Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов расчётного исследования динамических режимов при разработке дизелей и их систем 30
1.1. Анализ методов расчётного исследования динамических режимов работы дизелей 30
1.2. Особенности расчётно-экспериментального метода исследования динамических режимов работы дизелей в реальном времени. Постановка задач исследования 55
Выводы к главе 1 65
ГЛАВА 2. Исследование характеристик комбинированного дизеля при работе на неустановившихся режимах 67
2.1. Анализ особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах 67
2.2. Экспериментальное исследование характеристик комбинированного дизеля с имитацией неустановившихся режимов 70
2.3. Расчётное исследование и анализ динамических режимов комбинированного дизеля 71
Выводы к главе 2 109
ГЛАВА 3. Математическая модель комбинированного дизеля в составе энергетической установки 111
3.1. Состав энергетической установки тепловоза 111
3.2. Общие принципы построения модели комбинированного дизеля 116
3.3. Уравнения динамики элементов комбинированного дизеля
3.3.1. Поршневая часть дизеля с топливной аппаратурой 121
3.3.2. Турбокомпрессор 125
3.3.3. Впускной трубопровод дизеля 128
3.3.4. Выпускной трубопровод дизеля 128
3.3.5. Охладитель надувочного воздуха 128
3.4. Функциональные зависимости между параметрами рабочего
процесса комбинированного дизеля 129
3.5. Математическая модель энергетической установки тепловоза 164
3.5.1. Общие принципы построения модели 164
3.5.2. Уравнения динамики элементов энергетической установки тепловоза 167
Выводы к главе 3 181
ГЛАВА 4. Стенд расчётно-экспериментального исследования динамических режимов дизеля в реальном времени 184
4.1. Функции и структура стенда 184
4.2. Натурная часть стенда 187
4.3. Устройство сопряжения стенда 197
Выводы к главе 4 209
ГЛАВА 5. Расчетно-экспериментальное исследование динамики дизеля в составе энергетической установки. анализ методов повышения эффективности работы дизеля на динамических режимах 211
5.1. Расчётно-экспериментальное исследование характерных режимов работы дизеля в составе энергетической установки 211
5.2. Исследование влияния настроек регулятора на качество переходных процессов дизеля 234
5.3. Анализ методов повышения эффективности работы дизеля в
составе энергетической установки тепловоза 245
Выводы к главе 5 259
Основные выводы и заключение 261
Литература
- Особенности расчётно-экспериментального метода исследования динамических режимов работы дизелей в реальном времени. Постановка задач исследования
- Расчётное исследование и анализ динамических режимов комбинированного дизеля
- Турбокомпрессор
- Устройство сопряжения стенда
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Создание современных комбинированных (с турбонаддувом) поршневых двигателей внутреннего сгорания осуществляется в условиях жёстко регламентированных технических требований на показатели и характеристики двигателей, что обусловлено экологическими и экономическими проблемами.
Характерными вариантами применения комбинированных дизелей, имеющими существенные отличие по условиям эксплуатации, являются работа в качестве источника энергии транспортных установок и использование в виде привода стационарных генераторов переменного тока.
К двигателям транспортных установок предъявляются наиболее строгие требования по соблюдению норм по экологическим и экономическим и показателям. Одним из наиболее сложных типов транспортных средств является энергетическая установка тепловоза, в которой режимы дизеля в значительной степени зависят от функционирования элементов развитой трансмиссии. Основная проблема, возникающая при разработке стационарных дизель-генераторов и их систем, заключается в обеспечении жёстких требований по динамическим показателям качества переходных процессов при изменении нагрузки.
Одним из основных направлений обеспечения высоких требований по экологии, экономичности и динамическим показателям двигателей транспортных установок является совершенствование систем автоматического управления (САУ), которое идёт по пути использования в структуре регуляторов электронных микропроцессорных устройств (контроллеров). С применением контроллеров системы управления двигателями выходят на новый, качественно более высокий уровень, на котором целью управления становится не просто стабилизация регулируемых параметров рабочего процесса а комплексная автоматизация и оптимизация работы двигателя и энергетической установки в целом.
Оптимизация работы двигателя осуществляется как на установившихся, так и на неустановившихся режимах (в процессах управления и регулирования). Оптимизация процессов управления характерна для двигателей транспортных установок, в том числе - тепловозных. Повышение качества процессов регулирования важно для дизель-генераторов, функционирующих в условиях стационарных источников переменного тока.
Экспериментальное и теоретическое исследование неустановившихся режимов комбинированных дизелей является сложной задачей, реализация которой связана со специальной методикой проведения испытаний, составлением математических динамических моделей и разработкой систем управления. Комплекс проблем, связанных с исследованием неустановившихся режимов дизелей, в настоящее время в полной мере не решён. В связи с этим в данной работе предложены новые подходы к исследованию и разработке систем дизелей, направленные на повышение эффективности их работы на динамических режимах и основанные на расчётно-экспериментальном методе.
В современных условиях жёсткой конкуренции двигателестроитель-ных предприятий сократились сроки выпуска новых образцов двигателей. Поэтому разработка системы управления проводится одновременно с созданием самого двигателя методами комбинированного расчётно-экспериментального исследования и проектирования. Разработка элементов САУ, таких как электронный блок, датчики, исполнительные устройства опережает создание двигателя. В этом случае целесообразно продолжать разработку и отладку системы управления методом полунатурного моделирования, сопрягая натурные устройства автоматики с динамической моделью двигателя, которая имитирует его функционирование в реальном времени. Полунатурное моделирование позволяет сократить сроки разработки двигателя и его систем, а также снизить стоимость процесса разработки и испытаний системы управления двигателем.
Цель работы: разработка методов и средств расчётно-экспериментального исследования комбинированных дизелей с использованием полунатурного моделирования, направленных на повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах.
Научная новизна работы заключается в следующем: - по результатам экспериментального исследования отсека дизеля с имитацией неустановившихся режимов проведён анализ особенностей работы дизеля в условиях переходных процессов, дано обоснование метода разработки динамической математической модели дизеля и проведено расчётное исследование путей повышения качества процессов регулирования дизель-генератора;
предложена методика составления математической модели комбинированного дизеля и разработаны динамические модели дизеля и энергетической установки тепловоза, обеспечивающие полунатурное моделирование режимов работы с требуемой точностью в реальном времени;
предложена структура стенда полунатурного моделирования режимов работы энергетической установки с комбинированным дизелем в реальном времени и разработаны технические средства стенда, алгоритмическое и программное обеспечение компьютерной части и устройства сопряжения стенда;
в результате полунатурного моделирования переходных процессов комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза получены результаты влияния настроек элементов САУ на показатели качества процессов управления движением тепловоза и разработаны предложения по повышению эффективности работы дизеля в составе энергетической установки тепловоза.
Объекты исследования: комбинированный дизель, дизель-генератор переменного тока, энергетическая установка тепловоза и САУ тепловозом; разработанные методики составления математических моделей использованы при создании динамических моделей дизеля 16ЧН26/26 дизель-генератора 7-9 ДГ и энергетической установки тепловоза 2ТЭ116,
предназначенных для расчётного исследования и полунатурного моделирования в реальном времени. Методы исследования:
метод анализа информационных источников;
метод анализа теории рабочих процессов комбинированных дизелей, теории электрических машин, теории автоматического управления и регулирования;
метод экспериментального и расчётного исследования установившихся и неустановившихся режимов комбинированного дизеля;
метод полунатурного моделирования переходных процессов комбинированного дизеля в составе энергетической установки.
Достоверность научных положений подтверждена соответствием результатов расчётного исследования и полунатурного моделирования в реальном времени установившихся и динамических режимов комбинированного дизеля и экспериментальных данных для сходственных режимов работы, полученных в условиях реальной эксплуатации энергетических установок.
Научные положения, выносимые на защиту:
анализ особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах по результатам экспериментального исследования с имитацией условий работы дизеля в динамике;
методика составления математической динамической модели комбинированного дизеля для полунатурного моделирования в реальном времени и разработанная математическая динамическая модель тепловозного дизеля;
методика составления математической динамической модели энергетической установки, имитирующая динамические режимы работы в реальном времени, и разработанная математическая динамическая модель энергетической установки тепловоза;
методы разработки стенда полунатурного моделирования динамических режимов технических устройств в реальном времени;
методы повышения эффективности работы комбинированного дизеля в составе дизель-генератора и энергетической установки тепловоза.
Практическая ценность результатов. Результаты экспериментального и расчётного исследования особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах могут быть использованы для выбора параметров дизеля и системы приёмистости для повышения качества процессов регулирования частоты вращения вала дизель-генераторов переменного тока. Разработанные математические динамические модели комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза и методы и средства полунатурного моделирования позволяют ускорить и удешевить процесс разработки, отладки и настройки элементов САУ, а также заменить дорогостоящие экспериментальные испытания на полунатурные.
Область применения результатов. Методы интенсификации переходных процессов дизель-генераторов, разработанные динамические модели комбинированного дизеля и энергетической установки тепловоза,
стенд полунатурного моделирования могут использоваться на предприятиях, занимающихся проектированием и производством дизелей, элементов САУ тепловозов, а также других типов транспортных средств и технических устройств широкого промышленного назначения.
Апробация и внедрение результатов. По результатам диссертации сделаны доклады: на Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению энергетическими установками в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007, 2008 и 2009 г.; на научно-технической конференции «3-й Луканин-ские чтения, решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ (ГТУ) в 2007 г.; на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» в СПбГМТУ в 2008.
Результаты диссертации внедрены в ООО «ППП Дизельавтоматика» и ЗАО «НЗТА».
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 17 научных статей, из них 14 - в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций по данному направлению.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Общий объём работы 281 страница, включая 105 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 176 наименований на 16 страницах. Приложение на 2 страницах содержит документы о внедрении результатов работы.
Особенности расчётно-экспериментального метода исследования динамических режимов работы дизелей в реальном времени. Постановка задач исследования
Создание современных комбинированных (с турбонаддувом) поршневых двигателей внутреннего сгорания осуществляется в условиях жёстко регламентированных технических требований на показатели и характеристики двигателей, что обусловлено экологическими и экономическими проблемами. Выполнение этих требований важно для двигателей различного назначения с учётом специфики их совместного функционирования с потребителями энергии конкретного типа.
Характерными вариантами применения комбинированных дизелей, имеющими существенные отличие по условиям эксплуатации, являются работа в качестве источника энергии транспортных установок и использование в виде привода стационарных генераторов переменного тока.
Двигатели транспортных установок функционируют в широком диапазоне изменения частоты вращения вала и нагрузки как на установившихся, так и на неустановившихся режимах. К ним предъявляются наиболее строгие требования по соблюдению норм по экологическим и экономическим и показателям. Одним из наиболее сложных типов транспортных средств является энергетическая установка тепловоза, в которой режимы дизеля в значительной степени зависят от функционирования элементов развитой трансмиссии. Далее более подробно рассматриваются условия работы дизеля в составе энергетической установки тепловоза.
Основная проблема, возникающая при разработке стационарных дизель-генераторов и их систем, заключается в обеспечении жёстких требований по динамическим показателям качества переходных процессов при изменении нагрузки. В связи с этим проведено исследование неустановившихся режимов работы комбинированного дизеля в составе дизель-генератора переменного тока.
Наибольшую опасность для экологической обстановки представляют выбросы токсичных веществ с отработавшими газами автомобильного транспорта в городских условиях [1-3]. В связи с этим развитие законодательной базы по ограничению загрязнения окружающей среды интенсивно происходит, прежде всего, для автомобильных двигателей, является характерным и может служить ориентиром и для других типов транспортных двигателей.
Принятие законодательных актов в этой области происходит регулярно и повсеместно во многих странах, начиная с 1970 г. и до настоящего времени [4-7 ]. Для дизелей введены ограничения на максимально допустимые удельные массовые выбросы с отработавшими газами по оксидам азота NOx, монооксиду углерода СО, несгоревшим углеводородам СНХ, твёрдым частицам ТЧ [8-12 ]. Динамика развития ограничений на эмиссию токсичных компонентов в развитых странах (США, Японии, странах Западной Европы) свидетельствует о постоянном ужесточении принимаемых нормативных показателей [13]. В настоящее время в России введены нормы на токсичность выбросов и правила ЕЭК ООН 24-03 по ограничениям на дымность отработавших газов автомобильных дизелей.
Кроме высокотоксичных компонентов в отработавших газах двигателей содержатся и другие составляющие, среди которых, наряду с азотом, значительную часть составляет слаботоксичный диоксид углерода С02 (углекислый газ). Его содержание в атмосфере в результате работы двигателей повышается также при окислении СО. В условиях реально существующих концентраций токсичность углекислого газа невысока, он также поглощается растениями с выделением кислорода. Опасность накопления С02 в атмосфере Земли связана с явлениями парникового эффекта и глобального потепления климата [14, 15, 16, 17, 18]. Углекислый газ является одним из компонентов атмосферы, который поглощает инфракрасное излучение, отражённое от поверхности Земли, что приводит к вторичному нагреву атмосферы [15].
В 1994 г. Россия зарегистрировала Рамочную конвенцию ООН об изменении климата (РКИК), направленную на координацию усилий по сокращению антропогенных воздействий на атмосферу планеты. Страны-участницы РКИК обязались к 2000 г. сократить выброс «парниковых» газов до уровня 1990 г. В настоящее время, в период с 2008 г. по 2012 г., Россия, как участница РКИК, должна снизить выбросы углекислого газа на 6 % по сравнению с уровнем 1990 г. Для достижения поставленных требований в странах Европейского Сообщества приняты правила 101 ЕЭК ООН. В России принят аналогичный ГОСТ Р41.101-99 для автомобильных двигателей. Следует ожидать распространение нормирования выбросов СОг на двигатели и других транспортных средств.
Рассмотренная законодательная база по ограничению эмиссии токсичных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей показывает общую картину экологических проблем в области эксплуатации двигателей и позволяет прогнозировать развитие законодательных норм и для других типов двигателей.
В России нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газами тепловозных дизелей проводится в соответствии с ГОСТ Р 51249-99 [19]. Нормируемым параметром является удельный средневзвешенный выброс вредного вещества с отработавшими газами дизеля ePi, выражающий количество этого вещества в граммах, приходящееся на 1 кВтч эффективной работы дизеля, совершённой им при выполнении полного испытательного цикла, имитирующего типовые условия эксплуатации.
Нормирование дымности отработавших газов тепловозных дизелей проводится по ГОСТ Р 51250-99 [20]. Определение дымности осуществляется ды-момерами либо оптического, либо фильтрационного типа. При использовании дымомера оптического типа нормируются натуральный показатель ослабления потока К, м-1 (величина, обратная толщине слоя отработавших газов, проходя через который световой поток от источника света дымомера ослабляется в е раз, где е - основание натурального логарифма) и коэффициент ослабления светового потока N, % (часть светового потока от источника света дымомера, не достигшая приёмника света из-за поглощения, отражения и рассеяния этой
Расчётное исследование и анализ динамических режимов комбинированного дизеля
В большинстве математических моделей дизелей, используемых при расчёте переходных процессов, определение необходимых параметров, таких, как крутящие моменты дизеля, турбины, компрессора, а также расходы воздуха и отработавших газов, проводится по экспериментальным данным, полученным при обычных испытаниях двигателей, как это сделано, например, в [127]. Стандартные испытания дизелей предусматривают снятие нагрузочных или скоростных характеристик в условиях установившихся режимов работы двигателя. Для дизелей без наддува такой подход даёт хорошие результаты. Однако для комбинированных дизелей использование статических характеристик при составлении моделей для моделирования динамики нуждается в серьёзном обосновании, т.к. неустановившиеся режимы работы дизелей с наддувом имеют значительное отличие от установившихся.
Обычные экспериментальные испытания дизелей с наддувом, в результате которых получаются скоростные или нагрузочные характеристики, не охватывают всё поле режимов по значениям моментов и расходов, поскольку взаимосвязи между параметрами рабочего процесса, соответствующие установившимся режимам, на неустановившихся режимах нарушаются. Задание на установившихся режимах части параметров рабочего процесса полностью определяет остальные параметры. Так, задание положения органа дозирования топлива и скоростного режима определяет на установившихся режимах значения плотности надувочного воздуха и давления отработавших газов в функциональной зависимости для определения крутящего момента дизеля. На неустановившихся режимах из-за инерционности элементов комбинированного дви 68 гателя соответствие между параметрами рабочего процесса нарушается, набор сочетаний параметров гораздо шире, чем на установившихся режимах.
Таким образом, обычные статические испытания дизеля с турбонаддувом, представляющие набор скоростных или нагрузочных характеристик, не охватывают, как в случае дизеля без наддува, возможные динамические режимы и не могут быть использованы для описания функциональных зависимостей, рассмотренных в модели [127], таких, как крутящие моменты дизеля, турбины, компрессора и расходы воздуха и отработавших газов.
Для получения необходимых исходных данных при построении динамической модели комбинированного дизеля режимы экспериментальных статических характеристик должны соответствовать неустановившимся режимам переходных процессов. Это достигается специальной методикой испытаний, при которой обеспечивается независимое изменение параметров рабочего процесса дизеля и лопаточных машин [162, 163].
Применительно к крутящему моменту дизеля это означает независимые изменения положения органа дозирования подачи топлива, частоты вращения вала, плотности надувочного воздуха и противодавления на выпуске. Подобные исследования описаны в [164]. Дизель отсоединяется от турбокомпрессора и оснащается автономным источником наддувочного воздуха. При заданном постоянном давлении надувочного воздуха, поддерживаемом автономным источником, снимаются скоростные или нагрузочные характеристики дизеля. Испытания повторяются при различных значениях давления наддува. В результате испытаний получается набор полей скоростных или нагрузочных характеристик при различных постоянных значениях давления надувочного воздуха. Предлагаемая методика проведения экспериментов значительно увеличивает объём испытаний двигателя, что трудно осуществимо для полноразмерной машины в условиях производства. Однако, данная методика часто применяется при доводке конструкции и рабочего процесса дизелей на одноцилиндровых отсеках, откуда и могут быть взяты (при необходимости с корректировкой на полноразмерную машину) экспериментальные точки для проведения расчётов и получения необходимых зависимостей.
Значительное снижение количества режимов экспериментальных исследований может быть достигнуто при использовании для составления функциональных зависимостей теории планирования экспериментов. Однако, такой подход нуждается в серьёзном обосновании с точки зрения обеспечения универсальности используемых зависимостей и точности расчётов, особенно при выборе вида зависимостей и величин шагов варьирования параметров.
Указанные трудности получения исходных данных для составления модели относятся, прежде всего, к поршневой части комбинированного дизеля. Функциональные зависимости моментов и расходов турбины и компрессора можно сформировать по их универсальным характеристикам, методика получения которых уже предусматривает независимое изменение параметров рабочих процессов этих машин. Здесь, обычно, возникают другие проблемы. Режимы испытаний не достаточно подробно охватывают зону малых давлений и расходов. В последнее время ширится применение регулируемых турбокомпрессоров, результаты испытаний которых должны содержать данные для различных положений регулирующего органа, что значительно увеличивает объём испытаний.
Проведённый анализ особенностей работы комбинированного дизеля на неустановившихся режимах, учёт которых необходим при составлении динамической модели дизеля для полунатурного моделирования, показал необходимость проведения экспериментального и расчётного исследования характеристик дизеля, соответствующих условиям его работы на неустановившихся режимах.
Методика проведения экспериментального исследования должна предусматривать получение характеристик дизеля с имитацией неустановившихся режимов работы. 2.2. Экспериментальное исследование характеристик комбинированного дизеля с имитацией неустановившихся режимов Для получения характеристик комбинированного дизеля в условиях работы на неустановившихся режимах на испытательном стенде ОАО «Коломенский завод» было проведено экспериментальное исследование одноцилиндрового отсека дизеля размерности 26/26 [162, 163]. Подвод воздуха к цилиндру двигателя осуществлялся от автономного источника, что обеспечивало возможность задания давления наддува независимо от других параметров режима испытаний. Производилось снятие нагрузочных характеристик при частоте вращения вала установки пл = 750 мин" , характерной для работы дизеля на генератор переменного тока. Было получено шесть нагрузочных характеристик при следующих постоянных давлениях надувочного воздуха (абсолютные значения)/ 0,1; 0,139; 0,179; 0,218; 0,257; 0,296 МПа.
При температуре воздуха tR = 40 С, поддерживаемой в экспериментах постоянной, данным давлениям соответствуют следующие значения плотности надувочного воздуха р = 1,125; 1,55; 1,994; 2,435; 2,86; 3,296 кг/м3.
При испытаниях фиксировались основные параметры рабочего процесса дизеля: давление и температура воздуха во впускном трубопроводе; давление и температура отработавших газов в выпускном трубопроводе; расходы воздуха и топлива через двигатель; индикаторная и эффективная мощности; коэффициент избытка воздуха; максимальное давление сгорания; средние индикаторное и эффективное давления; удельные индикаторный и эффективный расходы топлива; индикаторный, механический и эффективный КПД; содержание оксидов азота и оксида углерода в отработавших газах; дымность выхлопа по шкале "HARTRIDG" и др. Производилось снятие диаграмм изменения давления газов в цилиндре двигателя и давления топлива в щелевом фильтре форсунки.
Турбокомпрессор
Из приведенного перечня зависимостей видно, что, в основном, они имеют вид функций двух переменных, температура газов Г,- - функция трех переменных. Анализ вида этих зависимостей, проведённый с использованием теории рабочих процессов комбинированного дизеля, показывает, что они представляют собой гладкие поверхности с одним экстремумом (при его наличии).
Исходными данными для математического описания выбранных зависимостей служат результаты экспериментальных исследований дизеля и турбокомпрессора. Для дизеля это, обычно, набор нагрузочных или скоростных характеристик, для турбокомпрессора - универсальные характеристики компрессора и турбины.
Метод получения функциональных зависимостей модели определяется видом исходных данных и конечными целями описания. Как показывает практика, экспериментальные данные, обычно, засорены шумами и могут содержать значительные случайные погрешности измерений. В этом случае применение различных видов интерполяции и аппроксимации не дает правильного представления функциональной зависимости. Возникает необходимость либо в отдельной предварительной статистической обработке данных, либо в ее применении в процессе получения аппроксимирующего выражения. Последнее лежит в основе широко используемого вида аппроксимации — регрессии. Здесь наибольшее распространение получил метод наименьших квадратов, который заключается в нахождении параметров некоторой функции регрессии, при которой поверхность функции проходит в «облаке» узловых точек, обеспечивая наименьшую среднеквадратическую погрешность вычислений. В отличие от интерполяции при регрессии данная функция в узловых точках не дает точного значения ординат, она обеспечивает минимизацию погрешности вычислений для всей совокупности этих точек.
В настоящее время хорошо разработана математическая теория для многомерных гауссовских наблюдений [169], т.е. для случайных величин, подчиняющихся многомерному нормальному распределению. Здесь почти для каждого одномерного гауссовского метода существует многомерный вариант. Построение многомерных версий для других статистических методов удается далеко не так гладко. В частности, непараметрические методы, такие важные и эффективные в одномерном случае, все еще не имеют своего законченного многомерного аналога [170] (соответствующая теория находится в процессе разработки). Из-за этого, в частности, рассчитанные на гауссовские данные правила нередко приходится применять и там, где для этого нет достаточных оснований.
Первым шагом решения регрессионной задачи для рассматриваемых зависимостей являлось предположение о возможном виде функциональной связи между выбранными переменными [171]. Рассматривались линейные комбинации степенных функций с вещественным показателем. Такой выбор определен с одной стороны тем, что это наиболее простой и удобный для практических расчетов вид зависимости, а с другой - графическим анализом исходных данных. Проведение линейной регрессии общего вида уже на начальном этапе подбора модели подтверждало правильность выдвинутого предположения о характере функциональной зависимости.
Несмотря на положительные результаты проведения линейной регрессии, рассматривались также варианты решения задачи нелинейной регрессии общего вида в широком диапазоне допустимых функций. Использование нелинейных моделей не привело к сколько-нибудь значимым результатам, поэтому основной упор был сделан на повышение качества моделей линейной регрессии.
Использование степенных функций с положительными действительными показателями в качестве базисных давало возможность описать имеющиеся данные лишь в ограниченном, хотя и достаточно широком интервале значений. Проблема была решена посредством введения в линейную комбинацию членов, представляющих собой различные сочетания произведений степенных функций
137 с вещественными показателями различных независимых переменных. Помимо этого существенно возросло качество предсказаний использованными моделями опытных данных. Полученную степень соответствия регрессионной модели исходным данным по шкале Чеддока, которая даёт качественную оценку для показателей тесноты связи рассматриваемых явлений, можно классифицировать как весьма высокую.
Подбор вида полиномов осуществлялся по критерию высокой точности приближения при возможно более простой структуре полиномов. Графическое отображение полиномов в виде поверхностей и сечений этих поверхностей, по сути - зависимостей между параметрами двигателя, должно соответствовать физической картине рабочего процесса. Была проведена большая предварительная работа по подбору вида полиномов, в результате которой получены следующие рекомендации по их составлению. Полиномы должны включать члены как в положительной, так и в отрицательной степенях, наибольшая степень полиномов, в основном, от -3 до +3. Полный состав таких полиномов даже для двух переменных включает большое число членов. Понадобилась кропотливая работа по подбору вариантов структуры полиномов, прежде чем окончательно был выбран их вид. Из состава полиномов удалялись члены, оказывающие малозаметное влияние на точность приближения. Выбранные полиномы содержат минимально возможное количество членов, набор которых обеспечивает высокую точность приближения.
Полиномы должны правильно описывать зависимости между параметрами рабочего процесса не только в области исходных данных, но и за ее пределами. Анализ вида поверхностей, графически отображающих полиномы, показал, что повышение степени полиномов приводит в ряде случаев к резкому изменению описываемых параметров в зонах, примыкающих к заданной области исходных данных, что не соответствует закономерностям рабочего процесса. Для использования могут быть приняты только такие полиномы, для которых резкие изменения параметров находятся вне зоны возможных значений этих параметров, соответствующих динамическим режимам переходных процессов дизеля.
В таблице 5 в качестве иллюстрации процесса нахождения функциональных зависимостей модели комбинированного дизеля для полунатурного моделирования показаны результаты подбора полиномов, описывающих индикаторный КПД дизеля rjj, адиабатный КПД компрессора г/кал и эффективный КПД турбины TJT рассматриваемого тепловозного дизеля.
При подборе данных функциональных зависимостей использовались шесть моделей, представляющих собой полиномы от двух переменных. Состав моделей приведён в таблице 5. Вид поверхностей, соответствующих рассматриваемым моделям, приведён на рис. 3.10 - 3.27 с нанесёнными на них точками исходных данных: на рис. 3.10-3.15 показаны поверхности полиномов 77,- для шести моделей; на рис. 3.16 — 3.21 показаны поверхности полиномов 77кад; на рис. 3.22 - 3.27 показаны поверхности полиномов rjT.
Качество описания моделями исходных данных оценивалось по величине коэффициента детерминации (таблица 5). Коэффициент детерминации представляет собой квадрат множественного коэффициента корреляции и определяется по формуле
Устройство сопряжения стенда
При использовании в составе стенда двух компьютеров программа одного из них содержит модель энергетической установки и алгоритмы преобразования и формирования сигналов устройства сопряжения. В этом случае конфигурация этого компьютера является упрощённой с точки зрения стандартных компьютерных составляющих, однако должна быть дополнена аппаратурными средствами каналов преобразования сигналов устройства сопряжения.
Современные однокристальные микроконтроллеры сочетают достаточно высокое быстродействие с широкими функциональными возможностями. Компьютер стенда полунатурного моделирования может использоваться для оперативного управления стендом и отображения результатов моделирования. «Быстрая» динамическая модель установки может быть реализована в микроконтроллере устройства сопряжения, функции которого в этом случае расширяются и включают не только преобразование сигналов, но и непосредственно процесс моделирования. Такой подход может быть оправдан именно с позиций работы стенда в реальном времени. В этом случае отпадает необходимость применения для организации работы в реальном времени компьютерных операционных систем, а для отображения результатов моделирования можно использовать наиболее удобную операционную систему и соответствующие программные средства.
В натурную часть стенда полунатурного моделирования, разработанного в рамках данной работы, вошли элементы регулятора типа ЭРЧМЗОТЗ произ 188 водства ООО «ППП Дизельавтоматика», устанавливаемого на дизель-генераторы 1А-9ДГ магистральных тепловозов 2ТЭ116 с дизелем 16ЧН26/26.
Регулятор типа ЭРЧМЗОТЗ предназначен для автоматического поддержания заданной частоты вращения вала и мощности дизель-генератора и регулирования системы возбуждения тягового генератора.
Регулятор также обеспечивает выполнение следующих дополнительных функций в зависимости от сигналов, подаваемых с пульта управления тепловозом на дискретные входы ДВХ1 - ДВХ14 электронного блока и определяющих режим работы тепловоза и САУ.
Переход на аварийный режим управления при подаче отрицательного сигнала на дискретный вход ДВХ14 (перевод переключателя пульта управления тепловоза с нормального на аварийный режим) при отказе системы автоматического регулирования возбуждения тягового генератора. В этом случае система выполняет только функции автоматического регулирования частоты вращения вала дизель-генератора. Регулятор состоит из следующих основных элементов: - электронного блока управления (ЭБ); - электрогидравлического исполнительного устройства (ИУ); - комплекта датчиков параметров энергетической установки тепловоза; - программатора ЭБ; - комплектов монтажных частей и кабелей связи.
ЭБ предназначен для приёма и обработки сигналов датчиков, выдачи регулирующих сигналов на электрогидравлическое ИУ и блок управления возбуждением (БУВ) тягового генератора тепловоза.
ИУ осуществляет пропорциональное преобразование электрического сигнала, поступающего с ЭБ, в поворот выходного вала, связанного с рейками ТНВД посредством механической передачи.
На дизеле и энергетической установке тепловоза установлены следующие датчики, сигналы с которых поступают на вход ЭБ. 1. Датчик частоты вращения вала дизель-генератора пд (ДЧД). На выходе ДЧД формируется электрический сигнал переменного тока с частотой, пропорциональной частоте вращения. 2. Датчик частоты вращения ротора турбокомпрессора пт (ДЧТ). Работает аналогично ДЧД. 190 3. Датчик давления наддува/?# (ДДН). Диапазон измерения избыточного давления наддува (0 - 0,25) МПа. В ДДН осуществляется преобразование измеренного давления в токовый сигнал уровнем (4 - 20) мА. 4. Датчик давления масла в масляной системе дизеля рм (ДДМ). Диапазон измерения избыточного давления масла (0-1,6) МПа. На выходе ДДМ — токовый сигнал уровнем (4 - 20) мА. 5. Датчик положения реек ТНВД h (ДП) - встроен в ИУ. Диапазон измерения перемещения рычага привода реек (0 - 15) мм. На выходе ДП формируется частотный импульсный П-образный сигнал уровнем (0 - 5) В с диапазоном изменения частоты (16 - 25) кГц. 6. Датчик напряжения тягового генератора Ur (ДНГ). На выходе ДНГ На выходе ДНГ формируется сигнал по напряжению уровнем (0 — 15) В. 7. Датчик тока тягового генератора 1Г (ДТГ). На выходе ДТГ - сигнал по на пряжению уровнем (0—15) В. Программатор предназначен для индикации текущих и заданных параметров регулятора, а также для оперативного изменения настраиваемых параметров.
В составе стенда элементы регулятора подключались к источнику питания напряжением 24 В постоянного тока.
После обработки входных сигналов с датчиков в соответствии с алгоритмом управления дизелем и энергетической установкой тепловоза на выходе ЭБ формируются регулирующие сигналы на электрогидравлическое ИУ привода реек ТНВД и БУВ тягового генератора.
Воздействие на электрогидравлическое ИУ осуществляется методом ши-ротно-импульсной модуляции (ШИМ) регулирующего сигнала. В соответствии с величиной регулирующего воздействия изменяются частота и скважность импульсного П-образного сигнала на выходе ЭБ. Поскольку частота и скважность сигнала ШИМ однозначно взаимосвязаны, при создании стенда полунатурного моделирования для характеристики регулирующего сигнала на электрогидравлическое ИУ использовалась частота сигнала ШИМ.
