Hydraulijärjestelmän matemaattinen mallinnus ja verifiointi
Leppinen, Teemu (2023)
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-03-17
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302262632
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302262632
Tiivistelmä
Matemaattisen mallinnuksen käytöstä on selkeitä hyötyjä hydraulijärjestelmien suunnittelussa ja sen tekemiseen tarvitaan sekä fysiikan että matematiikan osaamista. Simuloinnit ovat osa mallinnusta, joiden avulla luodaan turvallisin keinoin toimiva hydraulijärjestelmä valitsemalla oikeanlaiset komponentit. Simuloinnin avulla pystytään vähentämään tarvetta rakentaa kalliita protojärjestelmiä. Mallin toteuttamisessa voidaan käyttää erilaisia simulointiohjelmia, joissa on parametrisoitavia hydraulikomponentteja tai komponentit voidaan itse suunnitella matemaattisin keinoin.
Tässä työssä luodaan valmiille hydraulijärjestelmälle malli käyttäen MATLAB/Simulink-ohjelmaa ja sen Simscape-ohjelmaa. Mallilla simuloidaan sylinterin asemaa, paineita ja tilavuusvirtoja, jotka pyritään saamaan samanlaisiksi, kuin mallinnettavasta hydraulijärjestelmästä mitatut arvot. Tulosten vertailussa tarkastellaan saatujen tulosten lisäksi simulointimallin ja hydraulijärjestelmän toimivuutta ja käyttäytymistä. Suunnitellussa mallissa käytetään valmiita Simscapen hydraulikomponentteja, joiden parametrisointi toteutettiin verifioivan hydraulijärjestelmän mukaisesti. Mallin ohjaus toteutettiin Simulinkin komponenteilla, mikä määrittelee venttiilin avautumisen suuruuden halutun syliterin männän nopeuden perusteella.
Työn tuloksena saatiin samankaltaiset tulokset sylinterin asemalle ja tilavuusvirralle, mutta sylinterin kammioiden paineissa havaittiin eroavaisuutta. Tämä voi johtua monenlaisista tekijöistä, kuten lepo- ja liikekitkasta ja verifioivan hydraulijärjestelmän dynamiikasta. Myös mittaustuloksien käyttäytymisessä huomattiin eroja verrattuna simulointituloksiin. Esimerkiksi männän aseman mittauksissa liikkeellelähtö tapahtui suurella kiihtyvyydellä ja painearvoissa nähtiin värähtelyä, sekä paineiden hetkellistä nousua suuntaventtiilin ollessa suljettuna. Eroavaisuuksista huolimatta voidaan työn perusteella todeta, että simulointiohjelmilla pystytään luomaan suhteellisen tarkat tulokset käyttämällä valmiita hydraulikomponentteja.
Tässä työssä luodaan valmiille hydraulijärjestelmälle malli käyttäen MATLAB/Simulink-ohjelmaa ja sen Simscape-ohjelmaa. Mallilla simuloidaan sylinterin asemaa, paineita ja tilavuusvirtoja, jotka pyritään saamaan samanlaisiksi, kuin mallinnettavasta hydraulijärjestelmästä mitatut arvot. Tulosten vertailussa tarkastellaan saatujen tulosten lisäksi simulointimallin ja hydraulijärjestelmän toimivuutta ja käyttäytymistä. Suunnitellussa mallissa käytetään valmiita Simscapen hydraulikomponentteja, joiden parametrisointi toteutettiin verifioivan hydraulijärjestelmän mukaisesti. Mallin ohjaus toteutettiin Simulinkin komponenteilla, mikä määrittelee venttiilin avautumisen suuruuden halutun syliterin männän nopeuden perusteella.
Työn tuloksena saatiin samankaltaiset tulokset sylinterin asemalle ja tilavuusvirralle, mutta sylinterin kammioiden paineissa havaittiin eroavaisuutta. Tämä voi johtua monenlaisista tekijöistä, kuten lepo- ja liikekitkasta ja verifioivan hydraulijärjestelmän dynamiikasta. Myös mittaustuloksien käyttäytymisessä huomattiin eroja verrattuna simulointituloksiin. Esimerkiksi männän aseman mittauksissa liikkeellelähtö tapahtui suurella kiihtyvyydellä ja painearvoissa nähtiin värähtelyä, sekä paineiden hetkellistä nousua suuntaventtiilin ollessa suljettuna. Eroavaisuuksista huolimatta voidaan työn perusteella todeta, että simulointiohjelmilla pystytään luomaan suhteellisen tarkat tulokset käyttämällä valmiita hydraulikomponentteja.