Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)

Transkriptio

1 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op) Viikkoharjoitukset syksyllä 2015 Paikka: Maarintalo, E-sali Aika: perjantaisin klo 10:15-13:00 (14:00) Päivämäärät: Opetushenkilöstö Asko Ellman, prof. (TTY) Jyrki Kajaste, yliopisto-opettaja Jyri Juhala, tohtoriopiskelija Yhteyshenkilö: Heikki Kauranne, yliopisto-opettaja Aloitus, ryhmien muodostaminen Ryhmien muodostaminen, sylinterimallin kehittäminen Huom: Sylinterimallin pakollinen välinäyttö Huom: Pakollinen demonstraatiotilaisuus Hydr. laboratoriossa (K4) Huom: Venttiilimallin pakollinen välinäyttö Huom: Henkilökohtaisen harjoitustyön pakollinen esittely ja palautus Huom: Ryhmätyön pakollinen esittely ja palautus

2 Lisäohjeita Harjoituksissa tarvitaan - Windows -salasana - Ellman & Linjaman -opintomoniste "Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi" Harjoituksiin liittyvä materiaali löytyy sivulta (MyCourses) Aikatauluun merkityt pakolliset välinäytöt tarkoittavat sitä, että kunkin kurssilla olevan tulee kyseisessä harjoituksessa esittää harjoituksen vetäjälle dokumentaatio vaaditusta mallista. Dokumentaatioon tulee sisältyä mallin kuvaus lohkokaaviona sekä simulointeja, joilla on todennettu mallin toimivuus. Nämä venttiili- ja sylinterimallien dokumentoinnit sisällytetään henkilökohtaisesta simulointityöstä laadittavaan työselostukseen (palautettava viimeistään ). Pakollinen demonstraatiotilaisuus järjestetään Hydrauliikan tutkimusryhmän laboratoriohallissa, Sähkömiehentie 4 [Energia- ja Virtaustekniikkarakennus (K4), Maarintaloa vastapäätä]. Opaskartta löytyy kohdasta "Muu materiaali". Harjoituspäivänä kartan osoittamilla (sininen ja punainen nuoli) ovilla on tarkemmat kulkuopasteet. Demonstraatiotilaisuutta ennen käydään läpi ryhmätutkimuksen tilanne jokaisen ryhmän osalta Ryhmätutkimus Loppuseminaari: Ryhmätutkimuksen pakollinen esittely ja palautus

3 Toteutus, työmuodot ja arvosteluperusteet Luennot Luentopäiväkirja (50%) Harjoitustyö (50%) Henkilökohtainen harjoitustyö (hyväksytty/hylätty) Harjoitustyö Demonstraatio Harjoitustyön välinäytöt (2 kpl) Ryhmätutkimus (arvosana 0-5) Arviointikriteerit RYHMÄTUTKIMUS-ohjepaperilla

4 YLEISET MALLINNUS- ja SIMULOINTITAIDOT Osaamistavoitteet Opintojakson suoritettuaan opiskelija ymmärtää mallinnuksen ja simuloinnin perusteet (A, vaativuustaso 2) Opintojakson suoritettuaan opiskelija osaa soveltaa mallinnustyökalun (Matlab- ja Simulink-ohjelmistot) perusominaisuuksia järjestelmien dynaamisen käyttäytymisen ratkaisemiseen (A, vaativuustaso 3) HYDRAULISTEN JÄRJESTELMIEN ERITYISET MALLINNUS- JA SIMULOINTITAIDOT Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee soveltamaan mallinnusta ja simulointia hydraulisten järjestelmien erityisalueella (A, vaativuustaso 3) Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee analysoimaan kriittisesti hydrauliselle komponentille tai järjestelmälle laaditun mallin hyvyyttä ja puutteita (B, vaativuustaso 4) DYNAAMISTEN JÄRJESTELMIEN ANALYSOINTITAIDOT Opintojakson suoritettuaan opiskelija pystyy analysoimaan hydraulijärjestelmien dynamiikkaa askel- ja taajuusvastekokeiden avulla (A, vaativuustaso 4) Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee tunnistamaan hydraulisissa järjestelmissä olevia dynaamisia järjestelmärakenteita ja analysoimaan niiden ominaisuuksia niihin liittyvien parametriarvojen perusteella (B, vaativuustaso 4) A) YDINAINES - B) TÄYDENTÄVÄ TIETÄMYS C) ERITYISTIETÄMYS VAATIVUUSTASO asteikolla (1-6)

5 Harjoituskerran 2 osaamistavoitteet Opetustuokion jälkeen opiskelija Hallitsee yhä paremmin Matlab/Simulink ohjelmiston perustoiminnot ja pystyy rakentamaan omatoimisesti yksinkertaisia simulointimalleja Kykenee selittämään, kuinka paineet muodostuvat hydraulisylinterin kammioissa ja kuinka niiden avulla voidaan määrittää sylinterin hydraulinen nettovoima Pystyy siirtämään hydraulisylinterin kammiopaineen määrittävään kaavan Simulink-ympäristöön Kykenee selittämään mallin avulla erilaisia sylinterin käyttötilanteita Osaa mallintaa hydraulisylinterin ja hitausmassan välisen vuorovaikutuksen (konkreettinen ohjelmointitulos)

6 Simulointi Nesteen ominaisuuksien mallinnus ja simulointi Venttiilien mallinnus ja simulointi Toimilaitteiden mallinnus ja simulointi Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi

7 Hydraulijärjestelmien simulointi - muuttujat Oleelliset muuttujat hydraulitekniikassa ovat Tilavuusvirta q [m 3 /s] Paine p [Pa], [N/m 2 ] Kyseiset muuttujat määrittelevät muun muassa hydraulisen tehon P= Dpq (komponentin teho, esim. pumppu, venttiili etc.) Dp paine-ero komponentin yli q tilavuusvirta komponentin läpi

8 Henkilökohtainen harjoitustyö Sylinterijärjestelmä Hydraulisylinteri Proportionaaliventtiili Kuorma (massa) Ohjausjärjestelmä (venttiilin ohjaus)

9 Sylinteri hydrauliikka, muuttujat Kammiopaineet (paineiden aikaderivaatat), opintomoniste s. 75 vuoto vuoto p A x max p B x dx/dt, x Muuttujat q A q B F Input - Kammiotilavuusvirrat - Männän liikenopeus - Männän absoluuttinen asema Output - Kammiopaineet - Männän voima (nettopainevoima)

10 Sylinteri hydrauliikka, parametrit vuoto A B (x max -x) tilavuus kammiossa B x max -x kuvaa nestepatsaan pituutta vuoto x x max Parametrit vakioita(?) A-kammio - B eff efektiivinen puristuskerroin - paine, lämpötila, vapaa ilma(!) ja kammion jousto - V 0A kammion kuollut tilavuus + putkissa oleva neste - A A männän pinta-ala A A x tilavuus kammiossa A x kuvaa nestepatsaan pituutta B-kammio - B eff efektiivinen puristuskerroin - V 0B kammion kuollut tilavuus + putkissa oleva neste - A B männän ja männänvarren pinta-alojen erotus (rengas)

11 Sylinteri hydrauliikka, tilavuudet vuoto A B (x max -x) tilavuus kammiossa B x max -x kuvaa nestepatsaan pituutta x max vuoto Vakio- ja muuttuvat tilavuudet x A-kammio - V 0 kammion kuollut tilavuus + putkissa oleva neste - A A x männän asemasta riippuva lisätilavuus - x on männän absoluuttiasema B-kammio - V 0 kammion kuollut tilavuus + putkissa oleva neste putket - - A B x max B puolen maksimitilavuus (mäntä päädyssä) A B x (rengas)männän syrjäyttämä nestetilavuus B-puolella A A x tilavuus kammiossa A - x on männän absoluuttiasema x kuvaa nestepatsaan pituutta

12 Harjoitustyöpiiri M p/u p A p B p/u x OHJAUS U

13 Järjestelmän simulointi p OUT q OUT q 1IN V q 2IN p 1IN p 2IN Nestetilavuus : ratkaistaan paine, tilavuusvirrat syötteinä Venttiili : ratkaistaan tilavuusvirta, paineet syötteinä Yleinen tapa toteuttaa järjestelmän mallinnus on jakaa se Nestetiloihin (tiloihin liittyy oleellisesti paine) Nestetilojen välisiin komponentteihin ( venttiilit ja pumput, komponentteihin liittyy oleellisesti tilavuusvirta)

14 Vaihe 2 Sylinteri - q A, q B, dx/dt - p A, p B, F Hitausmassa - F - dx/dt, x Harjoitustyöpiiri mallinnuksen in out in out p A näkökulmasta p B F (dv/dt) dx/dt M dx/dt, x q A q B OHJAUS U

15 Järjestelmän rakentuminen tilavuuksista venttiileistä / tilavuusvirtalähteistä toimilaitteista mekaanisista järjestelmistä (ohjauksista) mekaniikka V 1 V 2 pumppu putki venttiili putki venttiili toimilaite

16 Sylinterin nettovoima Hydraulinen voima F= p A A A -p B A B Nettovoimaan vaikuttavat myös tiivistevoimat: - Tiivisteiden taipumiseen liittyvä jousivoima - Liukumiseen liittyvä kitka - Tiivistemalliin palataan myöhemmin!

17 Input: voima kytkentä: sylinterin nettovoima Kuorman malli Output: liiketila (liikenopeus dx/dt ja männän asema x) kytkentä: sylinterin männän liiketila sylinterikammioiden tilavuuden muutos Harjoitustyön tapauksessa kuorma redusoituu hitauskuormaksi (massa). Tällöin liiketila voidaan laskea Newtonin toisen lain pohjalta "Kappaleeseen vaikuttavien voimien summa antaa kappaleelle kiihtyvyyden siten että F = ma missä m = kappaleen massa ja a = kiihtyvyys Mallissa olemme kiinnostuneita kuorman ja sylinterin männän liiketilasta (liikenopeus dx/dt ja männän asema x), joten -Ratkaise ensin kuorman kiihtyvyys a -Integroi kiihtyvyys -> nopeus (nopeuden muutos) -Simuloinnin alussa nopeus= 0 -Integroi nopeus tai kaksoisintegroi kiihtyvyys -> aseman muutos - Simuloinnin alussa asema = x 0 -> ota tämä huomioon, saat kuorman/männän absoluuttisen aseman

18 Hydraulisylinteri lineaarimoottori Nestemäärän lisäys pieneen nestetilavuuteen aiheuttaa voimakkaan paineen kasvun (vahvistus B/V) sekä voiman muutoksen hydraulisylinterissä, joka on eräs tärkeimmistä hydraulitekniikan komponenteista Hyvän dynaamisen suorituskyvyn (nopeat paineen/voiman muutokset) saavuttamiseksi nestetilavuudet on syytä pitää pieninä (ammattislangissa: kuolleet tilavuudet ) q F

19 Lisää paineen generoitumista Nestetilan paine voi muuttua myös suljetun astian tilavuuden muutoksen seurauksena Dp = - B V DV B nesteen puristuskerroin [Pa] V tilavuus täynnä nestettä [m 3 ] DV tilavuusmuutos [m 3 ] Etumerkki?

20 Pohdiskelutehtävä 2 Pintaan kohtisuorasti kohdistuva paine tuottaa voiman, jonka suuruus on F = pa F A pinta-ala [m 2 ] Minkä komponentin/toiminnon kuvassa oleva sylinteri muodostaa, kun männänvarteen kohdistetaan voima (kuvan mukaisesti)? Dp = - B V DV B nesteen puristuskerroin [Pa] V tilavuus täynnä nestettä [m 3 ] DV tilavuusmuutos [m 3 ]

21 Nestejousi Nesteet ovat kokoonpuristumattomia Nestettä (, joka on siis kuitenkin jossain määrin kokoonpuristuvaa) täynnä oleva suljettu sylinteri muodostaa jousen (jousivakio?) Yksinkertainen, mutta tärkeä asia, sillä sylinteri ja massa muodostavat yhdessä jousimassa järjestelmän, jolla on taipumus värähtelyyn ominaistaajudellaan M K

22 Paineen generoitumisen yhtälö - yhdistelmä Hydraulitekniikassa nestetilan paineenmuutoksessa vaikuttavia mekanismeja voivat olla siis a) nestemäärän muutokset tilavuudessa b) nestetilan tilaavuusmuutoksety Paineen generoitumisen kaava voidaan siten esittää esim. näin: dp dt = B V 0 Ø Œ º q - V t ø œ ß Ellman & Linjama: Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi, opetusmoniste

23 Pohdiskelutehtävä 3 Minkä hydraulitekniikassa yleisen komponentin voi muodostaa kuvan mukaisesta järjestelmästä? Millä edellytyksillä paine muuttuu sylinterissä? F dp dt = B V 0 Ø Œ º q - V t ø œ ß q

24 Mäntäpumppu Hydraulitekniikassa pumput toimivat yleensä syrjäytysperiaatteella, jolla tarkoitetaan pumpun syrjäytyskammioiden koon jaksollista vaihtelua Paine sylinterissä (pumpussa) kasvaa, mikäli syrjäytyselimen (mäntä) liike pienentää kammiotilavuutta nopeammin kuin mitä neste ehtii poistua kammiosta Yleensä ajatellaan, että pumppu tuottaa tilavuusvirtaa ja paine muodostuu siitä, että virtausta vastustetaan (ventiilit yms.)

25 Lisäpohdittavaa Onko nesteen puristuskerroin oikeasti vakio? Miten puristuskertoimeen vaikuttavat esimerkiksi paine, nesteessä oleva vapaa ilma sekä nesteen lämpötila? Miten lämpötila vaikuttaa paineen muodostumiseen? (mineraliöljy / C hiiteräs / C ) Nesteen tilayhtälö? Mitä suurusluokkaa paineen nousu on hydraulinesteen kokoonpuristumisen seurauksena? Miten sovellat paineen generoitumisen kaavaa esimerkiksi mäntäpumppuun ja nestejouseen?

26 Sylinterimallin testaus Huom! Esimerkkiarvot muuttujille/parametreille Jätä kitkamalli pois! Sylinteri 32/ A A ja A B (katso työtilassa pinta-alojen arvot) B= Pa x 0 =0.5m Lisänestetilavuudet sylinterin päädyissä: 3.2 cm 3 (männän puoli), 2.0 cm 3 (männän varren puoli) Putket d_putki= m ja L_putki= 0.75 m 1. tulpataan sylinterin virtausaukot ja työnnetään männänvarrella nopeudella a)dx/dt =110-3 m/sjab)dx/dt = m/s -> testataan paineiden muutos 10 sekunnin simulaatiolla (etumerkki ja absoluuttiarvot) -> testataan voiman muutos 10 sekunnin simulaatiolla 2. lukitaan männänvarsi (dx/dt= 0) ja 2.1 tuodaan kammioon A tilavuusvirta q A =110-6 m 3 /s 2.2 tuodaan kammioon B tilavuusvirta q B =110-6 m 3 /s -> testataan paineiden muutos 10 sekunnin simulaatiolla (etumerkki ja absoluuttiarvot) -> testataan voiman muutos 10 sekunnin simulaatiolla 3. asetetaan tilavuusvirrat seuraavasti (dx/dt =110-3 m/s) q A = +dx/dt A A q B = -dx/dt A B -> testataan paineiden muutos (etumerkki ja absoluuttiarvot) -> testataan voiman muutos

27 Sylinterimallin testaus Käytä esim. Display-lohkoa signaalien loppuarvojen tarkistamiseksi q_a_testi p_a_lopussa q_a q_b_testi q_a p_a q_b q_b p_b p_a ja p_b v_testi dx/dt F v Sylinteri p_b_lopussa Testi 1a v= 1e-3 Testi 1b v= -1e-3 Testi 2 v= 0 Testi 3 v= 1e-3 1 s Integrator Huom! Jätä kitkamalli pois! delta_x Testi 1a p_a= xxx bar p_b= yyy bar F= zzz kn Testi 1b p_a= xxx bar p_b= yyy bar F= zzz kn F_lopussa Testi 2 p_a= xxx bar p_b= yyy bar F= zzz kn Testi 3 p_a= xxx bar p_b= yyy bar F= zzz kn F_paine