Устройство для моделирования вентилятора Советский патент 1990 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к аналогоой вычислительной технике и может . быть использовано для построения налоговых электрических моделей вентиляторов, применяемых в системах автоматизированного управления проветриванием (САУЛ) для подачи воздуха в шахту.

Цель изобретения - повьшение точности.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 -функциональная схема интегрдсумматоров;на фиг.Зсемейство .напорных характеристик H(Q,C«)) вентилятора, работающего на аэродинамическую нагрузку H(Q,w) ; на фиг.4 - графики зависимостей А(СА)) ,

.В(ч1), С(со), реализуемых функциональными преобразователями коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора.

Устройство для моделирования вентилятора (фиг.1) содержит первый 1,

.второй 2, третий 3 функциональные преобразователи коэффициентов аппрокси

мации напорной характеристики вентилятора, первьм 4, второй 5, третий 6 блоки перемножения, первый интегросумматор 7, четвертый блок 8 перемножения, второй интегросумматор 9.

: Первый интегросумматор 7 (фиг.2)

включает операционный усилитель О, резисторы 11-14, конденсатор 15. Второй интегросумматор 9 (фиг.2) включа3ет операционный усилитель 16, резисторы 17-18, конденсатор 19. Переходные аэродинамические проце сы вентилятора, возникающие при регулировании его производительности, с учетом аэродинамических характеристик проветриваемой шахтной вентиляционной сети (шве), описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений TdH(Q,cj)/dt A(w) Q + B(w)Q + + С (СУ) - H(Q,u) KdQ/dt H(Q,W) - RQ, где Т - постоянная времени, определяющая инерционные свойст вентилятора; К - коэффициент, характеризующи инерционные свойства эквивалента ШВС; R - эквивалентное аэродинамическое сопротивление ШВС, которое входит в уравнение статистического воздухораспределения Н RQ, связыв ющего депрессию (напор) Н вен тилятора с его подачей (расхо дом) Q.. Параметры Н и Q контролируются с помощью специальных датчиков на всех шахтах и регистрируются на сам писцах в функции времени. Поэтому при расчёте характеристик реального объекта моделирования можно восполь зоваться среднестатистическими дан.ными Н, Q, определив, среднее значение R по формуле R iHQ . При исследовании абстрактных объектов типовые значения R выбираются из спра ночников по проектированию вентиляц онных систем;, шахт. Типовые значени коэффициента К, характеризующего инерционные свойства ШВС, также могут быть взяты в справочной литерат ре. При расчете параметров реального объекта значение коэффициента К опр деляется следующим образом. Линеаризуя уравнение аэродинамики ШВС KdO/dt Н - RQ приходим к уравнению апериодического звена 1-го порядка (K/RQ(3).dQ/dt H(RQo) - Q, где K/RO 8 С- постоянная време5ни переходных процессов расходов воздуха в- сети Q(t) при изменении депрессии Н вентилятора. Учитывая, что f с; Т/3 (где Т - 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 RQ Т/3 - исходный (до изменения прогде О изводительности 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 параметраы, определяющего режим работы вентилятора. В результате на выходе первого и третьего функциональных пр.еобразователей 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 заЪисимость - B(to), второй функциональньй преобразователь 2 - зависимость +А(сх)), а третий функциональньй преобразователь 3 - зависимость -С (ijj) . Указанные коэффициенты определяют крутизну, наклон, форму и положение напорной характеристики H(Q) в системе координат Н, Q (фиг.З). Каждой напорной характеристике H5(Q,(x).) соответствует определенный коэффициентов Aj(top, B(i((x).), С|(Ы-), входящих в уравнение аппро- j ксимации характеристики вентилятора H(Q,to) AM Q« + B(w)0 + C(6.J). (1) Аппроксимация напорной характери стики вентилятора квадратичным полиномом позволяет обеспечить высокую точность ее воспроизведения. Непрерывность области рабочих характеристик H(Q,W) вентилятора достигается непрерывностью функциональных зависимостей А(со), ВСсо), CCoj), представляющих собой кусочно-линейные функции (фиг.4), узлы интерполяции которых Aj(cdj), B,.(W;), С; (о)-), V. 1,12 получаются путем аппроксимации напорных характеристик H(Q) вентилятора (фиг.З), приведенных в справочной литературе в графическом виде, полиномом вида (1). Для расчета узлов интерполяции А;, Bj, Cj , V- 1,12 по графикам напорных характеристик H(Q) используется любой метод аппроксимации, например, метод наименьших квадратов.

С выходов первого и второго функциональных преобразователей 1, 2 напряжения, пропорциональные значениям коэффициентов аппроксимации BCw), A(w), поступают на первые входы первого и второго.блоков 4, 5 перемножения соответственно. На вторые входы указанных блоков перемножения поступает отрицательное напряжение, пропорциональное расходу воздуха Q вентилятора с выхода второго интегросумматора 9. На выходе первого блока перемножения 4 формируется отрица- тельное напряжение, пропорциональное слагаемому -В(бО)0 уравнения (1), а на вьгходе второго блока перемножения 5 положительное напряжение, пропорциональное величине +A(cL)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, ппопорциональное расходу воздуха вентиятора с выхода ннтегросумматора 9. На выходе третьего блока перемножения 6 формируется положительное напряжение, пропорциональное слагаемому +A(u))Q J которое поступает на втоой вход первого интегросумматора 7. На первый вход первого интегросуматора 7 поступает отрицательное на--ряжение с выхода первого блока пере-TdH(0,aJ)/.dt A(w) Q - C(w) + H(Q,u;), (2)

20

позволяющем воспроизводить переходные аэродинамические процессы, возникающие цри изменении режима работы вентилятора.

Для реализации уравнения (2) на четвертый вход первого интегросумма- тора 7 подается положительное напряжение с его же выхода (обратная связь апериодического звена), пропорциональное депрессии Н вентилятора. На выходе первого интегросумматора 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 nor казана на фиг.2, где значения резисторов 11-14-и конденсатора 15 выбираются из соотношения

13 н T(f f/

R R, II П

45

где М /J- масштаб времени, устанавливающий взаимосвязь М j t/ реального t и модального сврем н. Масштабирование модельных переменных выполняется в соответствии с из50вестной в теории аналогового моделирования методикой и в данном случае подробно не рассматривается.

Нагрузкой вентилятора является шахтная вентиляционная сеть, аэроди55намические процессы которой описываются нелинейным уравнением вида

KdQ/dt H(Q ,)) - RO .

(3) множения 4 пропорциональное величине -B(w)0, на третий вход первого инте-; гросумматора 7 - отрицательное напряжение с выхода третьего функционального преобразователя 3, пропорциональное величине -С() . 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 перво ° порядка, аппроксимирующее уравнениё Ч1) реализуется в виде Для реализации модели (3.) эквивалента IUBC (нагрузки вентилятора) в устройство введены дополнительные элементы - двухвходовой интегросумматор 9, реализующей уравнение (3), и четвертый блок 8 перемножения, используемый в качестве квадра-тора для формирования переменной О . С выхода первого интегросумматора 7 пололсительное напряжение, пропорциональное величине П, поступает на второй вход второго интегросуммат ра 9, на первый вход которого по- . .ступает отрицательное напряжение,про |порциональное зна.чению 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 С ,,R ,- K/R-:,,; С jjR К/Мх. . Все аналоговые блоки устройства инвертируют знак результирующего иа.пряжения. Устройство может находиться в од ном из двух режимов работы - Исход ное состояние или Интегрирование В релсиме Исходное состояние цепи управления обоих пнтегросумматоров 7, 9 зако1У№ утированы таким образом, что операционные усилители интегросумматоров находятся в состоянии . масштабных преобраз.ователей. В этом режиме осуществляется настройка коэффициентов передач и начальных условий.. Но О с интегросумматоров 7, . 9, а также узлов интерполяции (опор ных точек) функциональных преобразо вателей 1, 2, 3. В ре.жиме интегри,11 рования происходит собственно рабо та устройства модегирование вентилятора работающего на ШВС. Дости гается указаиньш режим переводом ин тегросумматоров 7, 9 в режим интегрирования. При изменении значения параметра 60 происходит изменение значений коэффициентов аппроксимации А,В, С на выходах первого, второго и третьего функциональных преобразовател 1, 2, 3, что приводит к изменению в ходнык напряжений первого, второго 5 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(Q,cu) вентилятора (кривая 1 на фиг.З) относительно нагрузочной характеристики H(0,R) ШВС (кривая 2 на фиг.З). Изменение выходного напряжения первого интегросумматора 7 .(депрессии Н вентилятора) , поступающего на вход второго интегросумматора 9, цриводит 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 рещен.ия уравнений, описывающих модели вентилятора и ШВС, т.е. в геометрической интерпретации - поиск точки пересечения напорной Н(0,) и нагрузочной H(0,R) характеристик, координаты ( , ,Oj) которой являются показателями режима работы вентилято-ра на сеть с заданным аэродинамическим сопротивлением R при рассматриваемом значении управляющего параметра.w. 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, первьй вход третьего блока перемножения соединен с выходом второго блока перемножения, выходы первого и третьего блоков перемножения соединены с п.ервым и вторым входами первого интегросумматора, выход третьего функционального преобразователя коэффициентов аппроксимации напорной характеристики вентилятора подключен к третьему входу первого интегросумматора, отличающееся тем.

что, с целью повышения точности, устройство содержит второй, интегросумматор и четвертый блок перемножения первый и второй входы которого со- . единены с вторыми входами первого, второго и третьего блоков перемножения, выход четвертого блока перемно ения подключен к первому входу второго интегросумматора, выход котор07 го является выходом формирования расхода воздуха устройства, выход перг вого интегросумматора соединен со своим четвертым входом и вторым входом второго интегросумматора и является выходом формирования депрессии устройства.

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.

КБП

КВП5

КУФЛЗ

Q

Фиь.1

К6П8

19 Ч

17

18

Н

си

Фиъ,2

HM

л I