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Généralités sur les systémes
électro-hydrauliques
1. Introduction
Il
y a une dizaine d'années la plupart des systèmes hydrauliques pouvaient être
conçus en utilisant une bonne technique de base, un peu d'intuition et d'habileté.
Une définition des composants en examinant les valeurs à respecter en
statique était suffisante. Avec le développement des techniques de
pointes les choses sont en train de changer. Les performances demandées sont
de plus en plus difficiles à respecter, les problèmes d'instabilité, de
frottement sec, de pointe de pression, de bruit, de broutement à basse
vitesse apparaissent trop souvent. L'approche des systèmes électrohydraulique
change actuellement pour les raisons suivantes :
1. Coût moindre
pour des performances plus élevées
2. Grande
dépendance des 3 techniques, mécanique, hydraulique, électronique.
3. Caractéristiques
des composants hydrauliques mieux connues mais souvent mal comprises
4. Interaction des
éléments constituant la chaîne d'asservissement mal interprétée
5. Demande de
machines aux performances poussées et à la production accrue imposant des
composants hydrauliques aux performances dynamiques de plus en plus élevées
poussant le système hydraulique à ses limites dynamiques.
6. Technologie
requise pour concevoir des systèmes asservis électrohydrauliques de haute
performances trop souvent développée par une minorité seul à connaître la
mise en oeuvre de ces techniques encore peu
répandus.
7. Ingénieurs
électriciens et leur clients mieux formés aux techniques des asservissements
électriques que ne le sont les ingénieurs hydrauliciens confrontés à la mise
en oeuvre d'un système bouclé.
Les quelques remarques et
observations ci-après permettent de mieux appréhender l’approche
des systèmes asservis électrohydrauliques.
2. Comment
choisir la pression de fonctionnement
La pression de fonctionnement est souvent
l’une des premières valeurs qui doit être communiquée à
l’ordinateur. Il n’est pas toujours facile de faire un bon choix
Toutefois la pression pourra être choisie avantageusement en tenant compte
des remarques ci-après :
De nombreux
facteurs peuvent influencer votre choix : coût, encombrement, fiabilité,
poids, niveau sonore, performances
etc.
Si l’on
souhaite améliorer la précision ou
obtenir des cadences élevées, le choix
de la pression peut être fait en considérant la nature de la charge.
Le
comportement du système est en effet différent suivant la nature de la charge
(inertie pure, ou charge élastique type ressort avec masse négligeable)
L’étude théorique faite
dans le manuel servo-controle OILGEAR permet de
mettre en évidence qu’il est souhaitable de prévoir des
pressions :
- modérées (70 à 140 bar) dans le cas des
charges inertielles *
- plus élevées (210 à 350 bar) dans le cas
des charges élastiques.
La version 2
du logiciel OCES couvre l’étude
des charges purement inertielles et mixtes (inertie + ressort) mais
n’incorpore pas encore l’étude des
systèmes élastiques à
ressort pur (masse négligeable).
Cette étude présente un grand intérêt dans les cas des bancs d’essais de
traction, torsion ou flexion de structures élastiques
ayant une masse négligeable. Curieusement la fonction de transfert d’un
tel système est très simple et peut être assimilée à une fonction du 1er
ordre.
(Se référer
au manuel servo-contrôle OILGEAR ou voir §2 page 12).
L’augmentation
de la pression peut nécessiter une insonorisation de l’équipement
et, si l’on souhaite conserver une fiabilité acceptable,
doit toujours être suivie par une amélioration de la filtration.
* Il ne faut toutefois pas perdre de vue que la présence d’air dans le
fluide atténue l’effet favorable des faibles pressions. D'où l’importance de
bien purger le circuit
3. Volume sous compression V
Le volume sous compression est le
volume de fluide compris entre l’émetteur
(servovalve ou servopompe) et le récepteur
(vérin ou moteur).
Le volume de fluide à l’intérieur
du vérin influe sur la précision de l’asservissement.
Il convient de choisir le volume sous compression le plus défavorable pour ne
pas promettre des performances qui ne pourraient pas être tenues.
D’une façon
générale la précision
de l’asservissement position s’améliore
lorsque le volume de fluide sous compression diminue.
Par contre la précision de
l’asservissement pression est
améliorée avec les volumes de fluide importants et les
faibles gradient d’augmentation de pression (bar/s). L’examen de la
relation de définition du coefficient de compressibilité du fluide (voir
& 6 ci-après) et du gain de boucle compatible avec la stabilité (voir
bulletin servo-contrôle OILGEAR
page 5-152) justifie ce comportement.
Pour trouver le volume sous
compression le plus défavorable dans le cas des vérins il convient donc de calculer le volume
V sous compression cas par cas :
Charge inertielle et
asservissement position.
- A mi-course dans le
cas des vérins double effet.
C’est
généralement à mi-course que la raideur du vérin est minimum.
- Plongeur
sortie dans le cas des vérins
simple effet. C’est en effet
dans cette position de la tige que le volume de fluide sous
compression est maximum et que la
raideur hydraulique du vérin est minimum.
Charge mixte et asservissements pression.
Vérins
double effet.
Tige rentrée si l’on
souhaite asservir la pression coté fond (effort en poussant)
Tige sortie si l’on
souhaite asservir la pression coté annulaire
(effort en tirant)
Vérins simple effet.
Le calcul du gain de boucle doit être effectué plongeur rentré.
C’est en effet
lorsque que le volume de fluide sous
compression est minimum que le gradian de
montée
en pression et l’erreur sont
maximum.
4. Comparatif servovalve / servo-pompe
Les
vérins et les moteurs asservis peuvent être contrôlés par une servovalve ou
une servopompe au choix.
Lorsque la question se pose le comparatif ci-après permet de faire le bon
choix.
4.1 Aspect dynamique
La réponse dynamique d’une
servovalve est nettement supérieure à
celle d’une servopompe. Cela s’explique
principalement par le fait que la course de déplacement du tiroir de
puissance d’une servovalve est très
inférieure à la course des vérins de contrôle
assurant le basculement du plateau d’une servopompe. (Quelques
1/10 mm à comparer à plusieurs mm).
La fréquence d’une servopompe est généralement
comprise entre 8 et 20 hz maximum.
La fréquence d’une servovalve peut atteindre
plusieurs centaine de hertz.
Dans le cas des asservissements
pression, la fréquence de la servovalve sera généralement choisie supérieure
à la zone de fréquence critique du système hydromécanique alors que la
fréquence de la servopompe est en pratique souvent
inférieure à cette zone critique. (De nombreux équipements de presses
bouclées en pression fonctionnent dans cette configuration).
4.2 Rendement et linéarité
Avec
une servo-pompe le débit d’alimentation du récepteur
hydraulique est sensiblement indépendant de la pression utile Pc. Avec les pompes à pistons à débit variable
le débit est proportionnel à l’inclinaison a du plateau de la pompe. Lorsque l’inclinaison du plateau atteint la
valeur maximum amax la cylindrée de la
pompe est également maximum et égale à cyl. La
vitesse d’entraînement de
la servopompe est constante au glissement près du
moteur électrique d’entraînement.
Servopompe Q =
a/amax · cyl · n (modèle linéaire)
Dans le cas de la servovalve le débit
alimentant le récepteur hydraulique est fortement influencé par la pression
charge (pression sous la racine).
Servovalve Q = k( Pa - Pc) 0,5
(modèle non linéaire)
Dans le cas de la servovalve
raccordée en ligne on démontre que la puissance de sortie est maximum lorsque
la pression charge Pc est égale au 2/3 de la pression d’alimentation Pa de la servovalve.
En corollaire le rendement théorique
ne peut être supérieur à 66% du fait de la perte de charge dans la valve
lorsque celle-ci est raccordée en ligne. Ce rendement est à comparer à un
rendement idéal de 1 dans le cas de la servopompe.
4.3 Fonctionnement à pression élevée
Lorsqu'une
servovalve fonctionne à pression élevée une filtration de grande
qualité est indispensable pour obtenir une bonne fiabilité.
Les
servopompes échappent un peu à cette
règle. En effet, la petite servovalve réglant l’inclinaison du plateau
fonctionne toujours à basse pression, une pression de pilotage de 30
bar étant suffisante pour assurer un contrôle de qualité avec des pressions
de travail sur le circuit de puissance pouvant atteindre 400 bar.
5. Tuyauteries
La
vitesse du fluide ainsi que la contrainte dans la tuyauterie
sont par défaut 6 m/s et 8 daN/mm2
à moins que l’’on ne souhaite choisir des valeurs
différentes.
(des vitesses plus élevées améliorent les asservissements position)
Le
calcul, effectué en valeur théorique, communique les diamètres extérieur et
intérieur ainsi que son épaisseur.
Le programme sélectionne automatiquement la formule de LAME pour tube mince
ou épais, suivant les cas. Il appartient de choisir la qualité et les normes
de tube adaptées à chaque cas particulier.
6.
La compressibilité du fluide
Dans
le cas des servovérins le module d'élasticité du fluide est pris
par défaut à 10 000 bar à moins que l’on ne souhaite
choisir une valeur différente (air dans l'huile ou micro-émulsion)
Nota technique
La
relation de définition du coefficient de compressibilité B des fluides ∆V /
V =
∆ P / B
permet de trouver l'augmentation de pression ∆ P consécutive à
l'introduction d'un volume ∆ V dans un volume initial V.
Le coefficient de compressibilité B de l'huile minérale sans air inclus
est égal à 15.000 bar.
Celui d'une micro-émulsion de l'ordre de 20.000 bar.
Ce coefficient est très influencé
par la présence d'air inclus dans l'huile.
à
150 bar
-
1 ‰ d'air inclus diminue la compressibilité de 10% Ba
= 0,9 B
-
1% d'air inclus diminue la compressibilité de moitié Ba
= 0,5 B
Pour
une teneur en air donnée, on peut considérer que l'inverse du
coefficient de compressibilité ba =
1/ Ba
comme un coefficient constant si P ne varie pas trop.
7. Systèmes
d'exploitation
71 CONSEILS en fonctionnement sous DOS
Il est possible
d'accéder à OCES version DOS en frappant directement OCES puis
"enter"
Lorsque les résultats apparaissent à l'écran, ils peuvent être imprimés si
les résultats sont jugés acceptables.
Avec la version DOS il est
possible d'effectuer une sortie
non formatée sur l'imprimante avec la commande "PRINT SCREEN" de ce
que l’on voit à l'écran
sans utiliser la sortie sur imprimante habituelle.
Si
l’on possède
un ordinateur ancien limité au DOS
; il est possible de ne charger que
les programmes exécutables du logiciel avec une aide contextuelle limitée.
En frappant le nom du programme à l’invite du
DOS puis ‘’enter’’ on rentre
directement dans la version DOS du logiciel OCES
(version limitée au DOS envoyée sur demande à des conditions
intéressantes)
Procédure
manuelle d‘’installation de la version
DOS à partir d’’une disquette 3 1/2
il
faut :
1) Copier les fichiers OCES-DOS.ZIP et
PKUNZIP.EXE sur le disque
dur dans un sous répertoire
C:/OCES
préalablement créé,
2) Aller dans ce sous répertoire et
décomprimer les fichiers ZIP en respectant la syntaxe de décompression
suivante : PKUNZIP OCES-DOS
puis ''enter''
OCES étant maintenant installé sur le disque dur et prêt à
fonctionner on doit se placer dans le sous répertoire C:/OCES
et frapper ensuite
OCES puis ''enter'' (on peut aussi cliquer sur le fichier oces.bat)
72 CONSEILS en
fonctionnement sous WINDOWS
CLa version WINDOWS incite l’utilisateur
à lire les recommandations avant de se lancer dans le programme.
On peut en effet accéder directement à chaque programme à partir de la
description qui en est faite.
En attendant que la procédure d‘’installation de
la version
WINDOWS soit automatique on doit charger les
programmes exécutables *.exe dans le même
répertoire oces/
On peut accéder simplement aux programmes contenus dans la version
WINDOW du site OCES de la façon suivante:
1) pour une utilisation occasionnelle: aller dans le CD ROM avec l'explorateur
WINDOWS et :
- faite un double
clic sur le fichier de commande oces.bat
(version DOS de OCES)
- faite un double clic sur le fichier index.htm (version WINDOWS de OCES)
2)
pour une utilisation courante:
Mettez en place un raccourci des 2 fichiers de commande ci-dessus sur le
bureau.
Démarrer/paramètres/barres des
tâches/programmes du menu démarrer/ajouter/index.html
En affaires,
mentir n'est jamais nécessaire, rarement utile, toujours dangereux.
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