Н.В. Клиначев

Цифровой регулятор давления для стенда аттестации датчиков

Аттестация датчиков давления предполагает подтверждение статических и динамических параметров. Динамические свойства отражают переходная функция (реакция датчика на ступенчатое воздействие) и частотная характеристика. Ниже по тексту, на рис. 1 представлена схема пневматической цепи, которая, под контролем цифровой системы управления, позволяет сформировать необходимые воздействия и выполнить требуемые измерения.

Пневматическая цепь стенда для аттестации датчиков давления
Рис. 1. Пневматическая цепь стенда для аттестации датчиков давления

Цепь – неразветвленная, замкнутая. В составе цепи имеются: компрессор с электромашинным приводом, сглаживающие ресиверы высокого и низкого давления, два клапана с электромагнитным управлением, камера регулируемого давления, к которой подключены манометры с электронным выходом (эталонный и аттестуемый). Ресивер низкого давления может отсутствовать. В этом случае сброс давления должен осуществляться в атмосферу, а вход компрессора должен быть оборудован воздухозаборником.

Пределы регулирования давления в контрольной камере определены создаваемыми компрессором потенциалами в ресиверах высокого и низкого давлений. Регулирование осуществляется, с помощью ШИ-модуляции, измерением относительного времени открытого состояния верхнего и нижнего клапанов на периоде дискретизации. К быстродействию клапанов предъявляются особые требования, поскольку переходная функция аттестуемого датчика, по минимуму, должна быть идентифицирована по 6..10 точкам.

В зависимости от способа осуществления ШИ-модуляции, пневматическая цепь, т.е. камера регулируемого давления, описывается либо интегрирующим, либо апериодическим звеном. Рассмотрим задачу изменения давления в контрольной камере по синусоидальном закону. Как показано на рис. 1, положительная полуволна модулирующего сигнала контролирует отпирание верхнего клапана и повышает давление в камере. Отрицательная полуволна – контролирует нижний клапан и понижает давление. Если модулирующий сигнал, разбитый на две составляющие, будет иметь смещение нулевой величины, то давление будет описываться интегральной зависимостью от расхода (например, показателен частный случай, при нулевом управлении – давление будет сохраняется неизменным). Если же двум составляющим модулирующего сигнала будет добавлено смещение, то при нулевом управлении, после воздействия дельта-импульса, давление будет стравливаться по экспоненте к среднему значению – это функция веса апериодического звена.

Линейная непрерывная динамическая
модель САР давления для аттестации датчиков

Линейная непрерывная динамическая модель САР давления, с объектом, описанным интегрирующим звеном, представлена на чертеже 1 (здесь же, эталонный датчик – апериодическое звено первого порядка). При нулевом смещении двух составляющих модулирующего сигнала модель характеризуется показателями качества удовлетворяющими техническое задание. Но клапан – это электромеханическое устройство. Он открывается и закрывается с задержками. Изменение его проводимости характеризуется некоторым переходным процессом. Его параметры, согласно паспорту, имеют допуски. И сколь точным бы ни был процесс настройки, верхний и нижний клапаны пневмоцепи будут отрабатывать модулирующий сигнал с некоторой зоной нечувствительности. В результате, при постоянном задающем воздействии, появиться статическая ошибка. А при отработке синусоидального задания – искажение типа "ступенька". Поэтому данный вариант модуляции – не лучшее решение.

Для модели, представленной на чертеже 1, запустите вычислительный эксперимент. Обратите внимание на отсутствие статической ошибки. Задайте – зону нечувствительности 0.1 ед. (это параметр блока deadband). Вновь запустите вычислительный эксперимент. Убедитесь в том, что наличие нелинейности в управлении клапанами приводит к появлению статической ошибки.

Дискретно-импульсная динамическая
модель САР давления для аттестации датчиков

Дискретно-импульсная динамическая модель САР давления представлена на чертеже 2. Здесь пневматическая цепь представлена электрической схемой замещения. Камера регулируемого давления – конденсатором. Клапаны – резисторами с программируемым номиналом. ШИ-модулятор делит управляющий сигнал на две составляющие и добавляет смещение к каждой.

Запустите вычислительный эксперимент для модели представленной на чертеже 2. Обратите внимание на отсутствие статической ошибки. Измените настройку ШИ-модулятора – уменьшите смещение двух составляющих модулирующего сигнала до нуля (необходимо изменить константу 0.15 ед. на входах сумматоров). Вновь запустите вычислительный эксперимент. Убедитесь в том, что свойства объекта изменились, и система приблизилась к границе устойчивости (объект описывается не апериодическим звеном, а интегратором).

Отключите интегрирующий канал внутри ПИ-регулятора. Запустите вычислительный эксперимент. Убедитесь в том, что система отвечает требованиям качества, а статическая ошибка сведена к нулю.

Введите в систему нелинейность типа "зона нечувствительности". В ШИ-модуляторе измените знак смещения для составляющих модулирующего сигнала (-0.1 ед.). Подайте на систему задающее воздействие синусоидальной формы (4 Гц). Увеличьте конечное время в настройках симуляции (0.8 с). Запустите вычислительный процесс. Ознакомьтесь с результатом. Убедитесь в том, что при наличии в цепи управления клапанами нелинейности типа "зона нечувствительности", замкнутая САР давления описывается звеном типа "люфт".

Выводы

  1. Камера регулируемого давления, как типовое динамическое звено, описывается интегратором, если в полумостовой пневматической цепи верхний и нижний клапаны открываются на периоде ШИ-модуляции без перекрытия (без сквозного расхода). Отсутствие сквозного расхода обеспечивает нелинейное звено типа "зона нечувствительности" в цепи управления. Замкнутая САР давления, в этом случае, описывается звеном типа "люфт".
  2. Камера регулируемого давления, как типовое динамическое звено, описывается апериодическим звеном, если в полумостовой пневматической цепи верхний и нижний клапаны открываются на периоде ШИ-модуляции со сквозным расходом постоянной величины. Сквозной расход обеспечивает линеаризацию пневматической системы.

3.12.2017