Устройство для моделирования вентилятора

 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования регулируемых на ходу вентиляторов как объектов автоматического управления. Целью изобретения является повышение точности. Для достижения заданной цели в устройство введены первый интегросумматор, воспроизводящий напорную характеристику вентилятора в функции времени и коэффициентов, определяющих ее наклон, форму и положение в области рабочих характеристик вентилятора, второй интегросумматор и четвертый блок перемножения, реализующие нагрузку вентилятора - модель эквивалента шахтной вентиляционной сети, что позволяет смоделировать инерционные свойства вентилятора и влияние аэродинамических параметров его нагрузки. 4 ил.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И1 (si)s С 06 С 7/48 рЩОИ38 ,11 ЦЦЦЦ ЩЩЧЕ

gtpgQpA! Е-

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4463528/24-24 (22) 19.07.88 (46) 30.09.90. Бюл. Ф 36 (71) Донецкий политехнический инсти-. тут (72) С. С. Ефремов, Л.А. Грищенко и Г.В.Васильева (53) 681 3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 942060, кл. С 06 С 7/48, 1978.

Ефремов С.С. Разработка и исследование математической модели регулируемого вентилятора как объекта управления. УкрНИИНТИ, № 61, Ук Д, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ВЕНТИЛЯТОРА (57) Изобретение относится к аналоИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для построения аналоговых электрических моделей вентиляторов, применяемых в системах автоматизированного управления проветриванием (САУП) для подачи воздуха в шахту.

Цель изобретения - повьппение точности, На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема интегросумматоров;на фиг.3семейство .напорных характеристик

Il(Q,cd) вентилятора, работающего на аэродинамическую нагрузку Н(Ц eu); нафиг.4 — графики зависимостей A((d), 2 говой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования регулируемых на ходу вентиляторов как объектов автоматического управления. Целью изобретения является повышение точности. Для достижения заданнной цели в устройство введены первый интегросумматор, воспроизводящий напорную характеристику вентилятора в функции времени и коэффициентов, определяющих ее наклон, форму и положение в области рабочих характеристик вентилятора, второй интегросумматор и четвертый блок перемножения, реализующие нагрузку вентилятора — модель эквивалента шахтной вентиляционной сети, что позволяет смоделировать инерционные свойства вентилятора н влияние аэродинамиче-. ских параметров его нагрузки. 4 ил..В(), С(ы), реализуемых Функцяональнымн преобразователями коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора °

Устроиство для моделироваьия вентилятора (фиг.1) содержит первый 1, .второй 2, третий 3 функциональные преобразователи коэффициентов аппрокси мации напорной характеристики вентилятора, первый 4, второй 5, третий 6 блоки перемножения, первый интегросумматор ?, четвертый блок 8 перемножения, ьторой интегросумматор 9.

Первый интегросумматор 7 (фиг. 2) включает операционный усилитель 10, резисторы 11-14, конденсатор 15. Второй интегросумм,".тор 9 (фиг.2) включа1596355 ет операционный усилитель 16 резисторы 17-18, конденсатор 19.

Переходные аэродинамические процессы вентилятора, возникающие при регулировании его производительности, с учетом аэродинамических характеристик проветриваемой шахтной вентиляционной сети (ШВС), описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений

MH(q,ы)/dt - A() q + В()q +

+ С(ь) - H(Q,со) .15

КЩ/dt = Н(с,ы) — Rq,: (К/КО,).Щ/dt = Н(К0,) - - й, где К/R0 o = .ь — постоянная време где Т вЂ” постоянная времени, определяющая инерционные свойства 20 вентилятора;

К вЂ” коэффициент, характеризующий инерционные свойства эквивалента ШВС;

R — эквивалентное аэродинамиче- 25 ское сопротивление ШВС, которое входит в уравнение статистического воздухорас-! пределения H =- РЦ2, связыва-, ющего депрессию (напор) Н вентилятора с его подачей (расхо- дом) Q.

Параметры Н и Q контролируются с помощью специальных датчиков на всех шахтах и регистрируются на самописцах в функции времени. Поэтому

35 при расчете характеристик реального объекта моделирования можно воспользоваться среднестатистическими данными Н,, определив среднее значение R по формуле R = HQ . При ис-2 следовании абстрактных объектов ти повые значения R выбираются из спра-. вочников по проектированию вентиляционных систем... шахт. Типовые значения 45 коэффициента К, характеризующего инерционные свойства ШВС, также могут быть взяты в справочной литературе.

IIpH расчете параметров реального 50 объекта значение коэффициента К определяется следующим образом. Линеаризуя уравнение аэродинамики БЗС

Kd0/dt = Н вЂ” RQ 2 приходим к уравнению апериодическога звена 1-го порядка ни переходных процессов расходов воздуха в. сети Q(t) при изменении депрессии Н вентилятора. Учитывая, что

Д Т/3 (где Т вЂ” длительность переходных процессов), осуществляется измерение длительности переходных процессов 0(t) (по показаниям датчика

q) при изменении вентиляционного режима в шахте путем регулирования производительности вентилятора. Для этого могут быть использованы плановые работы (периодически проводимые на любой шахте) по остановке вентиляторов и реверсировании воздушной струи с целью проверки системы вентиляции.

Значение К при этом определяется по формуле

К= Rn Т/3 где 0 — исходный (до изменения производительности вентилятора) расход воздуха в сети.

Устройство работает следующим образом.

На входы первого, второго и третьего функциональных преобразователей 1, 2, 3 одновременно поступает положительное напряжение, пропорциональное величине управляющего параметра о, определяющего режим работы вентилятора. В результате на выходе первого и третьего функциональных .преобразователей 1,3 сформируются отрицательные (с инверсией знака) напряжения, пропорциональные значениям положительных коэффициентов В, С.,аппроксимации напорной характеристики вентилятора, а на выходе второго функционального преобразователя 2 положительное напряжение, пропорциональное значению отрицательного ("перевернутая" парабола) коэффициента А аппроксимации. Таким образом первый функциональный преобразователь,1 воспроизводит зависимость — В(ы), второй функциональный преобразователь 2— зависимость +А(со), а третий функциональный преобразователь 3 — зависимость -С(ы). Укаэанные коэффициенты определяют крутизну, наклон, форму и положение напорной характеристики

H(Q) в системе координат Н, Q (фиг.3)..

Каждой напорной характеристике

Н;(n,ю,.) соответствует определенный набор коэффициентов А (M3, В„(сд;), С;(Ш;), входящих в уравнение аппро5 159 ксимации характеристики вентилятора, Н(1,cd) = А(со) () + B(cd)n + C(cd) (1)

Аппроксимация напорной характери стики вентилятора квадратичным полиномом позволяет обеспечить высокую точность ее воспроизведения. Непрерывность области рабочих характеристик Н(фФ) вентилятора достигается непрерывностью функциональных зависимостей А(оз), B(cd), С (Си), представляющих собой кусочно-линейные функции (фиг.4), узлы интерполяции которых

А,(cd,.), В;(ж;), С;(иг;), М;= 1,12 получаются путем аппроксимации напорных характеристик Н() вентилятора (фиг.3), приведенных в справочной литературе в графическом виде, полиномом вида (1) . Для расчета узлов интерполяции А;, В,, С,, V. = 1,12 по графикам напорных характеристик

Н() используется любой метод аппроксимации, например, метод наименьших квадратов °

С выходов первого и второго функциональных преобразователей 1, 2 напряжения, пропорциональные значениям коэффициентов аппроксимации B(cd), A(Cd), поступают на первые входы первого и второго. блоков 4, 5 перемножения соответственно. На вторые входы указанных блоков перемножения поступает отрицательное напряжение, пропорциональное расходу воздуха вентилятора с выхода второго интегросумматора 9. На выходе первого блока перемножения 4 формируется отрицательное напряжение, пропорциональное слагаемому -B(cd)0 уравнения (1),. а на выходе второго блока перемножения 5— положительное напряжение, пропорциональное величине +A(cd)Q, которое .с выхода второго блока перемножения 5 поступает на первый вход третьего блока перемножения 6. На второй вход третьего блока перемножения 6 поступает отрицательное напряжение, пропорциональное расходу воздуха венти.лятора с выхода интегросумматора 9.

На выходе третьего блока перемножения 6 формируется положительное напряжение, пропорциональное слагаемому +A(Cd)g которое поступает на втоа рой вход первого интегросумматора 7., На первый вход первого интегросум матора 7 поступает отрицательное на-пряжение с выхода первого блока пере-.

-TdH(0,cd) /dt = A(cd) 0 — В(Ю) (в

20 — С(ы) + H(Q,с4, (2) позволяющем воспроизводить переходные аэродинамические процессы, возникающие при изменении режима рабо25 ты вентилятора.

Для реализации уравнения (2) на четвертый вход первого интегросумматора 7 подается положительное напряжение с его же выхода (обратная связь апериодического звена), пропорциональное депрессии Н вентилятора. На выходе первого интегросумма- тора 7 формируется положительное (с учетом инверсии знака сигнала на операционном усилителе, отраженной в уравнении (2) знаком "минус") напряжение, пропорциональное депрессии Н вентилятора. Функциональная схема первого интегросумматора 7 по-. казана на фиг.2, где значения резисторов 11-14 .и конденсатора 15 выбираются из соотношения

К = R = R = R = Т(М С .У

11 . 12 1Я И

45 . где М и- масштаб времени, устанавl л ливающий взаимосвязь М = t/ реального t и модального 7 времен.

Масштабирование модельных переменных выполняется в соответствии с известной в теории аналогового моделирования методикой и в данном случае подробно не рассматривается.

Нагрузкой вентилятора является шахтная вентиляционная сеть, аэродинамические процессы которой описы1 ваются н..линейным уравнением вида

Kd0/d t = H (Q, с ) — R0 (3) 6355 6 множения 4 пропорциональное величине

-В(у)0, на третий вход первого инте гросумматора 7 — отрицательное напря5 жение с выхода третьего функциональ:ного преобразователя 3, пропорциональное величине -С(м) . В результате на первом, втором и третьем входах первого интегросумматора 7 будут сформированы напряжения, пропорциональные слагаемым аппроксимирующего уравнения (1). Для учета инерционнах свойств вентилятора, представляющего собой апериодическое звено первого порядка, аппроксимирующее уравнение -(1) реализуется в виде

1596355

Для реализации модели (3) эквива-, лента ШВС (нагрузки вентилятора) в устройство введены дополнительные элементы — двухвхоцовой интегросумматор 9, реали зующий уравнение (3), 5 и четвертый блок 8 перемножения, используемый в качестве квадратора для

2 формирования пер еменной 0

С выхода первого интегросумматора 7 положительное напряжение, пропорциональное величине Н, поступает на второи вход BToDQFo интегросумматора 9, на первый вход которого поступает отрицательное напряжение,про- 15 ,порциональное зчачению 0, с выхода четвертого блока 8 перемножения. На оба входа четвертого блока 8 перемножения поступает отрицательное напряжение пропорциональное расходу воздуха вентилятора О. Функциональная схема второго интегросумматора

9 показана на фиг,2, где значения резисторов 17, 18, и конденсатора 19 выбираются из соотношений 25

С „R =.

Устройство может находиться в одном из двух режимов работы — Исходст ное состояние" и ;и Интегрирование .

В режиме "Исходное состояние" цепи

35 управления обоих:нтегросумматоров

7, 9 закоммутированы таким образом, что операционные усилители интегросумматоров нахоцятся в состоянии . масштабных преобразователей. В этом режиме осуществляется настройка коэффициентов передач и начальных условий.. Но О с интегросумматоров 7, 9, а также узлов интерполяции (опорных точек) функциональных преобразователей 1, 2, 3. В режиме "интегрирования" происходит собственно работа устройства — модегирование вентилятора, работающего на ШВС. Достигается указанный режим переводом ин50 тегросумматоров 7, 9 в режим интегрирования, При изменении значения параметра

lA происходит изменение значений коэффициентов аппроксимации А,В, С на выходах первого, второго и тре55 тьего функциональных преобразователей

2, 3, что приводит к изменению Bbl ходнык напряжений первого, второго и третьего блоков 4, 5, 6 перемножения,.а следовательно, и напряжений на входах первого интегросумматора 7. Изменение напряжения на выходе первого интегросумматора 7 эквивалентно смещению в пространстве напорной характеристики H(g,ы) вентилятора (кривая.1 на фиг.3) относитель- но нагрузочной характеристики Н(О,R)

ШВС (кривая ? на фиг.3), Изменение выходного напряжения первого интегросумматора 7 (депрессии Н вентилятора), поступающего на вход второго интегросумматора 9, приводит к изменению напряжения на его выходе, поступающего по обратной связи на входы первого, второго и третьего блоков 4, 5, 6 перемножения. Наличие указанной обратной связи обеспечивает реализацию принципа совместного решения уравнений, описывающих модели вентилятора и ШВС, т.е. в геометрической интерпретации — поиск точки пересечения напорной Н(0,u) и нагрузочной Н(О,R) характеристик, координаты (Н,, 0„) которой являются показателями режима работы вентилято-. ра на сеть с заданным аэродинамическим сопротивлением R при рассматриваемом значении управляющего параметра ы.

Формула изобретения

Устройство для моделирования вентилятора, содержащее первый интегросумматор, три блока перемножения,три функциональных преобразователя коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора, входы которых объединены и являются входом задания частоты вращения ротора устройства, первые входы первого и второго блоков перемножения соединены соответственно с выходами первого и второго функциональных преобразователей коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора, первый вход третьего блока перемножения соединен с выходом второго блока перемножения, выходы первого и третьего блоков перемножения соединены с первым и вторым входами перво

ro интегросумматора, выход третьего функционального преобразователя коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора подключен к третьему входу первого интегросумматора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 1596355

)О что, с целью повышения точности, устройство содержит второй.интегросумматор и четвертый блок перемножения, первый и второй входы которого со5 единены с вторыми входами первого, второго и третьего блоков перемножения, выход четвертого блока перемноения подключен к первому входу второго интегросумматора, выход которо

ro является выходом формирования рас-. хода воздуха устройства, выход пер» вого интегросумматора соединен со своим четвертым входом и вторым входом второго интегросумматора и является выходом формирования депрессии устройства °

1596355

Составитель В.Геча

Техред Л,Олийнык Корректор Н,Король

Редактор М.Товтин

Заказ 2911 Тираж 561 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101