2 Описание работы структурной схемы

МК – микроконтроллер; УОБ – устройство очистки бензина; ОУ - объект управления; ГЭПП – гидроэлектро преобразователь плотности.

Рисунок 10 – Структурная схема

МК – считывает сигнал у плотномера и управляет всей системой. С него подает сигнал плотномера.

SIMATIC S7-300 - это модульные программируемые контроллеры, работающие с естественным охлаждением. Модульная конструкция, возможность построения распределенных структур управления, наличие дружественного пользователю интерфейса позволяет использовать контроллер для экономичного решения широкого круга задач автоматического управления в различных областях промышленного производства. Основными областями применения контроллеров SIMATIC S7-300 являются:

• Системы управления машинами специального назначения

• Системы управления текстильными машинами

• Системы управления упаковочными машинами

• Системы управления общего назначения

• Системы автоматического регулирования

• Автоматизированные измерительные установки

Системы управления электротехнического производства и другие

УОБ – фильтр для отчистки бензина

Активдиск - устройство очистки топлива (бензин, солярка, мазут) от загрязняющих веществ. Активдиск разработан московскими учеными.В принцип действия заложены волновые процессы квантовой механики.

Принцип действия: В основе действия - процессы квантовой механики. Молекула

топлива, находясь в состоянии покоя, обладает энергией атомарных связей, достаточной не только для удержания своей структурной решетки в стабильном

состоянии, но и удержания различных других частиц, загрязняющих молекулу

чистого топлива. Если эту молекулу вывести из стабильного состояния, произойдет изменение баланса энергии, основная часть которой будет направлена на удержание связей своих атомов. Но при этом начнут разрушаться побочные слабые связи с атомами и молекулами загрязняющих веществ. Это явление и используется в устройстве

ОУ – резервуар для отчищенного бензина

ГЭПП – измеритель плотности. Конструкция плотномера представлена на рисунке 4.

Чувствительным элементом ГЭПП является полусферический поплавок 5, выполненный из эластичной резины и заполненный магнитной жидкостью. Так как магнитная жидкость обладает намагниченностью благодаря наличию ферромагнитных частиц, то поплавок выполняет роль сердечника дифференциального индуктивного датчика. В ГЭПП используется магнитная жидкость марки Т-40.

Материал оболочки поплавка – эластичная маслостойкая и кислотостойкая резина.

ГЭПП представляет собой полый стакан 3, соединенный через капилляр 2 с трубопроводом 1, по которому проходит исследуемая жидкость. Стакан расположен внутри катушек индуктивного датчика 4, сердечником которого является МЖ сенсор 5, жестко закрепленный по верхнему краю стакана.

Измерительный стакан имеет размеры: высота 45 мм, диаметр 35 мм, толщина стенок 1 мм. Размеры магнитно-жидкостного сенсора: длина 17,35 мм; толщина оболочки 0,05 мм. Капилляр имеет размеры: длина 45 мм, диаметр 5 мм. Длина трубопровода 76 мм, диаметр трубопровода 8 мм. Капилляр 2 представляет собой трубку из оргстекла.

1 – трубопровод; 2 – капилляр; 3 – проточная часть ГЭПП; 4 – катушки ин

дуктивного датчика; 5 – магнитожидкостный сенсор.

Рисунок 4 – Конструкция ГЭПП

При измерении плотности на магнитно-жидкостный сенсор воздействует поток жидкости. От характера воздействия, то есть распределения сил по поверхности магнитно-жидкостного сенсора, зависят многие факторы, влияющие на качество работы ГЭПП: долговечность оболочки МЖ сенсора; чувствительность МЖ сенсора к изменению скорости потока.

Объем магнитной жидкости в чувствительном элементе:

, (17)

где V_мж - объем магнитной жидкости, м³;

h = 0,015 м - высота сегмента чувствительного элемента, в котором находится магнитная жидкость;

r = 0,0175 м - радиус сегмента чувствительного элемента;

(м³)

Масса магнитной жидкости в оболочке:

, (18)

где m - масса магнитной жидкости в оболочке, кг;

_мж = 10³ кг/м³ - плотность магнитной жидкости;

(кг)

Принцип действия ГЭПП: при изменении плотности рабочей жидкости происходит деформация чувствительного элемента ГЭПП. Это приводит к изменению взаимоиндуктивности измерительных катушек дифференциально-индуктивного датчика и, следовательно, к изменению значений тока.

Входные характеристики ГЭПП:

- напряжение U_вх, В 12;

- изменение плотности потока , кг/м³ 860…880. Выходные характеристики ГЭПП:

- максимальное напряжение U_вых, В 0,06;

- максимальный ток I, А 0,005.

Статическая характеристика ГЭПП представляет собой зависимость тока индуктивного датчика от плотности исследуемой среды I=f(ρ).

Экспериментальные данные, полученные при исследовании статических характеристик ГЭПП, аппроксимируются линейными зависимостями методом наименьших квадратов по формуле:

(19)

Коэффициенту k соответствует чувствительность ГЭПП, определяющаяся по формуле:

(20)

При выбранных конструктивных параметрах наибольшая чувствительность ГЭПП, равная 0,222 мА∙м³/кг, для давления рабочей жидкости 0,045 МПа

достигается при расходе 0,16 м³/ч. Статическая характеристика описывается зависимостью:

(21)

Рисунок 5 - Статическая характеристика ГЭПП, соответствующая

наибольшей чувствительности

Динамическая характеристика ГЭПП представляет собой зависимость напряжения на измерительных катушках от плотности в переходном режиме

U=f(Δρ).

Динамические свойства объекта описываются передаточной функцией:

(22)

3. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ КАК СРП

3.1 Структурная схема гидроэлектрического преобразователя плотности потока

В большинстве технических приложений суть объектов управления такова, что описание их небольшим конечным набо­ром сосредоточенных переменных не адекватно ни существу про­цесса, ни той цели управления, которая поставлена примени­тельно к каждому объекту. Есть среды, которые не могут быть описаны в сосредоточенных параметрах (электромагнитное поле, электростатическое поле, течение потока, гравитационное поле, температура и так далее).

Система с сосредоточенными параметрами (ССП) является частным случаем системы с распределенными параметрами (СРП) и вводится для упрощения и решения задач на первом (нулевом) этапе./3/

Основная особенность многих техни­ческих объектов состоит в том, что они имеют пространственную протяженность, и их состояние невозможно характеризовать за­данием изменения координат объекта лишь только во времени. Состояние таких объектов должно задаваться не только в каж­дый момент времени t, но и в каждой точке х той геометрической области физического пространства, которую занимает данный объект.

В связи с этим для получения теоретической динамической характеристики ГЭПП, он рассматривается как система с распределенными параметрами.

Состояние объекта с распределенными параметрами, по меньшей мере, то есть в про­стейшем случае, описывается одной функцией, но уже минимум двух независимых аргументов. Обычно этими аргументами явля­ются время t и пространственная (в простейшем случае) скаляр­ная переменная х. Таким образом, состояние объекта с распре­деленными параметрами (в простейшем случае) задается функ­цией Q (х, t).

Для теоретического анализа элементов и систем управления необходимо знать дифференциальное уравнение в частных производных, которое физически адекватно описывало бы процессы в элементе.

Достоинства структурного метода систем с распределенными параметрами:

- метод дает наглядное представление сколь угодно сложной взаимосвязанной распределенной системы;

- метод позволяет единообразным способом описывать взаимосвязанные распределенные системы с помощью импульсных переходных или передаточных функций и правил соединения отдельных блоков;

- структурный метод дает возможность единообразным способом определять характеристики всей системы в целом и отдельных ее частей, единообразным способом анализировать и синтезировать сложные взаимосвязанные объекты с распределенными и сосредоточенными параметрами.

Одним из основных понятий теории структурных схем для систем с распределенными параметрами является понятие «распределенного сигнала».

Система с распределенными параметрами (СРП) – это система, в которой практически все сигналы (особенно входной и выходной) зависят от пространственных координат и времени./3/

Распределенным сигналом называется функция f(x, t), x є D,tє , где D – область в r-мерном евклидовом пространстве и  - область числовой оси. Переменную x называют пространственной переменной, область D – пространственной областью, а переменную t – временем. Если функция f(x, t) принимает числовые значения, то сигнал называется скалярным распределенным сигналом.

Следующим основным понятием структурных схем является понятие «распределенного блока». Распределенным блоком называется устройство любой природы, в котором выделены вход и выход, причем на вход поступает входной распределенным сигнал, а на выходе однозначным образом появляется выходной, также распределенный сигнал, который может иметь и другую размерность.

Функция Грина G(x, t, , ) однозначно определяет распределенный блок.

Рисунок 2 – Распределенный блок

Отметим одно важное свойство импульсной переходной функции любой физической системы:

G(x,t,,) = 0, x є D2,  є D1,  > t.

Это свойство вытекает из принципа причинности физических процессов: система не может реагировать на данное входное воздействие раньше момента времени появления этого воздействия.

Анализируя физику процессов в гидроэлектрическом преобразователе плотности потока (ГЭПП), как объекте управления с распределенными параметрами, состояние которого может быть описано функцией двух независимых аргументов Q (x, t), была составлена его структурная схема изображенная на рисунке 3./6/

СРП

Рисунок 3 – Структурная схема ГЭПП

Проведя анализ работы датчика плотности, ГЭПП разбивается на простейшие блоки (рисунок 4):

W1 – измерительная камера, преобразующая изменение плотности жидкости в изменение давления в камере;

W2 – мж сенсор, преобразующий изменение давления в камере в изменение зазоров магнитной схемы дифференциально-трансформаторного преобразователя;

W3 – магнитная часть измерительной схемы, преобразующая перемещение мж сенсора в изменение магнитной проницаемости дифференциально-трансформаторной схемы;

W4 – часть измерительной схемы, преобразующая магнитную проницаемость в выходной сигнал дифференциально-трансформаторной схемы.

Дальнейшее моделирование заключается в рассмотрении режимов работы блоков с распределенными параметрами.

3.2РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.2.1 Вывод передаточной функции распределенного блока W1

Для построения математической модели блока W1 воспользовались наиболее соответствующим дифференциальным уравнением вида:

(1)

r  0, t  0, a  0.

Нормирующая функция для такого уравнения будет иметь вид:

(2)

где (t) –функция Дирака;

r - координата точки в измерительной камере, где определяется функция отклика.

Функция Грина (импульсная переходная функция) будет иметь вид:

(3)

где  - координаты точки, в которой помещен источник гидроэлектрического возмущения.

Континуальная передаточная функция для (1) в распределенных параметрах имеет вид:

(4)

В начале расчета необходимо произвести идентификацию выходной величины Q, входного возмущения f и координаты r, t в соответствии с темой дипломного проекта. Входным возмущением f(r,t) является изменение потока, поступающего в измерительную камеру, то есть f(r,t) = 1.

 - координата точки, в которой необходимо отыскать выходную величину

Q как функцию отклика на возмущение, 1 изменяется в пределах

0    Rk, при этом Rk= 12 кг/м3;

a – кинематическая вязкость;

Q – выходная величина, соответствующая проекционной координате изме- нения давления в измерительной камере ГЭПП.

Начальные условия с учетом этих допущений запишутся в виде:

(5)

то есть до начала повышения температуры потока изменение плотности отсутствует.

С учетом этого нормирующая функция упростится:

. (5)

Решение искомой функции запишется через функцию Грина и нормирующую функцию можно представить следующим образом:

(6)

Для определения интегральной передаточной функции необходимо найти операторное выражение выходной величины.

Зададимся, что а = 7 м2/с.

Таким образом континуальная передаточная функция равна:

(7)

Для дальнейших вычислений необходимо определить изображение по Лапласу нормирующей функции:

, (8)

Таким образом, операторное изображение выходной величины запишется:

, (9)

Тогда интегральная передаточная функция примет вид:

(10)

. (11)

Для дальнейших вычислений используем программу Mathcad 2000. Интегральную передаточную функцию в операторном изображении W1 (r, ) необходимо преобразовать в частотную, то есть произвести замену рj. В преобразованном выражении выделим действительную и мнимую части:

(12)

где U() = Re(W (r,j)) – действительная часть частотной интегральной передаточной функции;

V() = Im(W1 (r,j)) – мнимая часть частотной интегральной передаточной функции.

(13)

. (14)

(15)

По формуле (15) строится график ЛАЧХ (рисунок 4) режима работы распределенного блока W1.

Передаточная функция первого блока в системе с распределенными параметрами может быть идентифицирована для дальнейшего анализа передаточной функцией вида:

, (16)

где k – коэффициент передачи.

Значение коэффициента k определим из графика построенной ЛАЧХ для распределенного блока W1 по формуле:

(дБ), (17)

k = 0,217.

Рисунок 4 – Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика распределенного блока W1

Значение передаточной функции имеет вид:

. (18)