Pierwszenstwo: 04.12.1972 (P. 159257) Zgloszenie ogloszono: 15.11.1973 Opis patentowy opublikowano: 10.06.1975 78841 KI. 46b, 11/06 MKP F02d 11/06 Twórcy wynalazku: Rafal Jurek, Lukasz Szymanski, Tadeusz Puchalka Uprawniony z patentu tymczasowego: Politechnika Poznanska, Poznan (Polska) Uklad sterowania wolnoobrotowego silnika spalinowego Przedmiotem wynalazku jest uklad sterowania wolnoobrotowego silnika spalinowego zwlaszcza okreto¬ wego.W znanym ukladzie sterowania wolnoobrotowego silnika, który realizuje charakterystyke obciazenia funk¬ cji czasu przez podanie za pomoca pneumatycznego zadajnika cisnienia do butli poprzez dlawiki o nastawionym dlawieniu. Dlawiki sa przelaczone kolejno na przyklad zgodnie z zadana funkcja zmian predkosci obrotowej silnika. Zawór zwrotny umieszczony miedzy butla z zadajnikiem pneumatycznym, ma za zadanie natychmiasto¬ we odpowietrzenie butli przy obnizeniu cisnienia z nadajnika. Cisnienie powietrza w butli steruje czlonem wyko¬ nawczym, napedzajacym dzwignie nastawy predkosci obrotowej regulatora. Regulator poprzez listwe pompy paliwowej steruje predkoscia obrotowa silnika spalinowego. Znany jest równiez uklad pneumatyczny w którym przeplyw powietrza ladujacego butle jest dodatkowo regulowany regulatorem przeplywu, dzieki czemu popra¬ wia sie nieco liniowosc charakterystyki, mianowicie mozna uzyskac liniowy ostatni odcinek charakterystyki.Inny uklad sterowania zapewnia liniowosc charakterystyki, ale okupione to jest znacznym rozbudowaniem ukladu, zwlaszcza integratora pneumatycznego. W ukladzie tym zadajnik pneumatyczny steruje wejsciem su¬ mujacym czlonu porównujacego i polaczonego poprzez wzmacniacz z elementem progowym, a element progowy polaczony jest z wejsciem integratora pneumatycznego. Zmiane stalej czasowej, a tym samym zmiane nachyle¬ nia charakterystyki uzyskuje sie przez kolejne zgodne z zadanym programem polaczenie dlawików znajdujacych sie w torze sprzezenia zwrotnego integratora.Zasadnicze wady tych ukladów to: nieliniowosc, gdyz cisnienie w butli wzrasta wykladniczo, dalej rózne nachylenia charakterystyk obrotów funkcji czasu i zwiazane z tym rózne czasy osiagania tej samej wartosci predkosci obrotowej w zaleznosci od amplitudy wartosci zadanej, a co za tym idzie nie najlepsza dokladnosc odtwarzania charakterystyki.Celem wynalazku jest opracowanie elektronicznego ukladu sterowania wolnoobrotowym silnikiem spalino¬ wym, pozbawionego znanych wad i niedogodnosci.Istota rozwiazania wedlug wynalazku polega na tym, ze uklad ma dwa operacyjne wzmacniacze polaczone z dwoma przerzutnikami Schmidta stanowiace dwa komparatory. Wejscia nieodwracajace operacyjnego wzmac-2 78841 niacza polaczone sa ze soba i stanowia wejscie ukladu. Z przetwornikami Schmidta polaczone sa jednoczesnie wejscia bramek oraz wejscia sterujace rewersyjnego licznika. Drugie wejscia bramek polaczone sa ze soba i z asta- bilnym generatorem. Wyjscie bramki polaczone jest z pierwszym wejsciem elementu sumy poprzez dzielnik czestotliwosci. Wyjscie bramki jest polaczone bezposrednio z drugim wejsciem elementu sumy. Wyjscie elementu sumy laczy sie z wejsciem rewersyjnego licznika a jego wyjscie polaczone jest z cyfrowo-analogowym przetwor¬ nikiem. Wyjscie sprzezenia zwrotnego rewersyjnego licznika polaczone jest z dekodujaca matryca rewersyjnego licznika poprzez generator impulsów i ponadto dekodujaca matryca polaczona jest z wejsciem sterujacym dzielni¬ ka czestotliwosci poprzez blok sterowania. Wyjscie cyfrowo-analogowe przetwornika polaczone jest jednoczesnie z wejsciem odwracajacym wykonawczego wzmacniajacego elementu oraz wejsciem odwracajacym operacyjnego wzmacniacza, oraz z opornikiem zasilanym napieciem polaryzujacym. Wejscie nieodwracalne wykonawczego wzmacniajacego elementu polaczone jest poprzez opornik z masa.Wynalazek objasniono na przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia charakterysty¬ ke silnika jako zaleznosc predkosci obrotowej silnika w funkcji czasu, fig. 2 — szczególowa charakterystyke silnika, na której przez I oznaczono charakterystyke zadana, przez II — charakterystyke uproszczona (zaokraglo¬ no rzedne nx i n2 punktów C i D), lila — impulsy zadane z multiwibratora astabilnego, lllb — impulsy rzeczywis¬ te multwibratora astabilnego, IV ^ charakterystyke realizowana, fig. 3 — schemat ogólny, fig. 4 — wykresy pracy dzielnika czestotliwosci dla wspólczynnika podzialu K = 1 i K = 4, fig. 5 — ideowy schemat polaczen czesci ukladu.Uklad ma operacyjny wzmacniacz 3 i 4 polaczone z przerzutnikiem Schmidta 5 i 6 stanowiace dwa kompa¬ ratory 1 i 2. Wejscia nie odwracajace operacyjnego wzmacniacza 3 i 4 polaczone sa ze soba i stanowia wejscie ukladu. Z przetwornikami Schmidta 5 i 6 polaczone sa jednoczesnie wejscia bramek 7 i 8 oraz wejscia sterujace rewersyjnego licznika 13. Drugie wejscia bramek 7 i 8 polaczone sa ze soba i z astabilnym generatorem 9. Wyjscie bramki 7 polaczone jest z pierwszym wejsciem elementu sumy 11 poprzez dzielnik czestotliwosci 10. Wyjscie bramki 8 jest polaczone bezposrednio z drugim wejsciem elementu sumy 11. Wyjscie elementu sumy 11 laczy sie z wejsciem rewersyjnego licznika 13, a jego wyjscie polaczone jest z cyfrowo-analogowym przetwornikiem 12.Wyjscie sprzezenia zwrotnego rewersyjnego licznika 13 polaczone jest z dekodujaca matryca rewersyjnego licz¬ nika 13 poprzez generator impulsów 16, ponadto dekodujaca matryca 14 polaczona jest z wejsciem sterujacym dzielnika czestotliwosci 10 poprzez blok sterowania 15. Wyjscie cyfrowo analogowe przetwornika 12 polaczone jest jednoczesnie z wejsciem odwracajacym wykonawczego wzmacniajacego elementu 18 oraz wejsciem odwra¬ cajacym operacyjnego wzmacniacza 3 i 4 oraz z opornikiem 19 zasilanym napieciem + polaryzujacym Upr. Wejs¬ cie nieodwracalne wykonawczego wzmacniajacego.elementu 18 polaczone jest poprzez opornik z masa.Opracowany uklad, którego zadaniem jest realizacja charakterystyki predkosci obrotowej silnika w funkcji czasu opiera sie o cyfrowy uklad nadazny wedlug fig. 2, który osiaga wartosc zadana zgodnie z wykresem krzywej sterowania wolnoobrotowego silnika okretowego wedlug fig. 1.Licznik rewersyjny 13 w cyfrowym ukladzie nadaznym umozliwia poruszanie sie po krzywej wprzód po drodze OCDA, jak i w tyl - po drodze AB. Wartosc zadana jest porównywana z sygnalem sprzezenia zwrotnego z przetwornika 12 cyfra-analog w komparatorach 1 i 2 skladajacych sie ze wzmacniacza operacyjnego 3 i 4 i przerzutników Schmidta 5 i 6. Pelne wysterowanie komparatora i tym samym otwarcie odpowiedniej bramki 7 lub 8 powodowane jest róznica miedzy wartoscia zadana z nadajnika a sygnalem sprzezenia zwrotnego z prze¬ twornika 12 cyfra-analog.W zaleznosci od znaku uchybu zostaje ustalony kierunek zliczania, a tym samym zostaje otwarta odpowied¬ nia bramka 7 lub 8. Na bramki 7 lub 8 podawane sa impulsy z multiwibratora astabilnego 9. Przez czas otwarcia bramki impulsy z multiwibratora astabilnego 9 zliczane sa w liczniku rewersyjnym 13 w przód lub w tyl. Prze¬ twornik 12 jest konwerterem napiecia schodkowego o równej wysokosci schodków, lecz o róznej ich dlugos¬ ci — w zaleznosci od ksztaltu krzywej z fig. 1. Na przyklad krzywa ta sklada sie z trzech odcinków o trzech róznych nachyleniach, dlatego wystepuja schodki o trzech równych dlugosciach. Wyznaczaja one trzy okresy impulsowania multwibratora astabilnego 9. Stad, kazdemu nachyleniu krzywej odpowiada inny okres impulso¬ wania multiwibratora 9.Ten zmienny okres uzyskuje sie za pomoca dzielnika czestotliwosci 10. Dzielnik czestotliwosci 10 umiesz¬ czony jest na drodze zliczania w przód, miedzy wyjsciem bramki 7, a wejsciem sumy 11. Drugie wejscie elementu sumy 11 polaczone jest z wyjsciem bramki 8. Dzielnik czestotliwosci 10 sterowany jest sygnalami z matrycy dekodujacej 14 licznika rewersyjnego 13 poprzez blok sterowania dzielnikiem czestotliwosci 15. Binarny sygnal licznika rewersyjnego 13 jest przetwarzany na wartosc analogowa w przetworniku cyfra-analog 12. Sygnal z wyjscia przetwornika cyfra-analog 12 podawany jest w petli sprzezenia zwrotnego na komparatory 1 i 2 i jedno¬ czesnie poprzez separujacy element wykonawczy 18. Wlaczenie generatora impulsów 16 w petle sprzezenia78841 3 maufnego licznika rewersyjnego 13 umozliwia wyeliminowanie dowolnej liczby stanów w sposób skokowy, co jest konieczne na przyklad w przypadku realizacji charakterystyki sterowania silnikiem okretowym, gdy wystepuja w obiekcie obroty krytyczne.Realizacje zadanej charakterystyki osiaga sie: badz przez podzial osi czasu na równe odcinki, co odpowiada stalemu okresowi impulsowania multiwibratora astabilnego 9 i otrzymujemy wówczas nieliniowe przetwarzanie cyfra-analog badz przez podzial rzednej (sygnalu wysterowania) na równe odcinki (poziomy) co pozwala stoso¬ wac liniowy konwertor cyfra-analog. W pierwszym przypadku konieczna jest bardzo duza dokladnosc przetwor¬ nika cyfra analog. Z drugiej zas strony tak duza dokladnosc krzywej z punktu widzenia obiektu jest zupelnie niepotrzebna, gdyz dokladnosc ta jest wytracona na elementach wykonawczych. Do dokladnego odtwarzania krzywej wystarczy kilkadziesiat poziomów.Uwzgledniajac to, w ukladzie wedlug wynalazku dla realizacji charakterystyki sterowania wolnoobroto- wym silnikiem okretowym, przyjeto liczbe poziomów równa 64 i zastosowano druga metode realizacji charakte¬ rystyki to znaczy przez podzial rzednej. W przypadku realizacji charakterystyki sterowania wolnoobrotowym silnikiem spalinowym okretowym odcinek odpowiadajacy pierwszemu nachyleniu krzywej jest interesujacy tylko z tego wzgledu, ze obejmuje obroty „Bardzo wolno" i obroty okolozaplonowe, dlatego do rozwazan wystarczy wziac pod uwage tylko czesc tego odcinka, która obejmuje wyzej wspomniane obroty. Praktycznie mpzna uzyskac to poprzez wstepna polaryzacje opornosci obciazenia konwertera cyfra-analog 12 opornikiem 19 co graficznie przedstawia fig. 3. Nie zmieni to w niczym budowy konwertera 12, a pozwoli na efektywniejsze wyko¬ rzystanie wszystkich poziomów.Wykorzystujac drugi sposób realizacji charakterystyki sterowania wolnoobrotowym silnikiem okretowym, dzielimy odcinek rzednej nn - nm na fig. 3, odpowiadajacy róznicy miedzy pelnym wysterowaniem a wstepna polaryzacje na 64 poziomy. Wyznaczaja one okresy impulsowania multiwibratora astabilnego 9 w poszczególnych przedzialach czasowych, odpowiadajacych poszczególnym odcinkom krzywej o róznych nachyleniach. Widac stad, ze kazdemu nachyleniu krzywej odpowiada inny okres impulsowania multwibratora astabilnego 9. Zmienny okres multiwibratora astabilnego 9 uzyskujemy z dzielnika czasowego 10 przedstawionego na fig. 4. Dzielnik czestotliwosci 10 wlaczony na drodze zliczania w przód, otrzymuje sygnaly z wyjscia bramki 7 i jest sterowany blokiem 15. Blok 15 sterowania dzielnikiem czestotliwosci 10 sklada sie z elementów pamieciowych 20 i 21, których dzialanie polega na zapamietaniu odpowiednio czasów Tt i T2 zalaman krzywej przedstawionej na fig. 3. Blok sterowania 15 otrzymuje sygnaly z matrycy dekodujacej 14. Dzielnik czestotliwosci 10 sklada sie z matrycy dekodujacej 17 polaryzowanej napieciem + Uz przy pomocy oporników 22 i sterowanej elementami pamieciowymi 24, 25, 26, 27, 28, 29 z generatorem impulsów 30. Na wyjsciu matrycy dekodujacej 17 otrzymuje sie sygnaly odpowiadajace wspólczynnikom podzialu Kt, K2 i K3. Sygnaly te podawane sa na wejscia elementu sumy logicznej 23. Sygnaly z wejscia elementu sumy 23, stanowiace jednoczesnie sygnaly wyjsciowe dzielnika czestotliwosci 10 sa podane poprzez element sumy 11 do licznika rewersyjnego 13.Na fig, 5 przedstawiono wykresy pracy dzielnika czestotliwosci 10 dla wspólczynników podzialu KB1 i K = 4. Dzielnik czestotliwosci 10 dzieli podawana do licznika rewersyjnego 13 czestotliwosc multiwibratora astabilnego 9, przy czym wspólczynnik podzialu K zalezy od nachylenia odcinka krzywej n(t), po którym aktualnie porusza sie punkt pracy silnika. Krzywa n(t) z fig. 3 sklada sie z trzech odcinków o trzech równych nachyleniach, dlatego istnieja trzy rózne dlugosci impulsów A1, A2 i A3 gdzie A1-odpowiada dlugosci impulsu na pierwszym odcinku OC o najwiekszym nachyleniu, A 2-dlugosci impulsu na drugim odcinku CO, A 3-dlugosci impulsu na trzecim odcinku DA o najmniejszym nachyleniu. Stad matryca dekodujaca 17 dzielnika czestotliwosci 10 musi zdekodowac trzy stany. Uklad dzielnika czestotliwosci dziala na zasadzie generowania impulsu zeruja¬ cego wszystkie przerzutniki 24, 25, 26, 27, 28, 29 dzielnika 10 po zejsciu stanu zdekodowanego przy pomocy matrycy dekodujacej 17. Tym trzem stanom dekodowanym przez matryce dekodujaca 17 odpowiadaja trzy dlugosci odcinków A 1, A 2, i A 3.Zalózmy, ze punkt pracy silnika porusza sie wzdluz krzywej n(t) (fig. 3) od poczatkowego punktu Nm.Matryca dekodujaca 17 dekoduje najpierw pierwszy stan i to tyle razy, ile dlugosc A 1 miesci sie w pierwszym odcinku. Czestotliwosc multiwibratora astabilnego 9 powinna byc wieksza od czestotliwosci wynikajaca z nachy¬ lenia pierwszego odcinka krzywej. Zmiennym okresem dzielnika czestotliwosci 10 steruje blok 15, który generuje impuls skokowy po zajsciu czasów Tj i T2 zdekodowanych matryca 14. I tak na przykladzie w momencie zajscia czasu T| matryca dekodujaca 17 dekoduje drugi stan, a dzielnik czestotliwosci 10 wysyla impulsy o czestotli¬ wosci f2 mniejszej od ix. Krzywa sterowania silnikiem n(t) jest realizowana z pewnym niewielkim uproszczeniem, które wynika z zaokraglen wspólrzednych punktów zalaman C i D, to znaczy z zaokraglen predkosci nt i n3 oraz czasów Tt i T2, a takze wspólczynników Klt Ki i K3 podzialu czestotliwosci generowanej przez multi- wibrator astabiiny 9 za pomoca dzielnika czestotliwosci 10.4 78841 W przypadku idealnym rzedne nt i n2 przypadaja na krawedzi poziomów, odciete I] i l2 na impulsie z dzielnika czestotliwosci, a wspólczynniki podzialu K sa liczbami calkowitymi co ilustruje fig. 3.Analizujac przyblizone charakterystyki z fig. 3 nasuwaja sie nastepujace uwagi dotyczace zaokraglen wspólrzednych punktów zalaman C, D. Jezeli odciete punktów C i D to znaczy czasy Ti iT2 przypadaja pomiedzy impulsami dzielnika czestotliwosci 10, to nalezy je sprowadzic do najblizszego impulsu i jezeli wartosc rzednych punktów C i D czyli predkosci obrotowe silnika nj i n2 przypadaja miedzy kolejnymi poziomami, to nalezy je zaokraglic to znaczy sprowadzic wzdluz krzywej do najblizszego poziomu, aby zaokraglenie wspólczynników podzialu K bylo mozliwie male, nalezy wybrac odpowiednio duza czestotliwosc multiwibrato- ra astabilnego 9. PL