Устройство синхронной подачи гидроцилиндров рабочего органа

 

Использование: при моделировании пространственного движения в авиастроении, судостроении, машиностроении. Сущность изобретения: в устройстве синхронного перемещения гидроцилиндров каждый из них соединен с датчиком положения его штока, выход каждого суммирующего элемента соединен с регулятором, входы блока вычислений координат рабочего органа соединены с блоком формирования параметрического коэффициента и с выходами блока вычисления приращений длин гидроцилиндров, а выходы с входами элемента селекции максимального сигнала рассогласования, выход которого соединен с первыми входами пороговых элементов, подключенных вторыми входами к выходам регуляторов, а выходами к гидроусилителям. 5 ил.

Изобретение относится к системам управления пространственными многосвязными исполнительными механизмами и может быть использовано в средствах контроля и управления, обеспечивающих их синхронную работу.

В настоящее время все более широкое применение находят многостепенные динамические стенды для полунатурного моделирования сложного движения в пространстве и на местности [1, с. 201-208] [2, с. 1-7] В качестве исполнительных механизмов в этих стендах используются синхронно работающие следящие гидроприводы. Многостепенные стенды имеют несколько степеней свободы (как правило, до 6) как, например, в стенде, имитирующем пространственное движение космических аппаратов при стыковке [1] (фиг.1), в котором рабочий орган стенда 1 (многостепенная подвижная платформа МПП) с установленным на нем стыковочным агрегатом 2 перемещается с помощью гидроцилиндров 3 по Х (вертикальное перемещение), в направлении Y и Z (поперечное перемещение), имеет вращение вокруг оси Х (угол ϕ), вращение вокруг оси Y (угол j) и вращение вокруг оси Z (угол q). Перемещение МПП в пространстве по соответствующим координатам обеспечивается подачей на исполнительные механизмы синхронно, но с разными амплитудами управляющих сигналов, определяющих в конечном итоге пространственное положение МПП.

Известен ряд устройств для синхронизации гидроцилиндров, например [3] [4] Известные устройства обеспечивают синхронную работу гидроцилиндров, сводя к минимуму разницу в длинах штоков гидроцилиндров.

Известен также способ синхронной подачи гидроцилиндров рабочего органа проходческого щита [5] и устройство, его реализующее, в котором производится измерение положения каждого цилиндра относительно базовой точки. Следует отметить, что название изобретения суживает область его применения, т.к. оно с успехом может быть применено для синхронизации нескольких гидроцилиндров в различных областях техники, например, в прокатных станах.

Данное устройство наиболее близко по технической сути и принято аз прототип. Функциональная схема устройства приведена на фиг.2. Устройство содержит рабочий орган 1, соединенный с датчиком положения рабочего органа 6 и со штоками гидроцилиндров 3, каждый из которых соединен с датчиком положения его штока 4, вторые входы которых соединены с выходом датчика 6. Выходы датчиков положения штоков 4 через фазочувствительные элементы 5 соединены с входами элемента селекции максимального сигнала рассогласования 7 и с первыми входами суммирующих элементов 10, вторые входы которых соединены с выходами порогового элемента 8, соединенного одним входом с блоком управления 9, а другим входом с выходом элемента 7. Выходы же суммирующих элементов 10 через последовательно соединенные регуляторы 11 и гидроусилители 12 соединены с гидроцилиндрами 3.

Недостатком известного решения является невозможность управления пространственным положением рабочего органа и, соответственно, обеспечения в этом случае, синхронной работы гидроцилиндров, т.к. в известном решении синхронная работа гидроцилиндров обеспечивается только при их одинаковых длинах.

Техническим результатом изобретения является обеспечение синхронной работы гидроцилиндров при управлении пространственным положением рабочего органа, при этом расширяются функциональные возможности схемы управления, так как согласно изобретению управление рабочим органом может производится как по одной, так и по нескольким координатам одновременно: обеспечивается надежность процесса испытаний, так как зона предельных углов наклона рабочего органа контролируется; повышается информативность процесса испытаний, так как обеспечивается поступление дополнительной информации в темпе испытаний.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее гидроцилиндры, соединенные с рабочим органом, и датчик положения рабочего органа, при этом каждый гидроцилиндр соединен с датчиком положения его штока и подключен к выходу гидроусилителя соответственно, выход каждого суммирующего элемента соединен с соответствующим регулятором, а также пороговые элементы, элемент селекции максимального сигнала рассогласования и блок управления, введены блок вычисления среднего значения длины гидроцилиндра, блок вычисления приращений длин гидроцилиндров, блок формирования параметрического коэффициента и блок вычисления координат рабочего органа, при этом входы блока вычисления среднего значения длины гидроцилиндра одновременно соединены с выходами датчиков положения штоков и с соответствующими входами блока вычисления приращений длин гидроцилиндров, выход блока вычисления среднего значения длины гидроцилиндра одновременно соединен с информационным входом блока вычисления приращений длин гидроцилиндров и через блок формирования параметрического коэффициента соединен с первым входом блока вычисления координат, другие входы которого соединены с соответствующими входами блока вычисления приращений длин гидроцилиндров, выходы блока вычисления координат соединены с входами элемента селекции максимального сигнала рассогласования, выход которого соединен с первыми входами пороговых элементов, подключенных вторыми входами к выходам регуляторов, а выходами к гидроусилителям, выходы датчика положения рабочего органа соединены с входами блока управления, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих суммирующих элементов, вторые входы которых, в свою очередь, соединены с выходами датчиков положения штоков гидроцилиндров.

Получение результата достигается за счет специально разработанного алгоритма вычисления координат рабочего органа и его реализации. Основой алгоритма вычисления координат является линеаризованная математическая модель рабочего органа. Используя разработанную математическую модель, функциональные зависимости угловых положений рабочего органа j f(x) и q f(x), информацию с датчиков положения штоков гидроцилиндров, удалось построить средство измерения и контроля координат рабочего органа, работающее с высокой скоростью (время определения координат составляет несколько микросекунд) и с приемлемыми точностными характеристиками (погрешность не более 5 на краях диапазона при степенной зависимости значения ошибки от координаты).

Сущность предлагаемого решения поясняется следующими выкладками. Уравнения, определяющие связь между координатами МПП и длинами управляющих гидроцилиндров даны в [6] С целью упрощения эти уравнения могут быть представлены рядом Тейлора. Тогда для смещенного положения МПП при линеаризованном представлении запишем длину гидроцилиндра l_i.

где i 1 6 количество гидроцилиндров, l_i0 l₁₀ l₆₀ длина гидроцилиндра при перемещении МПП только по координате Х и равная где x^*_вi координаты верхних шариков гидроцилиндров в неподвижной системе координат; y_вi, z_вi координаты верхних шариков гидроцилиндров в подвижной системе координат, связанной с центром платформы (постоянные величины); x_нi, y_нi, z_нi координаты нижних шарниров в неподвижной системе координат (также постоянные величины), причем x_нi x_н1 x_н6 x₀. X, Y, Z координаты МПП при управлении в продольном (Х) и поперечном (Y, Z) напpавлениях Θ, Ψ, ϕ углы тангажа, pысканья и кpена.

Подставляя в (1.1) значения координат шарниров гидроцилиндров и заменяя производную по соответствующей координате на приращение, получаем выражение для вычисления длины i-го гидроцилиндра.

где k_ij коэффициенты i-го гидроцилиндра при управлении по j-й координате, полученные в результате вычисления частных производных для X X_o, Y 0, Z 0, Θ = 0, Ψ = 0, ϕ = 0..

Выделим приращение длины i-го гидроцилиндра Δl_i в (1.3) Системе уравнений (1.4) соответствует матричное уравнение где

Решая методом Гаусса систему уравнений (1.6) путем последовательного исключения неизвестных и проводя соответствующие преобразованием, имеем

где коэффициенты а₁, а₂, b₁, b₂, c₁, c₂, c₃, d₁, d₂, d, e₁, e₁ находятся путем подстановки значений y_вi, z_вi, x_нi, y_нi, z_нi.

Решая совместно (1.7) при известных длинах гидроцилиндров l_i0 и зная l₀ находим, например, угол Θ

Аналогично находится и угол Ψ,, а при необходимости и остальные координаты. Для нахождения углов необходимо знать l₀. Известно, что условием параллельности какого-либо параметра соответствующей координате является равенство нулю его производной, т.е. например

В свою очередь, учитывая, что производная конечного числа функций равна сумме производных слагаемых, имеем, например, для управления по координате Θ

Следовательно, нахождение l₀ теперь не вызывает затруднений, т.к.

Вычисление и контроль углов наклона МПП во всем диапазоне изменения координаты Х в соответствии с (1.8) требует реализации выражения l₀/(X x₀). В связи с однозначным соответствием параметров l₀ и Х (см.1.2) достаточно знать вид зависимости l f(X) и по известным l₀ получить k_р f(l₀/X x₀)). График этой зависимости (параметрический коэффициент) для конкретной геометрии МПП приведен на фиг.3 и может быть аппроксимирован с помощью полевого транзистора.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.4, где блоки 1-3, 5-12 выполняют функции и имеют те же обозначения, что и на фиг.2; 13 блок вычисления среднего значения длины гидроцилиндра, 14 блок вычисления приращений длин гидроцилиндров, 15 блок формирования параметрического коэффициент k_p, 16 блок вычисления координат рабочего органа.

Принципиальная схема блоков 13, 14, 15 и 16 и связи между ними приведены на фиг. 5. Реализация дана для одного канала, т.к. оба канала идентичны и отличаются только значениями коэффициентов k_ij.

Входы блока вычисления среднего значения длины гидроцилиндра 13, построенного на операционном усилителе (ОУ) 17, через резисторы 18-19 соединены с инверсным входом ОУ, резистор обратной связи 20 которого включен между инверсным входом ОУ и его выходом. Блок вычисления приращений длин гидроцилиндров 14 представляет собой шесть идентичных каналов, каждый из которых построен на ОУ 21 (22), входные резисторы которого 23, 24 (26, 28) соединены с инверсным входом ОУ 21 (22), а резистор обратной связи 25 (27) включен между инверсным входом ОУ и его выходом. Блок вычисления координат рабочего органа 16 имеет на входе шестивходовый сумматор 29 на ОУ к инверсному входу которого подключены резисторы 30-32, а резистор обратной связи 31 включен между инверсным входом ОУ и его выходом. Инверсные входы ОУ 33 и ОУ 34 через резисторы 35 и 36, соответственно, соединены с выходом ОУ 29. Одновременно инверсный вход ОУ 33 через последовательно соединенные резисторы 38 и 39 соединен с инверсным входом ОУ 34, выход которого через резистор 40 также соединен с инверсным входом ОУ 34. Инверсный вход ОУ 33 через последовательно соединенные резистор 37 и включенные в прямом направлении диоды 41 и 42 соединен со средней точкой делителя, образованного резисторами 38 и 39, при этом анод диода 42 соединен с выходом ОУ 33. Блок формирования параметрического коэффициент k_p 15 содержит на входе буферный усилитель 43 на ОУ и транзистор 44, затвор которого соединен с движком потенциометра 45, включенного между входом ОУ и землей. Сток транзистора 44 соединен с выходом ОУ 34, а исток через резистор 46 соединен с инверсным входом ОУ 34.

Устройство работает следующим образом.

После подвода по командам от блока управления 9 МПП с установленным на ней стыковочным устройством до контакта с ответным стыковочным устройством, через многокомпонентный датчик положения 6 замыкается контур обратной связи. Датчиком положения является многокомпонентный тензорезистор (многокомпонентный тензорезистор выполнен аналогично применяемым в робототехнике) [7] сигналы, с которого поступают в блок управления 9, например, ЭВМ, где решаются уравнения относительного движения стыкуемых объектов. В соответствии с результатами решения блок 9 формирует управляющие сигналы на гидроцилиндры 3 таким образом, чтобы обеспечивалось пространственное перемещение МПП. Зона возможных перемещений в пространстве ограничена ходом штоков гидроцилиндров и углами Ψ и Θ наклона плоскости МПП к горизонтальной плоскости (угол наклона МПП опасен, когда плоскость МПП совпадает с осью одного из гидроцилиндров). Моделирование процессов стыковки космических аппаратов реализуется для самых различных начальных условий (задаются начальные скорости и углы сближения космических аппаратов) с тем, чтобы определить границы работоспособности стыковочных устройств. Подобные испытания характеризуются значительной неопределенностью и далеко не всегда заканчиваются стыковкой. При отсутствии стыковки после контакта происходит отход МПП под воздействием управляющих сигналов от ЭВМ. МПП при этом теряет контакт с ответным СТУ, а следовательно и с датчиком 6. Отход платформы может сопровождаться выходом на предельные углы j, Θ и потерей управления. Подобные ситуации могут возникать и на этапе подвода МПП при ошибках операторов, либо при отказах оборудования на этапах подготовки и проведения испытаний. Область синхронной работы гидроцилиндров определяется кинематической схемой стенда и для каждой координаты (кроме вертикальной Х) близка к эллипсоиду вращения, большая ось которого совпадает с осью Х (фиг.1).

Сигналы с датчиков положения штоков гидроцилиндров 4, пропорциональные длинам гидроцилиндров поступают на многовходовый сумматор 17, реализованный на ОУ в блоке 13 с соответствующими значениями резисторов 18, 19 и 20, где вычисляется l₀ в соответствии с (1.9). В блоке 14 на каждом из ОУ 21-22 вычисляются приращения длины Dl_i соответствующего гидроцилиндра согласно (1.4), при этом резисторы 23-28 равны между собой. В блоке 16 на многовходовом сумматоре на ОУ 29 происходит суммирование Δl_i с соответствующими знаками и значениями k_ij, определяемыми соотношением резисторов 31 и 30, 31 и 32 и отражающими конкретные значения координат верхних и нижних шарниров гидроцилиндров и вычисление, таким образом, соответствующей координаты Ψ либо Θ для фиксированного значения Х. С целью упрощения схемного построения вычисляется модуль соответствующего угла с использованием прецизионного выпрямителя на ОУ 33 и 34, работу которого определяют резисторы 35-40 и диоды 41, 42 (принцип работы и назначение элементов схемы прецизионного выпрямителя изложены, например, в [8] а управление знаком полярности угла при необходимости осуществляется с выходом ОУ 33. Формирование параметрического коэффициента K_p, позволяющего вычислять координаты j и Θ во всем диапазоне изменения координаты Х в соответствии с графиком фиг.3 осуществляется в блоке 15, реализованном на буферном усилителе 43 и транзисторе 44, рабочий режим которого устанавливается с помощью потенциометра 45 и балластного резистора 46, определяющего вместе с транзистором 44 и резистором 40 значение коэффициента обратной связи ОУ 34. В случае превышения любым из углом j либо q допустимого значения элемент 7 выдает команду на пороговые элементы 8, блокирующие подачу гидрожидкости и не допуская самопроизвольного движения штоков гидроцилиндров, чтобы не вызвать дальнейшего увеличения опасного угла.

График погрешности пpедлагаемого устройства имеет квадратичную зависимость, достигая значения 5 на краях диапазона ($E+->16^o) и близкой к нулю (доли процента) в начале координат. Это позволяет, имея уставку ±20^o не ограничивать зон стыковки космических аппаратов (±16^o) и уверенно упреждать аварийные ситуации, возникающие при достижении МПП опасных углов (±30^o). Предлагаемое устройство обладает быстродействием менее 0,01 мс, что существенно выше (по крайней мере на порядок), чем при реализации подобного алгоритма на цифровых вычислительных средствах. Применение устройства обеспечивает автономную работу МПП во всех режимах управления, в том числе и при автономных процедурах, например, управлении МПП в разомкнутом контуре при определении амортизационных характеристик стыковочных агрегатов, где предлагаемое устройство, осуществляя непрерывный контроль за угловым положением МПП, одновременно работает как измеритель координат.

Формула изобретения

Устройство синхронного перемещения гидроцилиндров рабочего органа, содержащее гидроцилиндры, соединенные с рабочим органом, и датчик положения рабочего органа, при этом каждый гидроцилиндр соединен с датчиком положения его штока и подключен к выходу гидроусилителя соответственно, выход каждого суммирующего элемента соединен с соответствующим регулятором, а также пороговые элементы, элемент селекции максимального сигнала рассогласования и блок управления, отличающееся тем, что оно снабжено блоком вычисления среднего значения длины гидроцилиндра, блоком вычисления приращений длин гидроцилиндров, блоком формирования параметрического коэффициента и блоком вычисления координат рабочего органа, при этом входы блока вычисления среднего значения длины гидроцилиндра одновременно соединены с выходами датчиков положения штоков и соответствующими входами блока вычисления приращений для гидроцилиндров, выход блока вычисления среднего значения длины гидроцилиндра одновременно соединен с информационным входом блока вычисления приращений длин гидроцилиндров и через блок формирования параметрического коэффициента соединен с первым входом блока вычисления координат, другие входы которого соединены с соответствующими выходами блока вычисления приращений длин гидроцилиндров, выходы блока вычисления координат соединены с входами элемента селекции максимального сигнала рассогласования, выход которого соединен с первыми входами пороговых элементов, подключенных вторыми входами к выходам регуляторов, а выходами к гидроусилителям, выходы датчика положения рабочего органа соединены с входами блока управления, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих суммирующих элементов, вторые входы которых соединены с выходами датчиков положения штоков гидроцилиндров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5