Способ регулирования давления в замкнутом объеме и устройство для его реализации
METHOD OF PRESSURE CONTROL IN CLOSED VOLUME AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области аэродинамики, в частности к автоматическим системам управления давлением в замкнутых контурах аэродинамических труб.
Основным условием проведения экспериментов в аэродинамических трубах (АДТ) непрерывного действия замкнутого типа является обеспечение заданного давления в контуре АДТ. Практика показывает, что зачастую эксперименты сопровождаются либо повышением, либо понижением давления воздуха (в общем случае газа) в контуре АДТ по ряду причин, в том числе из-за щелей в конструкции АДТ или неплотно закрытых систем наполнения или (и) сброса.
В условиях неполной информации о причинах изменения давления в контуре АДТ (неопределенности), отсутствует возможность учитывать данный фактор при регулировании давления воздуха.
Известен способ задания давления в контролируемом объеме и установка для его осуществления, заключающиеся в том, что задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме трубопроводной магистрали. Периодически измеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него, задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме. Периодически измеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемый объем или удалить из него. Подают или удаляют необходимое количество газа, которое затем «прецизионно» поддерживают для того, чтобы обеспечить его в контролируемом объеме. «Прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме осуществляют меняя сопротивление трубопроводной магистрали в схеме регулирования при задании избыточного давления от минимального значения и до максимального значения, прекращая поступление газа, с последующим поддержанием заданного давления в контролируемом объеме путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости. При задании разрежения давления - от минимального сопротивления и до максимального значения сопротивления выключением всех клапанов элементов регулирования расхода и затем выпускного клапана, прекращая отвод газа из рабочей емкости. Дальнейшее поддержание заданного разрежения в контролируемом объеме с требуемой дискретностью производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости. Установка для задания давления в контролируемом объеме содержит источники высокого и низкого давления и входную группу соответственно из впускного и выпускного клапанов со схемой регулирования. Схема регулирования включает в себя входную группу клапанов, трубопроводную магистраль для прохождения газа и последовательно соединенные между собой элементы регулирования расхода, а также рабочую емкость. Входная группа клапанов состоит из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке к первому из n элементов регулирования расхода. Источники давления связаны с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений (Патент №2495392, МПК G01L 27/00 от 27.12.2011).
Этот способ и устройство могут быть использованы для емкостей относительно малых объемов с малой инерционностью распределения воздуха. Для больших емкостей, в частности для АДТ непрерывного действия с высокой инерционностью изменения давления, этот способ вносит систематическую погрешность в величину измеренного давления. Кроме того, импульсный впуск или сброс воздуха из контура АДТ вносит возмущения в поток, отрицательно влияющие на его качество.
За прототип принято устройство, реализующее способ регулирования давления воздуха в форкамере, содержащее задающее устройство, исполнительный механизм, датчики температуры, давления, положения, а также регулятор давления, выполненный в виде цифровой системы последовательно соединенных блока фильтра нижних частот и блока обращенной модели объекта управления, замкнутых через блок модели объекта управления положительной обратной связью, входы регулятора подключены к задающему устройству и датчикам давления и температуры воздуха в форкамере, температуры и давления воздуха в газгольдере, положения плунжера регулирующего дросселя и критического сечения сопла (Патент на изобретение №2587526, МПК G01M 9/00 от 25.05.2016).
кр
Однако этот способ регулирования давления и регулятор предназначены для АДТ периодического действия, имеющих расход воздуха в атмосферу через априори известную площадь критического сечения сопла F.
В АДТ непрерывного действия замкнутого типа он не применим, т.к. возможен как рост давления в замкнутом объеме за счет изменения угла атаки модели, притока воздуха извне через оболочку контура АДТ, так и падение давления по тем же причинам, т.е. регулировать давление необходимо в условиях неопределенности причин его изменения.
щ
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка способа и создание реализующего его устройства регулирования давления воздуха в замкнутом объеме, позволяющего в условиях неопределенности информации о причине изменения давления в контуре рассчитывать значение фиктивной площади сечения щели несанкционированного наполнения или сброса давления воздуха F и определять регулирующий орган - дроссель сброса или наполнения.
щ
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе регулирования давления воздуха в замкнутом объеме, заключающемся в том, что определяют разницу между заданным и измеренным давлением в контролируемом объеме, вычисляют по этой разнице площадь сечения фиктивной щели утечки/протечки F в контролируемом объеме и открывают дроссель наполнения или сброса воздуха трубопроводной магистрали.
щ
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что устройство регулирования давления в замкнутом объеме, содержит трубопроводную магистраль наполнения с дросселем наполнения и датчиком его положения, трубопроводную магистраль сброса с дросселем сброса и датчиком его положения, блок расчета площади сечения щели утечки/протечки F, блок переключения.
Фиг. 1 - структурная схема устройства системы управления давлением воздуха в контуре АДТ непрерывного действия, замкнутого типа дросселями сброса и наполнения;
щ4
2
Фиг. 2 - график переходного процесса наполнения контура АДТ воздухом до заданного давления с учетом утечки воздуха через фиктивную щель сечением F=0,001 м;
щ2
2
Фиг. 3 - график переходного процесса сброса воздуха из контура АДТ в атмосферу до заданного давления с учетом протечки воздуха через фиктивную щель сечением F=0,001 м.
На фиг. 1 представлена структурная схема включения блока расчета фиктивной площади щели, блока переключения и ключа в систему управления давлением воздуха в контуре АДТ непрерывного действия, замкнутого типа дросселями сброса и наполнения, подведенными к АДТ через трубопроводные магистрали. Регулирование давления воздуха выполняется дросселями наполнения 2 и сброса 4. Газгольдеры 1 через регулирующий дроссель наполнения 2 соединены с контуром АДТ 3, в рабочей части которой расположена испытуемая модель. Регулирующий дроссель сброса 4 соединяет контур АДТ с атмосферой. Задатчик требуемого на эксперимент давления 5 соединен со входами цифровых регуляторов давления 6 и 7 и входом блока 15 расчета фиктивной площади щели утечки/протечки. Также, входы регуляторов 6, 7 и блока 15 расчета фиктивной щели утечки/протечки соединены с выходом датчика давления 12 в газгольдерах, выходом датчика давления 13 в контуре трубы и датчиком 14 атмосферного давления. Вход регулятора 6 соединен с выходом датчика 10 положения плунжера (8 - плунжер) регулирующего дросселя наполнения 2, а вход регулятора 7 соединен с выходом датчика 11 положения плунжера (9 - плунжер) регулирующего дросселя сброса 4. Вход блока расчета фиктивной площади щели утечки/протечки соединен с выходами датчиков 10, 11. Выход блока расчета фиктивной щели утечки/протечки 15 соединен со входом блока переключения 16, определяющего наличие щели утечки или протечки в контуре АДТ или ее отсутствие. Выход переключателя 16 соединен с ключом 17, который имеет три положения:
- положение 1 - в работе находятся регулятор 6 и дроссель наполнения 2;
- положение 0 - дроссели наполнения 2 и сброса 4 закрыты;
- положение 2 - в работе находятся регулятор 7 и дроссель сброса 4.
г
0
щ
щ
щ
щ
После наполнения АДТ воздухом до заданного давления, сформированного задатчиком 5 регулирующие дроссели сброса 4 и наполнения 2 принимают закрытое положение. На вход блока 15 расчета фиктивной площади щели поступают сигналы с датчиков 10 (датчик хода плунжера дросселя наполнения 2, S), 11 (датчик хода плунжера дросселя сброса 4, S), 12 (датчик давления воздуха в газгольдерах, Р), 13 (датчик давления воздуха в контуре АДТ, Р), 14 (датчик атмосферного давления воздуха) и рассчитывается фиктивная площадь щели, утечки/протечки. Далее выходной сигнал с блока расчета F поступает на вход блока переключения 15, который анализирует величину площади сечения щели, определяет утечку (F>0,0001), протечку (F<0,0001) или ее отсутствие (F=0,0001) и формирует входной сигнал для ключа 17. Ключ 17 выполняет переключение в одно из трех положений:
- положение 1 - регулирование утечки;
- положение 0 - утечки и протечки отсутствуют;
- положение 2 регулирование протечки.
Если ключ 17 занимает положение 1, выходной сигнал с блока переключения 15 поступает на вход регулятора дросселя наполнения 6, куда также подаются сигналы с датчиков давления 12, 13 и с датчика хода плунжера регулирующего дросселя наполнения 10. Выходной сигнал регулятора 6 поступает на вход привода дросселя наполнения 2 и определяет его положение.
Если ключ 17 занимает положение 2, выходной сигнал с блока переключения 15 поступает на вход регулятора дросселя сброса 7, куда также подаются сигналы с датчиков давления 13, 14 и с датчика хода плунжера регулирующего дросселя сброса 11. Выходной сигнал регулятора 7 поступает на вход привода дросселя сброса 4 и определяет его положение.
Если ключ 17 занимает положение 0, значит утечка и протечка воздуха отсутствует, либо уравновешивают друг друга и регулирование давления воздуха в контуре АДТ не требуется, дроссели сброса 4 и наполнения 2 находятся в закрытом состоянии
Основным элементом регуляторов новой системы регулирования является блок вычисления эффективной площади щели, реальной или фиктивной. Формулы расчета блока получены из уравнения математической модели АДТ, описывающего закон сохранения энергии.
На примере уравнения математической модели с учетом утечки воздуха из контура из уравнения сохранения массы (1):
где  - расход воздуха через фиктивную или реальную щель утечки;
расход воздуха через дроссель наполнения;
0
0зад.
0
ΔР=Р-Р - разность между заданным и измеренным давлениями;
к - показатель адиабаты для воздуха, равный 1,4;
R - универсальная газовая постоянная;
ф
Т - температура воздуха в контуре АДТ, К;
г
Т - температура воздуха в газгольдерах АДТ, К;
ф
3
V - объем форкамеры АДТ, м;
q
щ4
(λ) - приведенный удельный расход воздуха через щель утечки воздуха из контура АДТ;
q
др2
(λ) - приведенный удельный расход воздуха через дроссель наполнения.
Протечка воздуха в контур АДТ рассчитывается согласно уравнению:
где  - расход воздуха через фиктивную или реальную щель утечки;
- расход воздуха через дроссель сброса.
q
щ2
(λ) - приведенный удельный расход воздуха через щель протечки воздуха в контур АДТ;
q
др4
(λ) - приведенный удельный расход воздуха через дроссель сброса.
0
0
Используя уравнения, приведенные выше, получены выражения для расчета постоянной времени Т и коэффициента усиления объекта управления К:
- постоянная времени и коэффициент усиления для дросселя наполнения;
- постоянная времени и коэффициент усиления для дросселя сброса.
В результате получаем формулу апериодического звена для объекта управления:
а привод описывается последовательным соединением интегрирующего и инерционного звеньев:
Передаточная функция цифрового регулятора поддержания давления воздуха в контуре АДТ реализует функцию (согласно прототипу):
Коэффициенты регулятора рассчитываются через текущие параметры объекта регулирования:
где:
ƒ
Т - постоянная времени фильтра нижних частот;
пр
пр
Т, К - постоянная времени и коэффициент усиления приводного устройства соответственно;
Управляющий сигнал регулятора поддержания давления в контуре АДТ реализует функцию:
где Δt - временной интервал между тактами пересчета;
- номера тактов рассогласования;
0з
0
- рассогласование между заданным Р и измеренным Р значениями давления в контуре трубы на  тактах соответственно.
щ4
щ2
2
Фиг. 2 и 3 иллюстрируют переходный процесс выхода давления воздуха в контуре АДТ на заданное значение при величине фиктивной площади щели утечки и протечки соответственно F=F=0,001 м.
0
щ
2
Результаты использования устройства подтверждены математическим моделированием на имитаторе АДТ непрерывного действия, замкнутого типа с присутствием несанкционированных утечек/протечек воздуха. Процесс поддержания давления воздуха в контуре АДТ с учетом утечек иллюстрируется фиг. 3, с учетом протечек иллюстрируется фиг. 4. Как видно из графиков P(t) давление воздуха поддерживается с заданной точностью за счет открытия регулирующего дросселя на расчетную величину, которая компенсирует утечку/протечку воздуха. Устройство эффективно в АДТ непрерывного действия замкнутого типа, а также применимо для АДТ периодического действия при F=0 м.