Исследование широтно-импульсной системы с дискретным модулирующим сигналом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат физико-математических наук Климов, Андрей Николаевич

• Климов, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Климов, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ. ., ,.

I. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОИ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ С ДИСКРЕТНЫМ МОДУЛИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ.

1.1. Отличительная особенность и принцип действия исследуемой системы,

1.2. Математическая модель импульсного регулирующего воздействия.

1.3. Теорема астатичности.

1.4. Математическая модель замкнутой широтно-импульсной системы с дискретным модулирующим сигналом.

1.5. Закон регулирования.

1.6. Критерий устойчивости.

1.7. Свойство адаптивности.

Выводы

II. СТРУЙНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР. и.1. Современные измерители расхода.

11.2, Струйный автогенератор как первичный преобразователь энергии потока.

11.3. Струйные элементы автогенератора,

II. 4, Устройство цепи обратной связи.

11,5. Математическая модель переключения струи в дискретном струйном элементе.

Ii.6. Теорема линейности.

Ii. 7. Область применения.

Выводы.

III. СТРУЙНЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА. но

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование широтно-импульсной системы с дискретным модулирующим сигналом»

н1.1. Астатическая система стабилизации частоты вращения реактивной пневматической турбины, . не н1.2. Модель адаптивной системы стабилизации частоты вращения ветрового колеса ВЭУ. 118

Ii1.3. Струйный автогенератор как универсальный первичный преобразователь. 122

II 1.4. СТРУЙНЫЙ ДаТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКа. 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Основы современной теории автоматических систем были заложены в прошлом веке. Большой вклад в теорию внесли И.А.Вышнеградский [15], Айри, Жуковский, Стодоля. Одна из наиболее замечательных идей Вышнеградского - это представление системы регулирования в виде дифференциального уравнения третьего порядка, Математическая теория систем получила дальнейшее развитие в работах выдающихся советских ученых -Лузина [57], Кулебакина [50], Щипанова [104] и ряда других ученых.

В основе работы всех систем автоматического управления лежат передача и преобразование сигналов. Известные способы передачи сигналов разделяются на непрерывные и дискретные. При непрерывном способе передается и преобразуется каждое мгновенное значение сигнала; используется модуляция постоянной или гармонически изменяющейся физической величины. При дискретном способе передается или преобразуется сигнал, квантованный по уровню или по времени. В зависимости от вида квантования дискретные системы подразделяются на релейные, импульсные и цифровые.

Бурное развитие импульсной техники и автоматики, которым характеризуется середина хх века, привело к интенсивной разработке и использованию импульсных систем (разомкнутых и, более сложных, замкнутых), т.е. таких систем, работа которых связана с воздействием, передачей и преобразованием последовательности импульсов, К замкнутым импульсным системам относятся различные системы прерывистого регулирования, в частности, системы стабилизации, следящие системы и другие.

Настоящая диссертация посвящена разработке основ теории высокоточных и высоконадежных астатических импульсных систем и измерительных устройств,

Б работе исследуются новый принцип построения импульсных астатических систем регулирования, не содержащих интегрирующих звеньев, а также новые импульсные измерительные устройства, предназначенные для контроля параметров жидкостных потоков. Приводятся результаты экспериментальной апробации теоретических разработок на примерах импульсных струйных систем управления и датчиков.

В импульсной системе процесс квантования и импульсной модуляции осуществляется импульсным элементом. Импульсный элемент преобразует непрерывно [99] изменяющуюся величину в последовательность модулированных импульсов, в виде которой передаются выходные сигналы импульсного элемента. Входные (модулирующие) сигналы импульсного элемента. - непрерывные [ЮО].

Исследуемая импульсная система принципиально отличается от

ЫЗ&есТ'ННХ импульсных систем. Отличительные особенности этой системы, в частности, следующие: а) в системе не используется "несущая частота"; б) на входы импульсного элемента подаются прерывистые (дискретные) сигналы в виде последовательностей кратковременных импульсов; в) "регулирующее воздействие" формируется при помощи разности $аз между дискретными сигналами "задающего воздействия" и "регулируемой величины", поступающей на входы импульсного элемента; г) система не содержит интеграторов; д> отсутствует "зона нечувствительности".

Указанные особенности позволяют вносить очень простым способом интегральную компоненту в закон регулирования.

Введение интеграла (см.,напр., [72],[юо]) придает системе свойство астатичности,

При помощи входных дискретных сигналов "задающего воздействия" и "регулируемой величины" в импульсном элементе формируются и, в то же время, модулируются по длительности выходные импульсы "регулирующего воздействия".

Для обеспечения безопасности при использовании систем автоматического регулирования, работающих без вмешательства человека, большое значение приобретает проблема надежности (безотказности) работы всех элементов автоматической системы, а также системы в целом. Один из наиболее эффективных подходов к конструированию таких систем основан на использовании струйных импульсных систем автоматического регулирования и струйных импульсных измерительных устройств,

Струйные устройства и системы управления защищены от перегрузок, связанных с воздействием температуры, электромагнитных и радиационных полей, резким изменением контролируемых величин и др. Они могут применяться в тех случаях, когда использование устройств и систем других типов затруднено или нецелесообразно: в атомных реакторах, в летательных аппаратах, в коммунальных и трубопроводных системах при контроле потоков и т.д. Широко распространенные электрические системы требуют специальной защиты не только от влияния электромагнитных и радиационных полей, но также от перегрузок, связанных с некорректными рабочими состояниями регулятора (от длительного короткого замыкания при нагрузке), от разрыва в контуре регулирования, или короткого замыкания исполнительного органа [82], от перегрузок и коротких замыканий электромашинных источников электропитания переменного тока [96].

Струйные системы по сравнению с электрическими имеют более простую конструкцию с небольшим числом элементов. Например, для реализации высокоточной астатической струйной широтно-импульсной системы стабилизации скорости вращения вала с интегральным законом регулирования и "зонами насыщения" требуется всего 19 технологически однотипных дискретных струйных элементов, изготовленных, например, штамповкой, травлением или электроэрозионным способом. С помощью этого набора элементов можно построить все звенья регулятора от выхода преобразователя регулируемой величины до входа в исполнительный механизм. В то же время, при реализации подобной по назначению, но менее точной по принципу работы статической широтно-импульсной электрической (электронной) системы требуется около 40 технологически разнотипных элементов (резисторы, транзистоты, емкости, индуктивности и др.).

Таким образом, использование струйной техники для построения надежных и точных современных систем автоматического регулирования и измерительных устройств ведет к значительному прогрессу в области автоматического управления.

Учитывая вышеизложенное, тема данной работы представляется актуальной.

Цель и задача исследования. разработка научных, методологических и технических основ создания замкнутой широтно-импульсной системы управления с дискретным модулирующим сигналом.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи,

1. Обоснование возможности использования в системах широтно-импульсного типа входного воздействия дискретной формы.

2. Выделение информативного параметра и синтез на его основе Функциональном модели системы.

3. Формализация процессов в замкнутой широтно-импульсной системе управления с дискретным модулирующим сигналом,

4. Разработка и исследование действующего образца астатической импульсной системы управления с дискретным модулирующим сигналом.

5. Создание первичного преобразователя импульсного типа для измерения расхода жидкостей и газов.

Методы исследования.

Решение поставленной задачи осуществляется методами теории линейных импульсных систем, теории автоматического регулирования и гидродинамики.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1, Разработаны основы теории импульсных астатических систем управления нового типа,

2, Предложено в замкнутой широтно-импульсной системе автоматического регулирования использовать импульсный управляющий сигнал, который формируется и модулируется при помощи двух последовательностей кратковременных импульсов.

3, Доказана теорема астатичности замкнутой широтно-импульсной системы регулирования с дискретным модулирующим сигналом, который формируется при помощи разности фаз между передними фронтами импульсов "задающего воздействия" и "регулируемой величины".

4, Исследовано свойство инвариантности (неизменности длительности регулирующих импульсов) адаптивной системы относительно возмущающего воздействия при переменном коэффициенте усиления регулятора.

5. Доказана теорема о линейной зависимости частоты импульсов струйного автогенератора импульсов от скорости несжимаемой жидкости, протекающей через автогенератор.

Теоретическое значение работы.

1. Исследована математическая модель импульсной астатической системы стабилизации нового типа, в которой функция "импульсного регулирующего воздействия" формируется и модулируется при помощи двух дискретных функций-небоскребов - "задающего воздействия" и "регулируемой величины", з Предложена модель и исследована динамика соударения струй в дискретном струйном элементе струйного автогенератора гидравлических импульсов,

Практическое значение заключается в следующем. Созданы действующие моделивнсокоточных импульсных систем управления, работающих на сжатом воздухе.

2. Создан действующий образец импульсного струйного датчика скорости жидкости с пренебрежимо малым гидравлическим сопротивлением и линейной характеристикой в широком диапазоне измеряемой скорости.

Апробация работы. Результаты работы отражены в публикациях и докладах на международных конференциях и общесоюзных научных совещаниях (семинарах), в том числе.- Международная Юбилейная конференция ИПУ РАН, Москва. 1999;

- Международная конференция по пневмогидроавтоматике. Москва,

1999 ;

-Международная конференция it+se'98 (Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе), Украина, 1998;

- Всероссийское совещание "ПНЕВМОАВТОМАТИКА". Москва, 1996;

- Всесоюзное совещание "ПНЕВМОГИДРОАВТОМАТИКА И ПНЕВМОПРИВОД". Суздаль, 1986;

-Международная конференция "ЯБЛОННА-86". Москва, 1986;

- Международная конференция "Fluidics and fluid engineering in control system," Romania, 1980;

- Общесоюзный научный семинар ЛДНТП "Приборы и устройства струйной техники". Ленинград, 1980;

- Международная конференция "ЯБЛОННА", Москва, 1976. Результаты работы отмечены дипломом первой степени Конкурса молодых ученых и специалистов ИПУ (1981 г.), медалью ВДНХ третьей степени (1983 г.), дипломами и грамотами НТО "ПРИБОРПРОМ" им. С.И.Вавилова (1977-1988).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять работ, пять из них - в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 126 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Климов, Андрей Николаевич

Выводы

1, Исследован и разработан малогабаритный (16 х 16 х 16 мм3) струйный измерительный автогенератор (АГ),

2, Доказана теорема о линейной зависимости частоты импульсов автогенератора от скорости потока, протекающего через автогенератор,

3. Выведена формула, для определения по частоте импульсов АГ скорости несжимаемой легкоподвижной жидкости для случая, когда весь контролируемый поток протекает через АГ.

4. Выведена формула, для определения при помощи струйного автогенератора массового расхода, сплошного потока в заполненном трубопроводе,

6. Диапазон измеряемого расхода (о > воды, охваченный автогенератором^ 1,26 - 43700 л/час. Для измерений разработаны два типоразмера струйного датчика скорости с одним и тем же автогенератором. Для первого типоразмера — <§=1,26 — 4то л/час, для второго - о = 294 — 43700 Л/ЧаС

7. Диапазон измеряемой скорости воды, охваченный автогенератором: 0.115 — 2 0.8 м/с.

8. При помощи СДС проведены измерения расхода воды в трубопроводах с условными диаметрами проходного сечения 2, б, 14, 2 5 и 5 0 мм, Предполагается , что технически легко осуществимо проведение измерений в трубопроводах с внутренним диаметром до 4 00 мм (при использовании одного и того же автогенератора).

9. Существенно, более чем в три раза, уменьшена нелинейность статической характеристики автогенератора в области измерения малых скоростей течения воды (от о, 115 до 0,4ов м/с.),

10. Минимальное значение частоты импульсов АГ — 2,32 Гц при скорости воды в соплах струйных элементов АГ - о,115 м/с (расход 1,26 л/ ч ) . и. Максимальное (установленное) значение частоты импульсов АГ -400 Гц при скорости воды в соплах струйных элементов АГ 20,8 м/с.

12. Нелинейность зависимости частоты импульсов АГ от скорости воды в соплах струйных элементов АГ находится в пределах:

-4 , 2 ю/. - -2%, для диапазона скорости - С, и 5 - 0 ,408 М/С ;

-2% — +2-, для диапазона скорости — О, 408 — 1,2 М/С;

13. На основе одного и того же АГ сконструированы два частотных струйных датчика объемного расхода с линейными характеристиками. Этими датчиками измерялся расход воды в заполненных трубопроводах с размером внутреннего диаметра от 2-х до 5 0 мм, Охваченный диапазон расхода - 1,2.6 - 43700 литров/час,

14. Разработан пьезоэлектропреобразователь гидравлических импульсов автогенератора в электрические импульсы той же частоты, входящий вместе с автогенератором в состав струйного датчика скорости потока. Электропреобразователь защищен от воздействия агрессивных сред фторопластовой пленкой, Размах амплитуды импульсов частотного дифференциального выходного электрического сигнала СДС при измерениях на воде находился в пределах; 0,001 - з в,

15, Разработан и исследован опытный образец нового байпасного струйного датчика скорости потока для измерений в заполненном трубопроводе с внутренним диаметром 50 мм, имеющий пренебрежимо малое гидравлическое сопротивление в широком диапазоне (1:40) измерений скорости и расхода воды,

16, Проведенные исследования дают основание для дальнейшей разработки струйных датчиков скорости жидкостных потоков и выявления конкурентноспособности струйных измерителей на рынке контрольно-измерительных приборов.

III. СТРУЙНЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА Введение

При выработке электрической энергии электроустановками различного типа, в частности, ветроэлектрическими установками (ВЭУ), оснащенными электрогенераторами переменного тока, приводимыми в действие силовыми агрегатами, в том числе ветроагрегатами (ВА), необходимо с высокой точностью поддерживать постоянное значение частоты вращения ротора электрогенератора.

При изменении потребляемого тока в электросети ВЭУ, изменяется момент вращения якоря электрогенератора ВЭУ, что вызывает уменьшение или увеличение частоты вращения якоря, приводящие к нежелательным колебаниям напряжения и частоты переменного тока в электросети ВЭУ.

Современные ВЭУ являются достаточно сложными электромеханическими системами с нелинейными свойствами. Управление режимами работы ВЭУ осуществляется с помощью микропроцессорных систем. Установленная мощность ВЭУ в промышленно развитых странах на конец 19 94 года составила более 3 500 МВт, в т.ч. в США 16 30 МВт и в странах ЕС 1667 МВт, На первое место в странах ЕС вышла Германия (643 МВт), за ней следует Дания (540 МВт), Нидерланды (154 МВт), Великобритания (14 7 МВт), Испания (72 МВт), Швеция (40 МВт), Этот успех достигнут в значительной мере благодаря разработке и успешной реализазии ряда межгосударственных и национальных программ по развитию ветроэнергетики (ВЭ).

Инициатором первых программ стала Дания, которая в 19 79 году субсидировала 3 0% инвестиций в ВЭ, Сегодня Дания продолжает оставаться крупным поставщиком ВЭУ в США (в 19 94 году на суммарную мощность 243 МВт или 58,4% Всей ПРОДУКЦИИ), За период с 1980 по 1993 годы в Дании изготовлены 1283о ВЭУ, из которых 35 5 3 ВЭУ установлены внутри страны, Б марте 19 95 года за пределами страны действовали ю62 7 ВЭУ датского производства. Развитие ВЭ в Дании продолжается быстрыми темпами и к 2 0 0.Г. году может составить 1 5 00 МВт установленной мощности, достаточной для обеспечения 10% текущего потребления в стране,

В Германии в 19 94 году на ВЭУ произведено i ТВтч электроэнергии, что составляет о,2% годового потребления страны. В 1995 году выработка электроэнергии на ВЭУ составила уже 1,5 ТВтч. Прогресс в использовании энергии ветра в Германии стал возможным благодаря реализации двух крупных федеральных программ "100 mw wind" и "200 mw wind". Германские производители смогли наладить серийное производство ВЭУ, при котором предельная стоимость ВЭУ значительно снижается и в настоящее время составляет в среднем 1700 марка/кВт в производстве и 5 60 при сооружении ВЭУ, При этом стоимость электроэнергии (ЭЭ) равна 0,2 7 марка./КВтч в районах со слабыми ветровыми нагрузками и 0,19 в районах сильного ветра. Между 1990 и 1993 годами возникло второе поколение ВЭУ: 2 ВЭУ типа wea-60 мощностью 12 МВт, з ВЭУ типа "Monopteros 50" мощностью 640 кВт. В то же время увеличилась мощность ВЭУ 1 поколения,

НА конец 1995 года было запланировано сооружение двух ВЭУ МОЩНОСТЬЮ 1,5 МВт: "Enercon Е 66" И "Tack TV-15", Оба Проекта получили субсидии от Министерства науки Германии и по линии ЕС. Отмечена тенденция роста потребности в ВЭУ мегаваттного класса вместо применяемых ВЭУ мощностью 500-600 кВт и, как следствие, разработка ВЭУ такого класса рядом ведущих фирм. Характерно применение 3-х лопастных ветровых колес (БК >j регулирование поворотом лопастей и работа ВЭУ с постоянной частотой вращения. ВЭУ мощностью 1 МВт разработаны различными фирмами с ВК диаметром 54 м и частотой вращения 21-24 об/мин. Рассмотрены некоторые особенности приведенных ВЭУ, "Enercon-E-66" 1,5 МВт безредукторный с автономной системой установки каждой из лопастей, "hsw", i МВт, работает с постоянной частотой вращения ВК,

За последние годы компании США - изготовтели оборудования для ВЭУ внедрили в США 7 новых типов ветроагрегатов, расчитанных на подключение к сетям общего пользования. Мощность ветроустановок колеблется от 250 до 500 КВт, Благодаря использованию современного программного обеспечения проектирования созданы более долговечные лопасти ветроагрегатов с высоким КПД; в результате стоимость выработки электроэнергии на ВЭУ снизилась до 5-7 центов/кВтч, При этом с реализацией каждого нового проекта этот показатель имеет тенденцию к снижению. Среди энергокомпаний, занимающихся сооружением ВЭУ на территории Великих равнин, лидером по объемам строительства называют nsp. Весной 19 94 года энергокомпания ввела в эксплуатацию в Миннесоте ВЭС (ветроэлектрическая станцмя) Lake Benton МОЩНОСТЬЮ 2 5 МВт и в ближайшее время предполагает завершить сооружение новых ВЭС суммарной мощностью юо МВт. Ожидается, что общая мощность ВЭС на обслуживаемой nsp территории достигнет 800 МВт. Планируется строительство ВЭС в штате Техас, а также в Канаде. Проводятся испытания трех возможных конфигураций ветроагрегатов нового поколения.

Созданные на Украине образцы ВЭУ-зо, ВЭУ-2 20, АВЭ-250С, ВЭУ-50о с номинальной мощностью соответственно 30, 220, 2 50 и 500 КВт имеют в своей конструкции ветровые роторы с поворотными лопастями и требуют поворота лопастей для ограничения мощности при скорости ветра, превосходящей номинальное значение.

Отмечены перспективы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Болгарии; например, небольших ветроэлектрических систем с установленной мощностью б несколько десятков кВт.

Обоснованы возможности развития малой нетрадиционной энергетики в России, в том числе комплексного использования энергоресурсов Краснодарского, приморского, Ставропольского краев, Амурской, Магаданской, Ленинградской, Кировской Камчатской; Калининградской областей, республик - Карелии, Дагестана, Калмыкии, Уфимским авиационным институтом и Российским государственным ракетным центром создана ветродизельная установка с ВЭУ 100 КВт и дизель-генераторами зо и 60 КВт, Многие предприятия авиационной промышленности и различные коммерческие структуры (з-д "Вперед", "Авиаэлектрик", "Арсенал", ТОО "Молинос" и др.) организуют производство ВЭУ малой мощности -о,5, 1, 2, 4, 6, ю, 12, 15 кВт. В Министерстве топлива и энергетики России создан фонд по энергосбережению, из которого могут финансироваться НИОКР в области возобновляемых источников энергии. Представлены рекомендации для Всемирного солнечного саммита -стратегические проекты wssp, сформулированные Россией,

Обзор подготовлен по материалам зарубежной и отечественной печати при технической помощи ВИНИТИ.

При изменении потребляемого тока в электросети ВЭУ, изменяется электромагнитных полей, Эти поля способны нанести серьезные повреждения вспомогательной слаботочной электронной аппаратуре, в том числе и системам управления с микропроцессорным электронным оборудованием- Поэтому защита систем управления от влияния электромагнитных полей имеет важное значение при оснащении энерговырабатывающих установок системами управления. Не исключением являются и энергоагрегаты, использующие для выработки ЭЭ энергию ветра: ветроэлектрические установки (ВЭУ) и ветроэлектрические станции (ВЭС), Вопросы защиты ВЭУ и ВЭС от влияния электромагнитных полей стоят очень остро. В большинстве современных ВЭУ электрогенераторы находятся в гондоле ветроустановки (ВУ) на высоте до нескольких десятков метров над поверхностью земли. Вероятно (сведений недостаточно), системы управления ВЭУ тоже могут располагаться в гондоле ВУ, например, для защиты систем от вредных наводок через электропроводку.

Перечисленные обстоятельства: сложность микропроцессорных систем, наличие вторичной электронной аппаратуры, необходимость надежной защиты от влияния электромагнитных полей, большая высота над поверхностью земли, создающая дополнительные неудобства при техническом обслуживании ВЭУ, заставляют искать возможности упрощения автоматических систем управлением ВЭУ при сохранении или повышении их надежности, Такие возможности могут быть получены при привлечении струйной техники к построению систем автоматического управления ВЭУ.

Элементной базой струйных систем управления служат струйные элементы, в которых преимущественно используется в качестве носителя информации воздух. Ведутся интенсивные работы в области построения и применения импульсных систем на элементах струйной техники, Особенно это характерно для авиационной и космической промышленности, где требования к надежности систем очень высокие. Так., фирмы "Bawies inginering". "Haneyweii" и другие разрабатывают для различных ведомств США системы управления летательного аппарата (самолет, управляемый снаряд, спутник) в пространстве. По заказу nasa и др, организаций создаются струйные импульсные системы управления ракетными двигателями и ядерными реакторами.

Сравнение устройств, построенных на элементах мембранной пневмоавтоматики, электроавтоматики и механики, с аналогичными устройствами на элементах струйной техники показывает, что последние имеют ряд преимуществ: высокое быстродействие, высокую надежность работы логических и усилительных элементов (при сравнительно низкой их стомиости); взрыво и пожаробезопастность; неподверженность воздействию электромагнитных и радиоактивных излучений; стойкость к вибрациям и др. Практически неограниченные и легко доступные запасы рабочего тела — воздуха позволяют использовать конструктивно простые и, следовательно, недорогие источники питания: воздуходувки, пневмосеть, баллоны со сжатым воздухом, портативные компрессоры,

В Институте проблем управления РАН разработана и была создана система модулей струйной техники - СМСТ-2, в которую входят дискретные элементы разного функционального назначения. Здесь же разработан струйный аналоговый усилитель, а также универсальная система элементов пневмоавтоматики - УСЭППА, На. основе этих разработок были по-строоены лабораторные макеты автоматических систем контроля и управления , Например, струйно-мембранная система контроля факела промышленной газовой горелки; струйная импульсная система сигнализации разности частот для порогового ограничителя частоты вращения свободной газовой турбины; струйная (с включением элементов пневмоавтоматики смстемы УСЭППА) импульсная система поддержания давления (0,04 мм вод, ст.) в топочном пространстве электротермической печи; импульсная астатическая система стабилизации скорости вращения пневматической реактивной минитурбины и другие. Системы показали высокую надежность работы и требуемое качество регулирования при испытаниях в лабораторных и производственных условиях, и 1.1. Астатическая система стабилизации частоты вращения реактивной пневматической турбины

На основе проведенных исследований (см.глл) сконструирована импульсная астатическая система стабилизации скорости вращения малогабаритной реактивной пневматической турбины с интегральным законом регулирования. Принцип действия системы поясняет рис,i,i.

Вся система (объект плюс регулятор) работает на сжатом воздухе.

Функциональная схема системы приведена на рис.1,9,

Характеристики

Питание регулятора и пневмотурбины осуществляется сжатым воздухом,

Давление питания регулятора, кПа 1,2±ю% з

Потребляемый регулятором расход воздуха, м~,/ч 1,5

Потребляемая регулятором мощность, Вт 20

Эталонная" частота f , Гц 2 5 - юо

Нестабильность "эталонной" частоты, %

Рабочая частота £ (установившийся режим, при разных постоянных значениях величины момента нагрузки на вал турбины)

Рабочая частота г (преходный процесс, "динамическая зона" - см,рис,1.11)

Характер переходного процесса —

Давление питания пневмотурбины при выключенном регуляторе (!^ = юо Гц), кПа

Давление питания пневмотурбины при включенном регуляторе (ц=юо Гц), кПа

Максимальный момент вращения пневмотурбины, г■см

Допустимое отклонение момента нагрузки на вал от номинального значения, %

Вес регулятора, кг

Габариты регулятора без учета габаритов исполнительного устройства, мм

Габариты исполнительного устройства, мм

Температура окруж, среды, °С

Макс, отн, влажность % ш,2. Модель адаптивной системы стабилизации частоты вращения ветрового колеса ВЭУ

В ветроэлектрических установках (ВЭУ) вал якоря электрогенератора жестко связан с валом ветрового колеса (ВК), В исследуемой системе моделью ВК служит пневматическая минитурбина, а моделью электрогенератора — аэродинамический тормоз, изменяющий момент нагрузки вала пневмотурбины.

Частота вращения пневмотурбины преобразуется в частоту (£ ) струйных прямоугольных импульсов давления приблизительно 50%-й скважности. Преобразователь частоты вращения в частоту струйных импульсов состоит из вращающегося диска с прорезями и струйного элемента типа "сопло-сопло", причем периферийная часть диска, в которой находятся прорези, расположена между соплами элемента "сопло-сопло". Диск жестко связан с валом "электрогенератора" (пневмотурбины), а именно, плотно насажен на вал. Струйный частотный сигнал через прорези в диске, приемное сопло элемента "сопдо-сопло" и соединительную трбку передается в систему регулирования вращением "ВК".

Задающим устройством системы регулирования служит струйный автогенератор - генератор эталонной частоты (ГЭЧ), вырабатывающий "прямоугольные" импульсы, скважность которых = 5 0%, Нестабильность частоты и ) ГЭЧ составляет 0,01% при постоянной величине давления питания ГЭЧ,

Внутри схемы регулирования выделяются передние и задние фронты прямоугольных импульсов и ^ в виде струйных импульсных сигналов малой длительности (0,7 мс),

Передние фронты импульсов £п и £ несинхронно взаимодействуют со струей питания струйного триггера (см.рис,1,1) и поочередно переключают струю во взаимоинверсные стабильные положения. При переключениях струи в приемных каналах триггера образуются прямоугольные импульсы давлении, величина скважности которых может меняться в пределах от о,2 до 0,8 в процессе регулирования. Для регулирования используется один выходной канал (Ь) триггера. Последовательность регулирующих импульсов преобразуются в импульсный сигнал регулирующего воздействия системы на объект регулирования. Сигнал регулирующего воздействия через исполнительное устройство "вызывает поворот лопастей или лопасти ВК". При изменении любых возмущающих воздействий исполнительное устройство системы имитирует поворот лопастей или лопасти ВК, При повороте лопастей изменяются в требуемом направлении угол атаки и момент вращения вала ВК (пневмотурбины), В результате, после завершения переходного процесса, вызванного возмущающим воздействием, частота вращения ВК принимает прежнее постоянное значение, заданное генератором эталонной частоты.

При этом, скважность импульсов регулирующего воздействия остается постоянной при разных значениях величины "ветрового возмущения", Это означает, что длительность импульсов регулирующего воздействия в установившихся режимах имеет одно и то же значение, но амплитуда импульсов имеет разные значения. Величина амплитуды прямо пропорционально зависит от величины "ветрового возмущающего воздействия". Изменение амплитуды регулирующих импульсов вызывает изменение коэффициента усиления регулятора по линейному закону.

Таким образом, реализована адаптивная (самонастраивающаяся) система регулирования с переменным коэффициентом усиления регулятора, которая инвариантна относительно главного возмущающего воздействия.

Функциональная схема системы приведена на следующем рисунке.

Характеристики

Питанир регулятора осуществляется сжатым возд\гхом давление питания регулятора, кПа 1бо±ю%

Потребляемый расход воздуха, м3/ч 2,8

Скорость ветра", м/с 5,,.20 Частота fRK вращения "ветрового колеса", Гц 2

Рабочая частота f , Гц юо±о,5

Эталонная" частота, Гц юо±о,1 Нестабильность значения частоты f в установившемся режиме, %{ ±о,5

Температура окруж, среды, °С -5,,,+50

Высота над уровнем моря; м о,., 2 00 0

Колебания атм. давления, % ±р,

Макс, отн, влажность % 80

Вес регулятора, кг з

Габариты регулятора, мм 150x200x300

Вес и габариты регулятора указаны без учета исполнительного устройства, и1.3, Струйный автогенератор как универсальный первичный преобразователь

В рамках исследований по проблеме оптимизации метрологически": характеристик измерительных приборов в Институте проблем управления РАН разработана новая прогрессивная методика конструирования измерителей параметров газовых и жидкостных потоков. Хорошо известно что все измерители обладают одним серьезным недостатком. А именно, для контроля потоков в трубопроводах; отличающихся размерами проходного сечения, требуются первичные преобразователи, соответствующие данному потоку. Кроме того, все измерители имеют и некоторые принципиальные особенности, которые часто препятствуют оптимизации процесса контроля и измерения. Например, объемные и турбинные измерители содержат подвижные механические части, электромагнитные и ультразвуковые должны быть защищены от воздействия электромагнитных полей и радиации, вихревые имеют высокий порог чувствительности, а также могут служить источниками опасных вибраций в трубопроводах, и т.д.

Ключевую роль при разработке методики сыграла идея универсального первичного преобразователя (УПП), На основе УПП можно создавать приборы для измерения скорости открытых потоков (в атмосфере, в реках, и т.п.), а также для измерения скорости, расхода боковыми встречно направленными струями, которые образуются при пере даче энергии основной струи по линиям обратной связи (см, рис.ил).

Принцип действия УН-" основан на свойства струи жидкости ! газа ; менять траекторию течения при взаимодействии с другими струями. УПП преобразует кинетическую энергию непрерывно движущегося потока в энергию пульсирующих сигналов. Эти сигналы формируются в струйных элементах при прохождении через них контролируемого потока (всего целиком или его части). Пульсирующие сигналы воспроизводятся на двух выходах УПП в виде последовательностей импульсов динамического давления <г - частота следования импульсов), Давление передается по каналам в пьезоэлектрический преобразователь и преобразуется в электрические сигналы той же частоты.

Опишем вкратце эмпирическую модель процесса, Частота импульсов ; г ) прямо пропорционально зависит от скорости контролируемого потока, то есть у=кГ, где f — частота, V - скорость, а и - коэффициент пропорциональности, численное значение которого устанавливается при тарировке УПП, Объемный расход потока приближенно равен произведению средней по проходному сечению скорости потока на площадь проходного сечения, поэтому по частоте можно судить о расходе: о = сЛ, где с — объемный расход, с=к? — коэффициент пропорциональности; ? — площадь проходного сечения.

В процессе исследований проведена оптимизация профилей струйные элементов и создан струйный элемент, на базе которого построен УПП.

Приведем некоторые экспериментальные данные измерения объемного расхода воды в трубах с разными внутренними диаметрами с использованием УПП - При измерени!: расход7. в трубе диаметре.-' О мм. нелинейность зависимости частоты от расхода составила 1,о% от текущего значения расхода в диапазоне 12 — 130 л/час, и з,з% в диапазоне 1,25 — ю л/час. При измерении расхода в трубе диаметром 50 мм, установленной на испытательном стенде, оборудованном центробежным насосом, нелинейность зависимости частоты от расхода составила 2% от текущего значения расхода в диапазоне 2,2 — 43,7 кубических метра в час; потери давления на измерительном фрагменте трубопровода при максимальном расходе 4 3," кубических метров в час составили о,0315 атм.

Сравнительный анализ показывает, что УПП, разработанный по новой методике, действует значительно эффективнее и надежнее, чем все известные контрольно-измерительные устройства, используемые в настоящее время для контроля потоков, ш,4. Струйный датчик скорости потока

Б процессе исследования струйных датчиков скорости (СДС) проводилась последовательная коррекция (при переходе от одной модификации к другой и т.д.) геометрии струйных элементов и коммуникационных каналов АГ. В результате проведенной коррекции существенно (более чем в три раза) улучшилась линейность метрологической характеристики АГ в области измерения малых скоростей течений, значительно уменьшены габариты АГ. На (рис,III.1 ) показаны сравнительные метрологические характеристики автогенераторов различной модификации. Для лучшей наглядности метрологические характеристики показаны в виде зависимости "импульсного объема" п о"71 текущего значения измеряемого расхода о. Для идеального измерителя гоп^г во всем пияпазоне изменений <ня гояфикях это знячрнир и обозначено прямой линией; относительно которой указана процентная

ПОГрвШК.*' СТ £ ; .

Ск с) кс труи р о в ан макетный образец универсального первичного преобразователя (УПП) [45], входящего в состав СДС, для измерений скорости в трубопроводах с размером внутреннего диаметра от 2-х до юо мм. Конструктивно УПП - это автогенератор (АГ) гидравлических импульсов. Частота импульсов АГ прямо пропорционально зависит от скорости контролируемого потока.

При помощи УПП измерялся объемный расход воды в заполненных трубопроводах со следующими условными диаметрами проходных сечений: 2 мм, 6 мм, 14 мм, 2 5 мм, 5 0 мм. Для указанных трубопроводов при скорости потока в соплах АГ, превышающей 0,5 м/с. нелинейность метрологической характеристики СДС находилась в пределах 1,8% от текущего значения расхода. Диапазон измеряемого расхода.; охваченный СДС с УПП, составил 1,26 — 43700 л/час. Измерения проводились при температуре воды 10°-15°С.

Б течение годовым ; 19 9? т. ! ресурсных испытаний СДС при измерении объемного расхода воды в трубе р 50 на испытательном стенде не выявлено отклонений метрологической характеристики СДС от исходной (рис,II1,2), а также не наблюдалось сбоев и отказов в работе АГ и электропреобразователя, Нелинейность зависимости частоты импульсов АГ от текущего значения расхода в трубе сохранялась в пределах 2%; отклонения в повторяемости показаний не превышали 0,5%. Расхо," в о о трубе изменялся от 1, з до 43,7 м°/час (43,7 м-"'/час - максимальная производительность используемого центробежного насоса;. Потери давления на фрагменте трубопровода г установленным в нем УПП при о максимальном расходе 43,7 м'"'/час равнялись о, 0315 атм. Пределы изменения средней скорости воды при измерении расхода в трубе с внутренним диаметром 5 0 мм: 0,18-6,18 м/с. На рис,и1,2 показан график зависимости частоты импульсов СДС от измеряемого расходе, воды в трубе с внутренним диаметром 5 0 мм.

Установлено, что скорость протекающей через сопла АГ СДС воды при измерениях может принимать значения от о,115 до 20,8 м/с. Внутри указанных границ изменения скорости размах амплитуды импульсов дифференциального выходного электрического сигнала электропреобразователя СДС находился в пределах о,001 - 3 в. При этом частота импульсов АГ принимала значения от 2,3 до 400 Гц, а перепад давления - от 6-ти до 4 5 000 мм вод, ст.

В заключении приводятся основные выводы и результаты, которые состоят б следующем:

1, Диссертация посвящена развитию направления в теории технических систем управления, которое связано с проблемой создания высокоточных и высоконадежных импульсных систем и измерительных устройств,

2, Исследована математическая модель импульсной системы управления нового типа на основе оригинального принципа формирования управляющего сигнала,

3, Доказана теорема об астатичности замкнутой широтно-импульсной системы регулирования, в которой входной модулирующий сигнал носит дискретный характер,

4, Доказана теорема о линейной зависимости частоты импульсов струйного автогенератора импульсов от скорости несжимаемой жидкости, протекающей через автогенератор,

5, На основе разработанной теории реализована высокоточная астатическая система стабилизации частоты, которая опробована на примерах стабилизации частоты вращения вала и частоты импульсов автогенератора импульсов расхода сжатого воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Климов, Андрей Николаевич, 1999 год

1. Me Naught on K,J. , Sinclair C.G, , Submerged jets in short cylindrical vessels, J, Fluid Mech,, 1966. v. 25, N 2, 367-376.

2. Moynihan F.A., Reylly R, J., Deflection and relative flow of three interacting jets. Proceedings of 2nd Fluid Amplification Symposium, HDL, N. Y, 1964, v. I, 123-146.

3. Miiller H.R. A study of dynamic features of all wall-reattacment fluid amplifiers, Trans. ASME, ser. D, 1964, N 4, 163-178,