WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Положение рейки Частота вращения Д, коленчатого вала г/мh, м 0,n, мин-0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,t, с t, с 0 1,25 2,5 3,75 0 1,25 2,5 3,0,0 2 4 6 8 10 12 14 16 t, с Рис. 1. Переходного процесса дизеля 4ЧН14,5/20,5 с электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала дизеля: расчет ПП по предложенной методике; экспериментальные данные В.М. Бунова Третья глава посвящена разработке математической модели синтеза динамических характеристик системы «дизель – электронный регулятор – нагрузка».

Для синтеза динамических характеристик рассмотрим линейное дифференциальное уравнение, описывающее динамику дизеля при постоянной нагрузке, предложенное В.И. Крутовым.

d (2) TД + kД =, dt где kД – коэффициент самовыравнивания, ТД – постоянная времени дизеля.

Под параметрами и понимаются относительные отклонения от начального режима работы: = h/hstl, = n/nstl, где hstl – начальное положение рейки, h = h – hstl – отклонение рейки от начального положения, nstl – начальная частота вращения коленчатого вала дизеля, n = n – nstl – отклонение от начальной частоты вращения.

Динамическая система при фиксированных параметрах дизеля nstl и регулятора hstl описывается системой неоднородных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:

dh = Vh, dt h dV Bl i - c Vh, = dt m m (3) di R + k2 Bl + k1 k0 k3 U - i - Vh - h - n +, = L L L L L dt dn nst1 kД nst= h - n + (kД -1).

dt TДhst1 TД TД Поставлена задача: найти значения коэффициентов обратных связей контура управления частотой вращения коленчатого вала – k0, k1, k2, k3, обеспечивающих апериодический ПП заданной длительности, т. е. необходимо найти корни характеристического уравнения ( – 1)( – 2)…( – n) = 0 системы (3).

В частности, для определения коэффициентов обратных связей оптимальных переходных процессов будем рассматривать случай действительных отрицательных значений, что дает апериодический экспоненциальный характер изменения частоты вращения коленчатого вала дизеля.

В важном частном случае, когда 1, 2…, n = – кратные корни с отрицательными действительной и нулевой мнимой частью получаем апериодический переходной процесс с постоянной времени = ––1. При этом коэффициентами характеристического уравнения являются коэффициенты бинома Ньютона. Задаваясь постоянной времени переходного процесса () при имеющейся структуре регулятора, получим значения коэффициентов звеньев обратных связей. В случае кратных корней характеристического уравнения решение системы линейных однородных дифференциальных уравнений имеет следующего вид:

h(t) = (a10 + a11t + a12t2 + a13t3) et, v(t) = (a20 + a21t + a22t2 + a23t3) et, (4) i(t) = (a30 + a31t + a32t2 + a33t3) et, n(t) = (a40 + a41t + a42t2 + a43t3) et, где а10,…а43 – 16 постоянных коэффициентов, произвольные 4 из них определяются из начальных условий задачи Коши, а остальные 12 через них выражаются. Обозначим a10 = C1,a20 = C2,a30 = C3,a40 = C4.

Для начального момента времени переходного процесса из решения и условий задачи Коши получено:

h(0) = a10 = C1 = hst1, v(0) = a20 = C2 = 0, (5) i(0) = a30 = C3 = ist1, n(0) = a40 = C4 = nst1, где hstl, istl, nstl, hst2, ist2, nst2 – значения положения рейки, тока якоря, оборотов дизеля соответствующих исходному стационарному режиму работы и вновь установившемуся.

Получено решение задачи в аналитическом виде:

h(t) = (hst1 - hst 2 + a11t + a12t2 + a13t3) et + hst 2, v(t) = (a21t + a22t2 + a23t3) et, (6) i(t) = (ist1 - ist 2 + a31t + a32t2 + a33t3) et + ist 2, n(t) = (nst1 - nst 2 + a41t + a42t2 + a43t3) et + nst2.

Для реализации методики был разработан пакет прикладных программ расчета коэффициентов обратной связи и переходных процессов дизельных двигателей. В качестве примера, для управляющих воздействий при изменении сигнала задания по частоте вращения коленчатого вала дизеля определены коэффициенты обратных связей:

ML - 43 kД kД kД 62, 4 + - + k0 = Bl TД TД TД kД c kД c ML k = 62 + TД + M 4 + TД + M - Bl, Bl (7) kД c k = -L + TД + M - R, k = ML hst kД.

+ Bl nst TД Для исследования динамических характеристик дизеля ПП рассчитывались для управляющих (изменения положения педали управления) и возмущающих (изменение момента нагрузки от 0 до номинальной и наоборот) воздействий на САРЧ.

Относительное изменение положения рейки и частоты вращения коленчатого вала дизеля 4ЧН14,5/20,5 при изменении сигнала задания по частоте вращения для различных представлены на рис. 2.

-n, мин–h, М х 2,3,1,2,1,0,1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 0,t, с t, с 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 2. Кинетика перемещения рейки и изменение частоты вращения коленчатого вала 4ЧН14,5/20,5 при изменении сигнала задания:

1 – = –50; 2 – = –20; 3 – = –16; 4 – = –14; 5 – = –12; 6 – = –Из рис. 2 видно, что динамические характеристики ПП зависят от параметров электронного регулятора k0, k1, k2, k3, определяемых. Параметры ПП могут быть изменены в соответствии с заданным классом точности САРЧ.

Для возмущающих воздействий автором предложено уравнение динамики дизеля:

dn 30 M M (8) = x - n = (kxx - knn), hst,nst, hst,nst, dt J h n J где kx, kn – постоянные коэффициенты, определяемые при условии n = 0.

Используя уравнение (8), исследованы переходные процессы дизеля с пропорциональным (П) электронным регулятором при 100 % уменьшении и последующем увеличении нагрузки (рис. 3).

n, мин–Рис. 3. Переходный процесс дизеля 4ЧН14,5/20,5 с П-регулятором при мгновенном изменении нагрузки: 1 – = –50; 2 – = –100;

-3 – = –0 5 10 15 20 25 t, с Из рис. 3 видно, что заброс частоты n вращения, определяющий наклон регуляторной характеристики дизеля может быть задан при проектировании и изменен в процессе настройки электронного регулятора.

Переходный процесс дизеля с пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором описывается системой уравнений пятого порядка, с коэффициентами обратных связей (k0, k1, k2, k3, k4).

dh = Vh, dt dVh Bl c = i - Vh, dt m m di R Bl k0 k1 k2 k3 k dt = - i - Vh - h - Vh - i - n -, (9) L L L L L L L dn 30 M M = x - n = (kxx - knn), hst,nst, hst,nst, dt J h n J d n =, dt где – угол поворота коленчатого вала.

Переходный процесс дизеля с ПИ-регулятором при мгновенном изменении нагрузки будет иметь вид рис. 4.

n, % n, % а) б) 12 10 -8 -6 -4 -2 ----t, с t, с 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 19 19,5 20 20,5 21 21,5 Рис. 4. Переходный процесс дизеля с электронным пропорциональноинтегральным регулятором при мгновенном изменении нагрузки:

а) уменьшение 100 % нагрузки; б) увеличение 100 % нагрузки;

1 – = –10; 2 – = –20; 3 – = –40; 4 – = –Из графиков видно, что длительность переходного процесса и заброс частоты дизеля с электронным ПИ-регулятором для одинаковых меньше, чем для дизеля с П-регулятором.

Проведенные исследования ПП дизеля 4ЧН14,5/20,5 показали, что оптимальный диапазон изменения для П и ПИ-регуляторов в пределах от –50 до –10, т. к. ток якоря ДПТ не превышает 2,5 А, отсутствует колебание рейки около установившегося режима и динамические характеристики САРЧ соответствуют ГОСТ 10511–83.

Изменение экологических показателей переходных процессов в зависимости от для П и ПИ-регуляторов представлено на рис. 5.

Содержание СО в % по объему Дымность, г/м0,0,0,0,0,0,а) 0,0,0,0,0,10 15 20 25 30 35 40 – 10 15 20 25 30 35 40 – 0,0,0,0,0,0,б) 0,0,0,0,013 0,10 15 20 25 30 35 40 – 10 15 20 25 30 35 40 – Рис. 5. Изменение экологических показателей переходных процессов дизеля с электронным регулятором в зависимости от : а) наброс 100 % нагрузки; б) сброс 100 % нагрузки; 1 – П-регулятор; 2 – ПИ-регулятор Из графиков видно, что наилучшие экологические показатели получены для = –40 для обоих типов регуляторов.

В четвертой главе дано описание практической реализации диссертационной работы – расчета динамических характеристик дизеля. Описана структурная схема алгоритма для исследования переходных процессов дизеля с электронным или механическим регулятором частоты вращения, представленная на рис. 6. Для каждого переходного процесса вычисляется «улучшенная интегральная оценка качества». Алгоритм был опробован для расчета динамических характеристик дизеля 4ЧН14,5/20,5 с электронным и механическим регуляторами.

Задание параметров переходного процесса и вида регулятора Определение статических Ввод параметров для статического и динамических параметров и динамического расчетов объекта регулирования (дизеля) Статические характеристики ТНВД Вид Дизель с электронДизель с механирегулятора ным регулятором ческим регулятором Ввод исходных данных Ввод исходных данных для статического для статического и динамического расчета и динамического расчета Расчет параметров Расчет магнитной цепи статических характеристик исполнительного механизма Расчет параметров Расчет статических характеристик динамических характеристик исполнительного механизма Динамическая модель дизеля Расчет коэффициентов с механическим регулятором усиления и постоянных времени частоты вращения Определение коэффициентов обратных связей Динамическая модель дизеля с электронным регулятором частоты вращения Осциллограммы переходных процессов Рис. 6. Структурная схема пакета прикладных программ для исследования переходных процессов дизеля с электронным или механическим регулятором частоты вращения На структурной схеме представлены основные модули программного комплекса, необходимые для правильной его работы в целом в соответствии с требованиями технического задания. Комплекс содержит модули:

– главной управляющей программы;

– определения статических и динамических характеристик дизеля;

– определения статических и динамических характеристик механического регулятора частоты вращения;

– расчета статических и динамических характеристик электронного регулятора, включая определение коэффициентов обратных связей по описанной ранее методике;

– моделирования переходного процесса дизеля с механическим и с электронным регуляторами;

– вычисления улучшенной интегральной оценки качества переходного процесса.

Переходные процессы дизеля с механическим и электронным регуляторами представлены на рис. 7.

h, м,,,,а),,,,,,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,6 1,8 2 2,2 2,4 t, c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 1,8 2 t, c 1,1,h, м,,,,,б),,,,, 1,1 1 1,2 1,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 1,8 2 t, c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,8 2 2,2 2,4 t, c 1,Рис. 7. Переходные процессы дизеля с механическим и электронным пропорциональными регуляторами частоты вращения коленчатого вала:

электронный; механический; а) при увеличении оборотов от 1250 до 1300 мин–1; б) при уменьшении оборотов от 1250 до 1150 мин–Из рисунка видно, что электронный регулятор поддерживает частоту вращения коленчатого вала с точностью большей на 2…3 %, чем механический.

Пятая глава содержит результаты экспериментального определения влияния электронного регулятора частоты вращения на основные параметры дизеля. Экспериментальные характеристики установившихся режимов дизеля 4ЧН14,5/20,5 с электронным регулятором и с использованием серийного топливного насоса представлены на рис. 8, откуда видно, что скоростные (а) и нагрузочные (в и г) идентичны характеристикам дизеля с всережимным механическим регулятором.

М, к а) б) D, г/мНм 0,Мк4 Мк3 Мк2 Мк0,Тк, °К Ne, кВт 0 h, м10-3 Рк, МПа h16 h1 0,12 h2 h3 Тг, °С 0,8 Gт, 4 кг/ч Ne4 Ne3 Ne2 Ne1 ge, г/кВтч 24 Gт, 20 Gт1 кг/ч Ne, кВт 280 GтМк, Нм ge, 270 г/(кВтч) Gтge2 250 ge3 14 260 Gтge240 230 ge220 -1 -400 600 800 1000 1200 1400 П,мин 1000 1100 1200 1300 n, мин Мк, Нм в) Мк, Нм г) Мк 1000 Мк h, м10- 2,hр 2, 1,Gт, кг/ч 1,h, м10-Gт, Gт кг/ч 20 12 22 ge, Gт г/(кВтч) 18 hр ge, г/(кВтч) ge 14 Ре 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ре, МПа 20 40 60 80 100 Nе, кВт Рис. 8. Экспериментальные характеристики дизеля 4ЧН14.5/20,5 с электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала: а) внешняя и частичные скоростные характеристики; б) внешняя скоростная характеристика: электронный регулятор; механический регулятор; в) нагрузочная характеристика при n = 1250 мин–1; г) нагрузочная характеристика при n = 950 мин–Переходный процесс дизеля с механическим регулятором сопровождается большими колебаниями коэффициента избытка воздуха, что приводит к увеличению выброса сажи в ОГ. Применение электронного регулятора позволяет изменять длительность переходного процесса, а также улучшить экологические показатели.

Для дизеля с опытным образцом электронного регулятора при резком изменении нагрузки, по сравнению с механическим, содержание сажи в отработавших газах и удельный расход топлива уменьшились соответственно на 0,11 г/м3 и 8 г/кВтч (рис. 8б). Это объясняется большей точностью формирования цикловой подачи топлива.

На рис. 9 представлены сравнительные зависимости расчетных и экспериментальных данных изменения частоты вращения коленчатого вала от времени переходного процесса.

n, мин–1 2 Рис. 9. Зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала дизеля от времени при изменении момента нагрузки от номинального значения до нуля и от нуля до номинальной:

1 – механический регулятор; 2 – опытный образец электронного регулятора;

3 – расчетный график для = –0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t, с Из рис. 9 видно, что по экспериментальным данным время переходного процесса составило 1,2 с, расчетное время по математической модели составило 1,1 с при сбросе 100 % нагрузки и 1,0 с при набросе 100 % нагрузки (М ). Заброс частоты е составил в эксперименте 6,1 %, а при расчете 4–5 %.

Содержание сажи в начальной и конечной точке переходного процесса совпадает с экспериментальными данными, полученными В.М. Буновым.

Таким образом, разработанная математическая модель с достаточной точностью позволяет оценить влияние конструктивных параметров электронного регулятора на параметры дизеля в переходном процессе еще на стадии проектирования и доводки.

Основные выводы 1. Разработан и научно обоснован в виде аналитического решения метод синтеза конструктивных параметров электронного регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля, обеспечивающий требуемые динамические характеристики и экологические показатели в зависимости от режима работы дизеля, технических параметров электронного регулятора и длительности ПП.

2. Разработана методика и создан алгоритм анализа ПП дизеля, позволяющие исследовать изменение частоты вращения коленчатого вала и динамику перемещения рейки ТНВД для управляющих и возмущающих воздействий на динамические характеристики дизеля с механическим и электронным регуляторами с расчетом экологических показателей.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»