Автоматическое регулирование двигателей

Теория автоматического регулирования частоты вращения вала тепловой машины явилась научной базой развития теории авто­матического регулирования и управления в целом.

Впервые автоматический регулятор был установлен на «огнедействующей машине», построенной в 1765 г. русским механиком изобретателем И. И. Ползуновым на Барнаульском заводе. В этой машине автоматический регулятор поплавкового типа (рис. 1) предназначался для поддержания уровня воды в котле в некоторых заданных пределах. Связь между подачей воды G, осуществля­емой под управлением автоматического регулятора, и уровнем ее Н в котле показана на рис. 2 в виде графика G = f (H), называемого регуляторной характеристикой. Наибольшая подача воды Gmaх производится при полном открытии задвижки 3 (см. рис. 1) на подводящей трубе 2, что соответствует крайнему положению по­плавка 1 при Hmin (точка а на рис. 2). По мере повышения уровня воды в котле задвижка 3 все более уменьшает проходное сечение подводящей трубы 2, отчего уменьшается и подача воды, которая прекратится при полном перекрытии трубы 2. Это ограничивает верхний предел уровня Hmax (точка b на рис. 2). Разность ?Н = HmaxHmin, называемая неравномерностью работы регуля­тора, является одним из основных параметров системы автомати­ческого регулирования, характеризующих точность поддержания регулируемого параметра (в данном случае уровня воды в котле).

Через двадцать лет, в 1786 г., английский механик Д. Уатт построил сконструированную им универсальную паровую ма­шину и установил на ней центробежный регулятор, предназна­ченный для поддержания постоянной угловой скорости криво­шипа машины (рис. 3). При увеличении частоты вращения вала 1 машины, валика 2 и грузов 4 муфта 3 регулятора поднимается и перемещает заслонку 5 в сторону перекрытия паровпускной трубы 6, что приводит к уменьшению крутящего момента машины.

Связь между крутящим моментом М машины и частотой враще­ния кривошипа при наличии регулятора показана на рис, 4.

Характеристика регуляторов

Из графика видно, что наибольший крутящий момент Мmах (точка а) машина развивает при минимальной скорости ?min. Это происходит при крайнем нижнем положении грузов и муфты. При наибольшей допустимой скорости ?maх машины (точка b) количество поступающего пара должно соответствовать холостому ходу. Разность ?? = ?maх — ?min также можно назвать неравно­мерностью работы регулятора.

Сравнение регуляторных характеристик, приведенных на рис. 2 и 4, показывает идентичность работы регуляторов И. И. Ползунова и Д. Уатта, поэтому такой принцип регулирования (при на­личии неравномерности работы) в настоящее время получил наз­вание Ползунова—Уатта.

Паровая машина Д. Уатта на длительное время стала основ­ным промышленным двигателем.

Только в середине XIX в. в промышленности возникла необ­ходимость создания более совершенных двигателей, имеющих луч­шую экономичность. Такими двигателями и явились двигатели внутреннего сгорания и в первую очередь газовые. На этих новых двигателях так же, как и на всех паровых, в большинстве случаев устанавливали автоматические регуляторы типа Уатта. Но к бо­лее мощным и совершенным в техническом отношении машинам стали предъявлять и более высокие требования. В частности, поя­вилось требование предельно снизить неравномерность работы ма­шины и повысить чувствительность ее регулятора; в некоторых из регуляторов действительно удавалось решить эту задачу.

Однако, начиная с 60-х годов прошлого столетия, стали все чаще возникать трудности в наладке регуляторов; часто наблю­дались случаи неустойчивой работы машин, снабженных автома­тическими регуляторами Уатта; происходил колебательный про­цесс регулирования. Поэтому ощущалась острая необходимость научно проанализировать процесс регулирования и дать ответ на возникшие вопросы.

В 1868 г. появилась работа английского физика Д. К. Мак­свелла, посвященная регуляторам. Он применил линеаризацию динамической задачи, создав метод малых колебаний. С помощью этого метода задача устойчивости регулирования была сведена к исследованию системы алгебраических уравнений.

Работа Максвелла по существу не имела практического зна­чения, так как объектом исследования был не применявшийся в то время астатический регулятор (с нулевой неравномерностью).

Участившиеся неудачи в наладке работы регуляторов типа Уатта вызвали у некоторых ученых и инженеров неверие в прак­тическую пригодность регуляторов, работающих по принципу Ползунова—Уатта. Возникла необходимость в повышении каче­ства регулирования. Например, настойчиво пытались использо­вать принцип регулирования по нагрузке (принцип Понселе) или по ускорению (принцип братьев Сименс).

Однако практика вскоре показала, что регуляторы типа Пон­селе и Сименс не могут быть использованы в качестве самостоятель­ных регуляторов угловой скорости тепловых двигателей.

Таким образом, в 60-х годах и в первой половине 70-х годов прошлого столетия теория регулирования не могла раскрыть особенностей работы и настройки регуляторов типа Ползунова— Уатта.

70-е и 80-е годы прошлого столетия были годами расцвета петербургской математической школы, возглавляемой акад. П. Л. Чебышевым. Характерная особенность этой школы — стрем­ление к разработке конкретных задач, представлявших практи­ческий интерес.

В 1871 г. П. Л. Чебышевым была опубликована работа в обла­сти регулирования «О центробежном уравнителе», в которой рас­смотрены пути уменьшения неравномерности работы регулятора.

В 1877 г. профессором Петербургского технологического ин­ститута И. А. Вышнеградским была опубликована работа «О регу­ляторах прямого действия». И. А. Вышнеградский, будучи мате­матиком по образованию, одновременно являлся и инженером, поэтому его подход к разрешению проблемы регулирования суще­ственно отличался от подхода его предшественников.

В результате тщательного анализа характеристик машины и регулятора И. А. Вышнеградский составил безразмерное алгебра­ическое уравнение третьей степени с двумя постоянными коэф­фициентами, значения которых определялись параметрами си­стемы. Эти два коэффициента позволили получить на плоскости графическое изображение области устойчивой работы системы двигатель — регулятор, названное впоследствии диаграммой И. А. Вышнеградского. Правильный инженерный подход к реше­нию задачи дал возможность И. А. Вышнеградскому полностью уяснить динамику работы машины, снабженной регулятором Д. Уатта, и показать, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему.

Труды И. А. Вышнеградского оказали большое влияние на все дальнейшие работы в области регулирования во всем мире и пре­жде всего в России. Поэтому его по праву считают основополож­ником классической теории автоматического регулирования.

В 70-е годы XIX в. правильность решения вопросов устойчи­вости регулирования методом малых колебаний с использованием только линеаризованных характеристик научно еще не была до­казана.

В 1892 г. была опубликована работа талантливого ученого А. М. Ляпунова «Общие задачи об устойчивости движения». В ней строго обоснованы те случаи, когда решение дифференциальных уравнений методом малых колебаний дает правильное представле­ние об устойчивости системы, а также рассмотрены случаи, в ко­торых указанный метод не может дать такого ответа. Работа А. М. Ляпунова имела огромное значение для многих областей механики и физики. В теории автоматического регулирования она является фундаментом, на который опираются многие труды в этой области.

В 80-е годы прошлого столетия интерес к проблеме регулирова­ния паровых поршневых машин стал постепенно ослабевать, и основное внимание переключилось на автоматическое регули­рование гидравлических турбин, получивших большое распро­странение.

Обычные регуляторы прямого действия, оказывающие непос­редственное воздействие на органы управления, на этих машинах не могли быть использованы, так как для их работы требовались значительные усилия. На гидравлических турбинах стали уста­навливать регуляторы с особым механизмом, называемым серво­двигателем (рис. 5). Такие регуляторы получили название регу­ляторов непрямого действия.

Работы И. А. Вышнеградского и А. М. Ляпунова подготовили базу для появления трудов проф. А. Стодолы, опубликованных в 1893 и 1894 гг.

Рассматривая системы регулирования, включавшие чувстви­тельный элемент, серводвигатель, трубопровод и др., А. Стодола свел задачу регулирования к одному линейному дифференциаль­ному уравнению высокого порядка (до шестого включительно).

С помощью этого уравнения А. Стодола дал практические реко­мендации по обеспечению-устойчивости работы системы автомати­ческого регулирования. Теоретические выводы были им прове­рены на действующих установках и полностью подтвердились.

Работы А. Стодолы завершили развитие классической теории автоматического регулирования, распространив идеи И. А. Выш­неградского на всю область непрямого регулирования.

Автоматические регуляторы непрямого действия

В 1905 г. в Берлине появилась книга М. Толле «Регулирование двигателей», которая вскоре была переведена на русский язык. В этой работе изложена в основном линейная теория автомати­ческого регулирования.

С 1903 г. вопросами регулирования машин стал заниматься Н. Е. Жуковский. Его лекции по курсу «Теория регулирования хода машин», прочитанные в МВТУ в учебном 1908—1909 году, были изданы в 1909 г. и вскоре получили широкую известность в России.

В этот период на многих зарубежных и отечественных заводах было организовано производство двигателей внутреннего сгорания.

Регулирование частоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания осуществлялось в основном четырьмя способами.

Регулирование пропусками подачи топлива использовали глав­ным образом для маломощных двигателей, для которых вопросы экономичности и равномерности работы не имели существенного значения. Регуляторы, работающие по такому принципу, были наиболее просты, не требовали особой точности изготовления де­талей и допускали широкие диапазоны настройки. Конструктивно их выполняли в виде качающихся маятников, или деталей, со­вершающих возвратно-поступательное движение. Толкатель 5 такого регулятора (рис. 6) при помощи серьги 3 и шатуна 2 со­вершает возвратно-поступательное движение, создаваемое эксцен­триком 1, который имеет частоту вращения, пропорциональную частоте вращения коленчатого вала двигателя, и передает движе­ние толкателю 5, а через него плунжеру 6 топливного насоса. При левом положении толкатель 5 не соприкасается с плунжером 6 и передвигает последний лишь в правой части своего хода. Однако незадолго до соприкосновения с плунжером толкатель 5 набегает кулачком на неподвижный упор с уступом 4 и отклоняется на не­который угол от направления движения. К упору толкатель воз­вращается под действием силы тяжести. При увеличении частоты вращения вала двигателя скорость движения толкателя 5 и угол отклонения увеличиваются, поэтому при определенном максималь­ном скоростном режиме толкатель 5 не успевает вернуться к пер­воначальному направлению движения и проходит мимо плун­жера 6, что приводит к пропуску подачи топлива и вспышки в цилиндре двигателя (см. на рис. 7 цикл II, такт 3).

Регулирование изменением состава смеси путем изменения ко­личества подаваемого топлива или воздуха осуществлялось изме­нением высоты или продолжительности подъема соответствую­щих клапанов.

Регулирование изменением количества подаваемого топлива в цилиндр выполнялось с помощью обратного перепуска во впуск­ной патрубок уже засосанной горючей смеси или с помощью дрос­селирования смеси в период всего хода всасывания.

Регулирование с помощью изменения состава смеси и ее количе­ства представляет собой совокупность двух предыдущих способов.

Регуляторы

При больших нагрузках регулирование осуществлялось измене­нием состава смеси, а при пониженных нагрузках — изменением количества смеси.

Последние три способа регулирования осуществлялись с по­мощью регуляторов прямого действия типа Уатта.

Трудности, связанные с созданием надежных регуляторов, возникшие в 60-х годах прошлого столетия, привели к тому, что в конце XIX и начале XX вв. многие заводы, выпускавшие дви­гатели внутреннего сгорания, предпочитали получать регуляторы готовыми от заводов, специализировавшихся на их производстве и имевших, следовательно, больший опыт, тем более что регуляторы этих заводов были дешевле и надежнее в работе.

К таким заводам относится, например, немецкий завод Янс (Iahns—Regulatoren—Geselschaft m. b. H.), выпускавший центро­бежные регуляторы с вертикальными валиками и с горизонтально расходящимися грузами (рис. 8).

При некоторых условиях работы двигателей внутреннего сго­рания (например, в насосных и электрогенераторных установках) необходимо в небольших пределах изменять частоту вращения вала от руки, воздействия на автоматический регулятор. В упомянутых регуляторах это осуществлялось при помощи дополнительной наружной пружины (рис. 9). Натяжение пружины в небольших пределах могло быть изменено обслуживающим персоналом во время работы двигателя.

В 1898 г. на Петербургском двигателестроительном заводе братьев Нобель (ныне «Русский дизель») был сконструирован и в 1899 г. построен нашедший промышленное применение двигатель с воспламенением от сжатия. Схема топливного насоса и автомати­ческого регулятора этого двигателя представлена на рис. 10.

Такая система регулирования подачи топлива хорошо зареко­мендовала себя в эксплуатации и продолжительное время исполь­зовалась на различных двигателях.

В 20-х годах текущего столетия отечественные и иностранные заводы уже делали попытки создания облегченных конструкций дизелей этого типа и установки их на транспортные агрегаты и, в частности, на трактор и автомобиль.

При использовании дизеля на транспорте необходимо воздей­ствие регулятора по крайней мере на двух режимах: номинальном скоростном, когда регулятор не допускает чрезмерного повышения частоты вращения вала в случае снижения нагрузки, и при холо­стом ходе на минимальном скоростном режиме. Естественной и этих условиях была идея установления на двигателе двух регуля­торов, каждый из которых срабатывал бы на указанных выше ре­жимах (дизель МАН 100/110).

Однако установка двух регуляторов не могла быть признана удовлетворительной, поэтому были предприняты попытки сов­местить оба регулятора в одном агрегате, как это. выполнено в ди­зеле МАП 80/90 (рис. 11).

Схема регулятора дизеля MAN 80/90

В конструктивном отношении более простым и компактным оказался автоматический регулятор, показанный на рис. 12. Автоматические регуляторы такого типа,, называемые двухрежимными, применялись на автомобильных дизелях, например на дизелях ЯАЗ-204 и др.

При двухрежимном регулировании двигатель в интервале между максимальным и минимальным скоростными режимами находится под управлением только водителя. В этом случае для полдержания заданного промежуточного скоростного режима водитель вынужден был часто прибегать к ручному регулирова­нию скорости (непосредственно воздействовать на рейку топливного насоса). Появившиеся в начале 30-х годов нашего столетия всережимные регуляторы свободны от указанного недостатка.

Двухрежимный регулятор

Одним из первых всережимных автоматических регуляторов был регулятор, установленный на двигателе «Юнкере» (рис. 13). Эта схема регулятора настолько хорошо зарекомендовала себя в работе, что ее используют и до настоящего времени с небольшими усложнениями, связанными с увеличением диапазона регулируе­мых режимов (дизели В-2, Д-6 и др.), большей компактностью конструкции ИТ. п.

Схема всережимного регулятора двигатля "Юнкерс"

Несколько позже появился так называемый пневматический всережимный регулятор (рис. 14), в котором для регулирования использовали разрежение во всасывающем трубопроводе двигателя.

Изменяются системы регулирования и у тяжелых стационар­ных двигателей. В конце 20-х годов Коломенский завод им. В. В. Куйбышева и завод «Русский дизель» приступили к изго­товлению автоматических регуляторов непрямого действия, а в конце 30-х годов некоторые фирмы, главным образом американ­ские (например, фирма «Вудворт» и др.), стали специализиро­ваться на выпуске более компактных регуляторов непрямого дей­ствия.

Регуляторы новых конструкций были сложнее прежних, но обеспечивали значительно более высокую точность регулирова­ния, их удобно и легко было настраивать на требуемый скорост­ной режим.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания (дизели) широко используют для привода генераторов переменного тока, для которых требуется повышенная точность поддержания задан­ной частоты при всех нагрузках. Необходимость дальнейшего повышения качества процесса регулирования потребовала от со­здателей автоматических регуляторов поиска новых путей реше­ния этой задачи. Существенные результаты были получены за счет объединения в одном автоматическом регуляторе по крайней мере двух принципов регулирования: принципа Ползунова— Уатта с принципом братьев Сименс или принципа Ползунова— Уатта с принципом Понселе. Такие автоматические регуляторы получили название двухимпульсных. Испытания двигателей, снабженных двухимпульсными регуляторами, показали перспек­тивность выбранного направления.

Многие конструкции автоматических регуляторов снабжаются устройствами, обеспечивающими возможность дистанционного управления двигателями. Все больше проявляется тенденция сосре­доточения в автоматическом регуляторе двигателя по возможно­сти большего числа различных автоматических приборов. Напри­мер, некоторые автоматические регуляторы кроме устройств для поддержания заданного скоростного режима имеют устройства по ограничению нагрузки, корректированию внешней характе­ристики двигателя, контролю давления в системе смазки, измене­нию угла опережения впрыска при изменении частоты вращения коленчатого вала и по некоторым другим параметрам. Процесс сосредоточения автоматических приборов в одном агрегате будет, по-видимому, продолжаться и впредь.

Серьезных успехов в развитии теории автоматического регу­лирования и управления добились советские ученые. В 1938— 1939 гг. были опубликованы работы сотрудника Всесоюзного элек­тротехнического института А. В. Михайлова, явившиеся началом весьма широкого применения новых — частотных методов в автоматическом регулировании. Теория автоматического регули­рования и управления получила дальнейшую всестороннюю и глубокую разработку в трудах Б. Н. Петрова, В. А. Трапезни­кова, В. В. Солодовникова, Я.З. Цыпкина, М. А. Айзермана и многих других.

В Центральном котлотурбинном институте им. Ползунова (ЦКТИ) под руководством И. Н. Вознесенского была разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования и найдены условия автономности.

Советские ученые значительно обогатили науку в области ис­следования устойчивости и качества различных нелинейных систем автоматического регулирования. Здесь можно назвать труды А. А. Андронова, Б. В. Булгакова, Н. Н. Баутина, А. Г. Майера, А.И. Лурье и многих других. На основе теории автоматического регулирования и управления, на базе опыта, накопленного чело­веком в различных областях техники, развивалась общая теория автоматики, получившая название технической кибернетики. Это — одно из направлений новой фундаментальной науки — кибернетики, науки об управлении в технике, природе и обществе.

Работы по общей теории автоматики выдвинули советскую науку в этой области на одно из первых мест в мире: первый ме­ждународный конгресс по вопросам автоматического управления проходил в 1960 г. в Москве, и в организации его ведущее место занимали советские ученые.

Исследования в области общей теории автоматики сопрово­ждались разработкой и анализом конкретных задач теории авто­матического регулирования двигателей внутреннего сгорания. Вопросам устойчивости и качества работы систем автоматического регулирования быстроходных транспортных дизелей посвящен ряд работ, выполненных в научно-исследовательском автомотор­ном институте (НАМИ) при участии и под руководством проф. Г. Г. Калиша. Эти работы имели большое значение для двигателе- строения. Под руководством проф. Н. Н. Настенко были разра­ботаны всережимные механические регуляторы, получившие широкое распространение.

В Центральном научно-исследовательском дизельном инсти­туте (ЦНИДИ), Центральном научно-исследовательском инсти­туте топливной аппаратуры (ЦНИТА), многими двигателестроительными заводами и вузами ведутся работы по созданию более совершенных автоматических регуляторов.

В области автоматического регулирования двигателей особо следует отметить работы профессоров А. М. Каца, М. И. Левина,

И. Толшина, И. И. Кринецкого, А. А. Грунауэра, Д. X. Мо­розова, Н. Н. Настенко, в области двухимпульсного регулирова­ния — Е. С. Ковалевского и др.