1.2.3 Описание ультразвукового датчика уровня.
Принцип работы ультразвукового датчика основан на генерации звуковых волн и их обнаружение последующего отражения от объекта. Как правило, атмосферный воздух действует как носитель ультразвуковых волн. Звуковой генератор приводится в действие в течение короткого периода времени и излучает ультразвуковой импульс, который неслышно для человеческого уха. После эмиссии, ультразвуковой импульс отражается от объекта, находящегося в пределах диапазона и отражается обратно в приемник. Продолжительность ультразвукового импульса оценивается в электронном виде. В пределах определенного диапазона, выходной сигнал пропорциональный сигнал длительностью ультразвукового импульса. Объект, который будет обнаружен может быть изготовлена из различных материалов. Форму или цвет, твердом, жидком или порошкообразном состоянии не имеют никакого влияния на обнаружение. В случае объектов, гладкой, ровной поверхности, поверхности должны быть выровнены вертикально ультразвукового луча. С этим видом датчика вы в состоянии сделать два вида измерений: Во-первых вы можете измерить расстояние между датчиком и объектом. Производитель настройка датчика идеально подходит для такого рода измерений. Увеличение выходного сигнала при повышении расстояние до объекта. Но для измерения уровня заполнения контейнера, различные установки необходимы, поскольку с ростом уровня наполнения расстояние от измеряемого объекта (поверхности воды), до датчика становится все меньше. Поэтому выходной сигнал был изменен с ростом к падению характеристик. Также диапазон измерений был изменен так, что мы можем получить максимальный выходной сигнал при максимальной и минимальной выходной сигнал при минимальной уровня наполнения.
Технические данные датчика:
-Измеряемый диапазон 50-345 мм;
-Выходной ток 4-20 мА;
-Напряжение питания 24 В;
-Вес 67 грамм.
Рис. 7. Расположение и принцип действия ультразвукового датчика уровня.
Рис. 8. Ультразвуковой датчик уровня.
Рис. 9. Изменение выходного тока от уровня.
Ультразвуковой датчик уровня в нашей системе представляет собой усилительное передаточное звено. Как видно из рисунка 9 и технических данных измеряемый диапазон датчика меняется от 50-345 мм, т.е. уровень жидкости по высоте изменяется от 0-295 мм (h) и соответствует изменению выходного сигнала от 4 мА до 20 мА (I). Исходя из этих данных получаем уравнение для выходного сигнала:
h*k+0.004=I, (16)
где k – коэффициент усиления датчика.
Подставив значения верхнего уровня жидкости и максимального значения выходного сигнала получим коэффициент усиления равный 0,054.
1.2.4 Структурная схема и передаточная функция системы
Рассматриваемую систему автоматического управления можно представить функциональной схемой на рисунке 10, содержащей следующие функциональные элементы: Р – регулятор, ИМ – исполнительный механизм, Об – объект управления, Д – датчик. Кругом на функциональной схеме изображена функция сравнения сигналов (сравнительный элемент).
Рис. 10. Функциональная схема системы.
Здесь Yз(t) – задающий параметр на сравнительный элемент(обозначен кружком), Х(t) – входной сигнал на регулятор(Р), U(t) – сигнал на исполнительный механизм(ИМ), F(t) – сигнал на объект управления(Об), θоб(t) – выходной регулируемый сигнал на датчик(Д), θд(t) – сигнал с датчика на сравнительный элемент.
На основе функциональной блок-схемы (рис.10) и описание элементов передаточными функциями, составляем структурную схему исследуемой системы представленной на рисунке 10, изменив условные обозначения звеньев на конкретные выражения их передаточных функций. По структурной схеме (рис.11) определяем передаточную функцию разомкнутой системы и передаточную функцию замкнутой системы.
Рис. 11. Структурная схема системы.
Преобразуем полученную структурную схему к замкнутой системе с единичной обратной связью с целью получения передаточной функции замкнутой системы. Для этого перенесем сравнивающий элемент с выхода датчика на вход, при этом необходимо между переносимым задающим воздействием и сравнивающим элементом добавить фиктивное звено с передаточной функцией, обратной передаточной функции исходного звена, находившегося в обратной связи (рис 11).
Рис. 12. Преобразованная структурная схема системы.
Так как фиктивное звено ставим до сравнительного элемента, то оно не оказывает влияния на динамические свойства системы, поэтому в дальнейшем при описании системы фиктивное звено можно не учитывать рис (13).
Рис. 13. Преобразованная структурная схема системы без фиктивного звена.
В соответствии с полученной структурной схемой (рис.11), а так же правилами нахождения передаточной функции соединения звеньев, передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид [1]:
W(p) = Wд(p)·Wр(p)·Wим(p)·WОб(p) (18)
или
,
(19)
где:
- коэффициент передачи датчика
- коэффициент передачи исполнительного
механизма.
- коэффициент передачи объекта управления.
– передаточная
функция регулятора.
- постоянная времени объекта управления.
Подставив значения передаточных функций объекта управления, датчика и исполнительного механизма, получим передаточную функцию разомкнутой системы:
W(p) = , (20)
Значение Wр(p) принимаем равное 1, так как регулятор в системе пока отсутствует, но будет добавлен при дальнейшем исследовании [1].
Перемножим , и , откуда получим общий коэффициент усиления системы К =3,58
W(p) =, (21)
Передаточная функция замкнутой системы [1]:
Ф(р)
=
.
(22)
По передаточной функции замкнутой системы находим характеристический полином замкнутой системы:
Ф(р)
=
.
(23)
где А(р) – числитель передаточной функции замкнутой системы
G(р) – характеристический полином замкнутой системы:
G(р)= 0,05*р2+р+3,58. (24)