Создание системы многопоточных фна для пропорционального дозирования как целостного нового класса машин

Для обеспечения программирования движения р-поточной гидросистемы, в которой объемы ₁, ₂, … , _р, отсчитываемые от начала технологического цикла, определяют ее конфигурацию, СДА рационально компоновать как механизм с Р+1 перенастраиваемыми входами (задатчиками), где Р входов используется для задания соотношений между величинами средних расходов (перемещений) в Р-гидролиниях - ₁Q_1наиб, ₂Q_2наиб, … _рQ_рнаиб (₁_1наиб, ₂_2наиб, … , _р_рнаиб), а (р + 1)-ый вход для задания величины суммарной подачи дозирующих секций СДА, т.е. по существу – скорости движения системы по траектории, определяемой Р обобщенными координатами

Применение вариаторов или регулируемых по частоте двигателей не позволяет осуществить глубокое регулирование скорости движения Р-поточной гидросистемы, существенно снижает быстродействие процесса управления и надежности СДА, удорожает СДА и гидросистемы в целом.

В этой связи было необходимо выявить такие пути построения СДА, которые были бы пригодны для использования систем непрерывного и дискретного управления и лишены недостатков присущих известным техническим решениям СДА, см. работы автора [3, 7, 16, 19, 20, 23, 24, 27, 38]. Решение этой задачи было выполнено путем системного анализа СДА как базирующегося на объемных насосах гидравлического механизма с одной степенью свободы, конфигурация которого определяется р-степенями подвижности, а скорость движения по траектории движения (задаваемой значениями ) в фазовом пространстве р-обобщенных координат задается параметром e.

Выполнение этого условия требует синхронизации секций: по частоте формирования ими доз жидкости (по числу доз поданных в Р-гидролиний за единицу времени или период технологического цикла агрегата Т_ц); по величинам объемов доз и – по каналу управления суммарной подачей.

При применении дозаторов объемного типа с практически жесткими напорно-расходными характеристиками синхронизация объемов доз (при воздействии на них только задатчиков ₁, ₂, … , _р) сводится к регистрации (определению) наибольших значений эффективных объемов рабочих камер q_jнаиб, например, при изготовлении и сборке СДА.

Когда на величину объемных постоянных секций воздействует задатчик «e» условие синхронизации по каналу управления Q_j реализуется применением жесткой кинематической связи между ВРЭ секций и выставкой (настройкой) их в такое состояние, что при e 0 все q_j0 (причем монотонно) и при e = 0 достигается условие - q_j = 0.

В общем идеальном случае, синхронизация по каналу управления Q_j должна обеспечить пропорциональное величине e уменьшение средней подачи каждой секции до нуля, т.е. Q_j  0 при e  0 при любых заданных значениях _j, поскольку в противном случае изменение e будет приводить и к изменению установленного соотношения между величинами подач секций.

Поскольку, Q_j = q_j ω, синхронизация по частоте формирования доз жидкости необходима даже в том случае, если задатчик e не воздействует на указанную частоту с целью изменения Q_j, т.к. иначе необходимая точность поддержания заданного соотношения между подачами секций может быть не обеспечена, особенно при возникновении изменений в гидравлических нагрузках секций.

Приведенные выше условия синхронизации являются необходимыми и достаточными для обеспечения пропорционального дозирования жидкостей посредством СДА, т.е. должны быть обеспечены при его проектировании.

При цифровом управлении дозаторами, задается число Z_j доз, которые должна формировать j-ая секция СДА за период технологического цикла Т_ц. В интервале между отдельными дозами могут быть и различия, поэтому для СДА с цифровым управлением секциями условие синхронизации по частоте сводится к поддержанию (обеспечению) заданных отношений между средними частотами формирования доз жидкости -

_zi = Z_j / Т_ц .

Таким образом, все СДА следует разделять по способу синхронизации частоты формирования доз жидкости и по способу синхронизации каналов задания суммарной производительности агрегата, см. таблицу на рис. 4-1.

Эти два признака во многом определяют конструктивный тип СДА.

В результате по способу конструктивной компоновки СДА могут быть разделены на блочные, разнесенные или комбинированные. Рационально СДА выполнять на базе унифицированных узлов, обеспечивающих возможность получения различных компоновочных решений СДА.

В указанном известном агрегате задатчик «e» воздействовал на величину  - общего вала, а задатчики _j – определяли объемные постоянные секций. В результате -

Q_j = (e_наиб)  (_j  q_{j наиб}), (4.2.1)

где _наиб и q_{j наиб} – наибольшие расчетные значения угловой скорости вала агрегата и объемной постоянной j-ой секции.

Анализ (4.2.1) показывает, что каждая j-ая секция по существу выполняет перемножение установок задатчиков e и _j, пропорциональных величинам регулирующих воздействий, определяющих суммарную подачу агрегата РС (e) и соотношение подач РО (_j), т.е. Q_j ~ П_j, где П_j = PO_j  РС (величина РС – общая для всех секций с точностью до постоянного коэффициента).

Таким образом, рационально классифицировать СДА по способу реализации указанной операции перемножения регулирующих воздействий РО_j и РС. Для этого рассмотрим формулу объемной производительности СДА за период технологического цикла, считая, что настройка СДА выполняется перед началом этого цикла, -

где _j = eТ_ц_jQ_{j наиб} – определяет перемещение j-го выходного звена ФДГМ за Т_ц.

В общем случае

(4.2.2, а)

.

Для выявления способов построения СДА нам достаточно рассмотреть уравнение производительности в виде (4.2.2). Для этого объемную производительность j-ой секции запишем, группируя члены выражения (4.2.2) следующими возможными способами:
_j = [(e_j) Т_ц] Q_{j наиб} , (4.2.3.)

_j = [(e_j) Q_{j наиб}] Т_ц , (4.2.4)

_j = (eТ_ц) (_jQ_{j наиб}) , (4.2.5.)

_j = (eQ_{j наиб}) (_jТ_ц) (4.2.6)

_j = (eQ_{j наиб}_j) Т_ц (4.2.7)
Учитывая то, что Q_{j наиб} = q_{j наиб}_{j наиб} , где _{j наиб} – наибольшая скорость вращения вала приводного НД или наибольшая приведенная частота повторения рабочих циклов (_{j наиб} = 2z_{j наиб}, где z_{j наиб} – наибольшее число срабатываний привода в секунду) для прямодействующих НД, множитель (eQ_{j наиб} _j) в уравнении (4.2.7) может быть записан в следующих тождественных выражениях:

(eq_{j наиб})  (_j _{j наиб}) , а)

(eQ_{j наиб}_j)  (e_{j наиб})  (_j q_{j наиб}) , б)

(e_{j наиб}_j) q_{j наиб} , в)

(eq_{j наиб}_j) _{j наиб} . г)

(_j Q_{j наиб})  (_j _{j наиб})  q_{j наиб}  (_j q_{j наиб})  _{j наиб} ,

а в уравнении (4.2.6) -

(e Q_{j наиб})  (e _{j наиб})  q_{j наиб}  (e q_{j наиб})  _{j наиб} .

Запись производительности в форме (4.2.3) и (4.2.4) показывает, что необходимое управление СДА выполняется посредством результирующего воздействия, полученного предварительным перемножением уставок задатчиков e и _j .

При таком алгоритме управления на дозирующую секцию регулирующее воздействие поступает по одному каналу в виде П_j = k_j(e_j) = PO_j  PC, что требует наличия у секции всего одного ВРЭ_j, изменяющего или состояние механизма регулирования средней подачей дозирующей секции агрегата для – (4.2.4) или эффективную долю процесса дозирования секцией агрегата в отрезке времени Т_ц для – (4.2.3).

Реализация пропорционального управления, соответствующего формам записи уравнений (4.2.5) – (4.2.7) возможна только при выполнении секций СДА с двумя ВРЭ, каждый их которых при изменении своего состояния должен иметь возможность изменять среднюю подачу секций от наибольшей до нулевой. При этом один из ВРЭ связывается с задатчиком «е», а другой – задатчиком «q_j».

Количество входных каналов управления секцией СДА рационально принять в качестве признака деления множества СДА на два подмножества:

1. Однопараметрические СДА (с одним ВРЭ), реализующие управление согласно структуре уравнений объемной производительности (4.2.3) и (4.2.4);

2. Двухпараметрические СДА (с двумя ВРЭ), реализующие управление по алгоритмам, соответствующим структуре уравнений (4.2.5), (4.2.6), (4.2.7, а, б, в, г).

Как видно, канал управления может быть или совмещен с каналом подвода к секции СДА энергии, преобразуемой секцией в энергию тарированного потока жидкости, или - быть разгруженным в энергосиловом отношении.

П_j = PO_j  PC = k_j (l  _j) .

Операция перемножения PO_j  PC может выполняться или вне секций СДА (П_j задается секциям посредством одноканального задатчика, изменяющего состояние ВРЭ_j), или функции перемножающего устройства можно возложить непосредственно на задатчики ВРЭ_j, которые в этом случае должны иметь два входных канала управления «е» и «» и один выходной канал (звено), непосредственно связанный с ВРЭ_j.

Следующая отсюда система возможных в принципе однопараметрических СДА и типовых структур СДА, выполняемых на базе приводных вальных насосов, представлена на рис. 4.3.

Операция перемножения П_j при этом может выполняться:

1. Оператором, например, посредством пульта с задатчиками секций, рис. 4.4 (а.с. ; В3005);

2. Внешней АВМ, рис. 4.5, или вычислительными электрическими цепями (рис. 4.6 – а.с. № 303452);

3. Посредством синхронизированных с рабочим циклом секций СДА моделей, рис. 4.7 (з-ка № 1663062/25-8), рис. 4.8;

4. Внешними ЦВМ или формирующими импульсы управления пропорциональными механизмами – рис. 4.9 (з-ка № 2000488/25-8 и а.с. № 514114).

При использовании приводных вальных насосов желательно использовать механизмы регулирования, обеспечивающие силовую разгрузку ВРЭ и диапазон регулирования подачи от max до 0 при возможно большей нечувствительности подачи к основным возмущающим воздействиям (см. гл. 6). В этом случае существенно упрощается конструктивная реализация двухканального задатчика исполнительного механизма и повышается точность настройки СДА.

Задатчики этого типа и соответствующие СДА впервые разработаны автором (а.с. 217954, 273988, 262625, заявка № 1898099/24-6 … ) и запатентованы в США, Австрии, Японии, Англии, Франции, ФРГ.

4.3.4. Принцип управления СДА посредством двухканальных задатчиков и возможности построения задатчиков, осуществляющих операцию перемножения уставок задатчика РС и РО_j ясен из рассмотрения принципиальных схем на рис. 4.10 а, б.

Пусть ВРЭ 1, 2, 3 расположены относительно шарнира О поворотной планки ОА на различных расстояниях оа₁, оа₂, оа₃ ,так как это показано на рис. 4.10,а, а отрезки a₁b, а₂c, a₃d этих ВРЭ пропорциональны величинам подачи насосных секций. В положении планки ОАО (перпендикулярном ВРЭ) подачи Q₁, Q₂, Q₃ равны нулю, поскольку a₁b = 0, a₂c = 0, a₃d = 0.

Для данной настройки Q₁ / Q₂ = a₁b / a₂c; Q₁ / Q₃ = a₁b / a₃d ,

а Q = k₁(a₁b) + k₂(a₂c) + k₃(a₃d), где k₁, k₂, k₃ – масштабные коэффициенты. Если теперь изменить угол наклона планки с  на ’ планка займет положение ОA'. При этом отношение подач секций остануться прежними, т.к.

а суммарная подача агрегата изменится и будет равна

Q’ = k₁ (a₁b’) + k₂ (a₂c’) + k₃ (cd’).

Таким образом, описанная схема задатчика позволяет реализовать алгоритм управления СДА, если входы задатчиков соотношения РО₁, РО₂, РО₃ связать с устройствами, позволяющими без изменения угла наклона планки (планок) перезадавать расстояния oa₁, oa₂, oa₃, а входы задатчиков РС связать с устройством изменения угла наклона планки ОА (планок ОА₁, ОА₂, ОА₃) без нарушения установленных входами задатчиков РО_j расстояний оа_j. Если при РО_j = 0, oa_j = 0, а также при PO_j  0 будет oa_j = 0, когда РС = 0, то рассмотренный задатчик осуществляет операцию перемножения PO_j и РС, т.к. величина oa_j = (oa_{j наиб} PC) PO_j или Q_j=(k_j oa_jнаиб e)_j, где oa_jнаиб – наибольшее возможное для данной конструкции значение отрезка oa_j, соответствующее наибольшей подаче j-ой секции при задании e = 1.

Так как согласно ассоциативному закону для умножения

Q_j = (k_j a_{j наиб} e) _j = (k_j a_{j наиб}) e , (4.3.1)

то возможен и обратный порядок выполнения настройки СДА посредством рассмотренного механизма перемножения уставок задатчиков.

Этот выявленный новый способ настройки (управления) СДА, см. подробнее а.с. №761743, предполагает, что суммарную подачу СДА регулируют синхронным смещением осей поворота планок, а отношение подач задают изменением угла наклонов планок.

Пусть оси 0 шарниров поворотных планок оА₁, оА₂, оА₃ находятся на одинаковом расстоянии от осей перемещения всех ВРЭ секции (см. рис. 4.10, б), тогда на чертеже отрезок оА одинаков для всех секций и изменяется общим задатчиком суммарной подачи РС. Входы задатчиков РО_{1, 2, 3} позволяют устанавливать необходимые углы ₁, ₂, ₃ поворотных планок и тем самым определять максимально возможные величины подач секций Q_1max = k₁(ab)_max, Q_2max = k₂(ac)_max, Q_3max = k₃(ad)_max , имеющие место при РС = РС_max, т.е. при е = 1, чему соответствует максимальное значение расстояния оа, принятое в конкретной реализации СДА.

Понятно, что установка углов ₁, ₂, ₃ определяет и отношение подач секций , которое не изменяется при регулировании задатчиком РС расстоянии оа. Действительно из подобия треугольников aob и a’ob’, aoc и a’oc’, aod и a’od’ и равенства сторон oa и oa’, соответственно для треугольников aob, aoc, aod, и a’ob’, a’oc’, a’od’, следует, что Q₁ / Q₂ ~ ab / ac = a’b’ / a’c’ и Q₁ / Q₃ ~ ab / ad = a’b’ / a’d’.

Таким образом, рассмотренный способ управления СДА обеспечивает задание необходимого соотношения одновременно дозируемых жидкостей и изменение суммарной подачи агрегата Q_j = k₁(ab) + k₂(ac) + k₃(ad) при сохранении заданных соотношений Q₁ / Q₂ и Q₁ / Q₃. Из (4.3.1) также следует, что при необходимости двухканальные задатчики секций одного СДА могут быть для изменения Q_j связаны друг с другом и комбинированным образом, например, вход РС в одной секции будет изменять угол наклона поворотной планки, а в другой – расстояние оа.

Важно во всех случаях компоновок СДА иметь подачу секций пропорциональной величины перемещений ВРЭ_j – ab, ac, … и обеспечивать, введением в механизм задатчика дополнительных промежуточных звеньев (для гашения или компенсации ошибок изготовления), выставку всех секций на нулевую подачу при a₁b0, a_cc0, … и oa₁, oa₂0, … для схемы компоновки СДА по первому способу управления, показанному на рис. 4.10,а и - при ab0, ac0, … ao0 - для схем компоновки СДА по второму способу управления, соответствующему схеме настройки и синхронизации задатчиков секций на рис. 4.10,б.

Конкретные технические решения разработанных СДА с двухканальными задатчиками подачи представлены на рис. 4.11 – 4.27.

СДА с двухканальными задатчиками впервые внедрены на Саратовском заводе нефтяного оборудования и выпускаются серийно.
4.4. Основы построения и создания системы двухпараметрических СДА, разработка типовых технических решений

4.4.1. Насосные секции двухпараметрических СДА снабжены двумя независимыми ВРЭ, связанными или с одним типом механизма регулирования подачи, выполненным по дифференциальной схеме (см. рис. 4.2) или с двумя механизмами регулирования, относящимися к различным классам (см. гл. 3).

Разработанное поле типовых насосных секций и варианты компоновок двухпараметрических СДА представлены на рис. 4.28, 4.29, 4.30.

Для управления СДА этого типа достаточно применять одноканальные задатчики, на независимые р-входов которых подаются сигналы РО₁, РО₂, … , РО_р, а на (р + 1) вход, одновременно воздействующий на все секции, - сигнал РС. При этом операция умножения сигналов выполняется непосредственно насосной секцией (см. пример СДА на рис. 4.2.).

Например, в агрегате, выполненном по наиболее распространенной схеме (см. рис. 4.30, сх. 1,б), сигнал РС воздействует на вариатор оборотов, а сигналы РО₁ и РО₂ на механизмы изменения литража насосных секций. В результате подача секции

Q₁ = [q₁₁(PO₁)]  [_maxe(PC)] = k_ek_(PO₁  PC)q₁ _max

пропорциональна сигналу П₁ = РО₁  РС. Здесь k_e и k_ - масштабные коэффициенты.

Если сигналы РС и РО_j воздействуют на один механизм регулирования с двумя ВРЭ (см. рис. 4.2), то ВРЭ_j, на которые поступает общий сигнал РС, должны быть сблокированы (синхронизированы) в положениях, соответствующих нулю подачи всех секций при значениях (₁, ₂, … , _р)= 0, т.е.- на режиме е = 0.

Для компоновки двухпараметрического СДА пригодны комбинации насосных секций с механизмами регулирования, одного или двух различных классов (см. табл. На рис. 4.28), например, по типу А-1 / А-1 (рис. 4.29,а), А-1 / А-2 или А-2 / А-1 (рис. 4.29,б), А-3 / А-1 или А-1 / А-3 (рис. 4.29, в), А-4 / А-1 (рис. 4.29,г), Б-4 / А-2 и т.д. Здесь в числителе указан класс механизмов регулирования используемый для индивидуальной настройки – РО, а в знаменателе – класс механизмов, используемый для изменения суммарной производительности агрегата – РС.

Насосные секции характеризуемые структурными формулами типа Б-1 / Б-4, Б-3, Б-2, т.е. содержащие механизмы регулирования относящиеся только к группе классов Б для компоновки в агрегат требуют специальных систем их синхронизации и не реализуются, как правило, с применением технически простых средств.

Поскольку, как показано, в СДА могут компоноваться различные типы насосных секций, обеспечивающие пропорциональность подачи произведению уставок РС на РО, структурная формула СДА может принимать и более сложный вид, например,

для четырехпоточного агрегата, где механизмы, указанные в знаменателе, синхронизированы общим задатчиком РС.

Технически наиболее просто синхронизировать задатчиком РС однотипные механизмы регулирования, поэтому компоновки СДА типов или и т.д. более предпочтительны для практической реализации (здесь m + n + k = p – общее число секций в СДА).