Снижение расхода энергии машин при управлении от ЭВМ

На экономические характеристики МА оказывает влияние КПД рабочей машины и двигателя. При ручном управлении оператор не всегда во — время реагирует на изменение параметров машины в силу быстротечности рабочих процессов. Настройка непрерывной системы управления машины на работу в зоне их максимального КПД позволяет минимизировать расход энергии при действии внешних возмущений воздействием управляющего устройства на элементы М, А как показано на рис. 1.1. Однако система управления двигателя 1 часто бывает предназначена для поддержания скорости вращения его вала со с небольшим отклонением от выбранного скоростного режима. Поддержание выбранной скорости со производится с помощью передачи информации от датчиков, образующих обратную связь от двигателя и рабочей машины, которая на рис. 1.1 показана пунктиром. Однако регулирование скорости еще не гарантирует минимизацию расхода энергии, так экономичность режима работы машины зависит от многих других факторов. Поэтому часто идут на одновременное управление параметрами рабочей машины, например, наклона лопастей винта регулируемого шага или передаточного отношения коробки передач. Т.о. автоматический регулятор имеет возможность вырабатывать непрерывное прямое воздействие па расход G энергии двигателя или рабочего органа, показанное стрелками на рис. 1.1. Прямые воздействия, осуществляемые регулятором, обычно пропорциональны отклонениям от заданного регулятору значения регулируемых параметров, которые оцениваются с помощью датчиков.

На рис. 8.10. показана принципиальная схема управления машины от ЭВМ. Так как информация в ЭВМ 4 перерабатывается в цифровом виде, то в системе управления необходимо применение аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 5 для связи с датчиками аналоговой информации 6 машины 1, представляющими информацию в виде сигнала, который пропорционален измеряемой величине. Цифроаналоговые преобразователи 3 (ЦАП) предназначены для связи ЭВМ 4 органами управления 2 машины 1.

На схеме рис. 8.10 связи АЦП и ЦАП с ЭВМ 4 в двоичной системе представлены в виде последовательности сигналов 0−1, представленных как о#.

Рис. 8.10. Принципиальная схема управления машины от ЭВМ:

• 1 - машина; 2 — орган управления; 3 — ЦАП; 4 — ЭВМ;
• 5 — АЦП; б — датчик аналоговой информации

Управление машиной с целью поддержания экономичного режима работы затрудняетея тем, что «датчиков экономичности» практически не существует. Экономичность работы оценивается расчетом, но многочисленным режимным параметрам машины. Поэтому для управления машиной по критерию экономичности существует несколько возможностей.

• 1. Создание модели расхода энергии машины и моделирования на ЭВМ параметров экономичности машины. Использование датчиков, дающих информацию о режимных параметрах (скорости, нагрузке, температуре и др. параметрах режима работы) позволяет производить расчет отклонений параметров от оптимальных значений и производить их корректировку. В этом случае расчеты необходимых управляющих воздействий для обеспечения работы по экономичной характеристике выполняет ЭВМ, которая должна работать в режиме реального времени. Таким образом, воздействия на двигатель, передаточный механизм и рабочий орган вырабатываются в зависимости от информации датчиков режимных параметров и результатов моделирования текущей экономичности работы машины.
• 2. Управление машиной по критерию экономичности возможно путем воздействия на двигатель, передаточный механизм и рабочий орган машины на основании информации, полученной из предварительных экспериментальных испытаний машины. Используют эту предварительную информацию об экономичной характеристике машины путем связи ее с некоторыми комбинациями режимных параметров. Такая комбинация режимных параметров ДВС (со и W) по экономической характеристике показана на рис. 5.9. В последнем случае управление машиной по критерию экономичности значительно упрощается, так как известно оптимальное соотношение параметров ДВС (со и W) по экономической характеристике. Например, по такому пути идут при управлении углом опережения зажигания или впрыскивания топлива в ДВС в зависимости от скоростного режима со и мощности W. Во втором случае отсутствует обратная связь, и система управления называется разомкнутой или системо й компенсации без обратной связи. В этом случае система управления настраивается на движение по заранее известной экономической характеристике машины.
• 3. Создание программно-поисковой адаптивной системы (ППАС), которая осуществляет поиск минимума расхода энергии на работающем двигателе при подаче поисковых сигналов и анализе реакции машины на них путем сравнения отклонений режимных параметров. Кроме соответствующих датчиков режимных параметров ППАС должна содержать микропроцессорную систему, работающую в режиме реального времени и оценивающую изменение удельного расхода энергии (g) при подаче поисковых сигналов в органы управления. ППАС не получили пока широкого распространения ввиду их сложности настройки и чувствительности к помехам при случайных изменениях нагрузки.

Однако, при использовании любого из принципов управления — по отклонению в замкнутой системе с обратной связью или в разомкнутой системе с компенсацией без обратной связи — необходимо произвести выбор оптимальной схемы МА с составляющими элементами, имеющими низкий удельный расход энергии на номинальном режиме работы. Эта задача решается конструктором при структурном синтезе машины за счет того, что конструктор стремится выбрать элементы машины с наиболее высоким КПД, определяемым высокими внутренними параметрами, такими как давление, температура, скорость вращения. Естественно при таком выборе высоких внутренних значений параметров на номинальном режиме работы машина имеет и высокие значения КПД. Однако для того чтобы КПД имел высокие значения на всех режимах работы, необходимо обеспечить ряд условий, согласующих изменение внутренних параметров машины между собой. Таким образом, управление машины, но критерию экономичности сводится к изменению режима работы машины воздействием па различные ее элементы.

• 1. Воздействие на двигатель путем изменения подачи энергии (например, подачи топлива, напряжения питания и т. п.).
• 2. Изменение параметров передаточного механизма, например, изменение передаточного отношения в коробке передач, соединяющей двигатель с рабочей машиной.
• 3. Изменение параметров рабочей машины или параметров рабочих органов, например, изменение углов наклона лопастей винтов, лопаток и т. п.
• 4. Изменение момента переключения в режиме разгонторможение.
• 5. Включение или переключение органов рекуперации энергии.
• 6. Отключение параллельно работающих машин при снижении общей нагрузки или перевод МА в режим пониженного расхода энергии при временном отсутствии нагрузки. В качестве примера можно привести автоматическое отключения освещения экрана компьютера таймером при временном отсутствии воздействия оператором.

Остановимся более подробно на принципах снижения расхода энергии путем использования ЭВМ в системе управления машиной. Хотя ЭВМ могут выдавать информацию в режиме реального времени, системы управления от ЭВМ отличаются от непрерывных систем тем, что позволяют обеспечить работу машины на двух дискретных режимах:

• • на номинальном режиме, обеспечивая полную загрузку двигателя для работы с минимальным удельным расходом энергии;
• • холостом ходу с минимальным абсолютным расходом энергии или полностью выключать регулируемый объект с целью прекращения расхода энергии.

В системе управления могут использоваться микропроцессор или более простые логические устройства систем автоматики, которые могут анализировать сигналы в двоичной системе. Выключение и включение машин удобно производить от ЭВМ, поскольку для этого возможно применение датчиков «ДА — НЕТ», работающих в двоичной системе, в которой не требуются преобразователи сигналов ЦАП и АЦП. Насколько применение дискретного управления может упростить систему, очевидно из сравнения схем гидравлического привода, представленных на рис. 8.11 и рис. 8.15. На первой из этих схем (см. рис. 8.11) использованы датчики давления 6 и 7, которые имеют два положения «ДА — НЕТ» и посылают двоичные сигналы о • в логический автомат 5, который анализирует ситуацию и воздействует на электромагнитное реле (ЭМР) 4 управления электродвигателем (ЭДВ) 3 насоса 2. Сигналы от датчиков 6 и 7 имеют два значения о • и меняются скачкообразно. Одно из этих значений о • принимается за ноль, а другое за единицу.

Логические элементы систем автоматики подразделяются по виду энергии управления на электрические, пневма;

Рис. 8.11. Принципиальная схема логической системы управления давлением:

• 1 - гидравлический аккумулятор; 2 — насос;
• 3 - электродвигатель; 4 — электромагнитное реле;
• 5 — логический автомат; 6 — датчик верхнего уровня давления /?_шах; 7 — датчик нижнего уровня давления p_min

тические и др., их характеризует наличии одного или двух устойчивых положений. Например, электрические логические элементы (концевые выключатели, электромагнитные реле и т. п.) могут быть подразделены на две подгруппы: нормально замкнутые и нормально разомкнутые. Пневматические элементы также могут быть двух видов, например, логические элементы универсальной промышленной системы пневмоавтоматики.

Под сигналами датчиков логической (часто называемой релейной) системы управления понимается отражение факта одного из двух положений объекта управления, например снижения давления в аккумуляторе ниже допустимого p_min или превышения предельного давления р_1Ш1Х. Логический автомат 5 системы управления (см. рис. 8.11) оценивает двоичную комбинацию сигналов от датчиков 6 и 7, он имеет два входа, соединенные с датчиками 6 и 7 и один выход, в который после анализа он подает сигнал на электромагнитное реле (ЭМР) 4 управления электродвигателем ЭДВ 3, которое состоит из обмотки реле (ОР) и нормально разомкнутых контактов реле (КР), которые при подаче напряжения питания U_mn замыкаются. Следовательно, ЭМР 4 является элементом повторения сигнала логического автомата 5, но в данном случае оно выступает в качестве усилителя мощности слабых сигналов датчиков. Таким образом, в ЭДВ 3 подается напряжение питания U_mn при снижении давления в аккумуляторе ниже допустимого p_min, напряжение U_nm отключается при превышении предельного давления р_пгм. Поэтому насос заряжает гидравлический аккумулятор при снижении давления в аккумуляторе ниже допустимого (j) < p_min) и выключается при превышении предельного давления (р < р_тах).

На рис. 8.12 показана реализация принципиальной электрической схемы релейной системы управления давлением в аккумуляторе 1, представленной па рис. 8.11. Алгоритм управления давлением р в аккумуляторе следующий. При снижении давления в аккумуляторе ниже допустимого (р < р_тт) замыкаются контакты датчика нижнего уровня давления КД7 (см. рис. 8.12) и напряжение U_mn от источника питания поступает в обмотку ОР7 электромагнитного реле ЭМР7,.

Рис. 8.12. Электрическая схема системы управления давлением на электроконтактных элементах

которое замыкает нормально разомкнутые контакты КР7, подающего напряжение t/_niIT в обмотку ОР4 электромагнитного реле ЭМР4.

После чего замыкаются его нормально разомкнутые контакты КР4 и напряжение U" поступает в электродвигатель ЭДВ. Таким образом, начинает работать насос 2 и происходит подзарядка аккумулятора 1 (см. рис. 8.11). При превышении допустимого давления (р < р_тах) в аккумуляторе замыкаются (см. рис. 8.12) контакты КД6 датчика 6, напряжение U_nnr от источника питания поступает в обмотку ОР6 электромагнитного реле ЭМР6, которое размыкает нормально замкнутые контакты КР6. Тем самым снимается напряжение U_nm с обмотки ОР4 электромагнитного реле.

Рис. 8.13. Колебания в системе управления давлением

ЭМР4, размыкаются контакты КР4 и электродвигатель ЭДВ 3 останавливается (см. рис. 8.12), электрическая энергия не потребляется. В результате прекращается питание насосом аккумулятора 1 и давление в нем снижается. Давление снова повышается при включении ЭДВ 3 и насоса 2 в работу. Изменение давления р в аккумуляторе показано на рис. 8.13.

Наличие неравномерности регулирования давления.

позволяет снизить расход энергии за счет полного выключения двигателя и полной загрузкой его при включении. Настройкой датчиков давления можно изменить неравномерности регулирования давления и частоту колебаний, которая зависит от соотношения номинальной мощности двигателя и средней развиваемой мощности рабочей машины. Применение только одного из датчиков (рис. 8.11), дающего информацию об одном из двух возможных значениях давления р_шах или p_min, превращает логическую систему управления в вибрационную, увеличивает частоту колебаний и снижает экономичность и ресурс работы системы.

На рис. 8.14, а и 8.14, б показана принципиальная схема вибрационной системы управления давлением путем перепуска рабочей жидкости с выхода постоянно работающего насоса 6 на его вход. На рис. 8.14, а показано положение органов управления при давлении в напорной магистрали 10 ниже максимально допустимого и отсутствии перепуска рабочей жидкости. При перемещении управляющего золотника 2 влево рабочий орган 1, связанный с поршнем 3 исполнительного механизма 4 (гидроцилиндра) перемещается вправо. Жидкость из напорной магистрали 10 по;

Рис. 8.14. Система управления давления перепуском рабочего тела с выхода на вход:

а — работа без перепуска рабочего тела; б — работа с перепуском рабочего тела; 1 — рабочий орган; 2 — золотник; 3 — поршень;

• 4 — гидроцилиндр; 5 — перепускной клапан; 6 — насос;
• 7 — бак; 8 — двигатель (мотор); 9 — сливная магистраль;
• 10 — напорная магистраль

ступает через золотник 2 в левую полость цилиндра 4, а из правой полости гидроцилиндра через золотник по сливной магистрали 9 поступает в бак 7. На рис. 8.14, б представлено состояние системы управления при перемещении рабочего органа 1 до упора и остановки его (скорость V = 0). Двигатель 8 постоянно приводит в действие насос 6, но расход рабочей жидкости через золотник 2 и цилиндр 4 отсутствует, поэтому давление в напорной магистрали 10 увеличивается. При превышении максимально допустимого давления р_тх в напорной магистрали 10 открывается перепускной (байпасный) клапан 5, имеющий нормально закрытое положение и состоящий из запорного элемента и пружины. При открытии клапана 5 происходит перепуск рабочей жидкости из напорной магистрали 10 обратно в бак.

• 7 с безвозвратными потерями энергии давления. Двигатель
• 8 насоса 6 работает непрерывно в режиме максимальной мощности. За счет этого и происходит перерасход энергии, несмотря на отсутствии расхода рабочей жидкости через управляющий золотник 2, когда он занимает среднее положение.

В качестве примера расчета перерасхода энергии, зависящего от режима работы управляющего устройства, на рис. 8.15 показана гидравлическая схема так называемой «байпасной» системы управления давлением р гидросистемы путем перепуска рабочего тела с выхода насоса на его вход. Перепуском управляет «байбасный» клапан БК 3, перепускающий рабочую жидкость мимо рабочего органа. Клапан Б К 3 имеет нормально закрытое положение и состоит из пружины 2 и запорного элемента 1 (рис. 8.15), который открывается при превышении в системе допустимого давления р_птх. Объединение датчика и регулирующего органа представляет регулятор прямого действия. Настройка БК 3 производится путем предварительной затяжки пружины 2, являющейся задатчиком регулируемого давления в системе. При открытии БК3 давление в гидросистеме надает до p_min, после чего клапан закрывается, вследствие чего давление повышается дор_тахи БК снова открывается. Таким образом, работа системы управления характеризуется наличием непрерывных колебаний давления в течение времени цикла изменения нагрузки машины ?_1111КЛ, как показано на рис. 4.1 и 8.13, хотя двигатель насоса не отключается и работает постоянно в режиме номинальной мощности.

Рис. 8.15. Байпасная система управления давления:

1 — запорный элемент; 2 — пружина; 3 — байпасный клапан где (Л_дв)_цикл = Wj_imK4 — абсолютный расход энергии (работы двигателя за цикл), который имеет постоянное значение.

В том же цикле работы мощность гидравлического исполнительного механизма рабочей машины W_pM реализуется только в течение времени нагружения t_n. (рис. 4.1, 8.13). Средняя за цикл мощность нагрузки рабочей машины составляет

где у = t_H/t_mKJl — коэффициент скважности нагрузки.

Работа сил сопротивления рабочей машины, как площадь диаграммы рабочей нагрузки на рис. 8.1 и 8.13 за цикл, зависит от коэффициента скважности у и имеет вид:

Разность работ двигателя и сил сопротивления рабочей машины представляет за цикл абсолютный перерасход энергии АС_ЦИКЛ, который зависит от коэффициента скважности у, определяемого характером изменения нагрузки машины.

Зависимость абсолютного перерасхода энергии в цикле от коэффициента скважности у изменения нагрузки объясняется, как и в ранее рассмотренной зависимости циклового КПД машины в цикле разгон-торможение (см. табл. 5.2, рис. 5.1), изменением потерь энергии в цикле. Колебания давления не влияют на экономичность расхода энергии байпасной системы управления, так как выключения двигателя не происходит и энергия потребляется им постоянно, независимо от нагрузки на рабочую машину. Поэтому байпасные системы управления имеют гиперболическую характеристику удельного расхода энергии g (см. рис. 5.8) и обладают наихудшей экономичностью из всех рассмотренных ранее.

Несмотря на значительные потери энергии при работе на холостом ходу, гидросистемы с перепуском рабочего тела обладают исключительной простотой и высокой надежностью, поэтому они часто применяются в гидросистемах управления малой мощности, а также в пневматических тормозных системах грузовых автомобилей.

Применение ЭВМ позволяет управлять более сложными объектами, перерабатывая информацию от многочисленных датчиков. Например, механическая система управления топливного насоса высокого давления ТНВД дизеля.

(см. рис. 1.17) может быть значительно упрощена при использовании таймера, управляющего длительностью и фазой топливоподачи от ЭВМ. Пример воздействия на ДВС путем изменения подачи топлива и изменения передаточного отношения коробки передач с помощью бортовой ЭВМ автомобиля показан на рис. 1.20 схемы управления грузового автомобиля фирмы «Renault Track». По данным фирмы изготовителя управление грузового автомобиля от бортовой ЭВМ при неизменной конструкции механизмов передачи и двигателя позволяет снизить удельный расход топлива па величину до 5% без применения рекуперации энергии торможения. По расчетам, приведенным в параграфе 7.5, рекуперации энергии торможения дополнительно может улучшить экономичность автомобиля на 25−35%. Применение метода рекуперации энергии гибридной машины также требует наличия соответствующих контуров управления органами аккумулирования и переключения двигателей в режим торможения, как показано на рис. 1.18.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Кратко охарактеризуйте общие принципы повышения экономичности, которые применимы на ранней стадии проектирования машин.
• 2. Какие допущения часто делается при моделировании экономичности на начальной стадии проектирования с целью сравнения различных вариантов машины?
• 3. Как влияет увеличение приведенных масс на динамические и экономические показатели машины?
• 4. Охарактеризуйте преимущества управления машиной с помощью ЭВМ.
• 5. Обоснуйте необходимость аналого — цифровых преобразователей при управлении от ЭВМ.
• 6. Опишите возможные способы управления машины от ЭВМ по критерию экономичности.