Výuka předmětu "Řízení elektrohydraulických pohonů" na katedře ATŘ fakulty strojní VŠB TU Ostrava


Noskievič, Petr

Doc., Ing., CSc. Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 00 petr.noskievic@vsb.cz

1. Abstrakt

Na katedře automatizační techniky a řízení fakulty strojní Vysoké školy báňské - Technické university Ostrava získávají studenti oboru "Automatické řízení a inženýrská informatika" v rámci povinných předmětů široký a do hloubky jdoucí základ znalostí automatického řízení, metod identifikace , modelování a simulace systémů, projektování řídicích systémů. Získané obecné teoretické znalosti automatického řízení si mohou studenti prohloubit o oblast řízení elektrohydraulických pohonů v rámci volitelného předmětu Řízení elektrohydraulických pohonů. V příspěvku jsou shrnuty výsledky výuky, řešení diplomových a doktorandských prací tohoto odborného aplikačního zaměření automatického řízení za poslední čtyři roky.

2. Zaměření předmětu

Elektrohydraulické regulované systémy zaujímají rostoucí podíl v aplikacích hydraulických pohonů. Úspěšněji se prosazují v projekční praxi vzhledem k širokým možnostem kompaktních číslicových regulátorů umožňujících parametrizaci různých typů regulátorů. Řídicí systémy výrazně ovlivňují komplexnost funkcí výrobních strojů a technologických zařízení. Úspěšné a racionální zvládnutí aktuálních požadavků projekční praxe vyžaduje umět při projekčním řešení posoudit reálné vlastnosti hydraulického pohonu a možnosti řídicího systému, což předpokládá znalost vlastností elektrohydraulických pohonů.

Předmět "Řízení elektrohydraulických pohonů" teoreticky navazuje na obecné předměty oboru Automatické řízení a inženýrská informatika - zejména na teorii automatického řízení, identifikaci systémů, modelování a simulaci, prostředky automatického řízení. Obsahově navazuje na volitelný předmět "Řízení pohonů" nabízený katedrou hydromechaniky a hydraulických zařízení a pokrývající problematiku různých typů pohonů. Získané teoretické poznatky jsou aplikovány na podrobně probrané řízené systémy.

Cílem předmětu je seznámenní se strukturou, prvky, návrhem, systémy řízení a aplikacemi elektrohydraulických pohonů, zejména elektrohydraulických servomechanismů. Po výkladu funkce používaných prvků pro plynulé řízení průtoku a tlaku jsou odvozeny jejich matematické modely, které jsou dále použity pro syntézu zpětnovazebního řízení. Jsou probírány polohové servomechanismy, rychlostní a tlakové (silové). Syntéza řízení vychází jak z klasických metod, tak se stavového řízení ( stavová zpětná vazba, pozorovatel), jsou probírány aplikace spojitého i diskrétního řízení, nekonvenční metody řízení. Dynamická analýza pohonů se provádí pomocí simulačních experimentů. Jsou vyloženy možnosti technická realizace systémů řízení pomocí analogové a číslicové techniky, programovatelných automatů, řídicích počítačů.

Obsah předmětu v rozsahu 2+2 je rozčleněn do přednáškových témat uvedených v tabulce 1.

Tabulka 1: Obsah předměru Řízení elektrohydraulických pohonů
Č.Téma přednášky
1.Struktura elektrohydraulického pohonu, jeho základní prvky. Zdroje tlaku, prvky pro řízení průtoku a tlaku, spotřebiče, snímače, elektronické zesilovače.
2.Řízení elektrohydraulických pohonů, zpětnovazební řízení, elektrohydraulické servomechanismy.
3.Řízení elektrohydraulických pohonů, zpětnovazební řízení, elektrohydraulické servomechanismy.
4.Matematický model elektrohydraulického servomechanismu s přímočarým a rotačním hydromotorem.
5.Elektrohydraulické polohové servomechanismy, syntéza řízení, stavová zpětná vazba.
6.Syntéza stavového řízení, pozorovatel systému.
7.Elektrohydraulické rychlostní servomechanismy.
8.Elektrohydraulické tlakové, silové servomechanismy.
9.Kombinované pohony, synchronizace pohonů.
10.Snímače stavových veličin elektrohydraulických pohonů.
11.Řídicí systémy pro realizaci elektrohydraulických servomechanismů.
12.Programovatelné automaty, průmyslové řídicí počítače - použití při řízení hydraulických pohonů. Kompaktní číslicové regulátory.
13.Energeticky úsporné koncepce elektrohydraulických pohonů.
14.Uvádění do provozu, provoz a bezpečnost elektrohydraulických pohonů.
15.Průmyslové aplikace elektrohydraulických regulovaných pohonů.

I přes klesající počet absolventů fakulty a také oboru automatizační technika a řízení a intenzivní zájem o populární zaměření studia na inženýrskou informatiku umožnil počet přihlášených studentů otevřít v tomto školním roce uvedený nepovinně volitelný předmět již po třetí od jeho zavedení v roce 1995 (pouze v roce 1996 nebyl otevřen).

3. Diplomové práce

Přednášená problematika je také základem pro samostatné hlubší studium diplomantů oboru s  navazujícím tématem diplomové práce. Od roku 1994 bylo na katedře ATŘ zpracováno 5 diplomových prací inženýrského studia uvedeného zaměření:
Milata, J.:Řízení elektrohydraulického servopohonu pomocí průmyslového PC systému 1996
Biza, M.:Simulace elektrohydraulických pohonů 1997
Piechota, H.:Aplikace fuzzy řízení při návrhu regulačních obvodů hydraulických pohonů 1997
Smilek, K.:Počítačová podpora identifikace, simulace a syntézy řízení hydraulických pohonů 1998
Valošek, J.:Aplikace fuzzy přístupu při syntéze řízení hydraulických pohonů 1998

a jedna bakalářská diplomová práce:
Sláčal, P.:Simulace a řízení elektrohydraulického pohonu s využitím programu SIPRO s prezentací v prostředí INTRANETu 1998

Uvedení diplolmanti se účastnili celostátních kol STOČ a umístili se na předních místech v sekcích automatizační techniky, diplomové práce byly kladně hodnoceny u obhajob.

V rámci experimentální činnosti diplomantů bylo v minulém školním roce v laboratoři katedry uvedeno do provozu laboratorní experimentální pracoviště, které umožňuje realizovat základní úlohy řízení přímočarého elektrohydraulického servopohonu pomocí analogového regulátoru, ověřit číslicové řízení pomocí připojeného osobního počítače, provádět identifikační experimenty.

Diplomové práce [SMILEK, K. 1998, VALOŠEK, J. 1998] byly zaměřeny na experimentální identifikaci elektrohydraulického pohonu a aplikaci fuzzy přístupu při syntéze řízení. V prvním případě bylo pro řízení experimentu použito prostředí MATLAB s Real Time Toolboxem a multifunkční kartou AD512. Návrh a ověření fuzzy přístupu bylo provedeno s využitím programového souboru WinFACT96 a uvedené multifunkční karty.

Obr. 1 ukazuje připojení zkušebního elektrohydraulického servopohonu k osobnímu počítači vybavenému multifunkční kartou AD512 a programovým prostřebím MATLAB včetně RealTime Toolboxu pro řízení experimentu.

Obr. 1. Připojení zkušebního servopohonu k osobnímu počítači

Výsledky experimentální identifikace elektrohydraulického servopohonu při buzení soustavy signálem o náhodné úrovni a počátečním vysunutí pístnice 0,02 m použitím modelu ARMAX obr. 2 a obr. 3 [SMILEK, K. 1998].


Obr. 2. Průběh akční veličiny a změřené polohy

Obr. 3. Porovnání naměřeného průběhu a průběhu vzniklého simulací na získaném modelu

3. Doktorandské práce

Problematiku elektrohydraulických systémů a jejich řízení rozvíjí i v současné době řešené doktorandské práce dvou interních a jednoho externího doktoranda.

Aplikace fuzzy řízení a znalostních systémů při řízení hydraulických pohonů je téma doktorandské práce doktoranda v druhém ročníku PGDS. Cílem práce je komplexní využití znalostních metod při syntéze fuzzy regulátorů a jejich použití při řízení různých typů aplikačních úloh elektrohyraulických servopohonů [NOSKIEVIČ, P., BIZA, M. 1998].

Energeticky úsporné koncepce elektrohydraulických systémů a možnosti jejich realizace s využitím frekvenčních měničů pro řízení hydraulických agregátů je zaměření doktorandské práce studenta PGDS v prvním ročníku a externího doktoranda [NOSKIEVIČ, P. 1998].

4. Závěr

Systémové řešení elektrohydraulických pohonu - od systémové analýzy, přes identifikaci, modelování, simulaci až po syntézu řízení s využitím klasických i nekonvenčních přístupů a návrh technické realizace navržených algoritmů - představuje okruh problémů, který je dlouhodobě sledován a uceleně pěstován v rámci pedagogické a výzkumné činnosti, kontaktu s praxí a uceleně nabízen studentům inženýrského studia rámci volitelných předmětů, řešení diplomových prací a postgraduálního doktorandského studia.

Vzhledem k úzkému kontaktu s průmyslovou praxí a pochopení představitelů mnohých firem bylo i v současných podmínkách možné vytvořit na katedře ATŘ skromné experimentální zařízení pro podporu badatelské činnosti a vznik hodnotných diplomových a výhledově i doktorandských disertačních prací.

5. Literatura

NOSKIEVIČ, P. 1998. Energetická bilance elektrohydraulických systémů. In: Proceedings of the 3th International Conference New Trends in Automation of Energetic Processes 98 s.335-339. Zlín,19-20th May 1998. ISBN 80-214-1094-9.

NOSKIEVIČ, P., BIZA, M. 1998. Využití znalostních metod při regulaci elektrohydraulického servomechanismu. In: Workshop 98 Fakulty strojní, s.82-88. VŠB-TU Ostrava,1995. ISBN 80-7078-541-1.

SMILEK, K. 1998. Počítačová podpora identifikace, simulace a syntézy řízení hydraulických pohonů. Diplomová práce, katedra ATŘ, FS VŠB TU Ostrava, 1997. 56 s.

VALOŠEK, J. 1998. Aplikace fuzzy přístupu při syntéze řízení hydraulických pohonů. Diplomová práce, katedra ATŘ, FS VŠB TU Ostrava, 1997. 66 s.