馬強(qiáng),梅衛(wèi)江,石秀峰,吳疆,單志鵬
(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院/新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子832003)
長(zhǎng)期以來(lái),降低柴油機(jī)燃油消耗和減少有害物排放是人們關(guān)注的熱點(diǎn),對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更是如此。柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械及各種小型動(dòng)力裝置中的應(yīng)用廣泛,且對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械起到至關(guān)重要的作用,其中S195柴油機(jī)是農(nóng)用機(jī)械,尤其是小四輪拖拉機(jī)和農(nóng)用機(jī)械的主要?jiǎng)恿Γ?-2]。農(nóng)用柴油機(jī)的節(jié)能減排對(duì)提高農(nóng)民收入和減少環(huán)境污染具有一定的實(shí)用價(jià)值。有研究表明乙醇燃料在柴油內(nèi)燃機(jī)中的使用,可減少石油產(chǎn)品的使用量,緩解石油工業(yè)的壓力,降低農(nóng)業(yè)投入,對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義[3],本文就自主研發(fā)的S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油/乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中的部分電路展開(kāi)研究。
本文對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的濾波電路進(jìn)行研究,這涉及到轉(zhuǎn)速傳感器選取的問(wèn)題。常用的車速傳感器包括電磁感應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、光電式等,其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器屬能量轉(zhuǎn)換型傳感器,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出,無(wú)需媒介源電路,采用變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器[9-10]。變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速的乘積,即
式(1)中:Z 為齒輪的齒數(shù);N 為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(r/min);f為感應(yīng)電勢(shì)頻率(Hz)。
當(dāng)已知Z時(shí),測(cè)得f再通過(guò)計(jì)算可得N。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器在組合燃燒電控系統(tǒng)中非常重要。在電控系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)簡(jiǎn)單的工作參數(shù),而且是計(jì)算電子控制系統(tǒng)其它參數(shù)的依據(jù)和控制噴射正時(shí)的基準(zhǔn)[4-7]。由于來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)往往含有干擾噪聲,不宜直接輸入數(shù)據(jù)采集卡,為了把噪聲干擾衰減到足夠小的程度需要采用濾波電路進(jìn)行濾波處理[8]。
本文采用三次設(shè)計(jì)對(duì)S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油/乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中濾波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的設(shè)計(jì)
由于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是較高的頻率信號(hào),所以需要通過(guò)高通濾波器對(duì)頻率低于某一值的信號(hào)進(jìn)行衰減。以下將對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì),高通濾波電路如圖1所示。
圖1 高通濾波電路Fig.1 High pass filter circuit
圖1所示濾波電路的傳遞函數(shù)、通帶放大倍數(shù)、截止頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為:
品質(zhì)因數(shù)Q為望目特性,設(shè)計(jì)要求目標(biāo)值為Q=1。根據(jù)柴油/乙醇組合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)要求(起噴工況轉(zhuǎn)速不低于600r/min)和齒輪的齒數(shù)(60齒)設(shè)定工作頻率為100Hz。
1.2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)
(1)可控因素水平表。
系統(tǒng)可控參數(shù)為C、R、R1、Rf,由參數(shù)設(shè)計(jì)的非線性原理應(yīng)盡量減少計(jì)算量,所以各因素均取3水平??煽匾蛩厮奖砣绫?所示。
表1 可控因素水平表Tab.1 The levels of controllable factors
(2)內(nèi)外表設(shè)計(jì)。
選取L9(34)作為內(nèi)表進(jìn)行設(shè)計(jì),把C、R、R1、Rf依次安排在內(nèi)表中,如表2所示。
對(duì)4個(gè)可控因素制定誤差因素水平,按三級(jí)品計(jì)算,假設(shè)三級(jí)品的電阻和電容的波動(dòng)量為±10%,把可控因素水平表給的中心值作為第二水平,中心值×(1±10%)分別作為第一水平和第三水平,以內(nèi)表中第一號(hào)方案為例,R=14,R1=1,Rf=2,C=0.1相應(yīng)的誤差因素水平如表3所示。
表2 內(nèi)表及SN比數(shù)據(jù)Tab.2 The date of internal table and SNR
表3 誤差因素水平表Tab.3 The levels of the error factors
因有9號(hào)實(shí)驗(yàn),所以共有9張誤差因素水平表。選用L9(34)作為外表安排誤差因素的試驗(yàn),按式5計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)每張外表填寫(xiě)各號(hào)試驗(yàn)下的輸出特性值,又由于本試驗(yàn)為望目特性,根據(jù)信噪比(SN)的計(jì)算公式可算得每號(hào)試驗(yàn)的SN,填入內(nèi)表,如表4所示。
SN的計(jì)算公式如下:
表4 內(nèi)表各號(hào)方案輸出特性值及SN比Tab.4 The output value for every plan of internal table and SNR
1.2.3轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)濾波電路的容差設(shè)計(jì)
參數(shù)設(shè)計(jì)選出的最佳方案為:
以此方案為第二水平采用三級(jí)品,再按原誤差因素的波動(dòng)范圍設(shè)計(jì)誤差因素水平表,選取L9(34)為外表得出輸出特性值(表5)。
表5 最佳條件的外表及輸出特性值Tab.5 Optimum conditions of external table and output value
首先計(jì)算出各列SN和T1、T2、T3總和T及其修正項(xiàng)CT,填入表2,然后進(jìn)行SN比的方差分析,結(jié)果見(jiàn)表6。
由表6可知:電容C對(duì)信噪比的影響是顯著的,其次是R1,Rf和R。由于信噪比以大為好,對(duì)照表2可知是第8號(hào)方案,為C3R12Rf1R3,第8號(hào)方案的均值Y=1.049與目標(biāo)值1很接近,因此不需要進(jìn)行均值校正。
表6 SN比的方差分析Tab.6 Variance analysis of SNR
由于因素的水平是等間隔的,故可用正交多項(xiàng)式分解波動(dòng)平方和,并求出相應(yīng)的貢獻(xiàn)率。方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 輸出特性方差分析表Tab.7 The analysis of variance table for output characteristic
本試驗(yàn)是望目特性,目標(biāo)值Q=1,由表7計(jì)算可知損失函數(shù)為n件產(chǎn)品的平均損失為:
倘若把貢獻(xiàn)率最大的誤差因素R1的容差壓縮一半,則新的貢獻(xiàn)率為:
其平均質(zhì)量損失為:
由表5和公式(12)的計(jì)算結(jié)果可知,可控因素的最佳組合為C=(0.3±0.03)、R=(16±1.6)、R1=(2±0.2)、Rf=(2±0.2)。此組合下輸出特性值與目標(biāo)值偏差最小,且平均損失最小。
本文通過(guò)對(duì)組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)濾波電路進(jìn)行三次設(shè)計(jì)的優(yōu)化,得到了以下結(jié)論:
(1)將三次設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用到自主研發(fā)的S195農(nóng)用組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)上可提高效率和降低成本,并取得良好的擇優(yōu)效果。
(2)通過(guò)三次設(shè)計(jì)的優(yōu)化可使本農(nóng)用發(fā)動(dòng)的電控系統(tǒng)的濾波電路達(dá)到結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)的合理搭配,降低系統(tǒng)的噪音,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
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