АВТОМАТИЧЕСКАЯ САМОНАСТРАИВАЮЩАЯСЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ

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.

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_В(g_ц) или h_p(g_ц) при N=const (называемые регулировочными характеристиками) определяют изменение частоты ω_В, вращения вала (регулируемой величины) в зависимости от цикловой подачи топлива g_ц или положения h_p 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_в вращения вала (регулируемой величины ω) по регулирующему воздействию µ - цикловой подаче топлива g_ц или положению h_p 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].

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_в(g_ц) 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_Д1 датчика частоты вращения вала тепловой машины от ω_В (линия 4). Например, статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению h_p реек топливных насосов высокого давления дизель-генератора типа 1 ОД 100 тепловоза серии 2ТЭ10, построенные по статическим характеристикам М_Д(ω_В, h_p) [15], являются существенно нелинейными (фиг.2): статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению реек топливных насосов высокого давления h_p 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_p, соответствующая характеристике нагружения дизеля) [16]. Здесь М_Д(ω_В, h_p) - 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_ц или по перемещению h_p элемента органа топливоподачи k_µ=(dω_В/dg_ц) или k_µ'=(dω_B/dh_p) 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_µ' 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_pc=k_µ·k_p и, следовательно, к соответствующим изменениям показателей качества работы системы регулирования (статической неравномерности, перерегулирования, времени регулирования и др.). Зависимости g_ц(h_p) 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_p равен произведению коэффициентов передачи датчика частоты вращения k_Д, исполнительного механизма k_им (например, привода реек топливных насосов) и регулирующего органа k_po (топливной аппаратуры) k_p=k_Д·k_им·k_po и является величиной постоянной. Поэтому характер изменения коэффициента передачи системы регулирования k_рс (в разомкнутом состоянии) k_рс=k_ω·k_Д·k_им·k_po в зависимости от регулирующего воздействия - цикловой подачи топлива в двигатель g_ц подобен характеру изменения коэффициента передачи объекта регулирования по регулирующему воздействию k_µ(g_ц).

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_ц(ω_В), 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.

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_Д1 датчика частоты вращения вала тепловой машины от ω_В (линия 4); на фиг.2. - статические характеристики по регулирующему воздействию - перемещению реек топливных насосов высокого давления h_p 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_p, 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_ук устройства коррекции характеристик регулятора от регулирующего воздействия g_ц - 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.

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_В) тепловой машины 1 (фиг.5) с агрегатом нагрузки 15, измерительное устройство ИУ1 2 (фиг.4) - датчик регулируемой величины φ(ω_В) (датчик частоты вращения вала ω_В); измерительное устройство ИУ2 3 (фиг.4) регулирующего воздействия µ(g_ц) - датчик подачи топлива h_p 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_зу1, и х_зу2 соответственно; сравнивающие устройства первое СУ1 и второе СУ2 8 и 9 (фиг.4) с выходными сигналами Δx_cy1 и Δх_су2 соответственно; устройство умножения УУ 10 (фиг.4) выходных сигналов датчиков частоты вращения и подачи топлива с выходным сигналом x_N; устройство коррекции УК 11 (фиг.4) статических характеристик регулятора с выходным сигналом х_ук; блок алгоритмов БА 12 (фиг.4) работы регулятора с выходным сигналом х_ба; устройство изменения мощности УИМ 13 (фиг.4) агрегата нагрузки с выходным сигналом х_уим. 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 η₁ 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,

х_N=х_д1·х_д2.,

где х_д1 и х_д2 - выходные сигналы устройств ИУ1 и ИУ2.

В устройстве УК изменяются зависимости его выходного сигнала х_ук от выходного сигнала х_д1 устройства ИУ 1 и от сигнала x_N эквивалентный мощности тепловой машины. В результате этого зависимость выходного сигнала х_ук от входного сигнала х_д1 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_ба блока БА является выходным сигналом микропроцессорного контроллера МПК и входным сигналом ИМ, который зависит не только от отклонения Δх_су1 регулируемой величины от заданного значения η₁, но и находится в зависимости от алгоритма (закона) работы регулятора, заложенного в блок БА.

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_В тепловой машины; датчик 3 подачи топлива (перемещения h_p 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.

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_су1=0. После увеличения сигнала задания η₁ появляется сигнал Δxcу1=х_зу1-х_ук, который вызывает увеличение сигналов блока БД х_ба, h_p, g_ц и положения, соответственно, ω_В и х_д1. Увеличение сигнала х_д1 приводит к уменьшению сигнала Δx_су1. После увеличения сигнала задания η₁ увеличивается также и мощность N двигателя в соответствии с характеристикой его нагружения агрегатом нагрузки. Увеличение мощности N, а значит и увеличение сигналов h_p, х_д2 и g_ц, приводит к увеличению сигнала x_N. Под действием сигналов x_N и х_д1 изменяется сигнал х_ук. При Δx_cy1=0 наступает новый установившийся режим работы системы регулирования.

Изменения вышеназванных сигналов приводят не только к изменению выходного сигнала регулятора частоты вращения g_ц, 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_p. Таким образом, предлагаемая автоматическая самонастраивающаяся микропроцессорная система регулирования частоты вращения вала тепловой машины относится к классу беспоисковых адаптивных автоматических систем регулирования [21].

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_ц(ω_В) для обеспечения реализации требуемой характеристики N(ω_B) нагружения тепловой машины агрегатом нагрузки. При превышении заданного значения подачи топлива g_ц на выходе устройства СУ2 при заданной ω_В появляется сигнал Δх_су2>0, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала х_уим устройства УИМ и уменьшению мощности агрегата нагрузки. При подаче топлива g_ц меньше заданного значения подачи топлива g_ц на выходе устройства СУ2 при заданной ω_В появляется сигнал Δх_су2<0, что приводит к соответствующему изменению выходного сигнала х_уим 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_ц, 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