Технические науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве
К.т.н. Зубков Е. В., аспирант Мочалов Д.И., аспирант Юлчурина
А. Р.
Казанский (Приволжский)
федеральный университет,
филиал в г. Набережные Челны, Россия
Управление
режимами работы автотракторного дизеля на основе компенсирующего воздействия
при пилообразных нагрузках
В настоящее время испытания двигателей,
проводимые по международному стандарту 1585, выполняются в стационарных
режимах. Испытания проводятся на стендах по схеме «ДВС – Тормоз» при
Me = const, Mc = const,
n = const ± 1, t воды, масла = const ± 5.
Так как в условиях эксплуатации наиболее
распространён неустановившийся режим нагрузки, испытания в статических режимах,
которые получили наибольшее распространение, не совсем адекватно показывают
работу двигателя при реальных нагрузках. В силу этого снижаются индикаторные и
эффективные показатели. Эффективная мощность снижается на 20 – 25%, удельный
расход топлива всегда больше, чем был получен на испытательных стендах, на 15 –
20% [1].
Исследование двигателей в динамических режимах
предполагает изучение целого агрегата: двигатель автомобиля, тракторного
агрегата, буровой установки, скрепера и т. д., то есть исследуется двухмассовая
система: двигатель плюс приведенный момент инерции. При этих исследованиях мы
получаем динамические характеристики рабочих процессов двигателя
машино-тракторного агрегата [2]. Поэтому стенд для динамических исследований
двигателей должен обеспечивать возможность воспроизводить неустановившийся
характер нагрузки, а также типовые сигналы нагружения исследуемого двигателя.
С целью обеспечения возможности учета
динамических свойств двигателя при разработке системы автоматического
управления и системы автоматического регулирования для настройки параметров АСИ
дизельных двигателей применяется математическая модель двигателя [3].
Используемая математическая модель управления
дизельным двигателем представлена в виде формул (1) и (2) [4]:
где
и 
– входные параметры
требуемой частоты вращения вала двигателя и нагрузки, соответственно; 
и 
– переменные, определяющие положение рейки
ТНВД и нагрузку, соответственно; 
– выходной сигнал, показывающий частоту
вращения вала двигателя.
Векторная передаточная функция, полученная из
модели, была использована для имитационного моделирования режимов испытания с
помощью Xcos – графического редактора для разработки гибридных моделей
динамических систем, входящего в пакет прикладных математических программ SciLab.
Была создана модель работы автотракторного
дизеля в режиме пилообразного изменения нагрузки. Входной параметр требуемой
частоты вращения вала 
равен 1600 мин-1.
Входной параметр пилообразной нагрузки 
описывается функцией:
Здесь и далее t – время в секундах,
примем период функции Т равным 15 с.
Данная функция имеет точки разрыва I рода. Для устранения
этих разрывов применено разложение в тригонометрический ряд Фурье:
На рисунке 1 представлена зависимость изменения
входного параметра нагрузки.
251658240
Рисунок 1. Зависимость
изменения входного параметра нагрузки
Заданная нагрузка вызывает падение оборотов вала
с 1600 мин-1 до 1403 мин-1. Далее двигатель работает в
режиме с пилообразным изменением частоты оборотов вала с 1403 мин-1
до 1602 мин-1, амплитуда (A)
колебания частоты составляет 199 мин-1 (≈ 66,3% от амплитуды
колебаний нагрузки), период (T) = 15
с. (совпадает с периодом функции, описывающей входной параметр нагрузки).
График зависимости частоты вращения вала двигателя в режиме пилообразного
изменения нагрузки представлен на рисунке 2.
Используя
результат моделирования пилообразной нагрузки на автотракторный двигатель, была
получена модель работы дизеля с изменением частоты вращения вала,
компенсирующим изменение нагрузки.
251658240
Рисунок 2. Зависимость
частоты вращения вала двигателя в режиме пилообразного изменения нагрузки
Использованный
компенсирующий сигнал описывается функцией:
Период
функции Т = 15 с. Для устранения
точек разрыва I рода
функция разложена в тригонометрический ряд Фурье:
Результат
суммирования компенсирующего сигнала с входным параметром требуемой частоты
вращения вала представлен на рисунке 3.
При
применении компенсирующего изменения входного параметра частоты вращения вала
двигатель под влиянием пилообразного изменения нагрузки работает с колебаниями
частоты вращения вала от 1549 мин-1 до 1619 мин-1 в
первые 5 секунд после падения нагрузки. В следующие 10 секунд частота вращения
вала держится на уровне 1597 – 1599 мин-1. Зависимость
частоты вращения вала двигателя в режиме гармонического изменения нагрузки с
применением компенсирующего сигнала представлена на рисунке 4.
251658240
Рисунок 3. Зависимость
частоты вращения вала двигателя в режиме компенсирующего пилообразного
изменения
251658240
Рисунок
4. Зависимость частоты вращения вала двигателя в режиме пилообразного изменения
нагрузки с применением компенсирующего сигнала
Испытания
в режиме с компенсирующим изменением частоты вращения вала двигателя позволяют
получить предварительные результаты при построении систем так называемого
«круиз - контроля», поддерживающих обороты вала на постоянном уровне.
Полученный
сигнал управляющего воздействия, имитирующего работу дизеля при реальных
эксплуатационных нагрузках, а так же сигнал изменения частоты вращения вала
двигателя, компенсирующий изменение нагрузки, можно использовать для управления
двигателем в процессе стендовых испытаний.
Литература:
1. Зубков Е.В.
Алгоритмизация технологических процессов автоматизированных испытаний дизельных
двигателей /
Е.В. Зубков, С.В. Дмитриев, А.Х.
Хайруллин. – Казань: Казан. ун-т, 2011. – 182 с.
2. Дрючин Ю.Л. Планирование решений в
динамических проблемных средах на основе систем баз данных и знаний /Ю.Л.
Дрючин //Управляющие системы и машины. – 1991. – № 7. – С. 94 – 100
3. Луканин И.Н., Шатров М.Г., Кричевская Т.Ю. и
др. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 3. Компьютерный практикум.
Моделирование процессов в ДВС.: Учебник для вузов / Под ред. И.Н. Луканина и
М.Г. Шатрова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. – 414 с.: ил.
4. Зубков Е.В. Математическое моделирование
режимов испытаний дизельных двигателей /Галиуллин Л.А., Зубков Е.В., Мочалов
Д.И.//Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2011 - № 5. – С. 77-81.