بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای الکتروهیدرولیکی کاربردهای بسیاری در صنایع و دستگاههای مختلف دارند، که در بسیاری از این کاربردها کنترل مطلوب نیروی عملگر مورد نظر است. سیستمهایی که برای این منظور استفاده می شوندعموماٌ شامل یک منبع فشار ثابت، یک شیر کنترل جهت تناسبی1 و یک سیلندر هیدرولیکی است که با اعمال جریان به سولنوییدهای شیر کنترل جهت میتوان جریان را به میزان دلخواه به سمت سیلندر هدایت کرد و نیروی عملگر را کنترل نمود.
مشکل این نوع سیستمها علاوه بر دشواری در کنترل نیرو اتلاف انرژی زیاد ناشی از منبع تولید فشار ثابت با استفاده از پمپ دبی ثابت و شیر اطمینان است زیرا شیر اطمینان همواره باز است و دبی اضافی پمپ از آن تخلیه میشود. در مقالهی حاضر، با استفاده از یک پمپ جابجایی متغیر که به صورت حلقه بسته2 به عملگر وصل شده دبی و در نتیجه نیروی عملگر کنترل میشود. مزیت این روش افزایش بازده سیستم نسبت به روشهای دیگر است زیرا پمپ همان میزان دبی را تولید میکند که سیستم نیاز دارد.ورودی این سیستم جدید ولتاژی است که برای تحریک سنولویید پمپ استفاده می شود و سیستم یک ورودی-یک خروجی است.
به منظور طراحی و تست کنترل مناسب برای این مجموعه، ابتدا مدلسازی انجام شده و سپس با توجه به مجهول بودن بعضی از پارامترها شناسایی صورت گرفته و نتایج آن شبیهسازی میشود. پس از این مرحله کنترلر خطی مناسب برای سیستم طراحی گردیدهاست. در انتها عملکرد کنترلر به وسیلهی شبیهسازی رایانهای و همچنین تست آزمایشگاهی صحه گذاری شده است.
مقدمه
سیستم الکتروهیدرولیکی استفاده شده به منظور کنترل نیرو و موقعیت در اکثر منابع مطابق شکل1 است که از سه بخش مهم تشکیل شده است: منبع فشار ثابت، شیر کنترل جهت تناسبی و سیلندر دو جهته. کارکرد این سیستم به این صورت است که شیر تناسبی به تناسب جریان گذرنده از سولنویید های آن باز میشود و خط فشار ثابت را به یک طرف سیلندر و خط کم فشار را به طرف دیگر سیلندر متصل میکند. این اختلاف فشار در دو طرف سیلندر باعث جا به جا شدن آن و اعمال نیرو به محیط میشود.
مسالهی کنترل نیرو در سیستمهای الکتروهیدرولیکی به شکل 1، مسالهی سادهای نیست. در این مساله حتی ممکن است برحسب نوع محیطی که سیلندر روی آن کار می کند و بر حسب پارامترهای تعیین کنندهی رفتار سیستم، هیچ کنترلر کلاسیکی نتواند به پایداری برسد.[2] سعی محققین در منابع بر استفاده از قوانین کنترلی پیچیدهتر برای رساندن سیستم کنترلی به پایداری و عملکرد قابل قبول بوده است.
کاربرد مدل غیر خطی با استفاده از تئوری lyapunov [3] قوانین کنترلی مد لغزشی [4]، فازی[5,6]، هوشمند[7] ، تطبیقی و پیش بین[8] از جمله قوانین کنترلی هستند که توسط محققین پیشنهاد شده و توانسته اند سیستم شکل1 را به طرز قابل قبولی در طیف وسیعی از شرایط محیطی کنترل کنند. همچنین تعداد قابل توجهی از منابع به کنترل مقاوم اینگونه سیستمها در هنگام تغییرات محیط و پارامتر های سیستم پرداخته اند.
در تحقیقهایی که از سیستم شکل1 استفاده شده است، علیرغم استفاده از کنترلرهای بسیار پیچیده و هزینهی محاسباتی و پیاده سازی کنترلر بسیار زیاد، توانایی تعقیب نیرو در وضعیت خوبی قرار ندارد. علاوه بر آن اتلاف انرژی به دلیل استفاده از پمپ دبی ثابت و تخلیهی پرفشار دبی اضافی از طریق شیر تخلیه تعبیه شده در کنار پمپ، در اینگونه سیستم ها زیاد است. تعداد کمی از مقالههای منتشر شده نیز به منظور بهبود بازده سیستم، ساختار سیستم را تغییر دادهاند.
در اینجا کنترل نیرو توسط پمپ جابجایی متغیر که به طور حلقه بسته و بدون هیچ المان اضافه به دو سر عملگر وصل شده صورت گرفتهاست، که چون دبی به همان مقدار مورد نیاز برای سیستم تولید می شود - البته داخل ساختار پمپ دو شیر اطمینان - شکل - 3 وجود دارد که فشار تنظیمی بالایی دارند و بیشتر برای ایمنی سیستم هستند نه کنترل نیرو و فشار سیستم معمولا به فشار شکست آنها نمیرسد، بعلاوه مقدار کمی دبی پمپ تقویت کننده؛ هدف آن جبران اختلاف سطحمقطع دو طرف عملگر است؛ نیز ممکن است از شیر اطمینان آن تخلیه شود که چون هم دبی و هم فشار کم است اتلاف انرژی ناچیز است - بازده بالایی دارد به علاوه به تجهیزات اضافی احتیاجی ندارد. در صورت لزوم و برای آشنایی با ساختار پمپ دبی متغیر و پمپ مورد استفاده در این تحقیق به دادههای پمپ شرکت Rexroth که در مراجع آمده مراجعه شود.
مدلسازی سیستم
· مدل دینامیکی عملگر
از معادلات پیوستگی و قانون نیوتون باتوجه به شکل2 برای عملگر داریم: در این معادلات Qrv ,Qv ,Qp ناشناخته می باشند بنابراین برای بدست آوردن روابطی برای آنها مدل سازی پمپ نیز لازم می شود در ادامه مدلسازی اجزای پمپ شامل شیر اطمینان پمپ تقویت کننده، عملگر پمپ، شیر تناسبی پمپ و دبی خروجی از سیلندرهای پمپ آورده شده است.
. مدل دینامیکی شیر اطمینان پمپ تقویت کننده
شیراطمینان پمپ تقویت کننده به صورت یک شیر اطمینان ساده یک مرحلهای شامل جرم-فنر-دمپر به صورت شکل4 درنظر گرفتهشده است.
· مدل دینامیکی شیر تناسبی
. مدل دینامیکی عملگر پمپ
Ms جرم عملگر می باشد که ناشی از جرم خود عملگر و مایع درون آن است، R فاصله ی لینک اتصال عملگر و صفحهی مایل4 از مرکز صفحه ی مایل است، I اینرسی صفحهی مایل و پیستونهای متصل به آن می باشد و Fsf اصطکاک عملگر پمپ می باشد . توجه شود که ممان هایی که در راستای محور آزاد صفحه مایل از طرف پیستونها به آن وارد می شوند به علت تقارن همدیگر را خنثی کرده و نیازی به محاسبهی آنها نیست البته به دلیل محدود - دیسکریت - بودن تعداد پیستون ها ممکن است در پارهای مواقع مقدار کمی ممان وارد شود که از آن صرف نظر شده است.
· مدل دبی خروجی پمپ
