Малышев Вячеслав Николаевич. Оптимизация по многим критериям при выборе конструкции автономного электрогидравлического привода : Малышев Вячеслав Николаевич. Оптимізація за багатьма критериями при вибудові конструкцій автономного електрогідравлічного приводу

Краткое описание

Малышев Вячеслав Николаевич. Оптимизация по многим критериям при выборе конструкции автономного электрогидравлического привода : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.13 / Малышев Вячеслав Николаевич; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана].- Москва, 2009.- 180 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2147

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н.Э.БАУМАНА
На правах рукописи УДК 62-522
04200956183 Малышев Вячеслав Николаевич
ОПТИМИЗАЦИЯ ПО МНОГИМ КРИТЕРИЯМ ПРИ ВЫБОРЕ КОНСТРУКЦИИ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА
Специальность 05.04.13 — Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор Попов Д.Н.
Москва 2009 г. 
Оглавление Стр.
ВВЕДЕНИЕ ". ., 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ВАРИАНТОВ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ. МЕТОДЫ ВЫБОРА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ 11
1.1. Основные особенности использования гидроприводов .. :... 12
1.2. Способы регулирования гидроприводов: 16
1.3. Обзор схем АЭГП . 23
1.4. Используемые электромеханические преобразователи 43
1.5. Требования, предъявляемые к гидроприводам. 50
1.6. Методы оптимального проектирования 57
1.7. Обзор методов оптимизации проектных решений 65
1.8. Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования. 78
КЛАВ А 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
АВТОНОМНЫХ ОДНОКАСКАДНЫХ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 80'
2.1. Типовая схема АЭГП 80
2.2. Математические модели АЭГП,- 81
,2.3. Расчетная схема и уравнения, описывающие АЭГП. 83
2.4. Методика определения основных размеров 90
2.5. Расчет переходных процессов в гидроприводе 98
2.6. Выводы к главе 2. ..<ГТ 98
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С ДРОССЕЛЬНЫМ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ..........'. 99
3.1. Идентификация математической модели и параметров АЭГП с золОтниковыми плунжерами 99
Стр.
3.2. Выводы к главе 3 109
ГЛАВА 4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ ОДНОКАСКАДНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 110
4.1. Этапы проектирования АЭГП 110
4.2. Формулировка задачи оптимизации. Варьируемые параметры. Предъявляемые требования 113
4.3. Алгоритм расчета 117
4.4. Результаты оптимального проектирования АЭГП 129
ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ОДНОКАСКАДНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 137
5.1. Постановка задачи и исходные требования к проектным вариантам 137
5.2. Выбор математической модели 138
5.3. Расчет вариантов проектных решений 138
5.4. Анализ результатов численных испытаний 140
5.5. Построение областей допустимых и парето-оптимальных решений. 144
5.6. Корректирование исходных данных, повторение численных испытаний до получения паретовских границ оптимальности проектных решений 146
5.7. Выводы к главе 5 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 148
ЛИТЕРАТУРА 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 161
Принятые сокращения:
АЭГП - автономный электрогидравлический привод
ГЦ - гидроцилиндр
ИД - исполнительный двигатель
JIA - летательный аппарат
ЛПР - лицо, принимающее решение
НС - насосная станция
ОР - объект регулирования
САПР - система автоматизированного проектирования
САПФ - система анализа передаточных функций
СЗ — сопло-заслонка
СТ - струйная трубка
ТЗ - техническое задание
УУ - устройство управления
ЭГП — электрогидравлический привод
ЭГР — электрогидравлический распределитель
ЭГСП — электрогидравлический следящий привод
ЭГУ — электрогидравлический усилитель
ЭМП — электромеханический преобразователь
ЭУ - электронный усилитель
ВВЕДЕНИЕ
Целыо изложенных в диссертации результатов исследований является разработка метода выбора практически оптимального проектного варианта автономного . электрогидравлического привода (АЭГП), представляющего собой агрегат, в который объединены электрогидравлический усилитель (ЭГУ), исполнительный двигатель (ИД) и насосная станция- (НС). Рассматриваемая задача составляет часть современной проблемы автоматизированного проектирования технических устройств, заключающейся в преобразовании и представлении в принятой форме образа этого еще не существующего объекта проектирования. Образ всего объекта или его отдельных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.
Проектирование начинается при наличии у общества потребности в новых или в совершенствовании существующих технических устройств; - включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающего эти потребности. Обычно ТЗ оформляют в виде некоторых документов, содержащих исходное (первичное) описание устройства. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления устройства , в заданных условиях. Эта документация и представляет собой проект, точнее окончательное описание объекта проектирования. Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения отдельных задач и используемых при обсуждении проектных вариантов для того, чтобы принять решение об окончании или продолжении проектирования [60].
Под оптимальным проектированием понимают процесс, при котором осуществляется выбор наилучшего по ряду показателей проектного варианта из числа возможных вариантов, причем чаще приходится довольствоваться улучшением известных проектных решений. При выборе наилучшего проектного варианта необходимо учитывать разнообразные требования, предъявляемые к создаваемому устройству. На определение оптимального проектного варианта влияют: число используемых критериев качества, вид таких критериев и накладываемых на них ограничений, допустимый компромисс между принятыми критериями. При этом обычно возникают проблемы, связанные как с выбором критериев, так и с формулированием исходных предпосылок, определяющих соответствие проектного варианта всем критериям.
При оптимальном проектировании в виде промежуточных этапов можно выделить следующие:
- Выбор принципиальной схемы, что является сложной технической задачей, которая может быть решена путем обзора известных проектов, анализа существующих конструкций, использования накопленного опыта производства похожих изделий, их эксплуатации и данных о характеристиках. Этот этап не может быть формализован и обычно выполняется непосредственно конструктором.
- Расчет параметров и исследование характеристик нескольких вариантов проектируемого устройства.
- Оптимизация параметров каждого рассматриваемого варианта по принятым критериям качества.
- Выбор лучшего проектного варианта из числа предварительно оптимизированных с учетом неформализуемых критериев. Чтобы выполнить перечисленные этапы, необходимо сначала' построить проблемно-ориентированные математические модели, описывающие взаимодействие отдельных элементов в проектируемом устройстве, а затем
■с
с их помощью провести' численные эксперименты для определения соответствия каждой системы принятым критериям качества.
Диссертация посвящена решению указанной выше задачи в случае оптимального проектирования автономного электрогидравлического привода (АЭГП), предназначенного для использования в системах управления различными объектами. Постановка такой задачи вызвана тем, что до настоящего времени выбор проектных вариантов гидроприводов во многом основывается на имеющемся у конструктора опыте создания аналогичных образцов, что может быть недостаточным для получения объективно перспективных проектов.
Предлагаемая в диссертации последовательность решения задачи подробно изложена применительно к автономным гидроприводам небольшой мощности, но может быть распространена и на более широкий ряд гидроприводов, характеризуемый как большим разнообразием предлагаемых схем, так и большим числом ступеней усиления.
В качестве основы для решения задачи многокритериальной оптимизации конструкции гидроприводов принят метод J1ПХ - поиска [61], который имеет ряд преимуществ по сравнению с другими известными методами. Согласно этому методу наилучшие проектные решения выбирает конструктор, составляя с помощью компьютера таблицы численных испытаний для каждого проектного варианта. При необходимости определения компромиссного варианта используется опыт, знания и интуиция конструктора, которые нельзя формализовать. Этот
метод можно применять и в тех случаях, когда критерии качества
)
невозможно или трудно записать в виде некоторой формулы [13].
Необходимые для численных экспериментов проблемно- ориентированные , математические' модели составлены в результате теоретического описания происходящих в гидроприводах процессов управления [44]. При вычислении параметров моделей использованы
опубликованные в литературных источниках данные, а также характеристики, полученные путем идентификации одного из реальных образцов на установке в лаборатории кафедры ЭЮ МГТУ им. Н.Э.Баумана при консультативном участии к.т.н. доцента, Н.Г. Сосновского [34].
Диссертация состоит из 5 глав.
Первая глава содержит краткий обзор применяемых в технических системах приводов. Рассмотрены особенности и основные тенденции в проектировании таких гидроприводов. Из приведенного анализа и обзора литературных источников, посвященных расчету и проектированию гидроприводов с дроссельным регулированием, определены в общем виде критерии качества, ограничения на значения параметров и функциональные ограничения.
Во второй главе представлены проблемно-ориентированные математические модели трех схем с наиболее характерными особенностями гидроприводов. Математические модели содержат алгебраические и дифференциальные уравнения, начальные условия. Выбран и обоснован метод численного решения полученной системы уравнений, разработана программа расчета на алгоритмическом языке Паскаль (Delphi).
В третьей главе дано описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов для идентификации параметров одного из вариантов автономного гидропривода.
Четвертая глава посвящена решению задачи оптимального проектирования гидроприводов с дроссельным регулированием. Для решения задачи оптимизации был выбран метод ЛПТ - поиска. Составлена схема численного решения оптимизационной задачи.
В пятой главе изложена методика оптимального проектирования однокаскадного АЭГП. Также изложено решение задачи оптимального проектирования с учетом требований к управлению гидроприводом, что дает возможность применить решение к более широкому кругу задач нахождения наилучших проектных вариантов.
В конце работы сформулированы общие выводы. В работе приведена методика оптимального проектирования АЭГП. Приведенная методика позволяет дать представления о современных подходах к оптимальному проектированию. Задача решается методом многокритериальной оптимизации в диалоговом режиме — режиме автоматизированного проектирования [42]. На примере поиска оптимального проектного варианта показано, как решать задачу в случае одновременной оптимизации конструктивной части и системы управления АЭГП. Приведены математические • подходы к постановке задачи, причем неформализуемые параметры и критерии не отбрасываются, а предъявляются на каждом этапе конструктору для анализа. Даны рекомендации по выбору оптимального варианта в случае оптимизации нескольких альтернативных вариантов.
Научная новизна. Решена комплексная задача многокритериальной оптимизации и разработан алгоритм выбора конструкции АЭГП с помощью объектно-ориентированных математических моделей, включающих критерии оптимального управления следящими системами. Оцениваются как математически определяемые показатели, так и неформализуемые факторы. Задача оптимизации решается в постановке поиска наилучшего варианта как по энергетическим показателям, так и по параметрам управления следящим АЭГП. Проведена систематизация схем конструктивных решений АЭГП, что позволяет конструктору осуществить структурный синтез практически оптимального гидропривода.
Практическая ценность. На основе разработанной в диссертации методики оптимального проектирования конструктор получает возможность обоснованно из числа рассматриваемых проектных вариантов выбирать лучший по совокупности критериев. Учет неформализуемых факторов позволяет учитывать опыт, знания и интуицию специалиста, а также рассматривать альтернативные варианты. Методика может быть полезна как в случае создания новых образцов, так и в случае совершенствования ранее созданных гидроприводов. Кроме того, использование интерактивной системы специалист-ЭВМ обеспечивает конструктора проблемно-ориентированными математическими моделями, позволяющими получить представление о том, как тот или иной параметр влияет на энергетические и динамические характеристики проектируемого гидропривода.
Апробация результатов. Для обоснования достоверности проблемно- ориентированных математических моделей проведен ряд экспериментов и использованы результаты исследований других .авторов по литературным источникам. Методика оптимального проектирования проверена путем сравнения проведенных , оптимизаций трех конструкций АЭГП с опубликованными данными относительно их использования в реальных условиях.
Публикации по теме диссертации. Имеется 7 публикаций, сделано 2 доклада на конференциях. Публикации и доклады посвящены проблемно- ориентированным математическим моделям, доклады [31, 35]
идентификации математической модели - 1 работа [34], оптимизации проектирования АЭГП - 4 работы [11, 24, 32, 32]. Кроме того на кафедре Э-10 по содержанию работы сделано три доклада. Диссертация содержит 180 страниц текста, 66 рисунков, 6 таблиц и приложения:, таблицу с экспериментальными данными и тексты программ (подпрограмм) расчетов.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Проектирование оптимальных технических объектов является актуальной проблемой. В диссертации изложены результаты исследований, проведенных с целью разработки методики выбора практически оптимального проектного варианта автономного электрогидравлического привода.
Предлагаемое в диссертации решение указанной задачи подробно изложено применительно к автономным гидроприводам небольшой мощности, но это решение может быть распространено и на более широкий ряд гидроприводов, характеризуемых как большим разнообразием предлагаемых схем, так и большим числом ступеней усиления сигналов управления.
Диссертация содержит краткий обзор применяемых в технических системах приводов. В общем виде определены критерии качества приводов, ограничения на значения варьируемых параметров и функциональные ограничения.
В качестве основы для решения задачи многокритериальной оптимизации проектируемых вариантов гидроприводов принят метод ЛПТ - поиска. Согласно этому методу наилучшиё проектные решения выбирает конструктор, составляя с помощью компьютера таблицы численных испытаний каждого проектного варианта. При необходимости определения компромиссного варианта используется опыт, знания и интуиция конструктора, которые нельзя формализовать.
Необходимые для численных экспериментов объектно- ориентированные математические модели определены в результате теоретического описания происходящих в гидроприводах процессов управления. При вычислении параметров моделей использованы опубликованные в литературных источниках данные, а также характеристики, полученные путем идентификации одного из реальных АЭГП. Для идентификации были проведены испытания АЭГП в лаборатории кафедры Э-10 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Разработанная методика оптимального проектирования АЭГП основана на современном подходе к решению задач многокритерильной оптимизации управляемых технических систем. Задача решается методом многокритериальной оптимизации в диалоговом режиме - режиме автоматизированного проектирования. На примере поиска оптимального проектного варианта показано, как решать задачу в случае одновременной оптимизации конструктивной и информационной частей АЭГП. Приведены математические подходы к постановке задачи, причем неформализуемые параметры и критерии не отбрасываются, а предъявляются на каждом этапе конструктору для анализа с учетом предлагаемых рекомендации по выбору варианта в случае исследования нескольких альтернативных вариантов.
Использую разработанную в диссертации методику оптимального проектирования, конструктор получает возможность обоснованно из числа рассматриваемых проектных вариантов выбирать лучший по совокупности критериев. При этом неформализуемые факторы конструктор учитывает исходя из своего опыта, знания и интуиции. Методика может быть полезна как в случае создания новых образцов, так и в случае совершенствования ранее созданных гидроприводов. Кроме того, благодаря интерактивному режиму системы «специалист-ЭВМ» конструктор получает представление о том, как тот или иной параметр влияет на характеристики проектируемого гидроагрегата.
Сравнение алгоритмов оптимального проектирования, основанных на методе ЛПХ — поиска и на адаптивном методе, показывает, что преимущество первого способа состоит в отсутствии необходимости проводить экспертную оценку решения в процессе поиска оптимального варианта.
Рассмотренные выше положения, содержащиеся в диссертации, дают основания для следующих выводов.
1. Разработаны объектно-ориентированные математические модели для оптимизации по многим критериям однокаскадных АЭГП.
2. Сравнение рассчитанных и экспериментальных частотных характеристик подтверждает адекватность линеаризованной математической модели АЭГП с золотниковыми плунжерами. Это сравнение, а также литературные данные о характеристиках двух других типов АЭГП показывают, что проведенный с помощью линейных математических моделей структурный и параметрический синтез информационных каналов АЭГП является обоснованным. При этом параметры энергетических каналов АЭГП оптимизируются по нелинейным уравнениям.
3. Предлагаемая методика позволяет находить наилучшие проектные варианты рассмотренных АЭГП. К таким вариантам относится АЭГП с золотниковыми плунжерами, что подтверждается многолетней практикой его применения.
4. Принятый для оптимизации однокаскадных АЭГП метод ЛПТ- поиска может быть также использован при проектировании более мощных следящих гидроприводов, имеющих два и более каскада усиления входного сигнала, а характеристики этих устройств являются нелинейными. •
5. Представленная в диссертации методика оптимального проектирования следящих АЭГП внедрена в учебный процесс.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / И.И. Бажин, Ю.Г. Беренгард, М.М. Гайцгори и др.; Под общ. ред. С.А. Ермакова. - М.: Машиностроение, 1988. - 312 с.'
2. Антонова Г.М. Сеточные методы равномерного зондирования для исследования и оптимизации динамических стохастических систем. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 224 с.
3. Баженов А.И. Математическая модель и устойчивость следящего гидропривода со струйно-дроссельным регулированием // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1978. - № 4. - С. 11-15.
4. Баженов А.И. О динамике гидрораспределителей типов сопло- заслонка и струйная трубка // Вестник машиностроения. - 1988. - № 7 - С. 17-18.
5. Баженов А.И. Рулевые гидроприводы со струйно-дроссельным регулированием: Учебное пособие. - М.: МАИ, 2002. - 68 с.
6. Бажин И.И., Гойдо М.Е., Троицкий В.Л. Проектирование аксиально- - поршневого насоса с использованием САПР Гидрооборудование: Учебное пособие. - Челябинск: ЧПИ, 1989. - 57 с.
7. Белоногов О.Б., Жарков М.Н., Кудрявцев В.В. Обобщенная математическая модель и методы идентификации параметров электронасосных агрегатов автономных рулевых машин // Ракетно- космическая техника: Труды РКК Энергия. Сер. XII. - 1998. - Вып. 3-
4. - С. 26-56.
8. Бесекерский В.А., Небылов А.В. Робастные системы автоматического -управления. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 240 с.
9. Боровин Г.К., Попов Д.Н. Многокритериальная оптимизация гидросистем: Учебное пособие. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 94 с. ' ■
10. Боровин Г.К., Костюк А.В. Моделирование динамики гидропривода ноги шагающей машины. — Москва, 2002. - 28 с. (Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН; № 8).