastnosti ventilu napomáhá zpìtnovazební øízení polohy šoupátka podle principu na obr. 5. Poloha šoupátka, jehož zdvih je ve skuteènosti asi 1 mm, se mìøí indukèním snímaèem polohy. Pro uživatele jsou dùležité výsledné statické a dynamické vlastnosti ventilu, uvádìné v katalogu v podobì prùtokových charakteristik Q = Q(y) pro rùzné tlakové spády a frekvenèních charakteristik, ze kterých lze stanovit vlastní frekvenci ventilu fsv. Kvalitu øízení ovlivòují také další parametry, jako je I Q, pS

(3)

Jde tedy o zásadní rozdíl oproti elektrickým obvodùm, kde platí lineární Ohmùv zákon. K pøesnému nastavení polohy šoupátka se používají rùzné principy, od nichž byla v prùbìhu

(2002) èíslo 1

vývoje odvozena pojmenování jednotlivých provedení ventilù pro spojité øízení prùtoku. Servoventily jsou dvoustupòové ventily, u nichž je jako první stupeò øízení použit elektromechanický pøevodník typu tryska-klapka, který øídí tlak na èelech šoupátka a tím jeho polohu. Servoventily mají mechanickou nebo elektrickou zpìtnou vazbu, odvozenou z polohy šoupátka. Proporcionální ventily používají pro øízení pohybu šoupátka proporcionální tlakové ventily se zpìtnou vazbou, realizovanou pružinou nebo elektronicky s mìøením polohy šoupátka. Jako regulaèní ventily se zpravidla oznaèují ventily, u nichž se šoupátkem pohybuje pøímo prostøednictvím lineárního motoru (proporcionálního elektromagnetu). Jednotlivá provedení øídicích ventilù mohou využívat rùzné kombinace uvedených principù a konstrukèních øešení.

y y

yw

p

u

y

regulace y

Obr. 5. Zpìtnovazební øízení polohy šoupátka

'

A

¨

PNEUMATICKÉ A HYDRAULICKÉ SYSTÉMY PRO AUTOMATIZACI b souèinitel tlumení, S A , SB èinné plochy pístu, pA, pB tlaky v pracovních prostorech A a B hydromotoru, F zatìžující síla, FT síla tøení, a diferenciálních rovnic pro tlaky pA, pB

.

..

T 2svxsv + 2ξsvTsvxsv + xsv = Ksvusv

(4)

dpA 1 (QA − SA v − QLA − QL ) = CA dt

kde xsv je relativní poloha šoupátka (xsv ∈ [-1; 1]) a význam ostatních symbolù je uveden v popisu k obr. 7.

SB pA

pB QB

QA

1

Obr. 6. Schéma pøímoèarého hydromotoru s jednostrannou pístnicí Závislost prùtoku pøes jednotlivé øídicí hrany šoupátka na aktuálních tlakových spádech lze vyjádøit pomocí nelineárních vztahù, ve kterých vystupují relativní poloha šoupátka, souèinitel prùtoku pøes hranu ventilu a pøíslušný tlakový spád.

fM =

3. Hydromotor

1 2π

mx¨ + bxÿ = SA pA – SB pB – F – FT sgn(xÿ ) (5)

2 KS 2 mV0

(8)

4. Hydraulická osa, servomechanismy

kde x je poloha pístnice, m hmotnost bøemene (pístnice),

0,8

(7)

kde V0 je objem pracovního prostoru hydromotoru pro støední polohu pístnice, S plocha pístu. Pro regulované pohony (servomechanismy) se používají pøímoèaré hydromotory, tzv. servokvality. Mají minimální tøení a pøedstavují málo tlumený systém (souèinitel ξM v rozsahu asi 0,05 až 0,2).

V hydromotoru se tlaková potenciální energie pøivádìné pracovní kapaliny mìní na mechanickou práci. Zde se omezíme pouze na pøímoèaré hydromotory, které mohou být s jednostrannou nebo oboustrannou pístnicí. Dynamické vlastnosti pøímoèarého hydromotoru s jednostrannou pístnicí podle obr. 6 lze popsat pomocí pohybové rovnice pístnice [2]

PDT1

0,9

kde CA = VA/K, CB = VB/K jsou hydraulické kapacity pracovních prostorù A a B, t je èas, K  objemový modul pružnosti kapaliny, v  rychlost pohybu pístnice, QL, QLA, QLB prùtoky vlivem prùsakù v prostorech A a B (interní a externí svodová propustnost). Pøi návrhu hydraulických pohonù je srovnávacím údajem vypovídajícím o dynamických vlastnostech pohonu vlastní frekvence hydromotoru fM, která se v pøípadì oboustranné pístnice a její polohy uprostøed zdvihu urèí podle vztahu

F, FT

SA

(6)

dpB 1 (SBv + QB − QLA + QL ) = CB dt

x, v

Pøidáním snímaèe øízené velièiny a regulátoru vznikne polohový, rychlostní nebo tlakový servomechanismus. V praxi se u lineárních pohonù nejèastìji realizují servomechanismy polohové a tlakové. Øízení rychlosti lze pøevést na úlohu sledování polohy. Blokové schéma úplného regulaèního obvodu elektrohydraulického polohového servomechanismu je na obr. 7.

Hydraulická osa je pojem oznaèující sériové zapojení øídicího ventilu a hydromotoru.

PT1

0,7

Kkrit/ωm

pøekrytí hran šoupátka, linearita ventilu a jeho citlivost na zmìnu signálu aj. Dynamické vlastnosti øídicího ventilu [2] odpovídají vlastnostem proporcionálního èlenu se setrvaèností 2. øádu, popsaného diferenciální rovnicí

P

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

κ

Obr. 8. Závislost kritického zesílení regulaèního obvodu s regulátory typù P, PT1, PDT1 na pomìru fsv/fM Analytické rozbory dynamických vlastností zpìtnovazebního øízení polohového servomechanismu ukazují, že pro výslednou kvalitu regulaèního obvodu podle obr. 7 je rozhodující pomìr vlastních frekvencí servoventilu a hydromotoru fsv (9) fM Na základì znalosti pomìru κ lze doporuèit použití a výchozí nastavení regulátorù polohy typu P, PT1, PDT1 a stavového regulátoru. Kvalitativnì lze vhodnost regulátoru posoudit vyhodnocením kritického zesílení regulaèního obvodu [4], [5]. Výsledná závislost normovaného kritického zesílení na pomìru vlastní frekvence servoventilu a hydromotoru je pro uvedené tøi typy regulátorù ukázána na obr. 8, kde hvìzdièkami vyznaèená obálka køivek ukazuje maximální hodnoty kritického zesílení regulaèního obvodu

κ=

F

snímač polohy w

K F (TF s + 1)

hydromotor

QF

e

eu

Ksn x

řídicí ventil

regulátor

GR(s)

usv

K sv K Q

Qsv

Tsv2 s 2 + 2ξsvTsv s + 1

Q

KM 2 2 TM s + 2ξMTM s + 1

V

1 s

X

Obr. 7. Blokové schéma polohového servomechanismu (e, eu – odchylky øízené velièiny; F – síla; GR(s) – pøenos regulátoru; KF, KM, KQ, Ksn, Ksv – zesílení zatìžující síly, zesílení hydromotoru, prùtokové zesílení servoventilu, zesílení snímaèe polohy, zesílení servoventilu; Q, QF, Qsv – prùtok do hydromotoru, prùtok vlivem zatìžující síly, prùtok servoventilem; TF, TM, Tsv – èasová konstanta pùsobení zatìžující síly, èasová konstanta hydromotoru, èasová konstanta servoventilu; usv – øídicí napìtí servoventilu; v – rychlost, w – žádaná poloha; x – poloha pístnice; ξM, ξsv – souèinitel pomìrného tlumení hydromotoru, servoventilù; s – komplexní promìnná)



(2002) èíslo 1

AUTOMA

A

PNEUMATICKÉ A HYDRAULICKÉ SYSTÉMY PRO AUTOMATIZACI

Správný návrh a dimenzování elektrohydraulického servomechanismu se neobejdou bez posouzení dynamických vlastností pohonu. Úèinným nástrojem pro dynamickou analýzu systému je poèítaèová simulace [2]. S využitím rùzných simulaèních programù lze s použitím již naznaèených vztahù sestavit simulaèní model pohonu a ovìøit úèinky rùzných regulátorù, vliv rozmìrù ventilù na kvalitu regulace, schopnost pohonu dosáhnout požadované rychlosti pohybu i pøi zatížení apod. (napø. zanedbání závislosti výsledné rychlosti pohonu na jeho zatížení mùže zpùsobit prodloužení pracovního cyklu stroje a tím nesplnìní zadání). Na obr. 9 jsou ukázány simulaènì vyšetøené prùbìhy promìnných polohového servomechanismu v prùbìhu pøechodového dìje pøi pùsobení zatìžující síly 10 000 N a bez zatìžující síly. Z prùbìhu polohy pístnice x je zøejmé prodloužení doby pohybu vlivem zatížení. Pøestože øídicí ventil je v obou pøípadech na poèátku otevøen na 100 % (xsv = 1), je rychlost pístnice bez zatížení témìø dvojnásobná. Pøíèinou je nelineární závislost prùtoku øídicím ventilem na tlakovém spádu. Na obr. 10 jsou ukázány prùbìhy pomìrné rychlosti pohonu pro rùzná otevøení ventilu na

Øídit servopohony s požadovanou pøesností lze pouze pøi krátké periodì vzorkování nezávislé na dalších funkcích øídicího systému. Proto vznikly inteligentní periferie programovatelných automatù (Programmable Logic Controller – PLC) umožòující pøipojit signál o poloze v rùzném tvaru a øídit akèní èlen bipolárním napìovým signálem. V rùzných obdobách je nabízí vìtšina výrobcù PLC. Jako pøíklad lze zmínit øešení firmy Rexroth [9], založené na inteligentní periferii IP252mH z rodiny PLC Simatic firmy Siemens. Inteligentní periferie je vybavena vstupnì-výstupními obvody pro ètyøi servomechanismy. Lze s ní programovì realizovat rùzné regulátory s regulací nejen polohy, ale i rychlosti, tlaku (resp. síly) a s kontrolou hodnoty tlaku pøi nastavování polohy. Pøi øízení nìkolika os je možné zajistit také jejich synchronizaci. Pracovat nezávisle na typu PLC a realizovat servomechanismy i s ménì výkonnými øídicími systémy umožòují autonomní èíslicové regulátory. Pøíkladem takového øešení je typ HNC100 ([9], obr. 11). Jeho hardware a programové vybavení podporují vše potøebné pro øízení jedné hydraulické osy a komunikaci s nadøazeným øídicím systémem pomocí sériového rozhraní, síové komunikace po sbìrnici CAN nebo s využitím dvouhodnotových signálù. K dispozici je i obdobný regulátor v provedení pro dvì hydraulické osy. Rostoucí poèet aplikací sbìrnice CAN vede také k vývoji øídicích ventilù s integrovaným èíslicovým regulátorem a komunikací po sbìrnici CAN. Pro èíslicové regulátory hydraulických pohonù je charakteristické, že je k nim možné pøipojit snímaèe absolutní polohy s analogovým výstupním signálem 0 až 10 V nebo

w, x (m)

5. Dynamická analýza a simulace chování pohonu

6. Øídicí systémy

s èíslicovým výstupem a synchronnì sériovým pøenosem dat podle standardu SSI (Serial Synchronous Interface). Použití snímaèù polohy s  rozhraním SSI je podmínkou pøi požadavku na pøesné øízení polohy u servopohonù s velkým zdvihem. Snímaè absolutní polohy pøitom mùže být integrovaný do tlakového prostoru hydromotoru, rotaèní napø. s lankovým pøevodem, tyèový v profilovém provedení nebo laserový, umístìný vnì hydromotoru. Programové vybavení regulátorù podporuje použití regulaèních algoritmù uvedených žádaná hodnota, poloha pístnice

0,15 0,14

F=0N

0,13

F = 10 000 N

0,12 0,11 0,10 0,09 0

0,85 až 2,5

AUTOMA

0,5

0,5

F=0N

0,2

F = 10 000 N

0,1 0 -0,1 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

t (s)

tlaky pA, pB

10

pA

8

pA

F = 10 000 N F=0N

6

pB

2

F=0N F = 10 000 N

pB

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

t (s)

PDT1

P

PT1

stavový regulátor xsv (-)

TD s + 1 Ts + 1

1 , T = 0,1 TD TD = 2πfsv

poloha šoupátka ventilu 1,2 1,0 0,8

F = 10 000 N

0,6

KR

0,4

F=0N

0,2

1 GR (s) = K R T1s + 1 T1 =

> 2,5

0,4

0,3

Typ regulátoru

GR (s) = K R

0,4 až 0,85

0,3

0,4

Tab. 2. Doporuèená volba regulátorù polohového servomechanismu

0 až 0,4

0,2

rychlost pístnice

0,6

4

Poměr vlastních frekvencí k = fsv / fM

0,1

t (s)

v (m/s)

K  1 KRkrit = 2πfM  krit  (10)  ωM  KO Ksn kde KO je zesílení otevøeného regulaèního obvodu.

pomìrném zatížení pohonu, které jsou navíc u hydromotoru s jednostrannou pístnicí nesymetrické pro jednotlivé smìry pohybu a zatížení (tahová nebo tlaková síla).

pA, pB (106 Pa)

dosažitelné pøi použití rùzných regulátorù v závislosti na pomìru κ. Z grafu lze vyèíst doporuèení pro volbu vhodného typu regulátoru, které je shrnuto v tab. 2. Maximální hodnota zesílení regulátoru KRkrit se urèí z hodnoty normovaného zesílení Kkrit/ωM pøeètené z grafu na obr. 8 podle vztahu

0 -0,2

1 πfM

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

t (s)

u = w − K1x − K 2 v − K 3a

(2002) èíslo 1

Obr. 9. Výsledky simulace chování pohonu pøi rùzných zatíženích



A

PNEUMATICKÉ A HYDRAULICKÉ SYSTÉMY PRO AUTOMATIZACI

v tab. 2, vèetnì stavového regulátoru, pro který jsou potøebné stavové promìnné získávány numerickou derivací signálu o poloze. Mìnit zesílení i èasové konstanty regulátoru lze za bìhu øídicího programu. Je-li pøipojen snímaè tlaku, je možné pøi nastavování polohy omezit maximální sílu vyvinutou hydromotorem a omezením maximální velikosti napìtí øídícího servoventil urèit maximální pøípustnou rychlost pohonu. K pøesnému nastavení polohy lze použít integraèní složku regulátoru, uvádìnou v èinnost prostøednictvím pøídavné logiky.

v/v0

Závislost „rychlosti“ na poměrném zatížení PHM 1,5 relativní otevření ventilu xsv: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0

1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -1

relativní otevření ventilu xsv: -0,2; -0,4; -0,6; -0,8; -1,0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

F/F0

Obr. 10. Závislost pomìrné rychlosti pohonu na jeho pomìrném zatížení pøi rùzných otevøeních øídicího ventilu Regulace tlaku pøedpokládá mìøení tlaku nebo síly. Pro regulaci tlaku ve dvojèinném lineárním hydromotoru lze použít dva snímaèe tlaku, pøièemž regulaèní algoritmus vyhodnocuje jako hodnotu skuteèného tlaku rozdíl jejich údajù. Regulátor tlaku obsahuje zvláštní logiku pro pøipojování a odpojování integraèní složky.

7. Závìr Èlánek shrnuje základní principy funkce a øízení hydrostatických pohonù a ukazuje



jejich možnosti, vèetnì pøíkladù technické realizace øídicích systémù. Díky aplikacím moderní øídicí techniky si hydrostatické pohony udržují stále schopnost konkurence, a to i pøes silný konkurenèní tlak z oblasti regulovaných elektrických pohonù. Podìkování Pøíspìvek vznikl v rámci øešení výzkumného zámìru CEZ:J17/98: 272300011 Modelování, simulace a øízení složitých dynamických systémù výrobnì-dopravních komplexù. Literatura: [1] MAÒÁSEK, R.: Simulation of Electrohydraulic Load-Sensing System with AC Motor and Frequency Changer. In: Proceedings of the 1st FPNI-PhD Symposium, Hamburg 2000, s. 311–– 323, ISBN 3-00-006510-5. [2] NOSKIEVIÈ, P.: Modelování a identifikace systémù. 1. vyd., Ostrava, Montanex, a. s., 1999, ISBN 80-7225-0302. [3] NOSKIEVIÈ, P.: Elektrohydraulický load-sensing systém – teoretické øešení. Závìreèná zpráva projektu 101/95/ Obr. 11. Autonomní èíslicový regulátor HNC100 0910, GAÈR, leden 1997. [4] NOSKIEVIÈ, P.: Auswahlkriterium der Reg- [7] NOVÁK, P.: Prùmyslové øídicí systémy. Skriplerstruktur eines lagegeregelten elektrohydrauta, FS VŠB-TU Ostrava, 2000. ISBN 80-7078lischen Antriebes. Ölhydraulik und Pneumatik, -733-3. 39, 1995, è. 1, s. 49-51, ISSN0341-2660. [8] PIVOÒKA, J. a kol.: Tekutinové mechanismy. [5] NOSKIEVIÈ, P.: Klasifikace regulátorù elekPraha, SNTL 1987. trohydraulických servopohonù. In: Sborník [9] Katalogové podklady firmy Rexroth. pøednášek 16. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika 98. Brno, 1998, s. 227–233, prof. Ing. Petr Noskieviè, CSc., katedra automatizaèní techniky a øízení, ISBN 80-86122-23-9. Fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava [6] NOVÁK, P. – NOSKIEVIÈ, P.: Zabezpeèení [email protected] spolehlivosti øízení pódiových stolù v Obecním domì v Praze. AUTOMA, 6, 2000, è. 2, s. 14 – – 15, ISSN1210-9592.

(2002) èíslo 1

AUTOMA