DE2841750A1

DE2841750A1 - Verfahren und einrichtung zum bestimmen der einzelnen stellgroessen einer brennkraftmaschine, insbesondere einer gasturbine

Info

Publication number: DE2841750A1
Application number: DE19782841750
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Nonnenmann; Juergen Dipl Phys Pischke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-09-26
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1980-04-03
Also published as: US4525783A; GB2034500A; GB2034500B

Description

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12.9.1978 Mü/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der einzelnen Stellgrößen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine

Stand der Technik

Bekannte Gasturbinenregelungen arbeiten teils auf analoger, teils auf digitaler Basis, wobei fortlaufend die einzelnen Betriebskenngrößen aufbereitet und bereitgestellt werden. Auch findet fortlaufend die Bestimmung der Ausgangsgrößen statt, wobei die Berechnungsvorgänge für die einzelnen Regelgrößen im allgemeinen parallel und/ oder seriell ablaufen. Dadurch ergibt sich ein großer schaltungstechnischer Aufwand, damit auch eine große Zahl möglicher Fehlerquellen, was es gerade bei den bekannten kritischen Gasturbinenregelungen zu vermeiden gilt.

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Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren nach dem ersteri Verfahrensanspruch hat dagegen den Vorteil, daß mit einem Rechner sowohl die Datenerfassung, als auch die Daten^ verarbeitung sowie die Datenausgabe gesteuert wird. Dabei läuft das Regelprogramm zur Bestimmung der einzelnen Stellgrößen fortlaufend ab, während in vorzugsweise zeitkonstanten Abständen dieser Programmablauf unterbrochen wird und ein Sonderprogramm für die Datenerfassung bzw. -ausgabe eine entsprechende Bereitstellung und Aüggäbe der Daten bewirkt. Jeweils nach Ablauf des Sonderprogramms beginnt das normale Regelprogramm an derjenigen. Stelle wieder, an der es zuvor unterbrochen worden ist. Aus diesem Grunde ist für die vorgeschlagene Anordnung nur ein einziger Rechner erforderlich. Die Mehrzahl an Speichern fällt nicht so sehr ins Gewicht, da sie beim derzeitigen Stand der Technik problemlos zu handhaben und auch kostengünstig sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im ersten Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenigstens einen Teil der analog vorliegenden Eingangsgrößen über einen Multiplexer aufzubereiten.

Der Gegenstand des ersten Sachanspruchs kennzeichnet sich aufgrund des einfachen Verfahrens nach den Verfahrensansprüchen auch durch eine besondere Einfachheit aus. In seinen Unteransprüchen sind ebenfalls vorteilhafte Weiterbildungen angegeben, so z.B. ist eine überwachungseinrichtung für wesentliche Kenngrößen der Gas-

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turbine vorgesehen, und diese überwachungseinrichtung ermöglicht sowohl einen Notbetrieb der Gasturbine mit verminderter Leistung als auch ein schnelles Ausschaltsignal der Gasturbine im Notfall.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein grobes Blockschaltbild eines digitalen rechnergesteuerten Gasturbinenreglers und Figur 2 ein Ablauf- und Datenflußdiagramm des Gegenstandes von Figur 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt ein grobes Blockschaltbild der Regeleinrichtung für eine Gasturbine, die z.B. in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Die Gasturbine selbst ist mit 10 bezeichnet und mit ihr sind Meßgeber 11 für ihre Betriebskenngrößen wie Drehzahl und Temperatur gekoppelt. Für die wesentlichsten Betriebskenngrößen sind aus Sicherheitsgründen zwei Meßwertaufnehmer vorhanden, die entweder mit einer Signalaufbereitungsstufe 12 für den Regler oder mit einer Signalaufbereitungsstufe 13 für eine überwachungseinrichtung 14 gekoppelt sind. Zugeordnet sind der Gasturbine 10 ferner Stellglieder 15 und ein Abschaltventil 16 für die Notabschaltung, wobei dieses Abschaltventil 16 mit einem Ausgang 17 der überwachungseinrichtung gekoppelt ist.

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Der eigentliche Regler 18 enthält ein Rechenwerk 19, einen Programmspeicher 20, sowie eine Zeitsteuereinrichtung 21. Eingangsgrößen erhält der Regler 18 von einem Pestwertspeicher 22 sowie von mehreren digitalen Speichern 23 bis 32. Jedem dieser Speicher 23 bis 32 ist ein Schalter 33 bis 42 vorgeschaltet, wobei diese Schalter durch ein Ausgangssignal der Zeitsteuereinrichtung 21 gesteuert werden. Zwischen der Signalaufbereitungsstufe 12 für den'Regler und den Schaltern 33 bis 42 liegen nun zwei Drehzahlwertzähler 44 und 45, ein Multiplexer 46 mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Wandler 47, dessen Ausgang zu den Schaltern 35 bis 4l geführt ist, und die bereits in digitaler Form vorliegenden Größen aus der Signalaufbereitungsstufe 12 des Reglers gelangen unmittelbar über eine Leitung 48 zum Schalter

Ausgangsseitig steht der Regler 18 mit mehreren digitalen Speichern 50 bis 53 in Verbindung, die hier repräsentativ für eine gegebenenfalls größere Anzahl stehen. Diesen Speichern sind Schalter 55 bis 58 nachgeordnet und schließlich Digital-Analog-Wandler mit integrierten Speichern 60 bis 63· Die in diesen Speiehern 60 bis 63 zur Verfügung stehenden Daten werden über - hier als Sammelschiene dargestellte - Leitungen 65 und 66 einer Anzeigeeinheit 67 sowie den Stellgliedern 15 bei der Gasturbine 10 zugeführt. Mit den Stellgliedern 15 ist auch die überwachungseinrichtung 14 über eine Leitung 69 gekoppelt, über die in Sonderfällen ein Notbetrieb der Gasturbine aufrechterhalten wird. Zur Überwachung der eigentlichen Reglerausgangssignale dient noch eine Verbindungsleitung 70 zwischen Regler 18 und Überwar. .·.:. chungseinrichtung 14, so daß auch Fehler im Regler 18

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selbst sowie in seinen Eingangsstufen erfaßt werden können.

Mit 71 sind schließlich Bedienungselemente wie Fahrpedal und Startschalter bezeichnet, deren Ausgänge mit der Signalaufbereitungsstufe 12 für den Regler 18 gekoppelt sind.

Hauptmerkmal des Gegenstandes von Figur 1 ist, daß der mit einem Rechner arbeitende Regler 18 zu vorbestimmten Zeiten sein Regelprogramm unterbricht und statt dessen die Aufbereitung der Eingangsdaten sowie die Bereitstellung der Ausgangsdaten steuert. Dazu ist die Zeitsteuereinrichtung 27 mit den Schaltern 33 bis 42 sowie 55 bis 58 gekoppelt. Während das Regelprogramm abläuft, bzw. bis zu seiner Unterbrechung, sind die jeweiligen Schalter geöffnet, so daß keine Änderung der Eingangssignale auftritt, die in den digitalen Speicher 23 bis 32 zwischengespeichert sind. Entsprechend werden fortlaufend· die mit dem Reglerprogramm errechneten Werte in die Digitalspeicher für Ausgangsgrößen 50 bis 53 eingelesen und jeweils auf dem neuesten Stand gehalten. Während der Unterbrechung des Regelprogramms werden die Signale von der Signalaufbereitungsstufe 12 in eine digital verarbeitende Form gebracht, um bei geschlossenen Schaltern 33 bis 42 in die digitalen Speicher 23 bis 32 für Eingangsgrößen übernommen werden zu können. In entsprechender Weise werden die Daten aus den digitalen Ausgangsspeichern 50 bis 53 in die nachfolgenden Speicher 6O bis 63 übernommen, und von dort aus gelangen diese Daten fortlaufend zu den entsprechenden Stellfedern 15 der Gasturbine 10 oder jedoch zu der Anzeigeeinheit 67.

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Das Rechenwerk 19 des Reglers 18 enthält einen Mikroprozessor-Baustein des Typs INTEL 8085A. Der Verkehr,mit allen peripheren Einheiten, z.B. den einzelnen Speichern, erfolgt über Sammelleitungen für Adressen, Daten und Steuersignalen. Der Einfachheit halber ist jeweils nur ein Pfeil bzw. Doppelpfeil gezeichnet.

Die Drehzahlzähleinheit 44 und 45 ist zweistufig aufgebaut. Während der erste Zähler eine feste Zahl von Drehzahlimpulsen (aus der Signalaufbereitungsstufe 12 für den Regler) zählt, zählt der zweite Zähler während der für den ersten Zählvorgang benötigten Zeitdauer eine konstante Vergleichsfrequenz aus. Der Kehrwert des gewonnenen Signales ist der Frequenz proportional.

Der Multiplexer 46 wird über eine digitale Steuerleitung 72 angesprochen und schaltet der Reihe nach je- . weils einen Analogwert aus der Signalaufbereitungsstufe 12 für den Regler auf den Eingang des Analog-Digital-Wandlers 47. Nach der Wandlungszeit wird der digitalisierte Wert über eine Datenleitung 73 in die digitalen Speicher für Eingangsgrößen 25 bis 31 gebracht.

Die Speicher 23 bis 32 und 50 bis 53 sind als digitale statische Schreib-Lese-Halbleiterspeicher des Typs INTEL 8155 ausgeführt und ansteuerbar über Datenleitungen sowie nicht dargestellte Adressleitungen. Für die Programm- und Festwertspeicher, 20 und 22, werden NUR-Lese-Speicher (INTEL 2716) verwendet, die z.B. elektrisch programmierbar und durch UV-Licht wieder löschbar sind. Die Speicher 60 bis 63 mit Digital-Analog-Wandlern dienen dazu, den eigentlichen Regler von Wand-

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lungsaufgaben zu entlasten und geben bis zum neuerlichen Schalten der Schalter 55 bis 58 einen konstanten Wert ab.

Im Pestwertspeicher 22 für Regelparameter sind für die jeweilige Gasturbine spezifische Werte abgelegt und können vom Rechner bei Bedarf abgerufen werden. Ebenso können in diesen Pestwertspeicher die Anfangswerte für den Beginn des Gasturbinenbetriebs abgespeichert werden. Eine leichte Austauschbarkeit dieses Speichers ermöglicht die einfache Änderung der Regelparameter.

Figur 2 zeigt ein Ablauf- und Datenflußdiagramm beim Gegenstand von Figur 1. Nach dem Einschalten (80) der Betriebsspannung erfolgt eine Initialisierung der Zähler und Speicher der digitalen Ein/Ausgabe-Einheiten (8l, 82) sowie das Wirksamwerden der Zeitsteuereinrichtung 21 (83)· Danach wird zyklisch das vorgegebene Reglerprogramm (84) abgearbeitet, das Lesezugriff auf die Regelparameter (85) und die Eingangsgrößen (86) sowie Schreibzugriff auf die Speicher für die berechneten Ausgangsgrößen (87) hat. Das Programm wird in konstantem Abstand, z.B. alle 10 msek durch die Zeitsteuereinrichtung 21 unterbrochen (90). Zu diesen Zeitpunkten werden die Zählerstände (91)» die analog-digital-gewandelten Werte (92) und die digitalen Eingangsgrößen (93) eingelesen und in den Speichern 23 bis 32 für den Rechner zur Verfügung gestellt (86). Entsprechend werden die vom Regelprogramm errechneten Größen z.B. als periodenanaloge Impulse oder Digitalwerte in die Speicher 60 bis 63 ausgegeben (94). Anschließend erfolgt der Rücksprung (95_a Ende der Unterbrechung) ins Regelprogramm, das an der unterbrochenen Stelle seine Berechnungen wieder aufnimmt. Dieser oben beschriebene Ablauf ist in Figur 2 als Ablauf- und Datenflußdiagramm gezeichnet.

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Beim Gegenstand von Figur 1 wird das Regelprogramm in zeitkonstanten Abständen unterbrochen und nachfolgend der Datenfluß gesteuert. Es kann jedoch Fälle geben, in denen diese Konstantzeit-Steuerung in Hinblick auf eine größere Sicherheit bzw. auf noch exaktere Werte dergestalt abgeändert wird, daß beim Auftreten großer Änderungen von Betriebskenngrößen in schnellerem Rhytmus neue Daten dem Rechner zur Verfügung gestellt werden und entsprechend auch die jeweils berechneten Werte schneller sowohl zur Anzeige, als auch zum Eingriff kommen können. Welche Betriebsart gewählt wird, ist eine Frage des vertretbaren Aufwandes und der möglichen Geschwindigkeit von Änderungen bei Betriebskenngrößen. Dabei wird als Kompromiß eine konstante Taktzeit von 10 msek für Anwendungen der Gasturbine in Fahrzeugen günstig sein.

Aufgabe des Rechenwerks 19 im Regler 18 ist die jeweilige Berechnung von Anzeige- und Stellgrößen ausgehend von Betriebskenngrößen und Steuergrößen der Gasturbine. Die Zusammenhänge zwischen Reglereingangs- und Reglerausgangssignalen sind bekannt, da bestimmte Betriebskenngrößen der Gasturbine eine entsprechende Steuerung der jeweiligen Stellglieder erfordern. Insoweit gibt die zwangsläufige Verknüpfung der Ein- und Ausgangsgrößen des Reglers 18 einem Datenverarbeitungsfachmann eine klare Anweisung zur entsprechenden Programmierung des Programmablaufs für das Rechenwerk 19.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung zur Bestimmung der einzelnen Stellgrößen und Anzeigewerten einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, läßt sich

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aufgrund der Verwendung von digitalen Elementen auch bei sehr komplexen Signalverknüpfungen einfach realisieren. Außerdem treten bei diesen verwendeten Komponenten keine Probleme mit Temperaturdrifft, Alterung usw. auf. Außerdem gibt das digitale Konzept der Regeleinrichtung die Möglichkeit, in den Regler Eigentestmöglichkeiten einzubauen, d.h., daß der Regler sich selbst laufend überprüft und bei Ausfall irgendwelcher Komponenten der Regler selbst entscheiden kann, ob das Triebwerk stillgelegt werden muß, oder ob ein Notbetrieb zum Erreichen der nächsten Werkstatt noch zulässig ist. Dieser Notbetrieb würde dann mit verminderter Leistung erfolgen und dem Fahrer angezeigt werden.

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Claims

R. 5 00 0 12.9-1978 Mü/Kö ROBERT BOSCH GMBH, 7OQO Stuttgart 1 Ansprüche

1.) Verfahren zum Bestimmen der einzelnen Stellgrößen ei- >—'

ner Brennkraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, ausgehend von vorgegebenen und gemessenen Betriebskenngrößen wie Drehzahl und Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner mit zugeordneten Programmen für die Regelung und die Datenerfassung bzw. Datenausgabe vorgesehen ist und die verschiedenen Programmabläufe alter¹ nierend erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelprogramm zu insbesondere festen Zeiten unterbrochen wird und der Rechner auf das Datenerfassungsund Datenausgabeprogramm umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der analog vorliegenden Eingangsgrößen über einen Multiplexer aufbereitet wird.

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4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (18) mit einem Rechenwerk (19) und wenigstens zwei Programmspeichern (20) vorgesehen ist, ferner wenigstens je ein Speicher für Eingangs- und Ausgangsdaten dem Rechenwerk zugeordnet ist und eine insbesondere Zeitsteuereinrichtung (17) der Umschaltung der Programmabläufe von eigentlichem Rechenprogramm und Datenerfassungs bzw. Datenausgabeprogramm dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Werte in die Eingangsspeicher (23 bis 32) nur zu bestimmten Zeiten einlesbar sind und/oder Ausgangswerte aus Speichern (50 bis 53) nur zu vorbestimmten Zeiten weitergeleitet werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Signalaufbereitungsstufe (12) für den Regler und dem Regler (18) selbst ein Multiplexer (46) für wenigstens einen Teil der analog vorliegenden Eingangsgrößen geschaltet ist.

7. Einrichtung nach wenigstens Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine überwachungseinrichtung (l4) vorgesehen ist, der die wesentlichsten Betriebskenngrößen der

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Brennkraftmaschine, insbesondere Gasturbine (10), zuführbar sind und mit dem Ausgangssignal der überwachungseinrichtung (l4) ein Notbetrieb steuerbar ist bzw. eine Not-Aus-Einrichtung zum Eingriff kommt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß der überwachungseinrichtung (I¹O wenigstens teilweise ein eigener Geber für die wesentlichsten Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine (Gasturbine 10) zugeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die überwachungseinrichtung (14) mit dem Regler (18) zu seiner überwachung gekoppelt ist.

10. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pestwertspeicher (22) für Regelparameter und für die Betriebsanfangsgrößen der gesteuerten Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

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