Разработка автоматической системы регулирования температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов

Разработка автоматической системы регулирования температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Власенко Ольга Михайловна

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Ефремов Владимир Васильевич

Москва - 2009

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Во многих видах деятельности людей, связанных с освоением океана погружение человека на глубину - наиболее эффективный и универсальный метод выполнения подводных работ, несмотря на риск и большую стоимость водолазных спусков.

Задача увеличения эффективности работы человека под водой требует постоянного совершенствования водолазного снаряжения и обогреваемой спецодежды с целью обеспечения теплового комфорта человеку, работающему в экстремальных условиях, таких как большая глубина погружения, повышенное давление, низкие температуры окружающей среды. При этом спецодежда для глубоководных погружений помимо обогрева тела должна выполнять функцию ингаляционного обогрева водолаза.

Настоящая диссертационная работа продолжает научные изыскания в области создания и совершенствования обогреваемой спецодежды для водолазов, проводимых c 1964 года на кафедре автоматики Московского государственного университета дизайна и технологии (в прошлом Московский технологический институт легкой промышленности, Московская государственная академия легкой промышленности).

Анализ проводимых в области обогреваемого снаряжения исследований показал, что область малогабаритных водонагревателей дыхательной смеси в составе автоматической системы регулирования (АСР) температуры является малоизученной и требует дальнейших исследований, а проблема разработки АСР температуры дыхательной смеси для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов на базе водонагревателя является актуальной на сегодняшний день, и для ее решения требуются теоретические и практические исследования. При этом основное назначение таких систем - поддержание необходимой температуры дыхательной смеси при компенсации основных возмущающих воздействий в диапазоне рабочих глубин глубоководных погружений при возможных изменениях температуры окружающей среды.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является решение важной научной задачи по совершенствованию теории, методов проектирования и средств реализации АСР температуры дыхательной смеси на базе водонагревателя для обогреваемой спецодежды глубоководных водолазов.

Для достижения поставленной цели решены следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Изучены особенности теплофизических процессов человека при работе на большой глубине и разработаны требования к элементам системы ингаляционного обогрева для водолазной спецодежды.

2. Исследованы существующие обогревающие системы для водолазной спецодежды и теоретически обоснована необходимость усовершенствования отдельных ее элементов, в частности нагревателей дыхательной смеси.

3. Исследованы возмущающие воздействия, действующие на АСР температуры дыхательной смеси в водолазной спецодежде, и определены пути их компенсации.

4. Разработан водонагреватель дыхательной смеси (ВДС) для обогреваемой спецодежды глубоководного водолаза, проведено его теоретическое и экспериментальное исследование как элемента АСР температуры.

5. Разработаны АСР температуры дыхательной смеси с непрерывным и релейным регулированием на базе водонагревателя для обогреваемой спецодежды глубоководного водолаза.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлено на основе методов математического моделирования, планирования эксперимента, математической статистики, использования приближенных методов решения дифференциальных уравнений, на базе широкого использования ЭВМ.

Научная новизна.

1. Разработана оригинальная методика определения теплофизических параметров дыхательной смеси, позволяющая более точно регулировать температуру вдыхаемой дыхательной смеси в независимости от ее состава и глубины погружения.

2. Разработана новая методика оценки влияния возмущающих воздействий на АСР температуры дыхательной смеси водолаза.

3. Разработана новая методика расчета конструкции ВДС для водолазной спецодежды.

4. Впервые получена математическая модель температурных процессов в ВДС как в системе с распределенными параметрами.

5. Впервые получены эмпирические зависимости коэффициента теплопередачи от теплоносителя к дыхательной смеси в ВДС и мощности, передаваемой от ВДС, от глубины погружения.

6. Разработана двухконтурная АСР температуры дыхательной смеси на базе водонагревателя с управляющим воздействием по мощности устройства нагрева воды.

7. Разработана оригинальная методика определения требуемых значений коэффициента усиления регулятора в АСР с непрерывным регулированием.

8. Впервые исследована комбинированная АСР температуры дыхательной смеси с двухпозиционным управлением потоком теплоносителя.

Практическая значимость

1. Разработан более компактный, чем применяемый ранее, водонагреватель дыхательной смеси.

2. Предложенная методика оценки возмущающих воздействий позволяет более точно рассчитывать температурные процессы дыхательной смеси, определять величину требуемой компенсирующей мощности нагревателя смеси и минимизировать размеры основных элементов АСР.

3. Разработанные методики расчетов и математическая модель температурных процессов ВДС позволяет на ЭВМ рассчитывать параметры элементов АСР, типы и параметры настроек регуляторов, повысить точность регулирования температуры дыхательной смеси, что существенно ускоряет процесс проектирования АСР, и снижает расходы на дорогостоящие экспериментальные проверки.

4. Основные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Московского государственного университета дизайна и технологии.

Апробация и реализация научных результатов. Материалы работы докладывались и обсуждались на научной конференции ''Молодые ученые - XXI веку'' в МГУДТ в апреле 2003 г., на Межвузовской научно-технической конференции "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности" (ПОИСК-2003) в ИГТА (Иваново) в 2003 г., на Международной научной конференции ''Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека'' в МГУДТ в 2002 г., на Межвузовской научно-технической конференции: «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» в РЗИТЛП (Москва) 12-13 мая 2004 г. Они опубликованы в сборниках научных трудов МГУДТ и в научных журналах. Проведение экспериментов и внедрение результатов работы проводилось на базе кафедры автоматики МГУДТ, Института медико-биологических проблем, в НИИ 40.

По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ из них 1 статья опубликована в издании, рекомендуемом ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 64 наименований, десяти приложений. Работа содержит 160 страниц основного текста, 36 рисунков, 28 таблиц.

Краткое содержание работы

В первой главе исследованы особенности теплофизических процессов человека при работе на глубине, а именно, влияние условий глубоководного водолазного спуска на человека, в том числе на дыхательную систему водолаза. Показано, что для обеспечения теплового комфорта на глубине водолазу помимо обогрева одеждой необходим ингаляционный обогрев. Определены требования к элементам системы ингаляционного обогрева в водолазной спецодежде, а также к АСР температуры дыхательной смеси глубоководного водолаза. Исследованы существующие обогреваемые системы в водолазной спецодежде: типы обогрева спецодежды для глубоководных водолазных спусков, системы ингаляционного обогрева водолазов, разновидности конструкций нагревателей смеси в системах ингаляционного обогрева. Дано теоретическое обоснование необходимости усовершенствования отдельных элементов обогреваемой системы в водолазной спецодежде, в частности водонагревателей дыхательной смеси, а также разработки и исследования АСР температуры смеси на его основе.

Во второй главе проведено исследование основных возмущающих воздействий, действующих в системе ингаляционного обогрева глубоководного водолаза. Выделено пять наиболее значимых возмущающих факторов: изменение температуры окружающей воды, изменение давления смеси в зависимости от глубины погружения, изменение состава смеси, а, следовательно, ее плотности, теплоемкости и теплопроводности, изменение среднего расхода дыхательной смеси и нестационарность потока дыхательной смеси, обусловленная неравномерностью дыхания человека. Основное назначение АСР температуры дыхательной смеси в условиях действия вышеперечисленных возмущений - поддержание температуры смеси на заданном уровне.

Структурная схема зависимости изменения мощности, передаваемой от нагревателя к смеси, называемой далее по тексту, мощность нагревателя смеси, необходимой для компенсации отклонения температуры дыхательной смеси, от вышеперечисленных возмущающих воздействий представлена на рисунке 1.

Разработана оригинальная методика определения теплофизических параметров дыхательной смеси в зависимости от глубины погружения.

Выражение для определения плотности смеси имеет вид:

,(1)

где r_i - доля i-го компонента в смеси; M_i - молярная масса, кг/моль i-го компонента в смеси, Р_см - давление смеси, Па; _см - средняя температура смеси в нагревателе, К.

Выражение для определения массовой удельной теплоемкости смеси имеет вид:

(2)

где С_i - молярная теплоемкость i-го компонента в смеси, Дж/мольК.

Выражение для расчета теплопроводности смеси имеет вид:

,(3)

где а - табличный коэффициент, зависящий от мольной доли более легкого компонента смеси (гелия).

Для оценки влияния возмущений на систему ингаляционного обогрева получено соотношение, которое связывает мощность нагревателя смеси, требуемую для нагрева дыхательной смеси до заданной температуры, с основными возмущающими воздействиями:

, (4)

где V - средний объемный расход смеси, м³/с; ₁ и ₂ - температура смеси соответственно на входе и выходе нагревателя, К.

Впервые получен комплексный коэффициент глубины, который позволяет экспериментально моделировать и исследовать процесс изменения давления дыхательной смеси с учетом изменения ее состава, плотности и удельной теплоемкости в зависимости от глубины погружения на установке с использованием воздуха вместо дорогостоящих газов:

, (5)

здесь с₀ и ₀ - соответственно удельная теплоемкость и плотность смеси (воздуха), соответствующие глубине 0 м.

Полученный комплексный коэффициент глубины используется при оценке влияния каждого возмущающего воздействия на АСР температуры дыхательной смеси.

Расчетные значения теплофизических параметров дыхательной смеси, требуемой мощности нагревателя смеси и комплексного коэффициента глубины для глубин погружения 0-300 м приведены в табл.1.

Таблица 1. Значения теплофизических параметров дыхательной смеси, требуемой мощности нагревателя смеси и комплексного коэффициента глубины для глубин погружения 0-300 м.

Глубина погружения Н,м	Состав смеси	Давление смеси Рсм, Па	Уд. теплоемкость смеси ссм, Дж/кгК	Плотность смеси см, кг/м3	Теплопроводность смеси см, Вт/мК	Мощность нагревателя смеси Q, Вт	Компл. Коэффициент глубины, k*гл
	Доля гелия	Доля кислорода
0	0	1	105	918.75	1.314	0.025	19	1
50	0.8	0.2	6105	2354	2.365	0.109	89	4.6
80	0.9	0.1	9105	3199	2.512	0.131	129	6.7
150	0.93	0.07	16105	3607	3.915	0.139	226	11.7
200	0.95	0.05	21105	3949	4.655	0.143	294	15.2
300	0.97	0.03	31105	4371	6.159	0.15	431	22.3

Получены соотношения, связывающие каждый возмущающий фактор с мощностью нагревателя дыхательной смеси, необходимой для его компенсации.

Для компенсации влияния изменения температуры окружающей среды и, как следствие, температуры входящей смеси требуется затратить мощность:

, (6)

где k₁=с₀₀V₀. V₀ - средний расход смеси на глубине 0 м.

Для компенсации изменения давления окружающей воды и, как следствие, давления смеси требуется затратить мощность:

, (7)

где , k_с= С_ir_i.

Для компенсации изменения тепловых параметров смеси необходимо затратить мощность: ,(8)

где k₃=с₀₀V₀ (₂ - ₁).

Изменение мощности нагревателя смеси пропорционально изменению среднего расхода дыхательной смеси с коэффициентом k₄k_гл^*, где k₄=с₀₀ (₂-₁) - постоянный коэффициент:(9)

Влияние нестационарности потока дыхательной смеси на мощность нагревателя дыхательной смеси учитывается соотношением:

, (10)

где

Полученные соотношения (6)-(10) позволяют оценить влияние основных возмущений на мощность нагревателя смеси, а, следовательно, и на температуру дыхательной смеси на выходе нагревателя. Комбинирование полученных соотношений для возмущающих воздействий позволяет использовать их при синтезе АСР температуры дыхательной смеси, построенной по принципу регулирования по возмущению и отклонению, поддерживающей температуру дыхательной смеси на заданном уровне в независимости от ее состава, расхода, глубины погружения и температуры окружающей среды.

Третья глава посвящена разработке и исследованию водонагревателя дыхательной смеси (ВДС) для водолазной спецодежды как элемента АСР температуры смеси.

Методика расчета конструкции водонагревателя дыхательной смеси (ВДС) основана на определении мощности необходимой для нагрева смеси до требуемой температуры по формуле (4) для максимальной глубины погружения (300 м) и заданного среднего расхода дыхательной смеси (30 л/мин). Зная требуемую мощность, определяется необходимая площадь теплопередачи, которая определяет конструкцию нагревателя. Ограничение на конструкцию водонагревателя смеси накладывает техническое требование - сопротивление дыханию водолаза, которое оказывает водонагреватель дыхательной смеси не должно превышать 98 Па.

Разработана экспериментальная модель водонагревателя дыхательной смеси, главным элементом которого является теплообменник. Конструкция теплообменника представлена на рисунке 2. Основным элементом конструкции теплообменника являются медные трубки 2, по которым проходит дыхательная смесь. Трубки закрепляются в основаниях из фторопласта 1. Для гидроизоляции на основания 1 наносится слой компаунда 6. Для подачи и вывода воды из внутреннего корпуса теплообменника 4 предусмотрены трубки 3. Теплоизоляция теплообменника осуществлена утеплителем 5. Вся конструкция помещается во внешнем корпусе 7.

Определены коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя (воды) к трубкам теплообменника, от трубок к дыхательной смеси, полный

коэффициента теплопередачи и мощность ВДС, передаваемая дыхательной смеси, при вынужденном движении смеси и при отсутствии потока смеси через теплообменник для глубин погружения 0-300м и температур теплоносителя 50-80С при среднем расход смеси через теплообменник 30 л/мин.

Анализ полученных значений для требуемой мощности ВДС и мощности ВДС, передаваемой от теплообменника дыхательной смеси, показал, что для нагрева потока дыхательной смеси в 30 л/мин до температуры 36°С на глубинах до 80 м, достаточно подавать в теплообменник теплоноситель с температурой 60С; на глубинах до 150 м температура теплоносителя должна быть не менее 70С; на глубинах до 200 м не менее 80С и на глубинах 300 м более 80С.

Проведено теоретическое исследование ВДС как элемента АСР температуры дыхательной смеси. ВДС представляет собой систему, состоящую из устройства нагрева воды (УНВ), нагревающим элементом которого является тэн, теплоносителя (воды), теплообменника (ТО) и дыхательной смеси (газ) (рис.3).

Основное управляющее воздействие - мощность питания УНВ Q_пит. Выходная величина - температура дыхательной смеси на выходе

теплообменника _г.

Впервые получены математические модели температурных процессов элементов ВДС как системы с распределенными параметрами: рассмотрены тепловые параметры воды на участке I-II с температурой _в2: температура воды в УНВ и соединительной трубке от УНВ к теплообменнику; и тепловые параметры воды на участке II-III с температурой _в1: температура воды в теплообменнике и соединительной трубке от теплообменника к УНВ. В этом случае учитывается теплоотдача воды в теплообменнике, что позволяет контролировать мощность ВДС, а, следовательно, температуру дыхательной смеси, с помощью разности температур _в2 и _в1.

Распределение тепловых мощностей в системе ВДС описывается следующими уравнениями теплового баланса:

Q_пит=Q_ак+ Q_нв, (12)

Q_нв= Q_ав+ Q_пот1+Q₂+ Q_пот2, (13)

Q₂= Q_в2+ Q_пот3+Q_в1+ Q_пот4, (14)

Q_в2= Q_аст+ Q_г, (15)

Q_г= Q_аг+ Q_см, (16)

где Q_пит - мощность, подводимая к тэну, Вт; Q_ак - мощность, аккумулируемая тэном при изменении его температуры, Вт; Q_нв- мощность, передаваемая от тэна к воде, Вт; Q_ав - мощность, затрачиваемая на изменение температуры воды, Вт; Q₂ - мощность, затрачиваемая на нагрев потока воды через УНВ и соединительную трубку, Вт; Q_пот1, Q_пот2 и Q_пот4, Q_пот3 - соответственно теплопотери через корпус УНВ, через стенки соединительных трубок, через корпус теплообменника, Вт; Q_в1 - мощность, затрачиваемая на изменение температуры воды в теплообменнике, Вт; Q_в2 - мощность, передаваемая от воды к трубкам теплообменника, Вт; Q_аст - мощность, аккумулируемая трубками теплообменника, Вт; Q_г - мощность, расходуемая на нагрев дыхательной смеси, Вт; Q_аг - мощность, аккумулируемая дыхательной смесью внутри трубок теплообменника, Вт; Q_см - мощность на нагрев дыхательной смеси, проходящей через теплообменник ВДС, Вт.

В результате подстановок выражений для мощностей в уравнения теплового баланса и ряда преобразований получили дифференциальные уравнения, описывающие температурные процессы в элементах ВДС с учетом начальных условий и приращений переменных во времени:

, (17)

, (18)

, (19)

, (20)

, (21)

где k_нв, Т_нв - коэффициент усиления и постоянная времени тэна; k_в и Т_в - коэффициент усиления и постоянная времени по температуре для воды на участке I-II; k_в1 - коэффициент усиления обратной связи по температуре для воды на участке I-II; k_вт и Т_вт - коэффициент усиления и постоянная времени по температуре для воды на участке II-III; k_ст1 - коэффициент усиления обратной связи по температуре для воды на участке II-III; k_ст и Т_ст - коэффициент усиления и постоянная времени по температуре для теплообменника; k_ос3 - коэффициент усиления обратной связи по температуре для теплообменника; k_г и Т_г - коэффициент усиления и постоянная времени по температуре для дыхательной смеси.

Основные передаточные функции, постоянные времени и коэффициенты усиления элементов ВДС приведены в таблице 2.

Таблица 2.Основные передаточные функции, постоянные времени и коэффициенты усиления элементов ВДС.

Передаточная функция по температуре для УНВ
Передаточная функция обратной связи по температуре для УНВ
Передаточная функция по температуре для воды на участке I-II
Передаточная функция обратной связи по температуре для воды на участке I-II.
Передаточная функция по температуре для воды на участке II-III
Передаточная функция обратной связи по температуре для воды на участке II-III
Передаточная функция по температуре для теплообменника
Передаточная функция обратной связи по температуре для теплообменника
Передаточная функция по температуре для дыхательной смеси

Приняты следующие обозначения: с_нв, _нв и V_нв - соответственно массовая удельная теплоемкость, Дж/кгК; плотность, кг/м³, и объем тэна, м³; _нв - температура на поверхности тэна, К; S_тв - площадь теплопередачи от тэна к воде, м²; _тв - коэффициент теплоотдачи от тэна к воде, Вт/м²К; m_в2 - масса воды в УНВ и соединительной трубке от УНВ к ТО, кг; с_в - удельная теплоемкость воды, Дж/кгК; где _в - плотность воды, кг/м³; V_в - объемный расход воды через УНВ и соединительную трубку, м³; S₁, S₂ - средние площади теплопередачи, м²; R₁, R₂ - суммарные термические сопротивления, м²К/Вт соответственно для корпуса УНВ и стенки соединительной трубки; _ос - температура окружающей среды, К; m_в1 - масса воды в теплообменнике и трубке от ТО к УНВ, кг; _вст и S_вст - соответственно коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К и площадь теплопередачи от воды к трубкам теплообменника, м²; S₃, S₄ - площади теплопередачи, м²; R₃, R₄ - суммарные термические сопротивления, м²К/Вт соответственно для корпуса ТО и стенки соединительной трубки; с_ст - удельная теплоемкость, Дж/кгК; _ст - плотность, кг/м³; V_ст - суммарный объем, м³, трубок теплообменника; _сг и S_сг - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К и площадь теплопередачи от трубки к дыхательной смеси, м²; _ст - температура трубки теплообменника, К; _гср - средняя температура дыхательной смеси, К; _г - температура дыхательной смеси на выходе теплообменника, К; с_г - удельная теплоемкость дыхательной смеси, Дж/кгК; m_г - масса дыхательной смеси внутри трубок теплообменника, кг: m_г=_гV_гв; _г - плотность дыхательной смеси, кг/м³; V_гв - суммарный объем дыхательной смеси внутри трубок теплообменника, м³; V_г - объемный расход дыхательной смеси через теплообменник, м³/с; С₁ - С₂ - коэффициенты теплопотерь:

, , ; ;,

На основе дифференциальных уравнений (17) - (21) составлена структурная схема ВДС, показанная на рисунке 4. За вход системы принято изменение мощности питания УНВ Q_пит, за выход изменение температуры дыхательной смеси на выходе теплообменника _г.

После проведения ряда преобразований структурной схемы, получена передаточная функция ВДС в параметрах:

,

где k_вс - коэффициент усиления объекта; а₁ - а₅ - коэффициенты числителя; b₁ -b₉ - коэффициенты знаменателя: (23)

, (24)

, (25)



,,(26)

где e_i, с_i, d_i - вспомогательные переменные.

Полученные выражения для динамических тепловых параметров элементов ВДС позволяют произвести компьютерное моделирование поведения ВДС как элемента АСР температуры для глубин погружения 0-300 м и температуры теплоносителя 50-80?С.

Методика расчета коэффициентов теплопотерь в окружающую среду через элементы ВДС: корпус УНВ С₁, стенки соединительных трубок С₂, С₄ и корпус теплообменника С₃ основана на применении уравнений подобия для конвективного теплообмена и позволяет произвести компьютерный расчет теплопотерь через элементы ВДС для температуры теплоносителя 50-80?С и, учитывая изменение температуры окружающей среды, для глубины погружения 0-300 м.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию тепловых процессов водонагревателя дыхательной смеси как элемента АСР температуры.

Функциональная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.

На схеме приняты следующие обозначения:

1 - ИП, источник питания; 2 - ЭД, электродвигатель вентилятора; 3 - ампервольтметр; 4 - вентилятор; 5 - прерыватель потока дыхательной смеси; 6 - УНВ, устройство нагрева теплоносителя (воды); 7 - теплообменник ВДС; 8, 9, 12-16 - термопары медь-константановые расположены в следующих точках: 8 - на стенке центральной трубки для смеси на входе теплообменника, 9 - на выходной трубке для теплоносителя, 12 - на стенке центральной трубки для смеси на выходе теплообменника, 13 - на стенке крайней трубки для смеси на выходе теплообменника, 14 - в воздухе напротив центральной трубки для смеси на выходе теплообменника, 15 - в воздухе напротив крайней трубки для смеси на выходе теплообменника, 16 - на входной трубке для теплоносителя; 10 - П, устройство для регистрации температуры (потенциометр); 11 - УС, усилитель сигналов от термопар.

Основной принцип экспериментального исследования ВДС заключался в том, что моделирование изменения глубины погружения производилось за счет изменения объемного расхода дыхательной смеси (воздуха) через теплообменник ВДС. Это допущение возможно за счет использования комплексного коэффициента глубины:

(27)

В результате эксперимента определены коэффициенты теплоотдачи от элементов ВДС, полный коэффициент теплопередачи ВДС и мощность ВДС, передаваемая от теплоносителя дыхательной смеси. Получены эмпирические линейные и нелинейные уравнения зависимости вышеперечисленных параметров от глубины погружения.

Линейные уравнения зависимостей позволяют рассчитать приближенные значения коэффициентов теплоотдачи, полного коэффициента теплопередачи и мощности ВДС для глубин до 100 м:

; (28)

; (29)

; (30)

. (31)

здесь Н - глубина погружения, м.

Нелинейные уравнения зависимостей позволяют рассчитать приближенные значения коэффициентов теплоотдачи, полного коэффициента теплопередачи и мощности ВДС для глубин до 300 м:

; (32)

; (33)

; (34)

. (35)

Сравнительный анализ линейных и нелинейных уравнений зависимостей показал, что значения тепловых параметров, полученные по нелинейным уравнениям, расходятся с экспериментальными в среднем на 5%, тогда как значения, полученные по линейным уравнениям, расходятся с экспериментальными в среднем на 12%, но они более просты в расчете. Полученные линейные и нелинейные уравнения зависимостей параметров ВДС от глубины погружений могут быть рекомендованы для использования в расчетах АСР температуры дыхательной смеси, при этом необходимо выбирать вид уравнения исходя из требуемой точности и простоты расчета.

Исследована зависимость температуры дыхательной смеси на выходе ВДС от глубины погружения при постоянных температуре теплоносителя и расходе смеси. Зависимость описывается линейным уравнением:

. (36)

Исследована зависимость температуры дыхательной смеси на выходе ВДС от температуры теплоносителя при фиксированной глубине погружения и постоянном расходе смеси через ВДС для глубин 0м и 64м. Зависимость описывается линейным уравнением:

при глубине погружения 0 м: , (37)

при глубине погружения 64 м: . (38)

Определены динамические параметры по температуре дыхательной смеси и теплообменника ВДС как звеньев АСР в зависимости от расхода смеси как аналога глубины погружения при непрерывном потоке дыхательной смеси. Результаты экспериментов показали, что изменение глубины погружения слабо влияет на динамические параметры по температуре теплообменника, тогда как постоянная времени и коэффициент усиления дыхательной смеси с увеличением глубины погружения уменьшаются.

В ходе эксперимента была получена переходная характеристика температуры дыхательной смеси на выходе теплообменника при ступенчатом изменении расхода смеси от 0 до 168 л/мин, что моделирует глубину погружения на 64м, и заданной температуре воды 60°С. В результате получены следующие параметры: T = 2.3 с, k = 0.4.

При аналогичных условиях экспериментально исследовано влияние периода подачи дыхательной смеси через ВДС на амплитуду колебания температуры смеси на выходе теплообменника. Зависимость имеет вид:

, (39)

где Т_а - период подачи дыхательной смеси (1 вдох-выдох), устанавливаемый с помощью прерывателя потока дыхательной смеси, с; ?? - амплитуда колебания температуры смеси на выходе центральной трубки теплообменника ВДС, °С.

Проведен анализ переходных процессов температуры дыхательной смеси на выходе ВДС при двухпозиционном релейном переключении потока теплоносителя при непрерывном и переменном потоках дыхательной смеси через ВДС. Колебания температуры смеси относительно среднего установившегося значения при постоянном расходе дыхательной смеси через ВДС составили 0.5-1.5°С, тогда как при переменном расходе дыхательной смеси 1-2°С.

По экспериментальной временной диаграмме автоколебательного процесса для постоянного расхода дыхательной смеси через ВДС методом замены экспонент секущими определена передаточная функция теплообменника ВДС с учетом запаздывания, обусловленного наличием датчика температуры и устройства для регистрации температуры:

. (40)

В пятой главе проведено исследование автоматической системы регулирования температуры дыхательной смеси с ВДС. Разработана и исследована двухконтурная АСР температуры дыхательной смеси с коррекцией по возмущению и отклонению на базе водонагревателя с регулированием температуры смеси путем изменения мощности нагревателя теплоносителя (рис.6).

На рисунке 6 приняты следующие обозначения: x(t) - заданная температура вдыхаемой дыхательной смеси; y(t) - текущая температура вдыхаемой дыхательной смеси; f(t) - возмущающие воздействия, определенные в главе 2: f(t)=Q₁(t)+Q₂(t)+Q₃(t)+Q₄(t)+Q₅(t); (t) и ₁(t) - сигналы рассогласования соответственно внешнего и внутреннего контуров: (t)= x(t)- y(t), ₁(t)= u(t)- y₁(t); u(t) и u₁(t) - управляющие сигналы соответственно регуляторов внешнего и внутреннего контуров; W_p(p) и W_p1(p) - соответствующие передаточные функции регуляторов внешнего и внутреннего контуров; W_д(p) - передаточная функция датчика температуры дыхательной смеси: ; W_нэ(р) - передаточная функция УНВ и теплоносителя (воды): ; (41)



W_г(р) - передаточная функция по температуре теплообменника ВДС и дыхательной смеси:

; (42)

y₁(t) - температура теплоносителя на входе теплообменника ВДС.

Внутренний контур АСР осуществляет регулирование температуры теплоносителя, компенсируя возмущающие воздействия посредством корректирующего звена W_к1(p), а внешний контур выполняет основное управление - поддерживает температуру дыхательной смеси на заданном уровне. При этом для исключения влияния работы внутреннего контура на работу внешнего контура в схему введено корректирующее звено W_к2(р).

, (43)

В двухконтурной АСР температуры смеси исследовалось непрерывное регулирование с П-регулятором во внутреннем контуре и ПИ-регулятором во внешнем. При этом разработана оригинальная методика, позволяющая определить диапазон требуемых значений коэффициента усиления регулятора в непрерывной АСР с помощью компьютерного моделирования, минуя построение ЛЧХ. При этом использовались основные принципы построения и понятия запаса устойчивости по ЛЧХ. Допустим, устойчивая система имеет логарифмическую амплитудную характеристику, пересекающую частотную ось на частоте среза ?_ср, при этом фазовая характеристика принимает значение _р1 = -. Задаваясь диапазоном запаса устойчивости , по формуле для фазо-частотной характеристике определяем интервал значений частоты среза ?_ср. Далее, подставляя частоту среза и амплитуду при частоте среза А(?_ср)=1 в формулу для амплитудно-частотной характеристики определяем диапазон требуемых значений коэффициента усиления регулятора. Для найденных значений коэффициента усиления регулятора по заданному диапазону запаса устойчивости по модулю можно определить частоту ?₂, соответствующую фазе ?(?₂)=-?. При этом логарифмическая амплитудная характеристика принимает значение L_p1= -L. Тогда точка пересечения логарифмических амплитудной и фазовой частотных характеристик имеет частоту ?, находящуюся в интервале [?_ср; ?₂].

По результатам расчета двухконтурной АСР температуры с выбранными параметрами регуляторов была построена кривая переходного процесса. Время регулирования переходного процесса составило 6 с.

Недостатком АСР температуры дыхательной смеси, построенной на базе принципа управления по возмущению, является необходимость дополнительно ввести в систему датчики возмущающих параметров: давления, расхода, температуры, которые имеют значительные размеры и инерционность. Кроме того, необходимы преобразователи сигналов этих датчиков в управляющие сигналы. Эти устройства значительно усложняют и увеличивают АСР, вносят запаздывание в систему при передаче сигналов от возмущающих параметров до регулятора; компенсация этого запаздывания может вызвать колебательность и неустойчивость процесса регулирования основного параметра.

При синтезе АСР следует в пределах технического задания стремиться к созданию наиболее простых и надежных систем, более дешевых в производстве, удобных в эксплуатации, конкурентоспособных, с инновационной направленностью, но при этом обеспечивающих регулирование основного параметра в пределах заданной точности. Для регулирования температуры дыхательной смеси в пределах 34±2?С такой системой является релейная двухпозиционная АСР температуры дыхательной смеси, построенная по принципу управления по отклонению за счет включения и выключения потока теплоносителя, прогоняемого через теплообменник ВДС (рисунок 7). В этом случае теплоноситель (горячую воду) можно подавать в теплообменник ВДС по шлангу от наводного средства, водолазного колокола или индивидуального устройства нагрева воды (УНВ) с автоматическим регулированием температуры.

Такой способ регулирования в данной системе позволяет вынести устройство нагрева теплоносителя за контур АСР температуры дыхательной смеси, что значительно упростит расчет системы.

На рисунке 7 приняты следующие обозначения: W_p(p) - передаточная функция регулятора; W_об(p) - передаточная функция объекта: , коэффициент усиления объекта k_ге получен экспериментальным путем; W_kf(p) - передаточная функция корректирующего звена. W_им(p) - передаточная функция исполнительного механизма, обеспечивающего включение-выключение потока воды через теплообменник (электроклапан или вибронасос) ; W_f(p) - передаточная функция по возмущению. Принимая допущение, что все возмущения действуют параллельно: , где W_h(p)=k₁ - передаточная функция, учитывающая изменение глубины погружения, - передаточная функция, учитывающая изменение среднего расхода смеси через теплообменник, - передаточная функция, учитывающая нестационарность потока дыхательной смеси. Значения параметров k₁, k₂, T₂, k₃ и T₃ определены по результатам экспериментальных исследований. Таким образом передаточная функция по возмущению имеет вид

,(44)

Для компенсации возмущений f(t) в систему введено корректирующее звено W_kf(p), которое позволяет осуществлять одновременно комбинированное регулирование по отклонению и возмущению:

(45)

Для исследования процесса регулирования в комбинированной АСР температуры дыхательной смеси с релейным регулятором использован метод гармонической линеаризации: зона неоднозначности регулятора: 2b=0.16; определены параметры автоколебаний: частота автоколебаний: ?_ак = 2.2 рад/с, период автоколебаний: Т_ак = 3 с, амплитуда автоколебаний: а_ак = 2?С.

В заключении кратко изложены основные результаты исследований.

Основные результаты и выводы

1. Разработана оригинальная методика определения теплофизических параметров дыхательной смеси на диапазоне глубин погружения 0-300м, позволяющая более точно регулировать температуру вдыхаемой дыхательной смеси в независимости от ее состава и глубины погружения.

2. Разработана новая методика оценки влияния возмущающих воздействий на АСР температуры дыхательной смеси водолаза.

3. Разработана конструкция водонагревателя дыхательной смеси (ВДС); определены величины коэффициентов теплоотдачи и мощности, передаваемой от ВДС дыхательной смеси, в диапазоне глубин погружения 0-300м.

4. Впервые разработана математическая модель тепловых процессов ВДС как системы с распределенными параметрами в диапазоне глубин погружения 0-300м при разных температурах теплоносителя.

5. Разработана оригинальная методика определения теплопотерь в окружающую среду через элементы ВДС при разных температурах теплоносителя.

6. Получены эмпирические зависимости теплофизических и динамических параметров ВДС от глубины погружения; определена экспериментально передаточная функция ВДС как динамического звена АСР температуры дыхательной смеси с учетом инерционности датчика температуры и устройства для регистрации температуры.

7. Разработана и исследована двухконтурная АСР температуры дыхательной смеси на базе ВДС с управляющим воздействием по мощности нагревателя теплоносителя; разработана оригинальная методика, позволяющая определить диапазон требуемых значений коэффициента усиления регулятора в непрерывной АСР.

8. Разработана и исследована комбинированная АСР температуры дыхательной смеси на базе ВДС с двухпозиционным управлением расходом теплоносителя через теплообменник ВДС.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Ефремов В.В., Власенко О.М., Ромаш Э.М. К проблеме разработки водяного нагревателя дыхательной смеси как элемента АСР в спецодежде для глубоководных работ.// Сборник материалов Междунар. научн. конф. «Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека». - М.: ИИЦ МГУДТ. 2002. с.171.

2. Власенко О.М., Ефремов В.В., Ромаш Э.М. К расчету нагревателя дыхательной смеси в составе АСР теплового режима в спецодежде глубоководного водолаза.// Тезисы докладов на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности" (ПОИСК-2003), Иваново, ИГТА, 2003, с.229-230.

3. Власенко О.М., Ефремов В.В. Разработка водонагревателя дыхательной смеси для АСР температуры в обогреваемой спецодежде.// Тезисы докладов 55 научной конференции студентов, молодых ученых. ''Молодые ученые - XXI веку''. -М.: ИИЦ МГУДТ, 2003, с.81-82.

4. Власенко О.М., Ефремов В.В., Ромаш Э.М. Спецодежда для защиты человека в экстремальных условиях.// Межвузовский сборник научных трудов "Наука и образование. Новые технологии", выпуск №6 «Техника и технология», -М.: ИИЦ МГУДТ, 2003. с.91.

5. Власенко О.М., Ромаш Э.М., Ефремов В.В. Оценка влияния возмущающих воздействий на АСР температуры дыхательной смеси в спецодежде глубоководных водолазов.// Журнал «Аспирант и соискатель», №6 (19), Москва, 2003, с. 192-195.

6. Власенко О.М., Ромаш Э.М., Ефремов В.В. Возмущающие воздействия в АСР температуры дыхательной смеси глубоководных водолазов.// Вестник МГУДТ. Выпуск 1(43). -М.: ИИЦ МГУДТ. 2003. с.213-217.

7. Ефремов В.В., Власенко О.М. Обогревательная система глубоководного водолаза.// Вестник МГУДТ. Выпуск 1(43). -М.: ИИЦ МГУДТ. 2003, с.218-225.

8. Синицын М.А., Ромаш Э.М, Власенко О.М., Ефремов В.В. Основные типы технологических объектов управления в АСР температуры дыхательной смеси в водолазной спецодежде.// Журнал «Естественные и технические науки». №1. 2004. с.105-109.

9. Власенко О.М., Ефремов В.В., Ромаш Э.М. Оценка возмущений в системе подогрева дыхательной смеси в водолазной спецодежде.// Тезисы докладов Межвузовской научно-технической конференции: «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности». Москва. РЗИТЛП. 12-13 мая 2004 г. Т. 2, с.134.

10. Власенко О.М., Ефремов В.В., Шелудько А.Г. Определение динамических параметров водонагревателя дыхательной смеси как объекта АСР температуры в водолазной спецодежде.// Вестник МГУДТ, выпуск №5(47). -М.: ИИЦ МГУДТ. 2006. с.196-206.

11. Власенко О.М., Ефремов В.В.Исследование водонагревателя дыхательной смеси в водолазной спецодежде.// Современные проблемы науки и образования - 2008.-№6. (приложение "Технические науки"). Москва. 2008. с. 12.

12. Власенко О. М., Ефремов В. В. Экспериментальное исследование водонагревателя дыхательной смеси в спецодежде глубоководных водолазов.// Научный журнал МГУДТ «Дизайн и технологии». №11 (53). -М.: ИИЦ МГУДТ, 2009. с.109-114.