UNIVERSITATEA ECOLOGICA DIN BUCURESTI FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALA

Modelarea i simularea unui sistem hidromecanic

Student : Duan Ionu-Marius Anul 4, zi

Bucureti 2012

Prezentarea programului SimHydraulics este un mediu de modelare i design oferind posibilitatea de simulare a sistemelor hidraulice prin intermediul programului Simulink din Matlab.

Figura 1 Familia de produse pentru simularea sistemelor fizice

Este bazat pe Physical Networks din toolbox-ul Simscape i conine un set de elemente hidraulice bine dezvoltate pe lng cele electrice i mecanice n Foundation Library din Simscape.

Figura 2 Elemente specifice i de baz din Foundation Library

Posibiliti i limite de modelare SimHydraulics se poate folosii pentru analiza sisteme hidro-mecanice inclusive n regim tranzitoriu. Exist posibilitatea de a crea modele specifice pe lng cele standard din librria Foundation library. SymHydraulics este dezvoltat n special pentru modelarea sistemelor de control cu pistoane ca parte dintr-un sistem de control complex. Se poate folosii totodat i parametrii din spaiul de lucru din sistems. Posibilitile prezentate nu includ urmtoarele: Transportarea fluidelor Sisteme de irigaie Sisteme cu parametrii distribuii

SimHydraulics este bazat pe principiul transformrii izotermice: pe timpul experimentelor temperatura este presupus s rmn constant.

Modelarea sisteme lor fizice

SimHydraulics este bazat pe Simscape, platforma de Simulink pentru modelarea sistemelor fizice. Astfel SimHydraulics se integreaz n mediul Simulink/Matlab, diferena dintre blocurile din Simulink i SimHydraulics fiind faptul c pn cnd blocurile din Simulink reprezint blocuri matematice, acestea n SimHydraulics devin blocuri fizice, cu parametrii afereni. Astfel folosirea programului SimHydraulics presupune cunoatine de baz de Simulink/Matlab. Modelele de SimHydraulic au la rdcin modelele Simscape, astfel trebuie adugat la fiecare model cte un Solver Configurator bloc. Se pot construii modele multidomain conectnd elemente mecanice, electrice i hidraulice.

Figura 3 Modele multidomain

Pentru interconectarea diferitelor elemente se vor apela la convertoare de semnal Simulink-PS converter respectiv PS-Simulink converter din librria Simscape. Parametrii la blocul de conversie sunt n SI i au la baz metrul, kilogramul i secunda.

Figura 4 Proprieti de la blocul de conversie

SimHydraulics introducere in modelarea sistemelor hydraulice

n acest capitol se vor prezenta elementele de baz a modelrii sistemelor hidraulice. Introdu cerea blo curilor din cad rul librriei SimHydraulics Pe lng elemente de la Simscape librria din SimHydralulics include elemente specifice pentru modelarea sistemelor hidraulice care se pot conecta la elemente din Simscape. Astfel structura librriei se regsete astfel: Foundation library Conine blocuri de baz pentru sisteme hidraulice, mecanice i fizice. SimHydraulics library Conine elemente avansate hidraulice cum ar fi pompe, robinei, etc. Utiliti library Conine elemente de baz pentru modelarea sistemelor fizice.

Figura 5 Structura de librrii din SimHydraulicss

Pentru a deschide librria de SimHydraulics se poate introduce comanda sh_lib n Matlab. Pe lng combinarea elementelor din aceste librrii se mai pot folosi i elementele din Simulink pentru modelarea i simularea sistemelor fizice.

Reguli de baz pentru a crea un model Regulile de baz de la crearea modelelor de SimHydraulics provin de la regulile de la Simscape. n urmtoarele puncte se vor sumariza aceste reguli: SimHydraulics in general permite folosirea punctelor de Conservare i semnalelor Physical Signals pentru intrare i ieire. Exist trei tipuri de porturi de Conservare: hidraulic, mecanic de translatare, mecanic de rotaie. Fiecare port are o specific variabil Through i Across. (e.g. presiune i debit). Se pot interconecta numai porturi de conservare de aceeai tip. Porturile de conservare sunt bidirecionale i nu se pot conecta la linii de semnale din Simulink. Dou puncte de conservare conectate ntre ele trebuie s aib acelai caracteristic fizic. Se pot ramifica conexiunile fizice, ns mrimile fizice care trec prin seciune respectiv vor fi mprite conform structurii sistemului respectiv. (e.g. legea lui Ohm, suma curenilor, etc) Se pot interconecta semnale ntre blocurile din Simscape i Simulink, ns trebuie apelat la un bloc de conversie (PS-Simulink sau Simulink-PS). n contrast cu Simulink, n acest caz semnalele au uniti de msur. Se pot folosii blocuri de conversie pentru a modifica unitile respective.

n general este recomandat s se porneasc de la modele simple, dezvoltarea fcnd modular. n acest mod se poate asigura o pstrarea unei viziuni clare asupra modelului dezvoltat. Folo sirea fluid elor specia le n modelare Schimbarea fluidului n model va afecta parametrii globali n sistem. Parametrii respectivi intervin n ecuaiile de simulare din model. n cadrul programului se poate specifica dou categorii de fluide: Blocuri predefinite Hydraulic Fluid: acestea conin parametrii predefinii pentru anumite de fluide standard precum benzin, motorin, ulei. Blocuri Custum Hydraulic Fluid: permite specificarea parametrilor de fluid din sistem: viscozitate, temperatur, densitate, procentul de aer prezent n fluid.

Figura 6 Parametrii pentru fluid din sistem

SimHydraulics Crearea unui simplu model

n aceast parte se va prezenta cum se poate crea un model simplu in SimHydraulics. Schema care va fi creat este prezentat pe Figura 7. Acesta conine un cilindru hidraulic care este controlat de un distribuitor. Cilindrul va pune n micare o mas cu legat la un resort i cu fora de frecare viscoas.

Figura 7 Schema sistemului hidraulic

Partea de putere a schemei este alctuit dint-un motor, o pomp hidraulic i supap de purjare. Pompa este considerat destul de puternic pentru a conine o presiune constant la valv. Astfel va reprezentat pe diagram cu o pomp idealizat. Pentru a crea modelul in Simulink se vor urmrii paii: 1. Se deschid librriile Simscape i Simulink 2. Se deschide un model nou din Simulink. File, New. 3. Din Simscape > Foundation Library > Hydraulic> Hydraulic Sensors and Sources se va alege un bloc Ideal Hydraulic Pressure Source, i se va plasa pe modelul nou. 4. Se alege din Simscape > SimHydraulics > Hydraulic Cylinders un Single-Acting Hydraulic Cylinder. 5. Pentru valv se va alege din Simscape > SimHydraulics> Valves library o valv 3-Way Directional Valve care se poate gsii n sublibrria Directional Valves respectiv un 2-Position Valve Actuator din Valve Actuators. 6. Ieirea T de la valv este conectat la un tank la presiunea atmosferic. Pentru a modela acesta se va conecta ieirea la o referin hidraulic de la Simscape > Foundation Library > Hydraulic> Hydraulic Elements. Se va conecta i ieirea T de la sursa de presiune la referin. Se vor mai aduga conexiunile conform figuriiFigura 8.

Figura 8 Sursa, valva, actuatorul i cinlindrul

7.

Pentru modelarea sarcinii mecanice se vor alege blocurile Mass, Translational Spring, Translational Damper, Mecanical Translational Reference din Open the Simscape >Foundation Library > Mecanical > Translational Elements library. Aceste elemente se vor conecta conform figuriiFigura 9

Figura 9 Elementele mecanice conectate la sistemul hidraulic

8. Pentru vizualizarea caracteristicilor se vor mai aduga surse i Scope-ri din Simulink. Pentru interconectare va fi nevoie de blocuri de conversii de tip Simulink-PS i PS-Simulink. Fiecare model de tip Simscape are nevoie de un bloc Solver Configuration. Pe lng acest bloc se va mai aduga un Hydraulic Fluid bloc pentru a specifica parametrii fluidului din sistem. Legturile se vor efectua conform figuriiFigura 10.

Figura 10 Intrri-ieiri n sistem i blocuri de configurare

Pentru a modifica parametrii iniiali din sistem se vor urmrii paii: 1. Se va modifica parametrii din Simulation > Configuration Parameters(Ctrl+E) Solver la ode15s cu Max step size 0,2. 2. Pentru a selecta fluidul din sistem, se va apela la blocul Hydraulic Fluid. Se va selecta Skydrol 5, cu parametrul 0,002 la Relative amount of trapped air, i 40 la temperatur. 3. Pentru a specifica valoarea de intrare n pompa ideal se va schimba valoarea constantei la 10e5 respectiv la blocul de conversie dup constant se va opta pentru Pa ca i unitate de mrime. 4. Avnd n vedere c la actuatorul de valv parametrul Nominal Signal Value este presetat la 24, se va seta amplitudinea din blocul de sinus la o valoare care este peste valoarea de 50% din valoarea presetat la valv, e.g. 20. 5. Se vor seta parametrii la cilindru i valv conform figurii Figura 1Figura 11

Figura 11 Parametrii la cilindru i valv

6. Se va seta valoarea de la blocul de mas la 4,5 kg, coeficientul de amortizarea la 250 Ns/m, iar coeficientul de elasticitate de la resort la 6e3 N/s cu deformaia iniial de 0,02m. 7. Se vor salva modificrile din model. Pentru a simula sistemul obinut se va apsa Ctrl+T. S explicai urmtoarele: n funcie de ce se va obtura poziia de la valv? La poziia de la cilindru: de ce va revenii cilindrul n poziia iniial? Se va modifica amplitudini de la semnalul de intrare sinusoidal la valoarea de 50. Ce se ntmpl la semnalul de la valv i cilindru? Se va schimba constanta de elasticitate de la resort la valoarea de 12e3 N/m. Ce se ntmpl cu poziia cilindrului fa de cazul precedent? Explicai. Se va opta pentru unitate de msur n mm la convertorul de semnal de la poziia de la cilindru. Ce se observ la ieirea de la Scope cu poziioner dup simulare?

SimHydraulics modelarea i simularea unui sistem hidro-mecanicScopul acestui capitol este de a da un exemplu de simulare de la un sistem mai complex de la o aplicaie de stivuitor. Va fi tratat problema modelrii sistemului hidraulic, modelul mecanic presupus deja existent. Crearea modelului de acionare hidraulic Se va crea configuraia de sistem de pe Figura 12 care va fi capabil s acioneze sistemul mecanic de la escavator.

Figura 12 Sistemul hidraulic cu element de acionare ideal

Parametrii elementelor din sistem vor fi setate pe: Intrarea de sinus: amplitudine: 0,005, frecven: 1 Presiune nominal la pomp: 1e+07 Valva de maxim: Value pressure:1e5, value regulation 1e4 Cilindru: default Distribuitor: default Masa 1kg Coeficientul elastic: 1000 Coeficientul de amortizare: 100 Fluid: Skydrol DL4

Se va simula sistemul i se va interpreta rezultatul obinut. Simularea sistemului mecanic n circuit nchis Pentru acesta se va deschide modelul Wheel_Loader_Closed_Loop i se va simula.

Figura 13 Schema de conexiune pentru sistemul mechnic n sircuit nchis

Conectarea sis temului de acionare hidraulic la cel mecanic n aceast parte vor fi interconectate sistemele. Se va copia ntr-un nou model sistemul hidraulic i sistemul hidraulic deja construit. Parametrii de la sistemul hidraulic vor fi schimbate conform datelor de mai jos:

Figura 14 Paramerti pentru cilindru i distribuitor

Valva de maxim: Value pressure: 19700e3, value regulation 19700e2 Saturaia: -0.015,+0.015 Intrarea de sinus: amplitudine: 1 , frecven: 1.4*pi Solver: relative tolerance 1e-8

Figura 15 Conectarea sistemului de acionare hidraulic la sistemul mecanic

Dup setarea parametrilor se vor interconecta cele dou sisteme conform figuriiFigura 15 Se va observa comportarea sistemului. Se vor vizualiza osciloscoapele din modelul mecanic.