Управление напряжением рентгеноскопической установки (стр. 4 из 13)
Кроме статических анодных характеристик и эмиссионных характеристик на практике используются накальные характеристики, которые устанавливают связь между напряжением и током накала.
1.3.6 Типы рентгеновских трубок
Существует два типа рентгенофлуоресцентных спектрометров в которых выделение характеристического излучения происходит с помощью кристаллов-анализаторов. Такие спетрометры называются "спектрометры волновой дисперсии - (WDS)". Среди них различают спектрометры последовательного действия и квантометры.
На таких спектрометрах осуществляется последовательное выделение каждой характеристической линии рентгеновского излучения любого числа элементов с помощью движущегося кристалла-анализатора и высокоточного гониометра (прибора для измерения углов), сопряженного с устройством вращения, управляемого компьютером.
Преимущества приборов последовательного действия:
-Универсальность: определение любого числа элементов.
-Оптимальные условия измерения программируются для каждого элемента.
-Очень высокая чувствительность, низкие уровни детектирования.
С помощью квантометров осуществляются параллельные измерения.
Интенсивности характеристического излучения элементов измеряются одновременно благодаря использованию нескольких настроенных фиксированных "каналов" расположенных вокруг образца. Фактически каждый из них является отдельным спектрометром с кисталл-анализатором и детектором, настроенными на прием определенной длины волны одного элемента.
Преимущества квантометров: высочайшая скорость анализа при использовании для поточного контроля качества в индустрии; малое количество движущихся частей, прекрасная надежность в условиях промышленного предприятия.
контур напряжение рентгеноскопическая установка вычислитель
2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ РЕНТГЕНОСКОПИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Постановка общей задачи синтеза
Системой автоматического управления называется совокупность объекта управления и управляющего устройства с помощью, которой происходит требуемое изменение управляемой величины. В нашем случае объектом управления является рентгеновская трубка, а САУ должна выполнять такие функции:
- стабилизировать работу и интенсивность излучения рентгеновской трубки;
- не реагировать на колебания напряжения сети и изменение анодного тока.
В данной дипломной работе будет разработана САУ, удовлетворяющая ТЗ, для стабилизации напряжения рентгеноскопической трубки. Таким образом, входом системы являются опорное напряжение, выходом – анодное напряжение. Без САУ рентгеноскопическая установка работать не может, так как колебания напряжения сети приводят к значительным колебаниям интенсивности излучения вследствие изменения анодного напряжения и тока.
Изменения анодного напряжения и особенно анодного тока могут также вызвать превышение допустимой мощности трубки либо номинального напряжения трубки при уменьшении анодного тока (уменьшение падения напряжения). В связи с тем, что химический состав веществ(оружие, контрабанда, наркотики, взрывоопасные вещества), которые необходимо контролировать на таможнях, разный. Поэтому возникает необходимость использования рентгеноскопических интроскопов. А чтобы данные были точными необходимо стабилизировать работу и интенсивность излучения рентгеновской трубки.
2.2 Математическое описание системы управления
2.2.1 Формирование функциональной схемы СУ
Функциональная схема, рассматриваемой системы, представлена на рис. 2.1.
Рисунок 2.1-Функциональная схема контура управления напряжением рентгеноскопической установки
На данной схеме введены следующие обозначения:
ПИД регулятор; СС-схема сравнения;
ШИМ- широтно –импульсный модулятор;
МП – микропроцессор; АЦП – аналогово – цифровой преобразователь; БИ- блок инверторов; Тр1, Тр2– трансформатор;
УН1,УН2 – умножитель напряжения; РТ – рентгеновская трубка, ДТ – датчик тока, ДН – датчик напряжения.
2.2.2 Линеаризация математической модели СУ
Объектом управления для проектируемой системы является рентгеновская трубка 0.32BPM34-160 (рис. 2.2).
Линеаризованная математическая модель СУ является исходным материалом для нашей работы.
Построение модели выполнялось на основании теоретических зависимостей, рассмотренных в первом разделе и паспортных данных трубки, представленных в табл. 2.1
Рисунок 2.2 – Рентгеновская трубка 0.32BPM34-160
Таблица 2.1 Основные технические характеристики рентгеновской трубки 0.32BPM34-160
| Параметр | Не менее | номинальное | Не более |
| Ток накала, А | – | – | 3.3 |
| 2.3 | – | – | |
| Напряжение накала, В | – | – | 3.6 |
| 1.7 | – | – | |
| Анодное напряжение, кВ | 70 | – | 160 |
| Анодный ток, мА | – | – | 2 |
| Номинальная мощность трубки , кВт | – | 0.32 | – |
| Размеры эффективного фокусного пятна, мм | |||
| -ширина | – | 0.6 | 0.9 |
| -длина | – | 0.4 | 0.7 |
По чертежу трубки (рис. 2.2) определили расстояние между анодом и катодом d=60mm. Тогда зависимость плотности анодного тока на участке возрастания от анодного напряжения описывается выражением
. (2.1)Номинальное значение площади эффективного фокусного пятна Sef=0,24мм2. Угол мишени, согласно чертежу трубки, равен 10º. Тогда площадь действительного фокусного пятна
. (2.2)Зависимость анодного тока от напряжения описывается выражением
. (2.3)Поскольку зависимости напряжения насыщения и тока насыщения от тока накала не известны, предположим, что при допустимых напряжениях насыщение не происходит. В таком случае изменение тока накала будет приводить к деформации анодной характеристики.
Такую деформацию можно учесть в виде коэффициента. Поскольку эмиссия увеличивается с ростом температуры, а отвод тепла от катода затруднен, то можно принять зависимость анодного тока от температуры катода пропорциональной зависимости от тепловыделения. Тогда анодный ток пропорционален квадрату тока накала, то есть квадрату катодного напряжения. По данным табл. 2.1 можно выбрать усредненный коэффициент пропорциональности, равный 0,01.
Полное выражение для анодного тока будет иметь следующий вид:
. (2.4)2.2.3 Построение модели объекта
Поскольку полученная модель существенно нелинейна, то для ее линеаризации строили модель системы в первом приближении. Для этого воспользовались графиками статических характеристик для рентгеновских трубок, конструктивно сходных с исследуемой.
Накопление энергии в сердечнике высоковольтного трансформатора и в высоковольтной выпрямительной схеме вызывают инерционность канала напряжения. Нагрев катода трубки – наиболее инерционный процесс во всей системе рентгеновской установки.
Динамические характеристики объекта получим экспериментально на физически-подобной модели – электронно-лучевой трубке монитора. Постоянную времени канала напряжения – по задержке возникновения изображения (около 5с), а постоянную времени канала тока – по времени достижения полной яркости (около 9с).
Таким образом, в каждый канал модели объекта введем инерциальное звено первого порядка.
Линеаризованная модель объекта автоматического управления (рис. 2.3) включает, кроме собственно трубки, модели силовых цепей и датчиков обратной связи.
Рисунок 2.3 - Линеаризованная модель рентгеновской трубки
2.2.4 Исследование и анализ функциональных свойств системы
Исследуем статические и динамические свойства системы с помощью пакета MATLAB. Передаточная функция системы имеет вид:
; (2.5)
. (2.6)Функция pzmap(sys) изображает диаграмму расположения нулей и полюсов линейной системы на плоскости корней. Полюсы изображаются маркером х, а нули – о. График представлен на рис. 2.4.
Используя команду damp(sys), вычислим собственные значения, коэффициенты демпфирования и собственные частоты. Результаты выполнения приведены в табл. 2.2
Таблица 2.2 Результат вычисления коэффициентов демпфирования
| Собственные значения | Коэффициенты демпфирования | Собственные частоты, рад/с |
| -6.25e-001-1.00e+003 | 1.00e+0001.00e+000 | 6.25e-0011.00e+003 |
Используя команду step(sys), вычислим переходную функцию системы и построим ее график, с помощью команды margin(sys) - вычислим по частотным характеристикам системы запас по модулю, запас по фазе и соответствующие им частоты, а с помощью команды nyquist(sys) - поcтроим частотный годограф (диаграмму) Найквиста в координатах для определения устойчивости замкнутой системы.