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.
В пневматической схеме управления автоматизированного двухрежимного двух-трехтактного доильного аппарата АДД-2/3 используются два логических элемента ИЛИ, один из которых непосредственно связан с управляющей камерой коллектора, а другой – с управляющей камерой пульсатора [68, 98]. Камера переменного вакуума коллектора разделена перегородкой на две части, ее нижняя часть образует управляющую камеру со штуцером, обеспечивающим вход управляющих сигналов с выхода датчика или с пульсатора через логический элемент ИЛИ, а верхняя – распределительную камеру. Управление работой пульсатора осуществляется вакуумными сигналами «0» и «1», поступающими от датчика через логический элемент и дроссель. При отсутствии сигнала аппарат работает в трехтактном режиме, при его появлении – в двухтактном.
В результате производственной проверки и исследований доильного аппарата АДД-2/3 были выявлены недостатки данной схемы: установка логического элемента ИЛИ непосредственно на выходе пульсатора требует доработки конструкции пульсатора; размещение второго логического элемента ИЛИ на входе управляющей камеры коллектора в составе подвесной части аппарата нерационально из-за сложных условий эксплуатации. Такое расположение элементов было обосновано ранее [67] необходимостью исключить запаздывание по фазе и рассогласование действия вакуумных сигналов в управляющей и распределительной камерах коллектора. Это снижает требования к качеству сигналов датчика и позволяет использовать в системе управления серийный пневмодатчик манипулятора МД-Ф-1. В то же время было бы целесообразно перенести элемент ИЛИ от коллектора к пульсатору.
Была предложена гипотеза о возможности установки логических элементов ИЛИ в любом месте в пределах длины шланга переменного вакуума, соединяющего пульсатор и коллектор доильного аппарата. Для обоснования такого их размещения были проведены исследования.
Основным условием эффективной работы предлагаемой пневматической схемы управления доильного аппарата является следующее соотношение постоянных времени распределительной с межстенными камерами доильных стаканов (в дальнейшем распределительной камеры) и управляющей камеры коллектора:
´ ´ . (5.20)
T ≥ T
1 2
Эти постоянные времени определяются по формулам:
T = T + τ , T = T + τ
´ 1 1 1 ´ 2 2 2
,
где T 1 и T 2 – постоянные времени изменения состояния аппарата под действием управляющего сигнала распределительной и управляющей камер коллектора, соответственно, с; τ1 и τ2 – время запаздывания сигнала пульсатора, поступающего к распределительной и управляющей камерам коллектора, соответственно, с.
