CC BY
11
УДК 621.3.07:621.63 ББК З766:З873-5
ОН. ЯДАРОВА
ДОПЛЕРОВСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ В ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКОЙ
Ключевые слова: система автоматического управления, вентилятор, воздушный поток, доплеровский ультразвуковой контроль.
Приводятся результаты комплексных лабораторных измерений и имитационного моделирования замкнутой системы автоматического управления (САУ) вентиляторной установкой. Представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможности доплеровского ультразвукового контроля расхода воздуха при переходных режимах в системе вентиляции с заслонками. Проведена идентификация соответствующих звеньев и их передаточных функций. Проведено имитационное моделирование работы САУ, где в качестве регулируемой величины выступает интегральная скорость потока воздуха.
Повышение эффективности работы вентиляторных установок в составе промышленных и сельскохозяйственных комплексов за счет разработки систем автоматического регулирования производительности (расхода) вентиляторов является актуальной задачей [1-3, 5]. Режимы работы вентиляторных установок зависят от положения заслонок, жалюзи, аэродинамического сопротивления системы и т.д. [1]. Автоматизированное управление должно осуществляться с учетом этих параметров. Генерируемые вентилятором газовые потоки неизбежно оказываются турбулентными и обладающими значительной пространственно-временной неоднородностью [6]. Интегральная оценка скорости потока в этих условиях является достаточно сложной задачей. Моделирование структуры потока чаще всего осуществляется на основе эмпирических данных [6].
В настоящей работе для контроля воздушного расхода вентиляторной установки предлагается использование доплеровских ультразвуковых измерений, которые, не нарушая структуры потока, позволяют в определенном сечении дистанционно оценить его интегральную скорость [7-9]. Исследуется возможность создания замкнутой САУ вентиляторной установкой, в которой в качестве регулируемой величины выступает не скорость вращения вентилятора, а интегральная скорость потока воздуха.
Методика и результаты экспериментальных измерений. На рис. 1 показана схема экспериментальной установки. В установке использован промышленный вентилятор Бо8ре1 WK200 с диаметром отверстия 0,15 м, который представляет собой канальный центробежный вентилятор с мощностью 170 Вт, производительностью 1200 м3/ч и номинальной частотой вращения 2430 об./мин. Частота вращения контролировалась датчиком Холла. Для плавной регулировки частоты вращения асинхронного двигателя вентилятора используется регулятор мощности на основе симистора ВТА26-600В, реализующий фазовый принцип управления и позволяющий подключать нагрузку до 1 кВт. В качестве возмущающего воздействия использовалась воздушная заслонка на выходе канала вентилятора, положение которой менялось в про-
цессе измерений. Контроль потока воздуха на выходе вентилятора проводился при изменении положения заслонки и в разгонных режимах вентилятора. Для контактных измерений скорости потока использовался анемометр Х-Ьте ЛегоТешр. Значения скорости измерялись в разных точках потока вдоль (в 11 позициях) и поперек потока (в 5 позициях) в течение 20 с с дискретностью 0,25 с. Для дистанционного ультразвукового контроля в составе установки использовался прибор доплеровского контроля (ПДК) с несущей частотой ультразвука 40 кГц [7-9].
УЗП
Рис. 1. Схема эксперимента: В - вентилятор, З - заслонка, Р - регулятор, ДХ - датчик холла, А - анемометр, ПДК - прибор доплеровского контроля, УЗП - ультразвуковые преобразователи
На рис. 2 показаны экспериментальные и расчетные зависимости расхода от расстояния до выходного отверстия вентилятора. Расход q рассчитывался как интеграл скорости потока по его сечению. Для этого экспериментально при помощи анемометра были получены пять значений скорости потока по сечению и проведена интерполяция профиля скорости потока. Для теоретических расчетов использовалась известная полуэмпирическая формула. С учетом параметров вентилятора (В) и геометрии измерений (рис. 1) для скорости движения воздуха в произвольной точке можно записать [6]
I- 1 2
у0л/ 5 7 с0 х) V = т—1—е 2 ,
где v0 = — - начальная скорость потока вентилятора, м/с; q - номинальный расход воздуха, м3/с; S - площадь отверстия вентилятора, м2; х - расстояние от выходного отверстия вентилятора; т - аэродинамическая характеристика приточной струи; с0 - экспериментальная постоянная; г - расстояние от оси потока.
Как видно из рис. 2, экспериментальная зависимость q(x) качественно согласуется с расчетной. За счет турбулентности и зависимости расходимости потока от площади выходного отверстия вентилятора на расстояниях до
х
0,5 м на начальном этапе закрытия заслонки (уменьшении 5) интегральная скорость потока д увеличивается (расчетные кривые 2, 3).
Рис. 2. Экспериментальный (1) и расчетный расход вентилятора с диаметром отверстия ё = 0,15 м (1, 2) и ё = 0,20 м (3)
На рис. 3 показаны примеры переходных режимов работы вентиляторной установки при разгоне (рис. 3, а) двигателя вентилятора и закрытии/открытии заслонки (рис. 3, б). Расход qf оценивается по среднему допле-ровскому сдвигу ультразвукового сигнала при дистанционном контроле [7,8]. Временные зависимости qf согласуются с данными контактных измерений при помощи анемометра. Зависимость рис. 3, б согласуется с данными рис. 2: при небольшом уменьшении сечения 5 на начальном этапе закрытия заслонки интегральная скорость потока увеличивается (рис. 3, б, ^ « 1-3 с). Таким образом, доплеровский ультразвуковой контроль позволяет синтезировать замкнутую систему автоматического управления (САУ) вентиляторной установкой при малом относительном изменении положения заслонки как возмущающего воздействия на систему.
б
Рис. 3. Переходные режимы вентилятора: а - в разгонном режиме; б - при закрытии/открытии заслонки: 1 - экспериментальная временная зависимость расхода по доплеровскому сдвигу; 2 - аппроксимация расхода; 3 - скорость вращения вентилятора
Моделирование САУ. Вентиляторную установку, регулируемую напряжением иР с выходом q (расход), можно рассматривать в виде последовательно соединенных звеньев (рис. 4).
Передаточная функция симисторного регулятора по управляющему воздействию имеет вид апериодического звена 1-го порядка
ъ (р)=-кг,
1+рТр
где КР - коэффициент усиления регулятора; ТР - постоянная времени системы импульсно-фазового управления.
Передаточная функция вентилятора также имеет вид апериодического звена 1-го порядка
Жв (р) = —^^, - + рТв
^ ю ^л. 2 % п „ где Кв =— - коэффициент усиления; ю =--угловая скорость; 1Б - пои 60
стоянная времени; п - частота вращения; и - напряжение сети.
Передаточная функция этих двух последовательно соединенных звеньев имеет вид
ъ ( р)=ъ ( Р) ъ ( Р)=( + КХТ + м.
(Т-Р + -ХТ2 р +
Параметры Ъ1(р) могут быть получены из экспериментальных данных. Передаточная функция двойного преобразования для совмещенных УЗП имеет вид
и'
Ъузп (р) = КИ КП = —,
и г
где и' - амплитуда напряжения принятого сигнала; иг - напряжение возбуждающего преобразователь генератора; КИ и КП - коэффициенты передачи излучателя и приемника ультразвука.
Передаточная функция прибора доплеровского контроля имеет вид
Ъпдк (р) = КПДКе-рт,
где КПДК - коэффициент усиления прибора доплеровского контроля; т - задержка выходного сигнала.
Параметры передаточной функции
Ъп(р) =--, (1)
ПУЮ То р2 + 2То^р +1' ^
зависящей от координат области рассеяния ультразвука и связывающей скорость вращения вентилятора с расходом q, могут быть получены из аппроксимации экспериментальных данных (рис. 3).
Ключевым параметром, влияющим на устойчивость синтезированной САУ (рис. 4), является задержка т между изменением скорости вращения привода вентилятора ю(0 и величиной среднего доплеровского сдвига А,?), которым определяется интегральная скорость потока. Эта задержка складывается из времени прохождения потока от выходного отверстия вентилятора
до области рассеяния ультразвука и времени обработки сигнала для определения «скользящего» частотного сдвига. С учетом расходимости диаграммы направленности ультразвуковых преобразователей область рассеяния ультразвука находится на расстоянии 0,5-1 м (см. рис. 1, 2). Это соответствует задержке в сотни миллисекунд при скоростях потока в единицы метров. Для получения монотонной зависимости время получения скользящего значения доплеровского сдвига составляет от 0,2 до 1 с. В случае использования аппарата искусственных нейронных сетей время обработки сигнала может быть уменьшено до единиц миллисекунд [4]. Таким образом, необходимо синтезировать САУ, сохраняющую устойчивость при т « 0,5-1,5 с. Результаты соответствующего анализа устойчивости приведены на рис. 5, а.
Рис. 4. Структурная схема САУ вентиляторной установкой: WПдК(р), WР(р), WВ(р), ЖП(р) и ^УЗп(р) - передаточные функции прибора доплеровского контроля, регулятора мощности, вентилятора, воздушного потока и УЗП, соответственно
'1-5 W(]ю)
а б
Рис. 5. АФХ разомкнутой САУ (а) и переходная характеристика замкнутой САУ (б)
Устойчивость замкнутой САУ определялась по амплитудно-фазовой частотной характеристике (АФХ) разомкнутой системы (рис. 5, а) с помощью критерия Найквиста. Из рис. 5 видно, что замкнутая САУ устойчива, так как АФХ разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1, 0).
По оценкам, задержка, при которой система устойчива, составляет т < 3 с.
На рис 5, б приведены результаты моделирования замкнутой САУ при возмущающем воздействии (перекрытие заслонки в момент 40 с), меняющего сечение £ выходного отверстия вентилятора на 15%. Для имитационного моделирования использовался ПИД-регулятор, который может быть реализован в микропроцессорной схеме ПДК. Как видно из рис. 5, за счет уменьшения скорости вращения вентилятора интегральная скорость потока стабилизируется.
Выводы. Таким образом, на основе экспериментальных данных показана возможность синтезирования замкнутой САУ вентиляторной установкой на базе дистанционного доплеровского контроля воздушного потока при возмущающем воздействии, меняющем аэродинамические характеристики системы.
Литература
1. Батицкий В.А., Лупоедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности. М.: Недра, 1991. 303 с.
2. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (Методы и приборы). М.: Наука, 1964. 720 с.
3. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 338 с.
4. Сучков В.О., Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Дистанционный ультразвуковой контроль воздушного потока на основе искусственной нейронной сети // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 207-212.
5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 415 с.
6. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
7. Ядарова О.Н., Алексеев А.П., Славутский Л.А. Контроль нестационарного воздушного потока вентиляторной установки // Вестник Чувашского университета. 2014. № 3. С. 148-153.
8. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Доплеровский ультразвуковой контроль открытого воздушного потока // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 240-243.
9. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Контроль воздушного потока на основе доплеровского рассеяния ультразвука // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 3. С. 55-59.
ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - аспирантка кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
O. YADAROVA DOPPLER ULTRASONIC MEASUREMENTS IN CLOSED-LOOP CONTROL SYSTEM OF VENTILATOR
Key words: automatic control system, ventilator, airflow, Doppler ultrasonic control. The results of complex laboratory measurements and simulation of a cloused-loop control system of a ventilator are presented. The experimental results demonstrate the possibility of Doppler ultrasonic control of the airflow in the transient conditions in the fan system with shutters. The gear units and their transfer functions are identified. The simulation of the work of the automatic control system is carried out, where the integral airflow rate is the controlled variable.
References
1. Batitskii V.A. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov i ASUTP v gornoy promyshlen-nosti [Automation of production processes in the mining industry]. Moscow, Nedra Publ., 1991, 303 p.
2. Gorlin S.M., Slezinger I.I. Aeromekhanicheskie izmereniya (Metody ipribory) [Aeromechan-ical measurement (Methods and devices)]. Moscow, Nauka Publ., 1964, 720 p.
3. Gorodetskii O.A., Gural'nik I.I., Larin V.V. Meteorologiya, metody i tekhnicheskie sredstva nablyudenii. 2-e izd. [Meteorology, methods and technical tools of observation. 2nd ed.]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1991, 338 p.
4. Suchkov V.O., Yadarova O.N., Slavutskii L.A. Distantsionnii ul'trazvukovoi kontrol' voz-dushnogo potoka naosnove isskustvennoi neironnoi seti [Ultrasonic remote control of airflow based on artificial neural network]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 1, pp. 207-212.
5. Cherkasskii V.M. Nasosy, ventilyatory, kompressory. 2-e izd., pererab. i dop. [Pumps, fans, compressors. 2nd ed.]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984, 415 p.
6. Shepelev I.A. Aerodinamika vozdushnykh potokov v pomeshchenii [Aerodynamics of air flows in the room]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1978, 144 p.
7. Yadarova O.N., Alekseev A.P., Slavutskii L.A. Kontrol' nestatsionarnogo vozdushnogo po-toka ventilyatornoi ustanovki [The control of non-stationary air flow of the fan system]. Vestnik Chu-vashskogo universiteta, 2014, no. 3, pp. 148-153.
8. Yadarova O.N., Slavutskii L.A. Doplerovskii ul'trazvukovoi kontrol' otkrytogo vozdushnogo potoka [The doppler ultrasonic control of the open air flow]. Vestnik Chuvashskogo universiteta,
2012, no. 3, pp. 240-243.
9. Yadarova O.N., Slavutskii L.A. Kontrol' vozdushnogo potoka na osnove doplerovskogo ras-seyaniya ul'trazvuka [The air flow control by ultrasonic doppler backscattering]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems. Monitoring, Control, and Diagnostics],
2013, no. 3, pp. 55-59.
YADAROVA OLGA - Post-Graduated Student of Power Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Ссылка на статью: Ядарова О.Н. Доплеровский ультразвуковой контроль в замкнутой системе управления вентиляторной установкой // Вестник Чувашского университета. - 2017. -№ 1. - С. 298-304.
