1. Библиотека «Пневматика»
Библиотека «Пневматика» предназначена для моделирования пневматических систем, работающих на сжатом газе. Компоненты библиотеки позволяют описывать процессы течения рабочей среды, изменение давления и температуры газа, работу пневматических исполнительных механизмов, клапанов, распределителей, дросселей и других элементов пневматических систем.
Библиотека применяется для моделирования:
- пневматических приводов;
- систем подготовки и распределения сжатого воздуха;
- пневмоавтоматики;
- исполнительных механизмов;
- систем управления потоками газа;
- динамики давления и расхода в пневматических сетях;
- термодинамических процессов в газовых системах.
Рисунок 1 — Состав библиотеки «Пневматика».
2. Общие сведения о портах
2.1. Сигнальный порт DOF1
Сигнальный порт предназначен для передачи управляющих воздействий и измеряемых параметров между компонентами модели.
С портом связаны следующие внутренние переменные:
| Переменная | Описание |
|---|---|
| V | Значение сигнала |
| X | Интеграл сигнала |
| A | Производная сигнала |
Сигнальные порты используются для передачи управляющих воздействий, параметров настройки и результатов измерений между компонентами пневматической системы.
2.2. Пневматический порт Gas
Пневматический порт предназначен для соединения компонентов пневматической схемы и передачи параметров рабочей среды между элементами модели.
С портом связаны следующие физические величины:
| Переменная | Описание |
|---|---|
| p | Давление рабочей среды |
| h | Удельная энтальпия |
| ρ | Плотность рабочей среды |
| T | Температура рабочей среды |
| Qm | Массовый расход |
| Hflow | Поток энтальпии |
| Qv | Объемный расход |
| V | Скорость потока |
| Re | Число Рейнольдса |
Давление на порте является физическим потенциалом ближайшего узла пневматической сети.
Температура рабочей среды также является потенциальной характеристикой узла.
Массовый расход является потоковой характеристикой между соединяемыми узлами схемы и определяет количество рабочей среды, проходящей через порт в единицу времени.
Поток энтальпии характеризует перенос тепловой энергии потоком рабочей среды.
Объемный расход является потоковой характеристикой, определяющей объем рабочей среды, проходящий через порт в единицу времени.
Скорость потока определяется на основе объемного расхода и эквивалентного гидравлического диаметра или площади проходного сечения канала. Данная величина используется только в компонентах, содержащих параметры проходного сечения.
Число Рейнольдса характеризует режим течения рабочей среды и используется для определения особенностей течения газа в каналах и местных сопротивлениях. Данная величина доступна только для компонентов, имеющих параметры гидравлического диаметра или площади проходного сечения.
Таким образом, пневматический порт содержит полный набор термодинамических и расходных характеристик, необходимых для моделирования процессов течения и преобразования энергии в пневматических системах.
3. Компоненты библиотеки
3.1. Источники и граничные условия
3.1.1. PT1SPT
Назначение
Источник давления и температуры.
Рисунок 3.1.1 — Компонент PT1SPT в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для задания граничных условий пневматической системы по давлению и температуре рабочей среды.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход/выход элемента |
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание | Значение по умолчанию |
|---|---|---|---|
| P | base.real | Давление, Па | 101325 |
| T | base.real | Температура, К | 293.15 |
Описание
Компонент используется для задания источника рабочей среды с фиксированными значениями давления и температуры.
Может применяться для моделирования компрессора, пневматической магистрали, ресивера большой емкости, внешней среды или других объектов, параметры которых считаются постоянными в течение расчета.
Через порт возможны как подача рабочей среды в систему, так и её отток. Направление потока определяется состоянием подключенной пневматической сети.
Физическая модель
На подключенном термопневматическом порту поддерживаются постоянные значения давления и температуры:
P=P_0
T=T_0
где:
- P_0 — заданное давление, Па;
- T_0 — заданная температура, К.
Модель является идеальным источником термодинамического состояния и задает граничные условия для пневматической системы.
На порту компонента выполняются условия:
P_{port}=P_0
T_{port}=T_0
Значения давления и температуры не зависят от расхода рабочей среды через элемент.
3.1.2. PT2SPT
Назначение
Управляемый источник давления и температуры.
Рисунок 3.1.2 — Компонент PT2SPT в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для задания давления и температуры рабочей среды по внешним управляющим сигналам.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход/выход элемента |
| Port2 | base.DOF1 | 1D управляющий порт, давление, Па |
| Port3 | base.DOF1 | 1D управляющий порт, температура, К |
Описание
Компонент используется для формирования источника рабочей среды с изменяемыми параметрами давления и температуры.
В отличие от компонента PT1SPT, значения параметров среды определяются не постоянными настройками модели, а сигналами, поступающими на управляющие входы.
Может применяться при моделировании регулируемых источников давления, компрессоров, ресиверов, систем автоматического управления и других объектов, параметры которых изменяются в процессе расчета.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
Физическая модель
Давление и температура на термопневматическом порту определяются управляющими сигналами:
P=P_{sig}
T=T_{sig}
где:
- P_{sig} — сигнал на управляющем входе давления, Па;
- T_{sig} — сигнал на управляющем входе температуры, К.
На подключенном термопневматическом порту поддерживаются значения:
P_{port}=P_{sig}
T_{port}=T_{sig}
где:
- P_{port} — давление на порту компонента;
- T_{port} — температура на порту компонента.
Параметры P0 и T0 задают начальные значения давления и температуры, используемые при инициализации модели.
Значения давления и температуры на порту не зависят от расхода рабочей среды через элемент и полностью определяются текущими значениями управляющих сигналов.
3.1.3. PT1STK
Назначение
Сток давления и температуры.
Рисунок 3.1.3 — Компонент PT1STK в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент представляет собой граничное условие для отвода рабочей среды из пневматической системы.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход/выход элемента |
Описание
Компонент используется для моделирования отвода рабочей среды в окружающую среду или в резервуар большой емкости с постоянными параметрами.
Может применяться для задания выходных граничных условий пневматической системы, например при моделировании сброса газа в атмосферу или отвода потока в магистраль с известными параметрами.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| P | base.real | Давление, Па |
| T | base.real | Температура, К |
Физическая модель
На подключенном термопневматическом порту поддерживаются постоянные значения давления и температуры:
P=P_0
T=T_0
где:
- P_0 — заданное давление, Па;
- T_0 — заданная температура, К.
Сток представляет собой идеальную внешнюю среду с фиксированными термодинамическими параметрами, в которую может поступать рабочая среда из моделируемой системы.
На порту компонента выполняются условия:
P_{port}=P_0
T_{port}=T_0
где:
- P_{port} — давление на порту компонента;
- T_{port} — температура на порту компонента.
Параметры среды на порту не зависят от величины поступающего расхода.
3.1.4. PT001V
Назначение
Накопитель рабочей среды.
Рисунок 3.1.4 — Компонент PT001V в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Компонент предназначен для моделирования замкнутого объема газа с учетом накопления массы и изменения параметров состояния рабочей среды.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход/выход элемента |
Описание
Компонент моделирует пневматический объем, в котором происходит накопление рабочей среды.
Может использоваться для моделирования ресиверов, воздушных баков, полостей цилиндров, пневматических камер и других замкнутых объемов, содержащих газ.
В отличие от источников и стоков, параметры среды внутри накопителя изменяются в процессе расчета в зависимости от поступающего и выходящего потока рабочей среды.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| V | base.real | Объем элемента, м³ |
Физическая модель
Внутри накопителя происходит накопление массы рабочей среды:
\frac{dm}{dt}=\sum G
где:
- m — масса газа в накопителе;
- G — массовый расход через порт.
Изменение массы приводит к изменению плотности газа:
\rho=\frac{m}{V}
где:
- \rho — плотность рабочей среды;
- V — объем накопителя.
Начальное состояние накопителя задается параметрами:
P(0)=P_0
T(0)=T_0
где:
- P_0 — начальное давление, Па;
- T_0 — начальная температура, К.
Текущее давление и температура газа определяются состоянием рабочей среды и изменяются в процессе расчета в соответствии с законами сохранения массы и энергии и используемой моделью газа.
3.2. Датчики параметров газа
3.2.1. PT01DS
Назначение
Датчик плотности рабочей среды.
Рисунок 3.2.1 — Компонент PT01DS в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения плотности рабочей среды в выбранной точке пневматической системы.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, плотность в узле, кг/м³ |
Описание
Компонент предназначен для измерения плотности рабочей среды в подключенном термопневматическом узле и преобразования измеренного значения в выходной сигнал.
Датчик не оказывает влияния на параметры потока и используется исключительно для получения информации о состоянии среды.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
Плотность среды определяется по текущим термодинамическим параметрам рабочей среды с использованием объекта свойств, заданного параметром Fluid:
\rho=\rho(P,T)
где:
- \rho — плотность среды, кг/м³;
- P — давление среды;
- T — температура среды.
Выходной сигнал датчика определяется выражением:
S=k\cdot\rho
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- \rho — измеренная плотность среды.
На выходном порту формируется сигнал:
S_{out}=k\cdot\rho(P,T)
Модель является идеальным измерительным элементом и не оказывает влияния на давление, температуру, расход и другие параметры среды в точке подключения.
3.2.2. PT01TS
Назначение
Датчик температуры рабочей среды.
Рисунок 3.2.2 — Компонент PT01TS в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения температуры рабочей среды в выбранной точке пневматической системы.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, температура в узле, К |
Описание
Компонент измеряет текущую температуру рабочей среды в подключенном термопневматическом узле и передает результат на сигнальный выход.
Датчик не оказывает влияния на параметры потока и используется исключительно для получения информации о состоянии среды.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| Flag | string | Единицы измерения выходного сигнала [K, C] |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
Измеряемая температура определяется температурой рабочей среды в подключенном термопневматическом узле:
T=T_{port}
где:
- T — измеренная температура среды;
- T_{port} — температура среды в подключенном узле, К.
Выходной сигнал датчика формируется с учетом коэффициента усиления:
S=kT
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- T — измеренная температура среды.
Если в параметре Flag выбрана шкала Цельсия, выполняется преобразование температуры:
T_C=T_K-273.15
где:
- T_C — температура в градусах Цельсия;
- T_K — температура в Кельвинах.
В этом случае выходной сигнал определяется выражением:
S=kT_C
На выходном порту формируется сигнал:
S_{out}=kT
или
S_{out}=kT_C
в зависимости от выбранной системы единиц измерения.
Датчик является идеальным измерительным элементом и не влияет на параметры среды в точке подключения.
3.2.3. PT01PS
Назначение
Датчик давления рабочей среды.
Рисунок 3.2.3 — Компонент PT01PS в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения давления рабочей среды в выбранной точке пневматической системы.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, давление в узле, Па |
Описание
Компонент измеряет текущее давление рабочей среды в подключенном термопневматическом узле и передает результат на сигнальный выход.
Датчик не оказывает влияния на параметры потока и используется исключительно для получения информации о состоянии среды.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| Flag | string | Давление абсолютное; давление относительное [Absolute, Relative] |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
В режиме измерения абсолютного давления измеряемая величина определяется выражением:
P=P_{port}
где:
- P — измеренное давление среды, Па;
- P_{port} — давление среды в подключенном узле, Па.
Выходной сигнал формируется по закону:
S=kP
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- P — измеренное абсолютное давление.
Если выбран режим измерения относительного давления, определяется избыточное давление относительно атмосферного:
P_{rel}=P-P_{atm}
где:
- P_{rel} — относительное (избыточное) давление, Па;
- P — абсолютное давление среды, Па;
- P_{atm} — атмосферное давление, Па.
В этом случае выходной сигнал определяется выражением:
S=kP_{rel}
На выходном порту формируется сигнал:
S_{out}=kP
или
S_{out}=kP_{rel}
в зависимости от выбранного режима измерения.
Датчик является идеальным измерительным элементом и не влияет на давление, температуру, расход и другие параметры среды в точке подключения.
3.2.4. PT01HS
Назначение
Датчик удельной энтальпии рабочей среды.
Рисунок 3.2.4 — Компонент PT01HS в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения удельной энтальпии рабочей среды в выбранной точке пневматической системы.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, энтальпия в узле, Дж/кг |
Описание
Компонент измеряет текущую удельную энтальпию рабочей среды в подключенном термопневматическом узле и передает результат на сигнальный выход.
Датчик не оказывает влияния на параметры потока и используется исключительно для получения информации о термодинамическом состоянии среды.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
Удельная энтальпия определяется по текущему термодинамическому состоянию рабочей среды с использованием объекта свойств, заданного параметром Fluid:
h=h(P,T)
где:
- h — удельная энтальпия среды, Дж/кг;
- P — давление среды;
- T — температура среды.
Выходной сигнал датчика формируется с учетом коэффициента усиления:
S=k\cdot h
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- h — измеренная удельная энтальпия среды.
На выходном порту формируется сигнал:
S_{out}=k\cdot h(P,T)
Модель является идеальным измерительным элементом и не оказывает влияния на давление, температуру, расход и другие параметры среды в точке подключения.
3.2.5. PT01EF
Назначение
Датчик потока энтальпии рабочей среды.
Рисунок 3.2.5 — Компонент PT01EF в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения потока энтальпии, переносимого рабочей средой через термопневматическую линию.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
| Port3 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, поток энтальпии на линии, Дж/с |
Описание
Компонент включается в разрыв термопневматической линии и определяет поток энтальпии рабочей среды по текущему массовому расходу и удельной энтальпии.
Датчик формирует выходной сигнал, пропорциональный мощности, переносимой потоком среды за счёт её внутренней энергии и работы расширения.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| R | base.real | Внутреннее гидравлическое сопротивление |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
Поток энтальпии определяется произведением массового расхода на удельную энтальпию рабочей среды:
\dot{Q}_h=\dot{m},h
где:
- \dot{Q}_h — поток энтальпии, Дж/с;
- \dot{m} — массовый расход среды, кг/с;
- h — удельная энтальпия среды, Дж/кг.
Удельная энтальпия вычисляется по текущему термодинамическому состоянию среды:
h=h(P,T)
где:
- P — давление среды;
- T — температура среды.
Выходной сигнал датчика формируется с учетом коэффициента усиления:
S=k\cdot\dot{Q}_h
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- \dot{Q}_h — измеренный поток энтальпии.
На сигнальном выходе формируется значение:
S_{out}=k\cdot\dot{m}\cdot h(P,T)
Для обеспечения прохождения потока через датчик используется внутренний проходной канал с малым гидравлическим сопротивлением.
3.2.6. PT01MF
Назначение
Датчик массового расхода рабочей среды.
Рисунок 3.2.6 — Компонент PT01MF в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения массового расхода рабочей среды через термопневматическую линию и передачи измеренного значения на сигнальный выход.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
| Port3 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, массовый расход на линии, кг/с |
Описание
Компонент включается в разрыв термопневматической линии и измеряет массовый расход рабочей среды, проходящий через элемент.
Датчик формирует выходной сигнал, пропорциональный текущему массовому расходу газа.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| R | base.real | Внутреннее гидравлическое сопротивление |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
Физическая модель
Массовый расход рабочей среды определяется как
\dot{m}=\dot{m}_{1\rightarrow2}
где:
- \dot{m} — массовый расход через элемент, кг/с;
- \dot{m}_{1\rightarrow2} — массовый расход от порта Port1 к порту Port2, кг/с.
Выходной сигнал датчика формируется с учетом коэффициента усиления:
S=k\cdot\dot{m}
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- \dot{m} — измеренный массовый расход.
На сигнальном выходе формируется значение:
S_{out}=k\cdot\dot{m}_{1\rightarrow2}
Для обеспечения прохождения потока через датчик используется внутренний канал с малым гидравлическим сопротивлением.
3.2.7. PT01VS
Назначение
Датчик объемного расхода рабочей среды.
Рисунок 3.2.7 — Компонент PT01VS в библиотеке «Пневматика».
Обозначение
Предназначен для измерения объемного расхода рабочей среды в термопневматической линии и передачи измеренного значения на сигнальный выход.
Порты
| Обозначение порта | Тип | Наименование |
|---|---|---|
| Port1 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, вход в элемент |
| Port2 | base.ThermalFluid2 | Термопневматический порт, выход из элемента |
| Port3 | base.DOF1 | 1D сигнальный порт, объемный расход на линии, м³/с |
Описание
Компонент включается в разрыв термопневматической линии и измеряет объемный расход рабочей среды.
Датчик может определять объемный расход как по текущим параметрам среды в линии, так и по заданным значениям давления и температуры.
Пользовательские параметры модели
| Параметр | Тип | Описание |
|---|---|---|
| D | base.real | Гидравлический диаметр, м |
| Fluid | — | Имя объекта свойств среды |
| L | base.real | Длина элемента, м |
| P0 | base.real | Начальное давление, Па |
| R | base.real | Внутреннее гидравлическое сопротивление |
| Set_PT | list | Заданные давление и температура для пересчета объемного расхода |
| T0 | base.real | Начальная температура, К |
| k | base.real | Коэффициент усиления сигнала |
| types | string | Режим расчета объемного расхода: Current_PT или Set_PT |
Физическая модель
Объемный расход определяется через массовый расход и плотность среды:
\dot{V}=\frac{\dot{m}}{\rho}
где:
- \dot{V} — объемный расход, м³/с;
- \dot{m} — массовый расход среды, кг/с;
- \rho — плотность среды, кг/м³.
Выходной сигнал датчика формируется с учетом коэффициента усиления:
S=k\cdot\dot{V}
где:
- S — сигнал на выходном порту;
- k — коэффициент усиления сигнала;
- \dot{V} — измеренный объемный расход.
Если выбран режим Current_PT, плотность определяется по текущему термодинамическому состоянию среды:
\rho=\rho(P,T)
где:
- P — текущее давление среды;
- T — текущая температура среды.
Тогда объемный расход вычисляется как
\dot{V}=\frac{\dot{m}}{\rho(P,T)}
Если выбран режим Set_PT, плотность вычисляется при заданных параметрах среды:
\rho_{set}=\rho(P_{set},T_{set})
где:
- P_{set} — заданное давление, Па;
- T_{set} — заданная температура, К.
В этом случае объемный расход определяется выражением
\dot{V}=\frac{\dot{m}}{\rho_{set}}
На сигнальном выходе формируется значение:
S_{out}=k\cdot\dot{V}