Model quasi dynamiczny pojazdu trakcyjnego z napędem hybrydowym

Zygmunt Szymaski

Politechnika lska, Gliwice

MODEL QUASI DYNAMICZNY POJAZDU

TRAKCYJNEGO Z NAPDEM HYBRYDOWYM

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: W referacie przedstawiono modele fizyczne oraz modele matematyczne ukadu

kinematycznego, ukadu napdowego (silniki trakcyjne: elektryczne, oraz spalinowe), oraz ukadów sterowania pojazdów trakcyjnych (samochody osobowe, pojazdy specjalne, nowoczesne wozy tramwajowe). W referacie zamieszczono wybrane algorytmy sterowania nad nego oraz predykcyjnego pojazdu. Dla wybranych rozwiza ukadu napdowego pojazdu przedstawiono modele symulacyjne oraz wyniki oblicze dla ró nych warunków eksploatacyjnych pojazdu. Wyniki oblicze komputerowych zweryfikowano pomiarami laboratoryjnymi, wprowadzajc odpowiednie korekty do modeli symulacyjnych.

Sowa kluczowe: napd hybrydowy, sterowanie predykcyjne, symulacje komputerowe

1. WSTP

Masowy rozwój transportu spalinowego stwarza realne zagro enia zanieczyszczenia rodowiska naturalnego, generujc nadmierny haas, drgania i wibracje. Jednym z wariantów ograniczenia szkodliwych oddziaywa jest wykorzystanie napdu: elektrycznego lub hybrydowego (napd elektryczny i spalinowy, napd spalinowy i mechaniczny zasobnik energii), wyposa onego w autonomiczne lub alternatywne róda zasilania. Rozwizania te ogranicz wielko toksycznych zanieczyszcze emitowanych przez pojazdy spalinowe, oraz zmniejsz emitowany haas i wibracje [2, 3, 4]. Poowicznym rozwizaniem s specjalne pojazdy z napdem elektrycznym, o du ej sprawnoci energetycznej, oraz nie emitujce zanieczyszcze. Podstawowym problem pojazdów z napdem elektrycznym jest ograniczony zasig i czas eksploatacji, wynikajcy z skoczonej pojemnoci energetycznej klasycznych róde zasilania: baterie akumulatorów lub super kondensatory [2,3]. Przyszociowym rozwizaniem mog by ogniwa paliwowe, ogniwa bioniczne, lub super dawiki [5], jednak wysoka cena zakupu, oraz znaczne koszty produkcji, s skutecznymi czynnikami spowalniajcymi proces ich zastosowania. Zastosowanie pojazdów z napdem hybrydowym jest rozwizaniem ekonomicznie i technicznie najprostszym. Dodanie do klasycznego napdu spalinowego, silnika elektrycznego spowoduje: zmniejszenie zu ycia paliwa, redukuje emisj

zanieczyszcze, zachowujc przy tym dynamik i komfort jazdy pojazdu spalinowego. W referacie przedstawiono model quasi dynamiczny pojazdu koowego, zawierajcy modele fizyczne oraz modele matematyczne ukadu kinematycznego, ukadu napdowego (silniki trakcyjne: elektryczne, oraz spalinowe), oraz ukadów zasilania pojazdów trakcyjnych: koowych, oraz szynowych (samochody osobowe, pojazdy specjalne, nowoczesne wozy tramwajowe). W referacie zamieszczono wybrane algorytmy sterowania nad nego oraz sterowania predykcyjnego pojazdu Dla wybranych rozwiza ukadu napdowego opracowano modele symulacyjne pojazdu, oraz zamieszczono wyniki oblicze modeli matematycznych pojazdu koowego dla ró nych wariantów napdu. Wyniki oblicze zweryfikowano badaniami laboratoryjnymi, wprowadzajc odpowiednie wspóczynniki korekcyjne do modeli symulacyjnych.

2. PRZEGLD UKADÓW NAPDOWYCH POJAZDÓW

HYBRYDOWYCH

W pojazdach hybrydowych stosowane s ró ne warianty ukadów napdowych: napd szeregowy, napd równolegy, napd szeregowo-równolegy.[3, 4, 5]. W pojazdach z napdem szeregowym, silnik spalinowy napdza generator, tworzc agregat prdotwórczy do adowania baterii akumulatorów i do zasilania zasilacza przeksztatnikowego. Elektryczny silnik trakcyjny zasilany z baterii akumulatorów przez blok zasilaczy przeksztatnikowych, napdza przez ukad przeniesienia napdu, osie napdowe pojazdu,. W pojazdach z napdem równolegym, jednostki napdowe: silnik spalinowy oraz silnik elektryczny, napdzaj równolegle osie napdowe pojazdu. Sumowanie mocy mechanicznej poszczególnych silników napdowych odbywa si przez superpozycj ich momentów napdowych na wspólnym wale, lub w ukadzie dwuosiowym przez superpozycj ich momentów napdowych, przy wykorzystaniu przekadni planetarnej [3, 4, 6].

 Rys. 1. Hybrydowy ukad napdowy samochodu Lexus RX 450h [4]

Na rys.1 przedstawiono schemat pogldowy hybrydowego ukadu napdowego samochodu Lexus RX 450h. [4]. Na schemacie zaznaczono wybrane elementy skadowe pojazdu oznaczone: (1, 8), 1 – spr arka klimatyzacji, 2 – przewody wysokiego napicia (pomaraczowe), 3 – sterownik mocy z przetwornic DC/DC, 4 – bateria akumulatorów, 5 – tylni silnik/generator, 6 – gniazdo serwisowe, 7 – przedni silnik/generator, 8 – silnik spalinowy. Ukad napdowy pojazdu posiada dwa silniki trakcyjne: spalinowy oraz elektryczny, które sprzgnite z ukadem przeniesienia napdu (skrzynia biegów i sprzgo), przekazuj moment napdowy na zespó kó jezdnych. Gównym napdem pojazdu jest silnik spalinowy. Silnik elektryczny jest wykorzystywany przy je dzie miejskiej, podczas rozruchu oraz w stanach dynamicznych pojazdu (przyspieszanie i hamowanie). Silnik elektryczny w stanach pracy pasywnej, pracuje jako generator i doadowuje baterie akumulatorów. Takie rozwizanie spowoduje obni enie emisji szkodliwych skadników podczas zimnego rozruchu silnika spalinowego ( rozruch silnikiem elektrycznym), Na rys. 2 przedstawiono ukad napdowy samochodu Opel Amper Hybrid, natomiast na rys.3 ukad napdowy pojazdu samochodu Audi Q5 Hybrid Quatro [5]. W tych rozwizaniach silnik elektryczny jest umieszczony midzy koem zamachowym a silnikiem spalinowym. Napd elektryczny jest przenoszony na koa jezdne podczas: ruszania pojazdu, przy maych prdkociach jazdy, oraz przy rozruchu silnika spalinowego.

Rys. 2. Ukad napdowy pojazdu Opel Amper Hybrid [4] 



Podczas hamowania pojazdu, silnik elektryczny przechodzi w zakres pracy generatorowej i doadowuje baterie akumulatorów. Napdy hybrydowe znalazy szerokie zastosowanie w pojazdach: wojskowych (pojazd AHED 8x8) [4], komunikacji miejskiej (pojazdy Solaris Urbino Hybrid), oraz jako specjalne pojazdy trakcyjne (MONTRAKS) [4], wykorzystywane w pracach remontowych sieci trakcyjnej.

3. MODEL MATEMATYCZNY POJAZDU

HYBRYDOWEGO

Model matematyczny hybrydowego pojazdu koowego jest superpozycj skadowych moduów (ukadu napdowego , zespou silników trakcyjnych: silnik elektryczny oraz silnik spalinowy, ukadu zasilania, oraz ukadu kinematycznego) pojazdu. Zjawiska zachodzce w poszczególnych moduach opisuj ukady nieliniowych równa ró niczkowych. Oprócz równa bazowych wystpuj równie równania sprzgajce poszczególne moduy. W referacie ograniczono si do opisu matematycznego pojazdu hybrydowego zo onego z: silnika indukcyjnego, ga nikowego silnika spalinowego, oraz ukadu przeniesienia napdu Przedmiotem analizy bdzie model skupiony pojazdu (brya sztywna), nie zawierajcy wizów nieholonomicznych. [5]. Analiz matematyczna przeprowadzono dla pojazdu hybrydowego w ukadzie równolegym. Dynamik ukadu napdowego pojazdu hybrydowego opisuje ukad równa (1):

Q

C

S

v

c

r

T

v

m

d p r k wy p





x ₂

2

1

U

(1) gdzie:

Moment napdowy silnika spalinowego mo na okreli z relacji (2):

) t t ( SI ) t t ( AFI ) t t ( ) t t ( m c T _{st st} st s st ao T s ' ' ' Z ' _{u  u }   u _x x (2) gdzie:

Cd wspóczynnik oporu powietrza,

Cr wspóczynnik oporu toczenia,

 vp gsto powietrza, prdko pojazdu, Q S ci ar pojazdu,

pole powierzchni czoowej samochodu

it

t

Stany dynamiczne zachodzce w indukcyjnym silniku trakcyjnym opisuje ukad równa ró niczkowych (3):





0 2 1 0 2 1 0 1 2 3 2 : 1 , , , r s r r r s r r m zobc s s r r r s s r m m r m d dt d dt p d J dt gdzie p

i

B

B

B

i

B

B

B

L

_i

_i

_T

L

L

L

B

B

B

R L

L

R L

D D E D E D D E E D D E Z Z Z

\

_\

_\

\

_\

_\

\

\

      (3) gdzie:

Celem sterowania elektrycznego silnika trakcyjnego jest zapewnienie odtwarzania zadanej trajektorii prdkoci obrotowej silnika Z oraz pseudonormy strumienia 0,5(\rd2 + \rq2 ). Zakada si e: Z i \d s gadkimi, zadanymi trajektoriami tych wielkoci,

natomiast nieznane parametry Jz i Mm s stae. Je eli eZ = ZM. - Z jest bdem ledzenia

trajektorii prdkoci to równanie (3) mo na przedstawi w postaci (4):

st

t

' opó nienie czasowe zaponu iskry

AFI wspóczynnik okrelajcy mieszank paliwa SI wspóczynnik okrelajcy dziaanie zaponu CT maksymalny moment dla AFI =1 i SI = 1

Rs rezystancja stojana silnika indukcyjnego

Rr rezystancja wirnika sprowadzona na stojan silnika indukcyjnego

Ls indukcyjno stojana silnika indukcyjnego

Lr indukcyjno wirnika sprowadzona na stojan silnika indukcyjnego

Lm indukcyjno magnesujca silnika indukcyjnego

Ë prdko obrotowa silnika indukcyjnego

Ùs cz rzeczywista strumienia magnetycznego stojana silnika indukcyjnego

ÙsÚ cz urojona strumienia magnetycznego stojana silnika indukcyjnego

Ùr

cz rzeczywista strumienia magnetycznego wirnika silnika indukcyjnego

ÙrÚ cz urojona strumienia magnetycznego wirnika silnika indukcyjnego







, : 2 2 , , , 3 3 s s r s M r r M M m m d J W dt gdzie d W J J dt p p M e i i J _{L L} M M L L M Z E D D E

\

\

Z

 ˜4   ª_ º « » « » ª º _{4 « »}  « »  « » ¬ ¼ « » « » ¬ ¼





(4)



W miejsce rzeczywistych wartoci strumieni: \rd, \rq operuje si ich estymatami: \rd ,

\rq . Je eli oznaczymy: \r =\r - \r , oraz \rÚ = \rÚ - \rÚ , to równanie (4) mo na

przedstawi w postaci (5): 







:



s s r r s s r r d J W dt gdzie

e

_i

_i

i

i

Z Z D E E D Z D E E D

\

\

Q

\

\

Q

˜4      (5)

Je eli narzucimy na pomocnicze sterowanie QZ dodatkowe prawo sterowania:



Q

_{Z = W 4}

+K

_Z

e

_Z (6)

gdzie: K_Z jest dodatnim parametrem projektowym, a 4 zmienn aktualizowan wedug prawa adaptacji:

d

4

/dt =

* W

T

e

, gdzie: * jest dodatnio okrelon macierz parametrów projektowych, a

4

*

=

4

*

-

4, wtedy zachodzi:



r s r s



d W dt

e

J

Z

K

Z Z

e

\

D

i

E

\

E

i

D   

4

(7)

Ukad równa opisujcych obserwator strumienia mo na przedstawi w postaci (8):

 0 1 2 0 1 2 : , r s r r r s r r s s d x dt d y dt gdzie x y

i

B

B

B

i

B

B

B

e i

e i

D D D E E D E D Z E Z D

\

_\

_\

\

_\

_\

       (8) Po przyjciu:



e

_\

=

\

d

0,5(

\

rd 2

+

\

rq 2

)

(9)







2 2 0 0 1 : d rd rq sd sq rd rw d d dt dt gdzie

e

e

B

B

B

i

i

     \ \ \ Z \

\

_Q

_Q

_{\ \}

\

\

Q



(10)



Je eli na pomocnicz zmienn sterujc Q\ narzucimy dodatkowe prawo sterowania postaci (11):



\ \ \ Z Z

Q

K e



B

d

\

_dtd

e

Q



B

§_©¨

\ \

 _¹¸· rd rq 0 1 2 2



(11)



wtedy równanie opisujce dynamik bdu e_\ upraszcza si do postaci:

0

B

d_dt

e

\ 

K e

\ \ (12) gdzie K\ jest dodatnim parametrem projektowym

Ukady równa ró niczkowych: (1-12) umo liwiaj przeprowadzenie analizy zjawisk zachodzcych w modelach matematycznych pojazdu trakcyjnego z napdem hybrydowym.

4. STEROWANIE QUASI DYNAMICZNE POJAZDEM

HYBRYDOWYM

Sterowanie quasi dynamiczne pojazdu trakcyjnego polega na realizacji predykcyjnych algorytmów sterowania oraz prognozowaniu trasy przejazdu pojazdu z uwzgldnieniem: konfiguracji trasy, warunków drogowych, oraz nat enia ruchu pojazdów. Sterowanie to zawiera algorytmy sterowania predykcyjnego MPC – Model Predictive Control oraz algorytmy sterowania z przesuwanym poziomem odniesienia (horyzont) RHC – Receeding Horizont Control. Przy sterowaniu predykcyjnym sterownik definiuje parametry sterowania z wyprzedzeniem czasowym, przed zmianami wielkoci wyjciowych Jest to metoda sterowania obiektem dynamicznym, polegajca na cyklicznym rozwizywaniu zada sterowania optymalnego, z warunkami pocztkowymi okrelonymi przez bie c estymacj stanu obiektu. Rozwizania pierwotne s cyklicznie podawane na wejcie obiektu, a ca procedur powtarza si dla nowego, aktualnie wyznaczonego stanu obiektu. Dla dyskretnych ukadów regulacji predykcyjnej istota sterowania polega na minimalizacji ró nic midzy wartociami wielkoci regulowanych x(i+ p(i)) przewidywanymi w chwili i, na przysz chwil i+p, a wartociami zadanymi dla tych wyj r((i+p(i)), na poziomie predykcji H(p (i,H). Minimalizacja ró nic jest rozumiana w sensie minimalizacji okrelonego kryterium jakoci . W kolejnej chwili (i+1) nastpuje nowy pomiar sygnau wyjciowego obiektu i caa procedura jest powtarzana z takim samym poziomem

predykcji H. Stosuje si wic zasad sterowania repetycyjnego. W funkcji kryterialnej zamiast trajektorii wartoci zadanych mo na zastosowa. trajektori porównawcz. Algorytmy regulacji predykcyjnej definiuj: wyznaczanie cigu przyszych wartoci sygnau sterujcego. sterowanie wedug modelu odniesienia przez zdefiniowan dla wielkoci wyjciowej trajektori odniesienia. uwzgldnienie przyszych zmian wartoci zadanej. Algorytmy sterowania predykcyjnego wymagaj: pomiaru lub estymacj aktualnego stanu obiektu, obliczenie przyszych progresji sygnaów wejciowych i wyjciowych systemu (sterownik MPC mo e wykorzystywa filtr Kalmana jako predyktor zmiennych stanu oraz sygnaów sterujcych), zastosowanie pierwszej sekwencj sygnaów sterujcych, w kolejnej sekwencji czasowej powtórzenie algorytmu. Schemat blokowy sterowania predykcyjnego pojazdu trakcyjnego przedstawiono na rys.4. Przy sterowaniu predykcyjnym sterowanie obiektu polega na rozwizywaniu sekwencji zada optymalizacji dynamicznej w ptli otwartej. Jako obiekt sterowania predykcyjnego pojazdu trakcyjnego wykorzystuje si model matematyczny pojazdu w postaci równa stanu [4, 7]. S to równania ró niczkowe nieliniowe, dlatego do sterowania pojazdu s wykorzystywane suboptymalne algorytmy MPC. Warto sygnau sterujcego mo na wyznaczy przez wprowadzenie do syntezy regulatora MPC tzw. trajektorii odniesienia. Model matematyczny rzeczywistego obiektu fizycznego pojazdu trakcyjnego jest modelem przybli onym. Wpyw zao e upraszczajcych na obiekt regulacji, du a wra liwo rozwiza na zmiany warunków pocztkowych, oraz losowe decyzje podejmowane w warstwie zarzdzania, powoduj szybki przyrost bdu predykcji, dlatego dokadne przewidywanie przyszego zachowania obiektów fizycznych jest mo liwe tylko w krótkim poziomie odniesienia (horyzoncie).

 

Rys. 4. Schemat blokowy sterowania predykcyjnego pojazdu trakcyjnego

Poziom predykcji w zadaniu optymalizacji sterowania pojazdem powinien by mo liwie krótki, przy jednoczesnym spenieniu wymaga stabilnoci ukadu. W algorytmach regulacji predykcyjnej dla wyznaczenia wartoci sygnaów sterujcych w chwili bie cej oraz chwilach kolejnych, wyznacza si minimum funkcji celu zdefiniowanej dla zao onych kryteriów. [5]. Funkcja ta okrela jako regulacji na danym poziomie predykcji. Sprowadza si to do minimalizacji wska nika jakoci regulacji, który jest funkcj predykcji wielkoci wyjciowej obiektu. Funkcj optymalizujc mo na

przedstawi w postaci równania (13):





2 2 1 1 Î i i N N x i i u i i i J

¦

w rx 

¦

w u (13)

Minimalizacja wska nika J jest realizowana dla przyszych wartoci sygnau sterujcego w obrbie poziomu predykcji H, z uwzgldnieniem ewentualnego "scenariusza przyszych sterowa". Kryterium (4) w przypadku wielowymiarowym zapisa mo na w postaci (14):

 





arg min 0 ,

u

u J x u (14)

gdzie: arg min oznacza warto argumentu dla którego funkcja osiga minimum;

 





   

 

 

 

1 0 , , , N Q R i

J x u

¦

&x i r i & &u i & x i X u i U

   



 

T



Q i i i i x i r i x r Q x r & & (15)

 

T R i i u i u Ru & &

gdzie: Q, R, - s odpowiednimi macierzami wagowymi.

Podane funkcje celu uwzgldniaj tak e czynniki zwizane z uchybami:

x

i

- r

i a wic

regulacja predykcyjna pojazdu trakcyjnego, oparta na tych kryteriach realizuje zadania sterowania optymalnego razem z zadaniami regulacji nad nej. Do parametrów strojenia algorytmów sterowania predykcyjnego zalicza si: poziom odniesienia (horyzont) predykcji H, horyzont sterowania L, parametr trajektorii odniesienia



, oraz wagi dla sterowania ,

i i

x u

w w [4, 7].

5. ALGORYTMY STEROWANIA NADRZDNEGO

POJAZDU

Sterowanie nadrzdne musi zapewnia realizacj zao onych zada przewozowych w okrelonym czasie, przy zadawanej iloci rodków transportowych, oraz minimalnym zu yciu energii. Zadania przewozowe powinny by zrealizowane przy minimalnych kosztach ekonomicznych. Dobór optymalnych parametrów sterowania hybrydowego pojazdu koowego mo na zrealizowa w oparciu o probabilistyczne modele intensyfikacji ruchu oraz gstoci prawdopodobiestwa wystpienia okrelonych mas pojazdów w danym przedziale czasu.[4, 6]. W tym celu wypadkowy zbiór wielkoci decyzyjnych,

nale y przyporzdkowa do n przedziaów czasowych, (przy uwzgldnieniu rzeczywistych warunków eksploatacyjnych i wyznaczeniu wspóczynników wagi poszczególnych zdarze). Wypadkowa funkcja celu bdzie sum iloczynów lokalnych funkcji optymalizacyjnych, wspóczynników wagi oraz gstoci prawdopodobiestwa mas pojazdów. Do zbioru zmiennych decyzyjnych mo na zaliczy: parametry eksploatacyjne pojazdu (masa pojazdu, adowno pojazdu, prdko maksymalna, sia pocigowa), analizowany ukad komunikacyjny, oraz parametry zasilania pojazdu. Funkcja celu trakcyjnego silnika napdowego musi uwzgldnia zagadnienia energooszczdnoci, koszty u ytkowania i wytworzenia silnika. Musz by spenione nastpujce warunki (16):

 









^

`

^

C

C

`

dla

x

Y

 

y

C

y

x

C

Y

y

y

X

x

M

m m m n 1 , , 0 0

min

3

,

1

,

,

,

max



d







K

(16) gdzie: Cm = mCu cCu + mAl cAl + mFecFe + miz ciz,,

Cm - koszt u ytkowania materiaów czynnych

Co - koszt u ytkowania silnika,

Cm o - koszt u ytkowania silnika wykonanego z okrelonych materiaów,

Kn - sprawno znamionowa silnika,

x, y - wspórzdne wektorów bdcych zmiennymi optymalizacyjnymi, X, Y - zbiory wielkoci dopuszczalnych

Aby zapewni ograniczone zu ycie energii przez silniki napdowe pojazdu musi by speniony warunek (17):

>

@

>

K M

@



_Z



  k˜ d kmaxˆ k˜ k Z Mmax j n 1 k , 0 przy max j _{I cos} I (17) gdzie:

Ik– prd pobierany z zasilacza przez k-ty silnik trakcyjny,

ZMmax- maksymalna prdko obrotowa k tego silnika trakcyjnego

Ruch pojazdów mo e odbywa si po trasach o ró nych konfiguracjach i strukturze. Aby zapewni realizacj zada transportowych nale y obliczy minimum wska nika jakoci (18)



   

  

>

@

 

 

^

`

J q_E k_H F t_P k_H F t_{P p} t q F t_{R P} dt tj 1 2 0 1  1 

³

X (18) gdzie:

t_j-zadany czas przejazdu danego odcinka trasy,

k_H-stosunek kosztów pracy potrzebnej do jazdy do sumy kosztów jazdy i hamowania, q_E,q_R-wspóczynniki wagowe w bilansie energetycznym ukadu,

Aby ograniczy bdy sterowania suboptymalnego: adaptacyjnego lub nad nego, nale y obliczy minimum wska nika jakoci zdefiniowanego jako (19):

 

 

>

 

 

 

@

J_n f_{l l} t f_{v v} t q_{l l} t q_{v v} t q F t dt_{R P} tj  

_³

  H2 H2 H2 H2 2 0 (19)

gdzie:

H_l(t)= l_z(t)-l_R(t) -ró nica midzy zadan a rzeczywist zmian drogi,

Hv(t)= vZ(t)-vR(t) -ró nica midzy zadan a rzeczywist prdkoci jazdy pojazdu,

f_l,f_v,q_l,q_R,q_{v - wspóczynniki wagowe poszczególnych parametrów jazdy}

Warunki (7-10) opisuj lokalne funkcje celu, uwzgldniajce zagadnienia elektromagnetyczne, elektromechaniczne, kinematyczne oraz przewozowe. Wypadkowa funkcja celu wynikajca z wymogów sterowania wielopoziomowego, uwzgldnia tak e wspóczynniki wagi oraz funkcje kary [3, 6]

6. BADANIA SYMULACYJNE ORAZ

EKSPERYMENTALNE POJAZDU

Dla modeli pojazdów koowych: z napdem hybrydowym, zo onych z silnika spalinowego, energooszczdnego indukcyjnego silnika trakcyjnego, obci onych maszyn prdu staego, opracowano modele symulacyjne z wykorzystaniem procedur programów komputerowych: Matlab Simulink, Portunus, oraz Simulation X Schemat blokowy modelu symulacyjnego pojazdu trakcyjnego przedstawiono na rys. 5.

Szczegóowe modele matematyczne trakcyjnego pojazdu koowego z napdem hybrydowym uwzgldniajce stany dynamiczne zachodzce w czciach: elektromechanicznych, kinematycznych, napdowych oraz zjawiska zachodzce w silniku, przedstawiono w [5]. Opracowane przez Autora algorytmy sterowania predykcyjnego oraz nad nego przetestowano na modelach komputerowych pojazdu trakcyjnego, dla ró nych wariantów sterowania: sterowanie rczne, póautomatyczne, automatyczne, dla ró nych warunków drogowych: jazda miejska, jazda drogowa, przy zró nicowanym udziale kierowcy pojazdu.

 

Rys. 5. Model symulacyjny pojazdu koowego z napdem hybrydowym

Obliczenia symulacyjne przeprowadzono dla modeli pojazdów trakcyjnych z napdem hybrydowym w ró nych wariantach pocze napdu spalinowego i elektrycznego: szeregowej, równolegej, oraz dla ukadu z wykorzystaniem przekadni planetarnych wielopoziomowych. Wyniki oblicze symulacyjnych przedstawiono na rys.(6, 9).

 

Rys. 7. Przebieg momentów: Twy,Ts,Tei podczas przyspieszania pojazdu

Na rys.6 przedstawiano przebieg zmian prdkoci pojazdu hybrydowego podczas przyspieszania pojazdu, na rys.7 przedstawiono przebiegi czasowe momentu napdu elektrycznego Tel, spalinowego Tsp oraz momentu wypadkowego Twyp w stanach

dynamicznych pojazdu.

Na rys.8 przedstawione przebiegi zmian momentu napdowego Tel, a na rys.9 przebieg

prdkoci pojazdu wel przy sterowaniu czstotliwociowym elektrycznego silnika

trakcyjnego. Opracowane modele sterowania quasi dynamicznego zostay czciowo zweryfikowany badaniami laboratoryjnymi. Wyniki bada potwierdziy celowo wprowadzenia sterowania quasi dynamicznego do sterowania pojazdem koowym z napdem hybrydowym

7. ZAKOCZENIE

Sterowanie pojazdem koowym z napdem hybrydowym powinno uwzgldnia: rodzaj napdu (napd spalinowy, napd elektryczny, napd hybrydowy), ukad kinematyczny pojazdu (rodzaj zaponu, ukad przeniesienia napdu), oraz parametry eksploatacyjne (konfiguracja terenu, maksymalne prdkoci i przyspieszenia). Czynniki te uwzgldnia w pewnym stopniu sterowanie nadrzdne. W zale noci od przyjtych priorytetów, uzyskuje si odpowiedni globaln funkcj celu. Przy obliczeniach przybli onych uwzgldnia si tylko wybrane algorytmy sterowania, przyjmujc pozostae parametry jako stae. Zastosowanie komputerów pokadowych w poje dzie hybrydowym zapewni realizacj zo onych algorytmów sterowania, niezale nie od ingerencji kierowcy, ekonomiczn prace pojazdu oraz bezpieczna eksploatacj pojazdu. Algorytmy sterowania quasi dynamicznego, du a ilo nowoczesnych czujników pomiarowych oraz inteligentne ukady sterowania wspomagajce prac kierowcy zapewniaj bezpieczn i energooszczdna eksploatacj pojazdu. Ukady diagnostyczne zainstalowane w poje dzie sygnalizuj potencjalne stany awaryjne i zapobiegaj uszkodzeniu pojazdu. Metodyka bada zaproponowana przez

Autora mo e by podstaw do opracowania samochodu inteligentnego w którym rola kierowcy ograniczy si do uruchomienia pojazdu i wprowadzeniu danych eksploatacyjnych.



Rys. 8. Przebieg zmian momentu napdowego pojazdu trakcyjnego przy

sterowaniu czstotliwociowym



Rys. 9. Przebieg zmian prdkoci obrotowej trakcyjnego pojazdu przy sterowaniu

czstotliwociowym



Bibliografia



1. Lucente G, Montari M.: Hybrid modeling of a car driveline for servo-actuated gear shift. Proceedings of the IEEE ISIE’05, June, Dubrovnik, 2005, pp.223-228.

2. Miller J.M, Gao Y, Ehsani M.: Hybrid electric vehicle: overview and state of art. Proceedings of the IEEE ISIE’05, June, Dubrovnik, 2005, pp. 307-315.

3. Szymaski Z.: Sterowanie energooszczdne trakcyjnego pojazdu koowego z napdem Elektrycznym lub hybrydowym. Materiay Konferencyjne Semtrak’04. Zakopane, wrzesie 2004.

4. Szymaski Z.: Sterowanie optymalne pojazdów koowych oraz szynowych z napdem hybrydowym. Materiay Midzynarodowej Konferencji MET’05, pa dziernik, Warszawa, 2005.

5. Szymaski Z.: Sterowanie wielopoziomowe ukadu napdowego pojazdu trakcyjnego z napdem elektrycznym i hybrydowym. Czasopismo Techniczne Politechniki Krakowskiej nr.5, Kraków 2007. 6. Szymaski Z.: Sterowanie multikryterialne pojazdu trakcyjnego. Materiay midzynarodowej Konferencji

Transport XXI wieku. Biaowie a. wrzesie,2011.

7. Szymaski Z.: Nowoczesne hybrydowe napdy pojazdów koowych oraz szynowych. Monografia, Gliwice, 2013 r, w druku.

 

QUASI DYNAMIC CONTROL SYSTEM OF WHEEL VEHICLE WITH HYBRID DRIVE SYSTEM

Summary: In the paper present’s a physical and mathematical models of: kinetic system, drive system (traction motors (electric and combustion) and also supply system of traction vehicle: wheel and rails ( car, special vehicle, modern tram vehicle). Selected control algorithms of traction vehicle: predictive and quasi dynamic control system presented in the paper.. For selected constructions of drive a traction vehicle presented simulation models and results of calculations of different exploitations state of wheel vehicle with hybrid drive. Results of computer calculations one verified with laboratory measurement, introducing suitable corrections to simulations models.

Franciszek Tomaszewski, Wojciech Misztal

Politechnika Poznaska, Wydzia Maszyn Roboczych i Transportu

OCENA HAASU GENEROWANEGO PODCZAS

STARTU STATKU POWIETRZNEGO

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: Artyku dotyczy bada haasu generowanego podczas operacji startu samolotu

wielozadaniowego F-16. Badania przeprowadzone zostay w otoczeniu lotniska wojskowego Pozna –Krzesiny, które znajduje si w poudniowo – wschodniej czci Poznania. Przeprowadzono je w trzech wybranych punktach pomiarowych. Pozyskano w ten sposób dane dotyczce wybranych wska ników poziomu haasu w odniesieniu do pojedynczych operacji startu. Uwzgldniajc wyniki pomiarów wykonano niezbdne obliczenia kolejnych wska ników. W celu sprawdzenia poziomu przybli enia wartoci symulowanych w programie INM do wartoci uzyskanych poprzez badania empiryczne, porównano ze sob wartoci uzyskane dla poszczególnych bada i wyznaczono bd wzgldny aproksymacji. W kocowej czci artykuu sprecyzowano wnioski kocowe.

Sowa kluczowe: haas lotniczy, lotnisko, samolot

1. WPROWADZENIE

O ujemnym dziaaniu haasu na organizm ludzki wiadomo od dawna. W starych przekazach chiskich podano, e najci sz kar, jak wymierzano przestpcom, byo pozbawienie ich snu i tortura haasem. yjcy w latach 1493 – 1541 sawny niemiecki lekarz i przyrodnik Paracelsus w dziele pt. „O suchotach i innych chorobach górników” opisywa schorzenia uszu i guchot, wystpujce u ludzi pracujcych w kopalniach. Woski uczony Ramazzini w 1700 roku wyda ksi k o chorobach rzemielników, w której opisa chorob uszu i bóle gowy, powodowane przez gony haas i stukot towarzyszcy obróbce metali, oraz jako pierwszy wskaza na zjawisko stopniowej utraty suchu, prowadzce do cakowitej guchoty [1].

W wieku XX znacznie zwikszyy si zagro enia zwizane ze wzrostem nat enia haasu, zwaszcza w ostatnich dziesicioleciach, po lawinowym rozwoju rodków komunikacji ldowej i lotniczej, które razem z przemysem zaczy ksztatowa szeroko rozumiane rodowisko czowieka [1]. Haas wpywa na zakócenie wielu procesów fizjologicznych. Badania potwierdziy zwikszenie czstotliwoci ttna, cinienia krwi, aktywnoci miniowej, a tak e nieprawidowoci przemiany materii. Nieoczekiwane i silne impulsy d wikowe mog powodowa zaburzenia w wydzielaniu enzymów

4 2

trawiennych, powodujc schorzenia ukadu pokarmowego. Te zmiany, w poczeniu z zaburzeniami oddychania, s jedn z wielu przyczyn stresu wywoanego przez haas.

2. SAMOLOT JAKO RÓDO HAASU

Ruch lotniczy i obsuga samolotów w porcie lotniczym wi  si z powstawaniem haasu, którego gównym ródem s silniki samolotów zarówno podczas wykonywania operacji powietrznych jak i naziemnych. Ocen uci liwoci haasu rodowiskowego wyznacza si poprzez porównanie wartoci wyznaczonych z wartociami poziomów dopuszczalnych i progowych. Przekroczenie wartoci progowych powoduje zaliczenie obszaru do kategorii terenu zagro onego haasem [4, 6].

W przypadku haasu lotniczego miar dopuszczalnego poziomu haasu w rodowisku dla startów, ldowa i przelotów statków powietrznych jest warto dugotrwaego redniego poziomu d wiku A (LA) okrelonego dla dugotrwaego przedziau czasu

trwajcego 6 kolejnych miesicy, najmniej korzystnych pod wzgldem akustycznym [6]. Drugim wska nikiem oceny uci liwoci haasu, ale odnoszcym si do pojedynczej operacji lotniczej w porze nocnej, jest ekspozycyjny poziom d wiku A (LAE), przy czym

nale y zauwa y, e ustawa Prawo ochrony rodowiska z dnia 27 kwietnia 2001r. ustala do oceny uci liwoci haasu tylko równowa ny poziom d wiku A [8].

W samolotach odrzutowych ródem haasu zewntrznego s: x strumienie gazów spalinowych (poz. 1 na rysunku 1),

x strumienie powietrza (na wlotach powietrza silników) czerpanego z orodka otaczajcego (poz. 2 na rysunku 1),

x haasy powstajce w wyniku drga mechanicznych skrzyde, kaduba i innych elementów pokrycia, oraz ró nych elementów i urzdze konstrukcji samolotu i zespou napdowego (poz. 3 na rysunku 1),

x haasy wytwarzane przez prac wentylatora, kompresora i turbiny, wtrysk paliwa, spalanie paliwa w komorze spalania, prac agregatów i urzdze pomocniczych (poz. 4 na rysunku 1).

Rys. 1. róda haasu zewntrznego w samolocie z napdem odrzutowym [3]

1 3

Rozpatrujc wpyw zewntrznego haasu lotniczego na rodowisko nie mo na pomin oddziaywania cinienia akustycznego. Poczwszy od wprowadzenia do eksploatacji samolotów o napdzie odrzutowym przeprowadzono szereg bada zwizanych z wpywem cinienia akustycznego na konstrukcj samolotu. Wielkoci powstajcych cinie akustycznych oraz skala czstotliwoci widma akustycznego, odpowiadajce maksymalnej energii pola akustycznego, zale  od parametrów dyszy wyjciowej, parametrów strumienia gazów spalinowych, parametrów orodka otaczajcego i od poo enia stanowiska pomiarowego w stosunku do dyszy wylotowej [5].

Charakterystyka widmowa i poziom d wiku haasu zewntrznego, emitowanego przez samolot odrzutowy, turbomigowy lub tokowy, znajdujcy si na paszczy nie postojowej z pracujcymi silnikami zespou napdowego, zale y od wielu parametrów, m.in. od [5]:

x rodzaju napdu,

x liczby i waciwoci technicznych silników w zespole napdowym, ich mocy wzgldnie cigu, x rednicy miga, liczby opat, szerokoci i gruboci opat, wielkoci obci enia opat,

prdkoci obwodowej koców opat miga, odlegoci od ziemi do rodka miga, x wysokoci od ziemi do rodka dyszy wylotowej, jej rednicy w miejscu wypywu

strumienia gazów spalinowych, kta nachylenia dyszy wylotowej w odniesieniu do poziomu,

x wymiarów geometrycznych samolotu, usytuowania silników zespou napdowego w stosunku do konstrukcji caego samolotu, sposobu zabudowy silników w zespole napdowym,

x warunków atmosferycznych, a przede wszystkim temperatury, cinienia i wilgotnoci wzgldnej powietrza oraz prdkoci i kierunku wiatru,

x sposobu zagospodarowania przestrzennego terenu w najbli szym otoczeniu samolotu. Gazy spalinowe silników odrzutowych s gazami ciliwymi, stanowicymi na wyjciu z dyszy mieszanin spalin i powietrza. Ruch strumienia gazu ciliwego mo e by podzielony na dwa zasadniczo ró nice si przepywy:

x przepyw podd wikowy, pozbawiony struktury okresowej, x przepyw nadd wikowy, majcy struktur okresow.

Wypywajcy z silnika strumie gazu silnikowego zarówno podd wikowy, jak i nadd wikowy, jest charakteryzowany za pomoc parametrów akustycznych i gazodynamicznych. Z przytoczonych powy ej stwierdze wynika, e wypyw strumienia gazu spalinowego z dyszy silnika odrzutowego ma charakter zjawiska aerodynamicznego i akustycznego.

3. NORMY ZWIZANE Z HAASEM LOTNICZYM

W polskim systemie prawnym aktualnie obowizuj nastpujce normy dotyczce ochrony rodowiska przed haasem:

x PN-ISO 1996-1 „Akustyka. Opis, pomiary i ocena haasu rodowiskowego. Cz 1: Wielkoci podstawowe i procedury oceny”

Zdefiniowano w niej podstawowe wielkoci stosowane do opisu haasu rodowiskowego oraz przedstawiono podstawowe procedury okrelania tych wielkoci. Podano równie metody oceny haasu rodowiskowego oraz przewidywania ewentualnej reakcji spoecznoci na dokuczliwo spowodowan dugotrwa ekspozycj na ró nego rodzaju haas rodowiskowy.

x PN-ISO 1996-2 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Zbieranie danych dotyczcych sposobu zagospodarowania terenu”

W normie tej okrelono podstawowe metody stosowane przy ocenie i opisie haasu rodowiskowego z uwzgldnieniem sposobu u ytkowania terenu.

x PN-ISO 1996-3 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Wytyczne dotyczce dopuszczalnych poziomów haasu”

W normie podano wytyczne ustalania wartoci dopuszczalnych poziomów haasu i opisano metody zbierania danych, umo liwiajcych skontrolowanie okrelonych sytuacji akustycznych w celu porównania stanu faktycznego z ustalonymi poziomami dopuszczalnymi.

x PN-ISO 7196:2002 „Akustyka. Charakterystyka czstotliwociowa filtru do pomiarów infrad wików”.

Okrelono w niej charakterystyk czstotliwociow filtru G do wyznaczania skorygowanych poziomów cinienia akustycznego d wiku lub haasu, którego widmo le y czciowo lub cakowicie w zakresie czstotliwoci od 1 Hz do 20 Hz. Zawarto tam równie wymagania dotyczce aparatury do mierzenia infrad wików.

x PN-ISO 9612:2009 „Akustyka. Wytyczne do pomiarów i oceny ekspozycji na haas w rodowisku pracy”

Zawarto w niej ogólne wytyczne dotyczce rodzaju i miejsca wykonywania pomiarów wymaganych do oceny haasu oddziaywujcego na czowieka w celu monitorowania zgodnoci z obowizujcymi przepisami oraz w celu uzasadnienia potrzeby redukcji haasu przez zastosowanie rodków ochrony przed haasem.

x PN-ISO 9612:2011 „Akustyka. Wyznaczanie zawodowej ekspozycji na haas. Metoda techniczna”

W normie okrelono techniczn metod pomiarów ekspozycji na haas w rodowisku pracy i metod obliczania poziomu ekspozycji, u yteczn w przypadku, gdy wymagane jest wyznaczenie ekspozycji na haas z techniczn klas dokadnoci. Opisano trzy ró ne strategie pomiarów. Przewidziano metody oceny dla niepewnoci pomiarów. x PN-N-01307:1994 „Haas. Dopuszczalne wartoci parametrów haasu w rodowisku

pracy. Wymagania dotyczce wykonywania pomiarów”

W normie okrelono dopuszczalne wartoci haasu w rodowisku pracy ze wzgldu na ochron suchu i mo liwo realizacji przez pracownika jego podstawowych zada oraz wymagania dotyczce wykonywania pomiarów, ustalone na podstawie przepisów i norm midzynarodowych. Norma dotyczy wszystkich rodzajów haasu (ustalonego, nieustalonego i impulsowego) z wczeniem haasu infrad wikowego i ultra-d wikowego

x PN-Z-01338:2010 „Akustyka. Pomiar i ocena haasu infrad wikowego na stano-wiskach pracy”

W normie okrelono zakres czstotliwoci od 1Hz do 20 Hz dla haasu infra-d wikowego. Podano nowe wartoci odniesienia poziomów cinienia akustycznego

oraz wprowadzono nowe wymagania dotyczce przeprowadzania pomiarów i oceny wyników.

Przegld powy szych norm doprowadzi do wniosku, e normy te dotycz przede wszystkim pomiaru i oceny haasu na stanowiskach pracy, a haasu rodowiskowego jedynie w obszarze procedur pomiarowych. W odniesieniu do pomiaru i oceny haasu lotniczego stwierdzono brak norm bezporednio zwizanych z tym obszarem [2].

4. METODYKA BADA HAASU SAMOLOTU

PODCZAS STARTU

Badania haasu podczas startów samolotów odrzutowych przeprowadzono w 2011r. w cisym otoczeniu lotniska wojskowego Pozna – Krzesiny. Od 2005r. stacjonuj tam samoloty wielozadaniowe F-16. U ywane s do szkolenia pilotów oraz w celu ochrony granic RP. W Poznaniu oraz asku stacjonuj 3 eskadry, cznie 48 samolotów. W 2012 roku z lotniska wojskowego Pozna – Krzesiny zrealizowano okoo 10 tysicy operacji powietrznych (startów, ldowa lub touch&go).

Samolot F-16 Block 52+ dla Polski jest jedn z najbardziej zaawansowanych wersji tego samolotu jaka istnieje (ustpuje jedynie samolotom Block 60 zaprojektowanym specjalnie dla Zjednoczonych Emiratów Arabskich). Stanowi on wersj rozwojow wyposa on we wszystkie dostpne opcje wyposa enia.

Rysunek i szkic samolotu wielozadaniowego F-16 wersja Block 52 w barwach Si Powietrznych RP przedstawiono na rysunku 2.

      

Rys. 2. Samolot wielozadaniowy F-16 Block 52 [9]

Napd samolotu stanowi moduowy silnik firmy Pratt & Whitney F100-PW-229 osigajcy cig 79,13 kN, a z dopalaniem 128,91 kN. Jest to silnik dwuprzepywowy z dysz regulowan hydraulicznie. Posiada trzystopniow spr ark niskiego cinienia i dziesiciostopniow spr ark wysokiego cinienia, obie wykonane z tytanu. Komora spalania jest piercieniowa, a turbiny dwustopniowe. Dziki zastosowaniu nowych spr arek i wentylatorów spr silnika wzrós z dotychczasowych 25 do 31.

To rozwizanie oraz podniesienie temperatury przed turbin o dodatkowe 100 stopni Celsjusza, pozwolio na zwikszenie cigu silnika.

Wszystkie pomiary haasu w obrbie lotniska wojskowego Pozna-Krzesiny wykonano miernikiem poziomu haasu typu 2250 firmy Brüel & Kjær.

Przyrzd 2250 jest przyrzdem pomiarowym 1 klasy dokadnoci i jest zgodny z obowizujcymi obecnie normami midzynarodowymi oraz krajowymi dotyczcymi mierników poziomu d wiku. W pierwotnej konfiguracji miernik ten wyposa ony jest w podstawowy modu programowy BZ 7222, przedwzmacniacz mikrofonowy ZC 0032 i wstpnie polaryzowany 1/2Û pojemnociowy mikrofon pola swobodnego typu 4189. Dziki zastosowaniu dwóch detektorów wartoci skutecznej i szczytowej mo na przy jego u yciu wykona pomiary przy zastosowaniu ró nych korekcji czstotiwociowych („A” „C” lub „Liniowo”) oraz staych czasowych: „F” (Fast = 125 ms), „S” (Slow =1 s), „I” (Impulse = 1,5 ÷ 35 ms). Korekcja czstotliwociowa wedug charakterystyki „A”  polega na elektronicznej korekcji czstotliwociowej mierzonego sygnau wedug charakterystyki stymulujcej reakcje ludzkiego suchu na d wiki z zakresu pasma syszalnego.

Lokalizacja punktów pomiarowych, okrelenie warunków bada oraz dobór metody badawczej opracowane zostay na podstawie wytycznych zawartych w:

x Rozporzdzeniu Ministra rodowiska z dnia 16 czerwca 2011 r. w sprawie wymaga w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów substancji lub energii w rodowisku przez zarzdzajcego drog, lini kolejow, lini tramwajow, lotniskiem lub portem [7], x normie PN-ISO 1996-1 „Akustyka. Opis, pomiary i ocena haasu rodowiskowego.

Cz 1: Wielkoci podstawowe i procedury oceny” [10],

x normie PN-ISO 1996-2 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Zbieranie danych dotyczcych sposobu zagospodarowania terenu” [11],

x normie PN-ISO 1996-3 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Wytyczne dotyczce dopuszczalnych poziomów haasu” [12].

Wybór punktów pomiarowych do bada wokó lotniska Pozna – Krzesiny podyktowany by procentowym udziaem iloci startów z progów RWY12 i RWY30. W zwizku z faktem, e na obszarze funkcjonowania lotniska przewa aj zachodnie kierunki wiatrów, co jest cile zwizane z mo liwoci startu statków powietrznych (start pod wiatr), szacuje si, e ponad 90% startów z lotniska Pozna – Krzesiny odbywa si z progu pasa RWY30. Rozkad procentowy w odniesieniu do startów z RWY30 wykazuje a 80% startów kierowanych jest przez wie  kontroli lotów w kierunku poudniowym (na lewo od osi wzdu nej pasa startowego). Na przykadowym wykresie izofon poziomu d wiku LAEQD (utworzonym podczas bada symulacyjnych), zaznaczono trzy wybrane

punkty pomiarowe tak, aby ka dy z nich znajdowa si w obszarze objtym innym przedziaem poziomu d wiku LAEQD, tj.:

x punkt pomiarowy 1: 80-89 dB, x punkt pomiarowy 2: 70-79 dB, x punkt pomiarowy 3: 60-69 dB.

Podstawowym kryterium wyboru punktów pomiarowych w ww. zakresach byo usytuowanie punktów na linii cie ki odlotowej dla wybranego kierunku. Zao enie to pozwolio wyeliminowa ewentualne rozbie noci pomidzy wynikami przy ró nych warunkach atmosferycznych (miaoby to miejsce w przypadku usytuowania punktu pomiarowego blisko granicy izofonu).

Punkt pomiarowy 1 usytuowany zosta przy granicy lotniska na przedu eniu osi pasa

startowego z RWY30. Otoczenie punktu pomiarowego 1 stanowiy domki jednorodzinne i gospodarstwa rolne o stosunkowo niskim zagszczeniu zabudowy (rysunek 3).

Punkt pomiarowy 2 umieszczono w odlegoci ok. 3 km w linii cie ki lotu od punktu

pomiarowego 1. Okolica punktu pomiarowego 2 to niezamieszkae tereny zalewowe rzeki Warty o elewacji ok. 30m ni szej od poziomu lotniska (rysunek 3).

Lokalizacj punktu pomiarowego 3 stanowio przesunicie miejsca punktu pomiarowego 2 o kolejne 7 km wzdu linii cie ki lotu. Jego otoczeniem bya niska zabudowa mieszkaniowa wraz z polami uprawnymi (rysunek 3). Usytuowanie punktów pomiarowych przestawiono na rysunku 3.



 Rys. 3. Lokalizacja punktów pomiarowych w oparciu o cie k lotu z progu RWY30

Dobór kolejnych punktów pomiarowych okaza si bezcelowy ze wzgldu na znaczn wysoko statku powietrznego od powierzchni ziemi i niski poziom haasu na dalszych obszarach od lotniska Pozna - Krzesiny.

Badania w poszczególnych punktach pomiarowych odbyway si kilkuetapowo dla zapewnienia wiarygodnoci uzyskiwanych wyników. Pomiary te wykonywano w ró nych dniach, o ró nych porach dnia, a co si z tym wi e – przy ró nych warunkach atmosferycznych. Dobór czasu wykonywania pomiarów by cile zale ny od:

x miesicznego rozkadu lotów dla lotniska Pozna – Krzesiny,

x dziennych planów lotów okrelajcych zaplanowane operacje powietrzne oraz ich cel (strefa przestrzeni powietrznej, w której wykonywane bd zadania),

x kierunku startu okrelonego przez wi  kontroli lotów dla ka dej poszczególnej operacji,

x liczby statków powietrznych startujcych jednoczenie (kolejno po sobie),

1 2 3

x proceduralnie przyjtych niezale nych przyczyn odwoywania lotów (niesprzyjajce warunki atmosferyczne, niezdolno czynnika ludzkiego, niezdatno sprztu lotniczego do wykonywania zadania).

W ka dym z punktów pomiarowych wykonano minimum sze pomiarów poziomu haasu podczas pojedynczego startu samolotu F-16.

5. WYNIKI BADA HAASU

Jednym z parametrów odczytywanych i porównywanych z wartociami z programu INM by maksymalny poziom d wiku A (LAMAX). Pomiary tego parametru wykonano

równolegle z pomiarami poziomu ekspozycyjnego d wiku A (LAE) - w tych samych

warunkach atmosferycznych i w tych samych punktach pomiarowych. Wyniki poszczególnych pomiarów zestawiono z wynikami symulacji tego samego wska nika w programie INM 7.0 odpowiednio do warunków danego badania.

Wyznaczono równie bd aproksymacji, który okrela wielko przybli enia wyników LAMAX w programie INM w odniesieniu do wyników pomiarów empirycznych. Bd

aproksymacji obliczono w formie wartoci wzgldnej procentowej, czyli procentowego udziau ró nicy obu wartoci w wyniku badania empirycznego.

Wyniki przeprowadzonych pomiarów wartoci LAMAX zestawiono w tablicy 1.

Tablica 1

Zestawienie wyników pomiarów i oblicze LAMAX

we wszystkich punktach pomiarowych

Lp. Oznaczenie badania Data pomiaru Godzina pomiaru

Maksymalny poziom dwiku A LAFmax wyznaczone empirycznie [dB] LAMAX symulacja wg INM [dB] Bd wzgldny aproksymacji [%] PUNKT POMIAROWY 1 1. B 1.1 27.10.2011 10:50 112,1 115,1 2,68 2. B 1.2 03.11.2011 10:10 111,2 114,4 2,88 3. B 1.3 04.11.2011 10:20 109,7 113,6 3,56 4. B 1.4 15.11.2011 12:15 111,3 114,5 2,88 5. B 1.5 17.11.2011 13:05 111,4 114,1 2,42 6. B 1.6 29.11.2011 16.00 110,2 113,6 3,09 7. B 1.7 06.12.2011 14:05 110,8 113,8 2,71  

Tablica 1 c.d.

Zestawienie wyników pomiarów i oblicze LAMAX

we wszystkich punktach pomiarowych

Lp. Oznaczenie badania Data pomiaru Godzina pomiaru

Maksymalny poziom dwiku A LAFmax wyznaczone empirycznie [dB] LAMAX symulacja wg INM [dB] Bd wzgldny aproksymacji [%] PUNKT POMIAROWY 2 8. B 2.1 14.11.2011 12:03 106,4 108,5 1,97 9. B 2.2 28.11.2011 13:10 105,9 108,1 2,08 10. B 2.3 30.11.2011 16:40 105,8 108,3 2,36 11. B 2.4 05.12.2011 16:44 109,3 108,0 1,19 12. B 2.5 07.12.2011 12:00 107,1 112,1 4,67 13. B 2.6 13.12.2011 12:31 107,4 108,8 1,30 PUNKT POMIAROWY 3 14. B 3.1 21.11.2011 11:50 92,0 95,2 3,48 15. B 3.2 24.11.2011 12:07 92,4 94,8 2,60 16. B 3.3 01.12.2011 13:10 92,6 95,3 2,92 17. B 3.4 08.12.2011 13:20 91,6 95,1 3,82 18. B 3.5 09.12.2011 09:07 93,1 95,2 2,26 19. B 3.6 12.12.2011 12:45 92,7 95,0 2,48

W punkcie pomiarowym 1 (rysunek 3) poziom maksymalny d wiku A by zbli ony do wartoci 111 dB osignwszy maksymaln warto 112,1 dB przy badaniu B1.1 i minimaln równ 109,7 dB przy badaniu B1.3. Rozstp tych wyników wyniós 2,4dB.

W punkcie pomiarowym 2 maksymalny poziom parametru LAmax uzyskano w badaniu

B2.6 i wyniós 107,4 dB. Minimalna warto tego parametru wystpia w badaniu B2.3 i wyniosa 105,8 dB. Rozstp wyników pomiarów w punkcie pomiarowym 2 by równy 1,6 dB.

W punkcie pomiarowym 3, najdalej oddalonym od progu pasa startowego RWY 30, parametr LAmax obni y si do poziomu zbli onego 92 dB. Najni szy poziom zauwa ono

w badaniu B3.4, gdzie wyniós on 91,6 dB, a najwy szy w badaniu B3.5 – 93,1 dB przy rozstpie wyników wynoszcym 1,5 dB.

W celu sprawdzenia poziomu przybli enia wartoci LAMAX symulowanych w programie

INM do wartoci uzyskanych poprzez badania empiryczne, porównano ze sob wartoci uzyskane dla poszczególnych bada i wyznaczono bd wzgldny aproksymacji.

W punkcie pomiarowym 1 bd wzgldny aproksymacji wykaza wartoci wokó 3%, a najwiksz warto osign przy badaniu B1.3 (3,56%). Najmniejsza warto bdu wynoszca 2,42% odnotowana zostaa dla badania B1.5.

W punkcie pomiarowym 2 odnotowano wysoki rozstp wyników, który wyniós 3,48% i stanowi to najwikszy rozstp ze wszystkich pomiarów wykonanych w badaniach wokó

lotniska wojskowego Pozna-Krzesiny. Tak wysoki rozstp spowodowa jeden z wyników symulacyjnych (w badaniu B2.5), który by nieproporcjonalnie wy szy do pozostaych wyników w odniesieniu do wyników uzyskanych empirycznie (LAmax empirycznie

wynioso 107,1 dB, a symulacyjnie – 112,1 dB, co dao bd aproksymacji na poziomie 4,67%). Najni szy poziom bdu wzgldnego aproksymacji w punkcie pomiarowym 2 wyniós 1,19% w badaniu B2.4.

Na sze bada w punkcie pomiarowym 3, w dwóch przypadkach (B3.1 i B3.4) uzyskano bd wzgldny aproksymacji wikszy ni 3%, który wyniós odpowiednio: 3,48% i 3,82%. W pozostaych przypadkach bd by mniejszy od 3%, a przy badaniu B3.5 by najmniejszy i równy 2,26%.

6. PODSUMOWANIE

Artyku dotyczy analizy i oceny haasu generowanego przez samolot wielozadaniowy F-16 oraz jego wpywu na rodowisko. Haas lotniczy spowodowany jest ruchem lotniczym (zarówno podczas wykonywania operacji powietrznych, jak i naziemnych) oraz obsug samolotów w portach lotniczych. Ocen uci liwoci lotniczego haasu rodowiskowego wyznacza si poprzez porównanie wartoci wyznaczonych z wartociami poziomów dopuszczalnych i progowych. W przypadku haasu lotniczego miar dopuszczalnego poziomu haasu w rodowisku dla startów, ldowa i przelotów jest warto dugotrwaego redniego poziomu d wiku A.

Rozpoznanie tego zagadnienia w odniesieniu do lotniska wojskowego Pozna – Krzesiny ma swoje uzasadnienie w strukturalnych zmianach zaistniaych w polskich siach powietrznych, których konsekwencj bya zmiana floty powietrznej. Na przykadzie operacji powietrznych dokonywanych z bazy lotniczej Pozna – Krzesiny przeprowadzono ocen klimatu akustycznego w jej otoczeniu.

Celem zasadniczym bada empirycznych byo wykazanie stopnia wiarygodnoci wyników symulacji w odniesieniu do wyników bada przeprowadzonych w rzeczywistoci.

Bibliografia

1. Jakowski P.: Wpyw wybranych czynników fizyko – chemicznych na czowieka. Gdask 1991. 2. Misztal A., Misztal W.: State of the research of the noise around the airport in Poznan – Krzesiny, w:

Health protection and ergonomics for human live quality formation red. G. Dahlke, A. Górny, s. 45-55, Publishing House of Poznan University of Technology, Pozna 2009.

3. Misztal W., Tomaszewski F.: róda haasu lotniczego i jego wpyw na otoczenie, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznaskiej Seria: Maszyny Robocze i Transport Nr 64, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2011.

4. Program Implementacji Dyrektywy 2002/49/WE w sprawie oceny i zarzdzania haasem w rodowisku. 5. Rajpert T.: Haas lotniczy i sposoby jego zwalczania, Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, Warszawa

1980.

6. Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 14 czerwca 2007r. w sprawie dopuszczalnych poziomów haasu w rodowisku (Dz. U. Nr 120 poz. 826).

7. Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 16 czerwca 2011r. w sprawie wymaga w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów substancji lub energii w rodowisku przez zarzdzajcego drog, lini kolejow, lini tramwajow, lotniskiem lub portem (Dz. U. Nr 140 poz. 824).

8. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001r. Prawo ochrony rodowiska (Dz. U. Nr 62, poz. 627). 9. Materiay eksploatacyjne Lockheed Martin

10. PN-ISO 1996-1 „Akustyka. Opis, pomiary i ocena haasu rodowiskowego. Cz 1: Wielkoci podstawowe i procedury oceny”.

11. PN-ISO 1996-2 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Zbieranie danych dotyczcych sposobu zagospodarowania terenu”.

12. PN-ISO 1996-3 „Akustyka. Opis i pomiary haasu rodowiskowego. Wytyczne dotyczce dopuszczalnych poziomów haasu”.

ASSESSMENT OF THE NOISE GENERATED DURING THE AIRCRAFT’S TAKE-OFF

Summary: This article is dealing with research of the noise generated during the F-16 take-off. The study

was surrounded by the military airport Poznan - Krzesiny, which is located in the south - east of Poznan. The research was conducted in three selected measurement points. Obtained in this way, data on selected indicators of the level of noise in relation to individual operations start. Considering the results of the measurements performed the necessary calculations the following parameters. In order to verify the level of approximations of simulated in the INM to the values obtained through empirical studies, compared with the values obtained for each individual study and determined the relative error of approximation. At the end of the paper discussed conclusions.