Система автоматического управления дизелем Советский патент 1992 года по МПК F02D41/00 

vj

О vj

CJ СО

Изобретение относится к машиностроению и автоматическому управлению и может быть использовано в системах управления дизелями тепловозов, судов, большегрузных автомобилей, транспортных средств.

Известны системы автоматического управления дизелями, которые функционируют по отклонению параметра и содержат регуляторы частоты вращения с блоком задания и чувствительным элементом, регулятор мощности с блоком подачи топлива с сервоцилиндром и обратной связью между ними, измеритель нагрузки, усилительное звено, компенсирующие устройства, блок воздухоснабжения с турбокомпрессором и ресивером.

Известные регуляторы сложны и, обладая нерегулируемыми отрицательными обратными связями, имеют недостаточную точность и надежность, ограниченный диапазон регулирования, неудовлетворительное качество переходного процесса.

Известен регулятор, который имеет гибкую отрицательную обратную связь с механизмом регулирования, позволяющим изменять е необходимом диапазоне параметры обратной связи с фиксированным для данного дизеля передаточным отношением, чем обеспечивает функционирование дизеля на режиме, близком к оптимальному.

Однако этот регулятор не предусматривает в каждой точке переходного процесса, согласованного изменения требуемого количества топлива с количеством подаваемого воздуха и тем самым не обеспечивает протекание переходного процесса с требуемым постоянным коэффициентом избытка воздуха. Это объясняется тем, что указанный регулятор не имеет устройства, согласовывающего скорость перемещения регулирующего органа топливоподачи с передаточным отношением обратной связи, что и приводит к отклонению коэффициента избытка воздуха от оптимального значения, к ухудшению качества переходного процесса, к возникновению дымления, перерасходу топлива. Поэтому в регуляторы вводят систему согласования подачи топлива и воздуха, для чего применяют электронные системы управления дизелями, с различными датчиками, блоками сравнения и усиления. Такие системы настроены по существу на жесткую программу с регулированием по отдельным параметрам и не обеспечивают оптимизацию процесса, поэтому для исключения этого недостатка в этих системах применяется ЭВМ.

Наиболее близкой к изобретению является система управления дизелем, содержащая микроЭВМ, блок постоянной памяти, блок оперативной памяти, блок входных и выходных данных. Использование в такой системе блока входных и выходных данных

увеличивает адаптацию системы к дизелям различного типа, способствует настройке на разные программы регулирования, уменьшает емкость блока памяти. Блоки входных и выходных данных осуществляют

0 в системе первичную обработку сигналов датчиков параметров дизеля, их фильтрацию, усиление. На вход этого блока подведены сигналы от датчиков -частоты вращения, расход воздуха, температуры,

5 давления окружающего воздуха, разрежения во впускном трубопроводе, напряжения в электрической сети, положения органа управления работой дизеля и т.п. Известная система функционирует с микроЭВМ по ло0 гической программе, поэтому учитывает изменение внешних воздействий на дизель, обеспечивает оптимальное соотношение параметров процесса управления.

Недостатком системы-прототипа явля5 ется потеря работоспособности ее в случае отказа даже одного какого-либо элемента в одном из блоков автоматики, например в микроЭВМ, так как в этом случае дизель становится неуправляемым, транспортное

0 средство оказывается неподвижным и требуются дополнительные средства для его перемещения. Обусловлено это тем. что известные системы не имеют устройств, блокирующих неисправные участки системы.

5Цель изобретения - повышение надежности системы управления дизелем путем отключения неисправного блока автоматики из контура прохождения сигнала управления.

0 Указанная цель достигается тем, что в отличие от известной системы управления, содержащей механическую часть с механическим чувствительным элементом, управляющим золотником, обратной связью,

5 электронную часть с командоконтроллером, микроЭВМ с блоком управления, блоком пропорционального электрогидравлического преобразователя, датчиком частоты вращения и положения, задающее устройство.

0 дизель-генератор с регулирующим органом в виде рейки топливного насоса, причем задающее устройство связано с командоконтроллером и механическим чувствительным элементом, микроЭВМ соединена с блоком

5 управления дизель-генератора, датчиком частоты вращения и положения, регулирующий орган через обратную связь связан с управляющим золотником, а через блок пропорционального электрогидравлического преобразователя - с блоком управления.

насос соединен с дизел.ь-генератором, предлагаемая система снабжена двумя переключателями с двумя выходами, причем вход одного переключателя подключен к ко- мандоконтроллеру, один из выходов соединен с генератором, а другой - с микроЭВМ, вход другого переключателя соединен с насосом, а выходы соединены с управляющим золотником и блоком пропорционального электрогидравлического преобразователя.

Такое исполнение системы автоматического управления дизелем в случаях отказов в элементах автоматики или в отдельных блоках позволяет путем установки переключателей из положения Включено в положение Выключено разъединить связи между командоконтроллером и микроЭВМ и между насосом и сервомотором и, таким образом, блокировать неисправный участок системы и восстановить ее работоспособность, направив сигнал управления от ко- мандоконтроллера непосредственно к генератору, и от насоса к сервомотору, но по другому пути, минуя поврежденный участок.

На чертеже показана функциональная схема предложенной системы автоматического управления дизелем.

Примером осуществления изобретения является система, содержащая механическую часть и электронную часть.

Механическая часть включает чувствительный элемент 49, сервомотор 51. обратную связь 46, золотник 42 управления, переключатель 23, масляный насос 25, масляную ванну 19 и масляный аккумулятор 2.

Электронная часть содержит командо- контроллер4, переключатель 6, блок 13 связи, задатчик 9 ограничения параметров, микроЭВМ 10, блок 35управления, электрогидравлический пропорциональный преобразователь,состоящийиз электромагнитного преобразователя 59. элемента сопло- заслонка 56 и распределительного золотника 53, датчики частоты вращения 32 и перемещения 37.

Задающее устройство 1 и силовой сервомотор 51 являются общими элементами механического и электронного контуров регулирования.

Каналы 2,3, 5, 7, 8, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 22,24, 26, 27, 28, 30, 31, 33, 34, 36, 38,40, 41, 43, 44, 45, 47, 48, 50, 52. 54. 55, 57 и 58 предназначены для передачи сигналов к различным элементам системы и могут быть выполнены в виде механических тяг и рычагов, электрических проводов, проходных каналов, трубопроводов.

В предложенной системе дизель - генератор (дизель 29, генератор 17) является

объектом регулирования и управления; входное воздействие дизеля представляется перемещением регулируемого органа 39 (рейки топливного насоса), а выходное - частота вращения его вала, являющаяся регулируемым параметром.

Входным воздействием генератора 17 являются частота вращения по каналу 30 и ток возбуждения по каналам 16 и 31, а вы0 ходным - изменение тока и напряжение на его клеммах, по каналам 14 и 15, т.е. изменение нагрузки на двигателе 29.

В зависимости от требований к качеству механической энергии, вырабатываемой ди5 зелем 29, или электрической энергии, вырабатываемой генератором 17, а также от условий эксплуатации силовой установки система автоматического регулирования частоты вращения двигателя может работать

0 с электронным управлением или механическим, или совместно. При этом важно, что работоспособность системы будет обеспечена и в случае выхода из строя одного из элементов электронной или механической

5 части или даже и в том случае, когда выходят из строя как электронная, так и механическая части.

Работа предложенной системы осуществляется следующим образом.

0Работа на установившемся режиме (постоянная нагрузка). Задающее устройство 1 установлено в определенное положение. Переключатели 23 и 6 переведены в положение Включено. При этом с одной стороны

5 масло под давлением по каналу поступает к распределительному золотнику 53 пропорционального электрогидравлического преобразователя, а с другой стороны электрический сигнал, соответствующий за0 данному скоростному режиму от командо- контроллера 4, поступает по каналу 7 в блок 13 связи. Туда же по каналу 33 поступает электрический сигнал от датчика 32, соответствующий текущему значению частоты

5 вращения. Поскольку эти сигналы на установившемся режиме равны между собой, то приращение угловой скорости и величина ускорения вала дизеля будут равны нулю. Тогда электрический сигнал, формируемый

0 микроЭВМ 10 согласно алгоритму, который реализует требуемый закон регулирования частоты вращения, по каналам 11, 34 поступает к блоку 35 управления и соответствует положению рейки 39 данному установивше5 муся режиму.

Одновременно нагрузка на рассматриваемом скоростном режиме будет определяться величиной тока возбуждения по каналу 31 согласно реализации в микроЭВМ алгоритма изменения нагрузки и соответствующей установкой задатчика 9 ограничений параметров. Поэтому такой же сигнал на рассматриваемом установившемся режиме будет поступать по каналу 36 в блок управления 35 от датчика 37 перемещений рейки 39 топливного насоса. В результате управляющий сигнал от блока 35 управления по каналу 58 к электромагнитному преобразователю 59 будет равен нулю. Поэтому распределительный золотник 53 пропорционального электрогидравлического преобразователя находится в положении перекрытия. Поршень 51 и, соответственно, регулирующий орган 39 находятся в положении, соответствующем данной нагрузке и скоростному режиму.

При изменении нагрузки (увеличение или уменьшение ее) изменяется текущее значение частоты вращения вала дизеля. Это приведет к рассогласованию между сигналами от командоконтроллера 4 по каналу 7 и от датчика частоты вращения по каналу 33.

На основании этого сигнала рассогласования в микроЭВМ в процессе реализации алгоритма скорости формируется управляющий сигнал определенного знака, который поступает по каналам 11 и 34 в блок 35 управления, а далее по каналу 58 в электромагнитный преобразователь 59, в результате чего сработает элемент сопло - заслонка 56 и пропорционально величине и знаку управляющего сигнала распределительный золотник 53 установится в определенное положение и откроет доступ масла под давлением по каналу 2 от масляных аккумуляторов 21 и от насоса 25 к силовому поршню сервомотора 51. Поршень сервомотора 51 начнет перемещаться, а по каналу 36 от датчика положения 37 в блок 35 управления поступит сигнал, соответствующий текущему положению рейки топливного насоса. Когда сигналы по каналам 34 и 36 сравниваются между собой, тогда сигнал управления по каналу 58 станет равным нулю. В результате этого золотник 53 перекроет канал 52 и доступ масла к сервомотору прекратится. Поршень сервомотора остановится, а рейка топливного насоса займет новое положение.

Одновременно с изменением нагрузки будет изменяться и сигнал по каналу 31, соответствующий току возбуждения генератора 17. Между текущим значением тока возбуждения по каналу 7 и требуемым его значением по каналу 31, определяемым реализацией алгоритма регулирования нагрузки и установкой задатчика 9 ограничений параметров, появится также сигнал рассогласования соответствующего

знака. Это приведет к изменению нагрузки, на что среагирует регулятор скорости, как описано выше, и изменит подачу топлива (положение штока сервомотора) и так до тех

пор, пока требуемый сигнал величины тока возбуждения от микроЭВМ 10 и текущий сигнал по каналу 7 не сравняются между собой, а рейка топливного насоса займет положение, соответствующее измененной

нагрузке на дизель. Таким образом, будет поддерживаться постоянной на данном режиме не только частота вращения, но и оптимальное постоянное значение нагрузки. В случае отказа блоков или элементов в

5 электронной части переключатели 6 и 23 переводятся в положение Выключено, что соответствует переходу системы на механическое регулирование. Тогда масло от насоса 25 поступает к сервомотору 51 через

0 золотник 42, минуя электрогидравлический преобразователь 53, 56, 59. Ток управления при этом от командоконтроллера 4 по каналам 5 и 16, минуя микроЭВМ 10, поступает на возбуждение генератора 17.

5 Рассмотрим работу системы при постоянной нагрузке в случае механического регулирования. Задающее устройство 1 устанавливается оператором в определенное положение. При этом с одной стороны

0 по каналам 5 и 16 от командоконтроллера 4 поступает ток управления, соответствующий заданной нагрузке, а по каналу 20 - механический сигнал на затяжку пружины чувствительного элемента 49 и соответству5 ющий заданному скоростному режиму. Золотник 42 управления находится в положении перекрытия канала 45. Поршень сервомотора 51, а соответственно, и регулирующий орган 39 находятся в положении,

0 соответствующем данной нагрузке.

Работа системы при изменении (уменьшении или увеличении) нагрузки сопровождается изменением текущего значения частоты вращения вала двигателя 29. При

5 этом центробежный чувствительный элемент 49 смещает золотник 42 управления, что приводит к сливу масла из-под поршня сервомотора в масляную ванну 19 по каналу 18 (или наоборот, к доступу масла под дав0 лением в рабочую полость сервомотора). Поршень сервомотора 51, а соответственно, и регулирующий орган 39, перемещаясь, уменьшают (увеличивают) подачу топлива до тех пор, пока движущий момент (переме5 щение рейки 39) сравнивается с моментом сопротивления (изменение тока возбуждения генератора) и рейка топливного насоса займет положение, соответствующее данной (измененной) нагрузке при прежней частоте вращения, которая имела место до

изменения нагрузки. В случае дисбаланса между указанными моментами, а соответственно, и в зависимости от знака этого дисбаланса увеличивается или уменьшается величина тока возбуждения по каналам 5 и 16. Это приводит к изменению нагрузки на двигатель, и механический регулятора, вступив в работу, подправит положение рейки до заданного значения, соответствующего заданному значению нагрузки.

В случае отказа всех блоков электронной и механической частей система также сохраняет свою работоспособность. При этом переключатель 23 устанавливается в положение Включено и масло под давлением от шестеренчатого масляного насоса 25, который приводится от вала двигателя 29, по каналу 28 через масляный аккумулятор 21 по каналам 2 и 55 через распределительный золотник 53 поступает в сервомотор 51. Поршень сервомотора смещается до упора с меткой на его корпусе Аварийная подача и обеспечивает перестановку рейки топливного насоса 39 в положение минимальной подачи топлива, лозволяющее транспортному средству надежно работать до ближайшего пункта технического обслуживания.

При совместной работе электронного и механического контуров регулирования переключатель 23 устанавливается так, что масло под давлением одновременно поступает по каналу 43 и к золотнику 42 управления механической части системы и по каналу 2 к электромагнитному преобразователю (бпоки 53, 56, 59), а переключатель 6 устанавливается так, что одновременно управляющий электрический сигнал также поступает по каналам 3, 5, 16 и 7 как к генератору 17, так и к блоку 13 связи, Такое положение переключателей 6 и 23 условно назовем нейтральным.

В этом случае при изменении нагрузки срабатывает тот элемент контура электронного или механического, который имеет меньшую постоянную времени и сигнал на выходе этого элемента будет упреждающим по сравнению с выходным сигналом аналогичного элемента, что значительно улучшит качество регулирования.

Установившийся режим при совместной работе будет оптимальным и определяется электронным контуром регулирования.

Работа системы с электронным управлением имеет следующие отличия. Скорость изменения мощности дизель-генератора ограничивается в соответствии с сигналом от задатчика 9 ограничений, устанавливаемого оператором. Это исключает в том числе буксование транспортного средства-и перегрузки дизеля. В соответствии с наложенными ограничениями на изменения параметров дизеля в микроЭВМ 10 определяется оптимальная динамическая характеристика

дизель-генератора, а по ней - текущие значения заданных мощности и скорости дизеля 29.

Останов дизеля осуществляется переводом ключей управления в режим Останов (тест микроЭВМ). При этом не зависимо от положения задающего устройства 1 микроЭВМ обеспечивает вывод дизеля на режим холостого хода, затем после удовлетворения требованиям останова, например по уровню температур воды и масла, микроЭВМ дает сигнал на выключение подачи топлива.

Предложенная система значительно повышает надежность всей энергосиловой установки за счет сохранения работоспособности в случае выхода из строя элементов автоматики или даже всего контура автоматического регулирования, а также значительного улучшения протекания

рабочего процесса в цилиндрах дизеля при изменении нагрузки за счет совместной работы электронного и механического контуров регулирования.

30

Формула изобретения

Система автоматического управления дизелем, содержащая механическую часть с механическим чувствительным элементом,

управляющим золотником, обратной связью, электронную часть с командоконт- роллером, микроЭВМ, блоком управления, блоком пропорционального электрогидравлического преобразователя, датчиком частоты вращения и положения, задающее устройство, насос, дизель-генератор с регулирующим органом в виде рейки топливного насоса, причем задающее устройство связано с командоконтроллером и механическим чувствительным элементом, микро- ЭВМ соединена с блоком управления дизеля-генератора, датчиком частоты вращения и положения, регулирующий орган через обратную связь связан с управляющим золотником, а через блок пропорционального электрогидравлического преобразователя -с блоком управления, насос соединен с дизель-генератором, отличающаяся тем, что, с целью повышения

надежности, дополнительно система снабжена двумя переключателями с двумя выходами, причем вход одного переключателя подключен к командоконтроллеру, один из выходов соединен с генератором, а другой - с микроЭВМ, вход другого переключателя

11174073312

соединен с насосом, а выходы соединены с ционального электрогидравлического пре- управляющим золотником и блоком пропор- образователя.

Использование: автоматическое регулирование и управление дизелями тепловозов, большегрузных автомобилей, судов, транспортных средств. Система автоматического управления дизелем содержит механическую часть с механическим чувствительным элементом 49, управляющим золотником 42, обратной связью 46, электронную часть с командоконтроллером 4, микроЭВМ 10, блоком 35 управления, блоком пропорционального электрогидравлического преобразователя (53, 56, 59), датчиками частоты вращения 32 и положения 37, задающее устройство 1, насос 25, дизель-генератор 29, 17, с регулирующим органом 39, связи 3, 20, 24, 44, 45 между ними, для повышения надежности система дополнительно снабжена двумя переключателями 6, 23 с двумя выходами, причем вход 5 одного переключателя 6 подключен к командоконт- ролеру 4, один из входов 16 соединен с генератором 17, а другой 7 с микроЭВМ 10 вход 22 другого переключателя 23 соединен с насосом 25, а выходы 2 и 43 соединены с управляющим золотником 42 и блоком пропорционального электрогидравлического преобразователя. 1 ил. сл