Задание переходного процесса накладывает определенные условия на расположение корней характеристического уравнения.

Изве­стно, что для обеспечения устойчивости системы автоматического регулирования все корни характеристического уравнения должны располагаться в левой полуплоскости. Если требуется обеспечить определенное качество переходного процесса, то к расположению корней предъявляют дополнительные требования. Например, наименьший корень необходимо выбрать так, чтобы его значение было больше по модулю желательной степени устойчивости (см. рис. 250) или равнялось ему.

Для ограничения колебательности переходного процесса сле­дует установить границу значений мнимой части комплексных сопряженных корней и т. д.

В некоторых случаях переходный процесс может быть задан непосредственно числовыми значениями всех корней характери­стического уравнения, расположенных определенным образом в левой полуплоскости на рис. 250. В этом случае коэффициенты дифференциального уравнения системы автоматического регули­рования определяют в соответствии с теоремой Виетта

По известным числовым значениям коэффициентов дифферен­циального уравнения системы с помощью формул (602) можно составить три уравнения для определения трех неизвестных, например Т_р², Т_к и ?_z:

Зная начальные условия, зависящие только от параметров двигателя и корней характеристического уравнения, можно построить контрольный переходный процесс и проверить выполнение заданного качества работы системы автоматического регулирования.

Если двигатель имеет газотурбинный наддув и его динамиче­ские свойства характеризуются дифференциальным уравнением (114) или (116) второго порядка, то последовательность определе­ния числовых значений параметров регулятора прямого действия не изменяется. При установке на двигатель более сложного регуля­тора непрямого действия число искомых неизвестных увеличива­ется, и для их нахождения следует использовать метод [2.1, при котором выбранное расположение корней характеристического уравнения системы автоматического регулирования в левой полу­плоскости позволяет найти числовые значения коэффициентов дифференциального уравнения системы регулирования по форму­лам, вытекающим из теоремы Виетта.

Если выбрать переходный процесс, образующийся в резуль­тате полного сброса или наброса нагрузки ?_д = ±1 (t) при неизменной настройке регулятора (?_р == 0), то характеристическое уравнение системы автоматического регулирования можно запи­сать в форме

где d_д (р) — собственный оператор двигателя; d_p (р) — собствен­ный оператор чувствительного элемента; d_с (р) — собственный оператор серводвигателя; R_д(р) и и_с (р) — операторы воздействия соответственно двигателя и серводвигателя.

Деление этого уравнения на собственный оператор (характе­ристическое уравнение) двигателя

дает в частном характеристическое уравнение автоматического регулятора, а в остатке произведение операторов воздействия. Этим можно воспользоваться для расчета параметров регулятора (чувствительного элемента, серводвигателя и обратной связи). Для определенности рассуждений выберем автоматический регу­лятор непрямого действия с жесткой кинематической обратной связью.

После определения числовых значений коэффициентов диффе­ренциального уравнения характеристические уравнения системы автоматического регулирования и двигателя можно представить в виде

Деление первого уравнения на второе дает в частном харак­теристическое уравнение автоматического регулятора

с известными числовыми значениями коэффициентов

Сопоставление уравнения (953) с собственным оператором (438) показывает, что b₂ = Т_н2² / Т_н3³; b₁ = Т_н1/ Т_н3³; b₀ = k_н / Т_н3³ или с уче­том формул (435)

Остаток от деления имеет вид R = R₁p + R₀, где

Подстановка в выражения для R₁ и R₂ развернутых формул коэффициентов А₀’, А₁’, А₂’, А₃’ и А₄’ показывает, что

С помощью полученных соотношений можно определить

Одно из этих соотношений совместно с уравнениями (954) дает четыре уравнения, которые могут быть использованы для опреде­ления неизвестных параметров регулятора.

Однако в выбранном для двигателя регуляторе (непрямого действия с жесткой кинематической обратной связью) определению подлежат пять неизвестных (Тр², Т_к, ?_z, Т_с, k_с), поэтому один из параметров регулятора необходимо задать.

Таким параметром может быть время катаракта Т_к чувстви­тельного элемента, так как фактор торможения ? выбирают на основе опытных данных, полученных при исследованиях подобных регуляторов. Другим таким параметром может быть время регу­лятора Т_р² или местная степень неравномерности ?_z, определяемые в результате статического расчета.

Изложенная методика определения коэффициентов дифферен­циальных уравнений элементов автоматического регулятора при заданных регулируемом объекте и динамических качествах системы автоматического регулирования может быть применена и при необходимости установки на двигателе изодромного регулятора или регулятора с комбинированной обратной связью.

Полученные таким образом числовые значения коэффициентов дифференциальных уравнений чувствительного элемента и серво­двигателя далее следует использовать при их конструктивной разработке. Приведенные выше методы синтеза систем автомати­ческого регулирования следует рассматривать лишь в качестве примеров применения теории автоматического регулирования для создания систем автоматического регулирования и автоматических регуляторов.

При решении задач синтеза широко используют и другие ме­тоды, например метод синтеза корректирующих устройств с по­мощью логарифмических частотных характеристик [26], удобный в тех случаях, когда необходимость изменения цепи коррекции (например, обратных связей) не вызывает серьезных конструктив­ных трудностей.

Изложенные выше методы составления дифференциальных уравнений элементов и систем автоматического регулирования двигателей, оценки устойчивости и качества их работы и, нако­нец, некоторые из приемов определения недостающих значений параметров регуляторов направлены на решение задач совершен­ствования систем автоматического регулирования, улучшения их статических и динамических свойств.

Необходимость применения этих методов в практической дея­тельности инженера, занимающегося созданием, модернизацией или эксплуатацией автоматических регуляторов, связана с непре­рывным повышением требований со стороны потребителей к ка­честву работы систем автоматического регулирования, с посте­пенным, но неуклонным увеличением числа функций обслужива­ния двигателя в процессе эксплуатации, возлагаемых на автома­тические регуляторы.

Именно с этим связан поиск путей совершенствования кон­струкций автоматических регуляторов (их чувствительных, уси­лительных и стабилизирующих элементов), введение второго импульса в процесс регулирования, повышение точности изме­рения регулируемых параметров, введение регулирования си­стем охлаждения, обеспечение экономичной работы двигателей в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, сни­жение токсичности отработавших газов, повышение надежности и улучшение условий работы обслуживающего персонала.

В конце 60-х годов и особенно в начале 70-х годов в литературе увеличивается число публикаций с описанием предлагаемых для двигателей электрических и электронных регуляторов частоты вращения коленчатого вала других параметров. При этом под­черкиваются их преимущества: меньшие габаритные размеры и металлоемкость, значительно большая легкость введения в ре­гулятор дополнительных корректирующих связей, повышающих статическое и динамическое качество работы систем автомати­ческого регулирования, обеспечение дистанционного управления скоростными режимами, пуском и остановкой агрегата.

К настоящему времени разработано, запатентовано и частично уже применяется на практике значительное число автоматических регуляторов для двигателей, имеющих электрическую и элек­тронную основу, хотя многие из них имеют в своей ст|эуктуре ме­ханические (муфты, пружины) пневматические или гидравли­ческие (усилители) элементы. Такие фирмы, как «Америкеи Бош» (США), «Руза-Мастер» (США), «Ниппоидеисо» (Япония), еще в 1973—1974 гг. сообщили о начале выпуска для дизелей регуля­торов такого типа. Интенсивные исследования и разработки в этом направлении ведутся в СССР, ФРГ, Франции и многих других странах.

Анализ предложенных конструкций электрических и элек­тронных регуляторов для двигателей показывает, что определен­ные преимущества среди таких регуляторов имеют системы, обе­спечивающие электронное управление процессом впрыска при помощи форсунок с электромагнитным подъемом иглы. В этом случае управляющий импульс подводится непосредственно к фор­сунке, что раскрывает большие возможности влияния на сам про­цесс впрыска путем формирования управляющего воздействия с определенным законом движения иглы. В качестве примера подобной системы регулирования двигателя можно назвать си­стему, разработанную Коломенским тепловозостроительным за­водом им. Куйбышева совместно с Коломенским филиалом Все­союзного заочного политехнического института. Основу разра­ботанной ими системы составляет электрогидравлическая фор­сунка, оборудованная электромагнитом. Такая форсунка в за­висимости от управляющего сигнала (его продолжительности, времени поступления) может изменять цикловую подачу топлива, угол опережения впрыска, обеспечивать однофазный или двуфазный впрыск с заданным ограничением по продолжительности. Система впрыска является аккумуляторной с регулируемым дав­лением впрыска.

Вместе с тем электрические и электронные регуляторы не сво­бодны и от существенных недостатков, к числу которых следует отнести необходимость более тщательной проверки надежности их работы, зависимость нормальной работы некоторых элемен­тов от температуры рабочей среды, необходимость создания бо­лее надежных датчиков различных параметров и некоторые др. Перечисленные недостатки свидетельствуют о необходимости даль­нейшего совершенствования конструкций электрических и элек­тронных регуляторов для двигателей.

Задача дальнейшего повышения экономичности работы дви­гателей выдвигает настоятельное требование оптимизации про­цессов управления режимами их работы. Под оптимизацией работы систем управления и регулирования подразумевается способность систем отыскивать и поддерживать такие управляю­щие воздействия, которые дают возможность находить и поддер­живать экстремальное значение того или иного показателя, ха­рактеризующего работу двигателя, например, выбор скорост­ного режима, обеспечивающего максимальную мощность двига­теля, максимальный крутящий момент или минимальный расход топлива. В настоящее время в СССР уже созданы автоматические регуляторы такого типа, осуществляющие поиск и стабильное поддержание экстремума по тому или иному показателю работы объекта. Такие самонастраивающиеся системы автоматического регулирования являются перспективными и для двигателей вну­треннего сгорания.

Таким образом, поиск более совершенных конструкций авто­матических регуляторов двигателей далеко не закончен, он бу­дет продолжаться и развиваться.

Легкость варьирования параметрами элементов при построении переходных процессов с помощью аналоговых или цифровых электронных вычислительных машин также раскрывает возмож­ность оптимизации систем автоматического регулирования. В на­стоящее время накапливается информационный материал и ве­дутся серьезные разработки систем автоматизированного проекти­рования, конструирования и технологической подготовки (САПР), с помощью которых конструктор в диалоге с электронной вычисли­тельной машиной получит мощное средство создания оптимальных конструкций новых машин, механизмов, приборов и технологи­ческих процессов.

Таким же путем будут создаваться системы автоматического регулирования и управления двигателями внутреннего сгорания.