Materialul feromagnetic dintr-un motor electric se saturează la un anumit nivel al densității fluxului magnetic (și al curentului electric, care generează câmpul magnetic). Aceasta limitează raportul cuplu/masă obținut de la un motor electric. Actuatoarele hidraulice utilizează puterea hidraulică a unui lichid sub presiune. Deoarece se pot utiliza presiuni ridicate (de ordinul a 5000 psi), actuatoarele hidraulice sunt capabile să furnizeze forțe (și cupluri) foarte mari la nivele de putere foarte mari simultan la mai multe locații de acționare într-o manieră flexibilă. Limita de forță a unui actuator hidraulic poate fi de un ordin de mărime mai mare decât cea a unui actuator electromagnetic. Aceasta duce la raporturi de cuplu/masă mai mari decât cele disponibile la motoarele electrice, în special la un nivel mare de cuplu și putere. Acesta este avantajul principal al actuatoarelor hidraulice. Rețineți că masa actuatorului considerată aici este masa elementului de acționare final, neincluzând dispozitive auxiliare, ca cele necesare pentru presurizare și depozitarea fluidului. Un alt avantaj al unui actuator hidraulic este că este destul de rigid când este privit din partea sarcinii. Acest lucru se datorează faptului că un mediu hidraulic este mai rigid din punct de vedere mecanic decât un mediu electromagnetic. În consecință, câștigurile de control necesare într-un sistem de control hidraulic de mare putere ar fi semnificativ mai mici decât câștigurile necesare într-un sistem de control electromagnetic (motor) comparabil. Rețineți că rigiditatea unui actuator poate fi măsurată prin panta curbei viteză-cuplu (forță) și este reprezentativă pentru viteza de răspuns (sau lățimea de bandă).

Există și alte avantaje ale sistemelor de putere cu fluide. Motoarele electrice generează căldură. Atunci, în funcționare continuă, problemele termice pot fi serioase și vor fi necesare mijloace speciale de îndepărtare a căldurii. Însă, într-un sistem de putere cu fluide, orice căldură generată la sarcină poate fi rapid transferată într-o altă locație departe de sarcină, de către fluidul hidraulic în sine și îndepărtată eficient cu ajutorul unui schimbător de căldură. Un alt avantaj al sistemelor de putere cu fluide este că acestea se auto-lubrifiază și, prin urmare, frecarea în supape, cilindri, pompe, motoare hidraulice și alte componente ale sistemului va fi scăzută și nu va necesita lubrifiere externă. De asemenea, considerațiile de siguranță vor fi mai puțin întrucât; de exemplu, nu există posibilitatea producerii de scânteie ca în motoarele cu mecanisme cu perie. Există ți câteva dezavantaje. Sistemele de putere cu fluide sunt mai neliniare decât sistemele de acționare electrice. Motivele pentru aceasta includ neliniaritățile supapei, frecarea fluidelor, compresibilitatea, efectele termice și relațiile constitutive, în general neliniare. Scurgerea poate crea probleme. Sistemele de putere cu fluide tind să fie mai zgomotoase decât motoarele electrice. Sincronizarea operațiilor cu multi-actuatori poate fi și ea mai dificilă. De asemenea, când sunt incluse accesoriile necesare, sistemele de putere cu fluid sunt în general mai scumpe și mai puțin portabile decât sistemele de acționare electrice.

Sistemele de putere cu fluid cu dispozitive de control analogice au fost utilizate în aplicațiile inginerești încă din anii 40. În anii '80 au fost dezvoltate controllere, bazate pe microprocesor și hardware, mai mici, mai sofisticate și mai puțin costisitoare, făcând ca sistemele de control al energiei fluide să fie la fel de sofisticate, precise, rentabile și versatile ca sisteme de control electromecanice. Astăzi, sistemele de putere cu fluid în miniatură, cu control digital avansat și electronice, sunt utilizate în numeroase aplicații de mecatronică, concurând direct cu sisteme avansate de control DC și AC. De asemenea, dispozitivele logice bazate pe „fluidice” sau dispozitivele logice cu fluid sunt preferate electronicii digitală în unele tipuri de aplicații industriale. Aplicațiile sistemelor de putere cu fluid includ sisteme de direcție și frânare a vehiculelor, sisteme de suspensie activă, dispozitive de manipulare a materialelor, și manipulatoare mecanice industriale, cum ar fi elevatoarele, roboții industriali, laminoarele, presele grele, actuatoarele pentru suprafețele de control a aeronavelor (eleroane, cârme și ascensoare), excavatoare, actuatoare pentru deschiderea și închiderea podurilor, mașini de sfredelit tunel, mașini de prelucrarea alimentelor, mașini de turnare prin injecție cu reacție (RIM), mașini de testare dinamică, agitatori pentru structuri și componente, mașini-unelte, construcții de nave și elice dinamice, fundaluri de scenă și structuri în teatre și auditorii.

7.6.1 Componente ale unui sistem de control hidraulic

O diagramă bloc a unui sistem de control hidraulic de bază este prezentată în figura 7.40a. În figura 7.40b este prezentată o vedere a unui sistem practic de alimentare cu fluide. Lichidul hidraulic (uleiul) este presurizat cu ajutorul unei pompe, care este acționată de un motor AC. Lichidele tipice utilizate sunt uleiurile minerale sau uleiul în emulsii de apă. Aceste fluide au proprietățile dezirabile de auto-lubrifiere, rezistență la coroziune, proprietăți termice bune, rezistență la foc, prietenoase cu mediul și compresibilitate redusă (rigiditate ridicată pentru o lățime de bandă bună). Rețineți că motorul convertește puterea electrică în putere mecanică, iar pompa convertește puterea mecanică în energie fluidică. În termeni de perechi de variabile through și across, aceste conversii de putere pot fi exprimate ca:

FIGURA 7.40 (a) Schema unui sistem de control hidraulic;
(b) un sistem de alimentare cu fluid industrial

în notația obișnuită. Eficiența de conversie ηm a unui motor este de obicei foarte ridicată (peste 90%), în timp ce eficiența ηh unei pompe hidraulice nu este la fel de bună (aproximativ 60%), în principal din cauza efectelor de disipare, scurgere și compresibilitate. În funcție de capacitatea pompei, debitele pot fi cuprinse între 1.000 și 50.000 gallons pe minut (Notă: 1 gal/min = 3,8 L/min) și pot fi obținute presiuni de la 500 la 5.000 psi (Notă: 1 kPa = 0,145 psi). Presiunea fluidului din pompă este reglată și stabilizată de o supapă relief și un acumulator.

O supapă hidraulică asigură o alimentare controlată de fluid în actuator, controlând atât debitul (inclusiv direcția), cât și presiunea. În controlul cu feedback, această supapă utilizează semnale de răspuns (mișcare) sesizate de la sarcină pentru a obține răspunsul dorit, de unde și numele servovalve. De obicei, servovalva este acționată de un servomotor electric, cum ar fi un motor de cuplu sau un solenoid proporțional, care, la rândul său, este acționat de ieșirea dintr-un servo-amplificator.

Servo-amplificatorul primește o comandă de intrare de referință (corespunzătoare poziției dorite a sarcinii), precum și un răspuns măsurat al sarcinii (în feedback). Circuitul de compensare poate fi utilizat atât pe căile de feedback cât și pe cele directe pentru a modifica semnalele astfel încât să obțină acțiunea de control dorită. Actuatorul hidraulic (tipic un dispozitiv piston-cilindru pentru mișcări rectilinii sau un motor hidraulic pentru mișcări rotative) convertește puterea fluidului în putere mecanică, care este disponibilă pentru a efectua sarcini utile (adică pentru a acționa o sarcină). Rețineți că în acest stadiu se pierde o anumită putere din fluid. Lichidul cu presiune joasă de la scurgerea servovalvei hidraulice este filtrat și returnat în rezervor și este disponibil pentru pompă.

S-ar putea susține că, deoarece puterea necesară pentru a acționa sarcina este mecanică, ar fi mult mai eficient să folosiți un motor direct pentru a acționa acea sarcină. Există, totuși, motive întemeiate pentru utilizarea energiei hidraulice. De exemplu, motoarele AC sunt de obicei greu de controlat, în special în condiții de sarcină-variabilă. Eficiența lor poate scădea rapid atunci când viteza se abate de la viteza nominală, în special atunci când se utilizează controlul cu tensiune.

Au nevoie de mecanisme de angrenare pentru operarea la viteză mică, cu probleme asociate, cum ar fi efectele de recul, frecare, vibrații și efectele de încărcare mecanică. Dispozitive speciale de cuplare sunt, de asemenea, necesare. Dispozitivele hidraulice, de obicei, filtrează zgomotul de înaltă frecvență, ceea ce nu este cazul motoarelor AC. Astfel, sistemele hidraulice sunt ideale pentru aplicații de control de mare putere, cu forță mare. În aplicațiile de putere mare, pentru a presuriza fluidul se poate folosi o singură pompă de mare capacitate sau mai multe pompe. Mai mult, în aplicațiile de putere redusă, mai multe sisteme de servovalve și de acționare pot fi operate pentru a efectua diferite sarcini de control într-un mediu de control distribuit folosind aceeași sursă de fluid sub presiune. In acest sens, sistemele hidraulice sunt foarte flexibile. Sistemele hidraulice asigură o capacitate excelentă viteză-forță (sau cuplu), variabilă pe o gamă largă de viteze, fără a afecta în mod semnificativ eficiența conversiei de putere, deoarece excesul de fluid de înaltă-presiune este deviat către linia de retur. În consecință, actuatoarele hidraulice sunt mult mai controlabile decât motoarele AC.

Așa cum s-a menționat anterior, actuatoarele hidraulice au un avantaj față de acționările electromagnetice din punct de vedere al caracteristicilor de transfer de căldură. Mai exact, fluidul hidraulic transportă imediat orice căldură generată local și o eliberează printr-un schimbător de căldură într-o locație departe de actuator.

7.6.2 Pompe și motoare hidraulice

Obiectivul unei pompe hidraulice este de a furniza ulei sub presiune unui actuator hidraulic. Trei tipuri comune de pompe hidraulice sunt

1. Pompă cu palete
2. Pompă cu angrenaj
3. Pompă cu piston axial

FIGURA 7.41 O pompă hidraulică cu palete

Tipul de pompă utilizat într-un sistem de control hidraulic nu este foarte semnificativ, cu excepția capacității pompei, în raport cu funcțiile de control ale sistemului. Dar, deoarece motoarele hidraulice pot fi interpretate ca pompe care operează în sens invers, este instrucțional să conturați funcționarea acestor trei tipuri de pompe.

O pompă cu paletă tip-glisantă este prezentată schematic în figura 7.41. Paletele glisează în interiorul carcasei în timp ce se rotesc cu rotorul pompei. Ele se pot deplasa în fante radiale pe rotor, menținând astfel un contact complet între palete și carcasă. Pentru menținerea acestui contact pot fi utilizate arcuri sau lichidul hidraulic sub presiune în sine. Rotorul este montat excentric în interiorul carcasei. În prima jumătate a ciclului de rotație, fluidul este atras în portul de intrare, ca urmare a creșterii volumului între perechile de palete pe măsură ce se rotesc. În a doua jumătate a ciclului de rotație, volumul de ulei prins între două palete este comprimat din cauza volumului descrescător al compartimentului de palete. Rețineți că o creștere a presiunii va rezulta din împingerea volumului de lichid în partea de înaltă-presiune și de a nu-i permite revenirea la partea de joasă-presiune a pompei, chiar și atunci când nu există o compresibilitate semnificativă în lichid atunci când se deplasează de la partea de joasă-presiune spre partea de înaltă-presiune. Presiunea de operare tipică (la portul de ieșire) al acestor dispozitive este de aproximativ 2000 psi (13,8 MPa). Presiunea de ieșire poate fi variată prin reglarea excentricității rotorului deoarece aceasta modifică volumul compartimentului în timpul unui ciclu. Un dezavantaj al oricărui dispozitiv rotativ cu excentricitate este forța centrifugă care generată chiar în timp ce se rotește la viteză constantă. Pentru a reduce această problemă este necesară echilibrarea dinamică.

Operarea unei pompe hidraulice cu angrenaj-extern (sau simplu o pompă de angrenare) este ilustrată în figura 7.42. Cele două angrenaje identice sunt angrenate extern. Portul de intrare se confruntă cu regiunea de aspirare a angrenajului. Fluidul este atras și prins între perechile de dinți din fiecare angrenaj în rotație. Acest volum de fluid este transportat de către cele două roți dințate în regiunea de angrenare de la ieșirea pompei. Aici suferă o creștere a presiunii, ca în pompa cu palete, ca urmare a forțării lichidului în partea de înaltă-presiune. Doar o presiune moderată până la mică poate fi realizată prin pompe cu angrenare (aproximativ 1000 psi sau 7 MPa, maxim), deoarece modificările de volum care au loc în regiunile de aspirare și de ieșire sunt mici (spre deosebire de pompele cu palete) și pentru că scurgerile de fluid între dinți și carcasă pot fi considerabile. Însă, pompele cu angrenaje sunt dispozitive robuste și cu costuri reduse și sunt probabil cele mai utilizate pompe hidraulice.

FIGURA 7.42 O pompă hidraulică cu angrenaj

O diagramă schematică a unei pompe hidraulice cu piston axial este prezentată în figura 7.43. Capul cilindric de pompă (chamber barrel) este fixat rigid de arborele de antrenare. Cele două pistoane însăși se rotesc cu capul cilindric, dar deoarece saboții (shoes) de capăt ai pistoanelor alunecă în interiorul unei fante înclinate (oblică), care este staționară, pistoanele suferă simultan o mișcare reciprocă și în direcția axială. Când o deschidere a camerei ajunge la portul de intrare al carcasei pompei, fluidul este atras din cauza volumului crescând între capul pistonului și cameră. Acest fluid este captat și transportat la portul de ieșire în timp ce este supus compresiei ca urmare a scăderii volumului în interiorul camerei, datorită mișcării axiale a pistonului. Presiunea fluidului crește în acest proces. Presiuni mari de ieșire (4000 psi, 27,6 MPa sau mai mult) se pot realiza folosind pompe cu piston. Așa cum se arată în figura 7.43, cursa pistonului poate fi crescută prin creșterea unghiului de înclinare a plăcii de cursă (fantă). La rândul său, crește raportul de presiune al pompei. Un mecanism cu pârghie este de obicei disponibil pentru a regla cursa pistonului. Pompele cu piston sunt relativ scumpe.

Eficiența unei pompe hidraulice este dată de raportul dintre puterea fluidului de ieșire și puterea mecanică a motorului; prin urmare,

unde
P = creșterea presiunii în fluid
Q = debitul de fluid
ω = viteza de rotire a pompei
T = cuplul de antrenare la pompă

FIGURA 7.43 O pompă hidraulică cu piston axial

7.6.3 Supape hidraulice

Supapele cu fluid pot îndeplini trei funcții de bază:

1. Schimbă direcția de curgere
2. Modifică debitul
3. Schimbă presiunea fluidului

Supapele care îndeplinesc primele două funcții sunt denumite supape de reglare-debit. Supapele care reglează presiunea fluidului sunt denumite supape de control-presiune. O supapă relief (de siguranță) simplă reglează presiunea, în timp ce supapa poppet, supapa poartă și supapa glob sunt supape de reglare on/off a debitului. Câteva exemple sunt prezentate în figura 7.44. Supapa de direcție (sau supapa check) prezentată în figura 7.44a permite curgerea fluidului într-o direcție și îl blochează în direcția opusă. Arcul oferă o forță suficientă pentru ca bila să se întoarcă pe scaun atunci când nu există flux de fluid. Nu trebuie să mențină nicio presiune a fluidului și, prin urmare, rigiditatea acestuia este relativ scăzută. O supapă check intră în categoria supapelor de reglare debit. Figura 7.44b prezintă o supapă poppet. În mod normal, este în poziție închisă, cu bila complet așezată pentru a bloca debitul. Când pistonul este împins în jos, bila se mișcă cu el, permițând circulația fluidului prin deschiderea scaunului.

FIGURA 7.44 (a) O supapă check (supapă direcțională); (b) o supapă poppet (supapă ON/OFF);
(c) o supapă relief (de evacuare) (o supapă de reglare a presiunii)

Această supapă ON/OFF este bidirecțională și poate fi utilizată pentru a permite curgerea fluidului în orice direcție. Supapa relief prezentată în figura 7.44c este în stare închisă în condiții normale. Forța arcului, care închide supapa (prin așezarea bilei) este reglabilă. Când presiunea fluidului (într-un recipient sau o conductă la care este conectată supapa) crește peste o anumită valoare, guvernată de forța arcului, supapa se deschide eliminând astfel fluidul printr-un orificiu (care poate fi recirculat în sistem). În acest fel, presiunea sistemului este menținută la un nivel aproape constant. De obicei, un acumulator este utilizat împreună cu o supapă relief pentru a prelua fluctuații de presiune nedorite și pentru a stabiliza sistemul. Supapele sunt clasificate în funcție de numărul de căi de curgere prezente în condiții de operare. De exemplu, o supapă cu patru căi are patru moduri prin care debitul poate intra și ieși din supapă. În sistemele cu fluide de mare putere, se pot utiliza două trepte de supape constând dintr-o supapă pilot și o supapă principală. Aici, supapa pilot este o supapă de capacitate mică, joasă-putere, care operează supapa principală de capacitate mare.

7.6.3.1 Supapă spool = supapă distribuitor cu sertar cilindric

Supapele Spool sunt folosite pe scară largă în sistemele servo hidraulice. În figura 7.45a este prezentată o diagramă schematică a unei supape-spool cu patru căi. Aceasta este denumită în mod obișnuit servovalvă, deoarece este folosit feedback de mișcare pentru a controla mișcarea unui actuator hidraulic. Unitatea în mișcare a supapei se numește spool. Este formată dintr-o tijă spool și una sau mai multe regiuni extinse (sau lobi), care se numesc land-uri (fațete de ghidare). Deplasarea de intrare (U) aplicată pe tija spool, folosind un actuator (motor de cuplu sau solenoid proporțional), reglează debitul (Q) la actuatorul hidraulic principal, precum și diferența de presiune corespunzătoare (P) de care dispune actuatorul. Dacă lungimea land-ului este mai mare decât lățimea portului (figura 7.45b), este un land suprapus. Aceasta introduce o zonă moartă în vecinătatea poziției centrale a spool, ceea ce duce la scăderea sensibilității și creșterea problemelor de stabilitate. Întrucât este practic imposibil să se potrivească exact dimensiunea land-ului cu lățimea portului, se utilizează uzual configurația cu land nesuprapus (Figura 7.45c). În acest caz, există un flux de scurgere, chiar și în poziția complet închisă, ceea ce scade eficiența și crește eroarea de stare constantă a sistemului de control hidraulic. Pentru operarea corectă a supapei, scurgerea nu trebuie să fie excesivă. Fluxul direct la diferite porturi ale supapei și fluxurile de scurgere între land-uri și carcasa supapei trebuie să fie incluse într-o analiză realistă a supapei-spool. Pentru deplasări mici δU în jurul unui punct de operare, se pot scrie următoarele ecuații liniarizate. Deoarece debitul Q2 în actuator crește pe măsură ce U crește și scade odată cu creșterea P2, avem

În mod similar, deoarece debitul Q1 de la actuator crește atât cu U cât și cu P1, avem

FIGURA 7.45 (a) o supapă spool cu patru căi; (b) un land suprapus; (c) un land nesuprapus

Câștigurile kq și k′c vor fi definite ulterior.

De fapt, dacă ignorăm compresibilitatea fluidului, avem δQ1 = δQ2, presupunând că pistonul hidraulic (actuatorul) este cu dublă- acțiune cu ariile de piston egale pe cele două laturi ale pistonului de acționare. Considerăm cazul general în care Q1 ≠ Q2. Rețineți, totuși, că se presupune că portul de intrare și portul de ieșire au caracteristici identice. Prin adunarea ecuațiilor 7.71 și 7.72 și definirea unui debit mediu, avem

și cu un coeficient de presiune de debit echivalent

Rețineți în plus că sensibilitatea la presiune este

Pentru a obține ecuația 7.78, folosim următorul rezultat binecunoscut din analiza matematică :

Deoarece δP/δU → ∂P/∂U când δQ → 0,

Ecuația 7.78 rezultă direct din Ecuația 7.79.

O supapă poate fi acționată prin mai multe metode; de exemplu, operarea manuală, utilizarea legăturilor mecanice conectate la sarcina de antrenare și utilizarea acționărilor electromecanice, cum ar fi solenoizii și motoare de cuplu (sau motoare cu forță). Solenoizii obișnuiți sunt potriviți pentru aplicațiile de control on/off, iar solenoizii proporționali și motoarele de cuplu sunt utilizate în control continuu. Pentru aplicații de control precise, este preferată acționarea electromecanică a supapei (cu feedback pentru servo-operare). Deplasările mari ale supapei pot satura o supapă datorită naturii neliniare a relațiilor de curgere la porturile supapei. Pentru depășirea acestei saturații pot fi utilizate mai multe etaje de supape, atunci când se controlează sarcini mari. În acest caz, mișcarea spool din primul etaj (stadiul pilot) este mișcarea de intrare. Ea acționează spool din al doilea etaj, care acționează ca un amplificator hidraulic. Alimentarea cu fluid a actuatorului hidraulic principal, care acționează sarcina, este reglată de etajul final al unei supape multietaj.

7.6.3.2 Caracteristici ale supapei în stare constantă

Deși Ecuația 7.75 a supapei liniarizate este utilizată în analiza sistemelor hidraulice de control, trebuie menționat că ecuațiile de curgere ale unei supape sunt destul de neliniare. Ca urmare, constantele supapei kq și kc variază cu punctul de operare. Constantele supapei pot fi determinate fie prin măsurători experimentale, fie prin utilizarea unui model neliniar exact. Acum stabilim o relație neliniară rezonabil de exactă referitoare la debitul (mediu) Q prin actuatorul hidraulic principal și diferența de presiune (presiunea de sarcină) P furnizată actuatorului hidraulic.

Presupunem porturi dreptunghiulare identice la punctele de alimentare și descărcare din figura 7.45a. Atunci când land-urile supapei sunt în poziția neutră (centrală), setăm U = 0. Presupunem că land-urile se potrivesc perfect cu porturile (adică, nu există zonă moartă sau flux de scurgeri din cauza spațiilor). Direcția pozitivă a U este luată așa cum se arată în figura 7.45a. Pentru această configurație pozitivă, în figură sunt indicate direcțiile de curgere. Ecuațiile de flux la porturile A și B sunt

unde
b = lățimea land-ului
cd = coeficientul de descărcare la fiecare port
ρ = densitatea fluidului hidraulic
Ps = presiunea de alimentare a fluidului hidraulic

Rețineți că în ecuația 7.81, presiunea de la capătul de descărcare este considerată zero. Pentru funcționare în stare constantă, folosim

Acum, ridicând la pătrat ecuațiile 7.80 și 7.81 și adunând, obținem

unde diferența de presiune furnizată actuatorului hidraulic este notată cu

Când U < 0, direcția de curgere se inversează; în plus, portul A este acum asociat cu P1 (nu P2), iar portul C este asociat cu P2. Rezultă că ecuația 7.84 rămâne în continuare, cu excepția faptului că P2 - P1 este înlocuit cu P1 - P2. Prin urmare,

Combinând ecuațiile 7.84 și 7.85, avem

Acest lucru poate fi scris sub forma adimensională

unde Umax = deschiderea maximă a valvei (>0) și

Ecuația 7.87 este reprezentată în figura 7.46. Ca și în cazul curbei cuplu-viteză pentru un motor, este posibilă obținerea constantelor de supapă kq și kc, definite de ecuațiile 7.76 și 7.77, din curbele date în figura 7.46 pentru diferite puncte de operare. Pentru o mai bună acuratețe, însă, trebuie utilizate curbe caracteristice ale supapei determinate experimental.

FIGURA 7.46 Caracteristici în stare de echilibru a unei supape spool cu patru căi

7.6.4 Actuatoare hidraulice primare

Actuatoarele hidraulice rotative (motoare hidraulice) funcționează la fel ca pompele hidraulice discutate anterior, cu excepția faptului că fluxul de direcție este inversat și puterea mecanică este livrată de arbore, în loc să fie luată. Fluidul de înaltă presiune intră în actuator. Pe măsură ce trece prin motorul hidraulic, puterea fluidului este consumată la rotirea rotorului, iar presiunea este scăzută. Fluidul de joasă-presiune părăsește motorul în direcția rezervorului. Unul dintre actuatoarele hidraulice rotative mai eficiente este motorul cu piston axial, destul de similar în construcție cu pompa cu piston axial prezentată în figura 7.43.

Cel mai obișnuit tip de actuator hidraulic rectiliniu este, însă, pompa cu apă (hydraulic ram) sau actuator cilindru-piston. O diagramă schematică a unui astfel de dispozitiv este prezentată în figura 7.47. Acesta este un actuator cu acțiune-dublă, deoarece presiunea fluidului acționează pe ambele părți ale pistonului. Dacă presiunea fluidului este prezentă doar pe o parte a pistonului, acesta este denumit un actuator cu singură-acțiune. Actuatoarele (ram) cu cilindru-piston cu singură-acțiune sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit pentru simplitatea lor și pentru simplitatea celorlalte componente de control, cum ar fi servovalve, care sunt necesare; deși au dezavantajul asimetriei. Fluxul de fluid la porturile unui actuator hidraulic este reglat, de regulă, de o supapă spool. Această supapă poate fi acționată de o supapă pilot (de exemplu, o supapă cu clapetă - flapper).

Pentru a obține ecuațiile pentru actuatorul prezentat în figura 7.47, observăm că debitul Q într-o cameră depinde în primul rând de doi factori:

1. Creșterea volumului camerei
2. Creșterea presiunii (efectul de compresibilitate al fluidului)

Când un piston de arie A se deplasează o distanță Y, debitul datorat creșterii volumului camerei este ± AY. Acum, odată cu creșterea în presiune δP, volumul unei mase de fluid date ar scădea cu cantitatea [- (∂V/∂P) δP]. Drept urmare, un volum egal de nou lichid ar intra în cameră. Rata corespunzătoare a curgerii este [- (∂V/∂P) (dP/dt)]. Modulul bulk (izotermic sau la temperatură constantă) este dat de

FIGURA 7.47 Servomotor hidraulic cu piston-cilindru cu acțiune dublă

Prin urmare, viteza de curgere datorată vitezei de schimbare a presiunii este dată de [(V/β) (dP/dt)]. Folosind aceste fapte, ecuațiile de conservare a fluidului (adică continuitatea curgerii) pentru cele două părți ale camerei de acționare din figura 7.47 pot fi scrise ca

Pentru o analiză realistă, termenii debitului de scurgere (pentru scurgeri între piston și cilindru și între o tijă de piston și cilindru) ar trebui să fie incluși în ecuațiile 7.90 și 7.91. Pentru o analiză liniară, aceste debite de scurgere pot fi luate ca proporționale cu diferența de presiune pe calea de scurgere. Rețineți, în plus, că V1 și V2 pot fi exprimate în raport de Y, după cum urmează:

unde Vo și Vo' sunt volume constante care depind de capacitatea cilindrului și respectiv de poziția pistonului atunci când Y = 0. Acum, pentru modificări incrementale în jurul punctul de operare V1 = V2 = V, ecuațiile 7.90 și 7.91 pot fi scrise ca

Ecuațiile „totale” 7.90 și 7.91 sunt deja liniare pentru V constantă. Dar, deoarece ecuația supapei este neliniară și din moment ce V nu este o constantă, ar trebui să utilizăm ecuațiile „incrementale” 7.94 și 7.95 în loc de ecuațiile totale într-o model liniar. Adunând ecuațiile 7.94 și 7.95 și împărțind la 2, obținem ecuația de acționare hidraulică

unde
Q = (Q₁ + Q₂)/2 este debitul mediu în actuator
P = P2 - P1 este diferența de presiune pe pistonul actuatorului

7.6.5 Ecuația de încărcare

Până în prezent, am obținut Ecuația 7.75 linearizată a supapei și acționarea liniarizată a actuatorului în (7.96). Determinarea ecuației de sarcină rămâne, care depinde de natura sarcinii care este acționată de actuatorul hidraulic. O putem reprezenta printr-o forță de sarcină FL, așa cum se arată în figura 7.47. Rețineți că FL este un termen dinamic, care poate reprezenta efecte precum flexibilitatea, inerția și efectele disipative ale sarcinii. În plus, inerția părților mobile ale actuatorului este modelată ca o masă m, iar efectele de disipare a energiei asociate cu aceste părți mobile sunt reprezentate de o constantă de amortizare vâscoasă echivalentă b. În consecință, a doua lege a lui Newton dă

Această ecuație este deja liniară. Din nou, deoarece ecuația supapei este neliniară, pentru a fi consecvenți, ar trebui să luăm în considerare mișcări incrementale δY înjurul unui punct de operare. În consecință, avem

unde, ca mai înainte P = P2 - P1. Dacă ariile active de pe cele două părți ale pistonului nu sunt egale, ar exista o forță de dezechilibru netă. Acest lucru ar putea duce la un răspuns instabil în anumite condiții.

7.6.6 Sisteme de control hidraulic

Principalele componente ale unui sistem de control hidraulic sunt următoarele:

1. Servovalvă
2. Actuator hidraulic
3. Sarcină
4. Elemente de control cu feedback

Am obținut ecuații liniare pentru primele trei componente ca ecuații 7.75, 7.96 și 7.98. Acum rescriem aceste ecuații, notând variabilele incrementale în jurul unui punct de operare cu litere mici.

FIGURA 7.48 (a) Schema bloc pentru un sistem de control hidraulic cu buclă deschisă;
(b) diagramă bloc echivalentă

Elementele de feedback vor depinde de metoda specifică de control cu feedback care este folosită. Mai târziu vom revizui acest aspect al unui sistem de control hidraulic. Ecuațiile 7.99 până la 7.101 pot fi reprezentate de diagrama bloc prezentată în fig. 7.48a. Acesta este un sistem de control cu ​​buclă-deschisă, deoarece nu au fost utilizate elemente de feedback externe. Rețineți, însă, prezența unei căi de feedback „naturale” a presiunii și a unei căi de feedback „naturale” a vitezei, care sunt inerente dinamicii sistemului cu buclă-deschisă.

Diagrama bloc poate fi redusă la forma echivalentă prezentată în figura 7.48b. Pentru a obține această reprezentare echivalentă, combinați primele două joncțiuni de însumare și apoi obțineți funcția de transfer echivalentă pentru bucla de feedback a presiunii. Această funcție de transfer echivalentă poate fi obținută folosind relația pentru reducerea unui sistem de control cu feedback:

unde
G = funcția de transfer directă
H = funcția de transfer de feedback

În problema actuală, G = 2β/Vs și H = kc. Prin urmare,

Câștigul de presiune k1 este o măsură a presiunii de sarcină p generate pentru un debit dat q în actuatorul hidraulic. Cu cât este mai mic coeficientul de presiune kc, cu atât este mai mare câștigul de presiune, așa cum este clar din Ecuația 7.77. Constanta de timp hidraulică crește odată cu volumul camerei de fluid a actuatorului și scade odată cu modulul bulk al fluidului hidraulic. Acest lucru este de așteptat, deoarece constanta de timp hidraulică depinde de compresibilitatea fluidului hidraulic.

Funcția de transfer mecanic a actuatorului hidraulic este reprezentată de

unde constanta de timp mecanică este dată de

și k2 = 1/b. De obicei, constanta de timp mecanică este constanta de timp dominantă, deoarece este de obicei mai mare decât constanta de timp hidraulică.

Exemplul 7.7

În figura 7.49 este prezentat un model al sistemului de control automat de calibrare (AGC) al unui laminor de oțel. Rolele sunt presate folosind un actuator hidraulic singură-acțiune cu deplasarea supapei u. Rolele sunt deplasate prin y, presând astfel oțelul care este rulat. Pentru un y dat, forța de rulare F este cunoscută complet din parametrii oțelului.

1. Identificați intrările și variabila controlată din acest sistem de control.

2. În raport de variabilele și parametrii de sistem indicați în figura 7.49, scrieți ecuații dinamice pentru sistem, inclusiv neliniaritățile de supapă.

3. Care este ordinul sistemului? Identificați variabilele de răspuns.

4. Desenați o diagramă bloc pentru sistem, indicând clar actuatorul hidraulic cu supapă, structura mecanică a laminorului, intrări și variabila controlată.

5. Ce variabile ați măsura (și trimise înapoi prin intermediul unor controllere adecvate) pentru a îmbunătăți performanța sistemului de control?

Soluţie

Partea 1: Deplasarea supapei u și forța de rulare F sunt intrări. Deplasarea rolelor y este variabila controlată.

FIGURA 7.49 Sistemul AGC al unei laminor de oțel (AGC = Automatic Generation Control)

Partea 2: Ecuațiile mecanico-dinamice sunt

Rețineți că echilibrul forțelor statice și deplasările sunt măsurate din configurația de echilibru corespunzătoare, astfel încât termenii gravitației să nu intre în ecuații.

Ecuația de acționare hidraulică este derivată după cum urmează. Pentru supapa, cu notația obișnuită, debitul este dat de

Partea 3: Există trei ecuații diferențiale de ordinul doi (i), (ii), (iii) și o ecuație diferențială de prim ordin (iv). Prin urmare, sistemul este de ordinul șapte. Variabilele de răspuns sunt deplasările yp, yc, y și presiunea Ph.

Partea 4: În figura 7.50 este prezentată o diagramă bloc pentru sistemul de control hidraulic al laminorului de oțel.

Partea 5: Presiunea hidraulică Ph și deplasarea cilindrului y sunt cele două variabile de răspuns care pot fi măsurate și utilizate în mod convenabil în controlul cu feedback. Forța de rulare F poate fi măsurată și trimisă direct, dar acest lucru este oarecum dificil în practică.

FIGURA 7.50 Schema bloc pentru sistemul de control hidraulic al unui laminor

Exemplul 7.8

În figura 7.51 este prezentată o supapă de control a presiunii cu un etaj. Scopul supapei este de a menține constantă presiunea de sarcină PL. Ratele de volum ale curgerii, presiunile și volumele de fluide supuse acestor presiuni sunt indicate în figură. Masa spool și a accesoriilor este m, constanta de amortizare a forței de amortizare care acționează asupra părților mobile este b, iar modulul bulk efectiv de ulei este β. Volumul acumulatorului este Va. Fluxul în camera supapei (volumul Vc) se face printr-un orificiu. Acest flux poate fi considerat proporțional cu scăderea presiunii pe orificiu, constanta de proporționalitate fiind ko. Un arc compresiv de rigiditate k restricționează mișcarea spool. Forța inițială a arcului este setată prin reglarea compresiei inițiale yo a arcului.

1. Identificați intrarea de referință, ieșirea primară și o intrare de perturbare pentru sistemul de supapă.
2. Făcând presupuneri de linearizare și introducând orice parametri suplimentari care ar putea fi necesari, scrieți ecuații pentru a descrie dinamica sistemului.
3. Setați o diagramă bloc pentru sistem, care arată diverse funcții de transfer.

FIGURA 7.51 O supapă de control a presiunii cu un singur etaj

Soluţie

Partea 1:

Setare de intrare = yo
Răspuns primar (variabilă controlată) = PL
Intrare de perturbare = QL

Partea 2:

Să presupunem că deplasarea supapei y se măsoară din poziția de echilibru static a sistemului. Ecuația de mișcare pentru dispozitivul spool al supapei este

Fluxul prin orificiul camerei este dat de

Ieșirea Q de la portul spool crește cu y și scade odată cu scăderea presiunii (PL −Ps). Prin urmare, ecuația de curgere liniarizată este Q = kqy - kc (PL - Ps). Rețineți că kq și kc sunt constante pozitive, definite anterior de ecuațiile 7.76 și 7.77.

Ecuația acumulatorului este

Înlocuind Q și Qc, avem

Ecuațiile mișcării sunt (i), (ii) și (iii).

Partea 3:

Folosind ecuațiile (i) până la (iii), se poate obține diagrama bloc prezentată în figura 7.52. Rețineți, în special, calea de feedback a presiunii de sarcină PL. Acest feedback este responsabil pentru caracteristica supapei de control al presiunii.

7.6.6.1 Controlul cu feedback

În figura 7.48a, am identificat două căi de feedback „naturale” care sunt inerente dinamicii sistemului de control hidraulic cu buclă deschisă. În figura 7.48b, am arătat constantele de timp asociate acestor module de feedback naturale. Mai exact, observăm următoarele:

1. O cale de feedback a presiunii și o constantă de timp hidraulică asociată τh
2. O cale de feedback a vitezei și o constantă de timp mecanică asociată τm

FIGURA 7.52 Schema bloc pentru supapa de control a presiunii cu un singur etaj

Constanta de timp hidraulică este determinată de compresibilitatea fluidului. Cu cât modulul bulk al fluidului este mai mare, cu atât este mai mică compresibilitatea. Aceasta duce la o constantă de timp hidraulică mai mică. Mai mult, τh crește cu volumul fluidului din camera actuatorului; prin urmare, această constantă de timp este legată și de capacitatea fluidului. Constanta mecanică de timp își are originea în inerție și în disiparea de energie (amortizare) în părțile mobile ale actuatorului. Așa cum era de așteptat, actuatorul devine mai lent, pe măsură ce inerția părților mobile se mărește, rezultând o constantă de timp mecanică crescută.

Aceste căi de feedback naturale oferă de obicei un efect de stabilizare a unui sistem de control hidraulic, dar nu sunt adecvate pentru operarea satisfăcătoare a sistemului. În special, poziția actuatorului este asigurată de un integrator (a se vedea figura 7.48). Într-o operare cu buclă-deschisă, răspunsul de poziție va crește constant și va afișa un comportament instabil în prezența celei mai mici perturbări. Mai mult, viteza de răspuns, care de obicei este în conflict cu stabilitatea, trebuie să fie adecvată pentru o performanță potrivită. În consecință, este necesar să includeți control cu feedback în sistem. Acest lucru se realizează prin măsurarea variabilelor de răspuns și prin modificarea intrărilor sistemului care le folosește, conform unor legi de control.

FIGURA 7.53 Un sistem hidraulic controlat de computer

În figura 7.53 este o reprezentare schematică a unui sistem hidraulic controlat de computer. În plus față de mișcarea (atât poziția, cât și viteza) sarcinii mecanice, este de dorit să detectați presiunile pe cele două părți ale pistonului actuatorului hidraulic pentru control cu feedback. Există numeroase legi de control cu feedback, care pot fi programate în computerul de control. Multe dintre metodele convenționale pun în aplicare o combinație a următoarelor trei acțiuni de control de bază:

1. Control proporțional (P)
2. Control derivativ (D)
3. Control integrativ (I)

În controlul proporțional, răspunsul măsurat (sau eroarea de răspuns) este utilizat direct în acțiunea de control. În controlul derivativ, răspunsul măsurat (sau eroarea de răspuns) este diferențiat înainte de a fi utilizat în acțiunea de control. Similar, în controlul integrat, eroarea de răspuns este integrată și utilizată în acțiunea de control. Modificarea răspunsurilor măsurate pentru obținerea semnalului de control se face în mai multe moduri, inclusiv prin mijloace electronice, digitale și mecanice. De exemplu, în acest scop poate fi utilizată o unitate hardware analogică (denumită compensator sau controller), care constă din circuite electronice. Alternativ, semnalele măsurate, dacă sunt analogice, pot fi digitizate și modificate ulterior într-o manieră necesară prin procesare digitală (înmulțire, diferențiere, integrare, adunare etc.). Aceasta este metoda folosită în controlul digital; poate fi folosit fie controlul hardware, fie controlul software. Abordarea software este reprezentată în figura 7.53.

Considerați sistemul de control hidraulic (cu buclă-închisă) prezentat de diagrama bloc din figura 7.54. În acest caz, un controller general este localizat în calea de feedback.

FIGURA 7.54 Un sistem de control hidraulic cu buclă închisă

Atunci, o lege de control poate fi scrisă ca

unde f(y) indică modificările aduse la ieșirea măsurată y pentru a forma semnalul de control (eroare) u. Intrarea de referință uref este specificată. Alternativ, dacă controllerul este situat pe calea directă, ca de obicei, legea de control poate fi dată de

Pentru a obține o acțiune de control robustă pot fi folosite și componente mecanice. Sistemele de putere cu fluide în general și sistemele hidraulice în special sunt neliniare. Neliniaritățile au astfel de origini, precum relații fizice neliniare ale fluxului de fluid, compresibilitatea, caracteristicile neliniare ale supapei, fricțiunea în actuator (la inelele pistonului, care alunecă în cilindru) și supape, arii inegale ale pistonului pe cele două părți ale pistonului actuatorului și scurgeri. Ca urmare, modelarea exactă a unui sistem de putere cu fluid va fi dificilă, iar un model liniar nu va reprezenta situația corectă decât în ​​apropierea unei regiuni de operare mici. Această situație poate fi abordată folosind un model neliniar exact sau o serie de modele liniare pentru diferite regiuni de operare. În ambele cazuri, legile de control liniare (de exemplu, acțiuni proporționale, integrative și derivative) pot să nu fie adecvate. Această situație poate fi agravată în continuare de factori precum variații de parametri, perturbări necunoscute și zgomot.

Multe tehnici avansate de control au fost aplicate sistemelor de putere cu fluide, în vederea limitării unor astfel de tehnicilor de control clasice precum PID. Într-o singură abordare, un observator este utilizat pentru a estima viteza și frecarea în actuator, iar un controller este proiectat pentru a compensa frecarea. Controlul adaptiv este o altă abordare avansată folosită în sistemele de control hidraulic. În controlul adaptiv referit la model, controllerul împinge comportamentul sistemului hidraulic către un model de referință. Modelul de referință este proiectat pentru a afișa comportamentul dorit al sistemului fizic. Au fost studiate tehnici de control în domeniu-frecvență, cum ar fi controlul H-infinit (control H∞) și teoria feedback cantitativ (QFT), unde funcția de transfer a sistemului este modelată pentru a realiza performanța dorită. Sunt tehnici de control liniar, care pot să nu funcționeze perfect atunci când sunt aplicate unui sistem neliniar. De asemenea, a fost studiat controlul impedanței în raport cu sistemele de control hidraulic. În controlul impedanței, obiectivul este realizarea unei funcții de impedanță dorite (Notă: impedanță = forță/viteză în domeniul-frecvență) la ieșirea sistemului de control prin manipularea controllerului. Aceste tehnici avansate sunt dincolo de sfera de aplicare a prezentului tratament introductiv.

7.6.7 Sisteme cu flux constant

Până în prezent, am discutat doar despre actuatoarele hidraulice controlate de supapă. Există două tipuri de sisteme controlate de supapă:

1. Sisteme de presiune constantă
2. Sisteme cu flux constant

Întrucât există patru căi de curgere pentru o supapă spool cu patru căi, o analogie poate fi trasă între un actuator hidraulic controlat cu supapă-spool cu un circuit de punte Wheatstone, așa cum se arată în figura 7.55. Fiecare braț al punții corespunde unei căi de curgere. Ca de obicei, P semnifică presiune, care este o variabilă across analoagă tensiunii; iar Q indică debitul de volum, care este o variabilă through analoagă curentului. Cele patru rezistoare de fluid Ri reprezintă rezistențele simțite de curgerea fluidului pe cele patru căi ale supapei. Rețineți că acestea sunt rezistoare variabile a căror variație este guvernată de mișcarea spool (și de aici curentul de acționare a supapei). Când spool se deplasează într-o parte a poziției neutre (centru), două dintre rezistoare (să zicem, R2 și R4) variază datorită deschiderii portului, iar restul de două rezistoare reprezintă rezistențele de scurgere (vezi figura 7.45). Reversul este adevărat atunci când spool se deplasează în direcția opusă din poziția neutră. Debitul prin actuator este reprezentat de o rezistență de sarcină RL, care este conectată pe punte.

FIGURA 7.55 Reprezentarea circuitului în punte al unei supape cu patru căi
și a unei sarcini a actuatorului

În discuția noastră de până acum, am luat în considerare doar sistemul de presiune constantă, în care presiunea de alimentare Ps la servovalvă este menținută constantă, dar debitul de alimentare corespunzător Qs este variabil. Acest sistem este analog cu o punte cu tensiune-constantă. Într-un sistem de debit constant, debitul de alimentare Qs este menținut constant, iar presiunea adecvată Ps este variabilă. Acest sistem este analog cu o punte Wheatstone de curent-constant. O operare cu flux constant necesită o pompă cu debit constant, care poate fi mai economică decât o pompă cu debit variabil. Dar, este mai ușor să mențineți un nivel de presiune constant folosind un regulator de presiune și un acumulator. Drept urmare, sistemele de presiune constantă sunt utilizate mai frecvent în aplicații practice.

Actuatoarele hidraulice controlate cu supapă sunt tipul cel mai des utilizat în aplicațiile industriale. Acestea sunt utile în special atunci când mai mult de un actuator este alimentat de aceeași sursă hidraulică. Actuatoarele controlate de pompă câștigă popularitate și sunt prezentate în continuare.

7.6.8 Actuatoare hidraulice controlate de pompă

Unitățile hidraulice controlate de pompă sunt potrivite atunci când este nevoie de un singur actuator pentru a acționa un proces. O configurație tipică a unui sistem de acționare hidraulică controlat de pompă este prezentată în figura 7.56. O pompă cu debit variabil este acționată de un motor electric (de obicei, un motor AC). Pompa alimentează un motor hidraulic, care la rândul său acționează sarcina. Controlul este asigurat de controlul debitului pompei. Acest lucru poate fi realizat în mai multe moduri, de exemplu, prin controlul cursei pompei (a se vedea figura 7.43) sau prin controlul vitezei pompei folosind un motor AC controlat în frecvență. Acționările hidraulice tipice de acest tip pot genera erori de poziționare sub 1° la cupluri cuprinse între 25-250 Nm.

FIGURA 7.56 Configurarea unui sistem de acționare hidraulică controlat de pompă

7.6.9 Acumulatoare hidraulice

Deoarece fluidele hidraulice sunt destul de incompresibile, o modalitate de a crește constanta de timp hidraulică este utilizarea unui acumulator. Un acumulator este un rezervor care poate reține lichidul excesiv în timpul creșterilor sub presiune și eliberează acest fluid în sistem atunci când presiunea slăbește. În acest fel, fluctuațiile de presiune pot fi filtrate din sistemul hidraulic și presiunea poate fi stabilizată. Există două tipuri comune de acumulatori hidraulici:

1. Acumulatori încărcați cu gaz
2. Acumulatori încărcați de arc

Într-un acumulator încărcat cu gaz, jumătatea superioară a rezervorului este umplută cu aer. Când lichidul de înaltă presiune intră în rezervor, aerul se comprimă, făcând loc lichidului care intră. Într-un acumulator încărcat cu arc, este utilizat în loc de aer un piston mobil, reținut de partea superioară a rezervorului cu un arc. Operarea acestor două tipuri de acumulatori este destul de similară.

7.6.10 Sisteme de control pneumatic

Sistemele de control pneumatic funcționează într-un mod similar cu sistemele de control hidraulic. Pompele pneumatice, servovalvele și actuatoarele sunt destul de similare în raport cu omoloagele lor hidraulice. Diferențele de bază includ următoarele:

1. „Fluidul” de lucru este aerul, care este mult mai comprimabil decât uleiurile hidraulice. Prin urmare, compresibilitatea și efectele termice ar trebui incluse în orice analiză semnificativă.

2. Orificiul de ieșire al actuatorului și orificiul de intrare al pompei sunt deschise către atmosferă (nu este necesar un rezervor pentru fluidul de lucru).

Prin conectarea pompei (hidraulică sau pneumatică) la un acumulator, debitul în servovalvă poate fi stabilizat și energia în exces poate fi stocată pentru utilizarea ulterioară. Aceasta micșorează impulsurile de presiune nedorite, vibrațiile și oboseala materialului. Sistemele hidraulice sunt mai rigide și de obicei sunt utilizate în sarcini de control grele, în timp ce sistemele pneumatice sunt în special adecvate pentru sarcini de la mediu până la sarcini mici (presiuni de alimentare în intervalul de 500 kPa până la 1 MPa). Sistemele pneumatice sunt mai neliniare și mai puțin exacte decât sistemele hidraulice. Deoarece fluidul de lucru este aer și din moment ce liniile de aer cu presiune înaltă reglementată sunt disponibile în majoritatea instalațiilor și laboratoarelor industriale, sistemele pneumatice tind să fie mai economice decât sistemele hidraulice. De asemenea, sistemele pneumatice sunt mai ecologice și mai curate, iar scurgerile de fluid nu provoacă o stare periculoasă. Dar, le lipsește proprietatea de autolubrifiere a fluidului hidraulic. Mai mult, aerul atmosferic trebuie filtrat și orice exces de umiditate trebuie îndepărtat înainte de comprimare. Căldura generată în compresor trebuie de asemenea îndepărtată.

Ambele bucle de control hidraulic și pneumatic pot fi prezente în același sistem de control. De exemplu, într-o celulă de lucru de fabricație, controlul hidraulic poate fi utilizat pentru operațiuni de transfer, poziționare și prelucrare a pieselor și controlul pneumatic poate fi folosit pentru schimbarea sculei, prinderea pieselor, comutare, evacuare și operațiuni de tăiere cu o singură acțiune. Într-o mașină de prelucrare a peștilor, actuatoarele hidraulice servo-controlate au fost utilizate pentru poziționarea exactă a tăietorului, în timp ce dispozitivele pneumatice au fost utilizate pentru prinderea și tăierea peștilor. Nu vom extinde analiza sistemelor hidraulice pentru a include aerul ca fluid de lucru. Cititorul poate consulta o carte despre controlul pneumatic pentru informații despre actuatoare și supape pneumatice.

7.6.10.1 Supape cu clapetă Flapper

Supapele cu clapetă, care sunt relativ ieftine și operează la nivele mici de putere, sunt utilizate în mod uzual în sistemele de control pneumatic. Acest lucru nu le exclude pentru aplicații de control hidraulic, însă, în cazul în care sunt populare în etajele de supape pilot. În figura 7.57 este prezentată o diagramă schematică a unei supape cu clapetă cu un singur jet folosită într-un actuator cu piston-cilindru. Dacă duza este blocată complet de clapetă, cele două presiuni P1 și P2 vor fi egale, echilibrând pistonul. Pe măsură ce închiderea dintre clapetă și duză crește, presiunea P1 scade, creând astfel o forță de dezechilibru pe pistonul actuatorului. Pentru deplasări mici, se poate presupune o relație liniară între închiderea clapetei și forța de dezechilibru.

FIGURA 7.57 Un sistem pneumatic cu supapă flapper (cu clapetă)

Funcționarea unei supape cu clapetă necesită scurgeri de fluid la duză. Acest lucru nu creează probleme într-un sistem pneumatic. Însă, într-un sistem hidraulic, acest lucru nu doar pierde energie, dar și ulei hidraulic și creează un posibil pericol, cu excepția cazului în care sunt utilizate un rezervor de colectare și o linie de întoarcere la rezervorul de ulei. Pentru o operare mai stabilă, ar trebui folosite supape cu clapetă cu dublu-jet. În acest caz, clapeta este montată simetric între două jeturi. Căderea de presiune este încă extrem de sensibilă la mișcarea clapetei, ceea ce poate duce la instabilitate. Pentru a reduce problemele de instabilitate, se poate utiliza feedback de presiune, folosind o unitate de burduf.

În Figura 7.58 este prezentată o servovalvă în două etaje, cu un etaj flapper (cu clapetă) și un etaj spool. Acționarea motorului de cuplu deplasează clapeta. Aceasta variază presiunea în cele două duze ale clapetei, în direcții opuse. Diferența de presiune rezultată se aplică pe bobină (spool), care este deplasată ca rezultat, care la rândul său deplasează actuatorul ca în cazul unei supape spool cu un singur etaj. În sistemul prezentat în figura 7.58, există și un mecanism de feedback între cele două etaje ale supapei. Mai exact, deoarece bobina se mișcă datorită mișcării clapetei cauzată de motorul de cuplu, bobina poartă capătul flexibil al clapetei în direcția opusă mișcării inițiale. Aceasta creează o presiune back în sens opus. Prin urmare, se spune că acest sistem de supapă are un feedback de forță (mai exact, feedback de presiune).

FIGURA 7.58 O servovalvă în două etaje cu feedback de presiune

În general, o servovalvă cu mai multe etaje folosește mai multe servovalve în serie pentru a acționa un actuator hidraulic. Ieșirea primului etaj devine intrarea celui de-al doilea etaj. După cum s-a remarcat înainte, o combinație obișnuită este o supapă hidraulică cu clapă (flapper) și o supapă hidraulică spool, care operează în serie. O servovalvă cu mai multe etaje este similară cu un amplificator cu mai multe etaje.
Avantajele servovalvelor multietaj sunt

1. O servovalvă cu un singur etaj se va satura sub deplasări mari (sarcini). Acest lucru poate fi depășit folosind mai multe etaje, fiecare etaj fiind operat în regiunea sa liniară. Prin urmare, este posibilă o gamă mare de operare (variații de sarcină) fără a introduce neliniarități excesive, în special saturația.
2. Fiecare etaj va filtra, eliminând, zgomotul de înaltă frecvență, oferind un raport global mai mic zgomot-semnal.

Dezavantajele sunt

1. Costă mai mult și sunt mai complexe decât servovalvele cu un singur etaj.
2. Din cauza conectării în serie a mai multor etaje, defectarea unui etaj va duce la defectarea sistemului general (o problemă de fiabilitate).
3. Mai multe etaje vor scădea lățimea de bandă totală a sistemului (adică, scade viteza de răspuns).

Exemplul 7.9

Desenați o diagramă schematică pentru a ilustra încorporarea feedback-ului de presiune, folosind un burduf, într-un sistem de control pneumatic cu supapă-flapper. Descrieți funcționarea acestei scheme de control cu feedback, dând avantajele și dezavantajele acestei metode de control.

Soluţie

În figura 7.59 este prezentat un posibil aranjament pentru feedback-ul presiunii externe într-o supapă-flapper. Funcționarea sa poate fi explicată după cum urmează: dacă presiunea P1 scade, burduful se va contracta, mutând astfel clapa mai aproape de duză, crescând astfel P1. Prin urmare, burduful acționează ca un dispozitiv de feedback mecanic, care tinde să regleze perturbările de presiune. Avantajele unui astfel de dispozitiv sunt

1. Este un dispozitiv mecanic simplu, robust, cu costuri reduse.
2. Asigură control de feedback mecanic al variațiilor de presiune.

Dezavantajele sunt

1. Poate duce la un sistem lent (adică cu lățime de bandă mică), dacă inerția burdufului este excesivă.
2. Introduce o întârziere de timp, care poate avea un efect destabilizator, în special la frecvențe înalte.

FIGURA 7.59 Feedback extern de presiune pentru o supapă cu clapetă, folosind un burduf

7.6.11 Circuite hidraulice

Un sistem de control hidraulic tipic este format din mai multe componente, cum ar fi pompe, motoare, supape, actuatoare piston-cilindru și acumulatori care sunt interconectați prin conducte. Este convenabil să reprezentați fiecare componentă cu un simbol grafic standard. Sistemul de ansamblu poate fi reprezentat printr-o diagramă de circuit în care simbolurile pentru diverse componente sunt unite prin linii pentru a indica căile de curgere. Reprezentările circuitelor unora dintre numeroasele componente hidraulice sunt prezentate în figura 7.60. Câteva comentarii explicative ar fi adecvate. Indicatoarele solide interioare din simbolurile de motor indică faptul că un motor hidraulic primește energie hidraulică. Similar, indicatoarele din simbolurile de pompă arată că o pompă hidraulică produce energie hidraulică. În general, săgețile din interiorul unui simbol prezintă căi de curgere a fluidului. Arcul și săgeata exterioară din simbolul supapei relief arată că unitatea este reglabilă și reținută cu arc. Există trei tipuri de bază ale simbolurilor liniei hidraulice. O linie solidă indică un debit hidraulic primar. O linie întreruptă cu liniuțe lungi este o linie pilot, care indică controlul unei componente. De exemplu, linia întreruptă în simbolul supapei relief indică faptul că supapa este controlată prin presiune. O linie întreruptă cu liniuțe scurte reprezintă o linie de scurgere sau un debit de scurgere. În simbolurile supapei spool, P este portul de alimentare (cu presiune Ps) și T este orificiul de descărcare la rezervor (cu presiune zero de calibru). În sfârșit, rețineți că porturile A și B ale unei supape spool cu patru căi sunt conectate la cele două porturi ale unui cilindru hidraulic cu acțiune-dublă (vezi fig. 7.45a).

FIGURA 7.60 Simboluri grafice tipice utilizate în diagramele circuitelor hidraulice: (a) Motor; (b) motor reversibil; (c) pompă; (d) pompă reversibilă; (e) pompa de deplasare variabilă; (f) pompa de deplasare variabilă compensată cu presiune; (g) motor electric; (h) cilindru cu acțiune unică; (i) cilindru cu acțiune dublă; (j) supapa de control cu ​​bilă și scaun; (k) orificiu fix; (l) orificiu cu flux variabil; (m) supapă manuală; (n) supapă acționată cu solenoid; (o) supapă controlată cu pilot centrat pe arc; (p) supapa relief (reglabilă și acționată sub presiune); (q) supapă bobină cu două căi; (r) supapă spool cu patru căi; (s) supapă cu patru căi și trei poziții; (t) supapă de închidere manuală; (u) acumulator; (v) rezervor evacuat; (w) rezervor sub presiune; (x) filtru; (y) linia principală de fluid; (z) linia pilot

7.7 Probleme