CC BY
24
УДК 629.1.032
РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНОГО ЭЛЕКТРОГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ВСЕРЕЖИМНОГО РЕГУЛЯТОРА ТОПЛИВОПОДАЧИ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ БЛОКОМ УПРАВЛЕНИЯ
Т.Е. Александрова, проф., д.т.н., А.А. Лазаренко, ассист., к.т.н., Национальный технический университет «ХПИ», г. Харьков
Аннотация. Предложена методика структурно-параметрического синтеза всережимного регулятора топливоподачи транспортного дизеля, инвариантного к действию внешних возмущений повышенной точности и топливной экономичности.
Ключевые слова: дизель, система топливоподачи, электрогидромеханический всережимный регулятор, электронный блок управления
РОЗРОБКА 1НВАР1АНТНОГО ЕЛЕКТРОГ1ДРОМЕХАН1ЧНОГО ВСЕРЕЖИМНОГО РЕГУЛЯТОРА ПАЛИВОПОДАЧ1 ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ З ЕЛЕКТРОННИМ БЛОКОМ КЕРУВАННЯ
Т.С. Александрова, проф., д.т.н., А.О. Лазаренко, асист., к.т.н., Нацюнальний техшчний ушверситет «ХШ», м. Харкчв
Анотаця. Запропоновано методику структурно-параметричного синтезу всережимного регулятора паливоподач1 транспортного дизеля, Швар1антного до дИ' зовтштх збурень тдвище-ног точност1 й паливног економгчностг.
Ключов1 слова: дизель, система паливоподач1, електрог^дромехатчний всережимний регулятор, електронний блок керування.
DEVELOPMENT OF INVARIANT ELECTROHYDROMECHANICAL DIESEL ENGINE FUEL SUPPLY VARIABLE SPEED GOVERNOR WITH AN ELECTRONIC CONTROL UNIT
T. Alexandrova, Prof., D. Sc. (Eng.), A. Lazarenko, T. Asst., Cand. Sc. (Eng.), National Technical University «KhPI», Kharkiv
Abstract. The method of structural and parametric synthesis of the all-range vehicle diesel engine fuel supply regulator, which is invariant to the action of external disturbances with an increase of accuracy and fuel efficiency of the fuel supply system, is offered.
Key words: diesel engine, fuel supply system, fuel pump rack position sensor, variable speed regulators.
Введение
Разрыв отношений в области военно-технического сотрудничества с Российской Федерацией заставил отечественных специалистов в области конструирования и производства армейских автомобилей серии «КрАЗ» искать пути замены на таких автомобилях дизельных силовых установок серии
«ЯМЗ» производства Ярославского моторного завода дизельными установками отечественного производства. Из всей номенклатуры транспортных дизелей, производимых в Украине, наиболее предпочтительными для использования в армейских автомобилях серии «КрАЗ» являются дизели серии 3ТД мощностью 300, 400, 500 и 600 л.с., разработанные специалистами Харьковского кон-
структорского бюро по двигателестроению (ХКБД) и производимые для легкобронированных гусеничных машин Государственным предприятием «Завод имени Малышева». Дизели серии 3ТД разработаны на основе танкового дизеля 6ТД-2 и содержат гидромеханический всережимный регулятор топли-воподачи, такой же, как и у танкового дизеля 6ТД-2. Точность и топливная экономичность гидромеханического регулятора дизеля 6ТД-2, вполне достаточные при использовании в танках, оказываются недостаточно высокими для использования в автомобилях.
Анализ публикаций
В этой связи еще в 90-х годах предыдущего столетия специалистам ХКБД совместно со специалистами Харьковского конструкторского бюро по машиностроению имени А.А. Морозова (ХКБМ) и Харьковского политехнического института (ХПИ) была поставлена задача создания электрогидромеханического всережимного регулятора с электронным блоком управления повышенной точности и экономичности для дизеля 6ТД-2 и созданных в то время на его основе дизелей серии 3ТД [1]. Если штатный регулятор топливоподачи дизеля 6ТД-2 содержал только лишь центробежный чувствительный элемент для измерения угловой скорости вращения коленчатого вала, то электронный регулятор с электронным блоком управления, описанный в работах [2, 3], помимо индукционного датчика угловой скорости коленчатого вала, содержит также индукционный датчик положения рейки топливного насоса. Выходы обеих датчиков поданы на входы электронного блока управления, а выход электронного блока связан со входом исполнительного органа, представляющего собой последовательное соединение электромагнита управления и гидравлического сервомотора, выходной шток которого связан с рейкой топливного насоса. Испытания разработанного электронного регулятора показали, что отклонение угловой скорости коленчатого вала от заданной при использовании электронного всережимного регулятора не превышает 1 %, в отличие от штатного регулятора, где отклонение составляет 3 ^ 12 %. Кроме того, экономия расхода топлива составляет 8 ^ 12 % по сравнению со штатным регулятором. Такие показатели обусловлены тем, что электронный всережимный регулятор топливоподачи [2, 3] объединяет два
известных принципа управления - по отклонению и по возмущению и, таким образом, обладает свойством инвариантности к действию внешних возмущений [4].
Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы является разработка методики структурно-параметрического синтеза всережимного регулятора топливо-подачи транспортного дизеля, инвариантного к действию внешних возмущений, действующих на коленчатый вал дизеля со стороны поверхности движения автомобиля.
Разработка инвариантной системы
В работах [5, 6] разработана математическая модель возмущенного движения замкнутой системы топливоподачи дизеля 6ТД-2 с электрогидромеханическим всережимным регулятором топливоподачи, содержащим электронный блок управления, записываемая в виде
^ = Мд [ю(г), h(t)] - Мн [ю(г), г];
Ж
(г)
/2
т
1Ж+у^т+сад = кл(г): (1)
аг аг
+*) = 2 (г):
г
иу (г) = кюю(г) + ) + каа(г).
Структурная схема замкнутой системы топливоподачи приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема системы топливоподачи: 1 - дизель; 2 - система топливоподачи; 3 - рейка топливного насоса;
4 - педаль управления подачей топлива;
5 - датчик угловой скорости вращения коленчатого вала; 6 - датчик положения рейки топливного насоса; 7 - датчик положения педали; 8 - электронный блок; 9 - исполнительный орган
В системе (1) приняты следующие обозначения: со(г) - угловая скорость коленчатого вала; Щг) - положение рейки топливного насоса; Z (г) - положение якоря электромагнита; ¡у (г) - электрический ток в обмотке управления электромагнита; иу (г) - управляющий сигнал на выходе электронного блока; а(г) - положение педали управления подачей топлива; Мд[со(г),Н(г)] - активный момент, развиваемый дизелем; Мн[со(г), г] -момент нагрузки на коленчатом валу дизеля; Ly (г) - индуктивность обмотки управления
электромагнита; гу - омическое сопротивление обмотки управления электромагнита; т - масса якоря электромагнита; f - коэффициент демпфирования электромагнита; с -коэффициент жесткости фиксирующей пружины якоря электромагнита; км - коэффициент усиления электромагнита; кГЙ, , ка -коэффициенты усиления электронного блока.
При постоянном положении педали управления подачей топлива а(г) = а0 всережимный регулятор топливоподачи настроен на соответствующую угловую скорость вращения коленчатого вала са(г) = со0. Изменение угловой скорости Дсо(г) при этом происходит вследствие изменения момента нагрузки ДМн (г) относительно его среднего значения Мн0 и приводит к изменению положения рейки топливного насоса Дк(г) относительно его среднего значения Н0. Линеаризуем нелинейные функции Мд[со(1), Ь(г)] и Мн [со(г), г] относительно их средних значений
М>(1), Кг)] = М>0, ho] +
'М
дсо
Дк>(?) +
М 8h
Дh(í);
(2)
М н[<й(г), h] = М н^0] +
8Мн
Зсо
Дсо(г) + ДМ (г).
С учетом соотношений (2) система (1) записывается в виде
d Д/'(г)
Lv-У^- + гу Му (г) = Диу (г);
т
d 2Д2(г) + ^.ЖШ (г)
- + сД2(г) = кмМу (г); (3)
Т ^ + щг) = Д2 (г); г ж
Диу (г) = киДю(0 + кк Щг).
Введем обозначения
Тд =
М
дсо
8Мд дсо
кд =
кГ =~
8М 8к
М
дсо
8Мд
дсо
М
дсо
8Мд
дсо
т = ^ • к = -• т2 = т • Т =f
-'у- ' У_ '1м _ '^2м _ :
Гу Гу С С
где Тд - постоянная времени дизеля; Ту -
постоянная времени обмотки управления; Г1м, Г2м - постоянные времени электромагнита; кд , к^ - коэффициент усиления дизеля; ку - коэффициент усиления обмотки управления.
С учетом принятых обозначений систему (3) представим в следующем виде
Тд + ) = кдЩг) + кг ДМн (г);
Ту ¿Д/уДО + Д (г) = к [кшДЮ(Г)+кьщг)];
У Уу/ У ®
1м
+т ждШ+дz(0=
Т1м А2 + Т2м ,, (г) =
к
= к± Д/у (г);
(4)
Ж Дсо (г)
+
8М„
5со
8М
<Зсо
Дю(г) =
8Мд
8И
ДН(г) -ДМ н(г);
Тг + М(0 = Д2 (г).
Первое уравнение (4) описывает возмущенное движение объекта управления, передаточная функция которого равна
0
0
0
0
1
0
0
+
0
0
0
0
W>( 5) =
L{Aa(t)> _д
L{Ah(t )> Тд s +1
(5)
Если значение коэффициента усиления kh выбрать равным
Остальные уравнения системы (4) описывают возмущенное движение автоматического регулятора с передаточной функцией
W ( s) =
L{Ah(t )> L{Ao(t )>
_А и
(6)
(TM s2 + T2M +1) X
-, kykM x[TrTys + (T + Ту )s +1] kh
с
Тогда передаточная функция разомкнутой системы топливоподачи равна
Wp ( s) = Wo( s)Wa ( s) =
k ykM k y m k
_д с k«
. (7)
(ТдS + 1){(TiMs2 + T2M + 1) X
-, kykM х[ГгТ/ + (Тг + Ту )s +1]kh>
с
Представим знаменатель передаточной функции (7) в виде
Ap ( s) = Т дО^5 + [Т^Ту +
+Т дТ12м(Тг + Ту ) + Т дТТуТ2мУ +
+[ТдТ12м + ТдТгТу + ТдТ2м(Тг + Ту ) + Т12м(Тг +
3 , ^ ^ ^ , ^ Ч , (8)
' д 1м д г у д 2м V г у' 1м +Ту )+ТгТуТ2мУ + [Тд(Тг + Ту + Т2м) +
+Т12м + ТгТу + Т2м(Тг + Ту )]s2 + [(1 -
2
1м г у 2mV г у
kk
^ kh )Тд + Тг + Ту + Т?м ]s +1 kh.
kyK, с
Постоянная времени Тд значительно превышает постоянные времени элементов регулятора топливоподачи. С учетом этого обстоятельства соотношение (8) может быть представлено в упрощенном виде:
A ( s) = ТдО^5 + Тд[Т1М(Тг + Ту ) +
+ТтТуТ2мУ+тдТм + ТгТу +
3 , г , rj, , гр ч„2 , (9)
■ у 2мJ д L-*- 1м г у
+Т2м(Тг + Ту )]s3 + Тд(Тг + Ту + Т2м) ^ +
2м г у
_уК
+(1 kh )Тд s +1 -
kk
y M
kh.
kh =—, h k„k„
то соотношение (9) принимает вид
(10)
Ap ( s) = s2{ТдTl2мTгТуS3 + Тд[Т12м(Тг + Ту ) +
+W2m]s 2 + ТдТм+ТгТу + Т2м(Тг + Ту )]s +
+Т д(Тг + Ту + Т2м)>.
(11)
Поскольку знаменатель (11) передаточной функции разомкнутой системы (7) при выполнении соотношения (10) содержит множитель s2, то замкнутая система является астатической с астатизмом второго порядка, первые два коэффициента ошибок которой равны нулю, т.е. система является инвариантной к действию внешних возмущений
лмн(0.
Рассмотрим характеристическое уравнение замкнутой системы
1 + Wp ( s) = ТдОТТу^ + Т д[Т12м(Тг + Ту ) +
' д1мг у д L 1м V г у >
4 , т7 [Т2 I т7 т7 I т7 /т7 I т7
д L 1м
+TгТуT2м]s4 + Тд[Т12м + ТгТу + Т2м(Тг + Ту )]s3 +
+Тд(Тг + Ту + Т2м)s2 + (1 -^fkh )Тдs +1 -
kyK kh + k_lA.K= o. (12)
kykM
с
h
с
Из рассмотрения уравнения (12) можно сделать вывод о том, что выполнение условия (10) приводит к тому, что коэффициент характеристического уравнения (12) при s обращается в нуль и, следовательно, замкнутая система топливоподачи становится неустойчивой, т.е. теряет работоспособность.
Выберем алгоритм управления, реализуемый электронным блоком, в виде
Uy(t) = kffla(t) + khh(t) + kjh(t). (13)
Тогда характеристическое уравнение замкнутой системы принимает следующий вид
ТдTl2мTгТуS5 + Тд[Т12м(Тг + Ту ) + ТтТуТ2мУ + +ТдТм + ТгТу + Т2м(Тг + Ту )]s3 + Тд(Тг +
с
с
+Ту + T2J s2 +
kyk.. kyk.. (1 —^ kh )Тд kh
с
с
s+
kykM kg kykM +1 kh + k&= 0. (14) с с
Положим в уравнении (14), что коэффициент усиления кк удовлетворяет условию (10). Тогда уравнение (14) записывается
TJirj/ + TXMcrr+Ту)+rrT/2M]s4 + +ТД[Г,2М + ТгТу + ЗД + Ту )]s3 + ТД(7Г +
kk
kkk
+Ту + Т2м) s s-~^khs + = 0. (15)
Пусть численные значения параметров системы топливоподачи транспортного дизеля составляют
Тд = 0,3с; Т2 = 0,15• 10-4с2; Т2ш = 1,51 10"4с; Тг = 0,6• 10-2с; Ту = 0,33• 10 3с;с = 100Н• м-1; км = 0,2 Н • В-1; кд =-103 м-1 • с-1.
м 7 7 д
В области варьируемых параметров электронного блока (кю , кк) построим область
устойчивости замкнутой системы топливоподачи, представленной на рис. 2.
Рис. 2 Область устойчивости замкнутой системы топливоподачи
В соответствии с [7] области устойчивости заштрихована. Анализ рис. 2 приводит к выводу, что при выполнении условия (10) соответствующим выбором электронного блока управления кю и кк замкнутая система топливоподачи транспортного дизеля, реализующая закон управления (13), может сохранить устойчивость в широком диапазоне из-изменения коэффициентов кю и кк .
Вывод
Повышенная точность и топливная экономичность системы топливоподачи транспортного дизеля может быть обеспечена соответствующим выбором алгоритма управления, реализуемого электронным блоком всережимного регулятора, и выбором численных значений варьируемых коэффициентов усиления электронного блока.
Литература
1. Рязанцев Н.К. Моторы и судьбы / Н.К. Ря-
занцев. - Х.: ХНАДУ, 2009. - 272 с.
2. Рязанцев Н.К. Улучшение топливной эко-
номичности и эксплуатационных характеристик транспортных двигателей путем разработки электронных систем управления / Н.К. Рязанцев, Ю.С. Бородин, Л.Б. Синельникова // Вестник НТУ «ХПИ». - 2001. - Вып. 7. - С. 183192.
3. Александров G.G. Основи автомобшьно'1
автоматики / G.G. Александров. - Х.: ХНАДУ, 2010. - 172 с.
4. Александрова Т.Е. К вопросу синтеза ли-
нейных инвариантных систем стабилизации / Т.Е. Александрова // Вестник НТУ «ХПИ». - 2013. - Вип. 62 (1035). -С. 152-158.
5. Александрова T.G. Електронний регуля-
тор паливоподавання транспортного дизеля з нерегульованим турбонаддувом / T.G. Александрова // Труды Одесского государственного политехнического университета. - 2001. - Вып. 5. - С. 192-195.
6. Александрова Т.Е. Нелинейная математи-
ческая модель замкнутой системы топливоподачи дизеля 6ТД / Т.Е. Александрова // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2001. - Вып. 7-8. - С. 202-204.
7. Бесскерский В.А. Теория системы авто-
механического управления / В.А. Бесскерский, Е.П. Попов. - Л.: Профессия, 2003. - 752 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 29 августа 2016 г.
