CC BY
38
УДК 681.5+62-82
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ГИДРОТЕСТИРОВАНИЯ
A.A. Носенко, М.Н. Устюгов, В.В. Бодров
THE AUTOMATED HYDROTEST SYSTEM
A.A. Nosenko, M.N. Ustyugov, V.V. Bodrov
Разработана функциональная схема системы автоматизированного гидротестирования труб большого диаметра и построена её математическая модель. По результатам моделирования проведено корректирование алгоритма управления реальной испытательной системы.
Ключевые слова: функциональная схема, гидротест, моделирование, опрессовка.
The functional scheme of the automated hydrotest system of the large-diameter pipes is designed and the mathematical model of one is created. The control flow of the real hydrotest system is adjusted in the terms of simulation results.
Keywords: functional diagram, hydrotest, simulation, molding.
Введение
Гидротест, или опрессовка, является основным этапом технологического процесса испытания гидравлических емкостей на прочность. Построение математической модели системы гидротестирования позволяет оценить точность ее функционирования для создания управляющего программного обеспечения.
1. Схема функционирования системы
гидротестирования
Процесс гидроиспытаний состоит в подъеме давления рабочей жидкости в испытуемой емкости, с использованием пропорционального клапана, изменяющего расход рабочей жидкости, втекающей в емкость.
На рис. 1 представлена обобщенная блок-схема системы гидротестирования. Насос низкого давления Н0, приводимый в движение асинхронным двигателем АДо с частотой вращения вала О 0, подает из бака рабочую жидкость в параллельно включенные насосы высокого давления Н1 и Н2, вращаемых соответственно двигателями АД! и АД2 со скоростью 121 и 12 2. С выхода насосов рабочая жидкость поступает на предохранительный клапан с пропорциональным управлением КП. Клапан, согласно сигналу задания /с, разделяет входной поток на поток на два - в испытуемую емкость (2е и гидробак Qc^ Сигнал задания формируется управляющим устройством УУ на основа-
Носенко Антон Александрович - инженер по автоматизации Уральского инжинирингового центра; аійоппо8@ yandex.ru
Устюгов Михаил Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры систем управления ЮУрГУ; [email protected]
Бодров Валерий Владимирович - президент холдинга «Уральский инжиниринговый центр»; [email protected]
нии величин заданного давления Р3 и давления в емкости РЕ.
Для получения блочно-функциональной схемы моделирования процесса гидротеста, упростим обобщенную блок-схему (см. рис. 1) с учетом допущений:
1) электрические потери в приводящих электродвигателях пренебрежимо малы;
2) бак является бесконечным источником и приемником воды;
3) электрическая сеть цеха является источником энергии бесконечной мощности;
4) в насосах достаточно рассмотреть давление жидкости, производимое в плунжерах.
В результате преобразования получаем блочнофункциональную схему моделирования, изображенную на рис. 2.
2. Построение математической модели
процесса гидроиспытания
При построении математической модели по блочно-функциональной схеме необходимо получить детальные математические уравнения элементов, с учетом зависимостей их параметров от координат, характеризующий состояние системы.
Во время гидротеста при подаче расхода жидкости в трубу, давление не поднимается мгновенно вследствие упругости газа (воздуха), растворенного в рабочей жидкости. Модуль упругости газожидкостной смеси:
Nosenko Anton Aleksandrovich - automation engineer of Ural Engineering Center; [email protected]
Ustyugov Mikhail Nikolaevich - PhD, professor of Control systems department of SUSU; [email protected]
Bodrov Valery Vladimirovich - president of the holding «Ural Engineering Center»; [email protected]
Система автоматизированного гидротестирования
Рис. 1. Обобщенная блок-схема системы гидротестирования
Рис. 2. Блочно-функциональная схема моделирования процесса гидротеста
- + 1
£пк = Еш
Ym_ + £ Р&™ У. ж ~2
г Р
где Еж - модуль упругости жидкости (воды), МПа; Уж - объем жидкости в смеси при атмосферном давлении ратм, м3; УГ - объем газа в смеси при атмосферном давлении, м3,р- давление газожидкостной смеси, МПа.
При описании трубы с использованием метода аналогии охарактеризуем её гидравлической емкостью без учета гидравлического сопротивления [1]:
Кг
С =
тр
^тр
(1)
^-+1
К
где Утр - полезный объем трубы, м .
Полагая трубу и винты траверс, закрепляющих торцы трубы, нежесткими, вычисляем дополнительный объем. Удлинение полезного объема трубы составляет А/ = Ов1в /Еву где Св - усилие, действующее на винты, Н/м2; Ев - коэффициент растяжения винтов, МПа. Усилие рассчитываем согласно выражению
nd:
тр
тр
где ¿4 - диаметр винта, м; /в - длина винта, м. Увеличение диаметра трубы составляет
др= Агр /,тР(1_0>5ц)>
^тр^тр
где Др - внешний диаметр трубы, м; р^ - давление в трубе, МПа; ^ - толщина стенки трубы, м2; Етр - коэффициент растяжения стали, МПа; \х -коэффициент Пуассона стали, м/м.
Пренебрегая утончением стенок, рассчитаем полезный объем трубы:
У =
г тр
, Ар Рт\
(1-0,5ц)
(2)
В соответствии с формулами (1) и (2) получим гидравлическую емкость трубы:
Es.
V.+F Psm
тр
2/
4 EL
(3)
■ + 1
Пропорциональный предохранительный клапан находится в напорной магистрали и характеризуется как изменяемая гидравлическая прово-
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 11
53
АЛ. Носенко, М.Н. Устюгое, В.В. Бодрое
димость, в которой Тш - время перехода клапана из максимально открытого в закрытое состояние и обратно.
Рабочую жидкость считаем несжимаемой и плотность ее постоянна. Гидролинию описываем гидравлической индуктивностью, нагруженную множеством элементов сопротивления, и рассчитываем по формуле [2]
А-л=Рж —. (4)
^гл
где рж - плотность жидкости, кг/м3; /гл - длина гидролинии, м; л-гл - полезное сечение гидролинии, м2.
Потери давления по длине и на п поворотов гидролинии [3]:
' РжЯ^ПОТ Рж£
-Ц.І
2g Td,
тл и2
-и—и2 2g
- + п
(5)
где Хт - постоянная потока, зависящая от шероховатости трубы; ¿/гл - внутренний диаметр сечения, м; и - скорость движения жидкости, м/с; п - число поворотов; £?гл - поток жидкости, протекающий через гидролинию, м3/с.
Используя метод аналогии, насосную установку опишем источником гидравлического потенциала. Насосы радиально поршневые и давление в каждом плунжере принимаем положительно синусоидальным. Давление в плунжерах
Р,{/) = уфт(ОН-Лф/)|, где О. - частота вращения приводного вала, 1/с, г - номер плунжера.
Управляющее устройство содержит датчик давления и управляющий элемент дискретного действия - контроллер. Аналого-цифровому и цифроаналоговому преобразователю соответствуют цифровые передаточные функции вида IV(г) = 1/г. Контроллер обладает периодом дискретизации, поэтому в состав математической модели входит передаточная функция задержки цикла 1¥лр0Г(г) = Иг.
По уравнениям (3)-(5), уравнениям насосной установки, предохранительного клапана и управляющего устройства составлена нелинейная структурная схема процесса гидроиспытания, учитываю-
щая зависимость параметров элементов от координат состояния системы, и выполнено ее моделирование в среде Simulink пакета MATLAB [3].
В ходе моделирования выявлено неудовлетворительное качество управления: максимальная ошибка испытания етах = 5,625 %, статическая ошибка ест = 5,513% при заданном требовании ТОЧНОСТИ Є зад = 5 %, ГДЄ 6 = (РЕ~ Р3)/Рз-
Методом последовательных приближений при моделировании системы с различными регуляторами получена дискретная передаточная функция регулятора
7 — 0 QQ
Wver(z) = 47,857 ’ .
z-0,905
Введение регулятора способствовало повы-шению точности системы как в динамике, так и в статике. Максимальная ошибка испытания составила етах = 0,875 %.
Заключение
Разработанная функционально-принципиальная схема системы автоматизированного гидротестирования позволила выделить критическую по требованиям точности и быстродействия часть системы и построить для неё блочно-функциональную схему.
Осуществлено последовательное математическое описание выделенных блоков. Проведенное моделирование позволило оценить точность испытательной системы и спроектировать необходимый программный регулятор.
Литература
1. Гойдо, М.Е. Теория и проектирование гидроприводов: учебное пособие / М.Е. Гойдо. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. - 255 с.
2. Башта, Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов - 2-е изд., перераб. - М.. Машиностроение, 1982.-423 с.
3. Бодров, В.В. Стенд гидравлических испытаний труб / В.В. Бодров, A.A. Носенко, М.Н. Ус-тюгов // Кибернетика и высокие технологии XXI века: mp. IXмеждунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2008. -Т. 2.- С. 1105-1113.
Поступила в редакцию 28 декабря 2009 г.
