Регулятор глубины вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана с электромагнитным приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет»

Азово-Черноморский инженерный институт

Регулятор глубины вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана с электромагнитным приводом

Машлякевич Александр Анатольевич аспирант кафедры ТОЭ и ЭСХ

Аннотация

Рассмотрен регулятор вакуума под соском для адаптивной САУ доения коров с электромагнитным приводом. Приведены дифференциальные уравнения, описывающие рабочий режим регулятора, и его принципиальная и функциональная схемы, а также результаты экспериментальных исследований

Ключевые слова: электромагнитный, регулятор, подсосковое пространство, глубина вакуума, адаптивный, САУ, доение, статика, динамика

Многолетнее использование автоматизированных доильных установок, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, показывает, что существенного снижения у коров заболеваний маститами машинного происхождения не произошло. Основная причина этого заключается в том, что от 20 до 70 % коров на различных фермах России имеют неравномерное развитие вымени, и отдельные доли вымени выдаиваются с опасными передержками [2]. Одним из перспективных направлений совершенствования технических средств машинного доения коров остаётся создание адаптивных систем автоматизированного управления доением. В настоящее время предложены способы и алгоритмы молоковыведения по долям вымени адекватного молокоотдаче. Для их реализации необходимы соответствующие технические средства, в частности, уже есть датчики интенсивности потока молока, средства идентификации коров, манипуляторы [6, 7].

Однако пока нет удобного для почетвертного доения регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана (далее «регулятор»), обеспечивающего необходимый режим доения в соответствии с предложенным алгоритмом [3]. Регулятор должен обеспечить изменение глубины вакуума от 0 до 1,2 P_н (где P_н - номинальная глубина вакуума в доильном стакане - для аппаратов отсасывающего типа составляет - 48 кПа) и управление от внешнего управляющего устройства - микроконтроллера при небольших габаритах и минимуме коммуникаций.

За основу такого регулятора, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1, принят пневматический повторитель [1], имеющий молочную 1 и управляющую 2 камеры, разделённые мембраной 3, которая жёстко соединена с молочным клапаном 4. Для изменения глубины вакуума в управляющей камере используется узел «сопло-заслонка» 5 с электромагнитным приводом 6. Для обеспечения контроля интенсивности молоковыведения и организации обратной связи в управляющей камере размещён ёмкостный датчик перемещения мембраны 7 [4].

Рисунок 1. Принципиальная схема регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного аппарата: 1 - молочная камера; 2 - управляющая камера; 3 - мембрана; 4 - молочный клапан; 5 - электромагнитный привод; 6 - узел «сопло - заслонка»; 7 - ёмкостный датчик перемещения мембраны

Согласно алгоритму [3], управляющий сигнал на регулятор формирует микроконтроллер, периодически вычисляя по интенсивности молоковыведения динамические характеристики биологической составляющей объекта управления. Для обеспечения необходимого качества регулирования и обоснования конструктивных параметров регулятора необходимо иметь математическое описание самого регулятора.

Поэтому целью настоящей работы является изучение некоторых статических и динамических характеристик предложенного регулятора вакуума.

Для анализа динамики регулятора на основании его принципиальной схемы составлена функциональная схема пневматической составляющей системы (рисунок 2) [5]. Согласно этой схеме была получена система уравнений, описывающая баланс расходов воздуха в камерах регулятора:

(1)

где G₁, G₂, G₃, G₄, G₅ - массовые расходы воздуха через дроссели б₁, б₂, б₃, б₄, б₅.

При математическом описании процессов в регуляторе приняты допущения того, что истечения через дроссели б₂, б₃, б₄, б₅ - имеют турбулентный характер, а через дроссель б₁ - ламинарный [1]. Тогда изменение массового расхода воздуха в молочной камере регулятора вакуума

, (2)

где - соответственно давление и объём в молочной камере регулятора; R - газовая постоянная, для воздуха R = 287 ; T - температура в молочной камере, принимаем T= const.

Массовый расход молоковоздушной смеси через сфинктер соска доли вымени - дроссель б₁

, (3)

где p_с - давление в соске доли вымени, зависящее от молоковыведения и стадии молокоотдачи (физиологических особенностей животного).

Массовые расходы воздуха через дроссели - жиклёры молочной камеры б₂ и молочного клапана б₃, соответственно, равны:

(4)

(5)

где и - соответственно, атмосферное давление и давление, создаваемое вакуумной установкой под молочным клапаном.

Изменение массового расхода воздуха в управляющей камере регулятора вакуума

, (6)

где - соответственно давление и объём в управляющей камер регулятора.

Рисунок 2. Функциональная схема пневматической составляющей системы регулятора вакуума

Дроссель б₄ (узел «сопло - заслонка») имеет ступенчатую характеристику, тогда массовый расход воздуха через него будет определяться системой уравнений:

(7)

где - напряжение на катушке электромагнита.

Массовый расход воздуха через дроссель б₅ - жиклёр в стенке молочной камере регулятора

. (8)

Следует также учесть, что корпус регулятора имеет ограниченный объём V и V=V_у0+V_м0= const. Увеличение объёма V_м при движении мембраны вверх при увеличении потока молока приводит к соответственному уменьшению объёма V_у. Тогда необходимо учитывать следующее равенство:

; (9)

где .

Предположим, что изменение объёма ДV при перемещении мембраной при прохождении через молочную камеру потока молока представляет собой объём усечённого конуса, высота которого равна перемещению мембраны x, и описывается уравнением

или ,

где S_м - эффективная площадь мембраны; D₁ и D₂ - диаметры защемления мембраны и жёсткого центра.

Перемещение мембраны (расстояние между обкладками емкостного датчика) зависит от жесткости мембраны и изменения давлений в молочной и управляющей камерах

, (10)

где - жёсткость мембраны.

После подстановки уравнений расходов воздуха через соответствующие дроссели в уравнения (1), последующих дифференцирования, линеаризации и преобразований были получены уравнения, описывающие динамику регулятора:

; (11)

(12)

; (13)

; (14)

, (15)

где T₁, T₂, T₃, T₄ - постоянные времени камер регулятора; k₁, k₂, k₃, k₄ - передаточные коэффициенты; u_Cвых - выходное напряжение на емкостном датчике; u_вх - управляющий сигнал - напряжение, подаваемое на катушку электромагнитного клапана (узла «сопло - заслонка»).

Постоянные времени и передаточные коэффициенты уравнений (11-15) зависят от конструктивных параметров и могут быть вычислены по выражениям:

(16)

где «0» в индексах физических величин означает начальные условия интегрирования.

Полученное математическое описание процессов в регуляторе позволяет вычислять постоянные времени и коэффициенты уравнений, за исключением проводимости дросселя б₄, имеющего ступенчатую характеристику. Из анализа уравнений (10) - (13) также следует, что между управляющей и молочной камерой существует обратная связь, обусловленная взаимным изменением объёмов управляющей и молочной камер.

Для подтверждения адекватности полученной модели регулятора, а также установления некоторых коэффициентов уравнений был изготовлен макетный образец регулятора, и выполнены его исследования на разработанной экспериментальной установке (рисунок 3).

Из уравнений (11) и (12) видно, что при постоянных конструктивных параметрах, изменять давление p_м в подсосковой камере можно, меняя проводимость дросселя б₄ - узла «сопло - заслонка». Очевидны два варианта регулирования проводимости узла «сопло - заслонка»: аналоговый (за счёт плавного открывания и закрывания заслонки) и дискретный (за счёт периодического открывания заслонки, например электромагнитом, путём управления частотой открывания заслонки f).

Аналоговый способ регулирования вакуума предъявляет более жёсткие требования к качеству изготовления узла «сопло - заслонка», к особой конструкции клапана, также следует учитывать, что пружина, удерживающая заслонку в закрытом состоянии, со временем меняет свои характеристики, что приведёт к дополнительным погрешностям регулирования. Дискретный способ предпочтительнее, поскольку устраняет вышеуказанные недостатки и обеспечивает более плавное регулирование глубины вакуума в подсосковой камере. В этом случае при u_вх = const уравнение (12) примет вид

, (17)

Рисунок 3. Экспериментальная установка для исследований статических и динамических характеристик электромагнитного регулятора вакуума: 1 - вакуумная установка агрегата индивидуального доения АИД-2; 2 - вакуумный баллон; 3 - регулирующий клапан; 4 - вакуумметр; 5 - ёмкость для молока; 6 - гибкий трубопровод; 7 - регулятор вакуума; 8 - электропривод регулятора; 9 - датчик расхода молока; 10 - регулируемый досель б₅; 11 - регулирующий кран; 12- ёмкость с молоком; 13 - датчик вакуумметрического давления; 14 - электронный осциллограф; 15 - генератор гармонических колебаний; 16 - запирающий электромагнитный клапан; 17 - вентиль регулирования потока жидкости; 18 - ёмкостный датчик; 19 - мультиметр; 20 - блок питания с таймером; 21 - ЭВМ

где k₇ - передаточный коэффициент, связывающий изменение давления в управляющей камере с частотой управляющего сигнала; f - частота управляющего сигнала u_вх.

Теоретическая зависимость напряжения на обкладках емкостного датчика (уравнение (14)) может быть определена по выражению

, (18)

где U - напряжение питания датчика; щ - частота подаваемого напряжения; R - величина сопротивления добавочного резистора емкостного датчика; x - расстояние между обкладками емкостного датчика.

Полученные экспериментальные зависимости (рисунок 4) подтверждают возможность плавного регулирования глубины вакуума в молочной и подсосковой камере доильного стакана посредством изменения частоты управляющего сигнала, без значительной зависимости от расхода молока.

Рисунок 4. Зависимости глубины вакуума в молочной камере от частоты управляющего сигнала электромагнитного клапана P'_м = ц(f): 1 - при G =7,5 г/с; 2 - при G =9,1 г/с; 3 -при G =10,39 г/с; 4 - при G =11 г/с; 5 - при G =13 г/с

При проведении экспериментальных исследований была установлена зависимость величины перемещения мембраны от расхода молока x = ц(G) электромагнитного регулятора вакуума в подсосковой камере доильного стакана (рисунок 5). Результаты эксперимента показали, что зависимость перемещения мембраны x от расхода молока близка к линейной при принятой форме молочного клапана и в рабочей области описывается уравнением x = -0,275G+8,0167, коэффициент детерминации R²=0,9734.

Рисунок 5. Зависимость перемещения мембраны от расхода молока x = ц(G)

Установлена также зависимость выходного напряжения на обкладках емкостного датчика от расхода молока G, U_Свых = ц(G) (рисунок 6).

Результаты эксперимента показали, что напряжение U_Свых имеет полиномиальную зависимость от расхода молока G и описывается уравнением U_Свых = - 0,0002G² - 0,0085G + 1,9147, коэффициент детерминации R²= 0,9691.

На основании полученных исследований сделаны следующие выводы.

Рисунок 6. Зависимость выходного напряжения на обкладках емкостного датчика от расхода молока U_Свых = ц(G)

Полученное математическое описание статики и динамики регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана можно использовать для оптимизации его параметров и режимов работы, а также получения его компьютерной модели.

Подтверждена экспериментально возможность регулирования вакуума посредством изменения частоты дросселирования воздуха в управляющую камеру регулятора. Установлено также, что по выходному сигналу емкостного датчика перемещения мембраны в процессе регулирования можно контролировать интенсивность молоковыведения и использовать полученную информацию при управлении САУ доением.

регулятор вакуум пневматический

Список литературы

1. Винников И.К. Технологии, системы и установки для комплексной механизации и автоматизации доения коров / И.К. Винников, О.Б. Забродина, Л.П. Кормановский: Под ред. Л.П. Кормановского. - Зерноград, 2001. - 354 с.

2. Забродина О.Б. Доильный аппарат как объект управления // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2001. № 11.

3. Забродина О.Б. Обоснование способа адаптивного управления процессом доения коров / О.Б. Забродина, О.И. Мартыненко // Механизация, электрификация животноводства, растениеводства. 2010. № 1.

4. Машлякевич А.А. Обоснование выбора датчика контроля перемещения мембраны регулятора вакуума для адаптивной САУ доения // Инновации в сельском хозяйстве 1(6)/2014: сборник научных трудов по материалам всероссийской научно-практической конференции ВИЭСХ. - М., 2014

5. Машлякевич, А.А. Регулятор вакуума под соском для адаптивной САУ доением коров // Современные проблемы освоения новой техники, технологий, организации технического сервиса в АПК: Материалы Международной научно-практической конференции, посвящённой 60-летию Белорусского государственного аграрного технического университета и памяти первого ректора БИМСХ (БГАТУ), доктора технических наук, профессора В.П. Суслова (Минск, 4-6 июня 2014 г.). В 2 ч. Ч.2 / Под общей ред. И.Н. Шило, Н.А. Лабушева. - Минск: БГАТУ, 2014.

6. Патент №2315473 U1, МПК А 01 J 5/01. Способ измерения расхода молока и устройство для его осуществления / О.Б. Забродина, С.А. Моренко (РФ) - №2005229218/28; заявл. 21.06.2005; опубликовано 01.07.2008, Бюл. № 34.

7. Ужик В.Ф. Управление режимами доения адаптивными доильными аппаратами // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2008. Т. 18, № 4.

Размещено на Allbest.ru