Александр сергеевич использование закономерностей внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала одноцилиндрового двигателя для регулирования частоты вращения генераторной установки

На правах рукописи

УДК 621.431-50(075.8) Игошев Александр Сергеевич ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВНУТРИЦИКЛОВОГО ИЗМЕНЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Специальность 05.04.02 «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2010

Работа выполнена на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Драгомиров Сергей Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марков Владимир Анатольевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Евстигнеев Алексей Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «МЗАТЭ-2» (г. Москва).

Защита состоится « 28 » декабря 2010 г. в 1400 часов на заседа нии диссертационного совета Д 212.025.02 при Владимирском государст венном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, (Тел./факс (4922) - 361-981;

Е-mail: [email protected]).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Влади мирского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, про сим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссерта ционного совета.

Автореферат разослан « 25 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь Ю.В. Баженов диссертационного совета к.т.н., профессор -2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы На сегодняшний день одноцилиндровые поршневые двигатели зани мают значительный сектор в общем объеме производства тепловых двига телей. Такими компаниями, как Yamaha, Honda, SDMO, Briggs&Stratton; и др., ежегодно производится более 15 млн. шт. подобных двигателей для самых различных применений.

Значительная часть одноцилиндровых двигателей используется для привода электрогенераторов, которые широко применяются в качестве ос новных источников электроэнергии в условиях отсутствия централизован ного электроснабжения, а также как резервные источники электропитания при отключении основной сети (в строительстве, сельском хозяйстве, в во енной технике, в медицинских учреждениях, на автозаправочных станци ях, при проведении аварийно-спасательных работ и др.). Анализ показыва ет перспективность автономных энергоисточников, доля которых по выра ботке электроэнергии в странах Европы в среднем уже приближается к 20%. При этом значительной популярностью сегодня пользуются установ ки мощностью 2…15 кВт, выполняемые с использованием бензинового двигателя.

Основное требование, предъявляемое к генераторной установке, – поддержание заданной частоты вращения ее вала в допустимых пределах, от которой напрямую зависит стабильность частоты тока в сети (на выходе генератора). Для этой цели на двигатели устанавливают автоматические регуляторы частоты вращения вала, большинство из которых являются ме ханическими. Такие регуляторы обладают целым рядом существенных недостатков: принципиальной невозможностью реализации сложных зако нов регулирования, изменяющимися в процессе эксплуатации параметра ми элементов регулятора (жесткость пружин, мембран и т.п.), влиянием за зоров в соединениях и наличием сухого трения, инерционностью, вызван ной массой подвижных элементов и др. Вместе с тем, процесс регулирова ния частоты вращения именно одноцилиндровых двигателей наиболее сложен из-за таких особенностей их работы, как значительная неравно мерность частоты вращения вала в течение цикла, низкая частота управ ляющих воздействий (один раз за два оборота коленчатого вала), сущест венное (в сравнении с многоцилиндровыми двигателями) влияние неиден тичности рабочих циклов и др. При регулировании бензиновых двигателей возникают такие проблемы, как пропуски воспламенения и значительная инерционность процессов смесеобразования. Все перечисленные факторы отрицательно сказываются на качестве работы системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала одноцилиндрового двигате ля.

В тоже время, «жесткая» конкуренция и непрерывно возрастающие требования со стороны заказчиков требуют от производителей постоянно го улучшения основных характеристик двигателей и систем управления.

Современными решениями в этой области являются оснащение двигателей микропроцессорными системами управления и электроприводом дрос -3 сельной заслонки. Установка подобных систем позволяет реализовывать гибкую стратегию управления основными исполнительными устройствами двигателя и применять более сложные законы регулирования.

Вместе с тем следует отметить, что применение дополнительных элек тронных устройств и датчиков на одноцилиндровых двигателях нежела тельно, т.к. приводит к существенному повышению стоимости последних.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимо стью решения проблемы повышения качества регулирования частоты вра щения вала одноцилиндрового двигателя без существенного увеличения сложности и стоимости системы управления.

Цель работы – повышение качества регулирования частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя, работающего в составе генераторной установки, путем введения контура обратной связи по нагрузке, опреде ляемой косвенным способом.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основ ные задачи.

1. Выполнен анализ существующих принципов и устройств для регу лирования частоты вращения вала поршневого двигателя, исследована и обоснована возможность построения САР с обратной связью по нагрузке, определяемой по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала.

2. Теоретически исследовано качество работы САР при различных законах регулирования с целью выбора наиболее эффективного из них.

3. Создана лабораторная моторная установка для исследования функционирования САР частоты вращения вала одноцилиндрового двига теля.

4. Разработан опытный образец САР, в которой реализовано регули рование частоты вращения коленчатого вала одноцилиндрового двигателя с введением контура обратной связи по нагрузке, определяемой косвенным способом.

5. Проведены экспериментальные исследования качества работы САР на переходных режимах работы двигателя при различных законах его ре гулирования и нагружения.

Методы и объект исследования Теоретическое исследование качества работы САР частоты вращения вала двигателя при различных законах регулирования проводились с ис пользованием программного комплекса MATLAB. Экспериментальное ис следование проводилось на одноцилиндровом четырехтактном бензиновом двигателе Т-520К, оснащенном опытной электронной системой управле ния топливоподачей, зажиганием и электроприводом дроссельной заслон ки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые осуществлено регулирование частоты вращения коленча того вала одноцилиндрового двигателя с введением контура обратной свя зи по нагрузке, определяемой косвенным способом;

-4 • показана качественная эквивалентность прямого измерения нагруз ки двигателя и ее косвенного определения по закономерностям внутри циклового изменения угловой скорости коленчатого вала;

• на основе результатов математического моделирования САР часто ты вращения вала двигателя показано, что регулирование только по откло нению частоты вращения вала не является достаточно эффективным и для повышения качества регулирования необходимо иметь информацию о на грузке двигателя;

• получены экспериментальные данные о качестве работы САР с обратной связью по нагрузке, определяемой по закономерностям внутри циклового изменения угловой скорости коленчатого вала.

Практическую ценность работы представляют:

• разработанная опытная электронная САР частоты вращения вала одноцилиндрового бензинового двигателя;

• реализованный способ регулирования частоты вращения коленча того вала одноцилиндрового двигателя с использованием косвенного оп ределения нагрузки по закономерностям внутрициклового изменения уг ловой скорости коленчатого вала;

• лабораторная моторная установка для исследования функциониро вания САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя.

Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты теоретического исследования качества работы САР при различных законах регулирования;

• обоснование и практическая реализация способа косвенного опреде ления нагрузки одноцилиндрового двигателя, основанного на закономер ностях внутрициклового изменения угловой скорости вала, в контуре ре гулирования частоты его вращения;

• результаты экспериментальных исследований качества работы САР на стационарных и переходных режимах работы двигателя при различных способах регулирования частоты вращения вала.

Достоверность результатов работы и обоснованность научных положений обусловливается:

- применением общих уравнений теории автоматического управления, а также подтверждением с помощью экспериментальных данных результа тов моделирования переходных процессов при работе двигателя в составе генераторной установки;

- проведением экспериментальных исследований с применением по веренных и аттестованных современных измерительных приборов и обо рудования.

Реализация результатов работы Результаты диссертационного исследования используются в научно исследовательских и опытно конструкторских работах, проводимых ЗАО «Эридан» (г. Москва).

-5 Опытный образец электронной САР применяется в учебном процессе на кафедре “Тепловые двигатели и энергетические установки” Владимир ского государственного университета.

Апробация работы Основное содержание диссертационной работы и ее результаты были представлены на:

• I Всероссийской научно-технической конференции студентов и ас пирантов «Идеи молодых - новой России» (Тула, 2004 г.);

• I Всероссийской научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (Владимир, 2004 г.);

• Международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта» (Суздаль, 2005 г.);

• Международной научно-технической конференции «Проектирова ние, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно технологических комплексов» (Нижний Новгород, 2005);

• XI Международной студенческой олимпиаде «Балтийская олимпиада по автоматическому управлению BOAC'06» (Санкт-Петербург, 2006 г.);

• IX, X и XII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршне вых двигателей» (Владимир, Влад. гос. ун-т, 2003, 2005, 2010 гг.);

• XIII Международной научно-практической конференции “Актуаль ные проблемы эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, 2009);

• научно-технических семинарах кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университе та.

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них 1 – в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и содержание работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, заключения, библиографического списка. Общий объем работы составляет 133 страницы и включает - 86 рисунков и 8 таблиц, список ли тературы из 82 наименований (в том числе - 17 зарубежных источников).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко излагается суть решаемой в рамках диссертацион ной работы проблемы, отражается ее актуальность, указываются цель и за дачи, характеризуются научная новизна и практическая ценность исследо вания.

Первая глава посвящена обзору существующих автоматических регу ляторов частоты вращения вала поршневого двигателя, а также общему анализу применяемых принципов регулирования двигателей. Рассмотрены -6 проблемы регулирования одноцилиндровых двигателей, обоснована акту альность работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Эффективность работы любой САР определяется, прежде всего, со вершенством применяемого автоматического регулятора. Проведенный анализ технической литературы показал, что на сегодняшний день сущест вует множество регуляторов, отличающихся как по устройству, так и по принципу действия. До последнего времени для регулирования частоты вращения одноцилиндровых двигателей в основном применялись механи ческие регуляторы, реализующие простейшие законы регулирования. Ме ханические регуляторы, использующие сложные законы регулирования являются весьма громоздкими, менее надежными и значительно более до рогими, вследствие чего на дешевые одноцилиндровые двигатели практи чески не устанавливаются. Однако процесс регулирования именно одно цилиндровых двигателей отличается наибольшей сложностью, поскольку связан с такими их особенностями как значительная неравномерность час тоты вращения вала в течение цикла, межцикловая неидентичность пока зателей, низкая частота управляющих воздействий (один раз за два оборо та коленчатого вала) и др. В результате качество работы САР одноцилинд ровых двигателей значительно ухудшается.

Для повышения эффективности систем регулирования необходимо как совершенствование исполнительных устройств системы, так и приме нение более сложных стратегий и законов регулирования. Анализ научной литературы показывает, что большинство современных систем управления поршневым двигателем (системы топливоподачи, зажигания и др.) имеет электронное управление на основе микропроцессорной техники. В на стоящее время применение подобных систем, например, в автомобильной промышленности, носит массовый характер, что способствует неуклонно му снижению стоимости электронных компонентов и повышению их на дежности. Применение микропроцессорных систем позволяет реализовать более сложные законы регулирования, обеспечивающие высокое качество работы САР.

Рассматривая общие принципы управления бензиновым двигателем, следует отметить определенную его специфику как объекта управления. К особенностям регулирования поршневых двигателей относятся: нелиней ность их характеристик, нестационарность режимов работы, дискретность протекания рабочих процессов, стохастичность и нестационарность основ ных показателей, многомерность двигателя как объекта управления, нали чие случайных возмущений и др.

В главе приведены классификация (по принципам построения, нали чию усиления, диапазону регулирования, по измеряемым параметрам и -7 показателям, по наклону статической характеристики) и анализ систем ре гулирования поршневых двигателей.

Материалы 1-й главы позволили сформулировать цель диссертацион ного исследования и его задачи.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию качества работы САР частоты вращения вала двигателя при различных законах ре гулирования.

Эффективность системы регулирования определяется основными показателями качества ее переходных процессов. К таким показателям от носятся статическая и динамическая ошибки, а также время регулирования (ГОСТ Р ИСО–8528–5–2005).

С помощью программного комплекса MATLAB была создана матема тическая модель САР, позволяющая определять характеристики переход ных процессов системы в зависимости от законов и алгоритмов регулиро вания, закона изменения нагрузки, параметров двигателя и других факто ров. Модель состоит из следующих основных функциональных блоков (рис. 1): ЗАДАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ, РЕГУЛЯТОР (различные комбинации пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющей), ДВС, НАГРУЗКА, ШУМ и ОСЦИЛЛОГРАФ.

Рис. 1. Функциональная схема разработанной модели САР Для математического описания двигателя как объекта регулирования по частоте вращения применялся широко используемый в теории автома тического управления аппарат передаточных функций (ПФ). Применение ПФ при анализе системы регулирования обусловлено ее наглядностью, т.к.

каждый коэффициент функции имеет определенный физический смысл.

-8 Основное преимущество ПФ состоит в том, что она позволяет описать связь между регулируемым и регулирующим параметрами. Для определе ния коэффициентов ПФ существуют аналитические и экспериментальные методы. Основное достоинство экспериментального подхода состоит в том, что полученные зависимости описывают не только свойства элемен тов, входящих в систему регулирования, но и учитывают особенности взаимосвязей этих элементов между собой.

В качестве регулирующего канала в бензиновом двигателе, рабо тающего в составе генераторной установки, могут использоваться угловое положение дроссельной заслонки, угол опережения зажигания или цикло вая подача топлива. Из всех перечисленных каналов обычно выбирают тот, который обеспечивает максимальное изменение регулируемой величины, то есть коэффициент усиления по выбранному каналу должен быть макси мальным. В этом случае с помощью данного канала можно реализовать наиболее точное регулирование. Диапазон допустимого изменения управ ляющего сигнала должен быть достаточным для полной компенсации мак симально возможных возмущений, возникающих в процессе регулирова ния, то есть следует обеспечить запас возможностей управления по данно му каналу. Также выбранный канал должен обладать малым запаздывани ем, а изменение статических и динамических свойств объекта по выбран ному каналу при изменении нагрузки должны быть незначительными.

Для бензинового двигателя подобным регулирующим каналом являет ся угловое положение дроссельной заслонки.

Для определения коэффициентов ПФ двигателя была проведена серия экспериментов (ПФ определялись по динамике разгона двигателя). Кривые разгона получены путем ступенчатого изменения угла открытия дроссель ной заслонки при значениях нагрузки 0, 25, 50 и 100% от максимальной.

Шаг по углу открытия дроссельной заслонки выбирался таким образом, чтобы обеспечить изменение частоты вращения вала двигателя от 1500 до 2500 мин-1, то есть в зоне регулируемого значения частоты (2000 мин-1).

В результате анализа кривых разгона получена следующая передаточ ная функция двигателя:

K, W ДВС ( p ) = (1) 3.4 p + d где K – коэффициент усиления, p = – оператор дифференцирования. За dt висимость коэффициента усиления K передаточной функции от момента сопротивления нагрузки Mc описывалась следующим полиномом:

K = 0,066 M c 3,877 M c + 89,34. Значение постоянной времени в зависимости от нагрузки изменялось незначительно и поэтому принято постоянным.

-9 Блок НАГРУЗКА позволял моделировать различные законы нагруже ния двигателя.

Блок ЗАДАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ предназначен для формирования за дающего воздействия (n0), значение которого необходимо поддерживать.

Наличие обратной связи позволяет определить рассогласование e = n0 - n.

Величина рассогласования подается на РЕГУЛЯТОР, определяющий необ ходимое воздействие на объект регулирования. Система работает так, что бы все время сводить к нулю рассогласование e.

Уровень информационного шума составляет величину около 0,3% от полезного сигнала и имитирует такие особенности двигателя, как крутиль ные колебания и неравномерность частоты вращения вала в течение цикла.

Блок РЕГУЛЯТОР позволял реализовывать следующие законы регу 0,3 p + 0, лирования: - ПИ-регулирование WРЕГ ( p) = ;

p 0,3 p + 0,1 + 0,05 p - ПИД-регулирование WРЕГ ( р) =, p Значение коэффициентов регулятора определены по методике Цидле ра и позволяют реализовать апериодический процесс регулирования.

Таким образом, передаточная функция замкнутой САР по управляю щему воздействию примет вид:

W ДВС ( p)WРЕГ ( p ) WСАР ( p) = 1 + W ДВС ( p)WРЕГ ( p) Для анализа возможностей регулирования на основе нечеткой логики (блок КОНТРОЛЛЕР НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ) использовались три лингвис тические переменные - две входных и одна выходная. Входными перемен ными являлись пропорциональная и дифференциальная составляющая сигнала рассогласования e, в качестве выходной переменной было принято угловое положение дроссельной заслонки. Значения пропорциональной составляющей описывалось пятью треугольными термами, дифференци альной - тремя. Для описания выходной переменной было применено пять треугольных термов. База правил содержала 28 продукционных правил, связывающих лингвистические переменные. Дефаззификация осуществля лась по алгоритму Мамдани.

С помощью переключателей в модели САР (см. рис.1) имелась воз можность моделировать комбинированный регулятор, который одновре менно реализовывал управляющее воздействие по отклонению частоты вращения вала двигателя и по его нагрузке. При регулировании по откло нению применялся ПИ-закон регулирования, а воздействие, учитывающее нагрузку на двигатель, являлось функциональной зависимостью углового положения дроссельной заслонки от нагрузки и частоты вращения вала, полученной на статических режимах работы двигателя. При этом алгоритм - 10 расчета необходимого углового положения дроссельной заслонки при комбинированном регулировании (рис.2) реализовывался с использовани ем найденного полинома: = 0,0207 M c 2 + 2,1077 M c + 5,9129.

Эффективность перечисленных законов регулирования определялась путем сравнения основных показателей качества переходных процессов САР (табл. 1).

При сравнении ПИ- и ПИД регулирования, а также нечеткого регулятора, наиболее эффективным оказался ПИД-регулятор. Однако наличие в регулируемой величине высокочастотных составляющих отрицательно сказывается на диф ференциальном канале регулятора, что приводит к появлению колеба ний в процессе регулирования. При попытках подавить колебательные процессы путем уменьшения ко эффициента при дифференциаль ной составляющей регулятора, по казатели качества приближаются к значениям при ПИ-регулировании. Рис. 2. Алгоритм расчета требуемого уг Применение регулятора на основе лового положения дроссельной заслонки нечеткой логики также незначи тельно повышает качество переходных процессов, поскольку он оперирует только пропорциональной и дифференциальной составляющими сигнала рассогласования e. Это обусловлено тем, что при составлении базы правил необходимо определить зависимости между термами входных и выходной лингвистических переменных. Од Табл. нако только для Основные показатели качества переходных процессов пропорциональной и дифференциаль Время пере- Динамическая ной составляющей Законы регулирования ходного про- ошибка регули регулятора извест- цесса, с рования, % ны значения, к ко- ПИ-регулирование 1,8 торым они должны ПИД-регулирование 1,6 4, стремится (ноль) завершения Комбинированное для 0,8 2, Регулирование переходного про Нечеткое цесса САР. Значе- 1,7 4, Регулирование - 11 ние интегральной составляющей, определяющей конечное положение дроссельной заслонки, остается неизвестным, так как зависит от величины нагрузки двигателя, которая непрерывно изменяется. Следовательно, при менение нечеткого регулирования наиболее эффективно в тех случаях, ко гда известны заданные законы изменения координат объекта регулирова ния во времени в процессе эксплуатации (например, в робототехнике).

Основной недостаток регулирования по отклонению состоит в том, что для начала формирования управляющего воздействия на двигатель частота вращения вала должна отклонится от заданной уставки.

Результаты моделирования показали, что более эффективной является САР на основе комбинированного регулирования, что объясняется удач ным сочетанием достоинств как замкнутой, так и разомкнутой систем ре гулирования и возможностью мгновенно реагировать на изменение момен та сопротивления (нагрузку) путем увеличения быстродействия при опре делении необходимого углового положения дроссельной заслонки.

Третья глава посвящена описанию создания электронной САР час тоты вращения вала поршневого одноцилиндрового двигателя, работаю щего в составе генераторной установки.

При этом был выполнен анализ аналогичных разработок в мировой индустрии, который показал, что во всех случаях при построении САР для определения нагрузки двигателя используют либо положение дроссельной заслонки, либо электрические параметры генератора. Прямое измерение нагрузки (по величине крутящего момента) практически не используется ввиду сложности и высокой стоимости аппаратуры для этой цели.

В основу концепции построения САР положено использование кос венного способа определения нагрузки – по закономерностям внутрицик лового изменения скорости вращения коленчатого вала двигателя.

При анализе неравномерности вращения вала двигателя выделено два уровня рассмотрения:

• межцикловой (закономерности вращения вала анализируются на протяжении определенного множества циклов);

• внутрицикловой (особенности вращения вала изучаются в пределах одного цикла).

Применяемые до настоящего времени способы оценки качества рабо ты двигателя по показателям межцикловой неравномерности вращения ва ла являются довольно трудоемкими и недостаточно информативными.

Общепринятого показателя для диагностики и управления двигателем, оп ределяемого по межцикловой неравномерности вращения вала, не сущест вует.

- 12 В то же время закономерности внутрицикловых изменений угловой скорости вращения вала, как показали наши исследования, довольно ин формативны и могут быть использованы для целей управления.

На этапе разработки электронной САР частоты вращения вала были исследованы возможности косвенного определения нагрузки, в частности, по внутрицикловым изменениям угловой скорости вала. Показано, что та ким путем возможно получить информацию о величине нагрузки, причем, без усложнения аппаратной и программной частей системы регулирова ния.

Суть косвенного способа определения нагрузки поршневого двигате * ля заключается в том, что в качестве критерия нагрузки принята амплиту да первой гармоники квадрата мгновенной угловой скорости коленчатого вала. Параметры гармоники были получены путем тригонометрического преобразования Фурье. На рис. 3 представлены кривые изменения частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя, полученные эксперименталь ным путем, а также первая гармоника как функция угловой скорости. Кри вые изменения параметров получены за период одного цикла (2-х оборотов вала) четырехтактного двигателя.

Рис. 3. Изменение угловой скорости коленчатого вала двигателя Т-520К и ее первой гар моники в пределах одного цикла (двух оборотов вала) На основе полученных экспериментальных данных установлена зави симость значения нагрузки от величины указанной амплитуды первой гар моники квадрата мгновенной угловой скорости коленчатого вала (рис. 4).

Данная закономерность носит линейный характер и практически не зависит от частоты вращения вала двигателя. Найденную закономерность можно отнести к особенностям кинематики поршневого двигателя.

Специально проведенные эксперименты на двигателе с прямым изме рением нагрузки (с помощью тензометрической балочки) и с ее косвенным определением (по амплитуде первой гармоники квадрата мгновенной уг Применение данного способа предложено на кафедре двигателей ВлГУ к.т.н. доцен * том П.В.Абрамовым и исследовано совместно с ним.

- 13 ловой скорости коленчатого вала) позволили установить, что различие между результатами, полученными этими принципиально разными путя ми, не превышает 3,5%.

Рис. 4. Зависимость нагрузки Мс двигателя от амплитуды первой гармоники квадрата мгновенной угловой скорости коленчатого вала (одноцилиндровый двигатель Т-520К) При разработке электронной САР частоты вращении вала двигателя была определена ее структурная схема, выявлено количество необходимых датчиков и исполнительных устройств. При проектировании САР учиты вались такие параметры системы, как число входных и выходных каналов, допустимая погрешность датчиков, требуемые законы регулирования, сте пень дискретности, особенности объекта регулирования. Исходя из этого, был выбран основной элемент системы – микропроцессор, обеспечиваю щий необходимое быстродействие и реализующий алгоритмы управления и настройки САР. Основными датчиками системы являлись датчик часто ты вращения вала двигателя и датчик, позволяющий измерять нагрузку двигателя. По текущим значениям частоты вращения вала двигателя и на грузке определялся угол открытия дроссельной заслонки, цикловая подача топлива, угол опережения зажигания и момент начала впрыска топлива.

Для измерения частоты вращения использовался оптический датчик, кото рый работал со спецдиском из оргстекла с затемненными секторами. Для прямого измерения нагрузки двигателя применялся датчик усилия с тензо метрической балочкой. Эти два решения позволяли регистрировать мгно венные значения, как частоты вращения вала, так и крутящего момента.

К каналам управления двигателем относятся подсистемы зажигания, топливоподачи и управления дроссельной заслонкой. Основные элементы перечисленных подсистем управления представлены на схеме (рис. 5).

Разработанная оригинальная система управления одноцилиндровым бензиновым двигателем Т-520К (производство ОАО «АК Туламашзавод»), позволяющая осуществлять функцию регулирования (стабилизации) час - 14 тоты вращения вала, прошла комплекс испытаний и исследований в соста ве специально созданного для этого моторного стенда.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных иссле дований по поиску определенных стратегий регулирования, обеспечиваю щих необходимое качество процесса регулирования одноцилиндрового двигателя, работающего в составе генераторной установки.

Рис. 5. Схема системы электронного управления одноцилиндровым бензино вым двигателем: 1 – стаби лизатор давления топлива;

– бензобак;

3 - электробен зонасос погружного типа;

– электромагнитная фор сунка;

5 – дроссельная за слонка;

6 – электропривод дроссельной заслонки на ос нове шагового двигателя;

– микропроцессорный блок управления (PC);

8 – датчик температуры масла;

9 – спецдиск;

10 – датчик час тота вращения и положения вала;

11 – катушка зажига ния;

12 – свеча зажигания;

13 – электронный коммута тор Для проведения этих исследований был создан специализированный моторный стенд, оснащенный соответствующей аппаратурой. В качестве тормозного устройства на моторном стенде применялся индукторный дис ковый тормоз фирмы Shenk номинальной мощностью 25 кВт. Тормоз имел водяное охлаждение. Управление тормозом велось электросиловым бло ком.

Исследования и анализ переходных процессов САР проводились при использовании следующих законов регулирования:

- ПИ-регулирование;

- комбинированное регулирование по скорости и нагрузке, измерен ной прямым способом (с помощью датчика крутящего момента);

- комбинированное регулирование по скорости и нагрузке, определен ной косвенным способом (по закономерностям внутрициклового измене ния угловой скорости вращения вала).

В качестве возмущающих воздействий при исследовании поведения разработанной САР частоты вращения вала применялись различные зако - 15 ны нагружения двигателя – ступенчатое, импульсное, гармоническое, пи лообразное воздействия, а также воздействие в форме меандра.

На рис. 6 представлены типичные переходные процессы исследуемой системы регулирования при ступенчатом изменении нагрузки двигателя.

Закон нагружения Пропорционально интегральное регулирование Комбинированное регулирование (прямое измерение нагрузки) Комбинированное регулирование (косвенное опре деление нагрузки) Рис. 6. Переходные процессы исследуемой САР частоты вращения вала На основе экспериментальных исследований качества функциониро вания созданной САР на переходных режимах работы двигателя при ком бинированном регулировании частоты вращения вала установлено, что при разных законах нагружения двигателя (в форме меандра, импульсном, пилообразном и гармоническом нагружениях) средняя динамическая ошибка при использовании прямого измерения нагрузки находится в пре - 16 делах 1,3…3,3%, а при косвенном ее определении – 1,3…4,2%. При этом отечественные нормативы допускают эту ошибку до 10% (ГОСТ Р ИСО – 8528-5-2005).

В качестве критериев оценки эффективности работы разработанной САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя использовались следующие показатели качества переходных процессов:

1. Динамическая ошибка регулирования (%) - фиксирует наибольшее отклонение регулируемого параметра от заданной величины.

2. Время переходного процесса (с) – промежуток времени, за который регулируемая величина в переходном процессе начинает отличаться от за данного значения менее, чем определенная погрешность регулирования.

3. Интегральный показатель (мкс) - в виде единого числового значения дает обобщенную оценку скорости затухания и величины отклонения ре гулируемой величины.

Основные показатели качества переходных процессов, полученные экспериментальным путем, представлены в табл. 2 (осредненные по 10 из мерениям). Как показывает анализ этих данных, значения показателей ка чества разработанной САР на основе комбинированного регулирования с косвенным определением нагрузки существенно превосходят показатели САР на основе ПИ-регулирования (особенно по интегральному показателю качества) и по существу сравнимы с показателями при комбинированном регулировании с прямым измерением нагрузки двигателя.

Табл. Основные показатели качества переходных процессов при ступенчатом изменении нагрузки Интегральный Динамическая показатель каче Время переход- ошибка регули ного процесса, с ства переходного рования, % Законы регулирования процесса Изменение нагрузки наброс сброс наброс сброс Наброс сброс 1,7 1,8 4,5 4,2 914 ПИ-регулирование Комбинированное 0,8 0,3 2,2 2,0 112 регулирование (прямое измерение нагрузки) Комбинированное регулирование (косвен- 0,91 0,4 2,0 2,1 87 ное определение нагруз ки) На рис. 7а представлен процесс установки необходимого углового по ложения дроссельной заслонки при ПИ-регулировании, характеризующий - 17 основной недостаток регулирования по отклонению. Очевидно, что уста новившееся значение угла открытия дроссельной заслонки формирует ин тегральная составляющая регулятора, требующая значительного времени для накопления ошибки. Сократить время поиска необходимого углового положения заслонки при комбинированном регулировании позволяет мо ментная составляющая регулятора, что улучшает показатели качества пе реходного процесса (рис. 7б).

а) б) Рис. 7. Установка необходимого положения дроссельной заслонки на протяжении определенного числа циклов i при ПИ-регулировании (а) и комбинированном регулиро вании (б): 1 – конечное положение заслонки;

2 – интегральная составляющая;

3 – про порциональная составляющая;

4 - моментная составляющая В целом можно заключить, что созданная опытная САР работоспособ на и позволяет реализовывать различные законы регулирования частоты вращения вала двигателя. Предлагаемый способ косвенного определения нагрузки двигателя (по закономерностям внутрициклового изменения уг ловой скорости вращения вала) при комбинированном регулировании по казал свою эффективность и представляет интерес для практического ис пользования в САР для поддержания частоты вращения вала двигателя, работающего в составе генераторной установки. Простота и малые затраты для реализации этого способа делают его конкурентоспособным со спосо бом прямого измерения нагрузки двигателя при комбинированном регули ровании частоты вращения вала.

- 18 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Анализ развития двигатель-генераторных установок показал пер спективность автономных энергоисточников, доля которых по выработке электроэнергии в странах Европы в среднем приближается к 20%. Выявле ны проблемы поддержания заданной частоты вращения вала поршневого двигателя, работающего в составе генераторной установки, и показано, что при современном уровне развития техники возможны принципиально но вые подходы к регулированию частоты вращения вала.

2. На основе теоретических исследований установлено, что регулиро вание только по отклонению частоты вращения вала не является эффек тивным даже при использовании усложненных алгоритмов (например, с применением принципов нечеткой логики). Качественно новый уровень регулирования может быть достигнут только при введении обратной связи по нагрузке.

3. Выполнен анализ существующих принципов и устройств для регу лирования частоты вращения вала поршневого двигателя, реализован и ис следован в созданной САР принцип регулирования частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя, основанный на определении его нагрузки по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленча того вала. Выявлена эквивалентность прямого измерения нагрузки и ее косвенного определения (по закономерностям внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала), не зависящая от характера изменения нагрузки. Установлено, что разница при прямом измерении нагрузки дви гателя и косвенном ее определении не превышает 3,5%.

4. Применение показателя нагрузки двигателя в контуре регулирова ния частоты вращения вала позволяет существенно повысить качество пе реходных процессов. Результаты проведенных экспериментов показали, что комбинированное регулирование по сравнению с ПИ-регулированием позволяет снизить динамическую ошибку регулирования в 2,3 раза при одновременном сокращении времени переходного процесса в 1,9 раз и улучшении интегрального показателя качества в 4,2 раза. При этом введе ние обратной связи по нагрузке не снижает устойчивость САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя.

5. Создана и успешно опробована лабораторная моторная установка с комплексом соответствующей аппаратуры для исследования функциони рования разработанной САР частоты вращения вала одноцилиндрового двигателя на переходных режимах.

6. Учитывая, что на одноцилиндровых двигателях прямое измерение нагрузки для целей регулирования частоты вращения практически не при меняется, косвенный способ определения нагрузки, благодаря его простоте и малым затратам на реализацию (он не требуется введения в САР слож ных и дорогостоящих датчиков), может быть успешно применен в систе мах регулирования частоты вращения генераторных установок.

- 19 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ 1. Эфрос В.В., Абрамов П.В., Игошев А.С. Особенности разгона ав томобильного двигателя с распределенным впрыскиванием бензина // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршне вых двигателей: Материалы IX Междунар. науч.-практ. конференции. Вла дим. гос. ун-т. – Владимир, 2003. – С. 326 – 328.

2. Эфрос В.В., Абрамов П.В., Игошев А.С. Система автоматического управления бензиновым двигателем для средств малой механизации // Ме хатроника, автоматизация, управление: Тр. I Всероссийской науч. – тех нич. конференции. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2004. – С. 403 – 405.

3. Игошев А.С. Система электронного управления двигателями средств малой механизации // Идеи молодых новой России: Тезисы докла дов I Всероссийской науч. – технич. конф. студентов и аспирантов. Туль ский гос. ун-т. – Тула, 2004. – С. 99.

4. Абрамов П.В., Игошев А.С. Электронный регулятор частоты вра щения для двигателей средств малой механизации // Электроника и элек трооборудование транспорта: Тезисы докладов междунар. симпозиума. – Суздаль. 2005. – С. 11 – 13.

5. Игошев А.С. Система автоматического регулирования частоты вращения бензинового двигателя для средств малой механизации // Проек тирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно – технологических комплексов: Материалы Междунар. науч. – технич. кон ференции. Нижегород. гос. техн. ун-т. – Н. Новгород, 2005. – С. 217 – 219.

6. Абрамов П.В., Эфрос В.В., Игошев А.С. Кинематические критерии для адаптивного управления поршневым двигателем внутреннего сгорания // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршне вых двигателей: Материалы X Междунар. науч.-практ. конференции. Вла дим. гос. ун-т. – Владимир, 2005. – С. 75 – 76.

7. Игошев А.С. Электронная система регулирования частоты враще ния вала одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания // Балтийская олимпиада по автоматическому управлению BOAC'06: Материалы XI ме ждународной студенческой олимпиады. Санкт-Петербургский гос. ун-т информационных технологий, механики и оптики. – Санкт-Петербург, 2006. – С. 11 – 15.

8. Игошев А.С. Применение косвенного метода определения нагрузки в системе автоматического регулирования частоты вращения вала двигате ля //Электроника и электрооборудование транспорта. – 2009, №4. – С. 35 38.

9. Игошев А.С., Драгомиров С.Г. Методика выбора параметров не четкого управления частотой вращения вала бензинового двигателя. - Ак - 20 туальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств: Материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2009, С.

314-316.

10. Игошев А.С., Драгомиров С.Г. Анализ качества переходных про цессов САР частоты вращения вала двигателя при различных законах его регулирования и нагружения. – Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Материалы XII Междунар. на уч.-практ. конф. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 2010 - С. 150-153.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ В ПУБЛИКАЦИЯХ Во всех работах автор принимал непосредственное участие в поста новке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследова ний, анализе и описании полученных результатов. В публикации [2] авто ром проведен анализ направления развития систем регулирования частоты вращения вала двигателя, описана концепция САР частоты вращения вала двигателя. В работах [1] и [6] приведено исследование кинематических особенностей функционирования поршневых двигателей и дан анализ воз можностей использования закономерностей внутрициклового изменения угловой скорости вала двигателя для целей управления. В публикациях [2 5,7] дано описание разработанной САР частоты вращения вала одноци линдрового двигателя.

В работах [8,10] изложены результаты проведенных исследований функционирования разработанной САР и проведен выполненный непо средственно соискателем анализ этих результатов. В статье [9] описана разработанная автором методика выбора параметров нечеткого управления частотой вращения вала бензинового двигателя.

При подготовке всех научных статей соискатель принимал непосред ственное и активное участие в творческом процессе.

- 21 Подписано в печать 23.11. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.

Заказ 290 - 2010 г.

Издательство Владимирского государственного университета:

600000, г. Владимир, ул. Горького, - 22