СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СИЛОВОГО АГРЕГАТА
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OVER POWER PLANT OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления работой силового (приводного) агрегата согласно ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
Из DE 19739564 А1 известны способ и устройство для управления работой силового агрегата транспортного средства, в котором по желанию водителя формируют заданное значение момента или мощности, служащее для управления силовым агрегатом, причем определяют максимально допустимый момент или максимально допустимую мощность, а заданное значение ограничивают максимально допустимым значением, если это заданное значение превысило максимально допустимое значение.
Раскрытие изобретения
Предлагаемые в изобретении способ и устройство с отличительными признаками согласно независимым пунктам формулы изобретения имеют по сравнению с упомянутыми выше то преимущество, что для силового (приводного) агрегата задают заданное значение второй выходной переменной (выходной величины) силового агрегата, предпочтительно частоты вращения или скорости, определяют фактическое значение этой второй выходной переменной силового агрегата, сравнивают заданное значение с фактическим значением, в случае, когда превышения заданного значения фактическим значением не установлено, ограничивают первую выходную переменную (выходную величину) первым значением, а в случае, когда установлено превышение заданного значения фактическим значением, эту выходную переменную ограничивают вторым значением, меньшим, чем первое. Таким способом можно реализовать ограничение первой выходной переменной силового агрегата в зависимости от разности между фактическим и заданным значениями второй выходной переменной. При этом, в частности для силового агрегата с регулируемого по частоте вращения или скорости, это позволяет реализовать ограничение первой выходной переменной силового агрегата, отличной от частоты вращения и скорости, в зависимости от разности между фактическим и заданным значениями частоты вращения или в зависимости от разности между фактическим и заданным значениями скорости. Благодаря этому можно, прежде всего, предотвратить сброс блока управления или аварийное выключение силового агрегата при превышении заданного значения частоты вращения фактическим значением частоты вращения или при превышении заданного значения скорости фактическим значением скорости и, тем самым, повысить коэффициент готовности силового агрегата.
Предпочтительные частные варианты осуществления способа, описанного в независимом пункте формулы изобретения, характеризуются мероприятиями, указанными в зависимых пунктах формулы.
При этом в предпочтительном варианте в качестве первого значения выбирают максимально допустимое значение. Таким образом, в случае, когда превышения заданного значения второй выходной переменной ее фактическим значением не установлено, первая выходная переменная может принимать значения из максимально возможного диапазона значений, благодаря чему работа силового агрегата не подвергается никаким ограничениям.
Далее, в предпочтительном варианте осуществления изобретения первую выходную переменную ограничивают вторым значением только в том случае, если фактическое значение второй выходной переменной превышает ее заданное значение более чем на заданное значение смещения. Таким образом, посредством заданного значения смещения устанавливают диапазон допуска. В случае, когда предусмотрен регулятор, стремящийся приводить фактическое значение второй выходной переменной к ее заданному значению, это позволяет гарантировать, что выброс фактического значения за заданное значение второй выходной переменной или динамические процессы в регуляторе, требующие парирования, такого как прекращение резкого падения частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, еще не повлекут за собой ограничение первой выходной переменной вторым значением, а значит, рабочий диапазон регулятора не будет ограничен.
Еще одно преимущество достигается, если с увеличением превышения заданного значения фактическим значением выбирать второе значение меньшим. Таким способом можно гибко приводить второе значение в соответствие с разностью фактического и заданного значений второй выходной переменной и, тем самым, максимально отсрочить аварийное выключение силового агрегата или сброс блока управления, что еще больше повысит коэффициент готовности силового агрегата.
Уменьшение второго значения с увеличением превышения заданного значения второй выходной переменной ее фактическим значением особенно просто достигается с помощью линейной зависимости согласно линейной функции с насыщением.
Еще одно преимущество имеет место, если для ограничения первой выходной переменной ограничивать ее заданное значение. Таким способом можно уже в самом начале предотвратить выход фактического значения первой выходной переменной за граничное значение.
Особенно предпочтительный вариант осуществления достигается, если в зависимости от результата сравнения заданного и фактического значений второй выходной переменной регулятор задает заданное значение первой выходной переменной, чтобы привести фактическое значение второй выходной переменной к ее заданному значению, а для ограничения первой выходной переменной ограничивается ее заданное значение. Это позволяет особенно просто интегрировать предлагаемый в изобретении способ в принцип действия регулятора при регулировании фактического значения второй выходной переменной по ее заданному значению, и тем самым избежать нежелательно большого возрастания фактического значения превышения второй выходной переменной сверх ее заданного значения.
Еще одно преимущество достигается, если в случае, когда установлено превышение заданного значения второй выходной переменной ее фактическим значением, проверять, превышает ли фактическое значение первой выходной переменной второе значение, делать в этом случае (при положительном результате проверки) вывод о наличии ошибки и в качестве реакции на ошибку начинать проведение соответствующего мероприятия. Это позволяет гарантировать, что ошибочный рост фактического значения первой выходной переменной можно будет обнаружить и при ограничении заданного значения этой первой выходной переменной вторым значением.
В предпочтительном варианте в качестве первой выходной переменной выбирают вращающий момент, прежде всего индикаторный вращающий момент, либо мощность силового агрегата.
Краткое описание приложенных чертежей
Примеры осуществления настоящего изобретения, поясняемые в приведенном ниже описании, представлены на чертежах, на которых показано:
на фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства,
на фиг.2 - пример последовательности приемов осуществления предлагаемого в изобретении способа,
на фиг.3 - кривая зависимости граничного значения вращающего момента силового агрегата от разности значений частоты вращения,
на фиг.4 - кривая зависимости граничного значения вращающего момента силового агрегата от разности значений скорости.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано (в виде функциональной схемы) предлагаемое в изобретении устройство 10 для управления работой силового агрегата. При этом устройство может быть реализовано, например, программными и/или аппаратными средствами в системе управления, например в системе управления силовым агрегатом. Силовой агрегат может включать в себя, например, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель либо комбинированный (гибридный) привод, объединяющий двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель. Силовой агрегат может приводить в движение, например, транспортное средство, в частности автомобиль. Вместе с тем, он может приводить в действие и генератор или строительную машину. Предлагаемые в изобретении способ и устройство особенно подходят для управления работой силового агрегата, регулируемого по частоте вращения или скорости. В случае если силовой агрегат представляет собой двигатель внутреннего сгорания, этот двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен, например, в виде двигателя с искровым зажиганием или дизельного двигателя. В случае силового агрегата транспортного средства управление им может осуществляться, например по меньшей мере в первом рабочем режиме, в частности в режиме холостого хода, по частоте вращения и/или по меньшей мере во втором рабочем режиме - по скорости. Последнее особенно подходит в случае привода транспортного средства в качестве устройства регулирования скорости движения. Регулирование частоты вращения осуществляют по меньшей мере в первом рабочем режиме. Регулирование скорости осуществляют по меньшей мере во втором рабочем режиме.
Первая выходная переменная силового агрегата, например вращающий момент, мощность или - в случае двигателя внутреннего сгорания - также коэффициент наполнения камеры сгорания, зависящий от частоты вращения и скорости силового агрегата, ограничивается, например, известным из DE 19739564 А1 способом, максимально допустимым значением. При этом в случае вращающего момента речь может идти, например, об индикаторном вращающем моменте. В приводимых ниже примерах предполагается, что первой ограничиваемой выходной переменной силового агрегата является вращающий момент. При этом ограничение может накладываться на фактическое или на заданное значение вращающего момента. В приводимых ниже примерах предполагается, что ограничение накладывается на заданное значение вращающего момента. Этот случай также рассматривается в DE 19739564 А2.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения рассматривается силовой агрегат, регулируемый по частоте вращения, а во втором варианте осуществления изобретения рассматривается силовой агрегат, регулируемый по скорости.
Таким образом, в качестве второй выходной переменной силового агрегата в первом примере осуществления изобретения рассматривается частота вращения силового агрегата, а во втором примере осуществления изобретения - скорость транспортного средства, приводимого в движение силовым агрегатом.
soll
soll
soll
На фиг.1 устройство 10 содержит блок 5 формирования заданного значения, формирующий для вращающего момента силового агрегата заданное значение M и передающий его в блок 50 выбора наименьшего значения в качестве входной переменной. Далее, предусмотрен задатчик 20, задающий заданное значение для второй выходной переменной силового агрегата, а именно для частоты вращения n в первом примере осуществления и скорости v во втором примере осуществления.
soll
ist
Устройство 10 описывается ниже в отношении первого примера осуществления изобретения. В случае второго примера осуществления принцип действия устройства является аналогичным, только вместо частоты вращения задают скорость - заданное значение v (например, водителем посредством рычага на рулевой колонке), а фактическое значение скорости v определяют посредством датчика скорости известным специалисту способом.
В описываемом варианте осуществления задатчик 20 расположен, как показано на фиг.1, вне предлагаемого в изобретении устройства 10, но в альтернативном варианте может находиться и внутри устройства 10.
soll
ist
ist
1
soll
soll
1
1
ist
soll
soll
2
ist
soll
1
2
ist
soll
1
2
grenz
2
soll
2
grenz
2
grenz
zul
ist
soll
1
zul
2
grenz
2
soll
grenz
ist
soll
2
В первом рабочем режиме, или режиме холостого хода, задатчик 20, соответствующий первому варианту осуществления изобретения, выдает для частоты вращения заданное значение n (холостой ход), подходящее, например, для проверки двигателя на испытательном стенде. В случае транспортного средства это значение может составлять, например, 900 оборотов в минуту. Устройство 10 получает от датчика 30 частоты вращения фактическое значение n частоты вращения силового агрегата. Фактическое значение n поступает в блок 25 сравнения устройства 10. Устройство 10 также содержит накопитель 35 значений смещения, из которого считывают первое значение смещения offs. Это значение добавляют к заданному значению n частоты вращения в сумматоре 60. Полученная сумма n+ offs также поступает в первый блок 25 сравнения. Первое значение смещения offs применяется, например на испытательном стенде, таким образом, что для превышения фактическим значением n частоты вращения заданного значения n реализуется диапазон допуска, не приводящий к ограничению заданного значения M вращающего момента силового агрегата и, следовательно, не ограничивающий, например, рабочий диапазон регулятора частоты вращения. Первый блок 25 сравнения формирует разность Δn между фактическим значением n частоты вращения и суммой n+offs на выходе сумматора 60, так что Δn=n-(n+offs). Разность Δn поступает в качестве входной величины в блок 45 однопараметровой характеристики. Блок 45 однопараметровой характеристики и блок 50 выбора наименьшего значения образуют узел 15 ограничения. Кривая 45 однопараметровой характеристики изображена на фиг.3. Здесь кривая 45 отображает зависимость граничного значения M от разности Δn для заданного значения M вращающего момента силового агрегата. Для значений Δn, меньше или равных нулю, при этом получают первое граничное значение M, тогда как для значений Δn больше нуля получают второе граничное значение M, которое меньше первого значения. В описанном здесь примере в качестве первого значения выбирают максимально допустимое значение M для вращающего момента силового агрегата. Как известно, например, из DE 19739564 А1, максимально допустимое значение может быть при этом определено (для случая привода транспортного средства) на основе положения педали акселератора и частоты вращения двигателя с помощью многопараметровой характеристики. Второе значение, как уже упоминалось, обычно выбирают меньше первого значения и в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения может уменьшаться с ростом превышения фактическим значением n частоты вращения суммы, состоящей из заданного значения n частоты вращения и первого значения смещения offs. При этом второе значение может линейно уменьшаться, например, согласно линейной функции 1 с насыщением (фиг.3), от максимально допустимого значения M при Δn, равном нулю, до нулевого значения. Это уменьшение может быть и нелинейным. Уменьшение граничного значения M с ростом положительного значения разности Δn частот вращения может быть реализовано, например на испытательном стенде, таким образом, что посредством ограничения заданного значения M граничным значением M предотвращается нежелательный рост фактического значения n частоты вращения выше ее заданного значения n для любого большего нуля значения разности Δn частот вращения. Применение такой кривой, как правило, все же сложнее, чем использование линейной функции с насыщением согласно фиг.3, поскольку эта линейная функция с насыщением может быть особенно просто описана математическим уравнением. Данное уравнение для линейной функции 1 с насыщением имеет вид:
2
2
2
grenz
zul
2
2
grenz
2
grenz
grenz
2
2
grenz
ist
soll
grenz
2
При этом зависимость (1) действует при 0≤Δn≤offs. При Δn≤0 имеет место M=M, а при Δn≥offs значение M равно нулю. В зависимости от разности Δn значений частоты вращения, поступающей в качестве входной величины, блок 45 однопараметровой характеристики выдает, в соответствии с приведенной выше зависимостью, граничное значение M в качестве выходной величины. После этого граничное значение M передают дальше в блок 50 выбора наименьшего значения. Значение offs для разности Δn значений частоты вращения, при которой второе граничное значение M становится (например, в соответствии с линейной функцией 1) равным нулю, может также применяться, например на испытательном стенде, таким образом, что, во-первых, посредством ограничения вращающего момента силового агрегата предотвращают нежелательный рост фактического значения n частоты вращения выше его заданного значения n и, во-вторых, граничное значение M=0 достигается лишь при максимально большой разности Δn значений частоты вращения.
zul
2
grenz
Уменьшение второго значения от максимально допустимого значения M до нуля может, с другой стороны, применяться, например, на испытательном стенде, таким образом, что для соответствующих разностей Δn значений частоты вращения в каждом случае получают максимально большое граничное значение M.
soll
grenz
soll
Блок 50 выбора наименьшего значения выбирает из заданного значения M и граничного значения M меньшее и передает его в виде результирующего заданного значения Mres для последующей обработки с целью преобразования. Это преобразование может осуществляться, например в случае двигателя внутреннего сгорания, посредством регулирования установочных параметров подачи топлива и воздуха, а в двигателе с искровым зажиганием - угла опережения зажигания. Эта последующая обработка может также осуществляться в блоке управления и, следовательно, в устройстве 10 либо в отделенном от него блоке управления.
ist
ist
ist
ist
grenz
ist
grenz
2
ist
zul
grenz
2
ist
grenz
zul
В соответствии с предпочтительным усовершенствованным вариантом осуществления изобретения внутри или вне устройства 10 может быть дополнительно предусмотрен блок 40 получения данных для определения фактического значения M вращающего момента силового агрегата. В этом случае блок получения данных может быть оснащен, известным специалисту образом, подходящими средствами измерений для определения фактического значения M вращающего момента либо, в альтернативном варианте и также известным специалисту образом, для создания модели вращающего момента, в которой фактическое значение M вращающего момента вычисляют из других эксплуатационных параметров силового агрегата. Полученное фактическое значение M вращающего момента поступает, вместе с граничным значением M, во второй блок 55 сравнения устройства 10. Второй блок 55 сравнения проверяет, превышает ли фактическое значение M граничное значение M более чем на заданное значение допуска. Если это так, то делают вывод о наличии ошибки и на выходе второго блока сравнения вырабатывается сигнал F ошибки; в противном случае сигнал F сбрасывается. В случае выдачи сигнала F ошибки в накопителе ошибок формируется соответствующая запись, и/или включается визуальная и/или звуковая индикация ошибки, и/или в качестве реакции на ошибку выполняется соответствующее мероприятие, заключающееся, например, в том, что блок управления возвращается в заданное стандартное состояние или, как крайняя мера, выполняется выключение силового агрегата. Может быть также предусмотрен счетчик ошибок, показание которого, отсчитываемое от заданного уровня, увеличивается на единицу с каждым поступлением задающего импульса на выход второго блока 55 сравнения, а ошибка фиксируется лишь в том случае, если это показание в результате продолжающегося отсчета достигает заданного порогового значения. Следовательно, реализованный подобным образом контроль вращающего момента посредством второго блока 55 сравнения выполняется не только для отрицательных значений разности Δn частот вращения, когда фактическое значение M сравнивают с максимально допустимым значением M в качестве граничного значения M, но и для положительных значений разности Δn частот вращения, когда фактическое значение M вращающего момента сравнивают со вторым значением граничного значения M, уменьшенным относительно максимально допустимого момента M.
Описанная последующая обработка сигнала F ошибки может осуществляться в устройстве 10 либо также в отдельном от него блоке управления.
soll
soll
ist
1
ist
soll
1
soll
1
ist
soll
Ниже рассматривается пример формирования заданного значения M вращающего момента. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в этом случае в устройстве 10 предусмотрен регулятор 5, в который, с одной стороны, поступает заданное значение n частоты вращения из задатчика 20, а с другой стороны - фактическое значение n частоты вращения от датчика 30 частоты вращения. Регулятор формирует управляющую разность Δn=n-n в качестве первой разности значений частоты вращения. Тогда в зависимости от первой разности Δn значений частоты вращения регулятор 5 формирует заданное значение M вращающего момента силового агрегата таким образом, что управляющая разность Δn становится минимальной и, тем самым, фактическое значение n частоты вращения приводится к заданному значению n. В этом случае регулятор 5 может содержать, например известным специалисту образом, интегрирующую, и/или пропорциональную, и/или дифференциальную составляющие.
1
ist
soll
Первое значение смещения offs может быть равно как минимум нулю. В этом случае значение допуска для превышения фактическим значением n частоты вращения заданного значения n не достигается.
soll
ist
soll
1
Как следует из кривой 45 однопараметровой характеристики, заданное значение M вращающего момента в блоке 50 выбора наименьшего значения ограничивают вторым значением, меньшим максимально допустимого значения, только в том случае, если фактическое значение n частоты вращения превышает заданное значение n более чем на первое значение смещения offs, при этом последнее, как указывалось выше, может быть равно как минимум нулю.
Ниже приводится численный пример для линейной функции 1 с насыщением согласно уравнению (1).
zul
ist
2
2
1
soll
ist
grenz
Так, для максимально допустимого момента M в некоторой рабочей точке силового агрегата, определяемой, согласно DE 19739564 А1, на основе положения педали акселератора и фактического значения n частоты вращения, может быть задано, например, значение 1000 Нм. Для второго значения смещения offs может быть задано, например, значение 300 оборотов в минуту. Этим обеспечивается однозначное определение линейной функции 1 с насыщением согласно уравнению (1). Для определения разности значений частоты вращения Δn можно задать в качестве первого значения смещения offs, например, значение 100 оборотов в минуту. Заданное значение n частоты вращения может быть равно, например, 1500 оборотов в минуту. При фактическом значении n частоты вращения, например, 1800 оборотов в минуту это дает граничное значение M 333,3 Нм.
ist
grenz
isl
soll
soll
Ошибочный рост фактического значения M вращающего момента выше граничного значения M или ошибочный рост фактического значения n частоты вращения выше заданного значения n может быть вызван, например, ошибкой регулирования, например неправильным вводом регулировочных параметров, либо, как правило, ошибкой в процессоре или микроконтроллере устройства 10 или в блоке системы управления двигателя, служащем для получения переменных регулирования, используемых для преобразования заданного значения M вращающего момента.
На фиг.2 представлена блок-схема программы, отображающая примерную последовательность реализации предлагаемого в изобретении способа.
soll
ist
ist
После запуска программы задатчик 20 устанавливает в точке 200 программы заданное значение n частоты вращения, а датчик 30 частоты вращения регистрирует фактическое значение n частоты вращения. Кроме того, блок 40 получения данных определяет фактическое значение M вращающего момента. Затем осуществляется переход к точке 205 программы.
soll
soll
ist
1
В точке 205 программы регулятор 5 устанавливает заданное значение M вращающего момента в зависимости от заданного n и фактического n значений частоты вращения или, как описано выше, от выведенной из этих значений первой разности Δn частот вращения. Затем осуществляется переход к точке 210 программы.
soll
1
В точке 210 программы сумматор 60 формирует сумму заданного значения n частоты вращения и первого значения смещения offs. Затем осуществляется переход к точке 215 программы.
ist
soll
1
В точке 215 программы первый блок 25 сравнения проверяет, превышает ли фактическое значение n частоты вращения сумму заданного значения n частоты вращения и первого значения смещения offs. Если это так, осуществляется переход к точке 220 программы, если нет - к точке 240 программы.
grenz
2
2
grenz
2
В точке программы 220 блок 45 однопараметровой характеристики формирует граничное значение M, определяемое линейной функцией 1 с насыщением согласно уравнению (1) для 0<Δn<offs. Кроме этого в точке программы 220 блок 45 формирует граничное значение M=0 для Δn2≥offs.
zul
2
2
grenz
zul
Максимально допустимое значение M превышает нулевое значение. Для Δn, большей или равной offs, второе граничное значение M равно нулю, а значит, также меньше максимально допустимого значения M.
Затем осуществляется переход к точке 225 программы.
grenz
zul
В точке 240 программы блок 45 однопараметровой характеристики формирует граничное значение M, равное максимально допустимому значению M. Затем осуществляется переход к точке 225 программы.
soll
soll
grenz
В точке 225 программы блок 50 выбора наименьшего значения формирует результирующее заданное значение Mres вращающего момента как меньшее из двух значений M и M. Затем осуществляется переход к точке 230 программы.
ist
grenz
ist
grenz
В точке 230 программы второй блок 55 сравнения проверяет, превышает ли фактическое значение M вращающего момента граничное значение M, при необходимости увеличенное на заданное значение допуска, причем последнее может быть применено, например, на испытательном стенде. Если это так, то есть фактическое значение M превышает сумму граничного значения M и значения допуска, то осуществляется переход к точке 235 программы, в противном случае - к точке 245 программы.
При этом значение допуска может быть выбрано по меньшей мере равным нулю, причем в этом случае при сравнивании моментов в первом блоке 55 сравнения допуск не учитывается.
В точке 235 программы вырабатывается сигнал F ошибки. Затем происходит выход из программы. В точке 245 программы сигнал F ошибки сбрасывается. Затем происходит выход из программы.
soll
soll
ist
ist
ist
soll
Как уже упоминалось выше, настоящее изобретение, представленное в первом примере осуществления, может быть аналогичным образом реализовано во втором примере осуществления, где вместо заданного значения n частоты вращения силового агрегата используется заданное значение v скорости транспортного средства, а вместо фактического значения n частоты вращения - фактическое значение v скорости транспортного средства. В этом случае регулятор 5 осуществляет регулирование скорости движения в соответствии с первой разностью Δv1 между фактическим v и заданным v значениями скорости.
2
ist
soll
1
1
1
grenz
2
Для второго примера осуществления ниже поясняется, с привлечением фиг.4 и численного примера, однопараметровая характеристика с кривой зависимости граничного значения вращающего момента силового агрегата от второй разности скоростей Δv=v-(v+voffs). При этом значение voffs аналогично первому значению смещения offs для частоты вращения и представляет собой первое значение смещения для скорости. Кривая 46 (фиг.4), служащая для определения граничного значения M в зависимости от второй разности скоростей Δv, описывается следующим образом:
2
2
Здесь значение voffs аналогично второму значению смещения offs для частоты вращения и представляет собой второе значение смещения для скорости. Уравнение (2) описывает линейную функцию 2 с насыщением, показанную на фиг.4.
Принцип действия такого ограничения вращающего момента согласно фиг.4 описывается ниже с помощью численного примера.
1
soll
zul
Вплоть до первого значения смещения для скорости, например voffs=2 км/час, сверх заданной скорости v, максимально допустимое значение M может использоваться в качестве регулирующей переменной для регулятора скорости движения, так как для данной скорости отсутствует какая-либо информация о нагрузке и требуются определенные резервы для регулирования с упреждением и работы регулятора без внешнего вмешательства.
2
2
2
grenz
2
2
zul
soll
ist
1
2
grenz
Вплоть до второго значения смещения voffs второй разности скоростей Δv, например voffs=2 км/час, граничное значение M линейно уменьшают от максимально допустимого значения при Δv=0 до 0 Н·м при Δv=2 км/час, и этим значением ограничивают регулятор. Это означает, что, например, при M=1000 Н·м, V=60 км/час, V=63 км/час, voffs=2 км/час и voffs=2 км/час соответствующее граничное значение согласно кривой 46 однопараметровой характеристики будет равно M=500 Н·м.