Електрогідравлічний позиційний привід дискретної дії з програмним керуванням
| dc.contributor.advisor | Узунов, Олександр Васильович | |
| dc.contributor.author | Лі Цян | |
| dc.date.accessioned | 2024-12-04T13:33:22Z | |
| dc.date.available | 2024-12-04T13:33:22Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Лі Цян. Електрогідравлічний позиційний привід дискретної дії з програмним керуванням. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Останніми роками електрогідравлічні позиційні приводи, які широко застосовуються в будівельних, дорожніх та сільськогосподарських машинах, привертають до себе пильну увагу дослідників. Основною функціональною властивістю таких приводів є забезпечення переміщення робочого органу в потрібну позицію відповідно до заданої програми. На даний час відомі і поширені технічні рішення електрогідравлічних позиційних приводів мають ряд недоліків. Електрогідравлічні приводи позиціонування зі слідкуючими або пропорційними розподільниками є дорогими і вимагають високої стабільності роботи та чистоти робочої рідини. Електрогідравлічні позиційні приводи з цифровими клапанами не мають високої робочої витрати через обмеження робочої частоти золотника, що обмежує швидкість робочих органів, і не забезпечує потрібної керованості швидкістю позиціонування. Існують також інші технічні рішення електрогідравлічних позиційних приводів, які мають обмежене використання, наприклад, позиційні приводи з багатопозиційними клапанами або циліндром, приводи з дозатором, або з кількома внутрішніми або зовнішніми камерами, тощо. Хоча вони мають певні кращі властивості, їм також притаманні гірші властивості, якими є низька точність позиціонування, низька швидкість позиціонування, груба дискретність, повільний процес позиціонування, обмежений діапазон позиціонування і т.д. Тому актуальною є розроблення програмно керованого електрогідравлічного позиційного приводу дискретної дії низької вартості, який спроможний позиціонувати значні маси з програмованою дискретністю і високими робочими швидкостями. У дисертації розроблено електрогідравлічний позиційний привід дискретної дії з заданим комплектом властивостей та поглиблено досліджено його робочі процеси. Дисертація складається з п'яти розділів, основний зміст та результати кожного з яких наведено нижче. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і задачі дослідження, наведено методи дослідження, сформульовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також представлено дані про апробацію роботи. У першому розділі виконано аналіз технічних рішень електрогідравлічних позиційних приводів та актуальні проблеми, що потребують вирішення, зазначено області застосування електрогідравлічних позиційних приводів, їх загальну будову та особливості; на основі аналізу відомих електрогідравлічних позиційних приводів виявлено основні типи їх технічних рішень, проаналізовано ефективність їх застосування, а також з’ясовано їх переваги та недоліки; на цьому підґрунті сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи. У другому розділі сформовано підґрунтя для розроблення позиційного приводу з заданими експлуатаційними властивостями, встановлено основні властивості позиційних приводів, виявлено чотири основні методи позиціонування та властивості приводів, які вони обумовлюють; визначено фактори, що впливають на властивості приводів та виконано кількісну оцінку їх впливу з врахуванням методу позиціонування (при максимальній загальній оцінці в 30 балів вищим балам відповідають приводи на основі методів позиціонування М1-аналогове управління подачею рідини для досягнення заданої позиції та М2-дискретне управління часом подачі рідини для досягнення заданої позиції, які склали 20 та 24 бали відповідно); виявлено взаємозв'язок між будовою електрогідравлічних приводів позиціонування та їх властивостями; на основі глибшого розуміння вказаного взаємозв’язку визначено напрямок розробки структурної схеми електрогідравлічного позиційного приводу з заданим комплектом властивостей; розроблено математичну модель електрогідравлічного позиційного приводу, особливостями якої є модульна організація, врахування асиметрії схеми гідравлічного циліндру та нелінійної сили тертя за рівняннями ЛуГре; коректність розробленої математичної моделі підтверджено шляхом порівняння результатів модельних та фізичних експериментів. Точність розробленої математичної моделі оцінювалася з використанням середньоквадратичної похибки (RMSE) та відносної середньоквадратичної похибки (RRMSE). (для переміщення робочого органу RMSE = 0.694 мм і RRMSE не перевищує 1%, що відповідає рівню точності моделі "відмінно", для швидкості робочого органу RMSE = 0.069 м/с, RRMSE менше 17.5%, що відповідає рівню точності моделі "добре"). У третьому розділі виконано дослідження потенційних можливостей приводу при дискретному способі керування, обґрунтовано важливість процесів гальмування для дискретних позиційних приводів та надано методику їх досліджень; виконано модельне дослідження, яке показало, що час гальмування і максимальний тиск в порожнинах гідроциліндру в значній мірі визначаються швидкістю робочого органу та інерційним навантаженням; при нульовому часу відгуку золотника, встановлено кількісні залежності часу гальмування та величини максимального тиску в порожнинах гідроциліндру від швидкості робочого органу, яка змінювалась в діапазоні від 0.311 до 1.228 м/с та від інерційного навантаження в діапазоні від 17 до 57 кг; визначено важливий вплив на процес гальмування приводу часу відгуку золотника; встановлено, що збільшення часу відгуку золотника суттєво зменшує час гальмування і величину максимального тиску в порожнинах гідроциліндра, а також ступінь його коливань, при цьому, значне збільшення часу відгуку золотника призводить до збільшення часу гальмування; дослідження процесу гальмування для різних параметрів та умов експлуатації приводу дозволило визначити характер залежностей та кількісні співвідношення часу гальмування та максимального тиску в порожнинах гідроциліндру для наступних діапазонів змін: - початкової швидкості гальмування 0.311…1.228 м/c; - величини інерційного навантаження 17…57 кг; - часу відгуку золотника 0…0.05 с, співвідношень параметрів площ поршня (s1/s2) приводу 0.4, 0.5, 1.64, 2.0, 2.5; - тисків живлення 2.5…12.5 мПа. У четвертому розділі представлено етапи розроблення електрогідравлічного позиційного приводу дискретної дії з програмним керуванням, запропоновано та обґрунтовано схему електрогідравлічного позиційного приводу дискретної дії та інноваційно запропоновано нову схему програмованого регульованого дроселя; розроблено двоетапний алгоритм позиціонування для приводу дискретної дії; визначено характеристики приводу, що відображають продуктивність процесу позиціонування, до яких відносяться точність позиціонування (похибка позиціонування), час процесу позиціонування і допустима максимальна швидкість позиціонування; за допомогою модельних експериментів у середовищі Simulink підтверджено ефективність розробленого технічного рішення та запропонованого двоетапного алгоритму позиціонування, при цьому, збільшено точність позиціонування більш ніж в 11 разів, та швидкість руху робочого органу більш ніж в 1.9 рази, і скорочено час процесу позиціонування більш ніж в 1.3 рази. У п'ятому розділі наведено методику проектування та рекомендації до керування приводом дискретної дії, наведено вихідні дані та очікувані характеристики приводу з заданим комплексом властивостей; методику розрахунку параметрів основних компонентів, включаючи несиметричну схему гідроциліндру подвійної дії, трипозиційні чотириходові електромагнітні розподільники та програмно регульований дросель; наведено блок-схему алгоритму позиціонування, яка дозволяє глибше зрозуміти логіку роботи алгоритму позиціонування; надано рекомендації щодо вибору компонентів приводу, адаптації алгоритму позиціонування та вимог до технічного обслуговування приводу, що дозволить забезпечити максимальну продуктивність приводу в конкретних умовах експлуатації. | |
| dc.description.abstractother | Li Qiang. Discrete electrohydraulic positioning actuator with software control. – Qualification scientific work as a manuscript. The thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy (Ph.D.) in specialty 131 Applied Mechanics. – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2024. In recent years, electrohydraulic positioning actuators, which are widely used in construction, road and agricultural machines, have attracted close attention from researchers. The main functional property of such actuators is to ensure that the working body moves to the target position according to the given program. Currently, the known and widespread technical solutions for electrohydraulic positioning actuators have many disadvantages. Electrohydraulic positioning actuators with servo or proportional valves are expensive and require high operating stability and cleanliness of the working fluid. Electrohydraulic positioning actuators with digital valves do not allow for large flow rates due to the limitation of the spool's working frequency, which limits the speed of the working body and has poor speed controllability. There are other technical solutions for electrohydraulic positioning actuators which have limited applications. Examples include positioning actuators with multi-position valve or multi-window cylinder, positioning actuators with distributor, or actuators with multiple internal or external chambers. Although they have certain superior properties, they also have disadvantages such as low positioning accuracy, slow positioning speed, rough discreteness, slow positioning process, and limited positioning range. Therefore, it is valuable to develop a low-cost programmable electrohydraulic position actuator with discrete action, which is capable of performing positioning motion of large mass with the programmable discretization and a high working speed. In this thesis, a discrete electro-hydraulic positioning actuator with the set of desired properties are developed and its working process is deeply studied. The thesis is organized into five chapters and the main contents and results of each chapter are given below. In the introduction, the relevance of the thesis topic is justified, the aims and tasks of the study are defined, the research methodology is given, the scientific novelty and practical values of the obtained results are stated, and the recognition of the study work is demonstrated. In the first chapter the technical solutions of electrohydraulic positioning actuators and the practical problems to be solved are analyzed, and the fields of application, general structure and characteristics of electrohydraulic positioning actuators are indicated. Based on the analysis of known electrohydraulic positioning actuators, the main types of their technical solutions are revealed, the application effectiveness is analyzed, and their advantages and disadvantages are pointed out. The goal and tasks of this thesis work are formulated on this basis. In the second chapter the basis for the development of positioning actuator with the set of desired properties is formed, and the main properties of positioning actuators are indicated, as well as four main positioning methods and the properties of the actuators that they determine are revealed. The factors affecting the properties of the actuators are determined and a quantitative assessment of their influence is carried out, taking into account the positioning methods. With a maximum total score of 30, higher scores are obtained based on the positioning methods M1 (analog control of fluid supply to reach the preset position) and M2 (discrete control the time of fluid supply to reach the preset position) with 20 and 24 scores, respectively. The relationship between the structure of electrohydraulic positioning actuators and their properties is revealed. Based on a deeper understanding of the specified relationship, the direction of development of the structural solution for a electrohydraulic positioning actuator with the set of desired properties is determined. A mathematical model of the electrohydraulic positioning actuator is established, which is characterized by a modular organization considering the nonlinear friction sub-model LuGre, as well as as the asymmetry of the hydraulic cylinder. The correctness of the developed mathematical model was confirmed by comparing the simulation and physical experimental results. The accuracy of the developed mathematical model was evaluated using the root mean square error (RMSE) and the relative root mean square error (RRMSE). For the displacement of the working body RMSE = 0.694 mm and RRMSE does not exceed 1%, which corresponds to the accuracy class of the model as "excellent". For the velocity of the working body RMSE = 0.069 m/s and RRMSE less than 17.5%, which corresponds to the accuracy class of the model as "good". In the third chapter the potential performance of the actuator with discrete control method is researched, and the significance of the braking process for the discrete positioning actuator is justified. Furthermore, the study methodology is provided. The results of the simulation study show that the braking time and the maximum pressure in the hydraulic cylinder chambers depend strongly on the velocity of the working body and the inertial load. The quantitative dependencies of the braking time and maximum pressure on the velocity and inertial load of the working body are determined in the case of zero response time of the spool, where the velocity ranges from 0.311 m/s to 1.228 m/s and the inertial mass ranges from 17 to 57 kg. It is revealed that the valve spool response time has a significant influence on the braking process. It is shown that as the spool response time increases, the braking time and the maximum pressure and the level of pressure fluctuation in the hydraulic cylinder chambers decreases significantly. With a considerable increase in spool response time, this leads to an increase in braking time instead. The study of the braking process under various parameters and operating conditions of the actuator allowed to determine the quantitative relationship and the dependence characteristics of the braking time and the maximum pressure, where the range of the variables was as follows: the initial braking speed from 0.311 to 1.228 m/c; the inertial mass from 17 to 57 kg; the spool response time from 0 to 0.05 s; the effective area ratio of the left and right of the piston 0.4, 0.5, 1.64, 2.0, 2.5; and hydraulic pump outlet pressure from 2.5 to 12.5 MPa. In the fourth chapter the development steps of a discrete electrohydraulic positioning actuator with software control are introduced. The scheme of the discrete electro-hydraulic positioning actuator is proposed and justified, and an innovative new scheme of a programmable adjustable throttle valve is proposed. A two-stage positioning algorithm for the positioning process of a discrete electrohydraulic positioning actuator is developed. The characteristics that reflect the performance of the positioning process are defined, which include positioning accuracy (positioning error), positioning process time, and permissible maximum positioning speed. The effectiveness of the developed technical solution and the proposed two-stage positioning algorithm is confirmed by simulation experiments in the Simulink environment, in which the positioning accuracy is improved more than 11 times, the velocity of the working body is increased by more than 1.9 times, as well as the positioning process time is reduced by more than 1.3 times. In the fifth chapter the design methodology and recommendations for controlling a discrete actuator are given, as well as the output data and expected characteristics of the actuator with the set of desired properties. The calculation methodology is formulated for the parameters of the main components, including the asymmetric double-acting hydraulic cylinder, the three-position four-way solenoid valve and the programmable adjustable throttle valve. A block diagram of the positioning algorithm is given to provide a deeper understanding of the logic of the positioning algorithm. Recommendations are provided for the selection of the actuator’s components, adaptation of the positioning algorithm and maintenance requirements to ensure maximum performance under specific operating conditions. | |
| dc.format.extent | 193 с. | |
| dc.identifier.citation | Лі Цян. Електрогідравлічний позиційний привід дискретної дії з програмним керуванням : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Лі Цян. – Київ, 2024. – 193 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/70977 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | Мехатронні системи | |
| dc.subject | електрогідравлічний лінійний привід | |
| dc.subject | клапан | |
| dc.subject | дискретна дія | |
| dc.subject | дросельне керування | |
| dc.subject | дозування | |
| dc.subject | структура | |
| dc.subject | система програмного керування | |
| dc.subject | алгоритм керування | |
| dc.subject | розрахунок | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | позиціонування | |
| dc.subject | перехідні процеси | |
| dc.subject | динамічні характеристики | |
| dc.subject | закон руху | |
| dc.subject | Mechatronic systems | |
| dc.subject | electrohydraulic linear actuator | |
| dc.subject | valve | |
| dc.subject | discrete action | |
| dc.subject | throttle control | |
| dc.subject | dosing | |
| dc.subject | structure | |
| dc.subject | program control system | |
| dc.subject | control algorithm | |
| dc.subject | calculation | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | positioning | |
| dc.subject | transient processes | |
| dc.subject | dynamic characteristics | |
| dc.subject | motion law | |
| dc.subject.udc | 621.9.62-92 | |
| dc.title | Електрогідравлічний позиційний привід дискретної дії з програмним керуванням | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Li Qiang_dys.pdf
- Розмір:
- 14.32 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: