Регулятор глубины вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана с электромагнитным приводом

Аннотация

Рассмотрен регулятор вакуума под соском для адаптивной САУ доения коров с электромагнитным приводом. Приведены дифференциальные уравнения, описывающие рабочий режим регулятора, и его принципиальная и функциональная схемы, а также результаты экспериментальных исследований Ключевые слова: электромагнитный, регулятор, подсосковое пространство, глубина вакуума, адаптивный, САУ, доение, статика, динамика.

Многолетнее использование автоматизированных доильных установок, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, показывает, что существенного снижения у коров заболеваний маститами машинного происхождения не произошло. Основная причина этого заключается в том, что от 20 до 70% коров на различных фермах России имеют неравномерное развитие вымени, и отдельные доли вымени выдаиваются с опасными передержками [2]. Одним из перспективных направлений совершенствования технических средств машинного доения коров остаётся создание адаптивных систем автоматизированного управления доением. В настоящее время предложены способы и алгоритмы молоковыведения по долям вымени адекватного молокоотдаче. Для их реализации необходимы соответствующие технические средства, в частности, уже есть датчики интенсивности потока молока, средства идентификации коров, манипуляторы [6, 7].

Однако пока нет удобного для почетвертного доения регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана (далее «регулятор»), обеспечивающего необходимый режим доения в соответствии с предложенным алгоритмом [3]. Регулятор должен обеспечить изменение глубины вакуума от 0 до 1,2 P_н (где P_н — номинальная глубина вакуума в доильном стакане — для аппаратов отсасывающего типа составляет — 48 кПа) и управление от внешнего управляющего устройства — микроконтроллера при небольших габаритах и минимуме коммуникаций.

За основу такого регулятора, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1, принят пневматический повторитель [1], имеющий молочную 1 и управляющую 2 камеры, разделённые мембраной 3, которая жёстко соединена с молочным клапаном 4. Для изменения глубины вакуума в управляющей камере используется узел «сопло-заслонка» 5 с электромагнитным приводом 6. Для обеспечения контроля интенсивности молоковыведения и организации обратной связи в управляющей камере размещён ёмкостный датчик перемещения мембраны 7 [4].

Рисунок 1. Принципиальная схема регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного аппарата: 1 — молочная камера; 2 — управляющая камера; 3 — мембрана; 4 — молочный клапан; 5 — электромагнитный привод; 6 — узел «сопло — заслонка»; 7 — ёмкостный датчик перемещения мембраны.

Согласно алгоритму [3], управляющий сигнал на регулятор формирует микроконтроллер, периодически вычисляя по интенсивности молоковыведения динамические характеристики биологической составляющей объекта управления. Для обеспечения необходимого качества регулирования и обоснования конструктивных параметров регулятора необходимо иметь математическое описание самого регулятора.

Поэтому целью настоящей работы является изучение некоторых статических и динамических характеристик предложенного регулятора вакуума.

Для анализа динамики регулятора на основании его принципиальной схемы составлена функциональная схема пневматической составляющей системы (рисунок 2) [5]. Согласно этой схеме была получена система уравнений, описывающая баланс расходов воздуха в камерах регулятора:

(1).

где G1, G2, G3, G4, G5 — массовые расходы воздуха через дроссели б1, б2, б3, б4, б5.

При математическом описании процессов в регуляторе приняты допущения того, что истечения через дроссели б₂, б₃, б₄, б₅ — имеют турбулентный характер, а через дроссель б₁ — ламинарный [1]. Тогда изменение массового расхода воздуха в молочной камере регулятора вакуума.

(2).

где — соответственно давление и объём в молочной камере регулятора; R — газовая постоянная, для воздуха R = 287; T — температура в молочной камере, принимаем T= const.

Массовый расход молоковоздушной смеси через сфинктер соска доли вымени — дроссель б₁

(3).

где p_с — давление в соске доли вымени, зависящее от молоковыведения и стадии молокоотдачи (физиологических особенностей животного).

Массовые расходы воздуха через дроссели — жиклёры молочной камеры б₂ и молочного клапана б₃, соответственно, равны:

(4).

(5).

где и — соответственно, атмосферное давление и давление, создаваемое вакуумной установкой под молочным клапаном.

Изменение массового расхода воздуха в управляющей камере регулятора вакуума.

(6).

где — соответственно давление и объём в управляющей камер регулятора.

Рисунок 2. Функциональная схема пневматической составляющей системы регулятора вакуума.

Дроссель б₄ (узел «сопло — заслонка») имеет ступенчатую характеристику, тогда массовый расход воздуха через него будет определяться системой уравнений:

(7).

где — напряжение на катушке электромагнита.

Массовый расход воздуха через дроссель б₅ — жиклёр в стенке молочной камере регулятора.

. (8).

Следует также учесть, что корпус регулятора имеет ограниченный объём V и V=V_у0+V_м0= const. Увеличение объёма V_м при движении мембраны вверх при увеличении потока молока приводит к соответственному уменьшению объёма V_у. Тогда необходимо учитывать следующее равенство:

; (9).

где .

Предположим, что изменение объёма ДV при перемещении мембраной при прохождении через молочную камеру потока молока представляет собой объём усечённого конуса, высота которого равна перемещению мембраны x, и описывается уравнением.

или ,.

где S_м — эффективная площадь мембраны; D₁ и D₂ — диаметры защемления мембраны и жёсткого центра.

Перемещение мембраны (расстояние между обкладками емкостного датчика) зависит от жесткости мембраны и изменения давлений в молочной и управляющей камерах.

, (10)

где — жёсткость мембраны.

После подстановки уравнений расходов воздуха через соответствующие дроссели в уравнения (1), последующих дифференцирования, линеаризации и преобразований были получены уравнения, описывающие динамику регулятора:

; (11).

(12).

; (13).

; (14).

(15).

где T₁, T₂, T₃, T₄ — постоянные времени камер регулятора; k₁, k₂, k₃, k₄ — передаточные коэффициенты; u_Cвых — выходное напряжение на емкостном датчике; u_вх — управляющий сигнал — напряжение, подаваемое на катушку электромагнитного клапана (узла «сопло — заслонка»).

Постоянные времени и передаточные коэффициенты уравнений (11−15) зависят от конструктивных параметров и могут быть вычислены по выражениям:

(16).

где «0» в индексах физических величин означает начальные условия интегрирования.

Полученное математическое описание процессов в регуляторе позволяет вычислять постоянные времени и коэффициенты уравнений, за исключением проводимости дросселя б₄, имеющего ступенчатую характеристику. Из анализа уравнений (10) — (13) также следует, что между управляющей и молочной камерой существует обратная связь, обусловленная взаимным изменением объёмов управляющей и молочной камер.

Для подтверждения адекватности полученной модели регулятора, а также установления некоторых коэффициентов уравнений был изготовлен макетный образец регулятора, и выполнены его исследования на разработанной экспериментальной установке (рисунок 3).

Из уравнений (11) и (12) видно, что при постоянных конструктивных параметрах, изменять давление p_м в подсосковой камере можно, меняя проводимость дросселя б₄ — узла «сопло — заслонка». Очевидны два варианта регулирования проводимости узла «сопло — заслонка»: аналоговый (за счёт плавного открывания и закрывания заслонки) и дискретный (за счёт периодического открывания заслонки, например электромагнитом, путём управления частотой открывания заслонки f).

Аналоговый способ регулирования вакуума предъявляет более жёсткие требования к качеству изготовления узла «сопло — заслонка», к особой конструкции клапана, также следует учитывать, что пружина, удерживающая заслонку в закрытом состоянии, со временем меняет свои характеристики, что приведёт к дополнительным погрешностям регулирования. Дискретный способ предпочтительнее, поскольку устраняет вышеуказанные недостатки и обеспечивает более плавное регулирование глубины вакуума в подсосковой камере. В этом случае при u_вх = const уравнение (12) примет вид.

(17).

Рисунок 3. Экспериментальная установка для исследований статических и динамических характеристик электромагнитного регулятора вакуума: 1 — вакуумная установка агрегата индивидуального доения АИД-2; 2 — вакуумный баллон; 3 — регулирующий клапан; 4 — вакуумметр; 5 — ёмкость для молока; 6 — гибкий трубопровод; 7 — регулятор вакуума; 8 — электропривод регулятора; 9 — датчик расхода молока; 10 — регулируемый досель б₅; 11 — регулирующий кран; 12- ёмкость с молоком; 13 — датчик вакуумметрического давления; 14 — электронный осциллограф; 15 — генератор гармонических колебаний; 16 — запирающий электромагнитный клапан; 17 — вентиль регулирования потока жидкости; 18 — ёмкостный датчик; 19 — мультиметр; 20 — блок питания с таймером; 21 — ЭВМ.

где k7 — передаточный коэффициент, связывающий изменение давления в управляющей камере с частотой управляющего сигнала; f — частота управляющего сигнала uвх.

Теоретическая зависимость напряжения на обкладках емкостного датчика (уравнение (14)) может быть определена по выражению.

(18).

где U — напряжение питания датчика; щ — частота подаваемого напряжения; R — величина сопротивления добавочного резистора емкостного датчика; x — расстояние между обкладками емкостного датчика.

Полученные экспериментальные зависимости (рисунок 4) подтверждают возможность плавного регулирования глубины вакуума в молочной и подсосковой камере доильного стакана посредством изменения частоты управляющего сигнала, без значительной зависимости от расхода молока.

Рисунок 4. Зависимости глубины вакуума в молочной камере от частоты управляющего сигнала электромагнитного клапана P'_м = ц (f): 1 — при G =7,5 г/с; 2 — при G =9,1 г/с; 3 -при G =10,39 г/с; 4 — при G =11 г/с; 5 — при G =13 г/с.

При проведении экспериментальных исследований была установлена зависимость величины перемещения мембраны от расхода молока x = ц (G) электромагнитного регулятора вакуума в подсосковой камере доильного стакана (рисунок 5). Результаты эксперимента показали, что зависимость перемещения мембраны x от расхода молока близка к линейной при принятой форме молочного клапана и в рабочей области описывается уравнением x = -0,275G+8,0167, коэффициент детерминации R²=0,9734.

Рисунок 5. Зависимость перемещения мембраны от расхода молока x = ц (G).

Установлена также зависимость выходного напряжения на обкладках емкостного датчика от расхода молока G, U_Свых = ц (G) (рисунок 6).

Результаты эксперимента показали, что напряжение U_Свых имеет полиномиальную зависимость от расхода молока G и описывается уравнением U_Свых = - 0,0002G² — 0,0085G + 1,9147, коэффициент детерминации R²= 0,9691.

На основании полученных исследований сделаны следующие выводы.

Рисунок 6. Зависимость выходного напряжения на обкладках емкостного датчика от расхода молока UСвых = ц (G).

Полученное математическое описание статики и динамики регулятора вакуума в подсосковом пространстве доильного стакана можно использовать для оптимизации его параметров и режимов работы, а также получения его компьютерной модели.

Подтверждена экспериментально возможность регулирования вакуума посредством изменения частоты дросселирования воздуха в управляющую камеру регулятора. Установлено также, что по выходному сигналу емкостного датчика перемещения мембраны в процессе регулирования можно контролировать интенсивность молоковыведения и использовать полученную информацию при управлении САУ доением.

регулятор вакуум пневматический.

• 1. Винников И. К. Технологии, системы и установки для комплексной механизации и автоматизации доения коров / И. К. Винников, О. Б. Забродина, Л. П. Кормановский: Под ред. Л. П. Кормановского. — Зерноград, 2001. — 354 с.
• 2. Забродина О. Б. Доильный аппарат как объект управления // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2001. № 11.
• 3. Забродина О. Б. Обоснование способа адаптивного управления процессом доения коров / О. Б. Забродина, О. И. Мартыненко // Механизация, электрификация животноводства, растениеводства. 2010. № 1.
• 4. Машлякевич А. А. Обоснование выбора датчика контроля перемещения мембраны регулятора вакуума для адаптивной САУ доения // Инновации в сельском хозяйстве 1(6)/2014: сборник научных трудов по материалам всероссийской научно-практической конференции ВИЭСХ. — М., 2014
• 5. Машлякевич, А. А. Регулятор вакуума под соском для адаптивной САУ доением коров // Современные проблемы освоения новой техники, технологий, организации технического сервиса в АПК: Материалы Международной научно-практической конференции, посвящённой 60-летию Белорусского государственного аграрного технического университета и памяти первого ректора БИМСХ (БГАТУ), доктора технических наук, профессора В. П. Суслова (Минск, 4−6 июня 2014 г.). В 2 ч. Ч.2 / Под общей ред. И. Н. Шило, Н. А. Лабушева. — Минск: БГАТУ, 2014.
• 6. Патент № 2 315 473 U1, МПК, А 01 J 5/01. Способ измерения расхода молока и устройство для его осуществления / О. Б. Забродина, С. А. Моренко (РФ) — № 2 005 229 218/28; заявл. 21.06.2005; опубликовано 01.07.2008, Бюл. № 34.
• 7. Ужик В. Ф. Управление режимами доения адаптивными доильными аппаратами // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2008. Т. 18, № 4.