aru (Лекции в электронном виде)

ВВЕДЕНИЕДвигатели внутреннего сгорания занимают в энергетике ведущее место по количеству вырабатываемой энергии. Особо существенна рольдвигателей в автомобильном, водном транспорте, в стационарной энергетике. Вследствие низкой устойчивости режимов дизелей чрезвычайнотрудно обеспечивать их работу в эксплуатационных условиях и особеннов тех случаях, когда нагрузка оказывается переменной во времени или незначительна.Именно поэтому двигатели внутреннего сгорания снабжают автоматическими регуляторами частоты вращения, а в некоторых случаях и другими устройствами.Проблема регулирования дизелей с учетом эксплуатационных условий их работы имеет большое практическое значение.

Система автоматического регулирования предназначена для обеспечения качественной работы как на стационарных режимах, так и на неустановившихся, когдаизменения параметров процессов особо сильно влияют на эффективныепоказатели работы силовой установки в целом.Исследование динамики регулирования дизелей показывает, что покаеще не решены такие вопросы, как обеспечение максимальной эксплуатационной надежности, оптимальное управление в условиях резко выраженной динамики изменения нагрузки, обеспечение качества переходныхпроцессов дизеля при сбросах или набросах нагрузки и т. п.При разработке новых или модернизации существующих двигателей,а также при доводке систем автоматического регулирования следуетпрежде всего обеспечить надежность и устойчивость работы их работы смаксимально возможной производительностью и экономичностью.Доводка систем автоматического регулирования производится науровне экспериментальных исследований, когда знание происходящих всистеме процессов позволяет ускорить доводку и обеспечить наибольшеекачество создаваемой продукции.

Поэтому основой настоящего учебногопособия стали положения дисциплины «Основы автоматики», далее рассматриваются вопросы статики регулирования, характеристики элементовсистемы регулирования, схемные решения по созданию автоматических3регуляторов, наконец излагаются вопросы динамики процессов регулирования и управления. В учебном пособии на базе положений теоретической механики выполнены выкладки уравнений движения как элементовсистемы автоматического регулирования, так и системы в целом, а такжепредлагается анализ переходных процессов и вопросов обеспеченияустойчивости работы двигателя под управлением системы автоматического регулирования.

Это способствует пониманию студентами сложныхпроцессов регулирования, позволяет выделить влияние элементов системы автоматического регулирования на параметры переходных режимов икачество регулирования. Знания при условии закрепления их на практических и лабораторных работах обеспечивают привитие навыков работыс дизелями, позволяют в дальнейшем успешно проводить доводочные инастроечные работы на объектах. И здесь не имеют принципиальногозначения тип двигателя, его мощность и размеры.В учебном пособии излагаются практические инженерные методырешения ряда задач регулирования и обосновываются рекомендации, существенно повышающие производительность двигателей и их техникоэкономические показатели.Материал учебного пособия изложен применительно к решению задач обеспечения качественной работы системы автоматического регулирования скоростных режимов двигателя.

Предложенные пути и методыявляются универсальными.Задачи теоретического анализа направлены на практическое приложение, с которым приходится иметь дело специалистам. Научится разбираться в процессах – значит уметь управлять ими и обеспечивать оптимальную настройку систем автоматического регулирования.Учебное пособие предназначено для студентов дневного и заочногообучения специальности «Двигатели внутреннего сгорания», может бытьполезно инженерам и научным работникам, занимающимся вопросамиавтоматического регулирования двигателей и управления ими.4Глава 1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОРРАЗВИТИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯСовременный уровень развития средств автоматизации энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) настолько высок, что каждый инженер, имеющий дело с ДВС, должен не только разбираться в вопросах автоматизации процессов, но и мочь приниматьнепосредственное участие в разработке новых, усовершенствовании существующих автоматических устройств, в том числе электронных, выполненных на базе элементов микропроцессорной техники.

Суть происходящих процессов регулирования и управления в электронных и механических приборах имеет полную физическую и математическую аналогию.Впервые появился автоматический регулятор уровня воды в паровом котле на «огнедействующей машине» И. И. Ползунова в 1765 г.на Барнаульском горном металлургическом заводе (рис.1.1).Рис. 1.1.

Система автоматического регулирования уровня воды в паровом котлеВ 1786 г. Джеймс Уатт построил паровую машину двойного действия и универсального назначения с вращающимся валом, имеющую регулятор скорости. Работа регулятора согласно рис. 1.1 очевидна. Входная5координата регулятора  p , выходная – перемещение муфты, связанной спомощью рычагов с шибером, положение которого определяет расход пара через паровую машину. Согласно статической характеристике приувеличении нагрузки на машину, например при движении на подъем,происходит уменьшение частоты вращения вала, центробежная сила грузов снижается и под действием главной пружины регулятора происходитперемещение муфты и шибера в сторону увеличения подачи пара. Приуменьшении нагрузки обороты возрастают и шибер перемещается в сторону снижения подачи пара.

Так регулятор обеспечивает поддержаниезаданного параметра (выходной координаты) в некоторых пределах,определенных соотношениями между силами пружины и инерционнымисилами. Если ввести механизм, обеспечивающий изменение предварительной затяжки главной пружины (так называемое устройство изменения координаты задания y зад ), то данный однорежимный регулятор превратится во всережимный, таким образом можно задавать конкретныйскоростной режим работы.Сравнивая принципиальные схемы Ползунова и Уатта, основанные нанеравномерности регулируемого параметра h и  p или, как это называли, «неравномерности хода машины», приходим к выводу, что организовать процесс регулирования более просто невозможно.

В технике регулирования принцип управления получил название принципа ПолзуноваУатта. Это самый применяемый и по сей день принцип. Суть его ясна согласно рис. 1.1 и рис. 1.2, поясняется статическими характеристиками, т.е. зависимостями выходной координаты от входной при фиксированнойнастройке регуляторов G p  f (h) и z  f ( p ) . Главным параметром статической характеристики является ее с т е п е н ь н е р а в н о м е р н о ст и  (ранее применялись термины: «наклон характеристики», «неравномерность хода машины» или «статизм»)   p ,max   p , мин 100 % , где  р,н – р ,нноминальная частота вращения вала регулятора. Для регулятора Ползунова формула аналогична.Впервые при работе телескопов были замечены колебания регулируемого параметра (частоты вращения площадки с телескопом, приводимой6во вращение старыми, отработавшими свой век на шахтах и ослепшимилошадьми).

Считалось, что именно так можно было обеспечить равномерное вращение площадки и отслеживать движение небесных тел. Других движителей в начале ХV111-го века просто не было.Рис. 1.2. САР частоты с регулятором Д.Уатта (функциональнаясхема) и его статическая характеристикаАстроном и изобретатель Эри (англ.) в 1851 г.

предложил катаракт,суть работы которого представлена на рис. 1.3. Катаракт при правильнойнастройке иглы значительно уменьшает неравномерность хода площадкителескопа. Так, в области регулирования машин появилось устройство,позволяющее повышать качество работы особенно в случаях быстропротекающих переходных процессов.Д. Максвэлл (англ. физик) в 1868 г. в своей научной работе «О регуляторах», применив линеаризацию (рис. 1.4), создал метод малых колебаний. Суть метода линеаризации в том, что при малых отклонениях вели-7чины x реальную кривую возможно заменить участком прямой (ошибкапри этом y  y '  0 при). Таким образом, можно пони-жать степень уравнений до первой (т. е.

заменять на участках кривыеуравнениями прямой). Это в дальнейшем позволило решать задачи регулирования, представленные дифференциальными уравнениями высокогопорядка.Рис. 1.3. Функциональная схема катарактаРис. 1.4. Суть метода линеаризации в задачах регулирования8Далее, после упрощения системы дифференциальных уравнений путем понижения их порядка, анализ сводился к переходу при помощиоператорной формы записи к алгебраическим уравнениям и последующему их исследованию. Если действительные части корней алгебраического уравнения, являющегося характеристическим для исследуемой системы, меньше нуля, то система устойчива.

Максвелл в своих физикоматематических описаниях процессов регулирования забежал впередразвития техники регулирования, так как занимался астатическим регулятором непрямого действия без обратной связи, т. е. крайне сложной задачей, не имеющей аналога в технике. На практике эти регуляторы так ине нашли применения из-за большого перерегулирования в условиях переходных процессов и неустойчивости работы системы автоматическогорегулирования скорости. Но первые кирпичики в здание теории регулирования были положены.В период 1870–1880 гг. в Петербурге математическая школа под руководством П. Л.

Чебышева занималась прикладными вопросами техникирегулирования, так как эти вопросы стали чрезвычайно актуальными всвязи с появлением паровых машин и турбин большой мощности. В работе «О центробежном уравнителе» Чебышев теоретически показал путиснижения неравномерности работы регулятора Уатта, тем самым, заложив основы метода проектирования регуляторов и его расчета. В дальнейшем один из талантливых учеников Чебышева А. М. Ляпунов станетведущим ученым в этой области.В 1877 г. И. А. Вышнеградский (профессор Петербургского технологического института, министр просвещения России, он же автор планиметра – прибора для определения площади индикаторной диаграммы двигателя) публикует статью на трех европейских языках «О регуляторахпрямого действия».