CC BY
30
УДК 681.513
Г.П. Елецкая, канд. техн. наук, доц.,
С.И. Склярский, студент, (4872) 33-24-34, eeo@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
СИНТЕЗ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ СЧЕТЧИКА ОБЪЕМА ВОЗДУХА
Решена задача управления объемом и расходом воздуха пробоотборника счетчика при определении химического состава воздуха и концентрации в нем вредных веществ.
Ключевые слова: счетчик, объем воздуха, расход воздуха, управление.
Переносной счетчик объема воздуха предназначен для измерения, регистрации и управления расходом и объемом воздуха, пропускаемого через пробоотборник при определения химического состава окружающего воздуха и выявления концентрации в нем вредных для человека веществ.
Точность определения концентрации веществ зависит от знания того объема воздуха и расхода, с которым он был пропущен через пробоотборник. Следовательно, точность работы системы управления расходом и объемом воздуха является важным параметром, непосредственно влияющим на качество получаемых результатов анализа концентрации веществ.
Система управления счетчика объема воздуха должна обеспечивать заданный массовый (объемный) расход воздуха до 10 литров в минуту с точностью не более 1% при достижении полного объема воздуха до сотни литров. При этом процесс набора воздуха может протекать от десятков секунд до десятков минут.
Кроме того необходимо учитывать требование автономной работы счетчика объема воздуха при заборе воздуха вдали от стационарных электрических сетей, его небольшие габариты и массу для удобной транспортировки и эксплуатации.
Все вышеперечисленные обстоятельства определяют целесообразность применения микропроцессорных средств управления, позволяющих получить необходимую точность управления расходом и объемом воздуха при минимальных габаритно-весовых характеристиках.
Функциональная и принципиальная электрическая схемы счетчика представленына рис. 1,2.
Представленные на рис. 1, 2 функциональная и принципиальная электрическая схемы счетчика объема воздуха создают необходимые системные, конструктивные и схемные предпосылки для проектирования устройство управления счетчика объема воздуха и его основного элемента -регулятора расхода и объема воздуха.
Рис. 1. Функциональная схема счетчика
На рис. 1 обозначено: шу - массовый (объемный) расход воздуха; иу = ^ Шуз - шу) - напряжение управления; ид - напряжение двигателя по-
стоянного тока насоса.
ХЭ1
1
К
ХР1
Конт. ЦсПЬ
1 +У-лг
2
3 Общ.
Датчик расхода
Х£2
К
И
I
Деигйтєль постоянного тока МР2-Г насоса
ХБ1
Источник
питания
Х£2
ХР^ ХР1
Конт. Цепь Цепь <о-п.
1 НАк 4--2ВАКК 1
2 +12БИЯЛ 2
3 Ищ. 3
4 ■■У« ^ Оби*. РВ 4
5 'У« ОЖ™ 5
6 аюс ШИ- 6
7 + ІС 1
3 +.ул -Упр. ' в
9 -Упр. 2 у
10 -її - Упр. 3 10
+ &ЇОД ' 11
- Вход' 12
+Вход2 13
Регулятор расхода - 14
и объема ноздуха
Х31.1
К
Х31.2 Х£3 1 1
>—<
ХРІ ХР^
Конт Цепь Цепь Конт.
1 <■120 АКК «■шяе 1
2 <Л1Ц. -ЩИ 2
3 +5* -н'2В 3
4 -^4''20 4
ХРЗ экран 5
Конт Цепь
1 4-12ВАКК
2 +12В ИЗМ
3 С&ц.
4 С&ц. РВ
5 ■От ™
6 №
ХРЗ
Ко чт. Цепь Преобразователь напряжения и
1
2 -Упр. '
3 -Упр. 2
4 - У пр. 3
Ь +Вїод ‘
6 -Вїод '
I +Вход2
8 - Ьйод2
сигнала иппоопйиїлп
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема счетчика объема воздуха
ХЭ4
Задача проектирования системы управления состоит в анализе предъявляемых к ней требований, выборе закона (алгоритма) управления, определении параметров этого алгоритма, моделирования работы системы управления и реализации отлаженного алгоритма управления в программе микропроцессорного регулятора расхода и объема воздуха.
Исходя из функциональной схемы счетчика объема воздуха, приведенной выше, можно представить функциональную схему системы управления расходом воздуха (рис. 3).
Рис. 3. Функциональная схема устройствауправлениярасходом воздуха: Н - насос; Д - датчик расхода воздуха
От системы автоматического управления расходом воздуха требуются не столько высокие динамические характеристики, сколько точностные, поэтому передаточные функции насоса и датчика расхода воздуха можно вполне представить в виде апериодических звеньев. Для достижения высокой точности управления структурная схема разомкнутой системы должна иметь астатизм 1-го порядка. В этом случае установившаяся ошибка системы будет равна нулю. В то же время желательно при отработке заданного расхода воздуха туз осуществлять плавный разгон двигателя насоса, чтобы не было ударного воздействия потока воздуха на датчик и пробоотборник. Поэтому в качестве передаточной функции регулятора Wp(p) выберем интегральное звено. Таким образом, структурная схема системы управления, после преобразований, при выбранном законе управления примет вид (рис.4) .
Рис. 4. Структурная схема системы автоматическогоуправления
счетчика объема воздуха
<
Для моделирования работы системы составим соответствующую систему обыкновенных дифференциальных уравнений с нулевыми начальными условиями:
иУ = кр (т-з- ™у); Т„ТЛ+(Т„+т„ К-+т = Киу.
Введем обозначение ¡и = да' и представим последнюю систему в виде системы трех обыкновенных дифференциальных уравнений 1-го порядка:
и У = к„ (куз - ту);
<
К =м;
г Т + Тд 1 кн
и = - —---------- и- -------н----------— и .
\тд тнтд ¥ тнтд у
Моделирование работы системы автоматического управления расходом воздуха проводится численным методом. На рис. 5 приведены результаты моделирования переходных процессов, полученных при следующих параметрах: Тн = 0,25 с; Тд = 0,10 с; кр = 1,04 В-мин/л; кн = 1,00 л/мин-В и отработке заданного расхода = 10 л/мин.
-
/ чУу.
/ " ^ Шй
г 1 г / . / / \
// \
// 1 / / V
1 / / \ ч
;!
О Э.5 ' \Е 2 2.£ 2 З.Е 4
ус
Рис. 5. Переходные процессы
Анализ переходных процессов показывает, что время набора заданного расхода воздуха составляет три секунды при погрешности отработки
в пределах 1 % от заданного значения, что является вполне приемлемым, так как общее время набора заданного объема воздуха находится в пределах от десятков секунд до нескольких минут.
Задача измерения и управления объемом воздуха решается регулятором расхода и объема воздуха путем численного интегрирования расхода воздуха и формирования логического сигнала на выключение насоса в момент, когда объем воздуха достигнет заданной величины.
Таким образом, спроектированное устройство управления позволяет решить поставленную задачу и выполнить предъявляемые к системе требования.
G.P.Eletskaya, S.I.Sklyarsky
THE SYNTHESIS OF A CONTROL DEVICE FOR AN AIR VOLUME METER
The problem of controlling the volume and flow in an air sampler for the analysis of chemical air composition and concentration of harmful substances is solved.
Key words: air meter, air volume, air flow, control.
Получено 03.10.11
УДК 62.50, 517.9, 512
В.И. Краснощеченко, канд. техн. наук, доц., (4842) 22-18-62, kviip@yandex.ru (Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана)
СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА С ОГРАНИЧЕНИЕМ НА УПРАВЛЕНИЕ И ФАЗОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ДЛЯ ТРОЙНОГО ИНТЕГРАТОРА
Представлена методика синтеза управления на основе теоретико-группового похода для тройного интегратора при наличии ограничения на управление и ограничения на фазовую координату (скорость). Показано, что предложенный подход, помимо решения основной задачи, обладает робастными свойствами и эффективно компенсирует внешнее возмущение.
Ключевые слова: декомпозиция дифференциальных уравнений, нелинейная аффинная система, синтез регулятора, однопараметрические группы преобразований, метод модельного прогнозируемого управления, ограничение на управление, фазовое ограничение.
Введение
Задача синтеза управления (нахождения синтезирующей функции) при наличии ограничений на управление и фазовых ограничений с точки зрения практики является весьма важной и актуальной. В связи с отсутствием общих методов решения таких задач зачастую используют упрощенные, чаще всего линейные, модели. Но даже для линейных систем её решение вызывает значительные трудности. Наибольшие успехи здесь дос-
