بخشی از مقاله
ابعاد مکاترونيکي طراحي ، ساخت و تست سيستم الکتروهيدروليکي کنترل سوخت موتور
چکيده
سيستم کنترل الکتروهيدروليکي سوخت موتور هاي توربين گازي سامانه اي متشکل از بخش هاي گوناگون، شامل واحد هيدروليکي کنترل دبي ، کنترلر الکترونيکي و عملگر الکترومکانيکي مي باشد. در اين مقاله ابعاد مکاترونيکي اين سيستم کنترل دبي سوخت مورد تجزيه و تحليل قرار مي گيرد. همچنين جهت اطمينان از صحت عملکرد سيستم يک دستگاه تست که خود مجموعه ايي با ساختار مکاترونيکي مي باشد طراحي و رفتار اين مجموعه در کنار مدلي از واحد کنترل سوخت شبيه سازي شده است . مقايسه ي نتايج بدست آمده از شبيه سازي دستگاه تست در حالات پايا و گذرا نشان دهنده ي عملکرد صحيح دستگاه تست مجموعه مي باشد.
واژه هاي کليدي: واحد کنترل سوخت – دستگاه تست - مکاترونيک
١-مقدمه
مکاترونيک به معناي فرآيند يکپارچه اي است که در آن محصولي که ارتباط مشترکي درچندين زمينه ي گوناگون مانند مکانيک، الکترونيک و کنترل دارد، يکجا به صورت يک سيستم همگون طراحي و ساخته مي شود. آنچه در باب مفهوم مکاترونيک توسط کميته فني سيستم هاي مکاترونيک IFAC پذيرفته شده است ، بدين قرار است [١]:
" اکنون روند بسيار رو به رشدي از يکپارچه شدن در فرآيند هاي فني و محصولاتي که بين مکانيک، برق و کنترل مشترک هستند مشاهده مي گردد. اين يکپارچگي به معناي ارتباط بين اجزاء سخت افزاري و نرم افزاري مي باشد که سامانه هاي مکاترونيکي خوانده مي شوند. اين روند توسعه در راستاي يافتن راه حل هايي جهت برقراري توازني بهينه بين اجزاي مکانيکي ، سنسور ها، عملگر ها ، سيستم پردازشي داده ي خودکار و سيستم کنترل مي باشد و اين هماهنگي در نهايت به راه حلي نوين منجر خواهد شد. " آنچه در فرآيند طراحي مکاترونيکي حائز اهميت مي باشد، ارتباط ميان موضوعي بين طراحي مکانيکي و طراحي الکترونيکي است زيرا اين دو بخش متقابلا بر روي يکديگر اثر خواهند گذاشت . از نکات حائز اهميت در مکاترونيک مباحث کنترل به روش پردازش کامپيوتري است چرا که امروزه با پيشرفت در نرم افزار ها، انجام محاسبات پيچيده با رايانه قابليت هاي زيادي پيدا کرده است و امکان محقق ساختن بسياري از کنترلر هاي پيچيده در قالب نرم افزاري را فرآهم آورده است . [٢]
واحد کنترل سوخت موتور که در سالهاي اخير در آزمايشگاه کنترل و شبيه سازي دانشگاه علم و صنعت ايران طراحي شده است از يک شير کنترل دبي با جبران فشار به همراه يک کنترلر الکترونيکي تشکيل شده است . وظيفه ي واحد هيدروليکي بدين صورت است که مطابق شکل (١)، سوخت پمپاژ شده از پمپ دنده ايي جابه جايي مثبت از شير کنترل جريان گذشته و وارد نازل سوخت پاش مي گردد و با توجه به ميزان افت فشار در دو سر اريفيس شير کنترل جريان مقدار دبي اضافي از مسير کنار گذر به درون تانک سوخت برگشت داده مي شود. وظيفه اصلي شير کنترل فشار ، جلوگيري از هر نوع تغيير ناخواسته در دبي ورودي به محفظه ي احتراق است که اين کار با ثابت نگه داشتن افت فشار دو سر اريفيس کنترل جريان به کمک تغيير در ميزان بازشدگي شير تنظيم فشار صورت مي پذيرد. حرکت خطي اسپول شير کنترل جريان توسط يک عملگر خطي متشکل از يک درايو چرخشي الکتريکي به همراه يک مبدل دوراني به خطي تامين مي گردد [٣].
شکل ١- واحد الکتروهيدروليکي کنترل سوخت
در طراحي و ساخت از ديدگاه هاي مکاترونيکي با توجه به شکل (٢)، چهار بخش عمده وجود دارد که عبارتند از :
. طراحي هيدرومکانيکي واحد کنترل سوخت و فرآيند ساخت و شبيه سازي آن
. تئوري کنترل سيستم
. طراحي و ساخت سخت افزار کنترلر
. طراحي نرم افزار کنترلر
علاوه بر آن طراحي يک دستگاه تست (Test Stand) لازم است تا بتوان رفتار واحد کنترل سوخت ساخته شده را سنجيد. اين مجموعه نيز همانند واحد کنترل سوخت ، يک مجموعه ي مکاترونيکي است که شامل بخش هاي متعدد طراحي مکانيکي ، مدل CAD، سنسور هاي دما، فشار و دبي ، واحد کنترلي و سيستم لوله کشي است .
در اين مقاله ، ابعاد مکاترونيکي واحد کنترل ســوخــت و سيستم تست آن مورد تجزيه و تحليل قرارگرفته است .
بدين منظور سيستم هاي هيدرومکانيکي ، الکترونيکي ، کنترلي و همچنين دستگاه تست آن تشريح گرديده و نحوه ي ارتباط آنها با يکديگر توضيح داده شده است . همچنين با انجام شبيه سازي مدل دستگاه تست به همراه مدل سيستم کنترل دبي نتايج بدست آمده مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است .
شکل ٢- تجزيه ي مکاترونيکي واحد کنترل سوخت
٢ – واحد کنترل سوخت به عنوان يک مجموعه ي مکاترونيکي
شکل (٣) رابطه ي کليه ي بخش هاي گوناگون اين مجموعه را به يکديگر نشان مي دهد.
شکل ٣- ارتباطات بخش هاي گوناگون
در بخش هاي زير هر کدام از قسمت هاي شکل (٣) تشريح و ارتباط بخش هاي مختلف با يکديگر بيان مي گردد.
٢-١ – طراحي هيدرومکانيکي و فرآيند ساخت
در طراحي بلوک هيدروليکي که عبارت از دو شير کنترل دبي و کنترل فشار مي باشد روابط حاکم بر سيستم در اين بخش شامل روابط سيالاتي اريفيس ها، معادلات پمپ هاي جابه جايي مثبت و روابط نيرويي در شير ها مي باشد. از آنجايي که يکي از اهداف مکاترونيک، گذر از سبک کلاسيک توليد به معناي رابطه ي سري بين طراحي و ساخت و وارد شدن به فرآيند هاي موازي مي باشد، دو فرآيند طراحي و ساخت همواره بايد در قسمتي از مسير به صورت موازي دنبال شوند. اين به معناي هم زماني ساخت و طراحي نيست بلکه به مفهوم يکپارچگي يعني هماهنگي گروه هاي کاري پروژه مي باشد لذا همانطور که در شکل (٤) نشان داده شده است ، واحد کنترل سوخت به صورت همزمان، طراحي شده و نقشه هاي توليد آن استخراج گرديده است [٤].
شکل ٤- پروسه ي طراحي و ساخت يکپارچه سيستم
در بخش شبيه سازي، فعاليت هاي صورت گرفته ، در دو سطح طبقه بندي مي شوند. در بخش اول شبيه سازي مجموعه واحد کنترل سوخت بدون حضور کنترلر و موتور در دوحالت پايا و گذرا شبيه سازي گرديده است . در اين حالت دور موتور و فشار محفظه احتراق ثابت فرض گرديده و معادلات با اين فرضيات حل مي گردند. در فاز دوم شبيه سازي اين پارامتر ها به صورت فيدبک به سيستم برگشت داده شده اند و در اين فاز از شبيه سازي، کنترلر نيز علاوه بر موتور به سيستم شبيه سازي اضافه گرديده است .
در ادامه فرآيند طراحي مفهومي به مرحله تهيه ي نقشه هاي واحد کنترل سوخت مي رسيم که در واقع آستانه ي ورود به مرحله ساخت سيستم است . در اين گام پروسه ي طراحي موازي دچار محدوديت هاي بيشتري خواهد شد که
اين محدوديت ها به دو گروه اصلي تقسيم مي شوند:
١- محدوديت هاي جانمايي
٢- محدوديت هاي ساخت
محدوديت هاي جانمايي ناشي از پاره ايي فرضيات اوليه مي باشد. بدين صورت که واحد کنترل سوخت براي مدل خاصي از موتور ها طراحي شده و نياز است که بتوان جانمايي صحيحي در مجموعه اصلي داشته باشد. محدوديت هاي ساخت نيز عبارت از عدم دسترسي به برخي ماشين ابزار هاي خاص مانند ماشين هاي کنترل عددي پنج محوره و پر هزينه بودن برخي فرآيند هاي ساخت مي باشد. در نهايت طرح بدست آمده پس از ساخته شدن بايستي در هماهنگي کامل با ساير اجزاء سيستم اعم از کنترلر و درايو الکتريکي باشد. از اين روست که رابطه ي بين بخش طراحي مکانيکي و بخش کنترلر (سخت افزار و نرم افزار کنترلر) اهميت ويژه اي خواهد يافت [٥].
٢-٢ – طراحي کنترلر فازي
سيستم کنترل فيدبک مورد استفاده براي سيستم کنترل سوخت موتور که با دريافت ورودي مناسب و اندازه گيري شرايط خروجي ، فرمان کنترلي را صادر مي کند در شکل (٥) نشان داده شده است . مجموعه ي کنترلر با استفاده از منطق فازي طراحي گرديده است . در اين سيستم کنترل از منطق فازي استفاده شده است . کنترل فازي بيشتر در مواقعي استفاده مي شود که به علت پيچيدگي سيستم مورد نظر، بدست آوردن مدل رياضي سيستم دشوار و يا حتي غير ممکن باشد و يا اينکه سيستم غيرخطي است . مزيت اين روش قابليت مانور در انتخاب تعداد و نوع توابع عضويت ، تعريف قوانين فازي مختلف و سهولت استفاده از آن است . بنابراين لازمه طراحي يک سيستم کنترل فازي مطلوب، تعريف توابع عضويت و قواعد مناسب است که اين امر نياز به شناخت صحيح و دقيق از فيزيک سيستم مورد مطالعه ، تجربيات و مشاهدات قبلي دارد[٦]. همچنين امروزه با استفاده از الگوريتمهاي ژنتيکي با تغيير توابع عضويت و قوانين فازي، بهينه سازي کنترلر طراحي شده صورت مي گيرد. جهت طراحي کنترلر فازي، دور خواسته شده به عنوان ورودي مي باشد و ورودي کنترلر دوم خطاي سرعت روتور يعني اختلاف دور خواسته شده توسط فرمان خلبان با دور موجود است . به عبارت ديگر کنترلر فازي معين مي کند که براي يک اختلاف دور معين ، دبي سوخت چگونه بايد تغيير کند.
شکل ٥ – مدل در نظر گرفته شده براي کنترلر فازي سيستم
٢-٣–طراحي و ساخت کنترلر الکترونيکي
براي سخت افزار کنترلر از مدارات FPGA١ استفاده شده است . FPGA يک مدار مجتمع نيمه هادي مي باشد که از مجموعه ايي از گيت هاي منطقي به همراه يک حافظه ي دروني تشکيل شده است . خاصيت اصلي اين مدار مجتمع در موازي بودن ساختار گيت هاي دروني آن مي باشد که امکان اجراي عمليات رياضي با سرعت بالا را فراهم مي آورد. از آنجايي که کنترلر نياز به انجام محاسبات رياضي پر حجم در مدت زمان اندک دارد استفاده از FPGA با توجه به سرعت بالاي آن در مقايسه با ديگر کنترلر ها در دستور کار قرار گرفته است . همچنين همانطور که در شکل (٦) نشان داده شده است ، مدارات مجتمع FPGA را تنها مي توان با زبان VHDL برنامه نويسي کرد. اين زبان براي برنامه ريزي اين نوع مدارات خاص استفاده مي شود. بنابراين در اين قسمت شبيه سازي هاي انجام گرفته تبديل به کد هاي VHDL شده و سپس بر روي FPGA بار گذاري مي شوند.
درايو الکتريکي مورد نياز از نوع سرو موتور الکتريکي مي باشد. با استفاده از سروموتور هاي الکتريکي مي توان بدون نياز به سنسور هاي خارجي ، موقعيت مکاني و سرعت را با استفاده از فيدبک داخل کنترلر نمود.
