§ 6.4. Электрические регуляторы частоты

ВРАЩЕНИЯ С ЭЛЕКТРОННЫМИ БЛОКАМИ УПРАВЛЕНИЯ

Датчиком частоты вращения в регуляторе, принципи­альная схема которого приведена на рис. 6.5, является тахогене- ратор 1 с постоянным магнитом. В качестве исполнительного эле­мента использован электромагнит 3 пропорционального действия. Значения входных координат, которые поступают на электрон­ный блок, управления 5, в процессе работы синтезируются, в ре­зультате чего вырабатывается сигнал управления, воспринимае­мый электромагнитом 3.

Так, например, при сбросе нагрузки и увеличении угловой скорости со ротора тахогенератор 1 подает сигнал в электронный

блок 5, который воспринимает также сигналы потенциометра 4, характеризующие положение рейки 2 и, следовательно, цикловую подачу топлива. Этот потенциометр выполняет функцию жесткой электрической обратной связи. Сигналы з электронном блоке синтезируются с сигналами: У₀ — задатчика скоростного режима (при всережимном регуляторе), обеспечивающего выбор регуля­торной характеристики; — задатчика статизма (наклона) ре­гуляторных характеристик; У₃ — задатчика коррекции цикловой подачи топлива по давлению наддува. На этот же блок могут поступать сигналы от датчиков давления и температуры окружаю­щей среды, теплового состояния двигателя и др.

В качестве датчиков в регуляторах могут использоваться также различные электронные устройства. На рис. 6.6 показана функцио­нальная схема одного из таких устройств, предназначенного для измерения частоты вращения. Устройство состоит из генератора вырабатывающего постоянные положительные импульсы и_А, по­ступающие на вход сумматора 2. На второй вход сумматора по­даются выходные импульсы ждущего мультивибратора 6, сформи­рованные-в результате взаимодействия его с индуктивным дат­чиком 7 частоты вращения коленчатого вала. Датчик вырабатывает отрицательные импульсы и_в, число которых определяется ча­стотой вращения коленчатого вала. В самом мультивибраторе 6 формируются положительные импульсы и_с, причем число им­пульсов и_в индуктивного датчика 7 определяет ширину выходного положительного импульса и_с. Чем больше импульсов и_в датчика (чем больше частота вращения коленчатого вала), тем уже вы­ходной импульс мультивибратора. В результате синтеза импуль-

сов и_А к и_с в сумматоре 2 ликвидируется часть импульсов и_А генератора 1 на интервалах между импульсами и_с мультивибра­тора 6 и образуются импульсы и_в.

Усилитель 3 постоянного тока увеличивает силу среднего тока, создаваемого импульсами и_в до уровня, необходимого для испол­нительного механизма 4.

При установившемся скоростном режиме двигателя частота импульсов, поступающих на вход усилителя, обеспечивает опре­деленную силу среднего тока на выходе усилителя 3 и соответ­ственно в обмотке электромагнита 4, что в свою очередь определяет положение якоря и рейки топливного насоса, т. е. цикловую по­дачу топлива. Если нагрузка на двигатель возрастает и вследствие этого уменьшается частота вращения коленчатого вала, то умень­шается число отрицательных импульсов и_в индуктивного дат­чика 7, что приводит к увеличению ширины выходного положи­тельного импульса и_с мультивибратора 6 и, как следствие, про­пуску сумматором 2 большего числа импульсов и_л генератора 1 в виде импульсов и_в. В связи с этим сила среднего тока на выходе усилителя 3 возрастает, что воспринимается исполнительным ме­ханизмом 4. Якорь электромагнита с рейкой топливного насоса высокого давления перемещается в сторону увеличения цикловой подачи топлива, и значение частоты вращения коленчатого вала восстанавливается.

Как уже отмечалось, цикловая подача топлива может коррек­тироваться в зависимости от ряда факторов, определяющих состоя­ние двигателя, его рабочих тел и окружающей среды. Для этого в схему регулятора кроме основного датчика регулируемого пара­метра (частоты вращения коленчатого вала) включается ряд дру­гих датчиков (см. рис. 6.1).

Датчик давления (рис. 6.7, а) представляет собой коробку 1 с диафрагмой, воспринимающей давление р. Диафрагма связана с якорем 3 электромагнита, катушка которого состоит из трех обмоток. Первичная обмотка 5, занимающая всю длину электро­магнита, воспринимает входное напряжение и₀, создаваемое ис­точником постоянного тока. Вторичные обмотки 4 и 6 намотаны так, что при нейтральном (среднем) положении сердечника вы­ходное напряжение и = 0. Отклонение сердечника от этого поло­жения вызывает появление напряжения и на выходе такого, что изменение движения приводит к изменению фазы напряжения на 180°. Связь между перемещением сердечника и напряжением и в рабочем диапазоне может быть принята линейной, т. е. и = = к_иг, где к_и — коэффициент пропорциональности.

Положение г сердечника зависит от давления и определяется уравнением

Ид/др = Е₀ + Ъг,,

где ц,д/д — эффективная площадь диафрагмы; Е₀ — усилие пред­варительной деформации пружины; Ь — жесткость пружины. Следовательно,

2 = (ЫпР — Ео)1Ь

ИЛИ

и = к_и (|*д/др — Е₀)/Ь.

Таким образом, зависимость и = / (р) в данном случае может быть принята линейной:

и = кр — к₀, (6.11)

где к = Л_и|Лд/_д/& и к₀ = к_иЕ^/Ь.

Некоторые датчики давления обеспечивают коррекцию выход­ного сигнала также в зависимости от атмосферного давления воз­духа. Для этого в их конструкцию включается анероидная коробка 5, связанная ползунком 7 с резистором 3 (рис. 6.7, б).

Коррекция цикловой подачи топлива по давлению воздуха во впускном коллекторе обеспечивается подключением датчика дав­ления к одному из настраиваемых резисторов генератора 1 (см. рис. 6.6). Изменение сопротивления такого резистора при изме­нении давления автоматически изменяет частоту импульсов и_А генератора и, следовательно, силу среднего тока в обмотке элект­ромагнита 4,.что влечет за собой соответствующее изменение цик­ловой подачи топлива.

Для измерения температуры воздуха во впускном коллекторе можно использовать датчик (рис. 6.7, в), изготовленный из тон­кой проволоки 1 с высоким удельным сопротивлением, намотанной на миниатюрные крючки, укрепленные в текстолитовом корпусе 2. По мере возрастания температуры воздуха сопротивление датчика увеличивается линейно. Это сопротивление можно также связать с одним из резисторов, например, мультивибратора 6 (см. рис. 6.6). При возрастании температуры воздуха в выпускном коллекторе, т. е. при снижении его плотности и, следовательно, массы воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, сопротивление резистора увеличивается, что приводит к уменьшению ширины положитель­ных импульсов и_с мультивибратора, уменьшению числа импуль­сов и_Вл пропускаемых сумматором 2 от генератора 7, снижению силы среднего тока на выходе из усилителя 3 и смещению рейки топливного насоса в сторону уменьшения цикловой подачи топ­лива.

Датчик, приведенный на рис. 6.7, г, может быть использован для измерения температуры охлаждающей воды на выходе из головки двигателя, т. е. теплового состояния двигателя. При изменении температуры ползунок 2 изменяет выходное сопротив­ление потенциометра /, которое может быть связано, например, с резистором генератора 1 (см. рис. 6.6), что обеспечит коррек­цию числа вырабатываемых им импульсов и соответствующую коррекцию цикловой подачи топлива.

Аналогично может быть осуществлена коррекция цикловой подачи топлива по температуре топлива (и, следовательно, по его плотности), если датчик температуры вмонтировать в головку топливного насоса высокого давления.

Приведенные выше примеры включения датчиков в схему электронного регулятора свидетельствуют о широких возможно­стях таких регуляторов формировать цикловую подачу топлива с учетом многих параметров, характеризующих состояние самого двигателя, рабочих тел (топлива, воздуха) и окружающей среды.

Появление интегральных микросхем существенно расширило возможности использования электроники в системах автоматиче­ского управления объектами и, в частности, двигателями внутрен­него сгорания.

Микропроцессор, дополненный запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода, образует микроЭВМ, которая обе­спечивает возможность целевого программирования процедур обработки данных, получаемых от датчиков и задатчиков, и фор­мирования соответствующих управляющих воздействий, воспри­нимаемых исполнительным устройством. Знание результатов комп­лексного воздействия совокупности многих параметров рабочих тел, окружающей среды и режимов работы самого двигателя на качество работы двигателя создает условия для разработки соот­ветствующих программ для мини-ЭВМ. оптимизации управляю­щих воздействий в целях, например, обеспечения минимального

расхода топлива на каждом режиме, что трудно реализовать с по­мощью автоматических регуляторов, работающих на механиче­ской, гидравлической или пневматической основе.

Микропроцессорный регулятор строится на базе микроЭВМ и поэтому может обрабатывать сигналы датчиков только в дис­кретной форме. Эта часть САР обычно называется дискретной (ДЧ на рис. 6.8). Сам двигатель ДВС, исполнительное устройство И У, датчики (Л_р; Д_ф; Д_х и др.) различных параметров двигателя имеют непрерывные аналоговые характеристики и в своей сово­купности составляют непрерывную часть (НЧ) электронной САР.

Для передачи сигналов из НЧ в ДЧ и обратно эти сигналы дол­жны соответствующим образом преобразовываться. С этой целью в структуру регулятора включаются аналого-цифровой преобра­зователь АЦП, преобразующий аналоговый сигнал (рис. 6.9, а) в дискретный (рис. 6.9, б, в), и цифроаналоговый преобразователь ЦАП, преобразующий дискретный сигнал в аналоговый.

В АЦП непрерывный сигнал подвергается квантованию по времени с шагом Д/, т. е. сигнал получает определенные значе­ния только в моменты времени О, А^_^ 2Д^, ..., пА1_у ... Таким об­разом, непрерывный сигнал, например У_Ф (/) (см. рис. 6.9, а), пре­образуется в дискретный ф* (<) или в общем случае х* (() (см. рис. 6.9, б). Одновременно происходит квантование сигнала по уровню путем округления дискретного сигнала ср* (0 до ближай­шего стандартного уровня ф* (() (см. рис. 6.9, в). Полученный та­ким образом сигнал х* (() представляет собой последовательность цифровых двоичных кодов, которые в дискретные моменты вре­мени передаются в процессор МкП (см. рис. 6.8). Сопоставлением данного сигнала х* (/) с сигналом (0, поступающим от задат­чика программы ЗП (в данном случае — дискретного), микро­ЭВМ вырабатывает дискретный сигнал погрешности, на основании которого в каждый тактовый момент времени (О, Д^, 2Д^, .... лД/, ...) в соответствии с выбранным законом регулирования вы­числяется дискретный регулирующий сигнал г* (2). Если же задат­чик программы выдает сигнал в аналоговой форме, то перед вхо­дом в процессор этот сигнал следует преобразовать в дополнитель­ном АЦП.

В процессе вычисления процессор может выполнять операции сложения, умножения, деления и другие, способные привести к переполнению разрядной сетки ЭВМ. Полученный в результате расчета дискретный сигнал г* вновь подвергается округлению до ближайшего стандартного значения (рис. 6.9, г) и затем в дискретные (тактовые) моменты времени передается в ЦАП. Если число разрядов микропроцессора составляет, например, 5, а число разрядов ЦАП составляет 4, то в ЦАП вновь производится округление (рис. 6.9, д), после чего сигнал поступает на экстрапо- лятор, превращающий цифровой код в кусочно-линейный сигнал.

В большинстве микроЭВМ используются экстраполяторы ну­левого порядка, называемые фиксаторами. Они превращают циф­ровой сигнал в аналоговый ступенчатый г (0 (рис. 6.9, е), который и поступает на исполнительное устройство, т. е. в непрерывную часть системы.

При компоновке электронного регулятора кроме квантования сигнала по времени следует установить квантование сигнала по уровню и выбрать число разрядов микропроцессора. Необходи­мость квантования сигналов по времени и уровню превращает электронный регулятор в существенно нелинейный элемент САР. Нелинейная зависимость, связывающая непрерывный сигнал х и его квантованный аналог х, показана на рис. 6Л 0, а (шаг кван­тования <?).

Такое квантование приводит к появлению определенной по» грешности е_д в передаче сигнала (рис. 6.10, б) по уровню. С уче-

том динамического характера переходного процесса и образования нелинейных характеристик и связей погрешность е_д может прев­зойти принятое максимальное значение <7/2 и даже привести к автоколебаниям.

В установившемся режиме общая погрешность в формировании сигнала в САР с микропроцессорным регулятором определяется суммой е_общ = е_д + е* + е_а, где г_д и е* — погрешности, вы­зываемые соответственно квантованием по уровню и по време­ни; е_а—амплитуда автоколебаний, не превышающая <7. На рис. 6.10, б видно, что е_<ггаах = <7/2. При надлежащем выборе шага ДI квантования по времени можно обеспечить е*_тах = <7/2. Следовательно, е_общ. _тах = ?/2 + ?/2 + ц = 2ц.

Если АЦП и ЦАП имеют ^-разрядную сетку, то один из раз­рядов отводится на хранение алгебраического знака сигнала. В этом случае максимальный цифровой код

и разрешающая способность САР

К — «^шах/^шах ⁼ -^шах/2 »

где х_тах — максимальное значение выходной координаты си­стемы.

Разрешающая способность системы и определяет шаг кванто­вания сигнала по уровню, так как = <7. Следовательно, е_общ = = 2#, т. е. К = е_общ/2, или е_общ/2 = Хтах/2^"¹, откуда 2"~² > ^ *тах/е₀бщ- Полученное соотношение дает возможность выбрать число разрядов микропроцессора, если задана е_общ.

Переходный процесс датчиков в САР считается закончив­шимся, как только отклонение измеряемого параметра, например Ф, от заданного равновесного состояния будет удовлетворять усло­вию ф < ф_е. Если принять, что фе = е_общ ^ 0,05ф (оо), то при ф_гаах = (1 + а_т) ф (оо) [где а_т — максимальное значение,

выраженное в относительных единицах от <р (оо) ] справедливо соотношение

одг—2 \ П + °т) ф (°°) 1 Н~ °т ^ 0,05ф (оо) 0,05

Так, например, о_т = 0,4 дает 2^“² > 25 или N — = (1^ 25/1§ 2) + 2 = 6,64 7. Серийные микропроцессоры в боль­шинстве случаев имеют восьмиразрядную структуру и поэтому вполне приемлемы для решения задач автоматического регули­рования.

При выборе шага квантования по времени следует учитывать, что по мере уменьшения шага Д/ квантования, как правило, улучшаются показатели качества процесса регулирования, появ­ляется возможность управлять более сложными объектами, увели­чивается полоса частот воспринятых сигналов. Вместе с тем уменьшение ДI приводит к резкому возрастанию сложности реа­лизации такой системы, а следовательно, и стоимости микропро­цессора. Кроме этого, наличие погрешности е_д, достигающей 9/2, делает заведомо нецелесообразными попытки исключить е*, так как вполне достаточно обеспечить е* < 9/2. Практика пока­зала, что для систем с апериодическим переходным процессом при отсутствии запаздывания при выборе А! можно ориентироваться на минимальное значение коэффициента дифференциального уравнения элемента, входящего в САР, который характеризует его инерционность. Если таким коэффициентом является, напри­мер, Г_р, то выбор Д/ должен удовлетворить неравенству

Тр тш/8 ^ Д* ^ Тр _т1п/4.

Если задано допустимое время переходного процесса системы /_р, то при выборе Д/ можно пользоваться неравенством

*р/15 < Д* < /р/6.

После установления требуемой разрядности микропроцессора и шага квантования по времени можно выбрать серийный микро­процессор, посредством которого может быть реализован требуе­мый закон регулирования.

К основным недостаткам электрических (электронных) регу­ляторов следует отнести необходимость электрической энергии, исчезновение которой влечет отключение системы регулирования, а также практическую невозможность ремонта системы регули­рования вне заводских условий. В связи с этим электронные си­стемы следует строить в виде легко заменяемых блоков, наличие которых должно быть предусмотрено перечнем запасных деталей и узлов силовой установки.