Brevet FR2671584A1 — publié le 19920717

La présente invention concerne les dipositifs hydrau- liques de commande et, plus particulièrement, des dispositifs de commande pour actionneurs entraînés par vanne asservie. Dans les dispositifs hydrauliques utilisant des actionneurs entraînés par vanne asservie, la valeur du débit de la vanne asservie demandé par un actionneur dépend de la charge que cet actionneur doit déplacer Si la charge diminue pour devenir inférieure à la valeur pour laquelle le dispositif a été conçu, l'écoulement dans la vanne asservie nécessaire pour déplacer l'actionneur augmentera pour passer au- dessus de sa valeur nominale, et l'actionneur sera amené à se déplacer plus rapidement que sa vitesse nominale de pivotement De nombreux cas de ce type peuvent empêcher le fonctionnement de l'actionneur et/ou de la vanne asservie. De plus, si on connecte plusieurs actionneurs de ce type à la même pompe hydraulique, comme cela est généralement le cas, par exemple, dans les moteurs à réaction, et qu'un pourcentage élevé des actionneurs nécessite simultanément un écoulement dans la vanne asservie supérieur à la valeur nominale, la diminution de la pression d'alimentation ainsi provoquée aura pour effet une réduction de la capacité des autres actionneurs du dispositif. Par conséquent, la présente invention a pour objet un dispositif de commande pour actionneurs hydrauliques entraî- nés par vanne asservie, qui régule et maintient la valeur de 2 l'écoulement de la vanne asservie pour les charges largement variables auxquelles l'actionneur est soumis. La présente invention a pour autre objet un dispositif hydraulique de commande de ce type qui limite l'écoulement dans la vanne asservie à des valeurs inférieures au débit nominal maximum. La présente invention a encore pour objet un disposi- tif de commande pour une multitude d'actionneurs hydrauliques entraînés par vanne asservie, connectés à la même pompe du dispositif hydraulique qui limite la valeur de l'écoulement dans la vanne asservie nécessaire à chaque actionneur, d'o le maintien et la stabilisation de la pression d'alimentation de la pompe dans l'ensemble du dispositif même si l'action- neur est soumis à des charges largement variables. La présente invention a encore pour objet un disposi- tif hydraulique de commande limitant la vanne asservie dans lequel la commande de la vanne comprend un circuit logique relativement simple contenant des composants électroniques classiques qu'on peut se procurer facilement. Selon la présente invention, on propose un dispositif de commande pour actionneurs hydrauliques entraînés par vanne asservie qui maintient la vitesse de pivotement de l'action- neur à une valeur constante pour de grandes variations de la demande relative à la position de l'actionneur même si celui- ci est soumis à une vaste gamme de conditions de charge. Cette vitesse constante du pivotement de l'actionneur est fournie par un circuit électrique commandant la vanne asservie, comportant un moyen pour recevoir le signal d'ordre sur la vitesse de pivotement désirée de l'actionneur et pour comparer ce signal d'ordre à un signal engendré de réaction relatif à la vitesse de pivotement de l'actionneur Le circuit de commande fournit à la vanne asservie un signal de sortie de commande de la vitesse de pivotement qui comprend une intégration de la différence entre ces signaux d'ordre et de réaction relatifs à la vitesse de pivotement et est de préférence une combinaison de valeurs proportionnelles à cette différence et l'intégrale de cette différence Le signal de réaction relatif à la vitesse de pivotement est de préférence engendré en fournissant un signal mesuré de réaction de l'actionneur qui est l'objet d'une différentia- tion par un différentiateur, de préférence du type numérique. L'intégrale de la différence entre les signaux d'ordre et de réaction est de préférence produite par un intégrateur rectangulaire dans le circuit de commande. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, le circuit de commande électrique fonctionne aussi pour commander la position finale souhaitée pour l'actionneur et pour maintenir constante la vitesse de pivotement de l'ac- tionneur juste avant que ne soit atteinte cette position finale qu'on désire Cela est obtenu en comparant un signal d'ordre sur la position désirée de l'actionneur au signal de réaction mesuré relatif à la position de l'actionneur afin de produire un signal d'erreur de commande de position La sortie du circuit de commande électrique appliquée à la vanne asservie est commutée pour passer du signal de commande de la vitesse de pivotement à ce signal de commande de la position finale lorsque ce signal d'erreur atteint une petite quantité pré-établie. Lorsque la présente invention est utilisée dans le dispositif hydraulique contenant une multitude d'actionneurs fonctionnant à partir de la même pompe hydraulique, on emploie un dispositif de commande séparé selon la présente invention pour chaque actionneur La valeur de l'écoulement dans la vanne asservie qui est nécessaire pour chaque actionneur est alors maintenue égale à celle établie par la vitesse de pivotement désirée pour le point de réglage de l'actionneur dans chaque dispositif de commande L'écoulement fluidique total dans l'ensemble du dispositif hydraulique est ainsi maintenu et stabilisé Cela peut même permettre une réduction des dimensions de la pompe hydraulique, et dans -4- certaines applications, par exemple dans les moteurs à réaction, autorise une réduction du poids et de la puissance du dispositif lui-même. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma sous forme de blocs d'un système hydraulique comportant le dispositif de commande de la présente invention; figure 2, un diagramme schématique du dispositif de commande de la présente invention comportant un schéma logique de son circuit électrique de commande; figure 3, un graphe des courbes de la position de l'actionneur en fonction du temps dans un dispositif particu- lier de commande hydraulique selon la présente invention pour des charges de l'actionneur de 0,4448,8896 et 13344 N, et figure 4, un graphe des courbes de l'écoulement dans la vanne asservie en fonction du temps qui correspondent aux courbes de la figure 3 représentant la position de l'action- neur. En figure 1, on a représenté un dispositif hydraulique comprenant une pompe hydraulique 10, deux actionneurs, 12, 12 a qui entraînent respectivement des charges 14, 14 a et qui sont respectivement actionnés par des vannes asservies 16, l 6 a Les vannes 16, 16 a sont respectivement commandées par des dispositifs similaires de commande 18 selon la présente invention Des actionneurs supplémentaires actionnés par vanne asservie peuvent, naturellement, être alimentés par la même pompe 10 et commandés par des dispositifs supplémen- taires de commande 18 selon la présente invention. Le dispositif de commande 18 comprend un circuit électrique de commande 20, et un moyen pour engendrer et fournir un signal de réaction de pivotement d'actionneur à sa borne d'entrée Tl Ce signal de réaction est produit par un dispositif 22 de mesure de la position de l'actionneur monté sur chaque actionneur 12, 12 a qui engendre un signal de réaction pour la position de l'actionneur (RP) qui est fourni à son tour à un différentiateur numérique 24 qui procède à sa différentiation de manière à produire ce signal RVP fourni à la borne Tl par l'intermédiaire d'un conducteur 25. Le circuit de commande 20 contient également des bornes d'entrée T 2 et T 3 pour recevoir respectivement des signaux d'ordre positifs et négatifs désirés pour la vitesse de pivotement de l'actionneur, +OVP et - OVP De tels signaux d'ordre peuvent être généralement établis en conformité avec les conditions de vitesse de l'actionneur. Le signal de réaction sur la position de l'actionneur RP, produit par le dispositif 22 de mesure de la position de l'actionneur, est également appliqué directement par l'inter- médiaire d'un conducteur 26 au circuit de commande 20 à sa borne d'entrée T 4 Une autre borne d'entrée T 5 du circuit de commande 20 est également prévue pour recevoir un signal d'ordre sur la position désirée de l'actionneur OP. Un signal de sortie pour la commande d'une vanne asservie, SCVA, du circuit de commande 20 est appliqué à la borne de sortie T 6, et ce signal de sortie provenant de chaque circuit de commande 20 dans le dispositif hydraulique est appliqué à sa vanne asservie respective 16, 16 a par l'intermédiaire d'un conducteur de sortie 28. Dans un cas typique, la combinaison actionneur-vanne asservie est dimensionnée de façon que, pour une force nominale donnée, deux tiers de la pression d'alimentation soient prélevés dans le piston de l'actionneur et un tiers dans la vanne asservie La surface de la lumière de la vanne asservie est donc dimensionnée pour laisser passer un débit suffisant pour satisfaire les impératifs de vitesse à la force nominale pour une chute de la pression d'un tiers de la pression d'alimentation, et l'aire nominale de la lumière est déterminée à partir de l'écoulement nominal, généralement en accord avec la formule suivante: ANL = DN / CDl( 9,8 x CP) / 0,999 x MS) 1/2, o 6 - ANL = aire nominale de la lumière DN = débit nominal CP chute de pression dans la vanne asservie (norma- lement 1/3 de la pression d'alimentation), CD = coefficient de décharge d'un orifice à arête vive (normalement 0,6) MS = masse spécifique du fluide hydraulique. 9,8 = m/s, constante g pour l'accélération de la pesanteur. 0,999 masse volumique de l'eau à 15 'C. Si on utilise une lumière rectangulaire, l'aire de la lumière de la vanne asservie varie linéairement avec le courant appliqué au moteur- couple de la vanne asservie, et l'aire nominale de la lumière détermine la variation maximum du courant. Selon la présente invention, le débit dans la vanne asservie est régulé à une valeur constante du signal de sortie SCVA provenant du circuit électrique de commande 2 C telle qu'elle est déterminée par le signal OVP de commande d E la vitesse de pivotement Si ce signal OVP est rendu égal C la vitesse nominale pour les conditions nominales des forces, comme on l'a décrit ci-dessus, le signal du courant de sorti E SCVA provenant du circuit de commande 20 répondra à 12 formule suivante: I = l(DIM x DN) / (CD x SQ x ANL)l + CP dans laquelle: I = SCVA provenant du circuit de commande 20 CP = courant de polarisation du circuit de commande DIM = Delta I Max = variation du courant à partil d'une polarisation nulle qui donne l'aire nominale de 1; lumière, DN = débit nominal ANL = aire nominale de la lumière SQ = l( 9,8 x CP) / 0,999 X MS)11/ Comme la chute de pression CP dans la vanne asservie varie inversement avec la charge du piston de l'actionneur, une vaste gamme de valeurs de la charge se traduiront par une vaste gamme correspondante des courants sortant du circuit de commande électrique 20 de manière à maintenir un débit nominal dans la vanne asservie, ce qui maintiendra, à son tour, une vitesse nominale pour l'actionneur en conformité avec le signal OVP d'ordre de pivotement pré-établi. De plus, comme on l'a expliqué précédemment, selon la présente invention, le circuit de commande 20 associé à chaque actionneur fonctionne dans le but de fournir un signal SCVA (signal de sortie pour la commande de la vanne asservie) à sa borne de sortie T 6 qui commande le mouvement de chaque actionneur pour le faire passer de sa position initiale à sa nouvelle position ordonnée à une vitesse désirée du pivote- ment situéedans les limites des paramètres nominaux de chaque actionneur La limitation ainsi provoquée du débit du fluide de chaque vanne asservie limite également le débit total du fluide à l'intérieur des valeurs nominales de l'ensemble du dispositif hydraulique Plus spécialement, dans l'ensemble du dispositif, la dérivée de la pression d'alimentation de la pompe est égale au module de compressibilité du fluide divisé par le volume du dispositif, le tout étant multiplié par le débit dans la pompe moins la somme -de tous les débits individuels dans les vannes asservies Ainsi, lorsque la somme de ces débits est égale au débit de la pompe, la dérivée de la pression d'alimentation de la pompe devient égale à zéro, et cette pression reste constante. En liaison maintenant avec la figure 2, on décrira la construction et le fonctionnement du circuit de commande électrique 20. Le signal OP d'ordre pour la position désirée de l'actionneur, mesuré par 2,54 cm, est appliqué à la borne d'entrée T 5, et les signaux +OVP et -OVP mesurés en rn/s concernant l'ordre sur la vitesse désirée de pivotement de l'actionneur en accélération et décélération sont respectivement appliqués aux bornes d'entrée T 2 et T 3. Ce signal OP d'ordre sur la position est comparé à une valeur négative du signal RP concernant la réaction de position dans les éléments de sommation d'un additionneur 30, et le signal d'erreur de différence ainsi obtenu est amplifié par un amplificateur 31 présentant un gain suffisant pour fournir un courant SP de signal de sortie, commandant la position de l'actionneur, capable de faire fonctionner la boucle asser- vie Ce signal de sortie est fourni à un pôle A d'un commutateur de sortie bipolaire COM 1. Les signaux +OVP et -OVP d'ordre relatifs à la vitesse de pivotement en accélération et décélération sont comparés à la valeur négative du signal RVP de réaction pour la vitesse de pivotement par des additionneurs 32 et 34, et les signaux d'erreur relatifs à la vitesse de pivotement en accélération et décélération, EA et ED, ainsi obtenues, sont fournies aux pôles respectifs C et D d'un commutateur COM 2 de sélection de direction Le mouvement du bras 36 de ce commutateur COM 2 entre ces deux pôles est déterminé par la polarité du signal d'erreur de position E qui est fourni au composant 38 d'excitation du commutateur Ce composant 38 fonctionne de façon que le bras 36 du commutateur soit connecté au pôle C contenant le signal d'erreur de décélération, comme cela est représenté, toutes les fois que le signal d'erreur de position E est inférieur à zéro, et soit connecté au pôle D contenant le signal d'erreur d'accélération chaque fois que l'erreur de position est supérieure à zéro. Ces signaux d'erreur d'accélération ou de décélération sont alors fournis à un contrôleur 40 proportionnel et intégral comprenant un trajet d'intégration 42 et un trajet de gain proportionnel 44 Le trajet d'intégration comporte un amplificateur 45 de gain de boucle, d'un gain égal de préférence à celui de l'amplificateur 31, et un intégrateur rectangulaire (IR) 46 qui est en mesure d'intégrer les deux a 9 - signaux d'erreur d'accélération et de décélération Le signal intégré résultant est fourni comme une entrée d'un autre additionneur 48 Le trajet 44 à gain proportionnel contient un amplificateur 50 à gain proportionnel également monté de manière à recevoir les signaux d'accélération ou de décélération de la vitesse de pivotement et pour fournir sa sortie à titre d'autre entrée de l'additionneur 48 La sortie SVP de l'additionneur 48 comprenant la sommation de l'intégration et de l'amplification proportionnelle des signaux d'erreur de vitesse de pivotement est fournie au pôle B du commutateur de sortie COM 1 du circut de commande 20 On verra ainsi que le circuit de commande 20 contient deux branches fonctionnelles, à savoir une première branche qui fournit un signal SP d'erreur pour la commande de la position de l'actionneur au pôle A du commutateur de sortie COM 1 et une seconde branche qui fournit un signal SVP d'erreur pour la commande de la vitesse de pivotement de l'actionneur au pôle B du commuta- teur de sortie COM 1 Le bras 33 du commutateur de sortie COM 1 est relié à une entrée d'un additionneur de sortie 54 dont l'autre entrée est connectée de manière à recevoir un signal de polarisation de la vanne asservie La sortie de l'addi- tionneur 54 est reliée à la branche de sortie T 6 du circuit de commande 20. Le mouvement du bras 33 du commutateur de sortite-COM 1 entre ses pôles A et B est commandé par un contrôleur 52 qui reçoit le signal E d'erreur de position et envoie un signal d'excitation au commutateur de sortie COM 1 toutes les fois que la valeur du signal d'erreur dépasse un seuil prescrit X, de faible valeur, par exemple, l'équivalent de 5 mma Ainsi, toutes les fois que la valeur de ce signal SP d'erreur pour la commande de la position est supérieure à X, le bras 33 viendra en contact avec le pôle B du commutateur COM 1 et fournira la sortie SVP du contrôleur à sa vanne asservie associée par l'intermédiaire de l'additionneur 54 Cela provoque le déplacement de l'action- - neur vers sa position ordonnée à une vitesse de pivotement correspondant au signal d'ordre OVP Cependant, alors que l'actionneur se rapproche de sa position finale ordonnée, le signal d'erreur de position devient inférieur à la valeur X du seuil, et le bras 33 est déplacé par le contrôleur 52 pour venir en contact avec le pôle A du commutateur COM 1 et délivrer le signal SP de commande de la position finale à la vanne asservie par l'intermédiaire de l'additionneur 54. On remarquera que la combinaison de l'amplification proportionnelle et de l'intégration du signal d'erreur de vitesse de pivotement ainsi produit, fourni par le circuit de commande 20, fonctionne pour limiter le taux d'augmentation ou de diminution dans la position de l'actionneur pour de grandes variations de l'ordre relatif à la position par rapport à l'ordre spécifié pour la vitesse de pivotement en dépit d'une vaste plage de conditions de charge de l'action- neur. Cela est représenté par les graphes des figures 3 et 4 En figure 3, on a représenté les courbes de la position de l'actionneur en fonction du temps pour quatre conditions de charge, à savoir, 0,4448, 8896 et 13344 N; alors qu'en figure 4 on a représenté les courbes correspondantes du débit de la vanne asservie en fonction du temps Dans la réalisation de ces courbes, on a utilisé pour toutes les charges une seule vanne asservie reliée à une chambre à un seul piston, comme cela est représenté pour un actionneur en figure 1 Le piston coulisse librement dans la chambre à la suite de l'entrée du fluide du côté tête de piston de la chambre et de sa sortie du côté tige au moyen de la vanne asservie pour l'extension de l'actionneur et vice versa pour le retrait de celui-ci Un signal d'ordre de position de l'actionneur OP correspondant à 62 mm a été utilisé et des signaux d'ordre pour le point de réglage de la vitesse de pivotement, +OVP et - OVP, correspondant à approximativement plus et moins 76,2 millimètres par seconde On a maintenu OP pendant deux secondes, puis on l'a réduit à 12,7 mm. Comme représenté par les courbes de la figure 3, la vitesse du pivotement de l'actionneur pour le point de réglage désiré pendant l'extension s'est maintenu et était sensiblement identique pour les charges de Q,448 et 8896 N et seulement légèrement inférieure pour la charge de 13344 N alors que la vitesse de pivotement pour le retrait s'est maintenue en étant sensiblement identique pour les quatre charges Comme représenté par les courbes de la figure 4, des valeurs pour le débit de la vanne asservie de + 147 et + c 23/s ont été atteintes et maintenues pour les débits du côté tête de piston et du côté tige, respectivement, pendant l'extension, et de même de 147 à o cm 3 /S pendant le retrait pour les quatre conditions de charge. Les valeurs du débit reviennent, naturellement, à zéro après l'atteinte des conditions d'extension et de retrait à l'état constant. On remarquera que les vitesses de pivotement de l'actionneur et les débits dans la vanne asservie qu'on représente en figures 3 et 4 ne concerne qu'un dispositif hydraulique particulier selon la présente invention et que les valeurs réelles devant être utilisées ou obtenues par le circuit de commande 20 dépendront des dimensions, du poids et de la complexité du dispositif hydraulique et de ses composants auxquels on applique l'invention En obtenant les courbes représentées en figures 3 et 4, on a utilisé des courants de limitation de plus et moins 10,667 milliampères pour l'intégrateur rectangulaire 46 ainsi qu'un courant de polarisation de la vanne asservie de 16,667 milliampères, et la vanne asservie qu'on a employée était conçue pour répondre facilement à des intensités comprises entre 6 milliampères et 27,333 milliampères. On verra donc que la présente invention offre plu- 12 - sieurs avantages et satisfait tous les objets exposés antérieurement En établissant une vitesse de pivotement appropriée pour le point de réglage de l'actionneur, l'accé- lération de l'actionneur et le débit dans la vanne asservie peuvent être régulés et limités à des valeurs entrant dans les spécifications de l'actionneur, de la vanne asservie et de la pompe Les fluctuations dans la vanne asservice peuvent être virtuellement éliminées même en cas de grandes varia- tions de la charge de l'actionneur Dans des applications, par exemple dans les moteurs à réaction, dans lesquelles une multitude d'actionneurs fonctionnent à partir de la même pompe hydraulique, la régulation ainsi obtenue du débit dans la vanne asservie stabilise et limite la pression hydraulique dans le dispositif et peut permettre la réduction des dimensions de la pompe, avec comme conséquence une diminution du poids et de la puissance du moteur même En outre, le circuit électrique de commande de la vanne asservie de la présente invention comporte un système logique relativement simple et utilise des composants électroniques classiques qu'on trouve dans le commerce. 13 - REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande pour dispositif hydraulique comportant au moins un actionneur ( 12) entraîné par vanne asservie ( 16), comportant un circuit électrique de commande ( 20) pour ladite vanne asservie ayant un moyen pour recevoir un signal (OVP) d'ordre pour la vitesse désirée de pivotement de l'actionneur, et un moyen pour engendrer et fournir un signal (RVP) de réaction pour la vitesse mesurée du pivote- ment de l'actionneur audit circuit de commande, le circuit de commande fournissant un signal (SCVA) de sortie pour la commande de la vitesse de pivotement à la vanne asservie qui comprend une intégration de la différence entre ledit signal d'ordre pour la vitesse de pivotement et ledit signal de réaction, d'o la régulation de la valeur du débit dans la vanne asservie même en cas de grandes variations des charges auxquelles l'actionneur est soumis. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a une multitude desdits actionneurs ( 12) entraînés par vanne hydraulique asservie, une multitude desdits cir- cuits électriques de commande ( 20), avec un circuit par vanne asservie respective, et une multitude de moyens générateurs de signaux de réaction pour la vitesse de pivotement, chacun étant appliqué à un circuit respectif des circuits de commande, d'o la régulation de la valeur totale du débit dans les vannes asservies, imposée par le dispositif hydrau- lique. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de sortie commandant la vitesse de pivotement comprend également une amplification proportion- nelle de ladite différence entre ledit signal d'ordre et ledit signal de réaction relatifs à la vitesse de pivotement. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un intégrateur rectangulaire ( 46) pour l'intégration de ladite différence entre lesdits signaux d'ordre et de réaction relatifs à la 14 - vitesse de pivotement. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen pour engendrer et fournir au circuit de commande ( 20) le signal de réaction relatif à la vitesse de pivotement de l'actionneur, comprend un moyen pour engendrer un signal sur la position mesurée de l'actionneur et un différentiateur ( 24) monté de manière à recevoir ledit signal de position et à fournir une différentiation dudit signal de position. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend aussi un moyen pour fournir un signal d'ordre (SP) sur la position de l'actionneur audit circuit de commande et un moyen pour engendrer et fournir un signal de réaction (PP) sur la position mesurée de l'actionneur, audit circuit de commande, ce circuit de commande fournissant aussi un signal (SCVA) de sortie pour la commande de la position de l'actionneur, à ladite vanne asservie, qui est obtenu à partir de la différence entre les signaux d'ordre (SP) et de réaction (RP) relatifs à la position de l'actionneur. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend aussi un moyen (COM 1) pour commutation entre ledit signal de commande de la vitesse de pivotement de l'actionneur et ledit signal de sortie de commande sur la position de l'actionneur lorsque ce dernier signal atteint une faible valeur prédéterminée.