ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ДРОССЕЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ДВУХКАСКАДНЫМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ
ELECTRIC HYDRAULIC FOLLOWER DRIVE OF THROTTLE CONTROL WITH DOUBLE-CASCADE ELECTRIC HYDRAULIC POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к электрогидравлическим автоматическим системам, широко применяемым в различных отраслях техники. Это системы управления летательных аппаратов, испытательное оборудование в авиационной и в автомобильной промышленностях, автоматизированные прокатные станы и системы непрерывной разливки металлов, автоматизированные системы поиска нефти и газа и целый ряд других применений.
Известны электрогидравлические следящие приводы дроссельного регулирования (ЭГСП) с различными типами двухкаскадных электрогидравлических усилителей мощности (ЭГУ), различающихся по типу гидрораспределителя (ГР), управляемого электромеханическим преобразователем (ЭМП), и по типу обратной связи от ГР второго каскада.
В качестве примеров можно привести: ЭГСП с двухкаскадным ЭГУ «сопло-заслонка» с синхронизирующими пружинами на втором каскаде [Проектирование следящих электрогидравлических приводов летательных аппаратов. Под редакцией Н.С.Гамынина / М., Машиностроение. 1981 г., 312 с. (рис.1.1)] и с механической обратной связью от ГР второго каскада на ЭМП (там же, рис.1.4); ЭГСП с двухкаскадным ЭГУ с ГР первого каскада «струйная трубка» с механической обратной связью (там же, рис.1.2) и с гидравлической позиционной обратной связью (там же, рис.1.3); ЭГСП с двухкаскадным ЭГУ с ГР первого каскада в виде плоского золотника на упругом подвесе [Разинцев В.И. Электрогидравлические усилители мощности / М., Машиностроение. 1980 г., 120 с.], с гидравлической позиционной обратной связью (рис.21), с механической обратной связью (рис.25) и с электрической обратной связью (рис.27). В последней работе показано, что наилучшими статическими, динамическими и энергетическими характеристиками среди упомянутых выше ЭГУ при одинаковых ЭМП давлении нагнетания и расходе рабочей жидкости на входе ЭГУ обладает ЭГУ с плоским золотником на упругом подвесе и с электрической обратной связью. Поэтому в качестве ЭГСП-прототипа будем рассматривать ЭГСП с таким ЭГУ с исполнительным механизмом в виде гидроцилиндра с датчиком обратной связи индукционного типа совместно с комплектом стандартной электронной аппаратуры, необходимой для реализации следящего режима работы привода.
ЭГСП - прототип содержит:
- первый суммирующий операционный усилитель, на один вход которого подается управляющий сигнал, а другой вход через согласующую аппаратуру соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;
- второй суммирующий операционный усилитель, один вход которого соединен через согласующую аппаратуру с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада;
- электронный усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя;
- электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада;
- гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и, через две гидролинии, гидравлически соединенный с управляющими полостями гидрораспределителя второго каскада;
- гидрораспределитель второго каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и, через две гидролинии, гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;
- гидроцилиндр, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи;
- согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;
- согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада.
Недостатками рассмотренного ЭГСП являются:
1. Сложность схемы привода - два электрических датчика обратной связи, два комплекта согласующей аппаратуры.
2. Зависимость коэффициента усиления по скорости выходного звена привода от нагрузки на нем, от изменения величин давлений нагнетания и слива и от изменения температуры рабочей жидкости, что ухудшает статические и динамические характеристики привода и снижает КПД его гидравлической части.
3. Малая величина перекрытий по рабочим кромкам гидрораспределителей первого и второго каскадов, обусловленная необходимостью обеспечить заданную зону нечувствительности привода к управляющему сигналу, что приводит к увеличению утечек.
Уменьшение перекрытий на гидрораспределителе второго каскада обусловлено и необходимостью уменьшения зоны скоростной характеристики ЭГСП, в пределах которой, за счет перекрытий, уменьшается крутизна этой характеристики при малых амплитудах управляющего сигнала и на малых частотах этого сигнала (Фомичев В.М. «Повышение характеристик золотниковых гидрораспределителей в области «нуля»/ Гидравлика и пневматика», №20 (05). 2006 г.).
4. Ограничение максимальной скорости выходного звена привода (требуемое в целом ряде систем, в составе которых работает привод), реализуемое или с помощью ограничения площади распределительных окон гидрораспределителя второго каскада (усложнение и удорожание технологии изготовления), или с помощью механических упоров (ударные нагрузки на гидрораспределитель).
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная задача решается тем, что заявленный электрогидравлический следящий привод содержит:
- первый суммирующий операционный усилитель, на один вход которого подается управляющий сигнал, а другой вход через согласующую аппаратуру соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидроцилиндра;
- второй суммирующий операционный усилитель;
- электронный усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя;
- электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада;
- гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с управляющими полостями гидрораспределителя второго каскада;
- гидрораспределитель второго каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра;
- гидроцилиндр, шток которого кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи;
- согласующую аппаратуру электрического датчика обратной связи гидроцилиндра.
При этом согласно изобретению на выходе первого суммирующего операционного усилителя установлено первое электронное корректирующее устройство, передаточная функция которого имеет следующий вид:
,
1
где u - выходной сигнал первого электронного корректирующего устройства;
1
Δu - входной сигнал первого электронного корректирующего устройства,
1
вх
jc1
Δu=u-u;
вх
u - управляющий сигнал на входе первого суммирующего операционного усилителя;
oc1
u - выходной сигнал согласующей аппаратуры.
к1
к2
к3
КУ1
T, Т и Т - постоянные времени передаточной функции W(s).
к1
ср
Т=(2÷4)Т;
ср
Постоянная времени Т определяется по соотношению:
ср
ω - частота, на которой амплитудная частотная характеристика разомкнутого внешнего контура следящего привода пересекает ось частот;
к2
к1
Т=(2÷4)Т;
раб
f - частота, в пределах которой нормируются динамические характеристики следящего привода;
- выход первого электронного корректирующего устройства соединен с входом электронного блока ограничения, выходной сигнал которого связан с входным сигналом следующим уравнением:
1
где u - входной сигнал блока ограничения (выходной сигнал первого электронного корректирующего устройства);
2
u - выходной сигнал блока ограничения (входной сигнал второго суммирующего операционного усилителя);
- максимальная скорость холостого хода (без нагрузки) выходного звена следящего привода при номинальных значениях давлений нагнетания и слива и при нормальной температуре рабочей жидкости;
ДОС
k - коэффициент передачи электрического датчика обратной связи;
СА
k - коэффициент передачи согласующей аппаратуры,
ДОС
СА
kk [В/см]
у2
у2
k - коэффициент усиления второго электронного корректирующего устройства, k [c];
- выход блока ограничения соединен с одним из входов второго суммирующего операционного усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства, вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры и передаточная функция которого имеет следующий вид:
ос2
где u(s) - выходной сигнал второго электронного корректирующего устройства.
у2
k определяется по соотношению:
2
2
2
ос2
- выход второго суммирующего операционного усилителя - Δu (Δu=u-u) соединен с входом электронного усилителя мощности.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема заявленного электрогидравлического следящего привода (ЭГСП).
Усовершенствованный ЭГСП содержит:
вх
ос1
- первый суммирующий операционный усилитель СОУ1 (1), предназначенный для формирования следящего режима работы привода путем алгебраического суммирования входного управляющего сигнала (u) с сигналом обратной связи u, поступающим с выхода согласующей аппаратуры СА (10);
u1
- первое электронное корректирующее устройство КУ1 (2), вход которого соединен с выходом СОУ1 (1) - Δ;
1
- блок ограничения БО (3), вход которого соединен с выходом КУ1 (2) - u;
2
ос2
- второй суммирующий операционный усилитель СОУ2 (4), один вход которого соединен с выходом БО (3) - u, а другой вход соединен с выходом второго электронного корректирующего устройства КУ2 (9) - u, вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры СА (10);
2
3
- электронный усилитель мощности ЭУМ (5), вход которого соединен с выходом СОУ2 (4) - Δu, а выход u соединен с управляющей обмоткой электромеханического преобразователя ЭМП (6);
- электромеханический преобразователь ЭМП (6), якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада ГР1 (7);
- гидрораспределитель первого каскада ГР1 (7), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с управляющими полостями гидрораспределителя второго каскада ГР2 (8);
- гидрораспределитель второго каскада ГР2 (8), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии гидравлически соединенный с рабочими полостями гидроцилиндра ГЦ (11);
- гидроцилиндр ГЦ (11), выходное звено которого - шток (12) кинематически связан с подвижным элементом электрического датчика обратной связи ДОС (13);
- согласующую аппаратуру СА (10), вход которой соединен с сигнальной обмоткой датчика обратной связи ДОС (13);
Усовершенствованный ЭГСП работает следующим образом.
вх
ос1
п
вх
u1
u1
вх
ос1
КУ1
Входной управляющий сигнал (u) поступает на один из входов СОУ1 (1), где он алгебраически суммируется с сигналом обратной связи (u), поступающим на другой вход СОУ1 (1) с сигнальной обмотки ДОС (13) через СА (10). Таким образом, формируется внешний контур ЭГСП, обеспечивающий следящий режим работы ЭГСП по выходной координате (х) - соответствие модуля и знака этой координаты модулю и знаку управляющего сигнала (u). Выход СОУ1 (1) - Δ(Δ=u-u) соединен с входом первого электронного корректирующего устройства (КУ1) (2), передаточная функция которого W(s) имеет следующий вид:
к1
к2
где Т и Т - постоянные времени интегро-дифференцирующей составляющей
КУ1
W(s), обеспечивающей повышение коэффициента усиления в цепи ошибки внешнего контура ЭГСП в определенной полосе частот, что позволяет уменьшить зону нечувствительности скоростной характеристики привода при величине перекрытий гидрораспределителя первого каскада, обеспечивающих малые утечки этого гидрораспределителя;
к1
ср
Т=(2÷4)Т;
ср
ω - частота, на которой амплитудная частотная характеристика разомкнутого внешнего контура ЭГСП пересекает ось частот;
к2
к1
Т=(2÷4)Т;
к3
Постоянная времени Т определяется по соотношению:
п
п
п
раб
ω=2πf; f=(2÷3)f,
раб
f - частота, в пределах которой нормируются динамические характеристики привода.
к3
КУ1
к3
Интегрирующее звено с постоянной времени Т введено в структуру W(s) для компенсации дифференцирующего эффекта звена с передаточной функцией (Ts+1) в цепи ошибки внешнего контура ЭГСП, которое обусловлено замыканием внутреннего контура ЭГСП через передаточную функцию второго электронного корректирующего устройства КУ2 (9) (см. ниже).
2
1
Выход КУ1 (2) соединен с входом блока ограничения (БО) (3), реализующего следующую функциональную зависимость выходного сигнала БО (3) - (u) от входного сигнала (u):
где
- максимальная скорость холостого хода (без нагрузки) выходного звена ЭГСП при номинальных значениях давлений нагнетания и слива и при нормальной температуре рабочей жидкости;
ДОС
k - коэффициент передачи ДОС (13);
СА
ДОС
СА
k - коэффициент передачи СА (10); kk [В/см];
у2
у2
k - коэффициент усиления второго электронного корректирующего устройства, k [c].
Блок ограничения предназначен для ограничения максимальной скорости выходного звена ЭГСП - штока ГЦ (12).
u
u
.
2
ос2
КУ2
Выход БО (3) -  соединен с одним из входов СОУ2 (4), другой вход которого соединен с выходом КУ2 (9) - Второе электронное корректирующее устройство КУ2 (9) позволяет исключить из схемы ЭГСП ДОС гидрораспределителя второго каскада и обеспечить инвариантность коэффициента усиления по скорости выходного звена ЭГСП к нагрузке на нем, к изменению величин давлений нагнетания и слива, к изменению температуры рабочей жидкости и повысить КПД ЭГСП. Передаточная функция КУ2, W(s) имеет следующий вид:
ос2
где u(s) - выходной сигнал второго электронного корректирующего устройства;
у2
k определяется по соотношению:
2
2
2
ос2
Выход СОУ2 (4) - Δu(Δu=u-u) соединен с входом электронного
3
ос1
усилителя мощности ЭУМ (5), выход которого соединен с управляющей обмоткой ЭМП (6); якорь ЭМП (6) кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада ГР1 (7). Пропорционально модулю и знаку напряжения (u) на выходе ЭУМ (5) в управляющей обмотке ЭМП (6) возникает ток управления, определяющий величину и знак управляющего момента на валу ЭМП (6). Под действием этого момента подвижный элемент ГР1 (7) (рамка плоского золотника) отклоняется от своего нейтрального положения. В результате в управляющих полостях ГР2 (8) возникает перепад давлений, под действием которого ГР2 (8) смещается от своего нейтрального положения, предопределяя при этом появление перепада давлений в управляющих полостях ГЦ (11). Под действием этого перепада выходное звено ЭГСП (шток ГЦ (12)) смещается от своего исходного положения. При этом происходит и смещение от исходного положения подвижного элемента ДОС (13), что обуславливает изменение (от исходного значения) сигнала обратной связи (u), поступающего одновременно на один из входов СОУ1 (1) и на вход второго электронного корректирующего устройства КУ2 (9).
ос2
2
Выходное напряжение КУ2 (9) - u подается на один из входов СОУ2 (4), где оно алгебраически суммируется с выходным напряжением БО (3) - u. В результате формируется внутренний контур ЭГСП, реализующий обратную связь по скорости его выходного звена. Этот контур обеспечивает инвариантность коэффициента усиления по скорости выходного звена ЭГСП к нагрузке на этом звене, к изменению давлений нагнетания и слива и к изменению температуры рабочей жидкости. Дополнительно введение обратной связи по скорости выходного звена ЭГСП позволяет исключить из схемы ЭГСП ДОС гидрораспределителя второго каскада и его согласующую аппаратуру.
В итоге имеем следующее.
1. Существенное упрощение электрогидравлической схемы ЭГСП и, как следствие, повышение надежности его работы и снижение стоимости за счет исключения из схемы ЭГСП одного из двух электрических датчиков обратной связи и его аппаратуры согласования.
2. Улучшение статических, динамических и энергетических характеристик и повышение КПД ЭГСП за счет введения обратной связи по скорости выходного звена ЭГСП и, как следствие, реализации инвариантности коэффициента усиления по скорости выходного звена ЭГСП к нагрузке на нем, к изменению величин давлений нагнетания и слива и к изменению температуры рабочей жидкости. Одновременно уменьшается разброс значений коэффициента усиления по скорости ЭГСП при малых отклонениях ГР2 от нейтрального положения (в зоне перекрытий).
3. Уменьшение утечек на гидрораспределителе первого каскада путем увеличения перекрытий этого гидрораспределителя без увеличения зоны нечувствительности скоростной характеристики ЭГСП за счет введения в цепь ошибки контура привода интегро-дифференцирующего звена.
4. Реализацию ограничения по скорости выходного звена ЭГСП с помощью простого и дешевого электронного устройства - блока ограничения в цепи ошибки внешнего контура ЭГСП.
Отметим, что повышение эффективности ЭГСП, полученное за счет усовершенствования его электронной схемы, будет иметь место и в случае применения двухкаскадных ЭГУ других типов (с другими гидрораспределителями первого каскада и с другими типами обратных связей).