АВТОМАТИЧЕСКАЯ САМОНАСТРАИВАЮЩАЯСЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
AUTOMATIC SELF-ADJUSTING MICROPROCESSOR-BASED SYSTEM FOR THERMAL MACHINE SHAFT RPM CONTROL

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к автоматическим системам регулирования частоты (скорости) вращения валов энергетических установок (тепловых машин) с двигателями внутреннего сгорания.
Известен регулятор скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания транспортного средства [1], снабженный измерителем скорости с грузами, пружиной, кинематической связью между грузами и пружиной, а также устройством задания скоростного режима. В кинематическую связь между грузами и пружиной введено звено с переменным передаточным отношением, управляемым устройством задания скорости. Недостатком этого регулятора скорости является снижение коэффициента усиления измерителя с уменьшением заданной скорости. Такое утверждение ошибочно, так как статические и динамические характеристики и параметры элементов регулятора должны выбираться с учетом статических и динамических характеристик и параметров объекта регулирования скорости (частоты) сов вращения вала, то есть с учетом статических и динамических характеристик и параметров двигателя внутреннего сгорания и агрегата его нагрузки. В описании не показано влияние известного регулятора скорости типа Д50 и предложенного регулятора на устойчивость и показатели качества работы автоматической системы регулирования частоты вращения вала тепловой машины. Отмечается однако, что коэффициент усиления измерителя в предложенном регуляторе скорости остается постоянным и заданным при всех заданных скоростях (у известного регулятора скорости типа Д50 он изменяется в 1,8 раза). В действительности постоянство коэффициента усиления измерителя в предложенном регуляторе скорости приведет к уменьшению запасов устойчивости, то есть к ухудшению показателей качества работы, автоматической системы регулирования частоты вращения вала тепловой машины.
Известны электронные регуляторы частоты вращения для управления подачей топлива насоса высокого давления [2-7], в которых приведены варианты конструкции исполнительного механизма.
Наиболее близким техническим решением является электронно-механический регулятор частоты вращения вала дизеля [8]. Регулятор оснащен пропорциональным электромагнитом, установленным с возможностью взаимодействия с одной из реек топливного насоса, датчиком положения рейки, жестко установленным в корпусе, механическим датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля центробежного типа и электронным блоком управления.
В
ц
p
ц
В
ц
p
в
ц
p
Он содержит две основные функциональные части: объект регулирования (ОР) и автоматический регулятор (АР). Любой АР содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган (УО) и исполнительно-регулирующее устройство (ИРУ). В свою очередь ИРУ содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО) [10]. Объектом регулирования ОР частоты сов вращения вала (регулируемой величины ω) является тепловая машина и агрегат ее нагрузки [12]. Зависимости ω(g) или h(g) при N=const (называемые регулировочными характеристиками) определяют изменение частоты ω, вращения вала (регулируемой величины) в зависимости от цикловой подачи топлива g или положения h органа управления подачей топлива при неизменной мощности N тепловой машины. Эти зависимости описывают статические характеристики тепловой машины и его агрегата нагрузки как объекта регулирования частоты ω вращения вала (регулируемой величины ω) по регулирующему воздействию µ - цикловой подаче топлива g или положению h органа управления подачей топлива при N=const [13].
В автоматических регуляторах частоты вращения вала непрямого действия, содержащих в качестве РО аппаратуру подачи топлива (регулирующего воздействия µ) в тепловую машину, функции ИМ выполняет пневматический, гидравлический или электромагнитный привод реек топливных насосов высокого давления или иглы форсунки [11, 12].
в
ц
Д1
В
p
Д
В
p
p
p
Д
В
p
ц
p
µ
В
ц
µ
B
p
µ
pc
µ
p
ц
p
p
Д
им
po
p
Д
им
po
рс
рс
ω
Д
им
po
ц
µ
ц
Недостатком данных автоматических систем регулирования частоты вращения вала тепловой машины, содержащих известные регуляторы частоты вращения (обычно регуляторы с пропорционально-интегральным (ПИ) алгоритмом работы) является то, что они не всегда работают устойчиво и качественно. Это обусловлено тем, что статические характеристики тепловой машины (дизеля и агрегата нагрузки) как объекта регулирования частоты вращения вала ω(g) существенно нелинейны (фиг.1): статические характеристики тепловой машины по регулирующему воздействию - цикловой подаче топлива (линия 1 - при номинальной мощности, линия 2 - при минимальной мощности), зависимость частоты вращения вала от цикловой подачи топлива, соответствующая характеристике нагружения двигателя агрегатом нагрузки (линия 3) и зависимость выходной величины x датчика частоты вращения вала тепловой машины от ω (линия 4). Например, статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению h реек топливных насосов высокого давления дизель-генератора типа 1 ОД 100 тепловоза серии 2ТЭ10, построенные по статическим характеристикам М(ω, h) [15], являются существенно нелинейными (фиг.2): статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению реек топливных насосов высокого давления h дизель-генератора типа 1 ОД 100 тепловоза серии 2ТЭ10 при разной мощности: 1-1900; 2-1570; 3-1200; 4-800 и 5-550 кВт; 6 - зависимость частоты вращения вала дизель-генератора от перемещения реек топливных насосов высокого давления h, соответствующая характеристике нагружения дизеля) [16]. Здесь М(ω, h) - зависимость вращающего момента на валу дизеля типа 1 ОД 100 от частоты вращения вала и положения органа топливоподачи. Поэтому коэффициент передачи объекта регулирования частоты вращения вала тепловой машины по регулирующему воздействию - подаче топлива g или по перемещению h элемента органа топливоподачи k=(dω/dg) или k'=(dω/dh) изменяется в широких пределах при изменении подачи топлива и мощности N тепловой машины. Например, для дизель-генератора типа 10Д100 тепловоза серии 2ТЭ10 значения коэффициента передачи k' изменяются от 66 при мощности N=1900 кВт до 240 об/мин-мм при мощности N=550кВт, то есть в 3,6 раза (фиг.2). Такие изменения коэффициента передачи объекта регулирования по регулирующему воздействию приводят к соответствующим изменениям коэффициента передачи системы регулирования (в разомкнутом состоянии) k=k·k и, следовательно, к соответствующим изменениям показателей качества работы системы регулирования (статической неравномерности, перерегулирования, времени регулирования и др.). Зависимости g(h) для топливных насосов высокого давления имеют линейный характер [13, 17] Поэтому коэффициент передачи топливной аппаратуры является величиной постоянной. Коэффициенты передачи датчика частоты вращения вала и исполнительного механизма обычно также являются величинами постоянными [18, 19]. Коэффициент передачи регулятора k равен произведению коэффициентов передачи датчика частоты вращения k, исполнительного механизма k (например, привода реек топливных насосов) и регулирующего органа k (топливной аппаратуры) k=k·k·k и является величиной постоянной. Поэтому характер изменения коэффициента передачи системы регулирования k (в разомкнутом состоянии) k=k·k·k·k в зависимости от регулирующего воздействия - цикловой подачи топлива в двигатель g подобен характеру изменения коэффициента передачи объекта регулирования по регулирующему воздействию k(g).
ц
В
Целью изобретения - обеспечение оптимальных настроек автоматической системы регулирования частоты вращения вала на всех режимах работы тепловой машины. При этом необходимо вместе с изменением статических характеристик объекта регулирования автоматически изменять статические характеристики регулятора частоты вращения, то есть зависимости g(ω), таким образом, чтобы коэффициент передачи регулятора оставался постоянным при всех режимах работы тепловой машины.
Эта цель достигается в автоматической самонастраивающейся микропроцессорной системе регулирования частоты вращения вала тепловой машины, содержащей тепловую машину (объект регулирования) с агрегатом нагрузки, топливную аппаратуру с приводом (исполнительным механизмом) регулирующего элемента органа топливоподачи (регулирующего органа), датчик частоты вращения вала и датчик положения регулирующего элемента органа топливоподачи, блок управления тепловой машиной (задающее устройство первое), сравнивающее устройство первое. Новым в системе является то, что она содержит задающее устройство второе, сравнивающее устройство второе, устройство умножения выходных сигналов датчика частоты вращения и датчика положения регулирующего элемента органа топливоподачи, устройство коррекции статических характеристик регулятора, блок алгоритмов работы регулятора устройство изменения мощности агрегата нагрузки, причем сравнивающие устройства первое и второе, задающее устройство второе, устройство коррекции статических характеристик регулятора и блок алгоритмов работы регулятора входят в состав микропроцессорного контроллера, датчик частоты вращения вала тепловой машины связан с задающим устройством вторым, устройством умножения выходных сигналов датчика частоты вращения и датчиком положения регулирующего элемента органа топливоподачи и устройством коррекции статических характеристик регулятора, датчик положения регулирующего элемента органа топливоподачи связан с исполнительным механизмом, регулирующим органом, сравнивающим устройством вторым, устройством умножения выходных сигналов датчика частоты вращения и датчика положения регулирующего элемента органа топливоподачи и устройством коррекции статических характеристик регулятора, устройство коррекции статических характеристик регулятора, связано с устройством умножения выходных сигналов датчика частоты вращения и датчика положения регулирующего элемента органа топливоподачи и сравнивающим устройством первым, сравнивающее устройство первое связано с задающим устройством первым и блоком алгоритмов работы регулятора, блок алгоритмов работы регулятора, связан с исполнительным механизмом, а сравнивающее устройство второе - с задающим устройством вторым и устройством изменения мощности агрегата нагрузки, которое связано с тепловой машиной.
Д1
В
p
p
ук
ц
На фиг.1 изображены статические характеристики тепловой машины по регулирующему воздействию - цикловой подаче топлива (линия 1 - при номинальной мощности, линия 2 - при минимальной мощности), зависимость частоты вращения вала от цикловой подачи топлива, соответствующая характеристике нагружения двигателя агрегатом нагрузки (линия 3) и зависимость выходной величины х датчика частоты вращения вала тепловой машины от ω (линия 4); на фиг.2. - статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению реек топливных насосов высокого давления h дизель-генератора типа 10Д100 тепловоза серии 2ТЭ10 при разной мощности: 1-1900; 2-1570; 3-1200; 4-800 и 5-550 кВт; 6 - зависимость частоты вращения вала дизель-генератора от перемещения реек топливных насосов высокого давления h, соответствующая характеристике нагружения дизеля; на фиг.3 - статические характеристики тепловой машины по регулирующему воздействию - цикловой подаче топлива (линия 1 - при номинальной мощности, линия 2 - при минимальной мощности), зависимость частоты вращения вала от цикловой подачи топлива, соответствующая характеристике нагружения двигателя агрегатом нагрузки (линия 3), датчика частоты вращения вала тепловой машины (линия 4), зависимость выходного сигнала х устройства коррекции характеристик регулятора от регулирующего воздействия g - заданная линейная характеристика последовательного соединения трех элементов: тепловой машины, датчика частоты вращения вала тепловой машины и устройства коррекции характеристик регулятора (линия 5), требуемые нелинейные статические характеристики устройства коррекции характеристик регулятора (линия 6 при номинальной мощности, линия 7 при минимальной мощности); на фиг.4 - функциональная схема автоматической самонастраивающейся микропроцессорной системы регулирования частоты вращения вала тепловой машины; на фиг.5 - принципиальная схема автоматической самонастраивающейся микропроцессорной системы регулирования частоты вращения вала тепловой машины.
В
В
В
ц
p
зу1
зу2
cy1
су2
N
ук
ба
уим
1
Предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины, функциональная схема которой представлена на фиг.4 и содержит следующие функциональные элементы: объект регулирования OP 1 частоты вращения вала φ(ω) тепловой машины 1 (фиг.5) с агрегатом нагрузки 15, измерительное устройство ИУ1 2 (фиг.4) - датчик регулируемой величины φ(ω) (датчик частоты вращения вала ω); измерительное устройство ИУ2 3 (фиг.4) регулирующего воздействия µ(g) - датчик подачи топлива h в тепловую машину; регулирующий орган РО 4 (топливная аппаратура ТА 4 (фиг.5), изменяющий регулирующее воздействие µ на ОР - подачу топлива; исполнительный механизм ИМ 5 (фиг.4) - привод реек топливных насосов высокого давления или иглы электромагнитной форсунки (привод топливной аппаратуры ПТА 5 (фиг.5)); задающие устройства первое ЗУ1 и второе ЗУ2 6 и 7 с выходными сигналам x, и х соответственно; сравнивающие устройства первое СУ1 и второе СУ2 8 и 9 (фиг.4) с выходными сигналами Δx и Δх соответственно; устройство умножения УУ 10 (фиг.4) выходных сигналов датчиков частоты вращения и подачи топлива с выходным сигналом x; устройство коррекции УК 11 (фиг.4) статических характеристик регулятора с выходным сигналом х; блок алгоритмов БА 12 (фиг.4) работы регулятора с выходным сигналом х; устройство изменения мощности УИМ 13 (фиг.4) агрегата нагрузки с выходным сигналом х. Устройства СУ1 и СУ2, ЗУ2, УК, УУ и БА входят в состав микропроцессорного контроллера МПК 14 (фиг.5). Устройство ЗУ1 выполняет функции органа управления тепловой машиной; входным сигналом η для ЗУ1 является положение рукоятки контроллера (ПК). Все устройства системы, кроме объекта регулирования, образуют микропроцессорный регулятор с автоматически изменяемыми статическими характеристиками.
В устройстве УУ выполняется операция перемножения выходных сигналов измерительных устройств первого ИУ1 и второго ИУ2, в результате чего получается сигнал, эквивалентный мощности тепловой машины,
N
д1·
д2
х=хх.,
д1
д2
где х и х - выходные сигналы устройств ИУ1 и ИУ2.
ук
д1
N
ук
д1
ба
су1
1
В устройстве УК изменяются зависимости его выходного сигнала х от выходного сигнала х устройства ИУ 1 и от сигнала x эквивалентный мощности тепловой машины. В результате этого зависимость выходного сигнала х от входного сигнала х всегда является линейной (фиг.3, линия 7), что обеспечивает постоянство коэффициента передачи системы регулирования и высокие показатели качества ее работы при всех режимах работы тепловой машины. Выходной сигнал х блока БА является выходным сигналом микропроцессорного контроллера МПК и входным сигналом ИМ, который зависит не только от отклонения Δх регулируемой величины от заданного значения η, но и находится в зависимости от алгоритма (закона) работы регулятора, заложенного в блок БА.
В
p
Предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины содержит следующие элементы (фиг.5) агрегат нагрузки АН 15, приводимый тепловой машиной 1; датчик 2 частоты вращения вала ω тепловой машины; датчик 3 подачи топлива (перемещения h регулирующего элемента топливной аппаратуры) в тепловую машину; блок 6 управления тепловой машиной; микропроцессорный контроллер 14; исполнительный механизм 5, функции которого выполняет привод регулирующего элемента топливной аппаратуры 4; устройство 13 изменения мощности агрегата нагрузки. Датчики 2 и 3, а также блок 6 управления тепловой машиной подключены к микропроцессорному контроллеру 14, связанному, в свою очередь, с приводом 5 регулирующего элемента топливной аппаратуры 4. К микропроцессорному контроллеру 14 подключен также блок 13 управления изменением мощности УИМ. Таким образом, предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины является комбинированной. В ней осуществляется компенсация действия мощности (возмущающее воздействие λ) на статические характеристики тепловой машины как объекта регулировании частоты вращения вала. При наличии информации о статических характеристиках и параметрах элементов системы регулирования микропроцессорный контроллер в соответствии с заложенной в него программой рассчитывает и изменяет статические характеристики устройства УК таким образом, что в результате система регулирования имеет высокие показатели качества работы при всех режимах работы тепловой машины.
су1
1
зу1
ук
ба
p
ц
В
д1
д1
су1
1
p
д2
ц
N
N
д1
ук
cy1
Предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины работает следующим образом (фиг.3 и 4). При установившемся режиме работы системы регулирования значения всех сигналов элементов системы постоянны, а отклонение Δx=0. После увеличения сигнала задания η появляется сигнал Δxcу1=х-х, который вызывает увеличение сигналов блока БД х, h, g и положения, соответственно, ω и х. Увеличение сигнала х приводит к уменьшению сигнала Δx. После увеличения сигнала задания η увеличивается также и мощность N двигателя в соответствии с характеристикой его нагружения агрегатом нагрузки. Увеличение мощности N, а значит и увеличение сигналов h, х и g, приводит к увеличению сигнала x. Под действием сигналов x и х изменяется сигнал х. При Δx=0 наступает новый установившийся режим работы системы регулирования.
ц
p
Изменения вышеназванных сигналов приводят не только к изменению выходного сигнала регулятора частоты вращения g, но и к соответствующим изменениям такого статического параметра настройки предлагаемой автоматической самонастраивающейся микропроцессорной системы регулирования частоты вращения вала тепловой машины, как коэффициент передачи регулятора k. Таким образом, предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины относится к классу беспоисковых адаптивных автоматических систем регулирования [21].
ц
В
B
ц
В
су2
уим
ц
ц
В
су2
уим
ц
В тяговых транспортных машинах, например, в тепловозах, основная часть мощности теплового двигателя (свободная мощность) затрачивается на передачу мощности, а меньшая часть (до 15%) - на привод вспомогательных агрегатов (вентиляторов, компрессоров, насосов и др.), которая может при работе тепловой машины изменяться в широком диапазоне. Для использования мощности, не затрачиваемой на привод вспомогательных агрегатов, в предлагаемой системе регулирования в программу работы устройства ЗУ2 закладывается требуемая зависимость подачи топлива от частоты вращения вала тепловой машины g(ω) для обеспечения реализации требуемой характеристики N(ω) нагружения тепловой машины агрегатом нагрузки. При превышении заданного значения подачи топлива g на выходе устройства СУ2 при заданной ω появляется сигнал Δх>0, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала х устройства УИМ и уменьшению мощности агрегата нагрузки. При подаче топлива g меньше заданного значения подачи топлива g на выходе устройства СУ2 при заданной ω появляется сигнал Δх<0, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала х устройства УИМ и к увеличению мощности агрегата нагрузки. Таким образом, регулирование частоты вращения вала тепловой машины в данном случае осуществляется по сигналу подачи топлива g, то есть по мощности N - возмущающему воздействию λ на объект регулирования. В предлагаемой системе осуществляется регулирование частоты вращения вала тепловой машины по отклонению и по возмущению, то есть комбинированное регулирование [Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М: Транспорт, 1989 (стр.8, 9)], что обеспечивает высокие показатели качества работы предлагаемой системы регулирования.
Таким образом, предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины относится к классу автоматических беспоисковых самонастраивающихся систем стабилизации.
Перечень источников
1. Патент РФ №2084668 кл. F02D 1/12
2. Патент РФ 2066386 кл. F02D 1/18
3. Патент РФ 2230923 кл. F02D 1/18
4. Патент РФ 2231663 кл. F02D 1/08
5. Патент РФ 2237180 кл. F02D 1/18
6. Патент РФ 2290523 кл. F02D 1/08 (2006.01), F02D 1/18 (2006.01)
7. Патент РФ 2299342 кл. F02D 1/08 (2006.01)
8. Патент РФ 2159860 кл. F02D 1/10
9. Патент РФ №21792537 F02D 1/12
10. Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов: Учебник для вузов ж. - д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007
11. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989
12. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988
13. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. - М: Машиностроение, 1978
14. Ланчуковский В.И., Козьминых А.В. Автоматизированные системы управления судовых дизельных и газотурбинных установок. - М.: Транспорт, 1983
15. Васильев В.Г., Тимановская Л.Е. Составление электронной модели дизеля и регулятора тепловоза ТЭ10. Изв. вузов. Электромеханика, 1963, №2
16. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. - М.: Транспорт, 1987