Синтез енергозберігаючих гідропневмоагрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

СИНТЕЗ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ГІДРОПНЕВМОАГРЕГАТІВ

Спеціальність 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

Крутіков Геннадій Анатолійович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі «Гідропневмоавтоматика і гідропривод» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Черкашенко Михайло Володимирович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний. інститут», професор кафедри «Гідравлічні машини».

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Струтинський Василь Борисович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, завідувач кафедри «Конструювання верстатів та машин»;

доктор технічних наук, професор Косторной Сергій Дмитрович, Сумський державний університет, м. Суми, професор кафедри «Математичний аналіз і методи оптимізації»;

доктор технічних наук, професор Панченко Анатолій Іванович, Таврійський державний агротехнологічний університет, м. Мелітополь, завідувач кафедри «Мобільні і енергетичні засоби».

Захист відбудеться …14… квітня 2011 р. 1400 на засіданні спеціаізованої вченої ради Д64.050.11 в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою : 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Автореферат розісланий ……4… березня 2011 р

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Юдін Ю.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

дискретний пневмоагрегат навантаження енерговитрата

Актуальність теми. Процес подальшого вдосконалювання дискретних гідропневмоагрегатів (ГПА), як засобів механізації та автоматизації виробничих процесів, тісно пов'язаний із трьома важливими тенденціями.

Перша тенденція - це необхідність мінімізації непродуктивних енерговитрат при функціонуванні таких агрегатів. Стиснене повітря є одним з найбільш коштовних енергоносіїв, що використовують у промисловості. Один кілоджоуль енергії, реалізований за допомогою пневмодвигунів пневмоагрегатів, коштує в сім-десять разів дорожче, ніж кілоджоуль, отриманий за допомогою електродвигунів. На виробництво стисненого повітря в промислово розвинених країнах припадає близько 10% із загального енергетичного балансу. Тому реалізація програми всілякого зниження непродуктивних енерговитрат у промислових пневмоагрегатах (ПА) дає великий економічний ефект, особливо в тих галузях, де силова пневматика є одним з основних засобів механізації (деревообробна, газовидобувна, гірничо-металургійна і т.д.).

Друга тенденція пов'язана з необхідністю розширення області застосування пневмоагрегатів убік збільшення інерційних навантажень, що передбачає пошук нових способів гальмування й позиціювання робочих органів (РО) пневмоагрегатів (ПА). Розв'язання цього завдання дозволяє не тільки поширити ПА на нові області технології, але й значно покращити їх масогабаритні характеристики.

Третьою тенденцією є структурна зміна в самій області застосування дискретних ПА. Існуюча до останнього часу практика використання силової пневматики обмежувалася через стисливість повітря другорядними операціями, де ПА працювали від упору до упору. Швидкий розвиток мікропроцесорних засобів керування, їх здешевлення зробили економічно доцільним використання комп'ютерного керування для здійснення високоточних багатопозиційних операцій за допомогою ПА. У зв'язку з цим необхідна розробка нових методів вільнопрограмованого позиціювання ПА, придатних для комп'ютерного керування, і побудованих на інших принципах, ніж аналогові слідкуючі системи.

Досягнення сформульованих у даній дисертаційній роботі цілей і рішення поставлених задач повністю відповідає цим тенденціям. Тому актуальними є розробки нових принципів гальмування й позиціювання робочих органів ПА, що працюють в умовах великих інерційних навантажень, алгоритмів структурного й параметричного синтезу енергозберігаючих ПА, а також розробка нової стратегії дискретного керування багатопозиційними ПА, заснованої на режимі самонавчання і орієнтованої на комп'ютерне керування. Дослідження, проведені в цих напрямках носять системний характер і базуються на єдиній концептуальній і методологічній основі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Тематика роботи тісно пов'язана з науковими програмами, планами й договорами, які виконувались на кафедрі «Гідропневмоавтоматика і гідропривод» НТУ «ХПІ».Здо-бувач був виконавцем держбюджетних тем МОН Украіни: «Створення комплексу математичних моделей оптимізації робочого процесу у проточній частині високонапорної гідротурбіни»(ДР № 0109U002390); «Розробка комплексу математичних моделей проточних частин гідротурбін і визначення характерних особливостей робочого процесу» (ДР № 0106U001481). Очолював виконання госпдоговірних НДР: «Разработка комплекта программ динамического синтеза пневмоприводов промышленных автоманипуляторов» (ВНДІгідропривод, м. Харків, ДР № 01.82.0088597); «Разработка и исследование свободнопрограммируемых пневмоприводов с дискретным управлением от микропроцессора» (ГСКТБ «Пневматика», м. Сімферополь, ДР № 01.85.0001192); «Разработка пневматического модуля для многопозиционного пневмоагрегата» (корпорація «Гідроелекс», м. Харків). Був одним із провідних авторів методичних рекомендацій для Мінстанкопрома СРСР (3 методичні рекомендації 1984 - 86 р.р.).

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є поліпшення енергетичних характеристик гідропнемоагрегатів і розширення області їх застосування за рахунок стратегії дискретного керування при синтезі енергозберігаючих гідропневмоагрегатів.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні завдання:

розробка алгоритму синтезу схем ГПА для рішення проблем мінімізації енерговитрат, а також ефективної роботи в умовах великих інерційних навантажень;

· розробка універсальної математичної моделі (ММ) робочих процесів в ПА, що дозволяє однаковим способом, дотримуючись динамічної подоби проаналізувати як динамічні, так і енергетичні характеристики ПА з різними структурами комутаційних зв'язків і різними алгоритмами керування;

· дослідження ПА з гальмуванням шляхом зміни структури комутаційних зв'язків і вибір за допомогою розробленого комплексного показника технічного рівня найбільш перспективних способів гальмування;

· проведення на основі ексергічного методу всебічного аналізу втрат працездатності повітря в ПА й формулювання науково обґрунтованих рекомендацій щодо зниження непродуктивних енерговтрат;

· визначення області раціонального використання енергозберігаючих ПА;

· розробка стратегії дискретного адаптивного керування багатопозиційними ПА, що забезпечує самонавчання й орієнтованої на пропоновані структури ПА з гальмуванням за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків;

· побудова керуючого пневмомодуля для богатопозиційного ПА, що має потрібну функціональну гнучкість при реалізації розробленої стратегії керування;

· проведення чисельного експерименту з метою дослідження впливу структури багатопозиційного ПА, виду функції перемикання і її коефіцієнтів, часових затримок у системі керування, способу самонавчання на форму перехідного процесу та точність позиціювання;

· розробка рекомендацій для практичного впровадження розроблених ПА в системи автоматизації і механізації виробничих процесів.

Об'єкт дослідження - газодинамічні й термодинамічні процеси в порожнинах пневмодвигунів і комутаційних трактах ПА з гальмуванням шляхом зміни структури комутаційних зв'язків, а також тепломеханічні процеси, пов'язані з перетворенням працездатності стисненого повітря в зовнішню механічну роботу виконавчих органів ПА.

Предметом дослідження є динамічні характеристики ПА з гальмуванням і позиціюванням за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків (час спрацювання, форма перехідних процесів при гальмуванні та позиціюванні і т.д.), енергетичні характеристики (кількість стисненого повітря, спожитого в процесі одного спрацювання, осереднений за цикл ККД і т.д.).

Методи дослідження. Аналіз на основі математичного моделювання, спираючись на фундаментальні положення термодинаміки тіла змінної маси, внутрішніх перехідних процесів, а також кількісного й якісного складу енерговитрат стисненого повітря з використанням ексергічного методу. При нормуванні диференційних рівнянь використана теорія аналогічності тепломеханічних систем. При числовому інтегруванні нелінійних систем використаний метод Рунге-Кута, а при дослідженні лінійних моделей використовуються методи розв'язання систем неоднорідних лінійних рівнянь. При розробці стратегії керування багатопозиційним ПА використані: метод фазового простору, метод кореневого годографа, теорія систем з самонавчанням. При структурному синтезі використаний метод безроздільної декомпозиції рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів:

Використовуючи комплексний підхід до рішення проблеми руху пневмоагрегатів із мінімальними енергетичними витратами, на основі методу безроздільної декомпозиції рівнянь (метод проф. Черкашенко М. В.) уперше запропоновано універсальний алгоритм синтезу енергозберігаючих гідро -пневмоагрегатів.

Вперше розроблені теоретичні основи синтезу дискретних ГПА, як систем змінної структури (СЗС), в яких рух, гальмування та позиціювання РО здійснюється за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків ПА залежно від розташування РО в тій або іншій підобласті фазового простору.

Вперше проблема кардинального покращення основних експлуатаційних показників ПА, в тому числі розширення області застосування в бік суттєвого збільшення інерційних навантажень, вирішена за рахунок раціональної послідовності підключення порожнин пневмодвигуна до різних об'єктів комутації у процесі руху РО.

Вперше розроблена універсальна ММ у безрозмірній формі з виділенням критеріїв динамічної подоби, відмінних від загальноприйнятих, що дозволяє провести всебічний аналіз динамічних і енергетичних характеристик ПА з гальмуванням і позиціюванням шляхом зміни структури комутаційних зв'язків.

Розроблено лінійну модель ПА, в основу якої покладена заміна нелінійних залежностей не дотичними, а січними, причому, завдяки оптимальній формі цих січних вдалося одержати досить точні аналітичні рішення для всіх змінних стану ПА.

Вперше при проведенні досліджень на ЕОМ використана методика ексергічного аналізу дискретного ПА з розрахунком усіх компонентів енерговитрат і методика розрахунку оптимального гальмівного шляху РО.

Запропоновано спосіб визначення області ефективного використання енергозберігаючих схем ПА, який ґрунтується на виділенні границь у просторі критеріїв динамічної подоби і дає можливість поряд із завданням структурного синтезу вирішити й завдання параметричного синтезу, що полягає у виборі діаметра пневмоциліндра (ПЦ), забезпечуючи при заданому навантаженні безумовну доцільність використання енергозберігаючої схеми ПА.

Запропоновано стратегію керування релейним багатопозиційним ПА із триетапним режимом позиціювання й самоналаштуванням системи керування, що дозволяє здійснити оптимізацію за критерієм точності та швидкодії.

Розроблено методику побудови пневматичного керуючого модуля для багатопозиційного ПА, що має задану функціональну гнучкісь, на основі універсального алгоритму синтезу гідропневмоагрегатів методом безроздільної декомпозиції рівнянь.

Запропоновані на основі теоретичних та експериментальних дослідженнь алгоритми керування, а також модифіковані лінії перемикання у фазовій площині дозволяють вирішити актуальне завдання реалізації вільнопрограмованого позиціювання ПА на базі серійної дискретної пневмоапаратури.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені в цій дисертаційній роботі схеми ПА, методики їх розрахунку, результати досліджень і рекомендації з використання носять закінчений характер і доведені до рівня, що дозволяє здійснити їх упровадження в практику проектування й експлуатації промислової пневматики.

Розроблено нові пневматичні схеми й карти керування розподільниками, що забезпечують значне поліпшення енергетичних і динамічних характеристик ПА та розширюють область застосування силової пневматики убік значно більших інерційних навантажень.

Розлоблено інженерні методики розрахунку найбільш раціональних способів гальмування, що ґрунтується на використанні критеріїв динамічної подоби та графіків, побудованих з їхнім застосуванням, що дозволяє оперативно вибирати конструктивні та настроювальні параметри ПА.

Визначено область раціонального використання енергозберігаючих схем і дається методика оперативного визначення економічної доцільності їх використання при заданих конструктивних параметрах і навантаженні.

Запропоновано розрахункові формули для визначення параметрів ПЦ, що забезпечують економічну привабливість запропонованої енергозберігаючої схеми.

Розроблено нову методику керування релейними багатопозиційними ПА, що ґрунтується на гальмуванні й позиціюванні за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків, запропонована найбільш раціональна структура такого ПА, розроблені алгоритми мікропроцесорного керування у вигляді карт керування розподільниками й блок-схеми програми комп'ютерного керування, що оптимізує за рахунок самонавчання процес позиціювання як за точністю, так і за швидкодією.

Розроблено комплект комп'ютерних програм, що дозволяє на основі універсальної математичної моделі ПА з гальмуванням одержувати перехідні процеси, енергетичні характеристики, докладний баланс енерговтрат, а також у процесі одного розрахунку визначати оптимальну координату гальмування РО ПА.

Результатом впровадження запропонованих у дисертації розробок у ВНДІгідропривод (м. Харків) з'явилося видання трьох методичних рекомендацій для Мінстанкопрома СРСР (1984 р., 1986 р., 1986 р.).

Результати дисертаційної роботи впроваджені на ВАТ «Пневматика» (м. Сімферополь, акт упровадження від 28.08.2010 р.), Корпорації «Гідроелекс» (м. Харків, акт упровадження від 1.10.2010 р.) і в навчальний процес кафедри «Гідропневмоавтоматика і гідропривод» НТУ «ХПІ» (акт упровадження від 20.10.2010 р.).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на: Міжнародних конференціях «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (Харків, 1999, 2001, 2002, 2005, 2008, 2010), XVI Всесоюзній науково-технічній нараді по гідравлічній автоматиці (1983, Київ), V Всесоюзному симпозіумі по пневматичним (газовим) приводам (1986, Тула), XVII Всесоюзній нараді «Пневмогідроавтоматика і гідропривод» (1990, Суздаль), Міжнародній науково-технічній конференції «Пневмо-гидро 90» (1990, Мишкольц, Угорщина), Міжнародній науково-технічній конференції «Интертехно 90» (1990, Будапешт, Угорщина), Міжнародному технічному семінарі (ВНДІгідропривод, 1996, Харків), XV Міжнародній науково-технічній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (2010, Київ).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 40 наукових працях, серед них: 34 робіт у фахових наукових виданнях ВАК України, 3 авторських свідотства.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків. Повний обсяг дисертації 447 сторінок, серед них 164 рисунка за текстом, 54 рисунка на 47 окремих сторінках, 17 таблиць за текстом, список використаних джерел інформації з 196 найменувань на 18 сторінках, додатки на 47 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтовується актуальність досліджень, формулюється мета й завдання дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення й особистий внесок автора.

У першому розділі зроблений огляд способів гальмування й позиціювання РО ПА. Викладені існуючі методи розрахунків ПА із пневматичними гальмовими пристроями. При огляді методів позиціювання РО ПА особлива увага приділяється методам, що ґрунтуються на використанні керуючих ЕОМ. Розглядаються структури таких ПА, що ґрунтуються як на використанні аналогового сервоклапана, так і дискретної пневмоаппаратуры. Приділена також увага огляду методів математичного моделювання (ММ) процесів у ПА. Крім того, дається аналіз методів розрахунку енергетичних характеристик ПА, а також способів зниження непродуктивних енерговитрат.

Фізичним об'єктом дослідження є системи гідропневмоагрегатів (ГПА), ув'язаних в єдину технологічну лінію й керованих ЕОМ. Типова технологічна схема такого ГПА наведена на рис.1.

Рис. 1. Принципова технологічна схема ГПА з комп'ютерним керуванням

У другому розділі розроблені класифікація, схеми й ММ ПА з гальмуванням шляхом зміни структури комутаційних зв'язків. При цьому способі пропонується процес гальмування й позиціювання здійснювати за рахунок раціонально підібраної послідовності підключення порожнин ПА з різними об'єктами комутації в процесі руху РО, тобто розглядати ПА як систему змінної структури (СЗС). Показано, що саме така система має необхідну функціональну гнучкість і найбільшою мірою орієнтована на сучасне комп'ютерне керування. На рис. 2 показані типові комутаційні ситуації при фіксації РО (рис. 2.а), а також для вихлопної (рис. 2.б) й робочої (рис. 2.в) порожнин при гальмуванні. Варіанти комутації порожнин циліндра відповідно до такої нумерації для випадку максимального початкового перепаду тиску (індекс I) наведені в табл. 1. Аналогічні таблиці отримані й для інших варіантів вихідного стану (фіксації) з індексами II, III і IV.

а) б) в)

Рис. 2. Типові комутаційні ситуації при фіксації (а) і гальмуванні РО (б, в)

На базі цих класифікаційних таблиць розроблений досить повний альбом з 20 схем і алгоритмів гальмування шляхом зміни структури комутаційних зв'язків за допомогою серійної пневмоапаратури, деякі з яких вибірково подані в табл. 2.

Для об'єктивного вибору найбільш раціональних варіантів гальмування й позиціювання розроблена єдина ММ, придатна для аналізу всіх схем ПА, а також обраний критерій оцінки їхньої ефективності.

Табл. 1. Варіанти комутації порожнин ПА у фазі гальмування

При складанні ММ використовувалися рівняння теплового (енергетичного) балансу для незамкнених порожнин газу (Мамонтов Н.А, Герц Е.В., Крейнін Г.В.). При порівняльному аналізі різних схем ПА здійснювався перехід до безрозмірної форми на основі принципу аналогічності тепломеханічних систем за способом Вишнеградського-Воронова-Мамонтова з урахуванням доповнення Хантлі, що дозволяє звести число незалежних змінних у диференційних рівняннях до мінімального числа критеріїв динамічної подоби.

На відміну від ММ типового двостороннього ПА (Герц Е. В., Крейнін Г. В.) створювалася єдина для всіх схем і алгоритмів керування система рівнянь, а ідентифікація певної схеми здійснювалася за допомогою логічно-алгебраїчних модулів , , , , , , , , , .

Наприклад, функція підключення об'єктів комутації з різними рівнями тиску для лівої і правої порожнин циліндра і ув'язувалася зі станами електромагнітів пневморозподільників (R, T). Так для схеми й алгоритму I.2.г:

(1)

Табл. 2. Схеми ПА з гальмуванням шляхом зміни структури комутаційних зв'язків (фрагмент)

№ п/п	Індекс схеми	Схема ПА	Карта керування
1	2	3	4
4	I.2. б		Ситуація	R	T
			ВПРАВО	роз	1	0
				гал	1	1
				фік	1	0
			ВЛІВО	роз	0	0
				гал	0	1
				фік	0	0
6	I.2. г		Ситуація	R	T
			ВПРАВО	роз	1	0
				гал	1	1
				фік	1	0
			ВЛІВО	роз	0	0
				гал	0	1
				фік	0	0
11	I.4. в		Ситуація	R	T
			ВПРАВО	роз	1	?
				гал	0	?
				фік	1	?
			ВЛІВО	роз	0	?
				гал	1	?
				фік	0	?

Корективи і імітують процес дискретної зміни пропускної здатності магістралей для лівої і правої порожнин при зміні структури комутаційних зв'язків у процесі руху РО. Функції , дискретно змінюють структури правих частин диференційних рівнянь математичної моделі, записаної у формі Коші, при переході від заповнення до спорожнення й навпаки.

При дослідженні енергетичних характеристик як споживана енергія використовувалася працездатність (ексергія) стисненого повітря, тобто максимальна корисна робота, яку можна одержати від термодинамічної системи в результаті оборотного переходу її до стану рівноваги з навколишнім середовищем. Показано, що якщо в ресивері й холодильнику компресора стиснене повітря приходить у термічну рівновагу з навколишнім середовищем, то енергія стисненого повітря, спожита в процесі одного спрацьовування визначалася як

(2)

де - відношення тисків у порожнині ПА і в об'єкті комутації; - відношення атмосферного тиску до магістрального; - температура повітря в магістралі; G - масова витрата в магістралі живлення; - витратна функція.

Універсальна ММ ПА в безрозмірній формі має вигляд:



де , , , - безрозмірні тиски й температури в робочій і вихлопній порожнинах пневмоцилиндра (ПЦ), - переміщення РО в безрозмірній формі.

У результаті числового інтегрування системи рівнянь (3) визначається осереднений за цикл ККД. Через те, що досліджувалися ПА з великим масовим навантаженням і гальмуванням РО наприкінці ходу, то як корисна робота крім враховувалася осереднена за цикл кінетична енергія рухомих частин.

(4)

де - відносна масова кількість стисненого повітря, спожита ПА в процесі одного спрацьовування; - густина повітря в магістралі живлення; - площа поршня; - повний хід; - безрозмірний час руху РО.

При нормуванні рівнянь ММ виділені основні критерії динамічної подоби:

критерій інерційності (безрозмірна маса) та = ? параметр навантаження, де - базова одиниця часу; - швидкість звуку при параметрах повітря в магістралі живлення; - ефективна площа тракту живлення.

Лінійна модель ПА дискретної дії. Традиційно лінійні моделі слідкуючих гідро-пневмоагрегатів будуються шляхом заміни реальних нелінійних залежностей дотичними (першими членами розкладання в ряд Тейлора). Для розімкнених дискретних ПА такий підхід виявляється неприйнятним через велику погрішність. Тому в основу лінеаризації була закладена заміна нелінійних залежностей січними. Рівняння січної для витратної функції шукалося у вигляді

де . Оптимальні значення коефіцієнтів і визначалися виходячи із принципу рівності інтегральних оцінок реальної функціональної залежності та її апроксимації, при реалізації якого середня помилка по витраті в необхідному діапазоні дорівнювала нулю:



Як додаткова умова досліджувалися різні варіанти проходження січної через характерні точки. Як показали числові розрахунки, найбільш точною є така лінеаризація витратної функції, коли січна проходить через точки, що відповідають сталим значенням тиску в робочій порожнині ПЦ і :

, тобто ; 1 = - 1. (5)

Аналогічно проводиться лінеаризація й інших нелінійних функцій.

Отримана система лінійних неоднорідних диференційних рівнянь третього порядку подавалася в матричній формі:

(6)

де - вектор змінних стану ПА; A - квадратна матриця постійних коефіцієнтів; - вектор задавальних функцій.

Кінцевий вираз для загального рішення неоднорідної системи (6) шукався у вигляді:

(7)

де H модальна матриця; H-1 матриця, зворотна матриці H, вектор початкових значень змінних; g() діагональна матриця експоненціальної функції . Змінні стану , , є елементами вектора загального рішення системи неоднорідних рівнянь. Зокрема, безрозмірна швидкість РО подається у вигляді:

, (8)

де - корені характеристичного рівняння.

Показано гарний збіг лінійних рішень (7) із числовими нелінійними рішеннями системи (3) на основі 160 варіантів порівняльних розрахунків.

У третьому розділі реалізована широка програма чисельних досліджень робочих процесів у схемах, отриманих на основі класифікації способів гальмування за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків з використанням математичних моделей, розроблених у другому розділі.

Дослідження проводилися із застосуванням безрозмірної форми запису рівнянь при однакових критеріях динамічної подоби. Як приклад на рис. 3 дається перехідний процес, отриманий при й .

Рис. 3. Перехідний процес для ПА зі схемою I.2. б (б)

Результати розрахунків зводилися в таблицю (табл. 3 наведена як приклад і відбиває 2 варіанти з 20), в якій для кожної схеми враховувалися: безрозмірний час спрацювання (), відносна кількість спожитого повітря (), максимальне негативне прискорення при гальмуванні (), осереднений за цикл ККД (), максимальний ступінь стискання (), відносний гальмівний шлях (), відносна вартість апаратурної реалізації (). В знаменнику приведені оцінки в балах по кожному показнику.

Табл. 3. Основні показники різних схем гальмування (фрагмент)

№ п/п	Індекс схеми								K
1	I.1. а
5	I.2. б

Коефіцієнт вагомості кожного показника визначався методом експертних оцінок. На підставі інформації, приведеної в табл. 3 підраховувався комплексний показник технічного рівня К

(9)

де - коефіцієнти вагомості; - оцінки в балах (у табл. 3 під рискою).

Зі схем з максимальним початковим перепадом (індекс I) максимальний коефіцієнт K мають схеми I.2. б і I.2. г (K = 25,1 і 25,2 відповідно). Тому схема I.2. б (схема №2) розглядалася як найбільш прийнятна при гальмуванні в умовах великих інерційних навантажень, що стало передумовою для розробки інженерної методики розрахунку, що ґрунтується на графіках

і

де та - безрозмірний час спрацьовування й координата гальмування. Один із восьми графіків, що охоплюють велику область існування ПА, що працюють за схемою I.2.б поданої на рис. 4.

При розрахунках на ЕОМ з метою мінімізації витрат машинного часу попутно було вирішене завдання автоматизованого визначення оптимального гальмового шляху.

Графіки і є основою інженерної методики розрахунку, коли при відомих умовах функціонування й параметрах ПА визначаються його критерії подоби й і обчислюються спочатку безрозмірні, а потім і розмірні значення часу спрацьовування й оптимального гальмового шляху.

Рис. 4. Залежність оптимального гальмового шляху й часу спрацьовування від основних критеріїв динамічної подоби й

Для синтезу структури й параметрів енергозберігаючого ПА був проведений всебічний ексергічний аналіз усіх компонентів енерговитрат стисненого повітря для схем I.4. в (схема №1) і I.2. б (схема №2). Як показав аналіз, основними джерелами втрат працездатності стисненого повітря є: втрати через неповноту розширення повітря в робочій порожнині (), через невідповідність фактичного показника розширення ідеальному (ізотермічному) (); втрати в шкідливому просторі (), втрати на дроселювання (), додаткові витрати на фіксацію РО ( ). Були отримані розрахункові формули для всіх компонентів енерговитрат. Наприклад:

(10)

де , - безрозмірні тиск і температура в робочій порожнині в момент відсікання притоку повітря (перемикання гальмового розподільника); - координата РО в момент відсікання.

Процентна діаграма енерговитрат для стисненого повітря, поданого в робочу порожнину ПА, що працює за схемою №1 подана на рис. 5. Зовнішня механічна робота здійснювана повітрям становить 21,8 %, і значна частина її витрачається на здійснення роботи виштовхування стисненого повітря з вихлопної порожнини. Великі невиробничі втрати пов'язані з надмірною простотою апаратурної реалізації найпростішої базової схеми I.4.в, коли в ПА, що має три фази руху вперед і три фази руху назад існує тільки дві комутаційні ситуації. В основу побудови енергозберігаючої схеми був покладений принцип: кожній фазі руху РО повинні відповідати найбільш оптимальні з погляду енергозбереження й швидкодії комутаційні зв'язки, які спочатку можуть бути описані словесно.

Із класифікаційної табл. 1 і рис. 2 найбільш ефективно цю проблему може вирішити набір комутаційних ситуацій, названий як III.2. г. При фіксації РО повинен використатися мінімальний перепад, при якому нижній рівень відповідає атмосферному тиску ( ), а верхній настроюється редукційним клапаном ( ).

На основі цієї класифікаційної ознаки була складена таблиця оптимальних комутаційних зв'язків для всіх 6-ти фаз руху.

Рис. 5. Процентна діаграма енерговтрат стисненого повітря в робочій порожнині схеми I.4. в (схема № 1)

Алгоритм синтезу енергозберігаючої схеми ПА на основі методу безроздільної декомпозиції рівнянь складається з послідовного виконання наступних пунктів, у відповідності до блок-схеми:

У результаті реалізації цього алгоритма були отримані залежності для виходів системи:

(11)

Шляхом введення внутрішніх змінних , , для системи були визначені пневматичні елементи (табл. 4), що реалізують систему рівнянь (11).

Таблиця 4

Елемент
Рівняння

Отримана структура ПА з алгоритмом керування розподільниками (рис. 6) повністю відповідає вимогам до енергозберігаючої схеми ПА.

Рис. 6. Енергозберігаюча структура ПА (схема № 3)



Рис. 7. Процентна діаграма енерговитрат стисненого повітря в робочій порожнині (схема № 3)

Процентна діаграма балансу енерговитрат для схеми №3 (рис. 7), отримана за тих самих умов функціонування, що й для схем №1 і №2, свідчить про істотне зниження невиробничих енерговитрат при одночасному збільшенні швидкодії при переході до схеми №3. Значне зниження енерговитрат і підвищення швидкодії при переході до схеми № 3 відбувається за рахунок того, що для здійснення зовнішньої механічної роботи використовується не тільки транзитна працездатність стисненого повітря, як у традиційних схемах ПА, але й потенційна енергія стискання (розширення), причому збільшується частка корисної зовнішньої роботи за рахунок зниження непродуктивної роботи виштовхування стисненого повітря з вихлопної порожнини через знижений протитиск. Другим важливим фактором енергозбереження є рекуперація в мережу енергії гальмування, запасеної в гальмівній порожнині. І, нарешті, третім джерелом енергозбереження є мінімізація витрат стисненого повітря на фіксацію РО.

Використання безрозмірних критеріїв динамічної подоби і дозволило при розрахунках на ЕОМ охопити широку область існування енергозберігаючої структури ПА, обмежившись порівняно невеликими витратами машинного часу. Обробка результатів розрахунку на ЕОМ дала можливість визначити область раціонального використання енергозберігаючої схеми в просторі параметрів і (один з таких графіків наведений на рис. 8).

Рис. 8. Залежність відносної маси спожитого повітря та осередненого ККД від параметрів і для схеми №3

Рис. 9. Визначення області раціонального використання енергозберігаючого ПА (схема №3)

Найбільш істотне зниження енерговитрат (рис. 8) при переході до схеми №3 досягається при , а при зниження є істотним лише при . При малих значеннях ( ) і більших значеннях ( ) використання ПА з енергозберігаючою структурою недоцільно, тому що не призводить до істотного зниження енерговитрат.

Виділення області раціонального використання енергозберігаючої схеми №3 у площині параметрів і (рис. 9) дозволило вирішити й завдання парметричного синтезу - вибір найбільш прийнятного діаметра пневмоциліндра, що забезпечує безумовну доцільність використання енергозберігаючої схеми. Виходячи з розмірів цієї області (площа ) вибір діаметра пневмоциліндра при заданому навантаженні (,), довжині ходу (), а також ефективній площі пневмолінії живлення знаходиться з нерівностей

. (12)

Зважаючи, що базова одиниця для маси повітря відповідає масі, необхідній для заповнення робочого об'єму ПЦ, графіки на рис. 8, 9 свідчать про те, що в області раціонального використання () вдається скоротити витрати стисненого повітря в раз у порівнянні із традиційними схемами ПА.

У цьому ж розділі проведена подальша модифікація енергозберігаючих ПА й отримані схеми з компресійно-приводним режимом роботи, в яких повітря з гальмівної порожнини не повертається в мережу, а накопичується у тій же порожнині, а потім використовується для зворотного ходу. Це дозволило ще більш ефективно використати енергію стисненого повітря. Однак використання описаного методу можливе лише при наявності механічних фіксаторів із пневмокеруванням.

Проведений також порівняльний аналіз роботи запропонованих схем з гальмуванням за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків і традиційних схем дросельного гальмування. Показано, що традиційні способи дросельного гальмування при не здатні ефективно здійснювати гальмування через розвинений коливальний процес і непередбачений закон зміни імпульсу гальмового тиску, тоді як схеми №2 і №3 забезпечують надійне гальмування аж до за рахунок створення режиму гальмування з контрольованим і регульованим імпульсом гальмового перепаду тиску на РО (рис. 21).

У четвертому розділі розробляється специфічна стратегія дискретного керування для створення режиму вільнопрограмованого позиціювання РО ПА, в основу якої покладені методи гальмування шляхом зміни структури комутаційних зв'язків. Причому найбільш привабливо виглядає ідея створення таких ПА з використанням стандартної релейної пневмоапаратури, що в значній мірі здешевлює такі пристрої. Показано, що легше за все домогтися реалізації цієї ідеї можна у випадку використання режиму самонавчання.

Перші спроби створення вільнопрограмованого ПА з режимом самонавчання (Крейнін Г. В., Кистиченко А. А., Погорєлов Б. В., Ульбріхт А., Франк В.) були реалізовані на пневмосхемах із дросельним гальмуванням із використанням двоетапного режиму позиціювання й могли ефективно працювати лише при дуже малих інерційних навантаженнях (). До того ж досить спрощений спосіб формування умови перемикання режимів не давав можливості при самонавчанні одночасно оптимізувати перехідний процес і за точністю позиціювання й за швидкодією.

В умовах позиційного керування найбільш перспективним видається використання ПА з дискретним керуванням, в якому висока швидкодія досягається за рахунок того, що більшу частину відстані між координатами позиціювання ПА проходить, залишаючись розімкнутим, без використання дроселюючих елементів у живильних і вихлопному трактах. Такі ПА, як і класичні слідкуючі системи, повинні бути оснащені датчиком положення й мати контур зворотного зв'язку, але замість аналогового сервоклапана, що реагує на величину й знак неузгодженості між вхідним сигналом і положенням робочого органу (РО), вони мають дискретний пневморозподільник із яскраво вираженою релейною характеристикою й реагують тільки на знак функції неузгодженості, причому остання у випадку відображення її у фазовій площині буде вважатися лінією перемикання.

Дослідження методом фазової площини й методом кореневого годографа показали, що найбільш прийнятними функціями неузгодженості (лініями перемикання) будуть:

(двоконтурний ПД-регулятор) і

(триконтурний регулятор)

де і - коефіцієнти зворотних зв'язків відповідно за швидкістю й перепадом тиску на пневмодвигуні.

Багатопозиційний ПА, побудований на таких принципах, є більш ефективним у системах позиційного керування й значно дешевшим за електропневматичні слідкуючі системи. Найбільш раціональним для подібного ПА видається 3-х етапний режим позиціювання, при якому перші два етапи: розгін і радикальне ("грубе") гальмування аж до першої зупинки РО здійснюються при розімкнутому ПА (траєкторія 0-1-2 на рис. 10), а третій етап являє собою відстеження лінії перемикання, коли один з розподільників (реверсивний) перемикається залежно від знака функції неузгодженості (траєкторія 2-3-). Функція неузгодженості представляється як деяка гранична лінія у фазовій площині й найчастіше це похила лінія (лінія перемикання), що проходить через точку позиціювання (рис. 10):

де - функція перемикання; , - поточна та задана координати РО; - швидкість РО; - коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю.



Рис. 10. Процес позиціювання у фазовій площині

Подібний режим позиціювання дозволяє реалізувати стратегію керування, що ґрунтується на самонавчанні (рис. 10), суть якої полягає в тому, що в режимі тестування нова координата радикального гальмування зале-жить від різниці , визначеної в результаті попереднього досліду:

(13)

де , - координата початку гальмування й координата першої зупинки РО при попередньому досліді; - коефіцієнт у межах від 1 до 2.

Тестування відбувається доки

де - задана похибка.

Оптимальним вважається такий режим, при якому в результаті тільки одного перемикання гальмового розподільника забезпечується позиціювання із заданою точністю, а третя фаза руху взагалі відсутня. Перехід до третього етапу позиціювання в експлуатаційному режимі можливий у тому випадку, коли умови функціонування змінюються настільки, що координата позиціювання в результаті закінчення гальмування вийде за межі заданої точності. У цьому випадку третій етап буде завжди здійснювати «страховку», тобто безумовне відпрацювання заданої координати позиціювання й зміну координати початку гальмування . Тому розроблену стратегію керування можна з усіма підставами вважати адаптивною.

Апаратурна реалізація триетапного процесу позиціювання була проведена на основі схем з гальмуванням (керуванням) шляхом зміни структури комутаційних зв'язків. Алгоритм синтезу керуючого пневматичного модуля був аналогічний принципу побудови схем гальмування шляхом зміни структури комутаційних зв'язків з урахуванням появи додаткової фази руху - відстеження лінії перемикання. Варіант комутації при вихідному стані (фіксації) позначався римською цифрою (I, II, III, IV), варіант комутації порожнин ПА в режимі радикального гальмування позначався арабською цифрою (1, 2, 3, 4), варіант комутації при відстеженні лінії перемикання - літерами а, б, в.

При побудові схеми використано алгоритм синтезу оптимальних структур ПА, що ґрунтується на методі безроздільної декомпозиції рівнянь (див. розділ 3). У результаті вдалося одержати систему логічних рівнянь, що описують умови роботи у вигляді:

(14)

де - введена внутрішня змінна; - сигнали перемикання розподільників (булєві змінні). Вводячи додаткові внутрішні змінні , і провівши необхідні перетворення був отриманий універсальний пневмомодуль керування, здатний ефективно реалізувати концепцію триетапного позиціювання із самонавчанням (рис. 11).

Рис. 11. Універсальний пневматичний модуль для триетапного позиціювання на базі 5-ти лінійного 3-и позиційного розподільника

На рис. 11 ПК - програмований контролер, ДП - датчик положення, БП1 - блок живлення інтерфейсної магістралі, БП2 - блок живлення вільнокомпанованих модулів контролера, МП - мікропроцесорний модуль, АЦП - аналогово-цифровий перетворювач, МВ - модуль виводу дискретних сигналів, ИМО - інтерфейсна магістраль.

Розроблений модуль має велику функціональну гнучкість. Деякі алгоритми керування з великої кількості можливих варіантів, реалізованих за допомогою цього пневматичного модуля, наведені в табл. 5.

Табл. 5. Програма керування пневморозподільниками при різних способах позиціювання (фрагмент)

Номер схеми	Фази руху					Номер схеми	Фази руху
I.3.б рух вправо	розгін	1	0	0	0	IV.2.в рух вправо	розгін	1	0	0	0
	Грубе гальмування	0	1	1	0		Грубе гальмування	0	1	0	0
	відстеж. Лінії перемикання	0	1	1			відстеж. Лінії перемикання	0	0	0
	фіксація	1	0	0	0		фіксація	0	0	0	0

Блок-схема програми керування контролера для одного з найбільш прийнятних алгоритмів I.3.б наведений на рис. 12 і зорієнтований на триетапний процес позиціювання з режимом самонавчання й відпрацьовуванням на третьому етапі пропорційно-диференційного закону керування.

Крім того, в четвертому розділі розробляється універсальна нелінійна ММ для багатопозиційного ПА з універсальним розподільним блоком (рис. 11), в основу якого покладена система рівнянь (3). Модель дозволяє однаковим способом досліджувати на ЕОМ усі варіанти й алгоритми позиціювання з урахуванням особливостей процесу позиціювання, відображених блок-схемою на рис 12.



Рис. 12. Блок-схема програми керування ПА із триетапним процесом позиціювання із самонавчанням для варіанта I.3.б

Пропонується також лінійна ММ на основі розробок другого розділу (6).

У п'ятому розділі спираючись на розроблену ММ за допомогою ЕОМ проведене дослідження впливу структури ПА, виду функції перемикання і її коефіцієнтів, швидкодії розподільників і пнемоме-ханічного фіксатора, алго-ритму керування, способу самонавчання на форму перехідних процесів, енерго-витрати й точність позиці-ювання РО. У результаті досліджень виявлено, що відомі способи позицію-вання із самонавчанням засновані на двоетапному режимі позиціювання з виходом на «повзучу» швидкість на останньому етапі (Крейнін Г. В., Ульбріхт А., Франк В.) коректували при самонавчанні тільки координату спрацьовування фіксатора, відрізнялися невисокою швидкодією й здатністю працювати тільки при низьких інерційних навантаженнях (). Дослідження показали, що використання в якості керуючого пневматичного модуля найпростішої структури ПА з мінімальним числом комутаційних ситуацій (Winston) і постійним відстеженням лінії перемикання (Linnet, Smith) у випадку використання двоконтурного ПД-регулятора призводить до появи коливальних процесів з великою амплітудою при . Це вимагає з метою забезпечення стабілізації процесу позиціювання застосування триконтурного регулятора, що ускладнює оптимізацію процесу позиціювання на основі самонавчання.

Як універсальний засіб для рішення проблеми позиціювання РО ПА з режимом самонавчання було досліджено можливості розробленого в 4 розділі вільнопрограмованого ПА (рис. 11).

Доведено, що алгоритм IV.2.в і частково I.2.в дозволяють реалізувати енергозберігаючий режим позиціювання (рис. 13). При великому інерційному навантаженні ( ) і досить великих відстанях між координатами позиціювання () цей алгоритм забезпечує зниження енерговитрат в 3?4 рази порівняно з базовою схемою (алгоритм I.1.а).

Рис. 13. Процес позиціювання за алгоритмом IV.2.в

Однак недолік цього алгоритму - велике від'ємне прискорення при гальмуванні й великий часовий проміжок між початком «грубого» гальмування й початком відстеження лінії перемикання (рис. 13) створює проблеми при відпрацюванні малих відстаней між координатами позиціювання особливо, коли гальмова порожнина ПЦ являє собою ємність великого об'єму, тобто при . У цьому випадку спостерігався великий перебіг поршня, що досягав подвоєного значення координати позиціювання, а також неможливість відшукати оптимальну координату позиціювання на основі рекурентної формули (13), що змушувало ПА увесь час працювати в режимі триетапного позиціювання. Остання обставина знижувала швидкодію ПА, що працював у цих умовах. Найбільш раціональним при найрізноманітніших умовах експлуатації виявився алгоритм I.3.б (табл. 5). Програючи алгоритму IV.2.в в енергетичних характеристиках він виявив виняткову «всеїдність» при варіюванні масовим навантаженням у широких межах, при різних координатах позиціювання, забезпечуючи жорстке відстеження лінії перемикання й «м'який» режим гальмування й позиціювання (рис. 14).

Схема з алгоритмом I.3.б успішно здійснює позиціювання при та При всіх координатах позиціювання забезпечується швидкий процес самонавчання (рис. 15), причому перехід до оптимального двоетапного режиму позиціювання забезпечує скорочення часу спрацювання в порівнянні з первісним у 2?2,5 рази (рис. 15).

Рис. 14. Перехідний процес для ПА з алгоритмом I.3.б

Дослідження показали, що в процесі самонавчання особливо важлива третя фаза - відстеження лінії перемикання. Тут крім вибору раціональної схеми й алгоритму керування більшу роль відіграють налаштування. Вплив інерційності рухомих частин і стисливості повітря, які перешкоджають жорсткому відпрацюванню лінії перемикання, можна деякою мірою компенсувати за рахунок збільшення коефіцієнта зворотного зв'язку за швидкістю . При досить великих значеннях негативний вплив цих факторів взагалі усувається, тому що динамічна модель ПА вироджується в рівняння лінії перемикання (режим ковзання) (рис. 16).

Рис. 15. Процес самонавчання для ПА з алгоритмом I.3.б

Рис. 16. Фазові траєкторії РО при зміні

Однак це супроводжується досить серйозним негативним фактором - збільшенням часу спрацьовування ПА () і числа перемикань пневморозподільника (n) рис. 17; що неприпустимо через швидке його зношування. Існування яскраво вираженого мінімуму у функціональній залежності часу позиціювання від коефіцієнта дозволяє зробити обробку результатів розрахунку на ЕОМ і побудувати графіки в безрозмірній формі, що полегшують вибір цього коефіцієнта. Один з таких графіків представлений на рис. 18.

Рис. 17. Вплив на число перемикань розподільника n і час позиціювання

Рис. 18. Залежність оптимальних коефіцієнтів і координат початку гальмування від критеріїв подоби і

Встановлено, що роль зворотного зв'язку за перепадом тиску при переході до триконтурного регулятора - в зниженні інерційності порожнин циліндра, зв'язаної зі стисливістю повітря. Без такого зворотного зв'язку не можуть працювати найпростіші пневмосхеми керування (Winston). Але зі збільшенням коефіцієнта також зростає кількість і частота перемикань розподільника й знижується точність позиціювання.

У результаті досліджень визначено, що важливим елементом у забезпеченні необхідної гнучкості ПА (на рис. 11 з алгоритмом I.3.б) є можливість зміни перепаду тиску на РО в режимі відпрацювання лінії перемикання.

Рис. 19. Процес позиціювання у фазовій площині для ПА з алгоритмом I.3.б при різних настроюваннях тиску редукційного клапана КР2

Ефект від використання мінімального перепаду тиску ідентичний ефекту від уведення додаткового зворотного зв'язку за перепадом тиску (рис. 19). Можливість варіювати тиск допомагає адаптувати роботу розподільного модуля (рис. 11) з алгоритмом I.3.б до найширшого діапазону інерційних навантажень ( ). Доведено, що можливість роботи з мінімальним перепадом тиску на РО знижує чутливість перехідного процесу до збільшення часової затримки в системі керування, а також дає можливість домогтися більш високої швидкодії за рахунок зниження коефіцієнта .

Як показали дослідження, часове запізнювання у системі керування може стати найсерйознішою перешкодою при вирішенні завдання позиціювання з використанням стандартної дискретної пневмоапаратури.

, (15)

де - період дискретності керуючої ЕОМ; - сумарне запізнення електричних елементів; - запізнення в спрацьовуванні пневморозподільника, що становить левову частку в .

Найбільш стійким до цього несприятливого фактора є алгоритм I.3. б. Але при досить великих значеннях і в цьому випадку процес відстеження лінії перемикання стає нестійким. На рис. 20.а показано, що при лінія перемикання трансформується у дві лінії перемикання та , причому ці лінії були отримані аналітичним способом на основі розв'язання рівнянь лінійної моделі (розділ 2).

а) б)

Рис. 20. Процес позиціювання при відпрацьовуванні реальної лини перемикання з урахуванням тимчасового запізнення в системі керування (а) і стабілізація процесу позиціювання при використанні модифікованої лінії перемикання (в)

Найбільш універсальний засіб «парирування» цього явища ґрунтується на програмних методах. Показано, що лінію перемикання в цьому випадку доцільно подати у вигляді променя, що виходить із точки позиціювання (рис. 20.б). Перемикання розподільника Р1 виконується за програмою, що має «попереджувальний» (випереджальний) характер (точки 1, 2, 3 на рис. 20.б).

(16)

У результаті такої модифікації процес позиціювання повністю стабілізується (рис. 20.б).

Гарні результати також дає й інша модифікація, коли фазова область розбивається на три підобласті двома похилими прямими й керування виконується за схемою:

(17)

У розділі проведені дослідження впливу затримок у часі спрацьовування фіксатора, у результаті чого отримані рекомендації з усунення впливу цього негативного фактора.

Досліджувався також вплив інших факторів і можливості інших алгоритмів позиціювання. Наприклад, алгоритм I.2. б доцільно використовувати при малих інерційних навантаженнях (), тому що він забезпечує більш плавний режим гальмування, але при досить великих відстанях між точками позиціювання ().

У шостому розділі проведені експериментальні дослідження дослідних макетів ПА з енергозберігаючою схемою (схема на рис. 6), а також дослідного макета вільнопрограмованого ПА (схема на рис. 11) з алгоритмом I.3.б. Як альтернатива досліджувався дослідний макет із дросельним гальмуванням із дво- і триетапним режимом позиціювання з виходом на «повзучу» швидкість на другому етапі (Крейнін Г.В., Ульбріхт В. і т.д.).

Основні завдання, які вирішувалися в ході експериментальних досліджень були пов'язані, по-перше, з перевіркою ідентичності результатів машинного й фізичного експериментів, по-друге з експериментальним підтвердженням основних висновків, зроблених у ході теоретичних досліджень.

Як виконавчі механізми на стенді використовувались два типи пневмоциліндрів: ПЦ 112-100-0400 (D=100 мм, dШ=25 мм, L=400 мм) і довгоходовий циліндр C92В50-1000В («SMC», Японія), оснащений пневматичним фіксатором (D=50 мм, dШ=16 мм, L=1000 мм). Крім самої пневматичної схеми керування на стенді були змонтовані тензометричні датчики тиску (ТДДМ), датчик переміщення реохордного типу (ДП), датчик швидкості ДС (тахогенератор постійного струму ТГП-1). Ці датчики, працюючи в комплексі з тензостанцією ТА-5 і шлейфовим осцилографом Н-115, використовувалися для реєстрації й запису перехідних процесів на світлочутливому папері.

Циліндр C92В50-1000В комплектувався інкрементальним фотооптичним датчиком положення JRC-111 (Чехія), що працював у комплекті з контролером МУ 58.01 і керуючою ЕОМ. Крім основного призначення як елемента зворотного зв'язку в системі керування багатопозиційним ПА датчик виконував також функцію вимірювально-інформаційного вузла й здійснював виведення точної інформації про положення й швидкість РО в цифровому виді на монітор ЕОМ.

Експериментальні дослідження на дослідному макеті підтвердили високі експлуатаційні характеристики ПА з гальмовим шляхом зміни структури комутаційних зв'язків: здатність працювати з великими інерційними навантаженнями, високою швидкодією при плавному безударному спрацюванні, значне зниження споживання стисненого повітря за рахунок раціонального використання його працездатності, передбачуваний і контрольований імпульс гальмового тиску, що забезпечує найбільш раціональний характер гальмування - рівносповільнений (рис. 21).

Рис. 21. Осцилограма перехідного процесу в ПА, що працює за схемою №3 (III.2.г)

Рис. 22. Результати обробки осцилограм для схеми №3

Підтверджено, що ефективність використання енергозберігаючих схем ПА зростає з ростом інерційного навантаження. Доведено, що зі зменшенням інерційного навантаження зростають втрати транзитної працездатності стисненого повітря у вигляді втрат на дроселювання й збільшуються втрати, пов'язані з неефективністю використання потенційної енергії стисненого повітря (рис. 22).



а) б)

Рис. 23. Функція розподілу помилки позиціювання для ПА з алгоритмом I.3.б без робочої корекції (а) і з робочою корекцією (б)

Дослідне вивчення багатопозиційних макетів ПА з дискретним мікропроцесорним керуванням підтвердило можливість адаптивного керування на базі двох схем: схеми з режимом позиціювання «розгін-гальмування-повзуча швидкість» з адаптацією точки спрацьовування фіксатора, побудованої на дросельному гальмуванні й запропонованої в цій роботі схеми із триетапним гальмуванням «розгін-радикальне гальмування-відстеження лінії перемикання виду », побудованої на гальмуванні за рахунок зміни структури комутаційних зв'язків.