Стабильность и линейность характеристики обеспечиваются не только значением давления питания, но и соответствующими геометрическими формами

рабочих органов гидроусилителя.

Электрогидроусилитель состоит из двух каскадов усиления первый каскад усиления, состоит из расходной камеры, двух сопел 5 и заслонки 1 выполненной в виде тонкостенной оболочки из эластичной маслостойкой резины, заполненной магнитной жидкостью. Второй каскад включает золотник 2 с синхронизирующими пружинами 8, 9, которые при отсутствии управляющего сигнала удерживают золотник в нейтральном положении.

Электрогидроусилитель содержит постоянные дроссели 6, 7 для снижения давления в соплах. Для регулировки центрального положения золотника используется регулировочный винт 10. Для управления заслонкой используются катушки индуктивности с Ш образным магнитопроводом, которые подключаются к источнику управляющего напряжения.

Поток рабочей жидкости подается в электрогидроусилитель мощности через два канала. В один канал в усилитель подается управляющий поток рабочей жидкости к элементу "сопло–магнитожидкостная заслонка" через постоянные дроссели 6 и 7.

При подаче на одну из катушек индуктивности управляющего напряжения возникает электромагнитное поле, которое воздействует на магнитожидкостную заслонку, которая, притягиваясь к торцевой части сопла, изменяет тем самым рабочий зазор между заслонкой и соплом. В результате этого эффекта возникает перепад давлений в междроссельных камерах и на торцах золотника, что приводит к его перемещению относительно центрального положения. Золотник перемещаясь, открывает канал, из которого поступает давление нагрузки и направляет его в один из двух выходных каналов. Расход рабочей жидкости в усилителе постоянный, жидкость выходит из электрогидроусилителя мощности через сливные каналы на управляемый золотниковый двигатель.

4 ВЫБОР И РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ СИСТЕМЫ

4.1 Выбор и расчёт передаточной функции микропроцессора

Микропроцессор в системе должен выполнять функцию обработки сигнала, поступающего с датчика, и выдавать соответствующее значение на выработку управляющего сигнала. То есть с датчика системы поступает сигнал на микропроцессор, микропроцессор «оценивает» ситуацию и через электронный преобразователь подает импульс на левую или правую катушку. Те, в свою очередь, вырабатывают электромагнитное поле, вследствие чего заслонка перемещается вправо или влево, на определенное расстояние.

В разрабатываемой системе будет установлен микроконтроллер AT89C51 в силу наличия у него всех требуемых компонентов и достаточной производительности работы.

AT89C51 – это высокопроизводительный, 8–битный микроконтроллер с низким потреблением энергии. AT89C51 имеет 4 Кб внутренней Flash памяти, 128 байт оперативной памяти, 5 векторную 2 уровневую систему прерываний, часы реального времени и работает на частоте до 24МГц.

---

Программа обслуживания модуля записывается в энергонезависимую память программ процессора объёмом. Модуль имеет внутреннюю 8-битную шину данных, к которой подсоединены 8 – канальный, 12 – разрядный АЦП (аналогово цифровой преобразователь) АD7859 с временем преобразования 5 мкс и 10 – разрядный 4– канальный ЦАП AD7805.

Запуск АЦП осуществляется либо по прерыванию от внутреннего таймера, либо отрицательным внешним импульсом. Цифровой выход АЦП в данной конструкции работает в 8 – битном режиме, так что чтение показаний проводится в 2 этапа. АЦП работает с внутренним опорным напряжением. Диапазон преобразования напряжения 0 – 2,5 В. Каждый выход АЦП должен быть защищён от перенапряжения. Эту функцию выполняют диоды, подключённые к аналоговой земле и к источнику питания. Обращение к ЦАП (цифровой аналоговой преобразователь) происходит в 3 этапа. Сначала в два этапа по внутренней 8 – битной шине записывается 10 – битное слово данных во внутренний регистр канала. Два младших бита слова данных отображены на адресном пространстве. ЦАП работает с внутренним напряжением и имеет диапазон выходных сигналов 0 – 2,5В.

Возможности данного устройства позволяют решать такие задачи по автоматизации измерений, контролю и управлению, которых не требуется высокая производительность. Средняя скорость измерения в секунду 300 – 400 измерений в секунду. Такая производительность вполне достаточна для решения широкого круга задач.

Таблица 1 – Характеристики МКАТ89С51

Параметр	Значения
Номинальная мощность потребления	750 мВт
Напряжение питания	15 В
Частота тактовых импульсов	2,5 Мгц
Число тактовых входов	2
Время пересылки в память	4 мкс
Время пересылки память - память	20 мкс
Разрядность адреса	16
Разрядность данных	12
Внутренний буфер	128 байт
Память программ процессора	4 Кбайт
Такт квантования	2 мкс

Таблица 2 – Характеристики АЦП AD7859 и ЦАП AD7805

Параметр	Характеристики АЦП AD7859	Характеристики ЦАП AD7805
Число разрядов	12	10
Максимальное быстродействие	5 мкс	4 мкс
Ток питания	30 мА	0,1 мА
Напряжение питания	15 В	5–15 В
Напряжение выходных сигналов	0–2,5 В	0–2,5 В
Частота тактовых импульсов	153,6 кГц	153,6 кГц
Период дискретизации	6,5·10-6 1/Гц	6,5·10-6 1/Гц
Число тактовых входов	2	2
Число рабочих каналов	8	4

При расчете линейной части системы принимаем передаточную функцию микропроцессора принимаемой равной единице:

4.2 Выбор и расчёт передаточной функции датчика перемещений

---

В качестве датчика обратной связи может быть использован резистивный датчик. Однако резистивные датчики не обладают достаточной точностью, погрешности измерений резистивного датчика могут быть вызваны в частности жесткими температурными условиями работы. Оптоэлектронные датчики лишены таких недостатков, их показания не зависят от изменения температуры и вибрационных нагрузок. Абсолютный оптоэлектронный датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 предназначен для непрерывного преобразования значений координаты в унифицированный электрический сигнал в системах контроля и управления. Датчик ДЛП-120Ц-005 измеряет линейные перемещения и преобразует их в пропорциональный электрический сигнал.

Технические характеристики датчика:

- диапазон изменения выходного сигнала

постоянного тока, (мА) 0÷5;

- основная погрешность, % от диапазона

измерения 1,0

- пульсация выходного тока, (%) 0,2

- постоянная времени, не более (сек) 0,2

- потребляемая мощность, не более (Вт) 10

Датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 имеет передаточную функцию вида:

где k_дп - коэффициент передачи датчика k_дп=0,05;

Т_д – постоянная времени датчика, Т_д=0,06(с)

Получим передаточную функцию вида:

4.3 Выбор гидроцилиндра и расчёт его передаточной функции

Гидроцилиндры являются простейшими гидродвигателями, которые применяются в качестве исполнительных механизмов гидроприводов различных и механизмов с поступательным движением выходного звена. По принципу действия и конструкции гидроцилиндры весьма разнообразны, и применение того или иного типа гидроцилиндра диктуется конкретными условиями работы, назначением и конструкцией той машины, в которой он используется.

В гидроцилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием потока рабочей жидкости осуществляется только в одном направлении. Движение в обратном направлении происходит под действием внешних сил, например под действием веса поднимаемого груза, или пружины.

В гидроцилиндрах двустороннего действия движение выходного звена в обоих направлениях осуществляется под действием потока рабочей жидкости. Поскольку для регулирования давления необходимо движение штока гидроцилиндра в обе стороны, выбираем гидроцилиндр двустороннего действия.

Технические параметры гидроцилиндра :

– Рабочее давление, р(МПа) 1,5;

– диаметр поршня гидроцилиндра D(мм) 40;

–диаметр штока, d (мм) 12;

– масса штока m (кг) 1,3;

– перемещение штока, (мм) 100;

– скорость выходного штока (м/c) 5;

– механический КПД η 0,7;

– объёмный КПД 0,55;

---

В качестве рабочей жидкости в гидроцилиндре применяется минеральное масло АМГ-10 ГОСТ 6794-53, так как оно обладает достаточно большими температурными вспышками и воспламенения, низкой температурой застывания, достаточной вязкостью. Его сжимаемостью можно пренебречь.

Характеристики минерального масла АМГ-10 ГОСТ 6794-53:

– плотность, (кг/м³) 850;

– объёмный модуль упругости, (Н/см²) 16·10⁴;

– температура вспышки, (⁰К) 365–390;

– температура воспламенения, (⁰К) 500;

– температура застывания, ( ⁰К) –70;

– коэффициент вязкого трения, (м²/с) 54;

– рабочая температура, (⁰С) –40…+60.

Если учесть, что в гидроцилиндре имеется только центрирующая поршень пружина и можно пренебречь сжимаемостью жидкости, то прямоходный гидроцилиндр имеет передаточную функцию вида:

где k_гц – коэффициент передачи;

Т_гц – постоянная времени гидроцилиндра, с;

Т_пр - вторая постоянная времени с;

Коэффициент передачи гидроцилиндра k_ГЦ определяется из соотношения мощностей:

,

где - отклонение входной мощности, кВт;

- отклонение выходной мощности, кВт.

Выходная мощность определяется по формуле:

где N_вых = P · η = 0,1 · 0,7 = 0,07 (кВт),

где Р – номинальная мощность гидроцилиндра, кВт;

η – механический КПД гидроцилиндра.

Коэффициент передачи гидроцилиндра примет вид:

Постоянная времени гидроцилиндра определяется из соотношения:

где m – масса штока, (кг);

S – площадь поршня гидроцилиндра, (м²);

r_Д – коэффициент, характеризующий перетечки жидкости;

f – коэффициент вязкого трения (для АМГ – 10 f = 5,2 сСт).

Площадь поршня можно найти из соотношения:

,

где мм = 0,035 м – радиус поршня гидроцилиндра;

Тогда S = 3,14·0,035² = 0,00122 (м²)

Коэффициент r_Д определяется через объёмный КПД:

где η_V – объёмный КПД;

V_max – максимальный объём жидкости в гидроцилиндре, м³;

p_н – перепад давлений в полостях гидроцилиндра, МПа.

Перепад давлений определяется из соотношения:

,

где F – усилие при выдвигающемся штоке, Н

Тогда:

Тогда передаточная функция гидравлической системы запишется в виде:

3.6 Выбор электрогидроусилителя "сопло – магнитожидкостная заслонка" и расчёт её передаточной функции

В системе используется разработанный на кафедре УИТ электрогидроусилитель – преобразователь "сопло – магнитожидкостная заслонка".

Передаточная функция электрогидроусилителя сопло – магнитожидкостная заслонки имеет вид:

4.4 Анализ способов решения задач синтеза дискретных САР

В настоящее время наибольшее распространение получили два способа ре-

шения задач синтеза дискретных САР. Первый способ основан на применении билинейного преобразования и построении желаемых логарифмических амплитудных и фазовых характеристик относительно псевдочастоты с последующим нахождением программ коррекции. По второму способу сначала определяют положения полюсов и нулей характеристического уравнения замкнутой САР, а уже по ним строят желаемые формы корневых годографов с последующим нахождением условий их взаимной компенсации. Кроме того, можно вычислить типы и параметры обратных связей по состоянию системы и ее выходному сигналу в виде динамических звеньев. Теоретической основой второго способа является векторно-матричный аппарат, позволяющий решать задачу синтеза, как при полном, так и неполном измерении фазовых координат. При этом необходимо выполнить проверку управляемости и наблюдаемости.

---

Первый способ обычно применяют при синтезе последовательных и параллельных корректирующих устройств, а второй – при синтезе устройств параллельной коррекции. Возможно объединение обоих способов; тогда выбор векторно-матричного уравнения желаемой САР осуществляют с помощью билинейного преобразования с последующим выбором нулей и полюсов замкнутой системы, а программу коррекции определяют в виде обратных связей. Данную задачу можно решить достаточно просто лишь при наличии одних полюсов. Если в характеристическое уравнение входят нули, то процедура синтеза значительно усложняется.

Постановка задачи синтеза данной системы по своей форме не отличаются от синтеза линейных непрерывных систем. В процессе ее решения также необходимо найти такую структуру и параметры системы, при которых обеспечивалось бы получение заданных техническими условиями запасов устойчивости, показателей качества и характеристик точности.

Синтез, основанный на построении желаемой логарифмической амплитудой и фазовой характеристик состоит в следующем:

- по требованиям точности строят низкочастотную часть желаемой ЛАЧХ

- с помощью номограмм Солодовникова по показателям качества _м и t_р определяют частоту среза, через которую проводят ЛАЧХ с наклоном–20 дб/дек;

- высокочастотную часть желаемой ЛАЧХ выбирают аналогично ЛАЧХ неизменяемой части;

- по точкам излома вычисляют желаемую ЛФЧХ и определяют запасы ус-

тойчивости по фазе и по модулю.

Техническое задание: необходимо разработать систему с заданными, показателями качества и характеристик точности:

- перерегулирование   30 – 40 %;

• время переходного процесса t_р  10 с;

• колебательность М  2;

4.5 Расчет передаточной функции системы автоматического

регулирования. Определение устойчивости системы автоматического

регулирования

Структурную схему на основе передаточных функций полученных ранее.

Рисунок 15 – Функциональная схема

Передаточная функция микропроцессора имеет вид:

Передаточная функция электрогидроусилителя типа "сопло–магнитожид­костная заслонка" имеет вид

Передаточная функция гидроцилиндра имеет вид:

Передаточная функция датчика перемещения имеет вид:

Выделим в функциональной схеме изменяемую и неизменяемую части. Изменяемая часть состоит из микропроцессора, АЦП и ЦАП. Неизменяемая часть состоит из гидроцилиндра W_ГЦ, электрогидроусилителя сопло–магнитожидкосная заслонки W_ЭГУ и датчика перемещения W_ДП.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Оценим устойчивость системы по критерию Найквиста. Для этого рассмотрим разомкнутую систему. Для того, чтобы система была устойчивой в замкнутом состоянии, необходимо и достаточно, чтобы кривая АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты ω от 0 до  не охватывала точку (-1, j0).

---