На создание новых поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) во всем мире ежегодно расходуются значительные средства, расходы эти с каждым годом возрастают и составляют значительную долю бюджета многих развитых стран. За последние годы резко возросли литровая мощность и экономичность ДВС, до десятых долей килограмма снизился их удельный вес, улучшились и другие оценочные показатели. Ужесточение экономических и экологических требований к поршневым ДВС побуждают непрерывно совершенствовать топливорегулирующие аппараты (ТРА) этих двигателей. Вполне очевидно, что на достигнутом уровне технического прогресса развитие и совершенствование ТРА немыслимо без целеустремленной и согласованной работы конструкторов, технологов и испытателей.
Современная ТРА является сложной технической системой, в состав которой входят пространственный многозвенный исполнительный механизм (ИМ), система управления, основными компонентами которой являются информационно-управляющая система, алгоритмическое и программное обеспечение. Совершенство ТРА в значительной степени определяется совершенством системы управления, показатели которой существенно зависят от принципиальных решений и выбора параметров измерительных устройств, а также их конкретных реализации. Адекватное математическое описание, например, регулятора массы топлива как сложного многомерного объекта также необходимо при разработке системы управления ТРА [1].
Расходомеры массы топлива являются одним из основных элементов ТРА. Непосредственно взаимодействуя с исполнительными механизмами ТРА, они во многом определяют эффективность работы ТРА. Быстрое развитие за прошедшие два десятилетия конструкции ТРА, необходимость улучшения реализованных и решения новых проблем, выдвигают на передний план задачу повышения метрологических параметров существующих расходомеров массы топлива. Основными требованиями к таким расходомерам являются: экстремально высокое быстродействие всех подсистем расходомера в режиме реального времени; цифровая обработка всех информационных потоков с использованием принципов распараллеливания и поточной конвейеризации вычислений; реализация измерительных и управляющих процедур с применением высокоточных вычислительных и адаптивных методов.
Особенность измерения расхода топлива в ДВС характеризуется тем, что часовой расход может изменяться в 10-60 кг на режимах полных нагрузок и снижается до 0, 5-2, 0 кг на холостом ходу. Поэтому при проектировании расходомеров массы топлива для ДВС предпочтение отдают расходомерам, обладающим линейной характеристикой и отличающимся большой чувствительностью и разрешающей способностью, быстродействием и малыми габаритами, позволяющими размещать их в труднодоступных зонах ДВС.
Рис. 1 Адаптивный расходомер массы топлива
Современная измерительная техника использует ряд методов измерения расхода массы топлива. Однако все эти методы при измерениях расхода массы топлива обладают рядом недостатков. Поэтому современные системы точного измерения массы топлива должны быть основаны на измерении объема и удельной массы топлива (поток массы при этом определяют умножением потока объема на удельную массу). Дальнейшее развитие этих измерителей связано с измерениями объема и плотности топлива – путем измерения объемного расхода, давления и температуры и пересчета их по уравнению состояния.
Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 2 Расходомер массы с последовательным устройством коррекции
В Уфимском государственном авиационном техническом университете в разрабатаны опытные образцы нескольких типов расходомеров массы топлива. В них используются адаптивный метод коррекции нелинейностей в метрологических характеристиках датчиков расхода, давления и температуры [2, 3]. Возможно три варианта коррекции нелинейностей:
- аргументами функции коррекции являются величины, характеризующие отклонения реальной функции преобразования (РФП) от идеальной функции преобразования (ИФП). Структурная схема коррекции представлена на рис. 1;
- аргументами функции коррекции являются величины, характеризующие отклонения РФП от разности между его ИФП и функции преобразования корректирующего звена, включенного последовательно к датчикам (рис. 2);
- аргументами функции коррекции являются величины, характеризующие отклонения РФП расходомера от разности между его ИФП и функции преобразования корректирующего звена, включенного параллельно к датчикам (рис. 3).
Основными факторами, от которых зависит точность преобразования, измерения и обработки сигналов в функциональных блоках адаптивного расходомера, являются:
- математический метод, используемый для определения коэффициентов уравнения ФП корректирующего звена и функциональных блоков расходомера при самокоррекции;
- число контрольных точек и их значения;
- нестабильность, нелинейность ФП расходомера;
- инерционность функциональных блоков расходомера;
- возмущающие воздействия, влияющие на функциональные блоки.
Рис. 3 Расходомер массы с параллельно устройствами коррекции
Основной задачей расходомеров массы является максимально точное определение массы топлива. Погрешности, обусловленные с неточностью преобразования, измерения и обработки сигналов в функциональных блоках расходомера можно найти с помощью зависимостей:
Для оценки можно учитывать различные критерии: критерий наибольшего отклонения, интегральный критерий, интегральный среднеквадратический критерий, вероятностно-зональный. Исследования, проведенные нами, позволили в качестве критерия оценки суммарной погрешности расходомера принять интегральную среднеквадратическую погрешность, определяемую в виде
Наличие в составе расходомера нескольких АЦП (для датчиков объемного расхода, давления и температуры), осуществляющих операции квантования аналогового сигнала по уровням, приводит к появлению методических погрешностей квантования каждой АЦП. Для равномерного квантования максимальная приведенная погрешность квантования АЦП
Как отмечено ранее, на участке дискретизации сигналы датчиков расходомера аппроксимируются полиномами. В промежуточных точках, не являющихся узлом полинома, получается погрешность, которая может быть оценена только остаточным членом. При таких оценках для сложных сигналов расходомера необходимо построить их модели, которые должны максимально приближаться по своим характеристикам к реальным сигналам расходомера. Требования, предъявляемые к моделям сигналов, в основном сводятся к следующему: модели сигналов должны с требуемой точностью описывать реальный ансамбль сигналов датчиков; в рамках принятых моделей должны решаться поставленные задачи; модели должны быть просты.
Так как рассматриваются адаптивные функциональные подсистемы расходомера, приспосабливающиеся к изменениям выходных сигналов датчиков температуры и давления в расходомере, то, в первую очередь для их анализа необходимо знание характеристик производных сигнала . Реальные сигналы датчиков всегда имеют конечное время и конечный спектр (финитный) сигналов, что значительно расширяет класс дифференцируемых случайных функций.
Если на участке дискретизации этот спектр опишем полиномом -ой степени, то с достаточной для практики точностью можно аппроксимировать реальные сигналы датчиков расходомера полиномами -ой степени. Такая аппроксимация приводит к неизменности в интервале дискретизации соответствующих их производных. Ошибка же при такой аппроксимации пренебрежимо мала. Кроме того, такая модель оценки приводит к функциональной связи между погрешностью аппроксимации при дискретизации, частотой дискретизации и соответствующей производной, что удобно для анализа погрешностей преобразования следящих АЦП.
В качестве модели сигнала датчика рассмотрим некоррелированную кусочно-стационарную функцию с постоянной производной на интервале аппроксимации гауссовских сигналов с финитными спектрами в диапазоне . Такой выбор определяет взаимосвязь между погрешностью аппроксимации и производными сигнала датчиков, что удобно при расчетах.
С учетом рекомендаций работы [1] и основываясь, на выбранном критерии оценки интегральной среднеквадратической погрешности запишем
На основе проведенных исследований разработан и изготовлен высокоточный быстродействующий расходомер массы с адаптивной корректировкой нелинейностей в датчиках расхода, давления и температуры. В лабораторных условиях разработанный расходомер массы при постоянном расходе обеспечивает погрешности измерения на уровне, не превышающем ±0,05 % во всём диапазоне работы расходомера.
Список литературы
- Хасанов З. М., Ахметзянов Р. Р. Особенности разработки волоконно-оптических датчиков давления для автоматизированных систем управления топливорегулирующей аппаратуры // Контроль. Диагностика. 2011. № 4. С.40 – 45.
- Хасанов З.М., Ахметзянов Р.Р., Зяблицев П.А. Волоконно-оптический датчик давления. Патент РФ № 106366 МПК8 G 01 L 7/08, 11/02. Опубл. 10. 07. 2011. Бюл. № 19.
- Хасанов З.М., Ахметзянов Р.Р., Короткин А.В. Волоконно-оптический датчик давления для расходомеров массы топлива. Патент РФ № 106365 МПК8 G 01 L 7/08, 11/02. Опубл. 10. 07. 2011. Бюл. № 19.[schema type=»book» name=»К СИНТЕЗУ РАСХОДОМЕРОВ МАССЫ ТОПЛИВА С АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ДАТЧИКОВ» description=»Рассматривается задача синтеза быстродействующих расходомеров массы топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания. Анализируются варианты линеаризации метрологических характеристик датчиков расходомера и описана математическая модель установившегося режима работы электронного блока линеаризации.» author=»Ахметзянова Инна Раилевна, Макулов Ирек Альбертович, Хасанов Олег Зимфирович, Хасанов Зимфир Махмутович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-07″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_29.08.15_08(17)» ebook=»yes» ]