Полунатурное моделирование электрогидравлической системы регулирования скорости вращения вала генератора

УДК 681.51

Ю.В. Садомцев, Д.А. Гривенев

ПОЛУНАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ГЕНЕРАТОРА

Работа посвящена разработке технического обеспечения полунатурного моделирования. Полученные результаты могут быть использованы при отладке разработанных алгоритмов управления для электрогидравлической системы регулирования скорости вращения вала генератора переменного тока.

Электрогидравлическая система регулирования, линеаризованная модель, полунатурное моделирование, алгоритм управления, электронная модель

Y.V. Sadomtsev, D.A. Grivenev SEMINATURAL MODELLING OF THE ELECTROHYDRAULIC CONTROL SYSTEM FOR THE GENERATOR

Work is devoted working out of a hardware of seminatural modeling. The received results can be used at debugging of the developed algorithms of management for electrohydraulic system of regulation in the speed of rotation of a shaft of the generator of an alternating current.

Electrohydraulic control system, linearization model, seminatural modeling, algorithm of control, electronic model

В ходе разработки цифровых систем регулирования возникает необходимость в подтверждении разработанных алгоритмов управления требованиям технического задания. Подтвердить это могут только результаты испытаний - натурных, полунатурных и математического моделирования. Результаты математического моделирования можно получить, используя различные моделирующие программы, в частности пакет прикладных программ MatLab. Он выигрывает в стоимости и разнообразии моделируемых ситуаций, но математические модели практически никогда не описывают в полной мере рассматриваемый объект управления, т.е. всегда присутствуют какие-либо допущения. Поэтому математическое моделирование дает менее достоверные результаты, чем полунатурное моделирование и натурные испытания. Полунатурное моделирование по отношению к натурным испытаниям имеет такие же достоинства и недостатки. Но, несмотря на это, оно эффективно применяется при создании авиационных систем. Стенд полунатурного моделирования работы электрогидралической системы регулирования позволит проводить доводку разработанных алгоритмов управления в условиях, наиболее приближенных к реальным.

Полученные математические модели всех узлов рассматриваемой системы управления были подробно описаны в [1, 2]. Функциональная схема приведена на рис. 1.

При разработке стенда полунатурного моделирования будем использовать линеаризованную математическую модель, которая описывается следующими уравнениями:

~-Апг =-(й; • пт - ~0 )Апг + кр • п2П0  с0-Ак - ~э-А^э;

Ак = кк  Ах;

< от -Ах: = -й -Ах - к'г-Ах + Аіср;

^Ф/й = -г • АКр!1+г-ч/1;

А/ - Апг,

где пг, /, к, Ыэ, х, і - безразмерные переменные: угловая скорость вращения вала

генератора, частота тока генератора, перемещение рейки поворотных лопаток, электрическая нагрузка генератора, перемещение золотника с якорем и среднее значение управляющего

тока соответственно; Апг, А/, Ак, АNэ, Ах, Аі - отклонения от стационарного режима (

п* - 1, - 0,5, N -1 ); остальные параметры в (1) - это постоянные коэффициенты, расчет

которых приведен в [1].

Рис. 1. Функциональная схема системы управления: ГП - гидромеханический

привод,

ГПр - гидропреобразователь, Р - редуктор, ГУ - гидроусилитель, ВЦН -

вспомогательный

центробежный насос, ДЛП - двигатель линейного перемещения, ДЧВ - датчик частоты вращения, ДП - датчик положения золотника, 1, 2, 3 - турбины

гидропреобразователя

Структурная схема разрабатываемого полунатурного стенда приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема разрабатываемого стенда: ДП_С - датчик положения

сервопоршня,

их и ик,- напряжения пропорциональные положению золотника и сервопоршня, идчв и - напряжение, имитирующее сигнал с ДЧВ и подачу нагрузки на

генератор, и - управляющий ШИМ-сигнал

Натурными частями стенда являются гидроусилитель и двигатель линейных перемещений, который используется в качестве исполнительного механизма. А в электронной части стенда реализуем модели гидропреобразователя, вспомогательного центробежного насоса и генератора. Таким образом, появляется возможность отработать узлы, в которых чаще всего возникают проблемы связанные с перемещением золотникового механизма и сервопоршня, а также получить результаты переходных процессов при подаче и снятии нагрузки с генератора.

Части электронной модели описываются первым уравнением в (1). Представим данное уравнение в форме вход-выход:

(~ • 5 + ~ • пП0 - ~ )-Ап = ~р • п2П0 • ~0-М - ~Э -АЫЭ.

Из полученного уравнения выразим угловую скорость вала генератора Апг, которая зависит от положения сервопоршня и электрической нагрузки генератора:

An,

n„

Jг  s + a1

n

Ah-

J-s + j

n

- kn

AN,

Уравнение (2) можно реализовать, используя аналоговую элементную базу, как приведено на рис. 3.

Сигнал с датчика положения сервопоршня представляет собой линейное изменение постоянного напряжения в диапазоне от 12 до 4 В, т.е. от полностью закрытого до полностью открытого положения лопаток гидропреобразователя. Поэтому данный сигнал нормализуем и приведем его к линейному изменению напряжения от 0 до 5 В, реализовав это преобразование на операционном усилителе DA1 [2, 3]. Резисторы R5 ... R9 рассчитываются следующим образом:

Uh = 15 • R8/ R5 - R8 • идп/

О

э

Рис. 3. Электрическая схема электронной части полунатурного стенда

Имитация нагрузки представляет собой постоянный сигнал различных уровней. В зависимости от типа генератора можно сымитировать любую нагрузку. В данном случае уровень сигнала, соответствующий холостому ходу генератора, равен 0,312 В, а номинальной нагрузке (16 кВт) - 5 В. При этом резисторы Я1, Я2 и Я4 рассчитываются следующим образом [3]:

для холостого хода: иы =-15 • Я4І (Я1+Я4),

э (2) для номинальной нагрузки: им =-15 • Я4/ (Я2+Я4).

Модель объекта управления реализована на операционном усилителе ЭЛ2 [2, 3] и рассчитывается исходя из уравнения (2). Выходное напряжение БЛ2 будет определяться следующим образом:

Я12/Я10 Т7 Я12/Я11 тт

UNэ - -

U

Unr R12 • C 2 • S +1 "s R12^ C 2 • S +1

Зная передаточные функции в (2) и используя уравнения (5), можно легко рассчитать резисторы R10 ... R13 и конденсатор C2.

Схема, реализованная на операционном усилителе DA3 [2, 3], нужна для согласования моделей объекта управления и датчика частоты вращения. Она представляет собой инвертирующий усилитель.

В качестве датчика частоты вращения используется индукционный датчик, сигнал с которого представляет собой синусоиду. Поэтому необходимо преобразовать постоянный сигнал в синусоидальный, для этого используется преобразователь напряжение - частота, 170

реализованный на операционном усилителе БЛ4 и компараторе БЛ5 [2, 3]. Данная схема рассчитывается исходя из частоты последовательности импульсов, которую необходимо получить:

, Я19 + Я18 1 гт

/ —--------------------ип

12- Д14- С5 Пт пг

пит

Для того чтобы получить последовательность импульсов с 50% заполнением, необходимо принять Ш3 — М4, Я15 — 2-Я16 и рассчитать частоту по (6). Резистор Я7 выбирается исходя из требований микросхемы БЛ7.

Схема, реализованная на микросхеме БЛб [2, 3], необходима для усиления мощности сигнала по току, а трансформатор Т1 - для гальванической развязки модели и цифровой системы управления.

Основное назначение разработанного стенда полунатурного моделирования является отладка разработанных алгоритмов управления для электрогидравлической системы регулирования скорости вращения вала генератора переменного тока. При этом затрачиваются минимальные экономические средства, и получается более достоверный результат, чем при математическом моделировании. Также имеется возможность отработать гидравлический узел и исполнительный механизм, получить результаты переходных процессов при подаче и снятии нагрузки с генератора. В данной работе описан общий алгоритм расчета электронной части стенда полунатурного моделирования, поэтому его можно распространить на целый ряд объектов управления электрогидромеханических приводов постоянных оборотов с генераторами переменного тока, отличающихся лишь числовыми значениями коэффициентов в уравнениях модели.

ЛИТЕРАТУРА

1 Нагорный В.С., Денисов А. А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. М.: Высш. шк., 1991. 367 с.

2 Проектирование и применение операционных усилителей / под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлсмана. М.: Мир, 1974. 510 с.

3 Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2 т. / под ред. М.В. Гальперина. 3-е изд., доп. М.: Мир, 1986. Т. 1. 600 с.

4 Гривенев Д. А. Математическая модель электрогидравлической системы регулирования скорости вращения вала генератора // Вестник СГТУ. 2010. № 4 (49). С. 128133.

Садомцев Юрий Васильевич -

доктор технических наук, профессор кафедры технической кибернетики и информатики Саратовского государственного технического университета

Sadomtsev Yury Vasilievich -

doctor technical sciences, professor of chair of Technical cybernetics and computer science Saratov state technical university

Гривенев Дмитрий Анатольевич -

аспирант кафедры технической кибернетики и информатики Саратовского

государственного технического университета

Grivenev Dmitry Anatolievich -

Post-graduate student of faculty of Technical cybernetics and computer science Saratov state technical university

Статья поступила в редакцию 30.04.2011, принята к опубликованию 14.05.2011