2) Построение регуляторной характеристики

Регуляторная характеристика -совокупность установившихся режимов работы систем автоматического регулирования двигателя, при различных нагрузках и при определенной настройке автоматического регулятора.

Р егуляторная характеристика двигателя может быть построена, если известны скоростные характеристики двигателя М = f (w) при h= const рейки топливного насоса и равновесные кривые регулятора. В квадрантах II и IVнаходятся прямые 5 и 11, характеризующие передаточные отношения механизмов, связывающих двигатель и регулятор, причем прямаяh=f(2) учитывает наличие в системе главной отрицательной обратной связи.

После выбора равновесной кривой (например, 8) с предварительной деформацией пружины d₂ на оси ординат в квадранте IV отмечаются значения h_k(h₄, h₃и т.д.), соответствующие скоростным характеристикам двигателя (точки А, В, С и др.). Полученные точки проецируются на равновесную кривую (точки А_р, В_р, С_р), а затем на скоростные характеристики двигателя. Соединение точек А_д, В_д и С_дкривой дает регуляторную характеристику 12 двигателя.

Билет 6

1	ДВС как регулируемый объект
	Устойчивость режимов работы ДВС

Установившиеся режимы работы двигателя могут быть устойчивыми и неустойчивыми. К устойчивым относятся режимы, самопроизвольно восстанавливающиеся при случайных отклонениях. Так, например, нарушение установившегося скоростного режима, характеризуемого точкой В (рис 2.4, а) на пересечении скоростных характеристик 1 двигателя и 2 потребителя, приводит к отклонению угловой скорости коленчатого вала на Δw` или Δw``. При w`_B=w`<sub>B0</sub> +Δw` условие (2.1) нарушается, так как М`с> М`, в связи с чем w уменьшается, и режим, соответствующий точке В, восстанавливается. При w`<sub>B</sub>=w`_B0 -Δw``, наоборот, М" > Мс, поэтому w увеличивается, и режим также возвращается к исходному. Способность двигателя восстанавливать нарушенный установившийся режим называется самовыравниванием (устойчивостью). При таких режимах двигатель обладает положительным самовыравниванием, или устойчивыми равновесными режимами (которые по своему характеру аналогичны положению шарика в нижней точке вогнутой поверхности).

Рис. 2.4. Условия устойчивости режима работы двигателя: а — устойчивый режим; б — неустойчивый режим; 1 — характеристика двигателя; 2 — характеристика потребителя

2	Механические АРПД
	Двух режимные и всережимные регуляторы

Двухрежимный регулятор обеспечивает автоматическое регулирование режима пуска и частоты вращения на минимальном и максимальном режимах. Все промежуточные режимы находятся под управлением водителя, который непосредственно воздействует на дозирующий клапан, изменяя подачу топлива. Узел в регуляторе включает в себя пружину максимального скоростного режима и пружину частичного режима, которые размещены внутри цилиндрического стального корпуса, соединяющего рычаг управленияс верхней частью рычага регулятора, который через тягу соединён с дозирующим клапаном. Пластинчатая пружина, закреплённая на передней части рычага регулятора, регулирует холостой ход минимального режима. Центробежные грузы регулятора, размещённые в обойме, при своём перемещении под действием центробежной силы воздействуют на муфту регулятора, которая, в свою очередь, на рычаг регулятора и затем на дозирующий клапан. На холостом ходу минимального режима центробежная сила грузов мала и режимом управляет пластинчатая пружина.  В отличие от всережимного регулятора при повороте рычага управления имеет место непосредственное воздействие на дозирующий клапан, а регулятор осуществляет регулирование только максимального и минимального скоростных режимов. 

Всережимный регулятор.  Всережимный регулятор обеспечивает поддержание задаваемой водителем частоты вращения во всем диапазоне рабочих режимов. 

Используются всережимные механические регуляторы прямого действия двух типов: с переменной предварительной деформацией пружин и с постоянной предварительной деформацией пружин.

Возможность изменять предварительную деформацию пружин в процессе работы создает всережимность регулирования. Так предварительная деформация пружины, создающая усилие, дает статистическую характеристику восстанавливающей силы.

В регуляторах усилие, развиваемое чувствительным элементом, через упорный диск, муфту и рычаг передается пружинам регулятора, работающим на растяжение. Верхний конец рычага тягами соединен с рейкой топливного насоса. При повороте рычага управления в крайнее левое положение установится максимальная предварительная затяжка пружины с усилием, уравновешивающим центробежную силу грузов при w_min. В связи с этим при увеличении wпружина растягивается и рейка перемещается в сторону уменьшения подачи топлива. При желании увеличить скоростной режим, рычаг поворачивают вправо. При крайнем правом положении рычага предварительная деформация пружины оказывается максимальной, рассчитанной так, что растяжение ее под действием центробежных сил начнется только при достижении номинального скоростного режима.

Билет 9.

1.С понятием неустановившегося режима работы двигателя связано определение переходного процесса двигателя. Переходным про­цессом называется процесс изменения во времени параметров дви­гателя, входящих в функциональную зависимость, вслед­ствие изменения нагрузки, воспринимаемой двигателем, смены ре­гулируемого режима обслуживающим персоналом или других произвольных изменений внешних условий работы. Переходный процесс по своему смыслу всегда является переходом работы дви­гателя от одного (начального) установившегося режима к другому (конечному) установившемуся режиму. Конечный установившийся режим часто является режимом вновь заданным. Таким образом, переходный процесс всегда протекает во времени и его аргументом является время.

В общем случае при переходном процессе изменяются все или многие параметры, характеризующие работу двигателя.

При необходимости подчеркнуть или выявить зависимость от времени того или иного определенного параметра, характеризую­щего работу двигателя, при неустановившихся режимах строят (или экспериментально записывают) процессы изменения этого параметра во времени, например ω = а (t); h = f (t); T = f (t); α = f (t); и т. д. Эти зависимости также называются переходными процессами. Так, переходные процессы изменения угловой скоро­сти ω коленчатого вала и температуры охлаждающей воды, появив­шиеся вследствие сброса нагрузки, представлены на рис. 30.

Такие и аналогичные им переходные процессы иногда называют по выбранному параметру. Например, зависимость ω = f (t)называется скоростным переходным процессом, М = f (t) — на­грузочным переходным процессом, Т = f (t) — тепловым переход­ным процессом и т. д.

Если в переходном процессе выбрать какой-то один момент времени (например, t_В на рис. 30), то этому моменту времени соответствуют определенные мгновенные значения исследуемых параметров (ω_в; Т_в и др.). Поэтому в соответствии с ранее дан­ным определением понятия о неустановившемся режиме выбран­ная точка В на рис. 30 характеризует один неустановившийся режим работы двигателя.

Следовательно, каждый переходный процесс является последо­вательной по времени совокупностью неустановившихся режимов работы двигателя, выраженных определенными параметрами, а один неустановившийся режим определяется одной точкой графика любого переходного процесса.

Переходный процесс характеризует динамические свойства двигателя или системы автоматического регулирования. Поэтому переходные процессы являются динамическими характеристи­ками двигателя или системы регулирования. В этом случае каждая динамическая характеристика представляет собой последователь­ную во времени совокупность неустановившихся режимов работы двигателя, точно так же, как статическая характеристика явля­ется последовательной совокупностью установившихся режимов.

Характер переходного процесса определяется свойствами дви­гателя и его агрегатов. Среди этих агрегатов могут быть и автомати­ческие регуляторы тех или иных параметров. Поэтому понятие переходного процесса двигателя принципиально совпадает с по­нятием процесса автоматического регулирования в тех случаях, когда на двигателе установлен автоматический регулятор, хотя наличие регулятора может существенно изменить характер переход­ного процесса, так же как и форму статических характеристик.

При классификации переходных процессов двигателя могут быть использованы различные признаки. К таким признакам можно отнести, например, исследуемый параметр (скорость, тем­пературу, уровень и др.), характер возмущения (сброс, наброс нагрузки), характер изменения исследуемого параметра (поло­жительное или отрицательное ускорение) и многие другие.

Каждый переходный процесс можно рассчитать с той или иной степенью точности путем составления и решения дифференци­ального уравнения двигателя или исследуемой системы. Решение такого дифференциального уравнения дает общий интеграл в виде зависимостей ω = f (t), h= f (t) или других, являющихся мате­матическими выражениями переходных процессов (см. рис. 30). Таким образом, для получения возможности оценки динамиче­ских свойств комбинированного двигателя необходимо составить дифференциальное уравнение прежде всего для каждого его эле­мента (см. рис. 20) и на их основе дифференциальное уравнение комбинированного двигателя в целом.

Анализ и решение такого уравнения дадут представление о переходных процессах этого двигателя и, следовательно, о его динамических свойствах.

2.Автоматическим регулятором называется прибор, обеспечиваю­щий автоматическое поддержание заданного значения регулиру­емого параметра двигателя вне зависимости от нагрузки.

Механизм автоматического регулятора в некоторых случаях весьма сложен и включает различные механические, гидравличе­ские или электрические элементы, выполняющие различные функции.

Элемент, измеряющий отклонение или скорость отклонения какого-либо регулируемого параметра двигателя от его значения на заданном режиме работы, называется чувствительным эле­ментом.

Если чувствительный элемент системой соединительных эле­ментов непосредственно связан с органом управления двигателем, то регулятор называется регулятором прямого действия.

Регулятор прямого действия является наиболее распростра­ненным типом автоматических регуляторов двигателей внутрен­него сгорания. Преимуществом таких регуляторов являются простота конструкции и обслуживания и отсутствие вспомогатель­ных агрегатов. Однако они имеют и ряд недостатков, к числу которых относятся необходимость создания чувствительным эле­ментом значительных перестановочных усилий, значения которых гарантировали бы перемещения органа (органов) управления двигателем, что увеличивает габаритные размеры самого авто­матического регулятора; невозможность работы регулятора без соответствующих дополнительных устройств при малой неравно­мерности работы и др.

Отмеченные недостатки несущественны для двигателей малой, а иногда и средней мощности (например, двигателей автотрактор­ного типа), не требующих большой точности регулирования и больших перестановочных усилий. Поэтому на таких двигателях используют, как правило, автоматические регуляторы прямого действия.

Автоматические регуляторы можно классифицировать по раз­личным признакам. В зависимости от типа чувствительного элемента различают механические, пневматические, гидравличе­ские, электрические и электронные регуляторы. Каждый из этих регуляторов в зависимости от числа регулируемых режимов может быть однорежимным (прецизионным или предельным), двухрежимным или всережимным.

Всережимные регуляторы делятся на регуляторы с переменной и постоянной предварительной деформацией пружин и с пере­менным наклоном пружин.

Классификация автоматических регуляторов прямого действия приведена на рис. 57.

Автоматические регуляторы прямого действия весьма разно­образны по конструкции. Основную часть регулятора составляет чувствительный элемент, призванный определять значения ре­гулируемого параметра и вырабатывать воздействие на орган уп­равления двигателем.

Билет 10

1. Динамические свойства собственно дизеля с наддувом характери­зуются дифференциальным уравнением с выходной координа­той в виде изменения угловой скорости коленчатого вала φ.

Входных координат в общем случае три: изменение цикловой подачи топлива q, изменение давления наддува ρ и изменение настройки потребителя α_д. Совместное воздействие входных координат на собственно дизель, определяемое уравнением , может быть разделено на воздействие каждой входной координаты в отдель­ности. Если ввести обозначения:

 

φ^q — изменение угловой скорости под влиянием изменения цикловой подачи топлива при ρ = α_д = 0;

φ^ρ — изменение угловой скорости под влиянием изменения давления наддува при q = α_д = 0;

φ^α — изменение угловой скорости под влиянием изменения настройки потребителя при q = ρ = 0, то в соответствии с принципом суперпозиции уравнение  может быть заменено совокупностью трех линейных дифференциальных уравнений с одной входной координатой каждое:

Каждый элемент двигателя в процессе работы испытывает практически непрерывные возмущающие воздействия со стороны входных координат. Одним из типовых постоянно действующих возмущений является гармоническое (косинусоидальное), которое применительно к цикловой подаче топлива имеет вид

где q_а — амплитуда колебаний возмущающего воздействия (ам­плитуда колебаний цикловой подачи топлива); ω — круговая ча­стота колебаний возмущающего воздействия.

Формулы Эйлера

дают возможность представит выражение (49) в виде суммы двух компонентов гармонического возмущающего воздействия:

В соответствии с принципом суперпозиции каждый из компонен­тов возмущения вызывает соответствующую составляющую φ₁ (t) или φ₂(t) переходного процесса, сумма которых в каждый момент времени дает ординату переходного процесса

появляющегося вследствие возмущения (49).

В связи с этим нет необходимости исследовать воздействие на элемент сложного возмущения вида (49). Достаточно взять вна­чале лишь один компонент возмущения, например,

Достоверность полученных выводов при этом не нарушится. При гармоническом изменении входной координаты q рассматриваемое уравнение получает вид

Частное решение этого неоднородного уравнения может быть найдено в форме правой части уравнения в виде произведения

Сопоставление полученного выражения с рассматриваемым урав­нением показывает, что Y^q (р) характеризует отношение выходной координаты φ^q к входной q:

в связи с чем это выражение получило название передаточной функции элемента по соответствующему внешнему воздействию (возмущению), а в данном случае — передаточной функции соб­ственно дизеля с наддувом по изменению цикловой подачи топлива. Передаточная функция представляет собой отношение оператора воздействия элемента (в данном случае этот оператор равен еди­нице) к собственному оператору элемента d (p).

По аналогии могут быть получены передаточные функции соб­ственно дизеля с наддувом и по другим входным координатам. Так, передаточную функцию по настройке потребителя можно полу­чить в виде отношения

а передаточную функцию по давлению наддува в виде отношения

Таким образом, для получения передаточных функций диффе­ренциальное уравнение элемента, записанное в операторной форме, достаточно разделить на собственный оператор (46). Примени­тельно к уравнению (47) это дает

Следовательно, элемент системы автоматического регулирования имеет столько передаточных функций, сколько входных координат содержит его дифференциальное уравнение. Запись дифференци­ального уравнения элемента через передаточные функции дает возможность построить структурную схему элемента, отража­ющую его динамические свойства.

Каждая передаточная функция в структурной схеме изобра­жается прямоугольником, а входные и выходные координаты — соответствующими стрелками.

В соответствии с уравнением (53) все выходные координаты элемента суммируются:

φ  = φ^q + φ^ρ + φ^α,

как это показано на рис. 33, а. Структурные схемы двигателей без наддува или двигателя, работающего на холостом ходу, пока­заны соответственно на рис. 33, б и в.

В некоторых случаях для упрощения схемы структурная схема может быть изображена одним прямоугольником с обо­значением собственного оператора (рис. 34). Выходной координатой в этом случае яв­ляется результирующее изменение φ под воздействием всех входных координат, а входные координаты отмечаются вместе с соответствующими коэффициентами усиле­ния и алгебраическими знаками направления возмущения.

Таким образом, структурная схема строится по дифференциальному уравнению и характеризует динамические свойства элемента в отличие от функциональной схемы, отражающей работу элемента на установившихся режимах.

2.Степень неравномерности. Важнейшими статическими показателями работы чувствительного элемента и, следовательно, автоматического регулятора прямого действия являются характер и диапазон изменения равновесной угловой скорости двигателя при сбросе нагрузки от полной до холостого хода. Они в значительной степени зависят от формы равновесной кривой чувствительного элемента.

Для оценки формы равновесной кривой введено понятие местной степени неравномерности , численно равной безразмерному уклону равновесной кривой в заданной точке с координатами и так, что

(3.9)

В соответствии с уравнением (3.7) поэтому

или после дифференцирования с учетом соотношений (3.8) и (3.9) (3,10)

Диапазон изменения равновесных угловых скоростей вала двигателя или валика регулятора на выбранной равновесной кривой при полном сбросе нагрузки от внешней скоростной характеристики 1 (см. рис. 2.3) до холостого хода (ось абсцисс) называют неравномерностью, остаточной неравномерностью, -или статической ошибкой. Для оценки неравномерности работы автоматического регулятора введено понятие степени неравномерности б, иногда называемой общей степенью неравномерности. Ее значение можно определить интегрированием выражения (3.9) по ходу муфты. Пусть, например, ,тогда где средняя угловая скорость

. Следовательно,

Интегрируя левую и правую части уравнения в пределах от , найдем

При , а в соответствии о

выражением

Степень неравномерности всережимных регуляторов зависит от заданного скоростного режима. Для выявления этой зависимости по оси ординат откладывают приведенные к центру массы груза восстанавливающую и поддерживающую силы в зависимости от радиуса вращения

В чувствительных элементах всережимных автоматических регуляторов с переменной предварительной деформацией пружин (рис. 3.12, а) при смене регулируемого скоростного режима изменяется лишь предварительная деформация пружины, поэтому все характеристики усилий пружин, построенные в выбранных координатах, являются параллельными прямыми. Так как — крайнее внутреннее, а — крайнее наружное положение грузов, то является полным

перемещением груза. Постепенно увеличивая предварительную деформацию пружины, можно подобрать такое ее значение, при котором характеристика восстанавливающей силы всеми своими точками совпадает с характеристикой поддерживающей силы Так как в этом случае любому положению муфты соответствует одно и то же значение угловой скорости грузов, то выбранный режим является астатическим.

Из равенства заштрихованных треугольников (рис. 3.12, а)

следует, что

где

Если — среднее положение грузов, то

С учетом полученных выражений равенство (3.12) можно представить в виде . (3.13)

Для выбранной деформации пружин степень неравномерности

.

С помощью этих соотношений можно определить

Подстановка в уравнение (3.13) дает

откуда

(3.14)

В зависимости от скоростного режима и соотношения конструктивных размеров чувствительного элемента формулу (3.14) можно представить кривой (рис. 3.13), показывающей, что с уменьшением регулируемого скоростного режима степень неравномерности чувствительного элемента всережимного механического регулятора увеличивается.

Характеристика регулятора с постоянной предварительной деформацией пружины, построенная в координатах представляет собой одну прямую 1—4 (см. рис. 3.12, б), охватывающую все возможные регулируемые режимы в диапазоне .Один регулируемый скоростной режим, получающийся при движении рейки топливного насоса от полной подачи до подачи топлива на холостом ходу, охватывает .лишь часть 2—3 характеристики 1—4, и следовательно, часть полного перемещения грузов Расположение в пределах зависит от выбранного положения рычага управления. Угловая скорость астатического режима определяется конструктивными параметрами регулятора: массой его грузов и жесткостью пружины , приведенной к центру массы груза. Действительно, в

соответствии с характеристикой 3—4 (см. рис. 3.12, а)

откуда (3.15)

Эта формула остается качественно справедливой и для регуляторов с постоянной предварительной деформацией пружины (см. рис. 3.12, б), поэтому степень неравномерности такого регулятора

где — средний радиус вращения грузов, соответствующий выбранному . Полученная формула указывает на то, что в регуляторах данного типа степень неравномерности также увеличивается по мере уменьшения регулируемого скоростного режима (см. рис. 3.13).