РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГДГА
2.1. Аппаратно-программные средства для изучения динамических свойств ГДГА.
Для детального изучения динамических свойств к испытательному стенду ГДГА (рис.2.1), который функционирует на заводе "Дизельмаш" г. Первомайск, на кафедре ТЕЕС разработан и создан аппаратно-программный комплекс. Он включает в себя портативный персональный компьютер, USB - 4 канальный осциллограф - приставка к персональному компьютеру, систему сбора информации контролируемых параметров ГДГА, систему управления нагрузкой, а также программное обеспечение для решения задач съема, обработки информации и управления внешними коммутаторами.
Рис.2.1. Испытательный стенд ГДГА: а - фотография ГДГА;
б - фотография системы управления подачей топлива.
Структурная схема испытательного стенда представлена на рис.2.2. Система сбора информации, которая построена на базе микроконтроллера ATMega16, выполняет сбор данных о температуре масла (Тм), температуре охлаждающей жидкости (Тж), температуре окружающей среды (Тос), а также измерение частоты оборотов газодизеля (?). Сигналы с датчиков температуры аналоговые, поэтому после усиления сигналов, выполняется аналого-цифровое преобразование (10 бит) с помощью АЦП, встроенного в микроконтроллер.
Рис.2.2. Структурная схема испытательного стенда.
Измерение оборотов ГД выполняется косвенно (по частоте напряжения на шинах генератора). Поэтому для формирования импульсного сигнала из сигнала напряжения, пропорционального частоте ГД используется нуль-детектор. Далее этот сигнал поступает на вход внешнего прерывания микроконтроллера. С помощью таймера-счетчика определяется период между соседними фронтами импульсов, а следовательно и частота. Измеренные данные формируются в пакет и передаются в компьютер, где выполняется их дальнейшая обработка. Для согласования электрических уровней микроконтроллера и СОМ - порта используется специальный преобразователь. В свою очередь, программное обеспечение, работающее на ПК, формирует команды на изменение нагрузки, подключаемой (отключаемой) к генератору в соответствии с алгоритмом. С помощью USB - осциллографа производится измерение напряжения на шинах генератора, после чего строится огибающая и кривая изменения частоты. Пакеты данных, передаваемые в компьютер, имеют следующую структуру (табл. 2.1):
таблица 2.1
Байт 0 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 STARTTм (HIGH)Tм (LOW)Tж (HIGH)Tж (LOW) Байт 6 Байт 7 Байт 8 Байт 9Байты 10,11 Tос(HIGH)Tос (LOW)fг (HIGH)fг (LOW)CRC, STOP
Первый байт - маркер начала пакета данных. Данные о температуре (10 бит) передаются по два байта (старший - 2 бита, и младший - 8 бит). После этого следуют данные о частоте оборотов дизеля, контрольная сумма и маркер конца пакета. Формат команды на изменение нагрузки, посылаемой из компьютера в микроконтроллер, имеет вид (табл. 2.2):
Таблица 2.2
Байт 0 Байт 2 Байт 3Байт 4Байт 5 START UP/DOWN LOAD CRC STOP
Первый и последний байты пакета - маркеры начала и конца соответственно. Второй байт определяет направление изменения нагрузки. Третий байт - величина нагрузки, четвертый байт - контрольная сумма.
На рис.2.3 приведен интерфейс USB - осциллографа в режиме сбора информации по двум каналам. Программная оболочка USB-осциллографа позволяет формировать файлы с измеренными данными. Форматы файла, в котором хранятся данные - CSV, содержимое которых разграничено запятыми. Причина применения этого очень простого формата заключается в том, что он не требует специального программного обеспечения, а также его поддерживает достаточно много приложений (Matlab, MS Excel).
Рис.2.3. Интерфейс USB - осциллографа.
Объем и порядок проведения испытаний определяются рядом стандартов и инструкций, в первую очередь государственными стандартами: "Двигатели автомобильные. Стендовые испытания", "Двигатели тракторные и комбайновые. Стендовые испытания" и др. На основе этих стандартов разработан ряд государственных и отраслевых стандартов, которые определяют правила проведения испытаний разного вида. Среди международных нормативных документов на испытание ДВС наиболее широко применяются Правила ЕЭК ООН (ЭССЕ) Директивы ЕС, стандарты Международной организации по стандартизации (ISO) и некоторые другие [44, 121].
Согласно указанным стандартам должны выполняться ряд общих условий, которые заложены в алгоритм программы испытаний.
Пусковой режим, в соответствии с отмеченными условиями, для определения параметров ГД не подходит, так как в этом режиме не установились тепловые процессы и не вступают в действие регуляторы дизеля. Но в то же время, пусковой режим может использоваться для уточнения инерционных масс (момента инерции). Для этой цели используют как метод одиночной, так и метод двойной разгонки [88].
Метод одиночной разгонки. Выполняется разгон двигателя вместе с потребителем (генератором) при отключении генератора от нагрузки в заданном диапазоне изменения частоты вала , или его угловой скорости . По известному вращательному момент, в качестве которого выбирается средний или номинальный , и экспериментально определенным временем пуска (время разгонки) , определяется момент инерции ДГ исходя из соотношений [33, 85]:
; .
Номинальный вращательный момент дизеля равняется:
. (2.1)
Средний эффективный вращательный момент двигателя за время разгонка:
Чтобы выровнять значение и в исследуемом интервале, начальные обороты выбираются из величины, которая составляет как минимум (15-20) % от номинальных. Величина находится из выражения:
.
Приведенные формулы используются для уточнения расчетного значения момента инерции двигателя и генератора .
Момент инерции двигателя связан с моментом инерции маховика приблизител