Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.03 - системи та процеси керування

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ СИНТЕЗУ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО ПОЗИЦІЮВАННЯ РЕЖИМІВ ВИХРОВОГО ЕНЕРГОРОЗДІЛЮВАЧА

Пасічник Сергій Миколайович

Харків - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вихровий енергорозділювач автоматичний інтервальний

Актуальність теми дослідження. У сучасних енергетичних технологіях використовуються нетрадиційні способи отримання й перетворення теплової енергії. Один з перспективних способів перетворення теплової енергії оснований на ефекті температурного розділення у потоці газу, що обертається, або вихровому ефекті Ранка. Особливості процесу температурного розділення, вагомий внесок у дослідження яких внесли О.П. Меркулов, Ш.О. Піралішвілі, Ч.О. Фултон та інші, дозволили створити пристрої, у яких реалізується вихровий ефект - вихрові енергорозділювачі (ВЕ). ВЕ застосовуються як виконавчий елемент у системах забезпечення температурного режиму об'єктів охолодження, що відрізняє такі системи від відомих простотою технічної реалізації та обслуговування, відсутністю шкідливих для здоров'я людини речовин, а також меншою вартістю виробництва, експлуатації й утилізації.

У практично реалізованих конструкціях подібних систем використовуються або однорежимні ВЕ, або ВЕ з позиціюванням потоку енергії холодного повітря при сталому тиску стиснутого повітря, функціонування яких як виконавчих елементів здійснюється за принципом управління за задаючим впливом. Цей спосіб зумовлений такими чинниками: незмінністю зовнішніх умов функціонування й параметрів стиснутого повітря, сталим тепловим навантаженням, що діє на стаціонарний об'єкт охолодження (системи локального охолодження й кондиціювання, що споживають стиснуте повітря з пневмомережі виробничого підприємства).

Забезпечення температурного режиму рухомих об'єктів при дії змінних теплових навантажень і зовнішніх умов функціонування з використанням ВЕ, що живиться від автономного джерела стиснутого повітря, пов'язане з розширенням діапазону робочих режимів вихрового енергорозділювача як виконавчого елемента. Це можливо здійснити шляхом автоматичного позиціювання режиму ВЕ з використанням принципу управління за відхиленням. Але функціонування замкненої системи ускладнюється невизначеністю стану обґєкта автоматичного позиціювання (ОАП), що зумовлено недостатньою вивченістю природи вихрового ефекту та суттєвою залежністю режимних параметрів ВЕ від зовнішніх умов функціонування. Для забезпечення стійкого та якісного позиціювання ВЕ в умовах невизначеності доцільно використати інтервальні методи аналізу та синтезу, розробленням яких займалися такі учені, як В.Л. Харитонов, Ю.І. Шокін, А.С. Кулік, Ф. Антріттер та інші. Однак використання інтервальних методів передбачає наявність математичної моделі ВЕ.

Визначення особливостей характеристик ВЕ при теоретичному дослідженні потребує використання наближених чисельних методів інтегрування основних рівнянь газової динаміки. У результаті цього можна отримати розподіл термодинамічних і кінематичних параметрів потоку повітря в об'ємі ВЕ, що значно ускладнює вирішення задач аналізу та синтезу системи автоматичного позиціювання (САП). Тому побудова інтервальних математичних моделей вихрового енергорозділювача, що відображають перетворювальні властивості ВЕ як об'єкта автоматичного позиціювання, надасть можливість отримати якісну інформацію при проведенні стендових випробувань для вирішення задач ідентифікації параметрів ОАП й отримання статичних і динамічних характеристик ВЕ. Це, у свою чергу, дозволить на базі класичних підходів здійснити синтез алгоритмів позиціювання потоку енергії холодного повітря ВЕ. Саме тому позиціювання енергетичних параметрів низькотемпературного повітряного потоку вихрового енергорозділювача в широкому діапазоні режимів за умов інтервальної невизначеності, що пояснюється недостатньою вивченістю ефекту температурного розділення й суттєвою залежністю режимних параметрів об'єкта автоматичного позиціювання від зовнішніх умов функціонування, є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі систем управління літальними апаратами Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» у 2000-2011 рр. згідно з планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за держбюджетними темами Д301-30/00 "Теоретичні основи синтезу і математичне моделювання інтелектуальних систем управління аерокосмічними об'єктами за наявності збурень" (ДР № 0100U002191), Д301-5/2003 "Розробка моделей, методів та засобів проектування інтелектуальних систем управління аерокосмічними об'єктами" (ДР № 0103U004109), Д301-5/2006 "Розробка моделей, методів та засобів проектування інтелектуальних відмовостійких систем управління аерокосмічними об'єктами" (ДР № 0106U001033), Д301-11/2009 «Розробка концепції, моделей та методів відмовостійкого управління об'єктами аерокосмічної техніки» (ДР № 0109U002003) і госпдоговорами за темою «Розробка алгоритмів регулювання витрати палива для електронного регулятора ЕР» з ДНВП «Об'єднання Комунар» НТ СКБ «ПОЛІСВІТ» (м. Харків, № 301-48/01, ДР № 0102U003263) і за темою «Дослідження вихрового ефекту енергетичного розділення газів для створення системи кондиціювання повітря транспортних установок гірничо-збагачувальної промисловості» з ДНВП «Об'єднання Комунар» НТ СКБ «ПОЛІСВІТ» (м. Харків, № 301-7/09), у межах яких автором були розроблені інтервальні моделі вихрового енергорозділювача, а також метод синтезу системи позиціювання потоку енергії холодного повітря ВЕ в умовах інтервальної невизначеності.

Мета й задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи полягає у забезпеченні багаторежимності функціонування вихрового енергорозділювача за рахунок автоматичного позиціювання енергетичних параметрів низькотемпературного повітряного потоку. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1) проаналізувати області використання вихрових енергорозділювачів, існуючих зразків вихрових систем забезпечення температурного режиму й оцінити

можливість розширення діапазону робочих режимів вихрового енергорозділювача;

2) розробити графічну, фізичну, інтервальні математичні, машинні та макетні моделі вихрового енергорозділювача як об'єкта автоматичного позиціювання;

3) розробити способи зміни потоку енергії холодного повітря й провести дослідження зі структурної й параметричної ідентифікації інтервальних математичних моделей об'єкта автоматичного позиціювання;

4) розробити метод синтезу системи автоматичного позиціювання з використанням інтервальних асимптотичних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик;

5) розробити апаратно-програмний комплекс і технологію для проведення експериментальних досліджень системи автоматичного позиціювання потоку енергії холодного повітря вихрового енергорозділювача.

Об'єкт досліджень - процеси позиціювання режимів вихрового енергорозділювача.

Предмет досліджень - моделі та методи синтезу системи автоматичного позиціювання потоку енергії холодного повітря вихрового енергорозділювача.

Методи досліджень. В основу досліджень дисертаційної роботи покладено принципи та методи системного аналізу. При розробленні моделей і методів ідентифікації структури та параметрів інтервальної математичної моделі вихрового енергорозділювача використовувались методи теорії автоматичного управління, методи ідентифікації. При вирішенні задачі позиціювання потоку енергії в широкому діапазоні режимів було застосовано системний підхід, що полягає у розв'язанні двох взаємозв'язаних задач: забезпечення запасів стійкості та потрібних показників якості функціонування САП з використанням методів теорії автоматичного управління шляхом введення до структури системи відповідних коригуючих елементів.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у такому:

- вперше розроблено інтервальні моделі вихрового енергорозділювача, які відрізняються від відомих відображенням перетворювальних властивостей вихрового енергорозділювача як об'єкта автоматичного позиціювання з інтервальною невизначеністю, що дає можливість аналітично вирішувати задачу забезпечення стійкості та якості системи позиціювання;

- удосконалено моделі та метод структурної й параметричної ідентифікації інтервальної математичної моделі вихрового енергорозділювача шляхом використання особливостей похідних інтервальних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик, що дозволяє забезпечувати адекватний опис динамічних властивостей вихрового енергорозділювача в широкому діапазоні режимів;

- дістало подальшого розвитку частотний метод синтезу системи автоматичного позиціювання за рахунок використання дробових значень порядку й інтервальних оцінювань параметрів розімкненої системи, що дозволяє забезпечувати стійкість та якість функціонування замкненої системи в широкому діапазоні режимів вихрового енергорозділювача.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що розроблені інтервальні моделі й методи є науково-методичною основою для забезпечення якісного позиціювання режиму функціонування ОАП. Використання моделей і методів, розроблених у результаті дисертаційних досліджень, дозволяє технічно обґрунтовано забезпечити потрібні запаси стійкості й основні показники якості САП шляхом введення до структури системи відповідних коригуючих елементів. Забезпечення якісного позиціювання дозволяє зберегти працездатність ОАП в умовах невизначеностей, що зумовлені недостатньою вивченістю природи вихрового ефекту, необхідністю зміни потоку енергії у широкому діапазоні режимів і суттєвою залежністю потоку енергії від зовнішніх умов функціонування, а також збільшити діапазон зміни холодопродуктивності вихрового енергорозділювача до 50 % порівняно з однорежимним ВЕ і до 30 % за рахунок підвищення тиску на кожні 0.1 МПа порівняно з ВЕ зі зміною потоку енергії при сталому значенні тиску стиснутого повітря. Крім того, практичне значення отриманих результатів дослідження підтверджується актами впровадження розроблених моделей і методів на ДНВП «Об'єднання Комунар» НТ СКБ «ПОЛІСВІТ» (акт впровадження від 27 грудня 2010 р.) і в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», м. Харків (акт впровадження від 24 січня 2011 р.).

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: розроблені графічна, фізична, інтервальні математичні [1] і машинні моделі об'єкта автоматичного позиціювання і його конструктивні особливості [7 - 12]; способи зміни потоку енергії ВЕ [3, 14]; основні закони позиціювання [5, 13]; результати експериментального дослідження характеристик ВЕ [2]; оцінювання працездатності системи позиціювання на апаратно-програмному комплексі дослідження ВЕ [4, 15].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на засіданнях кафедри систем управління літальними апаратами Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «ХАІ». Частково результати дослідження викладалися на науково-технічних конференціях: VІІ Міжнародному конгресі двигунобудівників, с. Рибаче, 2002 р.; ІХ Міжнародному конгресі двигунобудівників, с. Рибаче, 2004 р.; 16-му симпозиумі IFAC з автоматичного управління в аерокосмічній галузі, С.-Петербург, 2004 р.; ХV Міжнародному конгресі двигунобудівників, с. Рибаче, 2010 р.; 23-й Міжнародній науково-практичній конференції «Перспективні компьютерні, керуючі та телекомунікаційні системи для залізничного транспорту України», м. Алушта, 2010 р.; 17-й Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-2010”, м. Харків, 2010 р.; Всеукраїнській науково-технчній конференції "ІКТМ-2010", м. Харків, 2010 р.

Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 15 друкованих працях, серед яких 6 статей - у наукових виданнях, включених до Переліку ВАК України, 6 патентів на корисну модель і 3 тези доповідей - у збірках наукових праць конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додаток. Повний обсяг дисертації становить 158 сторінок, у тому числі: 58 рисунків і 5 таблиць, список з 123 використаних літературних джерел на 13 сторінках, 1 додаток на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить ключову інформацію про зміст дисертаційної роботи, розкриває актуальність вибраної теми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, відображає основну мету і задачі дисертаційного дослідження, а також об'єкт, предмет і методи досліджень, розкриває наукову новизну одержаних результатів та їхнє наукове і практичне значення; містить відомості про апробацію й публікації основних результатів дисертаційного дослідження.

У першому розділі проведено аналіз стану і тенденцій розвитку та використання існуючих і перспективних систем забезпечення температурного режиму (СЗТР) для керованих транспортних засобів, який дозволив визначити необхідність й актуальність використання у подібних системах нетрадиційних способів отримання холодного повітря. Особливості функціонування транспортних засобів зумовлюють необхідність забезпечення функціонування СЗТР у широкому діапазоні режимів, стійкості до вібраційних, ударних і теплових навантажень, а також екологічної безпеки у разі розгерметизації. Таким вимогам відповідає вихровий енергорозділювач, який не має пересувних елементів, а процес отримання охолодженого повітря здійснюється з використанням маловивченого ефекту Ранка температурного поділу в обертовому потоці газу. Крім того, режимні параметри ВЕ суттєво залежать від зовнішніх умов функціонування. Поєднання цих факторів зумовлює необхідність вирішення задачі позиціювання в широкому діапазоні зміни потоку енергії ВЕ в умовах невизначеності.

У результаті систематизації методів аналізу та синтезу систем автоматичного позиціювання в умовах невизначеності визначено неможливість застосування імовірнісних і нечітких методів забезпечення потрібної стійкості та якості функціонування системи через необхідність мати детальну апріорну інформацію щодо особливостей функціонування ВЕ як об'єкта автоматичного позиціювання, а обмеженість адаптивних методів полягає у труднощах забезпечення стійкості процесу функціонування замкненої системи позиціювання при мінливих зовнішніх умовах. Виходячи з проведеного аналізу, зроблено висновок про актуальність вирішення задачі позиціювання потоку енергії ВЕ з використанням інтервальних частотних методів аналізу та синтезу САП. Для досягнення мети дисертаційного дослідження визначено й структуровано задачі, що пов'язані з розробленням інтервальних моделей і методів, спрямованих на забезпечення стійкості та якості процесів позиціювання потоку енергії холодного повітря вихрового енергорозділювача в широкому діапазоні режимів в умовах інтервальної невизначеності. Другий розділ присвячено розробленню повного ряду моделей ВЕ, необхідних для подальшого синтезу системи позиціювання потоку енергії холодного повітря.

У результаті проведених теоретичних й експериментальних досліджень і виходячи з особливостей вихрового енергорозділювача як гідравлічної ланки було отримано графічну та фізичну моделі ВЕ, які відображають особливості процесу енергообміну, що зумовлені наявністю потоків енергії між двома зустрічними вихровими течіями (рис. 1).

а

б

Рис. 1. Графічна (а) і фізична (б) моделі ВЕ

Елементи проточної частини такої ланки являють собою гідравлічні опори, які характеризуються коефіцієнтами гідравлічного опору. У свою чергу, коефіцієнти гідравлічного опору розділяються на коефіцієнти місцевого опору для елементів малої довжини та коефіцієнти гідравлічного опору тертя для протяжних елементів. Значення коефіцієнтів місцевого опору залежить від геометричних параметрів проточної частини відповідних елементів, а значення коефіцієнтів гідравлічного опору тертя - ще й від режиму течії.

Ураховуючи, що процес енергообміну в об'ємі ВЕ супроводжується високим рівнем турбулентності (), можна припустити незалежність коефіцієнтів гідравлічного опору тертя від режиму течії.

На вхід ВЕ подається стиснуте повітря, що має температуру і тиск з секундною витратою (рис. 1, а). Проходячи через сопловий пристрій 2, вхідний потік прискорюється, потім закручується у спіральному каналі 3 і надходить у камеру енергетичного розділення 1. Рухаючись по гвинтовій траєкторії уздовж пристінної області камери, вхідний потік переміщується у напрямі до конусного вентиля 5, перед яким установлено хрестовину 6. Частина потоку, що не пройшла через конусний вентиль, починає рухатись у зворотньому напрямку до діафрагми 4, займаючи область поблизу продольної осі камери. Під час руху вздовж камери пристінний і внутрішній потоки обмінюються енергією так, що повітря, яке виходить через вентиль, має температуру , вищу за , а потік, що виходить з діафрагми, , нижчу за . Одночасно з цим проходження повітря через гідравлічні опори, що мають коефіцієнти , , , , (рис. 1, б), призводить до втрати повного напору стиснутого повітря (точка 1) з розширенням до атмосферного тиску на виході вентиля (точка 4) і діафрагми (точка 6). Таким чином, потік енергії холодного повітря є комплексним режимним параметром ВЕ, що визначається рівнянням

,(1)

де потік енергії холодного повітря, Вт; ізобарна теплоємність повітря, Дж/(кг•K); масова секундна витрата холодного повітря, кг/с; температура холодного повітря, K.

Результати аналізу рівняння (1) дозволили сформувати способи цілеспрямованої зміни потоку енергії: , ; , ; , і відповідні до них схеми структури й функціональні схеми системи позиціювання. Для подальшого дослідження було вибрано спосіб зміни потоку енергії , , що забезпечує найбільший діапазон робочих режимів. Це дозволило визначити керованою змінною ВЕ як ОАП, потік енергії холодного повітря (рис. 2).

Рис. 2. Функціональна схеа ОАП: В - вентиль; Дт - датчик температури; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; - блок визначення потоку енергії; ц(t) - координата кутового положення конусного вентиля; - оціннне значення потоку енергії

З метою подальшого синтезу системи позиціювання, спираючись на отримані графічну і фізичну моделі, було розроблено сукупність інтервальних математичних і машинних моделей ВЕ як об'єкта автоматичного позиціювання. Для забезпечення адекватного опису функціональних властивостей вихрового енергорозділювача в широкому діапазоні режимів й урахування нелінійних ефектів, що супроводжують процес температурного розділення, параметри математичних моделей ВЕ подано інтервальними значеннями.

Математичну модель сталих режимів ВЕ як об'єкт автоматичного позиціювання отримано за допомогою використання законів збереження маси, енергії й емпіричних залежностей, що відображують втрати повного напору, пов'язані з наявністю гідравлічного опору ВЕ з урахуванням ряду гіпотез: повітря є в'язким газом; енергообмін між ВЕ й навколишнім середовищем відсутній; перетікання по боковій поверхні діафрагми відсутнє та ін. Відповідно до зазначених припущень шляхом аналітичних перетворювань було отримано систему нелінійних алгебричних рівнянь, що дозволяють визначити залежність потоку енергії холодного повітря від геометричних характеристик ВЕ й параметрів стиснутого повітря. Так, прирівнявши втрати напору на ділянках 3 - 4 й 3 - 6 (рис. 1, б), отримано вираз для відносного потоку енергії холодного повітря:

, (2)

де - відносна витрата холодного повітря; - діаметр камери енергетичного розділення й максимальний діаметр дифузора відповідно; - координата кутового положення конусного вентиля; - кут конуса; - емпіричні коефіцієнти.

За допомогою методів аналітичної лінеаризації було сформовано лінійне алгебричне рівняння з постійними коефіцієнтами, що дозволило отримати вираз для коефіцієнта передачі ВЕ як ОАП за керуючим впливом.

Інтервальну математичну модель динаміки ВЕ як об'єкт автоматичного позиціювання отримано шляхом реалізації процедури структурної й параметричної ідентифікації моделі з використанням експериментальних інтервальних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик (ЛАЧХ) ВЕ. Особливістю ЛАЧХ є те, що вигляд характеристики показує, якою динамічною ланкою є об'єкт автоматичного позиціювання. Експериментальні ЛАЧХ дали можливість припустити наявність двох сталих часу в передавальній функції ВЕ. Крім того, нахили характеристик в області низьких і високих частот свідчать про те, що ВЕ являє собою аперіодичну ланку дробового порядку, передавальна функція якої за керуючим впливом має вигляд

, (3)

де інтервальні значення сталих часу; інтервальні значення показників степеня, ; кількість сталих часу передавальної функції ОАП. Для знаходження інтервальних числових значень сталих часу використано іншу властивість ЛАЧХ, а саме: логарифмічна функція, аргументом якої є вираз під знаком радикала, має точку перегину першої похідної логарифмічної функції по частоті, у тій же точці друга похідна має локальний екстремум. Значення частоти в точці перегину зворотно пропорційне значенню сталої часу. Для аналітичного отримання першої та другої похідних експериментальних ЛАЧХ виконується апроксимація логарифмічних амплітудно-частотних характеристик поліноміальними функціями порядку з використанням методу найменших квадратів.

Для знаходження інтервальних числових значень показників степеня , використовується рівняння ЛАЧХ, отримане з частотної форми рівняння (3). Після підстановки у рівняння ЛАЧХ значень частот, що відповідають сталим часу, і значень логарифмічної амплітудно-частотної функції формується система алгебричних рівнянь, лінійних відносно , , розв'язання якої за допомогою визначників дозволяє знайти відповідні значення показників степеня.

Машинні моделі ВЕ були розроблені у формі розрахункових алгоритмів з використанням методу В.В. Солодовнікова шляхом числового розв'язання інтегрального рівняння, що встановлює зв'язок між перехідними та частотними характеристиками, оскільки дробові значення показників степеня не дозволили отримати машинну модель ВЕ в рекурентній формі.

Основні результати другого розділу опубліковано в роботах [1, 3, 14].

У третьому розділі сформовано структуру й розроблено метод синтезу САП ВЕ за умов інтервальної невизначеності. Для забезпечення стійкості та якості процесів позиціювання потоку енергії холодного повітря ВЕ у широкому діапазоні режимів за умов інтервальної невизначеності сформовано структуру замкненої САП, до складу якої входять ОАП й пристрій автоматичного позиціювання. Відповідно до структури отримано математичні моделі САП у вигляді інтервальних передавальних функцій розімкненої, замкненої САП і передавальну функцію замкненої системи за похибкою від задаючого впливу.

Точність позиціювання забезпечено вибором першого порядку астатизму розімкненої системи й визначенням потрібного значення коефіцієнта передачі коригуючого елементу з використанням теореми про граничне значення оригіналу.

Оцінювання стійкості замкненої САП проведено з використанням логарифмічного критерію Найквіста при граничних значеннях параметрів передавальної функції розімкненої системи, оскільки виконуються такі умови: , і множини значень , не перетинаються. Результати оцінювання стійкості показали, що при граничних значеннях параметрів передавальної функції розімкненої системи, які відповідають максимальним значенням ЛАЧХ, замкнена система є нестійкою.

Для забезпечення стійкості на вибраному діапазоні режимів ВЕ в структуру системи введено немінімально-фазову ланку

,(4)

де - зображення керуючої частоти крокового двигуна; - зображення похибки замкненої системи; , - інтервальні значення сталих часу. Це, у свою чергу, дозволило забезпечити запаси по амплітуді і по фазі за рахунок заглушування високих частот і введення випередження по фазі в області середніх частот (рис. 3).

А б

Рис. 3. Інтервальні ЛАФЧХ: нестійкої системи (а); стійкої системи (б); 1, 3 - , ; 2, 4 - ,

Для забезпечення потрібних показників якості замкненої системи виконано синтез САП з використанням методу асимптотичних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик шляхом побудови граничних наявних, бажаних характеристик розімкненої стійкої системи, а також характеристик коригуючого елемента (КЕ) (рис. 4).

Рис. 4. Наявні, бажані й ЛАЧХ коригуючого елемента

Побудовані ЛАЧХ коригуючого елемента дозволили отримати передавальну функцію й інтервальні значення сталих часу КЕ:

,(5)

де ;; - інтервальні значення сталих часу, с.

Якість процесів позиціювання потоку енергії у скоригованій системі оцінювалась за перехідними характеристиками машинної моделі у відповідних робочих точках статичної характеристики за граничними й проміжними значеннями параметрів передавальної функції (5). Результати машинного моделювання дозволили визначити основні динамічні показники якості САП: час перехідного процесу не перевищує 20 с; максимальне перерегулювання становить 38 %; ступінь затухання - 1.3 (рис. 5).

Рис. 5. Перехідні характеристики скоригованої САП: робоча точка (а); робоча точка (б); 1 - ; 2 -

Вибір раціональних значень параметрів передавальної функції КЕ з отриманих інтервалів виконано шляхом оцінювання впливу кожного з параметрів на запаси стійкості системи по амплітуді і по фазі з використанням логарифмічного критерію Найквіста. Це дозволило вирахувати значення сталих часу коригуючого елемента, виходячи з припущення про рівноймовірне знаходжен-ня значень параметрів ОАП у межах відповідних інтервалів: , , .

Для реалізації цифрової САП отримано рекурентну форму диференційного рівняння коригуючого елемента. Максимальне значення періоду квантування визначено з використанням теореми Котельникова-Шеннона, виходячи з максимальної частоти спектра неперервного сигналу, що визначено по бажаним інтервальним ЛАЧХ розімкненої системи (рис. 4). Практично реалізоване значення періоду квантування визначено в результаті аналізу впливу на запаси стійкості замкненої цифрової системи. Для граничних значень параметрів передавальної функції ОАП інтервальні значення запасів стійкості становлять: , .

Для оцінення запізнювання у цифровій САП, що зумовлено квантуванням сигналів керування, проведено порівняння логарифмічних фазочастотних характеристик неперервної й цифрової системи. У результаті порівняння визначено інтервальну похибку цифрової системи для значення періоду квантування , що при граничних значеннях параметрів передавальної функції ОАП дорівнює і .

Основні результати розділу опубліковано в роботах [5, 6, 13].

У четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження скоригованої САП на створеному апаратно-програмному комплексі, що дозволяє експериментально відпрацьовувати способи зміни й алгоритми позиціювання потоку енергії холодного повітря у широкому діапазоні робочих режимів вихрового енергорозділювача. Крім того, у цьому розділі проведено дослідження з структурної й параметричної ідентифікації ВЕ як об'єкта автоматичного позиціювання.

До складу апаратно-програмного комплекса входять діючий макетний зразок ВЕ, програми візуалізації, мікропроцесорна система, а також відповідні процедури, що реалізують розроблені методи структурної і параметричної ідентифікації ОАП (рис. 6).

Рис. 6. Апаратно-програмний комплекс дослідження САП ВЕ

На рис. 7 показано результати експериментального відпрацьовування скоригованої системи. Отримано перехідні процеси САП для двох робочих точок статичної характеристики ВЕ, що визначаються координатами кутового положення конусного вентиля: (); () при значеннях тиску стиснутого повітря ; . Амплітуда задаючого ступеневого впливу мала два значення: у межах і поза межами граничних діапазонів лінеаризації, причому знак плюс відповідає робочій точці , знак мінус - . Потік енергії холодного повітря показано у відносних величинах .

За графіками перехідних процесів визначено основні динамічні показники якості системи. Так, для час перехідного процесу не перевищує 24 с; максимальне перерегулювання становить 40 %; ступінь затухання - 1.2. Розбіжність між розрахунковими й експериментальними значеннями показників якості становить: для перерегулювання - 5 %, для ступені затухання - 8 %.

Рис. 7. Експериментальні перехідні характеристики скоригованої САП: робоча точка (а); робоча точка (б); 1 - ; 2 -

Крім того, дослідження показали, що розширення діапазону позиціювання потоку енергії при сталому значенні тиску збільшує діапазон холодопродуктивності до 50 % порівняно з однорежимним ВЕ, і до 30 % - за рахунок підвищення тиску на кожні 0.1 МПа порівняно з ВЕ зі зміною потоку енергії при .

На комплексі також перевірялися розроблені методи структурної й параметричної ідентифікації ВЕ, що дозволили отримати структуру й оцінні значення коефіцієнтів усього ряду машинних моделей ВЕ як об'єкта автоматичного позиціювання. Так, для діапазону робочих режимів, що відповідає положенням конусного вентиля і отримано наступні інтервальні числові значення параметрів передавальної функції ОАП: коефіцієнта передачі - Вт/рад; сталих часу - ,; показників степеня - , .

Оцінення адекватності моделей здійснювалось за значенням максимальної похибки у вузлах статичної характеристики, яка не перевищує 6 % для моделі сталих режимів та інтервальної похибки 8 % для моделі динаміки ВЕ.

Основні результати розділу опубліковано в роботах [2, 4, 7 - 12, 15].

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено науково-прикладну задачу позиціювання енергетичних параметрів низькотемпературного повітряного потоку вихрового енергорозділювача в широкому діапазоні режимів за умов інтервальної невизначеності, що пояснюється недостатньою вивченістю ефекту температурного розділення й суттєвою залежністю режимних параметрів об'єкта автоматичного позиціювання від зовнішніх умов функціонування. Основні результати дослідження:

1. Проведено аналіз відомих розробок зі створення вихрових систем забезпечення температурного режиму рухомих об'єктів, у результаті якого виявлено обмеженість застосування однорежимних вихрових енергорозділювачів в якості виконавчих елементів подібних систем, що зумовлює необхідність розширення діапазону робочих режимів вихрових енергорозділювачів за рахунок автоматичного позиціювання енергетичних параметрів низькотемпературного повітряного потоку в умовах невизначеності.

2. Розроблено адекватні реальним процесам графічна, фізична, інтервальні математичні й машинні моделі сталих режимів і динаміки вихрового енергорозділювача, що дозволяють визначити вплив основних геометричних параметрів і параметрів стиснутого повітря на потік енергії холодного повітря.

3. Запропоновано способи зміни потоку енергії холодного повітря, виходячи з вимог розширення діапазону робочих режимів вихрового енергорозділювача.

4. Сформовано процедури ідентифікації інтервальних параметрів машинної моделі сталих режимів з використанням методу найменших квадратів і процедури ідентифікації структури і параметрів машинної моделі динаміки вихрового енергорозділювача на основі властивостей похідних інтервальних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик. Використання цих процедур дозволило здійснити структурну й параметричну ідентифікацію об'єкта автоматичного позиціювання з похибкою до 6 % для моделі сталих режимів і до 8 % для моделі динаміки.

5. Виконано аналіз точності й запропоновано спосіб забезпечення стійкості замкненої системи автоматичного позиціювання потоку енергії в широкому діапазоні режимів функціонування вихрового енергорозділювача з використанням логарифмічного критерію Найквіста. Реалізація такого способу дозволила забезпечити точність позиціювання введенням до структури системи інтегруючої ланки, а також запаси стійкості по амплітуді та по фазі - введенням немінімально-фазової ланки.

6. Проведено синтез цифрової системи автоматичного позиціювання потоку енергії холодного повітря вихрового енергорозділювача з використанням методу асимптотичних логарифмічних амплітудно-частотних характеристик на основі інтервальних передавальних функцій об'єкта автоматичного позиціювання, що дозволило забезпечити потрібні значення основних динамічних показників якості системи в широкому діапазоні робочих режимів: час перехідного процесу не перевищує 20 с; максимальне перерегулювання становить 38 %; ступінь затухання - 1.3.

7. Розроблено апаратно-програмний комплекс і технологію для проведення стендових випробувань системи автоматичного позиціювання потоку енергії холодного повітря. Цей комплекс дозволив провести серію експериментальних досліджень розробленої системи, які підтвердили адекватність отриманих моделей і конструктивність запропонованих методів.

8. Установлено, що розширення діапазону позиціювання потоку енергії вихрового енергорозділювача дозволяє збільшити діапазон зміни холодопродуктивності до 50 % порівняно з однорежимним вихровим енергорозділювачем і до 30 % за рахунок підвищення тиску на кожні 0.1 МПа порівняно з вихровим енергорозділювачем зі зміною потоку енергії при сталому значенні тиску стиснутого повітря.

9. Синтезовані моделі впроваджено в ДНВП «Об'єднання Комунар» НТ СКБ «ПОЛІСВІТ» і навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», а також можуть використовуватися при розробленні систем управління об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кулик А.С. Идентификация математичекой модели вихревого энергоразделителя / А.С. Кулик, С.Н. Пасичник // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - Вып. 10 (77). - С. 192 - 196.

2. Кулик А.С. Экспериментальное исследование характеристик вихревого энергоразделителя / А.С. Кулик, С.Н. Пасичник, В.Г. Джулгаков // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - Вып. 3 (70). - С. 65 - 68.

3. Поузловое моделирование переходных режимов ГТД / А.С. Кулик, В.М. Свищ, В.Ф. Симонов, С.Н. Пасичник // Авиационно-космическая техника и технология: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 30. - Х., 2002. - С. 186 - 190.

4. Кулік А.С. Апаратно-програмний комплекс для дослідження вихрового ефекту / А.С. Кулік, В.Г. Джулгаков, С.М. Пасічник // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. - Вип. 102. - Х., 2010 - С. 85 - 87.

5. Кулик А.С. Синтез системы позиционирования потока энтальпии вихревого энергоразделителя / А.С. Кулик, С.Н. Пасичник // Системи обробки інформації: зб. наук. пр. Харківського ун-ту Повітряних Сил. - Вип. 6 (87). - Х., 2010. - С. 115 - 121.

6. Пасічник С.М. Позиціювання режимів вихрового енергорозділювача / С.М. Пасічник // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. - Вип. 4 (26). - Х., 2010. - С. 179 - 185.

7. Пат. № 35597 Україна, МКІ F02С 9/00. Регулятор подачі палива в газотурбінний двигун: Пат. 35597 Україна, МКІ F02С 9/00 / С.М. Пасічник, І.М. Бандура, Т.С. Чумак (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 35597; Заявл. 30.04.08; Опубл. 25.09.09, Бюл. № 18. - 4 с.:іл.

8. Пат. № 9011 Україна, МКІ F25B 9/02, F25B 9/04. Вихрова труба: Пат. 9011 Україна, МКІ F25B 9/02, F25B 9/04 / С.М. Пасічник, I.О. Клименко, І.В. Чернявський, І.М. Бандура (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 9011; Заявл. 19.07.2004; Опубл. 15.09.2005, Бюл. № 9. - 5 с.:іл.

9. Пат. № 45048 Україна, МКІ F25B 9/02. Охолоджувач повітря: Пат. 45048 Україна, МКІ F25B 9/02 / С.М. Пасічник, А.Ю. Клочок (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 45048; Заявл. 15.05.09; Опубл. 26.10.2009, Бюл. № 20. - 4 с.:іл.

10. Пат. № 17925 Україна, МКІ F25B 9/02. Вихрова труба: Пат. 17925 Україна, МКІ F25B 9/02 / С.М. Пасічник, І.М. Бандура, С.С. Проклов, Д.I. Чабада (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 17925; Заявл. 15.05.09; Опубл. 26.10.2009, Бюл. № 20. - 4 с.:іл.

11. Пат. № 18399 Україна, МКІ F25B 9/02. Вихрова труба: Пат. 18399 Україна, МКІ F25B 9/02 / С.М. Пасічник, Т.А. Мiрошник, В.А. Чебанов (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 18399; Заявл. 10.04.06; Опубл. 15.11.2006, Бюл. № 11. - 4 с.:іл.

12. Пат. № 55289 Україна, МКІ F24F 3/00, F24F 5/00, B60H 1/00. Кондиціонер для транспортного засобу з двигуном внутрішнього згоряння: Пат. 55289 Україна, МКІ F24F 3/00, F24F 5/00, B60H 1/00 / А.С. Кулік, С.М. Пасічник, М.М. Калитка (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. - № 55289; Заявл. 31.05.10; Опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23. - 4 с.:іл.

13. Кулик А.С. Синтез системы позиционирования потока энтальпии вихревого энергоразделителя / А.С. Кулик, С.Н. Пасичник // Перспективні компьютерні, керуючі та телекомунікаційні системи для залізничного транспорту України: 23-тя міжнар. наук.-техн. конф., 23-29 вересня 2010 р. - Алушта, 2010. - С. 51.

14. Кулик А.С. Анализ программ регулирования вихревого энергоразделителя / А.С. Кулик, С.Н. Пасичник // Автоматика - 2010: 17-та міжнар. наук.-техн. конф., 27-29 вересня 2010 р. - Харків, 2010. - Т. 1. - С. 236 - 238.

15. Пасичник С.Н. Макет системы кондиционирования на основе вихревого энергоразделителя / С.Н. Пасичник, Р.Н. Гуш // Інтегровані компьютерні технології в машинобудуванні - 2010: тези доповідей всеукраїнської наук.-техн. конф., 23-26 листопада 2010 р. - Харків, 2010. - Т. 2. - С. 25.

Размещено на Allbest.ru