Automation of the test bench for experimental research of the local air cooler of the vehicle driver

Full Text

Как указывается в публикации [1], для нормализации теплового состояния водителей транспортных средств (тракторов, строительно-дорожных машин, грузовых автомобилей, автобусов и др.) создан локальный водоиспа-рительный охладитель с орошаемой насадкой, рассчитанный на подачу воздуха 125 м3/ч (нормальный режим) и 100 м3/ч (пониженный режим) с глубиной его охлаждения, характеризующейся температурным коэффициентом эффективности Еа = 0,66. Однако в результате экспериментальной оценки функциональных качеств опытной модели такого воздухоохладителя в лабораторных и натурных условиях было установлено [2], что его указанная производительность L не в полной мере отвечает перспективному направлению [3] в части удовлетворения возможно большего числа людей с помощью такого индивидуального аппарата. В работе [4] проведен анализ выявления причины этого функционального недостатка воздухоохладителя и выявлено, что для выполнения рекомендаций [5] в части эффективного использования единого аппарата на практике его подача L воздуха должна иметь бесступенчатую (плавную) регулировку от 68 до 120 м3/ч, исходя из субъективной реакции операторов -мужчин и женщин с расчетной массой тела тч = 60...90 кг, от которой зависит его тепловыделение Q (табл. 1). Помимо учета этой особенности функционирования аппарата при выборе его производительности необходимо иметь в виду, что он должен эксплуатироваться в климатических зонах страны при различной наружной температуре воздуха, которая в реальных условиях в течение дневной рабочей смены существенно колеблется. Это обстоятельство будет влиять на функционирование комплекса «оператор -воздухоохладитель», что обусловливает необходимость проведения специального экспериментального исследования для выявления функциональной связи между t и L при наличии здесь управляющего параметра Отметим, что во всех случаях функционирования локального аппарата должно быть выдержано условие: значение температуры открытой поверхности тела человека сохраняется постоянным t = 35 °С, что свидетельствует о нормализации его теплового состояния [2]. В связи с изложенным для проведения соответствующего экспериментального исследования необходимо создать специальный лабораторный стенд, отражающий специфику функционирования комплекса «оператор - воздухоохладитель». Известные лабораторные установки [6-8] для исследования водоиспарительных аппаратов решают относительно простую задачу -при заданных базовых значениях подачи L воздуха и изменении его начальной температуры t в определенных пределах оценивается эффективность Еа охлаждения этого воздуха. Сама же лабораторная установка выполняется в виде разомкнутой аэродинамической трубы, снабженной такими основными элементами, как электронагреватель воздуха, подаваемого на обработку в исследуемый аппарат, вентилятор переменной производительности и приборы для оценки расхода воздуха и его температуры по сухому и мокрому термометрам. Как показала практика, при ручном управлении стендом процесс исследования особых трудностей не вызывал. В нашем же случае ситуация существенно усложняется по следующим причинам. Во-первых, указанный комплекс решает более углубленную задачу: для обеспечения постоянной температуры t = 35 °С имитатора тепловыделений Q организма человека при их различных базовых значениях и переменной температуре t обрабатываемого воздуха требуется определить соответствующую необходимую величину его подачи L. 3 < ш о Во-вторых, автоматизированный комплекс более сложен в конструктивном отношении, поскольку должен быть оборудован вычислительным устройством, например персональным компьютером (ПК), и содержать следующие элементы: • локальный воздухоохладитель (ЛВ) - объект исследования; • устройство для измерения расхода воздуха (УРВ); • электровентилятор (ЭВ); • блок питания электровентилятора с ручным управлением (ПЭР); • автоматический привод регулятора подачи воздуха (ПРВ); • электронагреватель обрабатываемого воздуха (ЭОВ); • блок питания с автоматическим регулятором электронагревателя (АРЭ); • имитатор тепловыделений организма человека (ИТЧ); • блок питания имитатора с ручным управлением (БПИ); • индикатор температуры; • усилитель сигнала. Для решения поставленной задачи прежде всего необходимо выбрать вид управления стендом, который зависит от роли исследователя в этом процессе, форм связи и функционирования системы, распределения информационно-управляющих параметров между исследователем и вычислительным устройством, а также средствами контроля и управления [9]. Соответствующий анализ показал, что в нашем случае следует применить систему, которая наряду со сбором информации обеспечивает выдачу необходимых команд исполнительному механизму в процессе протекания опытов. Здесь важная роль отводится вычислительному устройству, а исследователь контролирует и решает наиболее сложные в техническом отношении вопросы, которые по объективным причинам не следует возлагать на вычислительное устройство. В принятой нами управляющей системе с активным включением ПК исследователь осуществляет контроль и вмешивается в работу стенда только в тех случаях, когда из-за каких-либо обстоятельств нарушается алгоритм управления, и такая система согласно работе [9] носит название «супервизорная» - обладающая широкими возможностями и повышенной надежностью, поскольку ее работоспособность сохраняется при отключении компьютера. Как указывается в работе [10], в общем виде автоматизированное управление объектом включает в себя комплекс операций, необходимых для формирования соответствующих целенаправленных воздействий на управляемый объект: получение информации (контроль), выработка и принятие решений (анализ), реализация управляющих воздействий (исполнение). Если операции получения информации и реализации управляющих воздействий здесь осуществляются автоматически, то для операций выработки и принятия решений необходимо найти рациональный алгоритм их выполнения. В нашем случае целью управления является определение L при t = const и переменных Q и t. Как следует из данных табл. 1, массив Q имеет восемь значений (149; 167; 168; 190; 196; 214; 224 и 252 Вт). В соответствии с рекомендациями Г.В. Веденяпина [11] количество базовых значений Q в эксперименте может быть сокращено до пяти (должно быть не менее четырех), и по правилу округления чисел получим базовые Q = 150; 175; 200; 225; 250 Вт. Что же касается t, то в соответствии с практикой исследований [6, 7] принимаются базовые значения t = 25; 30; 35; 40 °С. Таким образом, система управления должна обеспечить функционирование стенда в двадцати вариантах сочетания возмущающих воздействий Q и t. Тогда на логическом уровне [10], который, по существу, отражает функционирование системы в ручном режиме управления, должно быть обеспечено следующее. Каждый опыт в эксперименте характеризуется двумя возмущающими воздействиями. В первую очередь, это задаваемая оператором вручную базовая величина Q,, а во-вторых (при сохранении Q) - дополнительное воздействие на систему - последовательное (поочередное) через определенные промежутки времени -температуры воздуха t с четырьмя указанными выше значениями, также задаваемыми оператором вручную в начальный момент, которое далее поддерживается на постоянном уровне с помощью соответствующего автоматического устройства. Следовательно, система автоматизированного управления должна обеспечивать раздельное функционирование пяти (по числу базовых QT) идентичных по содержанию вполне самостоятельных режимов, сочетающих комбинацию своей базовой Q = const и переменной базовой t. Таким образом, при постоянном, поддерживаемом ав- томатом значении температуры t имитатора поверхности тела человека и возмущающем воздействии базовых значений тепловой нагрузки Q = 150; 175; 200; 225; 250 Вт и температуры обрабатываемого воздуха t = 25; 30; 35; 40 °С эксперимент должен включать в себя двадцать режимов сочетаний Q и t. По результатам пятикратного повторения опыта на каждом режиме [11] получим массив осреднен-ных значений соответствующего выходного параметра L, что отражено в табл. 2. Исходя из изложенного и на основе рекомендаций работы [9] можно сформировать структурную схему автоматизированной системы управления стендом, представленную на рис. 1. В систему управления, как ее составляющая, входит подсистема автоматизированного контроля, программу функционирования которой задает вычислительное устройство. Съем информации здесь осуществляется с датчиков, измеряющих параметры объекта управления. В нашем случае - это датчики измерения температуры Д1 и Д4. Коме этого в подсистеме контроля имеются так называемые «терминальные устройства» [9], предназначенные для выдачи информации о состоянии объекта управления в виде, удобном для восприятия исследователем, каковыми являются устройство для измерения расхода воздуха УРВ (контроль при промежуточном наблюдении и получении конечного результата), устройство для измерения задаваемой электрической (тепловой) мощности имитатора тепловыделения человека, датчики температуры воздуха Д2 и Д3. Особые требования здесь предъявляются к выбору датчика температуры. Он должен обладать такими качествами, как необходимая точность, надежность, совместимость с микропроцессорными устройствами информации, а так же приемлемыми массой, габаритными размерами и стоимостью изделия [10]. В этом плане может быть принят впускаемый в нашей стране цифровой термостат STH0024UY-v3 с встроенными микропроцессором и выносным датчиком температуры, характеристики которого представлены в табл. 3. Модулем задаются температура и режим тестирования (нагрев или охлаждение), в зависимости от которого замыкаются или размыкаются контакты встроенного в нем реле при понижении или повышении измеряемой температуры с учетом гистерезиса. Настройка модуля и режима тестирования сохраняется в его энергозависимой электронной памяти, что дает возможность осуществить в системе основную часть управления, не прибегая к помощи компьютера. Вместе с тем в модуле 3 < Ш IB CD О X 3 < ш о имеются контакты ICP для дополнительной с ним связи. На рис. 2 показан общий вид изготовленного применительно к нашему стенду моноблока из четырех указанных модулей, в котором размещен необходимый преобразователь с переменного тока напряжением 220 В на постоянное напряжение 12 В. Для обеспечения функционирования системы в автоматизированном режиме управления она оснащена соответствующими специальными приводными механизмами. Так, исполнительный механизм ЭОВ в виде лабораторного автотрансформатора снабжен АРЭ с приводным редуктором с реверсивным электродвигателем, а исполнительный механизм РПВ в виде поворотной заслонки в воздуховоде оборудован автоматическим регулятором с приводным редуктором с шаговым электродвигателем. Для имитации тепловыделений человека в установке применен проволочный электронагреватель, размещенный в выходной части воздуховода - диффузора, поперечные размеры которого в месте размещения электронагревателя соответствуют площади «пятна контакта» области голова - грудь тела человека по рекомендации публикации [12]. Рассчитаны значения напряжения V и тока J для обеспечения его электрической (тепловой) мощности W соответствующей базовым Q,, что отражено в табл. 4. Контроль значений V осуществляется по показаниям цифрового индикатора на ручном регуляторе электрической мощности имитатора, а контроль величины тока J - с помощью тестера. Оценка расхода воздуха L на стенде производится в соответствии с ГОСТ 10921-90 с помощью микроманометра МКВ-250 [13], измеряющего давление во входном, снабженном соплом Вентури воздуховоде вспомогательного вентилятора, по значению которого и рассчитывается L. Общий вид автоматизированного стенда представлен на рис. 3 (здесь условно не показан персональный компьютер). Работа стенда происходит следующим образом. Оператор-исследователь приводит в действие воздухоохладитель 21, включив имеющиеся у него тумблеры водяного насоса и нормального режима подачи воздуха. Затем запускается электровентилятор 5 стенда, и с помощью регулятора включенного в сеть 220 В блока-выпрямителя питания 10 при наполовину открытом вручную положении поворотной заслонки в воздуховоде 24 устанавливается первоначальный расход воздуха в системе на уровне нормального у воздухоохладителя -Lmx = 125 м3/ч, который контролируется по показаниям микроманометра 9. Приводятся в действие цифровые термостаты путем включения в сеть 220 В моноблока 12. Затем запускается в работу имитатор 19 тепловыделений человека, в электронагреватель которого от регулятора 13 подается напряжение и ток, обеспечивающий по табл. 4 максимальную базовую мощность 250 Вт, устанавливаемую ручным управлением. Включенным в сеть 220 В регулирующим агрегатом 11 вручную достигается максимальная исходная базовая t = 40 °С обрабатываемого воздуха (контролируется по показанию цифрового индикатора модуля 1 на рис. 2). .а X 3 < ш о Подчеркнем, что при указанной предварительной настройке работы стенда регуляторы в агрегатах 11 и 25 находятся в режиме ручного управления. По истечении какого-то времени система достигнет установившегося теплового состояния (постоянство величин расхода L, температуры t и ?ч). При этом величины L и t должны соответствовать указанным выше принятым значениям 125 м3/ч и 40 °С. Однако это не касается t. Можно утверждать, что ее величина не будет соответствовать требуемому значению 35 °С при погрешности измерения ±0,5 °С (см. табл. 3). Следовательно, требуется дополнительное регулирование, чтобы при заданной постоянной <2ч = 250 Вт определить величину L, необходимую для обеспечения t. Для этого регуляторы в агрегатах 11 и 25 переводятся в режим автоматического управления, поскольку указанная величина t = 35±0,5 °С запрограммирована в термостате модуля 4 (см. рис. 2), равно как и введена в память соответствующего модуля температура t = 40±0,5 °С. В результате воздействия сигнала термостата, поддерживающего t, на агрегат 25 привода заслонки величина подачи воздуха L изменится в нужном направлении. Вместе с тем, это приведет к нежелательному отклонению величины t от заданного значения 40±0,5 °С. Однако другой термостат, поддерживающий t, подаст необходимый сигнал в регулирующий агрегат 11, в результате чего изменится тепло-производительность электронагревателя 27, но это может оказать негативное влияние на t. ч Тогда произойдет очередное воздействие сигнала термостата для t на агрегат 25 привода заслонки, а за ним - очередное отклонение величин L и t, и так далее при уменьшении размаха колебаний указанных отклонений. Такой колебательный процесс затухания величин будет продолжаться до тех пор, пока не наступит условие стабилизации L при <2ч =250 Вт, t = 35±0,5 °С и t = 40±0,5 °С. чч Сокращению времени достижения стабилизации процесса с одновременным исключением явления перерегулирования способствует импульсное (порционное) воздействие на поворотную заслонку в воздуховоде 24 и агрегат 11. Оно заключается в выполнении команды «импульс - пауза - импульс», заложенной в программе персонального компьютера и проходящей оттуда не соответствующий привод исполнительного органа, как это показано на рис. 1. Отметим, что положительную роль здесь играет наличие шагового электродвигателя в приводе заслонки. После окончания указанного стартового эксперимента и фиксирования исследователем полученных результатов далее при <2ч = 250 Вт завершается подобным образом начальная серия опытов при остальных базовых t = 35; 30; 25 °С. Затем проводятся последовательно другие серии опытов при остальных <2ч = 225; 200; 175; 150 Вт и указанных базовых температурах t = 40; 35; 30; 25 °С. В нашем случае в каждой серии опытов имеет место периодическая связь автоматических регуляторов с управляемыми параметрами. Это относится к регуляторам прерывистого действия, и здесь важным является определение и назначение в программе компьютера продолжительности паузы T, т.е. времени действия установки при достигнутой подаче воздуха L в промежутке между двумя импульсами включения регулируемого органа. Поскольку определить расчетным путем величину T не представляется возможным из-за сложности протекания в системе нестационарного теплового процесса, то следует использовать информацию о том, что если исполнительный орган в системе регулирования воздухоохлаждения и вентиляции будет открытым в течение 120 секунд, то можно обеспечить стабилизацию ее работы. Это принято нами к реализации. При разработке программы персонального компьютера в нашем случае (помимо обычного сбора и хранения информации по результатам эксперимента) на него возлагается относительно простая для соответствующих специалистов задача по обеспечению функции «импульс - пауза - импульс». Основная же нагрузка по обеспечению автоматизированного управления стендом ложится на термостаты STH0024UY-v3. По завершении всего комплекса экспериментов проводится обработка полученных по табл. 2 данных, дается оценка их сходимости с расчетными значениями L, а также выделяется (уточняется) функциональная связь между t и L на основе построения и анализа соответствующих графиков зависимости L от t при каждой <2ч = const. При контрольной экспериментальной проверке функциональных качеств стенда выявлено следующее. В ручном режиме управления стабилизация показаний t, t и L на заданном уровне связана с большой эмоциональной и физической нагрузкой оператора, поскольку он должен почти непрерывно следить за ними и в какой-то мере интуитивно воздействовать на изменяющие их механизмы. При этом нерационально тратится значительное время на достижение необходимого результата. Автоматизированное управление может практически полностью освободить оператора от излишних манипуляций, и он лишь через определенные промежутки времени (не чаще тех же 120 секунд) контролирует показания приборов, не вмешиваясь в работу стенда. Это снимает его эмоциональную и физическую нагрузку, причем вследствие исключения излишних манипуляций органами управления время эксперимента сократится.

About the authors

V. A Mikhaylov

Moscow Polytechnic University

Email: avt@mami.ru
DSc in Engineering

E. V Klimova

Moscow Polytechnic University

Email: avt@mami.ru

References

Supplementary files