ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA z. 150
2008 N r k o l. 1796
A r tu r B A B IA R Z , K rz y s z to f J A S K O T P o lite c h n ik a Śląska
UK ŁAD R E G U L A C JI T E M PE R A T U R Y SILN IK A SPA L IN O W EG O
Streszczenie.
W a rty k u le rozp atryw an o zagadnienie re g u la c ji tem peratury dw u suw o w e g o s iln ik a żarowego. S iln ik i tego ty p u są p o p u la rn y m rodzajem napędu w pojazdach typu U A V (ang. Unm anned A e ria l V e h ic le ). W pracy przedstaw iono budow ę ukła du , je g o ko n fig u ra c ję oraz w y n ik i prezentujące dzia łan ie u kła du re g u la c ji składu m ieszanki w s iln ik u żarow ym .T E M PE R A T U R E C O N T R O L SY STE M FO R G L O W ENG INE
Sum m ary.
In this paper was considered p ro b le m o f tem peraturę co n tro l fo r tw o - stroke g lo w engine. E ngine o f this type are p op u la r in U nm anned A e ria l V e h ic le a p p lica tio n . The construction o f co n tro l system and th e ir c o n fig u ra tio n are described. Results o f real a p p lic a tio n fo r autom atic m ix tu re co n tro l system fo r g lo w engine are also shown.1. W stęp
A u to n o m ic z n y pojazd latający U A V (ang. U nm anned A e ria l V e h ic le ) z założenia je s t obiektem , k tó ry p o w in ie n się poruszać w nieznanym i dyna m iczn ie z m ie n ia ją c y m się środ ow isku bez ja k ie jk o lw ie k ing ere ncji ze strony c z ło w ie k a [2, 4 ].
K lu c z e m do autonom iczności je s t u kła d sterow ania zbudow any w oparciu 0 in fo rm a c ję dotyczącą położe nia oraz celu lotu. W w ie lu pracach o m a w ia n y je s t p ro b le m s ta b iliz a c ji lo tu oraz n a w ig a c ji, lecz je d n a k bardzo często p o m ija n y je s t p ro b le m w ła ś c iw e j tem peratury p ra cy s iln ik a oraz je j k o n tro li.
W p rz y p a d k u sp a lin o w ych s iln ik ó w żarow ych stosow anych w pojazdach U A V p o m ia r te m peratury je s t bardzo w ażny, p on ie w aż in fo rm u je u ż y tk o w n ik a o k o n d y c ji s iln ik a - czy nie posiada z b y t n is k ie j tem peratury p ra cy (m ała m oc, duże spalanie), lub za w y s o k ie j - m o ż liw o ś ć uszkodzenia s iln ik a . P rzykład braku k o n tro li tem peratury 1 je g o skutek, c z y li uszkodzenie s iln ik a , p rze dsta w ion y je s t na rysun ku ł . U szkodzenie s iln ik a w czasie lo tu m oże pociągnąć za sobą ró w n ie ż uszkodzenie samego pojazdu U A V , co w p rzyp ad ku o b ie k tó w latających m oże b yć groźne dla otoczenia.
P o d sta w o w ym i param etram i m a ją c y m i w p ły w na tem peraturę s iln ik a są p rz e p ły w p o w ie trza w o k ó ł g ło w ic y s iln ik a , skład m ieszanki p a liw o w e j, rodzaj p aliw a , tem peratura otoczenia oraz obciążenie w irn ik a zw iązane z aktualnie w y k o n y w a n y m m anew rem .
116 A. Babiarz. K. Jaskot
N ajczęściej p o m ia r tem peratury s iln ik a re a liz o w a n y je s t ju ż po w y lą d o w a n iu , co je s t dosyć k ło p o tliw e , poniew aż w ym a ga za trzym a nia łop at i dokonania p om iaru.
Tem peraturę m ożna z m ie rzyć specjalnym te rm om etrem albo m etodą d o ty k o w ą tzw . "na palec". N ie je s t to d o b ry m rozw iąza nie m , p on ie w aż p o m ia r je s t rea lizo w a n y na s iln ik u pra cują cym bez obciążenia. W z w ią z k u z ty m p o w sta ł u k ła d M o n ito ro w a n ia T em p eratu ry i R eg ula cji
(M TiR),
którego zadaniem je s t p o m ia r tem peratury p ra cy s iln ik a , regulacja składu m ieszanki p a liw o w e j oraz sygnalizacja za p om ocą syg na łó w ś w ie tln y c h aktualnej te m peratury pracy.Rys. 1. Obiekt UA V oraz przykład uszkodzenia silnika 2. K onstrukcja układu M TiR
D o b u d o w y u k ła d u m o n ito ro w a n ia te m p era tury i re g u la c ji ( M T iR ) d la s iln ik a spalinow ego zastosowanego w m odelu ś m ig ło w c a w y k o rz y s ta n o m ik ro k o n tro le r PIC 12F683 fir m y M ic ro c h ip [5, 6], Jednym z k ry te riu m w y b o ru tego u kła du b y ł je g o n ie w ie lk i ro z m ia r oraz masa, co w p rzyp ad ku o b ie k tó w latających m a ogrom ne znaczenie. D o d a tk o w ą zaletą tego u kła du je s t ró w n ie ż napięcie zasilania (2.5 V A 6 V ), co p ozw ala na bezpośrednie w yk o rz y s ta n ie tego samego p akietu, z któ re go zasilane są pozostałe elem enty a w io n ik i (serw om echanizm y, żyrosko p, o d b io rn ik ).
Podstawowe cechy m ik ro k o n tro le ra to: a rch itektu ra R IS C , szybkość zegara taktującego 20 M H z , 2 K B p am ięci F L A S H , 128 b a jtó w p am ię ci R A M na dane, 256 b a jtó w pam ięci danych zapisyw anej w w ew nętrznej p am ię ci E E P R O M , trz y tim e ry , je d e n m o d u ł P W M oraz czte ry p rz e tw o rn ik i A /C . Za w y b o re m w ła śn ie tego m ik ro k o n tro le ra przem aw ia ró w n ie ż dobre w spa rcie ze strony producenta w środow iska pro gram istyczn e - A se m bler/C , m o ż liw o ś ć pro gram o w a nia w u kła d zie (ang. IC SP In -C irc u it Serial P rogram m in g) bez konieczności posiadania zew nętrznego program atora oraz m o d u ł debuggera-em ulatora (ang. IC D - In -C irc u it D ebugger), co w p rzyp a d ku procesu tw o rze n ia i testow ania a lg o ry tm ó w sterow ania u m o ż liw ia w ła tw y sposób podgląd zm ie nn ych oraz rejestró w procesora, w z w ią z k u z czym u ła tw io n e je s t usuw anie b łę d ó w w program ie.
G łó w n y m zadaniem skonstruow anego u k ła d u je s t p o m ia r te m p era tury s iln ik a za pom ocą zintegrow anego czu jn ik a fir m y D allas (18 B 2 0 [7 ]). W y b ó r zintegrow anego czu jn ik a p o d y k to w a n y b y ł ty m , że niew ym agane je s t w ty m p rzyp ad ku stosowanie d od atko w ych u k ła d ó w refe ren cyjn ych. C a ły proces p o m ia ru te m peratury re a lizo w a n y
je s t w u kła d zie c z u jn ik a z rozd zie lczością od 9 do 12 b itó w . T ak pozyskaną in fo rm a c ję u k ła d przesyła za p o m o cą m a g is tra li 1 -W ire do u k ła d u m ikro proce sorow e go w celu dalszej a na lizy. N a podstaw ie in fo rm a c ji o aktualnej tem peraturze realizow ana je s t zm iana składu m ieszanki za pom ocą dodatkow ego u kła du serw om echanizm u połączonego z ig lic ą zn ajdu jącą się w gaźniku.
D o d a tko w o u kła d M T iR rea lizu je zapis te m peratury do w ew nętrznej p am ię ci E E P R O M (zapis z czę s to tliw o ś c ią 0.1 H z « 42 m in u ty ). D z ię k i m o ż liw o ś c i k o m u n ik a c ji u kła d u M T iR z kom puterem za p om ocą p ro to k o łu RS232 m oże m y po w y lą d o w a n iu przenieść w y n ik i p o m ia ró w do kom putera PC w celu ic h dalszej a n a liz y [3 ]. N a rysu n ku 2 przedstaw iono u kła d M T iR , sposób zam ontow ania układu i cz u jn ik a w m odelu oraz p rz y k ła d o w e zarejestrowane p o m ia ry w czasie lotu. C z u jn ik tem pera
tu ry p o w in ie n b yć za m ontow any ja k n a jb liż e j k o m o ry spalania, co w p rzyp ad ku ta kich s iln ik ó w w iąże się z m ontażem na g ło w ic y ja k o n ajbardziej gorącej części s iln ik a . Zw iązane je s t to z szyb kością zm ian tem peratury g ło w ic y w zależności od obciążenia.
Układ regulacji temperatury silnika spalinowego______________________________ H 7
Rys. 2. Układ MTiR, sposób instalacji oraz przykład pomiarów
3. D ziałanie układu regulacji M TiR
W p rzyp a d ku stosow ania ża ro w ych s iln ik ó w s p a lin o w ych ja k o u kła du napędow ego p o w in n iś m y zadbać, aby tem peratura pracy takiego s iln ik a m ie ściła się w przedziale od 100°C do 120°C. Poniżej tego prze dzia łu s iln ik spala w ięcej p a liw a i nie m a o d p o w ie d n ie j m ocy. P o w yżej istn ie je zagrożenie przegrzania i zniszczenia s iln ik a . D otychczasow e m eto dy re g u la c ji p o le g a ły na ręcznej z m ia nie składu
118 A. Babiarz, K. Jaskot
m ie szan ki za p om ocą ig lic y od średnich i w y s o k ic h o b ro tó w , co w ym a ga ło w y lą d o w a n ia m odelem , dokonania p o m ia ru tem peratury g ło w ic y s iln ik a i w p ro w a dzenia o d p o w ie d n ie j k o re k ty (w zbogacenie lub zubożenie m ie szan ki). Zaproponow ane rozw iąza nie w postaci u kła d u M T iR p ozw ala na rea liza cję tego zadania w sposób autom atyczny.
N a rysun ku 3 przedstaw iono schemat b lo k o w y u k ła d u re g u la c ji tem peratury s iln ik a , gdzie o biektem je s t c a ły m odel, T - aktualna tem peratura s iln ik a , T z - tem peratura zadana, Z - zakłócenia (zm ienne obciążenie w irn ik a , tem peratura otoczenia, ciśnienie atm osferyczne, w ilg o tn o ś ć p o w ie trza ). U k ła d re g u la c ji zam ontow ano w m odelu sp alinow ego śm ig ło w c a ja p o ń s k ie j fir m y H IR O B O Sceadu k la s y 50 w yposażonego w s iln ik fir m y OS M a x .
T i ♦
UKŁAD MON« FOROWANIA
f
OBIEKT
.
j
i
TEMPERATURYRys. 3. Schemat blokowy układu regulacji temperatury
W celu re a liza cji sterow ania składem m ieszanki do u kła d u M T iR został d ołączo ny serw om echanizm , k tó iy o d p o w ie d z ia ln y je s t za zm ianę p o ło że n ia ig lic y . Sposób m ontażu dodatkow ego elem entu w ykon aw cze go oraz przeniesienie napędu na ig lic ę został prze dsta w ion y na rysun ku 4.
Rys. 4. Układ wykonawczy sterowania iglicą składu mieszanki
W celu re a liz a c ji zadania re g u la c ji te m peratury zastosowano następującą pow szechnie znaną z lite ra tu ry [1 ] c ią g łą postać regulatora PI:
t
u r ( t ) = k p e T ( t ) + k , j e T ( t ) d t (
1
) ogdzie: T - tem peratura, k P, k i - w s p ó łc z y n n ik i człon u p ro po rcjo n a ln e g o i całkującego o d p o w ie d n io , e - w artość uchybu. R eg ula tor w postaci dyskretnej o trz y m a liś m y po
Układ regulacji temperatury silnika spalinowego 119
zastosow aniu k w a d ra tu ry in te rp o la c y jn e j m etodą p ro sto ką tó w d la części całkującej i posiada on następującą postać:
uT(kTt ) = k per (kT,) + [l(k T ,) + k,T,er (kT,j\ (2)
gdzie: T s - oznacza czas p ró bko w an ia .
W o parciu o w y ż e j prze dsta w ion ą fo rm u łę (2) nastaw y regulatora dobrano dośw iadczalnie. Z m ia n y nastaw regulatora realizow ane b y ły po każdym locie z w y k o rz y s ta n ie m in fo rm a c ji zapisanej w w ew nętrznej p am ię ci E E P R O M . Po w y k o n a n iu lo tu dane z p am ię ci b y ły analizow ane pod w zglę de m błędu re g u la c ji w p rzyp ad ku re g u la c ji tem peratury dla ró żn ych obciążeń w irn ik a i p rz y zm iennych w arun ka ch otoczenia. Postać dyskretna regulatora została zrealizow ana w postaci fu n k c ji z w y k o rz y s ta n ie m k o m p ila to ra C fir m y CCS dla m ik ro k o n tro le ró w M ic ro c h ip . A u to m a ty c z n e d zia łan ie u k ła d u re g u la c ji tem peratury M T iR je s t w łączane dopiero po osiągnięciu przez s iln ik tem peratury p ow yżej 90°C . W y n ik a to z fa ktu , że p a liw o m od ela rskie stosowane w tego ty p u s iln ik a c h zaw iera ró w n ie ż o le j, k tó ry o d p o w ie d z ia ln y je s t za sm arow anie. Z b y t wczesne zubożanie składu m ieszanki m o g ło spow odow ać w ystą pien ie b raku sm arow ania w ew n ętrzn ych części s iln ik a i je g o uszkodzenie (zatarcie). N a rysun ku 5 przedstaw iono p orów nanie zarejestrow anych p rze bie gó w te m p era tury s iln ik a d la trzech różn ych lo tó w trw a ją c y c h po ok. osiem m in u t każdy (w y k re s p rz e ry w a n y - u k ła d bez re g u la c ji, w ykre s c ią g ły w łą c z o n y u k ła d M T iR ). D o d a tk o w o d la w yk re s u z w łą c z o n y m ukła de m re g u la c ji M T iR w id a ć ró w n ie ż w p ły w z m ia n y nastaw regulatora na u trz y m a n ie w a rto ści zadanej (T z= l 10°C).
Rys. 5. Przebieg temperatury silnika dla układu bez regulacji i układu z działającym MTiR 4. Podsum ow anie i wnioski
Prezentow any w p ra cy ukła d, oprócz o pisyw an ych w y ż e j zadań, w yposażony został d od atko w o w u k ła d optycznej sy g n a liz a c ji tem peratury. Sygnalizacja ta została zrealizow ana za p om ocą sygnału św ietln eg o (d io d y L E D - czerw ona, niebieska).
In fo rm u ją one w p rz y b liż e n iu o aktualnej tem peraturze s iln ik a bez konieczności lądow ania, co p o zw a la na szyb ką ocenę popraw ności d z ia łan ia u kła d u reg ula cji.
120 A. Babiarz. K. Jaskot
Z re zu lta tó w badań eksperym entalnych na rz e c z y w is ty m o bie kcie w y n ik a , że zastosow any reg ula tor P I z d o b ra n ym i dośw iad czaln ie nastaw am i je s t w stanie e fe k ty w n ie k o n tro lo w a ć tem peraturę p ra cy s iln ik a (rysu ne k 5). Jako k ry te riu m oceny ja k o ś c i re g u la c ji p rz y ję to u chyb w stanie ustalonym . Zastosow anie u k ła d u p o z w a la na ochronę s iln ik a przed przegrzaniem oraz zapobiega p ra cy s iln ik a p rz y z b y t n is k ie j tem peraturze, d z ię k i czem u w y d łu ż a m y okres je g o bezaw aryjnej pracy. M ech an izm k o n tro li składu m ieszanki p ozw ala na u trz y m a n ie te m p era tury s iln ik a w o p ty m a ln y m zakresie m ię d zy 100°C a 120°C. Praca s iln ik a w o p ty m a ln y m zakresie tem peratur p o z w o liła na zm niejszenie zu życia p a liw a , co przekłada się bezpośrednio na długość lotu. D o d a tk o w o w o p ty m a ln y m zakresie te m p era tury s iln ik ch a ra kte ryzo w a ł się d ob rą d y n a m ik ą (cią gie m ), c z y li rea kcją na zm ianę o tw a rc ia p rze p u stn icy w p o ró w n a n iu do pracy w zb y t n iskie j tem peraturze - z b y t bogata m ieszanka.
D a lszym etapem ro z w o ju u k ła d u je s t dodanie m o ż liw o ś c i re g u la c ji o b ro tó w s iln ik a , tak aby w ca łym zakresie zm ian kąta natarcia łop at w irn ik a g łó w ne go b y ły u trz y m y w a n e stałe o broty. Z ab ieg ta k i p o w in ie n p o p ra w ić ró w n ie ż ja k o ś ć re g u la c ji te m peratury ze w zg lę d u na zm niejszenie w p ły w u strum ien ia chłodzącego s iln ik - stała prędkość obrotow a.
B IB L IO G R A F IA
1. Gessing R.: C o n tro l Fundam entals. W y d a w n ic tw o P o lite c h n ik i Ś ląskiej, G liw ic e 2004.
2. G łę b o c k i R ., N a rk ie w ic z J.: H ie ra rc h ic z n y system autom atycznego sterow ania dla m ałego śm ig ło w ca b e z p ilo tow e go . Z N P o lite c h n ik i R zeszow skiej s. M ech an ika z. 71, R zeszów 2007, s. 103-110.
3. G rz y b o w s k i J., Osak J.: System a k w iz y c ji danych do aparatu latającego.
Z N P o lite c h n ik i R zeszow skiej s. M e ch a n ika z. 63, R zeszów 2004, s. 241-248.
4. Jaskot K .: W yko rz y s ta n ie in fo rm a c ji GPS do sterow ania o biektem U A V . Z N P o lite c h n ik i R zeszow skiej s. M e c h a n ik a z. 71, R zeszów 2007, s. 309-315.
5. PIC 12F683 D ata Sheet, M ic ro c h ip 2007.
6. Pietraszek S.: M ik ro k o n tro le ry P IC 1 2 F x x x w p raktyce. B T C , W arszaw a 2005.
7. Program m able R esolution 1 -W ire T he rm o m e te r D S 1 8B 20 . D A L L A S - M A X I M .
Recenzent: D r hab. inż. A n d rz e j T o m c z y k
A bstract
In this paper was considered p ro b le m o f tem perature c o n tro l fo r tw o -stro ke g lo w engine. Structure o f the M T iR c o n tro lle r board w h ic h basis on the P IC 12F683 m ic ro c o n tro lle rs are described. The measure engine tem perature u sin g D S 1 8B 20 are also described. M o d ific a tio n o f m ix tu re c o n tro l system u s in g a d d itio n a l servo are presented - fig . 4. C onsidered in this w o rk h e lic o p te r m odel it was d elivered b y the H IR O B O L td ., as a R adio C o n tro l m odel. Results o f real a p p lic a tio n are also show n - fig . 5. The obtained properties o f the system have been e ffected that it can be used fo r fu tu re research and a u to p ilo t design project.
