Опыт работы доильного аппарата в производственных условиях показывает, что полностью исключить подсос воздуха через обратный клапан невозможно. Поэтому вход управляющего сигнала датчика Р Д через обратный клапан непосредственно в управляющую камеру пульсатора необходимо исключить. Он должен осуществляться только через дроссель управляющей камеры пульсатора, при этом ситуация 3 должна быть исключена.
Это можно осуществить, если оба сигнала Р Д и Р f подводить к дросселю через обратные клапаны. Однако при этом возникает проблема впуска атмосферного воздуха в управляющую камеру пульсатора после действия в нем вакуумного сигнала, под действием которого заслонки клапанов закрывают сопла вакуумом изнутри. Можно впускать воздух из атмосферы через дополнительный дроссель, но это не только усложняет конструкцию и эксплуатацию аппарата, но и удлиняет такт сжатия (отдыха) соска и сокращает такт сосания за счет увеличения продолжительности впуска воздуха в управляющую камеру пульсатора. Это ведет к снижению пропускной способности доильного аппарата и к увеличению продолжительности выдаивания коровы.
Желаемый результат можно получить в том случае, если заслонки обоих клапанов механически сблокировать, как показано на рисунке 5.5 а , или вводить сигналы через логический элемент ИЛИ (рисунок 5.5 б ).
P 1 V 1 P 1 V 1
1 1
2 2
α α
3 4
P f P Д P f P Д
а б б
а
-
а – с механически сблокированными заслонками обратных клапанов; б – с логическим вакуумным пневмоэлементом ИЛИ;
-
1 – пневмоемкость; 2 – регулируемый дроссель; 3 – механически сблокированные обратные клапаны; 4 – вакуумный логический пневмоэлемент ИЛИ
Рисунок 5.5 – Пневматические схемы подачи сигналов
в управляющие камеры пульсаторов
Вакуумный логический пневмоэлемент ИЛИ был разработан во ВНИПТИМЭСХ в составе логически и функционально полной системы вакуумных элементов для автоматизации доения, получившей признание как вакуумная ветвь промышленной пневмоавтоматики [86].
Согласно пневматическим схемам (рисунки 5.5 а и 5.5 б ) заслонки открывают сопла вакуумным сигналам с той стороны, откуда они поступают. Если с обоих входов Р f и Р Д действуют одинаковые сигналы «вакуум» или «атмосфера» – обе заслонки приоткрыты и в управляющих камерах устанавливаются, соответственно, вакуум или атмосфера, т.е. обе схемы реализуют ситуации «1» и «2».
Даже в том случае, если при подаче дискретных сигналов «0» или «1» клапаны незначительно пропускают воздух, обе схемы остаются работоспособными и ситуация «3» не имеет места, она исключается.
Первые исследования пульсатора как исполнительного нелинейного элемента релейного типа были проведены во ВНИПТИМЭСХ [4, 97], а как часть логического элемента системы управления он исследуется в системах [11, 86].
Для реализации логических операций в системах управления любой сложности к каналам Р f и Р Д могут подключаться дополнительные входы через логические элементы ИЛИ, И, НЕ и др.
Управляющая камера пульсатора, включающая пневмоемкость V 1 и дроссель α, представляет собой апериодическое звено первого порядка, преобразующее входной дискретный сигнал в аналоговый, изменяющийся по величине во времени.
Эти изменения передаются чувствительному элементу – мембране, являющейся еще и усилительным звеном, включающим жесткий центр, преобразующий давление в усилие, действующее на клапан, перемещающийся вместе с заслонкой между двумя соплами: «вакуум» и «атмосфера». Кроме того, мембрана выполняет функции элемента сравнения, постоянно сравнивающего давление, изменяющееся внутри камеры, с величиной постоянного вакуума системы питания Р пит, действующего под мембраной.
При возникновении на мембране перепада давления, соответствующего величине срабатывания ∆ Р ср или отпускания клапана ∆ Р отп, клапан переключается скачком из одного положения в другое. В результате на выходе пульсатора и на входе Р f в управляющую камеру сигнал изменяется на противоположный и в управляющей камере формируются новые команды.
Управляющая камера пульсатора с дросселем, как апериодическое звено первого порядка, описывается дифференциальным уравнением
dP
T 1 + P = P 1 , (5.11)
dt
где Р и Р 1 – величины вакуума на входе и выходе звена, кПа;
V
T 1
1 – постоянная времени, с. (5.12)
= R Θα
Передаточная функция управляющей камеры пульсатора, как апериодического звена первого порядка, имеет вид (5.3), где k 1 = α/α = 1 – коэффициент усиления глухой камеры.
Восходящая переходная характеристика этой камеры представляет собой экспоненту [3]
t
−
h ( t ) = k 11( − e T ) ⋅ (1 t ) , (5.13)
K
1
W ( i ω) = ,
(5.14)
T i ω + 1
1
где t – текущее время, с. Амплитудно-фазовая характеристика
откуда амплитудно-частотная характеристика
K
1
A (ω) = ,
( T 1 i ω)2 + 1 (5.15)
а фазочастотная
ϕ (ω) = − ω T 1ω. (5.16)
Постоянную времени Т 1 можно определить по формуле (5.12), сложность состоит в том, что для этого проводимость α нужно определять экспериментально. Поэтому проще будет определить постоянную времени Т 1 из амплитудно-фазовой характеристики (5.14) при К 1 = 1, или, зная текущее время t α заполнения и опорожнения заданной емкости через дроссель α при заданной величине перепада вакуума ∆ Р , с достаточной степенью точности постоянную времени можно определить из выражения
t α
T 1 = , (5.17)
3
а затем уже по формуле (5.12) определить проводимость дросселя α.
Исследованиями пульсатора (рисунок 5.3 а ), как рабочего органа, проведенными во ВНИПТИМЭСХ [3], была установлена релейная сущность его работы по гистерезисной петле с характерными для реле точками
S
P = P 1 − 3
срабатывания ср (5.18)
S
1
S
P = P 1 − 2
и отпускания отп , (5.19)
S
1
где P – величина вакуума в системе питания, кПа;
S 1 – эффективная площадь мембраны, см2 ;
S 2, S 3 – площади клапанов по окружностям большого (верхнего) и малого (нижнего) сопл, соответственно, см2 .
Имея исходные данные и гистерезисную характеристику пульсатора, можно продолжить его исследования, но уже не как исполнительного органа, а как управляющего звена, формирующего команды на основе реализации поступающих элементарных логических операций И, ИЛИ, НЕ, ДА алгебры логики для синтеза автоматизированной системы любой сложности: от стойлового доильного аппарата до робота.
