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Experiments and CFD simulations for the characterisation of the orifice flow in a four-way servovalve
No full textIt is well-known that the discharge efficiency of an orifice varies with the flow condition: it is very low for laminar flow, it reaches a maximum in “mixed” conditions, and it tends to be constant (i.e. insensitive to flow variations) when turbulence is fully developed. However, the classical approach to the modelling of servo-hydraulic actuators is based on the hypothesis that the flow through the servovalve orifices is turbulent, and this assumption can lead to significant errors if the dynamics of actuators operating in extreme conditions is concerned. This is the case of aerospace applications, since flight actuators can be commanded to move against high counteracting loads or at very low velocities, and a laminar (or rather “mixed”) flow pattern can be established in the servovalve orifices. In the paper, the flow through the Moog D633 four-way servovalve is studied by means of experiments and Computational Fluid Dynamics simulations (developed in the STAR-CD environment). Two are the basic objectives of the investigation: to characterise the laminar-to-turbulent flow transition in the orifices of an aircraft-type hydraulic component, providing an original physical interpretation to the increase of the orifice discharge efficiency in “mixed” flow conditions, and to highlight the necessity of using Reynolds-dependant orifice equations for the modelling of high-performance servohydraulic actuators
Experimental validation of theoretical and numerical models of a DDV linear force motor
No full textThe performances of a Direct Drive Valve (DDV) mainly depend on the characteristics of its Linear
Force Motor (LFM) and the availability of accurate models of the LFM plays an important role in the whole actuation system design. The present work deals with the modelling and the experimental characterisation of a LFM. By means of a specifically designed test equipment, the force provided by the LFM of an off-the-shelf DDV is measured as a function of the coil current and of the spool position. The experimental data are compared with the results of two models: a theoretical one, based on the magnetic circuit theory, and a numerical one, based on the FEM analysis of the electromagnetic components of the system. The numerical model provided good results over a wide range of test conditions and it allowed to evaluate correction factors for the theoretical model, related to the presence of secondary paths in the magnetic fluxes and to the distortion of the magnetic flux lines
Experimental implementation of a motion-compensated force control in a hydraulic workbench for flight actuators
No full textThe paper deals with the design and the experimental
implementation of the force control in a hydraulic workbench
for flight actuators, to be used for hardware-in-the-loop
simulations of modern Fly-By-Wire Flight Control Systems.
A basic problem affecting the plant performances is that the
force response is sensitive to the flight actuator movements.
Simulation results show that a suitable solution can be
obtained including a compensation feedback based on the
flight actuator acceleration, but sensor nonlinearities can
induce relevant disturbances during experiments. In the
paper, the model-inverting controller and the acceleration
feedback are combined with a Kalman filter for
compensating the accelerometer bias, and the performance of
the closed-loop force-controlled plant is characterised by
performing successive sessions of experiments, up to the
simulation of the flight actuator dynamics during a typical
flight manoeuvre
Experiments and simulations for the study of temperature effects on the performances of a fly-by-wire hydraulic actuator
No full textThe paper deals with the study of the temperature effects on the performances of fly-by-wire hydraulic actuators. The activity is developed via both experiments and simulations, using a primary flight actuator of a modern fly-by-wire jet trainer as reference hardware. A dedicated experimental set-up is arranged, by integrating a thermal chamber with a real-time actuator control system developed in the MATLAB-Simulink-xPC Target environment, and an extensive test campaign is performed on the actuator in environmental control conditions. In particular, both the static and the dynamic performances are concerned, characterizing the valve threshold, the valve motor gain, the open-loop, and closed-loop frequency responses. The tests are performed at ambient, extreme hot (71 C), cold (-20 C), and extreme cold (-40 C) temperatures. Experimental results are reported and discussed, providing a physical interpretation of temperature sensitivity effects. Concerning the simulation studies, they started from a detailed model of the actuator dynamics, previously developed and validated by the author at ambient temperature. The model is adapted for taking into
account the temperature effects, and an experimental validation is obtained at servovalve level. The influence of temperature at actuator level is predicted by simulation, highlighting and discussing the expected closed-loop control concerns
Simulation and Experiments for the Study of a Fault-Tolerant Hydraulic Actuator for Fly-By-Wire Helicopters
No full textThe availability of accurate equipment models
plays a key role in the project of fly-by-wire
flight control systems, since crucial activities as
closed-loop controls’ design, performance
analysis, integration studies, and the
development of monitoring algorithms can be
strongly enhanced if a high-fidelity simulation is
used. This paper deals with the development
and the validation of the model of a hydraulic
actuator for fly-by-wire helicopter controls. The
model provides a detailed simulation of the
main actuator parts, and is capable to simulate
the system dynamics with electrical and
hydraulic failures. Simulation results are
validated via experiments, by performing an
extensive test campaign in terms of frequency
and time responses. The validation, obtained in
both normal and fail-operative conditions at
servovalve as well as actuator level, allowed to
highlight the importance of some model details
for simulating relevant system nonlinearities,
such as the actuator limit cycle oscillations
ANALISI CFD PER LA CARATTERIZZAZIONE DEL FLUSSO IN UNA SERVOVALVOLA ELETTROIDRAULICA
No full textÈ ben noto che il coefficiente di scarica di un orifizio varia rispetto alle condizioni di flusso: è molto basso in regime
laminare, raggiunge un massimo in regime “misto” e tende a diventare costante (ovvero insensibile alle variazioni
di flusso) quando la turbolenza è pienamente sviluppata. Tuttavia, l'approccio classico alla modellazione della
dinamica degli attuatori servoidraulici si basa sull'ipotesi che il flusso negli orifizi di servovalvola sia sempre
turbolento. Tale assunzione può comportare errori rilevanti se viene studiata la dinamica di attuatori operanti in
condizioni estreme. Nell’applicazione aeronautica, gli attuatori di volo possono essere movimentati a velocità molto
basse o sotto l’azione di forti carichi resistenti, ed in tali casi può instaurarsi negli orifizi di servovalvola un regime
di moto laminare o “misto”. Nel lavoro, il fenomeno della laminarizzazione del flusso di servovalvola è studiato con
riferimento alla servovalvola a quattro vie Moog D633, mediante lo sviluppo (in ambiente STAR-CD) di modelli
CFD di tipo tridimensionale. I risultati di simulazione sono confrontati con i dati sperimentali ottenuti nel corso di
precedenti attività di ricerca, individuando le principali caratteristiche del flusso di servovalvola (coefficienti di
trafilamento, coefficienti di scarica) sia in regime di moto turbolento che laminare. L’indagine ha due obiettivi
fondamentali: caratterizzare la transizione del regime di flusso in una servovalvola di tipo aeronautico, fornendo
un’interpretazione fisica originale all’incremento del coefficiente di scarica in condizioni di flusso “misto”, e porre
l’accento sulla necessità di utilizzare equazioni di trafilamento dipendenti dal numero di Reynolds nei modelli di
attuatori ad alte prestazioni
CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DEL FLUSSO IN UNA SERVOVALVOLA DIRECT-DRIVE A QUATTRO VIE
No full textNella memoria si riassumono i risultati di un'attività sperimentale volta alla caratterizzazione del flusso
attraverso gli orifizi di una servovalvola Direct-Drive a quattro vie di impiego industriale. Mediante un banco
prova appositamente progettato ed allestito per la ricerca, sono state misurate pressioni, portate e temperature
del fluido in funzione dell'apertura del cassetto di distribuzione e per diverse condizioni di carico sulle porte di
utenza della servovalvola. La successiva elaborazione dei dati sperimentali ha condotto da un lato alla
determinazione dei coefficienti di trafilamento del componente, dall'altro alla stima delle forze di flusso
applicate sul cassetto di distribuzione. Gli esperimenti evidenziano la variazione del regime di efflusso negli
orifizi della servovalvola e la presenza di meccanismi fluidodinamici di compensazione delle forze di flusso,
aspetti di importanza fondamentale per il progetto di attuatori servoidraulici relativi a superfici primarie di
controllo di volo
RL 156 (2017) - Preliminary control design for the aircraft braking dynamics: anti-skid system and multi-variable directional control
No full textIl lavoro documenta le attività condotte per il progetto preliminare del sistema di controllo della frenata di un velivolo di classe Business Jet dotato di freni idraulici differenziali. L’attività ha come principale obiettivo la definizione e la valutazione preliminare di un’architettura di controllo basata sull’uso di un loop in slip ratio sulle ruote frenanti per il controllo anti-skid e di un loop multi-variabile per il controllo di direzione. A partire dal modello della dinamica a sei gradi di libertà del velivolo su pista documentato in [1] (comprensivo della simulazione dei freni idraulici, degli ammortizzatori oleopneumatici e dell’assieme ruota-pneumatico con relative forze di contatto al suolo), sono stati sintetizzati i regolatori relativi al controllo pressione freni, al controllo anti-skid, e al controllo di direzione, realizzato su tre assi di comando: ruota anteriore sterzante, timone verticale e freni differenziali. Le logiche di controllo sviluppate sono state implementate in ambiente Matlab-Simulink ed integrate col modello di simulazione del velivolo, realizzando un simulatore completo della dinamica di frenata, le cui prestazioni vengono nel documento caratterizzate al variare delle condizioni operativ
Modello dinamico dettagliato per il progetto preliminare
No full textIl presente lavoro documenta le attività condotte per lo sviluppo di un modello dettagliato di simulazione dinamica dell’attuatore elettromeccanico, che sia d’ausilio per le fasi preliminari del progetto del sistema. In particolare, dopo aver descritto i modelli fisico-matematici utilizzati per la simulazione dell’attuatore (attriti e perdite di rendimento della trasmissione, cinematismo d’attuazione, motore BLDC, elettronica di potenza a pilotaggio PWM, controlli in ciclo chiuso sulla corrente di fase e sulla velocità angolare del motore), viene documentata l’implementazione del modello in ambiente Matlab-Simulink e vengono riportati i principali risultati ottenuti dagli studi di simulazione.
Tali attività hanno permesso di effettuare una preliminare verifica di funzionalità del sistema (variando le condizioni operative in termini di carico applicato e tensione di alimentazione), nonché di valutare l’impatto sulle prestazioni delle principali nonlinearità del sistema (pilotaggio PWM, saturazione di tensione e di corrente, attriti)
Modello dinamico dettagliato per il progetto definitivo
No full textIl presente lavoro documenta le attività condotte per lo sviluppo di modelli dettagliati di simulazione dell’attuatore elettromeccanico, che siano d’ausilio per il progetto definitivo del sistema. In particolare, sono stati sviluppati due tipi di modelli: un modello Matlab-Simulink per la simulazione della dinamica del sistema completo (descritto nei capitoli 2-3), ed un modello MSC-Adams appositamente creato per analizzare il funzionamento del sistema in modalità free-fall (descritto capitolo 4). Per quanto concerne il modello Matlab-Simulink, che integra e completa le attività di modellazione e simulazione condotte nell’ambito del programma [1][2][3], nel documento vengono illustrati tutti i modelli fisico-matematici utilizzati per la descrizione del funzionamento (pilotaggio PWM del motore elettrico, dinamica del motore brushless a f.c.e.m. sinusoidale, dinamica del moto dell’attuatore, modulazione dei comandi di tensione al motore, loop di controllo digitale sulla velocità, sensore di velocità ad effetto Hall, filtri EMC all’ingresso e all’uscita dell’unità di controllo) e viene fornita una descrizione dettagliata del modello sia in termini di struttura generale che di parametri caratteristici dello stesso
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