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Attività sperimentali sul banco
Le prove per la caratterizzazione del banco idraulico vengono effettuate partendo da un valore minimo di pressione, valore che aziona le valvole solenoidi della servovalvola DDV, fino a un valore massimo dettato dalle caratteristiche dell’attuatore velivolo.
Per effettuare questo tipo di prova si è sviluppato un modello Simulink che consente il controllo del distributore, in particolare permette di impostare il valore della pressione e della portata nelle tre linee idrauliche e l’acquisizione dei dati rilevati dai trasduttori collocati lungo le linee.
Questo modello, tramite il toolbox di Matlab xPC Target, viene compilato, caricato e mandato in esecuzione sul computer dell’unità di controllo della centrale che è stato adibito a Target. Lo schema della postazione è visibile in Fig 4.1. Postazione di controllo prova (PC server) Attuatore velivolo Martinetto di carico Unità di controllo della centrale (Target) Centrale idraulica di potenza Valori provenienti dai trasduttori Comandi alle servovalvole
Le prove effettuate sperimentalmente sul banco idraulico sono state condotte impartendo dei gradini di pressione fino ad un valore massimo, imposto dalle caratteristiche dell’attuatore velivolo. Inoltre si è comandato a quest’ultimo uno spostamento costituito da onde triangolari a velocità variabile, pari a 20, 40 e 60 mm/sec. Tutti i test sono stati eseguiti utilizzando solo una delle due linee di alimentazione dell’attuatore velivolo, in particolare sulla linea inattiva non veniva fatta passare portata.
Nella tabella 4.1 si riassumono le prove effettuate.
Test n° Velocità attuatore
[mm/sec] Presenza dell’accumulatore Fig
1 40 No 4.4
2 60 No 4.5
3 40 Si 4.6
4 60 Si 4.7
Tabella 4.1: Elenco dei test sperimentali effettuati
4.1 Descrizione della postazione di controllo prova
4.1.1 Modello Simulink della centrale di controllo
In Fig 4.1 è visibile il modello adoperato per effettuare le prove di caratterizzazione del banco.
Comando abilitazione potenza
Visualizzazione stato del sistema
Il blocco Comando abilitazione potenza, permette, agendo su i due switch, di attivare il collegamento elettrico con le valvole regolatrici di pressione e di portata e con i trasduttori presenti nel distributore.
Il secondo blocco evidenziato consente di visualizzare sullo schermo del Target, tramite una rappresentazione di tipo on/off, se i tre stati
− Emergenza
− Filtro intasato
− Potenza attiva sono attivati o disattivati.
I quattro blocchi Diamond permettono di mettere in comunicazione Simulink con un hardware esterno, rappresentato in questo caso da una scheda input/output DIAMOND MM, che trasforma i segnali analogici, provenienti dai trasduttori di pressione e di portata, in segnali digitali e viceversa.
Il blocco Visualisation permette di visualizzare sul Target l’andamento delle variabili desiderate, mentre l’Host scope ne garantisce l’acquisizione.
Il blocco SV Portata comanda l’apertura della valvola regolatrice di portata mentre il blocco Pressure control permette di impostare la pressione desiderata. Quest’ultimo blocco è rappresentato nella figura che segue:
Figura 4.3 Pressure Control
La valvola viene pilotata inviando un comando in volts, quindi la pressione impostata nel blocco Demand pressure viene trasformata in un voltaggio tramite la look-up table.
Gli altri due blocchi sono stati inseriti per eventuali lavori futuri che dovranno prevedere la possibilità di comandare direttamente in corrente (Current Control) e la possibilità di effettuare un controllo in ciclo chiuso sulla pressione impostata (Controllo in close loop).
4.2 Risultati delle prove sperimentali
Le prove sono state condotte comandando dei gradini di pressione fino ad arrivare ad un valore massimo, dettato dalle caratteristiche dell’attuatore
velivolo. Si è fatta inoltre variare la portata richiesta dall’attuatore da 2.4 l/min a 6.8 l/min. P re ss io n e ( b a r) V = 40 mm/sec tubo in gomma senza accumulatore
Dalla Fig 4.4 si può vedere l’andamento della pressione a diversi comandi; nell’ingrandimento in basso si può osservare che per alcuni valori di pressione, queste oscillazioni arrivano ad un livello tale da nascondere le inversioni del moto del martinetto nel senso che le oscillazioni non si smorzano in modo sensibile fra un’inversione e la successiva.
Nell’ingrandimento in alto la pressione non riesce a stabilizzarsi a nessun comando ma solo comandando valori molto bassi.
Come si vede in figura (4.5) aumentando la velocità dell’attuatore velivolo a 60 mm/sec l’ampiezza delle oscillazione aumenta, arrivando ad un valore di 10 bar tra picco-picco contro i 6 bar a velocità di 40 mm/sec.
L’ampiezza delle oscillazioni è aumentata ma non si hanno più zone di instabilità della pressione.
P re ss io n e ( b ar ) P re ss io n e ( b a r) V = 60 mm/sec tubo in gomma senza accumulatore
La Fig 4.6 corrisponde alla prova con velocità del martinetto di 40 mm/sec e con l’introduzione dell’accumulatore a valle della servovalvola regolatrice di pressione. P re ss io n e ( b a r) V = 40 mm/sec tubo in gomma con accumulatore
Nell’ingrandimento in basso si può notare la zona di funzionamento dell’accumulatore, infatti sotto 130 bar questo non è attivo e la variazione della pressione è legata all’inversione del moto del martinetto, come si supera tale valore limite l’accumulatore comincia a fornire portata facendo sparire i picchi dovuti all’inversione.
A causa della diminuzione di rigidezza del circuito, dovuta alla presenza dell’accumulatore, la risposta, visibile nell’ingrandimento in alto, presenta un’overshoot sempre più grande all’aumentare del comando di pressione.
All’aumentare della velocità dell’attuatore velivolo (60 mm/sec) il valore dell’overshoot aumenta e le oscillazioni a pressione elevata sono più marcate.
V = 60 mm/sec tubo in gomma con accumulatore P re ss io n e ( b a r) tempo (sec)
4.3 Confronto tra risultati simulati e risultati sperimentali
Le prove sperimentali sono state svolte partendo da un valore di pressione di circa 60 bar, superiore al valore minimo che consente l’azionamento delle valvole solenoidi di by-pass, fino al raggiungimento della pressione massima attraverso comandi a gradino positivi distanziati di alcuni secondi. Una volta raggiunto tale valore la pressione è stata riportata al livello iniziale, sempre tramite comandi a gradino. La durata delle prove sperimentali (≈ 300 sec) è tale da permettere la ripetizione del ciclo di “salita-discesa” per più di una volta. Inoltre, dopo ogni gradino si è mantenuto costante per alcuni secondi il valore della pressione in modo da avere l’inversione del moto dell’attuatore-velivolo per più di una volta.
La simulazione di un intervallo temporale così lungo è inattuabile a causa della lentezza del modello, inoltre, all’interno di una simulazione non c’è la necessità di ripetere più volte il medesimo comando in quanto si otterrebbe una risposta identica.
Per tali motivi il confronto è stato effettuato prendendo in considerazione, per la simulazione, soltanto una finestra temporale di quindici secondi, a partire da un valore di pressione di 13000 kPa. Durante questo intervallo di tempo vengono comandati dei gradini positivi di pressione fino a raggiungere la massima dell’impianto e successivamente dei gradini negativi in modo da raggiungere nuovamente il valore iniziale.
Nelle figure che seguono si confrontano i due andamenti, considerando un intervallo di tempo pari a 2 secondi ed utilizzando una pressione di linea pari a 15000 kPa (che equivalgono a 150 bar) per il modello simulato e di circa 150 bar per quello reale.
P re ss io n e ( b a r) P re ss io n e ( K P a ) tempo (sec) Andamento REALE Andamento SIMULATO V = 40 mm/sec tubo in gomma senza accumulatore
Andamento REALE V = 60 mm/sec tubo in gomma senza accumulatore Andamento SIMULATO P re ss io n e ( b a r)
Il comportamento del modello con l’introduzione dell’accumulatore è molto simile a quello reale, si nota la scomparsa delle oscillazioni dovute all’inversione e l’aumento dell’overshoot all’aumentare della pressione comandata. Andamento REALE V = 40 mm/sec tubo in gomma con accumulatore Andamento SIMULATO P re ss io n e ( b a r)
Nelle zone dove non si ha formazione di instabilità, Fig 4.4, il modello Distributore a tre vie.mdl riproduce l’andamento della pressione a seguito di comandi a gradino, ed inoltre riesce a simulare la formazione delle oscillazioni a seguito dell’inversione di moto dell’attuatore velivolo.
Nel caso di quest’ultime oscillazioni si può vedere che il valore dell’ampiezza, picco-picco, aumenta, in maniera analoga al caso reale, con l’aumentare della velocità.
Le zone di instabilità a medie portate possono essere imputabili al fatto che le servovalvole regolatrici di pressione, hanno un range di funzionamento molto più alto rispetto alle portate che richiede l’attuatore velivolo, questo determina un’apertura dello spool molto piccola per la regolazione della pressione e soggetta a fenomeni d’attrito e di ciclo limite che possono produrre un comportamento oscillante della pressione. Quindi la sostituzione delle valvole attuali con delle valvole di taglio più piccolo dovrebbe risolvere almeno in parte i problemi di instabilità della pressione a basse portate.
