Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Система управления вентиляторной установкой на основе доплеровского ультразвукового контроля расхода воздуха Ядарова Ольга Николаевна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Ядарова Ольга Николаевна. Система управления вентиляторной установкой на основе доплеровского ультразвукового контроля расхода воздуха: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.03 / Ядарова Ольга Николаевна;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»], 2018.- 152 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Методы контроля и системы управления вентиляторными установками 11

1.1 Управление режимами вентиляторной установки 11

1.2 Методы контроля воздушных потоков вентиляторных установок (контактные и бесконтактные) 18

1.3 Выводы к главе 29

Глава 2 Моделирование системы управления на основе контроля воздушного потока 31

2.1 Моделирование потока и рассеяния в нем ультразвука 31

2.2 Элементы (звенья) системы управления 48

2.3 Моделирование разомкнутой системы управления 60

2.4 Выводы к главе 65

Глава 3 Методика и средства эксперимента 66

3.1 Схема и состав лабораторной установки 66

3.2 Схема и характеристики прибора доплеровского контроля воздушного потока 73

3.3 Контроль потока в установившихся и переходных режимах работы вентиляторной установки 81

3.4 Моделирование и контроль воздушного потока с использованием аппарата нейронных сетей 86

3.5 Контроль воздушного потока с фазовыми включениями 93

3.6 Выводы к главе 97

Глава 4 Моделирование системы управления на основе экспериментальных данных 99

4.1 Переходные режимы вентиляторной установки с заслонками 99

4.2 Идентификация звеньев и передаточных функций системы управления вентиляторной установкой 105

4.3 Моделирование замкнутой САУ приводом вентилятора 112

4.4 Система автоматического управления шахтной аэрожелобной сушилкой 120

4.5 Выводы к главе 123

Заключение 125

Список литературы 128

Приложение А Акт о внедрении результатов. «Костромская ГСХА» 140

Приложение Б Акт о внедрении результатов. «ЧГУ им. Ульянова» 141

Приложение В Внедрение результатов. Договор на выполнение работ по гранту 14-08-31271 мол а (РФФИ) 142

Приложение Г Внедрение результатов. Диплом и техническое задание гранта № 342ГУ1/2013 (№ 5139ГУ2/2014) по программе «УМНИК» 148

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы. Управление, контроль, испытания промышленных вентиляторных установок, систем вентиляции овощехранилищ и сушильных агрегатов на предприятиях аграрно-промышленного комплекса требуют создания систем диагностики и автоматического управления электроприводами вентиляторов. В теплоэнергетике использование регулируемого электропривода в механизмах сетевых насосов, насосов рециркуляции и дутьевых вентиляторов котлов при реализации новых комплексных автоматизированных систем управления тепловых станций становится обязательным. Экономия электроэнергии за счёт применения таких систем на сетевых насосах достигает 25-30% и более. Часто возникает необходимость контроля как режимов работы электропривода вентилятора, так и характеристик генерируемых им воздушных потоков, что не всегда учитывают представленные на сегодняшний день доступные регуляторы производительности вентиляторов.

Скорость потоков газов, в частности воздушных потоков, может измеряться различными аппаратными средствами при помощи разных методик, среди которых есть контактные, и дистанционные (бесконтактные) методы. Контактные методы позволяют измерить локальную скорость потока, но их использование приводит к искажению структуры потока и для осуществления контроля свободного (открытого) неоднородного потока с большими пространственными размерами требуется распределенная сеть датчиков. Традиционная оценка скорости потока (расхода) на основе разницы давлений в воздухопроводе неэффективна для открытых потоков на выходе вентиляторных установок. К дистанционным можно отнести оптические и ультразвуковые (УЗ) методы контроля воздушных потоков. УЗ методы позволяют обеспечить относительно высокую точность измерений и могут иметь конкурентные преимущества перед традиционными контактными датчиками и оптическими методами, поскольку позволяют измерять скорость оптически непрозрачных газовых потоков в условиях загрязненности и в широком диапазоне температур, давления, токсичности. Ультразвуковые измерения не вносят возмущения в структуру потока, могут быть дешевле и надежнее оптических, позволяют контролировать поток в значительном объеме без пространственного сканирования в силу широкой направленности ультразвукового излучения.

Современная теория расчета вентиляторных установок основывается на работах Н. Е.Жуковского, И. А. Ушакова, Л. Прандтля, О. Рейнольдса. Большой вклад в решение задач оптимизации режимов работы электроприводов внесли отечественные и зарубежные ученые: И. Я. Браславский, Н. В. Донской, Н. Ф. Ильинский, В. И. Ключев, И. П. Копылов, В. В. Панкратов, В. В. Рудаков, Р. Т. Шрейнер, F. Blaschke, J. Holtz, D. W. Novotny и другие. Методы и средства управления электроприводом продолжают интенсивно развиваться. При этом вопросы, связанные с управлением приводами вентиляторных и насосных систем в переходных режимах, для газовых (сжимаемых) сред остаются недостаточно изученными.

Предлагаемая система управления вентиляторной установкой на основе доплеровских ультразвуковых измерений предполагает одновременный контроль скорости вращения вентилятора и параметров генерируемого им потока воздуха (расхода), что позволяет учесть изменение аэродинамического сопротивления в системе, задержки между скоростью вращения вентилятора и воздушным потоком, в том числе в переходных режимах. Кроме того, с помощью ультразвукового доплеровского прибора возможно получение информации о степени турбулентности потока, наличии и концентрации фазовых включений (примеси). Перечисленные особенности позволяют строить систему управления приводами вентиляторов более оптимально, с учетом большего числа факторов. Это определяет актуальность работы.

Целью работы является разработка методики доплеровского ультразвукового контроля воздушного потока и синтез системы автоматического управления вентиляторной установкой на ее основе.

Объектом исследования являются электротехнические системы и комплексы, включающие в себя вентиляторные установки.

Предметом исследования является система управления вентиляторной установкой на основе дистанционного ультразвукового контроля воздушного потока.

Основные задачи:

  1. Синтез системы управления приводом вентилятора на основе моделирования доплеровского ультразвукового рассеяния для контроля воздушного потока вентилятора.

  2. Разработка методики контроля скорости воздушного потока вентилятора на основе доплеровского ультразвукового прибора и ее экспериментальная апробация в лабораторных условиях.

  3. Теоретические и экспериментальные исследования переходных и установившихся режимов работы вентиляторной установки с доплеровским ультразвуковым контролем воздушного потока.

  4. Идентификация звеньев системы управления вентиляторной установкой и их передаточных функций на основе экспериментальных данных.

  5. Моделирование замкнутой системы автоматического управления (САУ) приводом вентилятора на основе доплеровского ультразвукового контроля генерируемого воздушного потока.

Область исследования: принципы и средства управления электротехническими комплексами и системами.

Методы и методология исследования. Использованы теоретические основы электротехники, методы теории автоматического управления, математической физики и теории измерений. Повышение точности и расширение функциональных возможностей ультразвуковых измерений достигнуто за счет детальной оцифровки и методов цифровой обработки сигналов с использованием микропроцессорных средств. Использованы приемы и подходы функционального программирования, аппарат искусственных нейронных сетей.

Достоверность результатов подтверждается корректным

использованием выбранных моделей и согласием результатов математического моделирования, имитационного моделирования и экспериментальных измерений.

Соответствие паспорту специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. Объект изучения: электротехнические комплексы и системы генерирования электрической энергии, электропривода, электроснабжения, электрооборудования. Область исследований: (п.3) разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления; (п.4) исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты математического моделирования и анализа доплеровского рассеяния ультразвука в открытом воздушном потоке вентилятора и синтез САУ приводом вентилятора.

  2. Методика доплеровского ультразвукового контроля открытого воздушного потока вентилятора, включающая аппаратные средства и обработку сигналов.

  3. Модель замкнутой системы управления вентиляторной установкой на основе экспериментальных данных доплеровского ультразвукового контроля воздушного потока.

Научная новизна работы:

  1. Обоснована и экспериментально реализована новая методика контроля скорости генерируемого вентилятором потока воздуха на основе доплеровских ультразвуковых измерений.

  2. На основе экспериментальных данных показана возможность синтеза замкнутой САУ приводом вентилятора на базе дистанционного ультразвукового контроля воздушного потока при возмущающем воздействии, меняющем аэродинамические характеристики системы.

  3. Впервые для оценки зависимости между режимом работы привода вентилятора и параметрами генерируемого потока воздуха при обработке УЗ сигналов использована рекуррентная нейронная сеть на основе многослойного персептрона.

Теоретическая значимость диссертационной работы определяется доказанной возможностью использования доплеровских ультразвуковых измерений для систем управления приводами в электротехнических комплексах с вентиляторными установками.

Практическая ценность. Результаты могут использоваться для повышения эффективности работы вентиляторных установок в составе электротехнических комплексов за счет разработки систем автоматического управления приводом. Предлагаемый подход позволяет бесконтактно контролировать открытый воздушный поток на выходе системы, вне зависимости от типа привода и самого вентилятора, вносить соответствующие

поправки в традиционные алгоритмы автоматизированного управления приводом вентиляторов, штор, заслонок. Доплеровский ультразвуковой контроль может эффективно использоваться для оценки концентрации примесей в агенте сушки для управления приводами вентиляторов в сушильных агрегатах. Методика может использоваться как в составе АСУ, так и для разового контроля вентиляторных агрегатов, газовых выбросов и т.д. Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям науки, технологии и техники в Российской Федерации: энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены и обсуждались на Всероссийской 46-й научной студенческой конференции по техническим, гуманитарным и естественным наукам в секции «Автоматизация научных исследований, испытаний и эксперимента» (Чебоксары, 10-14 апреля 2012 г.), на XIV Межрегиональной конференции-фестиваля научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги» (Чебоксары, 5 мая 2012 г.), в программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Чебоксары, 15-16 ноября 2012 г., 14-15 марта 2013 г.), на VIII, IX и X Всероссийских научно-технических конференциях «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 7-9 июня 2012 г., 5-7 июня 2014 г., 2-4 июня 2016 г.), на X, XI и XII Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 6-8 июня 2013 г., 4-6 июня 2015 г., 1-3 июня 2017 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты внедрены в ФГБОУ ВО «Костромская ГСХА» при анализе работы аэрожелобной сушилки, в учебном процессе ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова».

Результаты использованы при выполнении гранта 14-08-31271 мол_а «Доплеровский ультразвуковой контроль открытых воздушных потоков» (2014-2015) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и инновационного проекта «Система дистанционного ультразвукового контроля вентиляторных установок» (2013-2014) государственного контракта № 342ГУ1/2013 по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК) при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Личный вклад автора. Анализ и интерпретация экспериментальных данных, обработка сигналов и математическое моделирование проводились автором лично. В совместных работах автору принадлежит постановка и участие в экспериментальных исследованиях, разработка алгоритмов, синтез и анализ систем управления.

Публикации. Основные результаты отражены в 25 печатных работах, в том числе 10 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы (101 наименований), приложений (13 страниц). Основной текст рукописи содержит 127 страниц, 76 рисунков и 6 таблиц.

Методы контроля воздушных потоков вентиляторных установок (контактные и бесконтактные)

Для контроля газовых потоков используют анемометры, расходомеры, счетчики. Анемометр (от греческого анемос – ветер, и метрео – измерение) – измерительный прибор, предназначенный для определения скорости ветра, а также для измерения скорости направленных воздушных и газовых потоков. Расходомером называются такой прибор, который позволяет измерить расход вещества, т. е. количество вещества, которое протекает по трубопроводу в единицу времени. Приборы, измеряющие расход вещества за некоторый промежуток времени, называют счетчиками. Объемный расход вещества q может быть выражен через среднюю скорость потока vср : q =vср S , где S – площадь поперечного сечения потока.

Анемометры широко используются для определения средней скорости газа (в, основном, воздуха) в воздуховодах, каналах и коробках, системах кондиционирования и вентиляции, устанавливаемых как в жилых, так и в производственных помещениях, в шахтах, тоннелях метрополитена. Анемометрами часто пользуются специалисты лабораторий охраны труда во время аттестации рабочих мест. Выбор прибора зависит от того, где проводятся измерения – на вентиляционной решетке или непосредственно в воздуховоде (газоходе), каков диапазон скоростей, температура, запыленность.

Значение расходомеров и счетчиков газа, пара и жидкости очень велико. Счетчики необходимы для учета газа и других веществ, транспортируемых по трубам. Без этих измерений достаточно сложно контролировать утечки и исключать потери ценных продуктов. Более того, значение расходомеров и счетчиков возрастает из-за стремления к максимальной экономии ресурсов.

Анемометры и расходомеры можно классифицировать по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и другим признакам, но более общей является классификация по принципам измерений – выделяют следующие группы расходомеров:

1) Расходомеры переменного перепада давления, использующие зависимость перепада давления от скоростного напора;

2) Расходомеры постоянного перепада давления, основанные на перемещении потоком обтекаемого элемента;

3) Тахометрические расходомеры, основанные на зависимости расхода вещества от угловой скорости вращения обтекаемого тела.

4) Электромагнитные расходомеры, основанные на преобразовании скорости проводящей жидкости, которая движется в магнитном поле, в электродвижущую силу.

5) Ультразвуковые расходомеры, использующие эффект изменения звуковых колебаний движущимся потоком.

6) Инерционные расходомеры, преобразующие расход вещества в инерцию, возникающую в результате линейного или углового ускорения потока.

7) Тепловые расходомеры, использующие теплоотдачу обтекаемого потоком нагретого элемента.

8) Оптические расходомеры, использующие эффект Физо-Френеля (увлечение света потоком) или эффект Доплера (рассеяние света частицами).

9) Меточные расходомеры, использующие определение скорости движения метки, проходящей между двумя поперечными сечениями потока.

Рассмотрим расходомеры первых пяти групп, так как в отечественной практике они получили наибольшее распространение. Эти расходомеры изготавливаются серийно и применяются практически во всех отраслях народного хозяйства. Расходомеры других групп выпускаются малыми партиями (или единичными экземплярами) и не относятся к стандартизованным средствам измерений, применяются преимущественно для решения специальных задач, например, в лабораторных и исследовательских работах.

К первой группе относятся расходомеры переменного перепада давления, содержащие сужающие устройства, которые бывают трех основных типов: нормальная диафрагма и сопло, труба (сопло) Вентури (рисунок 3).

Сужающие устройства размещают на довольно длинных прямых участках трубопровода, поскольку любые местные сопротивления (вставки, колена, переходы, заслонки и др.), вызывая завихрения и случайные турбулентные пульсации потока, приводят к появлению дополнительных погрешностей [21]. Максимальная погрешность расходомеров этой группы при нормальных условиях работы составляет 1,5-8% и может быть уменьшена до 0,5-1% с помощью индивидуальной градуировки и использования дифференциального манометра более высокой точности.

Преимуществом диафрагмы является относительная простота в изготовлении и низкая стоимость по сравнению с другими типами преобразователей (при сравнительно небольших диаметрах трубопровода и давлениях). К тому же коэффициенты расхода диафрагм меньше зависят от турбулентности потока [64]. Тем не менее погрешность измерения расхода и потери напора у диафрагм больше, чем в соплах и трубах Вентури [66].

Ко второй группе относятся расходомеры постоянного перепада давления: ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры.

Ротаметр состоит из двух основных элементов: конической трубки и заключенного в нее поплавка. Под воздействием скоростного напора поплавок постоянно вращается, центруясь посередине потока, поэтому прибор работает без трения о стенки трубки и чувствителен к незначительным изменениям скорости движения потока. Поплавковые расходомеры отличаются от ротаметра только конструктивно. Поршневые расходомеры используются в основном для определения расхода жидкостей.

Расходомеры этой группы широко используются в системах автоматического управления и регулирования в топливной и химической промышленности благодаря простоте автоматизации измерений и конструкции, высокой чувствительности, незначительным потерям давления, возможности контроля расхода агрессивных жидкостей и газов. К недостаткам относится отсутствие научных принципов взаимозаменяемости и косвенной расчетной градуировки [22], необходимость индивидуальной аттестации (погрешность снижается до 0,2-0,3%), существенное влияние свойств среды на точность измерений, непригодность для измерения больших расходов.

К третьей группе относятся тахометрические расходомеры: турбинные с аксиальной, тангенциальной турбиной и шариковые.

Турбинный расходомер (рисунок 4) состоит из трех основных элементов: турбинного первичного преобразователя 3 с подшипниковой опорой 2, вторичного преобразователя 4 (индукционной катушки) и регистратора 1. Поток вещества вращает наклонные лопасти ферромагнитной турбинки. При пересечении лопастями магнитного поля катушки в ней наводится пикообразный ток, частота пульсаций которого пропорциональна угловой скорости вращения турбинки (расходу вещества).

Схема и состав лабораторной установки

На рисунке 30 приведена схема экспериментальной лабораторной установки. Особенность лабораторных измерений заключается в одновременном контроле частоты вращения вентилятора с помощью линейного датчика Холла (ДХ) и интегральной скорости движения потока – новым ультразвуковым прибором доплеровского контроля (ПДК). Прибор имеет достаточно высокую чувствительность для того, чтобы дистанционно контролировать скорость движения объектов, которые рассеивают ультразвук, в широком диапазоне [46, 47]. На основе доплеровского ультразвукового устройства разработана система бесконтактного контроля (С) открытых турбулентных газовых потоков.

Источником турбулентного потока воздуха является канальный вентилятор Dospel WK200 (В) с диаметром выходного отверстия 0,2 м, который можно уменьшить до 0,15 м с помощью редуктора, надеваемого на вентилятор. Dospel WK200 представляет собой центробежный вентилятор с расходом воздуха 1200 м/ч, номинальной частотой вращения 2430 об/мин и потребляемой мощностью 170 Вт. Для определения частоты вращения применяется фототахометр DT2234B (Т), позволяющий дистанционно фиксировать частоту вращения с высокой точностью (погрешность ±(0,05 процента + 1 цифра)). Для плавного регулирования скорости вращения применяется симисторный регулятор мощности (Р), рассчитанный на нагрузку до 1 кВт. Для проверки достоверности результатов осуществлялся контроль пространственной и временной изменчивости потока анемометром X-Line AeroTemp (А).

Вентилятор

Для задания воздушного потока используется промышленный вентилятор Dospel WK200 (рисунок 31). Характеристики вентилятора приведены в таблице 1, габаритные размеры - в таблице 2 (рисунок 32).

Вентиляторы серии Dospel WK оснащены экономичным однофазным электродвигателем с внешним ротором. Двигатель рассчитан на длительную непрерывную эксплуатацию. Загнутые назад лопасти рабочего колеса вентилятора обеспечивают более высокое давление и эффективность работы. Благодаря компактности и небольшому весу вентилятор Dospel WK легко монтируется и позволяет установку, как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Аэродинамическая характеристика [38, 55] вентилятора Dospel WK200 приведена на рисунке 33.

Крыльчатый анемометр-термометр X-Line AeroTemp (рисунок 34) – это удобный прибор небольшого размера и веса, предназначенный для измерения скорости движения потока и температуры воздуха.

Цифровой фототахометр

Цифровой фототахометр DT2234B применяется для определения частоты вращения вентилятора. Тахометр обладает малым весом и компактными габаритными размерами. Результаты измерений отображаются на экране высокой четкости. В комплект устройства входит специальная метка со светоотражающим слоем. Метка наклеивается на объект вращения и используется прибором при подсчете оборотов.

Характеристики цифрового фототахометра приведены в таблице 4.

Датчик положения на эффекте Холла

В лабораторной установке используется линейный датчик Холла АН49Е. Характеристики датчика приведены в таблице 5. Датчик магнитного поля выполнен на основе эффекта Холла [14, 61], открытого американским физиком Эдвином Холлом (Е. Hall) в 1879 г. Суть эффекта Холла состоит в том, что если проводник с током помещен в магнитное поле, то возникает электродвижущая сила (ЭДС), направленная перпендикулярно и току, и полю.

Симисторный регулятор мощности

Для плавной регулировки частоты вращения асинхронного двигателя вентилятора применяется регулятор мощности на основе симистора ВТА26-600В. Схема симисторного регулятора [8, 39] работает по принципу фазового регулирования, основанному на изменении момента включения симистора в зависимости от перехода напряжения питания через ноль (начала положительной или отрицательной полуволны напряжения сети), и позволяет подключать нагрузку до 1 кВт.

Таким образом, лабораторная установка позволяет выполнять одновременный контроль скорости вращения вентилятора с помощью датчика Холла или фототахометра и параметров генерируемого им потока воздуха, измеряемого ультразвуковым доплеровским прибором или анемометром. Это позволяет учесть изменение аэродинамического сопротивления в системе, временные задержки между скоростью вращения вентилятора и воздушным потоком, в том числе – в переходных режимах.

Контроль воздушного потока с фазовыми включениями

В настоящем параграфе кратко описаны результаты экспериментальных измерений и обработки сигналов прибора доплеровского контроля для воздушного потока с фазовыми включениями [70, 79]. Схема экспериментальных измерений приведена на рисунке 53.

Измерения выполнялись в установившимся (стационарном) и переходном (разгонном) режимах работы привода вентилятора. Исследовалась временная изменчивость и доплеровские спектраные плотности сигналов при отсутствии и наличии фазовых включений (мелкая древесная стружка) в потоке вентилятора. Приведенные осциллограммы соответствуют открытому потоку со значительной турбулентностью на границах.

Регистрируемый ультразвуковой (УЗ) доплеровский сигнал характеризуется двумя основными параметрами: средним доплеровским сдвигом частоты, который определяется интегральной скоростью движения потока; амплитудой сигнала, флуктуации которой определяются размером примесей, их концентрацией и временем прохождения через облучаемую ультразвуком область.

На рисунке 54, а для примера приведена осциллограмма сигнала в разгоннном режиме работы вентилятора, в потоке которого присутствуют фазовые включения. Некоторый объем стружки был помещен в выходной канал вентилятора и при переходе на установившийся режим концентрация фазовых включений постепенно уменьшалась до нуля, обратное рассеяние ультразвуковых волн происходило на турбулентных пульсациях потока (t больше 3,5 с). Из рисунка видно, что наличие примесей в потоке значительно увеличивает амплитуду рассеянного сигнала.

Для оценки скорости движения потока на рисунке 54, б приведена зависимость среднего взвешенного доплеровского спектра. В установившемся режиме наибольная скорость движения воздуха v на оси потока в области пересечения с диаграммой излучения ультразвуковых преобразователей приблизительно соответствует 3 м/с. Максимальный доплеровский сдвиг достигается до перехода потока на установившийся режим, где время t 2-2,5 с (рисунок 54, б). Что соответствует действительной скорости движения элементов, которые рассеивают ультразвук в этот момент времени (v 1 м/с). С дальнейшим ростом скорости движения доплеровский сдвиг становится значительно меньше, это связано с тем, что увеличивается неоднородность потока и рассеяние ультразвукового сигнала происходит преимущественно на его границах с меньшей скоростью.

Сделанный вывод подтверждается доплеровскими спектральными плотностями УЗ сигналов, приведенных на рисунке 55. Здесь показаны доплеровские спектры в установившимся режиме работы привода вентилятора при отсутствии (кривая 1) и наличии (кривая 2) фазовых включений.

Максимальное средневзвешенное значение доплеровского спектра приходится на чатоты до 50 Гц, соответствующие скорости движения v около 0,4 м/с -значительно меньше скорости на центральной оси. Для сравнения приведена кривая 3, соответствующая свободному падению стружки (см. рисунок 53) со скоростью движения v 1 м/с в области рассеяния.

При наличии фазовых включений происходит увеличение обратного рассеяния ультразвукового сигнала при небольшой скорости движения потока. При увеличении скорости движения воздуха и неоднородности на краях потока рассеяние ультразвуковых волн происходит в основном на турбулентных участках потока, это затрудняет непосредственный контроль скорости движения на центральной оси. Аппарат ИНС, описанный в предыдущем параграфе, позволяет моделировать турбулентную структуру потока, и, по-видимому, восстанавливать и структуру, и скорость движения воздуха с помощью данных обратного ультразвукового рассеяния на границах потока.

Моделирование замкнутой САУ приводом вентилятора

Целью функционирования синтезируемой системы управления (рисунок 20) является поддержание необходимого расхода воздуха в объекте управления. Регулируемой величиной является расход воздуха, регулирующим воздействием – частота вращения электродвигателя.

Требования, предъявляемые к качеству переходных процессов в системе управления вентиляторной установкой:

1) время регулирования tp 10 с;

2) перерегулирование 30%;

3) максимально допустимое отклонение регулируемой величины в установившемся режиме 5%.

Система устойчива, если она возвращается к установившемуся состоянию после прекращения действия, выводящего ее из этого состояния. Для оценки устойчивости системы автоматического управления применим критерий устойчивости Найквиста [98], согласно которому устойчивость системы в замкнутом состоянии исследуют по частотной передаточной функции ее разомкнутой цепи.

Определим устойчивость системы в разомкнутом состоянии. Характеристическое уравнение разомкнутой системы имеет вид

Разомкнутая система устойчива, тогда для этого случая критерий Найквиста будет следующий:

Для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФХ) разомкнутой системы при изменении от 0 до не охватывала точку с координатами (-1, 0).

Замкнутая система автоматического управления (ЗСАУ) устойчива, так как АФХ РСАУ (рисунок 68, кривая 1) не охватывает точку с координатами (-1, 0).

Найдем критическое время х . По графику на рисунке 69 вычисляем частоту

среза С, при которой ЛАЧХ разомкнутой системы пересекает ось абсцисс, то есть Lраз (сос) = 0. Итак, частота среза сос = 0,3.

Согласно структурной схеме, представленной на рисунке 20, составим модель замкнутой САУ вентиляторной установкой в пакете визуального моделирования Simulink среды MATLAB (рисунок 70). Заслонка меняет сечение выходного отверстия вентилятора на 15% (коэффициент усиления 0,15; постоянная времени 0,47) и влияет на расход (0,3 м3/с) и момент нагрузки (0,12).

Принцип выбора закона управления и типа регулятора заключается в следующем: нужно выбрать регулятор, обеспечивающий необходимое качество регулирования при наименьшей стоимости и высокой надежности. Регуляторы бывают релейные, непрерывные и дискретные (цифровые). Предполагается, что непрерывные регуляторы используют И, П, ПИ, ПД и ПИД - законы управления.

На рисунке 72 приведена модель замкнутой САУ вентиляторной установкой c возмущающим воздействием (перекрытие заслонки) и использованием ПИД-регулятора [94], который может быть реализован в микропроцессорной схеме ПДК.

На рисунке 73 приведены результаты моделирования замкнутой САУ при возмущающем воздействии (перекрытие заслонки в момент 30 с), меняющего сечение S выходного отверстия вентилятора на 15%. Параметры настройки ПИД-регулятора: KП = 0,95, KИ = 0,3, KД = 0,15 обеспечивают время регулирования tp 10 с.

На рисунке 74 приведены изменение момента нагрузки Mc и относительной скорости вращения v в замкнутой системе с ПИД-регулятором при возмущающем воздействии (перекрытие заслонки в момент 30 с). Как видно из рисунка, за счет уменьшения скорости вращения вентилятора интегральная скорость потока (рисунок 73) стабилизируется.

Переходный процесс в замкнутой системе с ПИД регулятором соответствует заданным требованиям.

Таким образом, на основе экспериментальных данных показана возможность синтеза замкнутой САУ вентиляторной установкой на базе дистанционного доплеровского контроля воздушного потока при возмущающем воздействии, меняющем аэродинамические характеристики системы.