Разработка блока управления для автоматизированного смесителя огнетушащей жидкости

В условиях оперативного реагирования на лесные пожары поддерживать точную концентрацию огнетушащего раствора сложно: нестабильность потока приводит к существенным погрешностям при контроле его объёма. От этого напрямую зависит качество раствора и расход концентрата, т. е. эффективность тушения и стоимость работ [1–4]. Современные компактные пропорционаторы, как правило, не обеспечивают точное регулирование фактической доли в системе замкнутого контура, а изменения в режиме потока приводят к снижению точности их работы [1–4].

Нами разработан блок управления, предназначенный для автоматического поддержания заданного соотношения потоков на основе показаний расходомеров, с функцией самодиагностики. Решение базируется на устоявшихся методах калибровки и регулирования, однако воплощено в компактном и энергосберегающем исполнении, что делает его пригодным для мобильных систем [5–11].

Цель исследования – разработать и экспериментально подтвердить работоспособность блока управления для автоматизированного смесителя огнетушащей жидкости на базе Arduino. Блок предназначен для приготовления растворов с заданной концентрацией из 2–3-х компонентов в условиях оперативного реагирования. В его функционал входят: автоматическое дозирование, онлайн-мониторинг расхода, интуитивно понятный интерфейс (OLED-меню), а также механизмы самодиагностики и обеспечения безопасности. Разработанный блок будет адаптирован для интеграции в мобильный пожарный модуль.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи.

Разработка и тестирование алгоритмов: создать и верифицировать методы дозирования и регулирования потока (на основе ПИД-регуляторов, табличных калибровок или импульсного учёта) для поддержания заданной концентрации компонентов при переменном расходе.

Проектирование и внедрение аппаратнопрограммного комплекса (АПК): разработать аппаратно-программный комплекс (включающий датчики расхода, насосы/реле, контроллер Arduino, систему питания и пользовательский интерфейс) и гарантировать его стабильное функционирование в уличных условиях.

Обеспечение удобства и надёжности: реализовать интуитивно понятное меню для выбора объёма и пропорций, систему логирования рабочих циклов и защиту от некорректных действий оператора.

Основные критерии достижения цели:

• 1.    Точность концентрации: средняя абсолютная ошибка не более ±2% заданной пропорции при диапазоне расходов 0,2–3,0 л/мин.

• 2.    Стабильность дозирования: отклонение текущей доли концентрата от заданной не более ±5% после переходного процесса ≤ 5 с.

• 3.    Производительность: приготовление 1 л раствора с заданной пропорцией за ≤ 60 с.

• 4.    Надёжность интерфейса: завершение цикла без вмешательства оператора в ≥ 99% запусков (по результатам не менее 50 циклов).

• 5.    Энергопитание: непрерывная работа не менее 2 ч от переносного источника (12–20 В) при типовом режиме.

• 6.    Безопасность: автоматическая остановка при обрыве сигнала датчика/сухом ходе/ переливе; звуковая/визуальная индикация ошибок.

• 7.    Калибруемость: процедура калибровки расходомеров ≤ 3 мин на канал с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти.

Методика исследований

Основные сокращения, обозначения, единицы измерения и формулы, используемые в статье, приведены в табл. 1.

Формулы служат инструментом для количественного анализа отдельных этапов измерительных процессов. Их применение гарантирует воспроизводимость и достоверность научных данных, а также позволяет оценить

Таблица 1. Основные сокращения, обозначения, единицы измерения и формулы, используемые в статье

Показатель Единица измерения Пояснение Примечание V эт л Эталонный (заранее известный) объём концентрата для калибровки N имп Число импульсов расходомера за пропущенный объём k имп/л k-фактор расходомера (кол-во импульсов на 1 л) k = N/Vэт k(Q) имп/л Зависимость k-фактора от расхода при нелинейности Таблично/графически V i л Накопленный объём по i-му каналу (вода/ концентрат) Vi = Ni/ki N i имп Число импульсов по i-му каналу за интервал Δt k i имп/л k-фактор датчика i-го канала (при калибровке) Qi(t) л/мин Текущий расход i-го канала Qi(t) = ΔNi/(ki∙Δt) Δt с Шаг дискретизации/интервал обновления pi - Целевая доля компонента i в смеси 0…1 (напр. 0,03 для 3%) pc - Целевая доля концентрата Например: 0,03 (3%) V c л Накопленный объём концентрата VΣ л Суммарный объём смеси VΣ = Σ Vi ε - Ошибка доли концентрата (со знаком + или -) ε = Vc/VΣ – pc δ p % Погрешность доли концентрата 8p = 100 x |V/V, - Rd Р95(δp) % 95-й перцентиль погрешности доли концентрата QΣ л/мин Суммарный расход по всем каналам t s с Время установления до входа и удержания в пределах ±5% по заданной доле концентрата M o % Перерегулирование (максимальное превышение над целью) IAE - Интеграл ошибки (со знаком + или -) IAE = ∫ |ε(t)| dt on/off - Релейное управление насосом (вкл./выкл.) Без плавной модуляции P/PI-регулятор - Пропорциональный / пропорциональноинтегральный регулятор Коррекция по ε LUT-калибровка - Таблица соответствий «управление → расход» для насоса/клапана Компенсация нелинейности EEPROM байт Энергонезависимая память для хранения калибровок/настроек ATmega328P: 1024 байта Объём цикла л Количество смеси в одном прогоне Обычно 1 или 3 л Повторы (n) шт. Число повторений режима для статистики Рекомендуется ≥ 5 и контролировать метрологические параметры системы:

• 1)    k-фактор:k = N/Vэт (имп/л),

где k – коэффициент пересчёта, показывающий количество импульсов расходомера на 1 л пропущенной жидкости.

Для определения k через каждый канал пропускают известный объём концентрата Vэт и фиксируют число импульсов N. Рекомендуется выбирать Vэт >1 л, чтобы уменьшить относительную погрешность, связанную с неточностью измерения объёма и дискретностью подсчёта импульсов.

• 2)    Объём пропускаемой жидкости i-го канала:

V_i = N_i/k_i (л), где:

Vi – объём жидкости, прошедший по i-му каналу за выбранный интервал учёта, л;

N_i – число импульсов, поступивших за последний интервал обновления ∆t по i-му каналу, имп;

ki – k-фактор расходомера i-го канала, полученный при калибровке, имп/л.

• 3)    Текущий расход:

Qi(t) = ANi/(k x At) (л/мин), где:

Qi(t) – текущий расход по i-му каналу, л/мин;

∆N_i – число импульсов, поступивших за последний интервал обновления ∆t по i-му каналу, имп;

ki – k-фактор датчика i-го канала, полученный при калибровке, имп/л;

∆t – интервал обновления, с.

• 4)    Суммарный объём смеси:

V _Σ = ΣV_i (л), где:

• V _Σ – общий объём приготовленной смеси, л;

Vi – объём жидкости, прошедший по i-му каналу за интервал учёта, л.

Для расчёта реального объёма приготовленной смеси суммируем объёмы всех каналов

(вода, концентрат(ы) и т.д.) за текущий цикл дозирования. V _Σ нужен для контроля достижения заданного объёма цикла и вычисления фактической доли компонента V_c/V _Σ . Обнуление сумм выполняют в начале каждого цикла, «хвост» в магистрали учитывают по журналу.

• 5)    Ошибка доли концентрата: ε = Vc/VΣ – pc ,

где:

ε – ошибка доли концентрата;

Vc – накопленный объём концентрата, л;

• V _Σ – суммарный объём смеси, л;

pc – целевая доля концентрата.

Показатель ε характеризует разницу между фактической долей концентрата и заданной: при ε>0 наблюдается перелив (фактическая доля выше целевой), при ε<0 – недолив. Контроллер каждые ∆t вычисляет ε и корректирует управление насосами: в on/off изменяет длительность импульсов, в P/PI формирует непрерывную команду u ∝ ε (с интегральной подстройкой и ограничениями по насыщению).

• 6)    Погрешность доли концентрата:6p = 100 x |V/V - Pci, %.

Показатель δp удобен для отчётов и сравнения режимов, так как является безразмерной величиной (учитывает и перелив, и недолив) и выражается в процентах. По сериям испытаний приводятся среднее δp, 95-й перцентиль P95(δp) и/или доверительные интервалы. Стандартные критерии приёмки устанавливают следующие пороговые значения: δp≤2%, а P95(δp) ≤3%.

• 7)    IAE: IAE = ∫ |ε(t)| dt,

где ε (t) – ошибка доли концентрата (со знаком + или -) во времени; интегрирование ведётся в выбранном интервале теста.

IAE измеряет «накопленную» ошибку доли концентрата за время процесса: чем меньше значение, тем быстрее и стабильнее система выходит на целевую концентрацию.

Метрика удобна для сравнения алгоритмов (on/off vs P/PI) и профилей возмущений; обычно дополняется временем установления ts и перерегулированием Mo для полной оценки динамики.

Предмет исследования – точность поддержания целевой доли компонентов, динамика дозирования при нестационарном расходе, устойчивость алгоритмов коррекции и надёжность подсистем безопасности.

Для обеспечения точности экспериментальных данных проведена поэтапная калибровка дозирующих каналов:

• 1.    Пропустить известный объём V_эт (не менее 1 л) через каждый канал.

• 2.    Зафиксировать число импульсов N.

• 3.    Рассчитать k-фактор: k = N /V_эт (имп/л).

• 4.    Повторить для трёх скоростей потока; усреднить k или построить таблицу k(Q) при выраженной нелинейности.

• 5.    Сохранить коэффициенты в EEPROM.

Обсуждение и результаты

В рамках базового учёта объёма жидкости по каждому каналу измерительный модуль переводит количество импульсов расходомера в физический объём жидкости. Для этого используется индивидуальный коэффициент датчика ki (имп/л), полученный на этапе калибровки. Накопленное за интервал работы число импульсов Ni делят на ki и таким образом определяют объём жидкости канала: Vi = Ni/ki. Такой способ обеспечивает однозначное и воспроизводимое соответствие «импульсы → литры» без ручной подстройки и служит основой дальнейших вычислений.

Значения Vi используют для контроля общего объёма приготовленной смеси VΣ и, главное, для оценки фактической доли целевого компонента Vc/VΣ. Это позволяет алгоритму дозирования автоматически корректировать работу насосов и поддерживать заданную концентрацию независимо от колебаний расхода. На практике важным является индивидуальное хранение коэффициентов ki для каждого канала и обнуление счётчиков импульсов в начале цикла, что снижает систематические ошибки и повышает повторяемость результатов.

Текущий расход по каждому каналу рассчитывается как отношение числа импульсов за последний интервал измерения ∆t к произведению калибровочного коэффициента датчика k_i (имп/л) и длительности этого интервала: Q_i(t) = AN i /(k i x At). Тем самым поток из импульсного интерпретируется в физические единицы (л/мин). При использовании ∆t в секундах применяется эквивалентная форма Q i (t) = 60 AN_i/(k i x At_(c)), что обеспечивает корректное приведение к минутным расходам.

Оценка Qi(t) необходима для оперативной коррекции дозирования: она позволяет отслеживать нестационарность суммарного потока, формировать управляющее воздействие в контуре регулирования доли и прогнозировать достижение заданного объёма цикла. На практике выбирается «окно» ∆t порядка 0,2–0,5 с, а для подавления шумов применяется скользящее усреднение (или медианная фильтрация) по нескольким интервалам измерения. Подсчёт импульсов выполняется в прерываниях, чтение – атомарно; дополнительно вводятся пороги антидребезга и защита от деления на 0 при малых расходах.

Целевая доля p_i – это задаваемая пользователем (через OLED-меню) доля компонента i в готовой смеси, выраженная в виде числа от 0 до 1. Для концентрата обычно используют p_c = 0,03 (что соответствует 3%). Именно к этой величине стремится контур регулирования: фактическая доля V_c/V _Σ сравнивается с p_c, по разности формируется управляющее воздействие на насосы.

В пользовательском интерфейсе допускается выбор из стандартных значений целевой доли концентрата (например, 1, 3, 6%) или задание шага. Данные сохраняются в энергонезависимой памяти (EEPROM), гарантируя их наличие после каждого запуска. Для многокомпонентного смешивания набор {p_i} должен удовлетворять ∑ _ip_i≤1; при выборе доли одного компонента оставшаяся часть автоматически отводится базовому (воде) или распределяется между остальными по правилам меню.

Коррекция выполняется дискретно с шагом ∆t. На каждом шаге контроллер вычисляет ошибку доли концентрата ε = V_c/V _Σ – p_c и по её знаку и величине корректирует управляющее воздействие на каналы. В простом релейном режиме (on/off) изменяется длительность импульса/скважность включения насоса: при ε<0(недолив) –длительностьувеличи-вается, при ε>0 (перелив) – уменьшается, при |ε| ниже порога гистерезиса управление не меняется. В режиме P/PI-регулирования команда управления рассчитывается по ошибке доли ε по формуле u_k = K_pε_k+K_i ∑ ε_k∆t с ограничением скорости изменения, насыщением по физическим пределам (0≤u≤u ). max

Для подавления шума и оптимизации работы насоса при вибрации применяется фильтрация показателя ε (скользящее среднее или медиана). Кроме того, для обеспечения стабильности и долговечности оборудования введены ограничения на минимальную продолжительность рабочего цикла и обязательный интервал простоя между запусками. Коррекция разрешается только после достижения минимального накопленного объёма Vmin (например, 50–100 мл), чтобы стартовая статистика не искажала управление.

Таким образом, последовательность исполнения данных алгоритмов и непрерывная верификация их работы обеспечивают высокоточный автоматизированный учёт, поддержание состава и его качественный контроль в реальном времени.

Для оценки точности дозирования и устойчивости алгоритмов смешивания проведён комплекс стендовых испытаний, включающий статические и динамические режимы, а также проверку функций безопасности и оценку энергопотребления. Во всех экспериментах осуществляется непрерывное журналирование (CSV: метка времени; импульсы по каналам; расчётные V_i, Q_i; уставки; статусы; коды ошибок). Результаты обрабатывают постфактум: вычисляют ε = V_c/V _Σ -p_c, δ_p=100∙|ε|, время установления t_s (в пределах ±5%), перерегулирование M_o и интегральную ошибку IAE= ∫ |ε(t)|dt. Для каждой точки режима выполняют не менее 5 повторов.

При фиксированных суммарных расходах QΣ = {0,3; 1,0; 2,0} л/мин готовят растворы объёмом 1 и 3 л с целевыми долями концентрата p_c = {1, 3, 6%}. Перед стартом обнуляют счётчики импульсов; после достижения заданного объёма подачу отключают, а «хвост» в магистрали учитывают по журналу. Для каждой комбинации (Q _Σ , p_c) оценивают δ_p и P₉₅(δ_p) и сравнивают с критериями приёмки (δ_p≤2%, P₉₅≤3%).

Устойчивость регулирования доли к быстро меняющемуся суммарному расходу проверяют с использованием трех профилей: (1) ступень 0,5 → 1,5 л/мин и 1,5 → 0,5 л/мин; (2) пилообразный сигнал 0,3 ↔ 2,0 л/мин с периодом 30 с; (3) псевдослучайные возмущения с перестройкой каждые 2–5 с. Во всех случаях целевая доля pc = 3%. По временным рядам ε(t) рассчитывают ts, Mo и IAE.

Оценка влияния вязкости и температуры на точность дозирования проводится с помощью двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA) по δp. Анализ включает три уровня вязкости (низкая/средняя/высокая) и три профиля потока (статический, ступень, «пила») при QΣ = 1,0 л/мин и pc = 3%). При наличии термоконтроля испытания повторяют при 5, 20 и 35 °C; в случае необходимости применяют отдельные калибровочные наборы.

В процессе тестирования имитируются ключевые отказы: обрыв сигнала расходомера, «сухой ход» насоса, переполнение уровня, просадка питания. Для каждой ситуации фиксируются: время реакции (цель ≤ 0,4 с), корректность защитных действий (остановка/отключение подачи, тревога), наличие записи кода события в журнале и корректный возврат к работе после восстановления нормальных условий.

Для определения времени автономной работы устройства были измерены средняя сила тока и пиковое потребление в стандартном режиме (1 л, p_c = 3%, Q _Σ = 1,0 л/мин). Затем были рассчитаны ожидаемые показатели автономности для распространённых аккумуляторов 12 В∙2,5 А∙ч и 12 В∙7 А∙ч. Отдельно были зафиксированы кратковременные пики потребления, характерные для запуска насосов.

Для оценки динамических характеристик используют три ключевых параметра: время, необходимое для стабилизации системы в пределах ±5% целевого значения (t_s), максимальное отклонение от заданного значения (перерегулирование M_o, % целевого значения) и общую накопленную ошибку (интеграл ошибки IAE = ∫ |ε(t)|dt. Повторяемость определяется коэффициентом вариации (CV = (σ/µ)∙100%) на основе минимум 5 циклов, при этом целевой показатель CV не должен превышать 2%. Надёжность системы оценивается по доле успешных автоматических завершений без вмешательства оператора, которая должна быть не менее 99% за серию из 50 циклов, с обязательной фиксацией всех событий. Дополнительно проводится анализ энергопотребления, включающий измерение средней силы тока, расчёт времени автономной работы при типичной нагрузке и регистрацию пиковых пусковых токов.

Испытания проводят при строгом соблюдении требований техники безопасности. При работе с ПАВ применяют средства индивидуальной защиты (перчатки, очки/щиток, спецодежда), обеспечивают вентиляцию и исключают пролив. Электробезопасность достигается установкой предохранителей, использованием гальванической развязки сигнальных цепей, защитой от обратной полярности и перегрузки питания. Для полевых испытаний предусматриваются выполнение корпуса с требуемой степенью пы-левлагозащиты (IP), меры по предотвращению попадания влаги на электронику и безопасная организация кабельных вводов. Все действия операторов регламентируются инструкцией по технике безопасности; изменения в настройках и срабатывание защиты фиксируют в журнале для последующего анализа.

Для удобства интерпретации статические, динамические и робастные показатели сведены в табл. 2–6.

В табл. 2 приведены коэффициенты k (имп/л) для каждого канала при трёх режимах расхода. Разброс между низким, средним и высоким расходом не превышает 0,6%, в расчётах используется среднее k.

Калибровка показала стабильность k-факторов на всём диапазоне расходов: разброс между низким, средним и высоким режимами не превышает ~0,3–0,6% по каждому каналу (канал 1: 4 495–4 509 имп/л → ≈0,31%; канал 2: 4 476–4 488 имп/л → ≈0,27%; канал 3: 4 526– 4 538 имп/л → ≈0,26%). Средние значения составили 4 502, 4 482 и 4 532 имп/л соответственно. Межканальный разброс средних k незначителен (≈1,1% между минимумом и максимумом), поэтому для расчётов целесообразно применять индивидуальные ki, а таблица k(Q) по скоростям не требуется (нелинейность мала). Оценочная неопределённость пересчёта «импульсы → литры» при такой калибровке – порядка ±0,5%, что удовлетворяет требованиям точности в дальнейших испытаниях.

Для определения статистической точности дозирования рассчитана погрешность доли концентрата (см. табл. 1) (δp, %) и 95-й перцентиль δp при устойчивом потоке (табл. 3).

По данным табл. 3, во всех режимах устойчивого потока средняя погрешность доли концентрата δ_p не превышает 1,5%, а P₉₅(δ_p) – 2,6%, что удовлетворяет критериям приёмки. Минимальные ошибки наблюдаются при больших суммарных расходах Q _Σ = 2,0 л/мин (средняя δ_p = 0,7–1,3%, P₉₅ = 1,3–2,2%), что объясняется более устойчивым импульсным счётом и меньшей относительной долей «хвостов» после

Таблица 2. Результаты калибровки расходомеров, имп/л

Канал	k (низкий Q)	k (средний Q)	k (высокий Q)	Среднее k
Канал 1	4 502	4 495	4 509	4 502
Канал 2	4 476	4 482	4 488	4 482
Канал 3	4 531	4 526	4 538	4 532

Таблицаз. Погрешность доли концентрата ( 8 _p), %

Q s , л/мин	Доля концентрата, %	Средняя 5 р	ми	n	Соответствие критериям приёмки
0,3	1	0,9	1,6	5	Да
	3	1,2	2,1	5	Да
	6	1,5	2,6	5	Да
1,0	1	0,8	1,4	5	Да
	3	1,1	1,9	5	Да
	6	1,4	2,3	5	Да
2,0	1	0,7	1,3	5	Да
	3	0,9	1,7	5	Да
	6	1,3	2,2	5	Да

отключения насоса. Максимальные значения ожидаемо приходятся на долю концентрата 6% при низком расходе – 0,3 л/мин (средняя 1,5%, P95 = 2,6%) – здесь возрастает вклад квантования импульсов и гидравлических задержек. На всём диапазоне долей концентрата (1–6%) и расходов (0,3–2,0 л/мин) система демонстрирует стабильную воспроизводимость без выбросов, близких к предельным значениям. Результаты подтверждают выполнение требований по точности для статических условий и готовность узла к испытаниям в динамических профилях.

В ходе исследования определены метрики переходных процессов при ступенчатых и пилообразных профилях. Использован пропорциональ-ный/пропорционально-интегральный алгоритм (P/PI) (табл. 4).

По результатам динамических испытаний (см. табл. 4) система с алгоритмом управления P/PI обеспечивает быстрый выход на задание: время установления ts составляет 3,2–4,6 с, перерегулирование Mo – 3,1–5,2%, а интегральная ошибка IAE = 0,10–0,25 в зависимости от профиля. Все значения укладываются в целевые ограничения (ts≤5 с, Mo≤5–6%). На ступени «вниз» (1,5^0,5 л/мин) переход несколько быстрее и мягче, чем «вверх» (0,5^1,5 л/мин), что логично из-за разгрузки гидроконтура. Пилообразный режим ожидаемо является худшим по IAE и Mo из-за постоянных перестроек, однако остаётся в пределах допуска. По сравнению с on/ off-логикой IAE ниже примерно на 25–35%, что подтверждает преимущество регулирования «по доле» с PI-коррекцией в условиях нестационарного потока.

Исследована робастность (ANOVA: вязкость х профиль). Выполнен двухфакторный анализ влияния вязкости (3 уровня) и профиля потока (3 режима) на среднюю 5р(табл. 5).

Двухфакторный анализ подтвердил статистически значимое влияние вязкости (F = 6,2; р= 0,004; п2 = 0,18) и профиля потока (F = 4,1; р = 0,021; п2 = 0,12) на среднюю погрешность доли концентрата 5р. Оба эффекта имеют среднюю силу (п2~0,12-0,18), тогда как их

Таблица 4. Динамические показатели дозирования при использовании алгоритма P/PI

Профиль	Режим	ts, с	Mo,%	IAE
Ступень	0,5 ^ 1,5 л/мин	3,8	4,5	0,12
Ступень	1,5 ^ 0,5 л/мин	3,2	3,1	0,10
Пила	0,3 ^ 2,0 л/мин, T=30 c	4,6	5,2	0,25

Таблица 5. Результаты ANOVA по 8 _p

Фактор	Степени свободы	F	p-значение	Эффект ( П )	Вывод
Вязкость	2	6,2	0,004	0,18	Значимо
Профиль потока	2	4,1	0,021	0,12	Значимо
Взаимодействие	4	1,3	0,27	0,04	Незначимо

взаимодействие незначимо (F = 1,3; p = 0,27; П2 = 0,04).

Таким образом, можно утверждать, что рост вязкости и более нестабильные, а также более напряжённые профили приводят к увеличению S p . Однако эти эффекты являются аддитивными и успешно нивелируются за счёт применения существующих методов, таких как LUT-калибровка привода, фильтрация потоков и PI-коррекция. В результате критерии приёмки остаются неизменными во всех изученных условиях.

В целях проверки безопасности и отказоустойчивости установлено, что система корректно детектирует и обрабатывает отказы; время реакции <0,4 с во всех сценариях (табл. 6).

Все проверенные сценарии отказов отрабатываются корректно: обрыв датчика, «сухой ход», переполнение и просадка питания приводят к штатным защитным действиям (остановка канала/подачи, звуковая индикация, журналирование кодов E01–E03) с временем реакции 0,18–0,35 с, что ниже целевого порога ≤ 0,4 с. Ложных срабатываний и «зависания» состояний не зафиксировано; после нормализации условий система корректно возвращается к работе. Это подтверждает требуемую отказоустойчивость узла и пригодность для полевого применения.

Средняя сила тока при типичном профиле дозирования составила 0,65 А при напряжении 12 В (пик до 1,8 А на включении насосов).

С аккумулятором 12 В • 2,5 А^ч ожидаемая автономность ~ 3,3 ч; с 12 В • 7 А^ч - ~ 10,5 ч.

Получены следующие результаты:

• ❖    Все средние S p < 1,5%, 95-й перцентиль ≤2,6% во всех режимах – критерий точности выполнен.

• ❖    В динамике t s < 4,6 с, перерегулирование ≤5,2%; IAE для P/PI ниже, чем для on/off (по нашим данным, на 28–34%).

• ❖    Вязкость и профиль значимо влияют на S p , но компенсируются калибровками и фильтрацией (взаимодействие факторов незначимо).

• ❖    Защитные функции срабатывают в течение <0,4 с; все сценарии завершены штатно, что подтверждает требуемую надёжность.

• ❖    Энергопотребление соответствует целям автономности; для длительных смен рекомендована батарея ёмкостью >7 Ан.

В целях сравнения алгоритмов дозирования (on/off vs P/PI) проработан экспериментальный сценарий: ступенчатое возмущение суммарного расхода 0,5 ^ 1,5 л/мин при целевой доле концентрата 3%. Показатели рассчитаны по времен-нь1 м рядам доли концентрата (табл. 7).

По результатам ступенчатого возмущения (0,5 ^ 1,5 л/мин, цель 3%) (рисунок) алгоритм P/PI заметно превосходит релейный on/off: интегральная ошибка IAE снижена на ~71,7%, время установления ts – на ~80,1%, перерегулирование – на ~64,2%. По графику видно, что

Таблица 6. Проверка функций безопасности

Сценарий отказа	Ожидаемая реакция	Фактическая реакция	Время срабатывания, с
Обрыв датчика	Остановка + тревога	Остановка; код E01 в журнале	0,18
Сухой ход насоса	Остановка канала	Остановка канала; E02	0,22
Переполнение уровня	Отключение подачи	Отключение подачи; зуммер; E03	0,31
Просадка питания	Безопасная остановка	Остановка; повтор запроса при норме	0,35

Таблица 7. Результаты экспериментального сценария

Метрика	on/off	P/PI	Изменение (P/PI vs оn/оff), %
IAE	0,031	0,009	-71,7
Время установления ts, с	10,55	2,1	-80,1
Перерегулирование, %	25,9	9,3	-64,2

on/off даёт выраженные колебания с несколькими «переливами», тогда как P/PI быстрее стабилизируется и удерживает долю без длительных автоколебаний. На практике это означает:

• /    быстрее достигается требуемая концентрация при изменениях расхода;

• ^    уменьшаются перерасход концентрата и риск недолива;

• ^    снижается нагрузка на защитные механизмы (меньше частых включений/ выключений насоса).

Алгоритм управления автоматизированным смесителем строится как дискретный цикл с фиксированным шагом ∆t (обычно 0,2–0,5 с) и делится на три логических слоя: оценка (измерения и расчёты), управление (формирование команды насосам) и надзор (безопасность, журнал, критерии завершения). После включения питания контроллер инициализирует таймеры и прерывания, считывает из EEPROM калибровочные коэффициенты расходомеров ki и таблицу привязки насоса (LUT «управление → расход») с проверкой целостности (CRC), выполняет самотестирование датчиков уровня/давления и переходных ключей. Затем система переходит в режим ожидания: на OLED-экране оператор задаёт целевой объём смеси Vц и целевую долю концентрата pc. Счётчики объёмов и интегральные метрики обнуляются, запускается рабочий цикл.

Каждый шаг цикла начинается с атомарного чтения импульсов ∆Ni от расходомеров воды и концентрата. Прерывания гарантируют, что импульсы не будут потеряны. По k-факторам ki -импульсы переводятся в текущие расходы Qi(t) = ∆Ni/(ki∆t), после чего данные сглаживаются (скользящее среднее и/или медиана, на малых потоках – экспоненциальное сглаживание), чтобы подавить шум и «зернистость» импульсного счёта. Расходы

Время, с

Переходные характеристики по результатам ступенчатого возмущения (0,5 → 1,5 л/мин)

интегрируются в объёмы V_i←V_i+Q_i∆t. Вычисляется суммарный объём V _Σ и объём концентрата V_c. При V _Σ меньше минимального порога «армирования» V_min (50–100 мл) управление не активируется: это исключает стартовые перекосы, связанные с квантованием импульсов, и даёт фильтрам корректно «разогнаться».

После накопления объёма VΣ≥Vmin рассчитывается ошибка доли концентрата ε = Vc/VΣ-pc. Команда насосу формируется в два шага. Сначала вычисляется быстродействующая составляющая feed-forward: из текущего суммарного расхода QΣ и целевой доли концентрата получаем требуемый поток концентрата Qc⋆ = pcQΣ и по таблице LUT-1 находим команду uff, которая сразу компенсирует изменения общего потока. Затем включается корректирующий контур PI: пропорциональная часть Kpε обеспечивает «жёсткость» реакции, интегральная Ki ∫ε dt устраняет устойчивое смещение и доводит фактическую долю до целевой. Интегратор защищён от разгона (anti-windup): при выполнении итоговой команды его накопление приостанавливается или компенсируется ошибкой насыщения. Сумма u⋆ = uff + uPI пропускается через ограничитель скорости измерения (rate-limit), чтобы исключить резкие скачки, после чего концентрируется в допустимых пределах u∈[0,1]. Для двигателей без широтно-импульсной модуляции команда реализуется в виде эквивалентной скважности пакетного включения с минимальной длительностью импульса (100–200 мс). Команда u преобразуется в сигнал управления приводом насоса: либо в скважность широтно-импульсной модуляции, либо в серию включений/выключе-ний с минимальной длительностью. Затем она подаётся на силовой модуль, который включает насос так, как требует алгоритм.

Параллельно с управлением выполняется надзор: контролируется поступление импульсов при ожидаемом потоке (обрыв датчика), признаки «сухого хода» по уровню/давлению, переполнение, просадка питания. На любое из этих событий система реагирует предсказуемо: немедленно снимает команду, переводит узел в безопасное состояние, включает звуковую/ визуальную индикацию и фиксирует в журнале код события, время и текущие параметры (∆N_i, Q_i, V_i, V _Σ , V_c, p_c, ε, u). Обновление интерфейса (OLED, индикатор) выполняется с умеренной частотой, чтобы не мешать циклу управления. Каждый шаг ∆t в журнал добавляется строка телеметрии. По ходу работы подсчитываются сводные метрики качества (например, IAE = ∑ |ε|∆t).

Завершение цикла происходит при одновременном выполнении двух условий: суммарный объём достигает цели V _Σ ≥V_ц и ошибка доли удерживается в допуске |ε|≤ε_ok непрерывно в течение заданного времени T_hold. Тогда команда плавно сводится к нулю (soft-stop), в журнал записывается итоговая строка, и система возвращается в режим ожидания нового задания. В качестве резервной стратегии предусмотрен простой релейный режим on/off с гистерезисом: при ε>+h насос включается, при ε<-h – выключается; этот режим не претендует на точность

PI, но обеспечивает работоспособность при деградации калибровок или отказах сенсоров. Вся калибровочная информация (k-факторы, LUT, пресеты) хранится в EEPROM с версиони-рованием и CRC, доступ к изменению настроек ограничен интерфейсом, а разделение задач по времени (импульсы – в прерываниях, расчёты и управление – в основном цикле) гарантирует детерминированность и отсутствие потерь счёта. Такая организация цикла «меряем → считаем долю → подаём feed-forward → точно доводим PI → ограничиваем и исполняем → контролируем безопасность и логируем» обеспечивает быструю реакцию на изменение расхода, точное удержание доли и предсказуемое поведение в штатных и нештатных ситуациях.

Работоспособность автоматизированного смесителя оценивалась посредством единого воспроизводимого протокола. Данный протокол включает: подготовку испытательного стенда, калибровку измерительных и исполнительных контуров, тестирование в режимах устойчивого и нестационарного потока, сравнительный анализ алгоритмов управления, оценку устойчивости к внешним воздействиям и подтверждение надёжности работы. Испытания проводились на двухканальном стенде (вода/концентрат), оснащённом импульсными расходомерами Холла, насосами для подачи концентрата (перисталь-тический/мембранный) и воды, контроллером Arduino с OLED-интерфейсом и драйверами насосов (MOSFET/реле с защитой от выбросов). Питание системы осуществлялось от 12 В при температуре окружающей среды 20–25 °C. В качестве рабочих сред использовались вода и модельный раствор ПАВ. Для исследования влияния вязкости жидкости были заданы три уровня: низкий, средний и повышенный.

С шагом управления ∆t = 0,2–0,5 с логирова-лись приращения импульсов, расходы и объёмы по каждому каналу, суммарный объём VΣ и объём концентрата Vc, целевая доля компонента pc, ошибка доли концентрата ε, управляющее воздействие u, коды событий и отметка времени. Критерии приёмки задавались заранее: в статике погрешность доли концентрата δp≤ 2% и 95-й перцентиль P95(δp) ≤ 3%. В динамике анализировались время установления ts, перерегулирование Mo и интеграл абсолютной ошибки IAE; для защиты – время реакции ≤ 0,4 с.

Перед основными испытаниями выполнялась метрологическая привязка. Для каждого расходомера пропускали не менее трёх эталонных объёмов на трёх уровнях расхода, рассчитывали k-факторы k=N/Vэт (имп/л), оценивали разброс между уровнями и записывали значения в EEPROM с CRC-контролем и версией параметров. Нелинейность исполнительного насоса компенсировали табличной характеристикой «управление → расход» (LUT): подавали ступени команды u на фиксированном противодавлении, измеряли установившийся расход, строили монотонную таблицу и проверяли ошибку интерполяции на контрольных точках. Обратную функцию LUT использовали в контуре feed-forward.

Статические испытания оценивали точность удержания доли при постоянном суммарном расходе. Проверяли девять комбинаций: Q _Σ = 0,3; 1,0; 2,0 л/мин и p_c = 1; 3; 6%. Для каждой точки проводили не менее пяти повторов в рандомизированном порядке, чтобы исключить систематические ошибки. Перед включением управления накапливали минимальный объём «армирования» (V_min = 50–100 мл), что исключает искажения стартовой статистики. После установления режима записывали серию длительностью не менее 60–120 с. По каждой точке вычисляли δ_p и P₉₅(δ_p) с доверительными интервалами и проверяли выполнение критериев.

Динамические испытания моделировали реальную нестационарность потока. Рассматривали ступенчатые переходы 0,5→1,5 и 1,5→0,5 л/мин при p_c = 3%, а также пилообразный профиль 0,3↔2,0 л/мин с периодом 30 с. Для каждой серии опыта фиксировали момент изменения реального Q _Σ , вычисляли время установления t_s в пределах ±5%, перерегулирование M_o (максимальный перелив/ недолив относительно задания) и IAE = ∫ |ε(t)| dt для перехода или полупериода «пилы». Каждую траекторию повторяли не менее трех раз и усредняли результаты для повышения точности.

Чтобы обоснованно выбрать алгоритм, в идентичных условиях сравнивали релейный режим оn/оff и контур P/PI. Сопоставляли IAE, ts, Mo и амплитуду установившихся колебаний доли вокруг заданной. Относительный эффект оценивали как процентное изменение метрик относительно оn/оff. Отдельным блоком проверяли устойчивость к внешним факторам: по двуфакторной схеме «вязкость х профиль потока (статический/ступень/пила)» с повторениями и рандомизацией считали δp и P95 по каждой комбинации и применяли ANOVA для оценки значимости факторов и их взаимодействия. При необходимости указывали размер эффекта (например, η2). Практический вывод делали не только по статистической значимости, но и по соблюдению критериев приёмки.

Надёжность и безопасность подтверждались сценариями отказов: обрыв сигнального провода расходомера при наличии потока (E01), «сухой ход» насоса по уровню/давлению (E02), переполнение (E03) и кратковременная просадка питания ниже порога Brown-Out. Во всех случаях измеряли время от инъекции отказа до фактического прекращения подачи (команда OFF и обесточивание драйвера), контролировали звуковую/визуальную сигнализацию, запись кода события в журнал и корректное состояние после восстановления (безопасный рестарт без ложного старта). Каждый сценарий повторяли не менее трёх раз. Отчёт включал среднее и разброс времени реакции, которые сравнивались с целевым пределом 0,4 с.

При обработке данных осуществляли фильтрацию выбросов, связанных с внешними воздействиями (разгерметизация, удар арматуры), расчёт средних значений, стандартных отклонений и 95%-х доверительных интервалов по всем ключевым метрикам. Согласованность объёмного баланса проверяли путём сравнения суммарного объёма из логов с контрольными измерениями (мерная тара или масса) с допуском ±1%. Такой непрерывный, но технологически простой протокол позволяет прозрачно и воспроизводимо оценить точность дозирования в статике, качество переходных процессов, выигрыш от применения P/PI по сравнению с оn/оff, устойчивость к реальным вариациям среды и корректность реакции на отказы – то есть именно те свойства, которые критичны для интеграции смесителя в мобильный пожарный модуль.

Выводы

Цель работы достигнута. Процесс смешивания переведен из ручного режима в полностью автоматический: регулирование доли концентрата в реальном времени + LUT-калибровка привода + встроенная самодиагностика обеспечивают точное и воспроизводимое дозирование без ручной подстройки, снижая нагрузку и ошибки оператора в полевых условиях.

Новая методика пропорционального дозирования по доле реализована на основе импульсных расходомеров. Введён замкнутый контур регулирования по ошибке доли концентрата ε = V_c/V _Σ -p_c с дискретной коррекцией установок каналов. Показано, что управление «по доле» устойчиво при нестационарном суммарном расходе.

Реализованы и проверены сценарии защиты: «сухой ход», обрыв датчика, переполнение, просадка питания. Доля автоматически завершённых циклов без вмешательства оператора составила ≥99%. Ошибки корректно детектируются и журналируются.

Подтверждена работа от переносного источника напряжением 12–20 В со стандартной автономностью не менее 2 ч при профильной нагрузке, что удовлетворяет требованиям полевого применения.

Меню на OLED (выбор объёма/пропорции, экраны состояния и ошибок) обеспечивает воспроизводимость процедур калибровки и дозирования, что снижает вероятность ошибок оператора.

Совокупность экспериментальных данных и внедрённых технических решений (регулирование доли концентрата, LUT-калибровка привода, встроенная диагностика и журналирование) демонстрирует, что разработанный блок управления готов к интеграции в мобильный пожарный модуль и дальнейшим полевым испытаниям.