Mihai DOGARIU
BAZELE SISTEMELOR AUTOMATE Suport de curs
An IV – AR FR, semestrul VIII 2011 – 2012
0
Cuprins Introducere ............................................................................................................................ 5 Chestionar evaluare prerechizite ........................................................................................... 9 Unitatea de învăŃare 1 NoŃiuni generale din teoria sistemelor.............................................. 10 1.1. Introducere .................................................................................................... 10 1.2. CompetenŃe .................................................................................................... 10 1.3 Conceptul de sistem .......................................................................................... 11 1.4 Sisteme de comandă ........................................................................................ 12 1.5 Sisteme automate ............................................................................................ 12 1.5.1. Mărimile caracteristice unui sistem automat....................................... 12 1.6. Elemente de analiza sistemelor....................................................................... 13
1.7 Modelarea matematică a sistemelor ................................................................ 14 1.8 FuncŃia de transfer a unui sistem fizic ............................................................. 14 1.9 PerturbaŃii ...................................................................................................... 15 1.10 Răspunsul indicial al sistemelor de ordinul I................................................. 16 1.11 Răspunsul indicial al sistemelor sistemelor de ordinul II............................... 16 1.12. Rezumat ....................................................................................................... 18 1.13. Test de evaluare ........................................................................................... 18 Unitatea de învăŃare 2 Semnale şi reprezentarea lor, analiza semnalelor curent utilizate în tehnică................................................................................................................................. 19 2.1. Introducere .................................................................................................... 19 2.2. CompetenŃe .................................................................................................... 19 2.3 Semnale, definiŃii, clasificări. .......................................................................... 20 2.3.1 Clasificarea semnalelor....................................................................... 20 2.3.2 PerturbaŃii asupra semnalelor. ............................................................ 21 2.3.3 Reprezentarea semnalelor. .................................................................. 22 2.4 Definirea unui semnal sinusoidal. ................................................................... 23 2.4 1 DefiniŃii energetice.............................................................................. 25 2.5 Semnale tehnice. ............................................................................................. 26 2.6. Sisteme de numerotaŃie ponderate. ................................................................. 27 2.6.1 Transformarea bazei unui număr. ....................................................... 27 2.6.2 Sistemul binar natural......................................................................... 28 2.6.3 Conversiunea zecimal – binar. ............................................................ 29 2.6.4 Şirul natural al numerelor binare........................................................ 29 2.7. Procesarea semnalelor................................................................................... 31 2.7.1 Modularea în amplitudine................................................................... 31 2.7.2 Modularea în frecvenŃă....................................................................... 32 2.7.3 Prelucrarea impulsurilor rectangulare. .............................................. 32 1
2.7.3.1 Modularea impulsurilor în ampltudine. .................................. 33 2.7.3.2 Modularea impulsurilor în lăŃime (PWM)............................... 33 2.7.4 Conversia semnalelor. ................................................................................. 34 2.7.4.1 Conversia analog – digitală. ........................................................... 34 2.7.4.2 Teorema eşantionării....................................................................... 35 2.7.4.3 Transformata Fourier...................................................................... 37 2.7.4.4 Serii Fourier ................................................................................... 39 2.8. Rezumat ......................................................................................................... 42 2.9. Test de evaluare ............................................................................................. 42 Unitatea de învăŃare 3 Regulatoare automate;traductoare şi actuatori utilizaŃi pe autovehicul. ......................................................................................................................... 44 3.1. Introducere .................................................................................................... 44 3.2. CompetenŃe .................................................................................................... 44 3.3 Regulatoare. ................................................................................................... 44 3.3.1 Legile reglării....................................................................................... 45 3.3.2 Caracteristicile regulatorului ............................................................... 45 3.3.3 Răspunsul indicial al regulatoarelor..................................................... 46 3.4 Traductoare. ................................................................................................... 47 3.5 Principii generale din teoria măsurării ........................................................... 47 3.5.1 Cauzele apariŃiilor distorsiunilor ......................................................... 47 3.5.2 Deosebirile dintre senzor şi un aparat de măsură................................. 48 3.6 Caracteristicile principale ale traductoarelor. ................................................ 49 3.6.1 Liniaritatea. ......................................................................................... 49 3.6.2 Sensibilitatea........................................................................................ 50 3.6.3 Scala totală .......................................................................................... 50 3.6.4 Scala dinamică..................................................................................... 50 3.6.5 Histerezisul. ......................................................................................... 50 3.6.6 Caracteristica de frecvenŃă................................................................... 50 3.6.7 Răspunsul în domeniul timp.................................................................. 50 3.6.8 ImpedanŃa de ieşire. ............................................................................. 51 3.6.9 Sensibilitatea la influenŃa condiŃiilor de mediu. .................................... 51 3.6.10 Rigiditatea.......................................................................................... 51 3.6.11 Dimensiunile de gabarit şi masa senzorului........................................ 51 3.7 Elemente parametrice. .................................................................................... 51 3.7.1 RelaŃii fundamentale. ................................................................................... 52 3.8 Elemente sensibile de tip generator. ................................................................ 54 3.9 Traductoare digitale. ...................................................................................... 54 3.10. Rezumat ....................................................................................................... 56
2
3.11. Test de evaluare ........................................................................................... 56 Unitatea de învăŃare 4 Sisteme de formare a amestecului pentru motoarele cu aprindere prin scânteie, sisteme de injecŃie pentru motoarele cu aprindere prin comprimare. ..................... 58 4.1. Introducere .................................................................................................... 58 4.2. CompetenŃe .................................................................................................... 58 4.3 Sisteme de management ale motoarelor cu aprindere prin scânteie................. 59 4.3.1 Sisteme de formare şi control ale amestecului carburant ...................... 59 4.3.2 Managementul formǎrii amestecului carburant prin utilizarea carburatoarelor............................................................................................. 61 4.3.3 Sisteme de formare a amestecului carburant prin injecŃie monopunct .. 61 4.3.4. Sisteme de formare a amestecului prin injecŃie intermitentǎ................. 63 4.3.5 Strategii de control al formǎrii amestecului carburant.......................... 65 4.3.5.1 Controlul în volum al injecŃiei de benzină ................................ 66 4.3.5.2 Compensări aplicate duratei de injecŃie ................................... 67 4.3.5.3 Controlul stoichiometric al formării amestecului ..................... 68 4.3.6 Sisteme de management integral al motorului cu aprindere prin scânteie.................................................................................................. 69 4.3.7 Controale adiŃionale............................................................................. 71 4.4 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompe de injecŃie ........................................................................................... 73 4.5 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ - injector............................................................................................. 74 4.6 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ individualǎ de injecŃie ........................................................................ 75 4.7 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate prin rampǎ comunǎ ............................................................................................ 75 4.8 Rezumat .......................................................................................................... 78 4.9 Test de evaluare .............................................................................................. 79 Unitatea de învăŃare 5 Transmisia autovehiculului, sisteme de frânare / tracŃiune, sisteme de siguranŃă activă ................................................................................................................... 80 5.1. Introducere .................................................................................................... 80 5.2. CompetenŃe .................................................................................................... 80 5.3 Sistemul de management al transmisiei. .......................................................... 81 5.3.1 Controlul electronic al ambreiajului .................................................... 81 5.3.1.1 Controlul ambreiajului convenŃional ....................................... 82 5.3.1.2 Ambreiajul hidraulic ............................................................... 83 5.3.1.3 Ambreiajul electric.................................................................. 84 5.3.2 Controlul transmisiei automatizate ...................................................... 84
3
5.4 Sistemul de management integral al grupului motopropulsor .......................... 86 5.5 Sisteme asistate de control al frânării (ABS) ................................................... 88 5.6 Sisteme asistate de control al tracŃiunii (ASR, TCS) ........................................ 90 5.7 Sisteme de siguranŃă activă – Airbag .............................................................. 91 5.8. Rezumat ......................................................................................................... 93 5.9. Test de evaluare/autoevaluare........................................................................ 93 5.9. Test de autoevaluare ..................................................................................................... 94 5.9. Test de autoevaluare – rezolvat .................................................................................... 95 Bibliografie.......................................................................................................................... 96
4
Introducere Cercetările din ultimile decenii au condus la degajarea noŃiunii de sistem, noŃiune de o foarte largă generalitate şi aplicabilitate pe autovehicule. Marea majoritate a fabricanŃilor de autovehicule acordǎ o atenŃie deosebitǎ electronizării diverselor sisteme automate de control care intră în alcătuirea unui autovehicul, atenŃie facilitată de disponibilitatea utilizării microprocesoarelor, la preŃuri tot mai scăzute şi cu performanŃe tot mai ridicate, din punct de vedere al puterii de calcul şi al vitezei de lucru. Calea cea mai economică de abordare a optimizării proceselor de la bordul unui autovehicul este electronizarea limitată, adică introducerea graduală a sistemelor de control, cu aplicabilitate asupra agregatelor clasice ale motorului şi a transmisiei, precum şi asupra dinamicităŃii, siguranŃei şi confortului autovehiculului. Sistemele cu microcontrolere destinate managementului regimurilor de funcŃionare ale grupurilor motopropulsoare conduc, prin reglarea şi optimizarea parametrilor funcŃionali şi de proces, la economii de carburant de 15% ... 20 %. Efecte economice importante oferă aplicarea sistemelor de comandă şi control complexe, multifuncŃionale, cu ajutorul cărora se poate obŃine o creştere a economicităŃii cu aproximativ 7…10%, concomitent cu o reducere a concentraŃiilor de substanŃe toxice din gazele de evacuare cu încă 15…20%. Astfel de sisteme complexe, cuprinzând scheme integrate specializate au şi funcŃii de ridicare a confortabilităŃii, putând controla mai mult de 50 de parametri simultan, precum şi funcŃii de diagnosticare a stării tehnice a principalelor subansambluri ale autovehiculului, cu avertizarea la bord a defecŃiunilor cu grad ridicat de pericol. ImportanŃa studiului sistemelor automate ale autovehiculului
Ilustrarea rolului sistemelor automate ale autovehiculului. Asistarea electronicǎ a sistemelor de direcŃie, suspensie, frânare şi tracŃiune se adaugă sistemelor de management ale grupului motopropulsor, ansamblul supunându-se conceptului de control integrat. Una direcŃiile principale ale dezvoltării automobilelor este şi va fi cu preponderenŃǎ crearea sistemelor unificate de management a motorului şi transmisiei luate ca ansamblu, corelate cu sistemele de frânare şi cu celelalte sisteme ce concurǎ la siguranŃa ocupanŃilor şi a mărfurilor sau la confortul conducătorului auto şi a pasagerilor.
5
Datorită multiplelor posibilităŃi oferite de tehnica digitală de calcul, este posibil a se reuni apoi aceste subsisteme sub un management integral, utilizând posibilităŃile unităŃilor de calcul asociate subsistemelor de intercomunicare. Regulatoarele electronice multifuncŃionale din componenŃa sistemelor complexe de management al motoarelor controlează dozarea combustibilului pe ciclul motor, astfel încât să se asigure o caracteristică de turaŃie cu rezervă mare de cuplu, în vederea reducerii numărului de schimbări ale treptelor de viteză necesar acŃionării unei cutii de viteze în trepte, obŃinânduse un management complet al grupului motopropulsor. Avantajele utilizării sistemelor de control automat ale motorului rezultă din următoarele: • corelarea debitului de combustibil pe ciclul motor cu debitul de aer; • corelarea raportului aer / combustibil, în cazul utilizării unor combustibili diferiŃi de cei standard; • corelarea raportului aer / combustibil cu altitudinea; • creşterea debitului de combustibil / ciclu la pornirea la rece; • controlul turaŃiei de mers în gol la diverse sarcini impuse motorului, în special de către consumatorii electrici. În ceea ce priveşte transmisia, electronizarea oferă avantaje esenŃiale în controlul tracŃiunii conjugat cu cel al frânării, din care se pot remarca: • schimbarea automată a treptelor de viteze, asigurându-se o cuplare linǎ şi fără şocuri; • corelarea forŃei de tracŃiune cu condiŃiile specifice de drum; • corelarea regimului de viteză cu cel al motorului; • controlul frânării şi tracŃiunii în condiŃii de drum alunecos, în pante sau curbe. Obiectivele cursului Cursul se adresează studenŃilor care au ales specializarea Autovehicule Rutiere, ÎnvăŃământ cu FrecvenŃă Redusă, dar şi celorlaŃi interesaŃi de studiul sistemelor automate, cu aplicaŃii la autovehicule. Obiectivele urmărite sunt următoarele: • cunoaşterea sistemelor automate; • studiul semnalelor (mecanice sau nemecanice), cu aplicaŃii specifice autovehiculului; • cunoaşterea regulatoarelor integrate (mecanice / electronice), parte a sistemelor automate; • studiul senzorilor; • însuşirea cunoştiinŃelor asupra elementelor de execuŃie.
CompetenŃe conferite După parcurgerea materialului, studentul va fi capabil să: •
explice şi să dezvolte schemele bloc ale diferitelor sisteme automate
6
specifice autovehiculului; •
clasifice răspunsul sistemelor, în funcŃie de tipul excitaŃiei;
•
clasifice semnalele tehnice;
•
descrie tipurile de regulatoare şi a senzorilor utilizaŃi pe autovehicul;
•
descrie sistemele de formare a amestecului combustibil al motoarelor cu ardere internă;
•
explice funcŃionarea sistemelor controlate de frânare, tracŃiune şi de siguranŃă activă.
Resurse şi mijloace de lucru – calculatoare; – videoproiector; – sisteme de achiziŃie de date, cu vizualizare prin mijloace video; – instrumente electronice de măsurare; – soft-uri de prelucrare a datelor experimentale. Structura cursului Cursul este structurat pe 5 unităŃi de învăŃare, notate U1…U5, după cum urmează: –
U1: Introducere în teoria generală a sistemelor automate: conceptul
de sistem, clasificări, condiŃii de existenŃă, scheme bloc, reprezentări grafice, elemente de analiză a sistemelor automate, funcŃii tipice de excitaŃie, răspunsul sistemelor în timp şi în frecvenŃă, distribuŃii, relaŃii energetice; –
U2: Semnale şi reprezentarea lor, analiza semnalelor curent utilizate
în tehnică, sisteme de reglare şi conducere: sisteme de comandă, sisteme automate de reglare, regimuri de funcŃionare, legi de reglare tipice, constante de timp, timpi morŃi; –
U3: Analiza regulatoarelor automate: caracteristicile regulatoarelor,
răspunsul regulatoarelor la funcŃiile de excitaŃie, senzori şi actuatori utilizaŃi pe autovehicul; –
U4: Sisteme de formare a amestecului pentru motoarele cu
aprindere prin scânteie, sisteme de injecŃie pentru motoarele cu aprindere
7
prin comprimare; –
U5: Transmisia autovehiculului, sisteme de frânare / tracŃiune,
sisteme de siguranŃă activă.
CerinŃe preliminare Fizica, Matematici speciale, Dinamica Autovehiculelor, Calculul şi construcŃia motoarelor cu ardere internă. Discipline deservite Bazele ingineriei autovehiculelor, Metoda elementului finit, Sisteme alternative de propulsie, Sisteme electrice şi electronice ale autovehiculelor.
Durata medie de studiu individual Parcurgerea de către studenŃi a fiecărei unităŃi de învăŃare a cursului de Bazele Sistemelor Automate se poate face în aproximativ 2...3 ore.
Evaluarea La sfârşitul semestrului studenŃii vor susŃine un colocviu la o dată programată de către conducerea departamentului DIDIFR. Fiecare student va primi în cadrul colocviului o notă pentru răspunsurile la întrebările puse şi o notă pentru rezolvarea unui test final de autoevaluare. Nota pentru răspuns are o pondere de 70% din nota finală, nota la test de 30%.
8
Chestionar evaluare prerechizite 1. Ce înŃelegeŃi prin Sistem? 2. Ce înŃelegeŃi prin funcŃia de transfer? 3. Ce reprezintă relaŃia intrare – ieşire? 4. Ce semnificaŃie fizică au semnalele? 5. Care sunt semnalele utilizate în tehnică, ce înseamnă răspunsul indicial? 6. Ce este un regulator automat? 7. ce tipuri de senzori cunoaşteŃi? 8. Care sunt elementele de bază ale unui sistem de formare a amestecului combustibil? 9. Ce tipuri de injectoare cunoaşteŃi? 10. Ce elemente de comandă conŃine un sistem de management al transmisiei?
9
Unitatea de învăŃare 1. NoŃiuni generale din teoria sistemelor Cuprins 1.1. Introducere…………………………………………………………… 10 1.2. CompetenŃe……………………………………………………………. 10 1.3. Conceptul de sistem……………………………………………………. 11 1.4. Sisteme de comandă……………………………………………...…….12 1.5. Sisteme automate……………………………………………………… 12 1.5.1. Mărimile caracteristice unui sistem automat……………… 12 1.6. Elemente de analiza sistemelor………………………………………..13
1.7 Modelarea matematică a sistemelor…………………………………. 13 1.8 FuncŃia de transfer a unui sistem fizic..................................................14 1.9 PerturbaŃii ............................................................................................ 15 1.10 Răspunsul indicial al sistemelor de ordinul I..................................... 16 1.11 Răspunsul indicial al sistemelor sistemelor de ordinul II...................16 1.12 Rezumat …………………………………………………………….18 1.13 Test de evaluare……………………………………………………..18
1.1. Introducere Introducere în teoria generală a sistemelor automate: conceptul de sistem, clasificări, condiŃii de existenŃă, scheme bloc, reprezentări grafice, elemente de analiză a sistemelor automate, funcŃii tipice de excitaŃie, răspunsul sistemelor în timp şi în frecvenŃă, distribuŃii, semnale şi relaŃii energetice. 1.2. CompetenŃele unităŃii de învăŃare După parcurgerea materialului unităŃii de învăŃare U1, studenŃii vor fi capabili: • să cunoască conceptul de sistem; • să poată creea scheme bloc; • să cunoască semnalele utilizate în tehnică, reprezentarea şi prelucrarea lor; • să cunoască locul şi rolul senzorilor într-un sistem; • să cunoască elementele de analiză a sistemelor automate.
Durata medie de parcurgere a primei unităŃi de învăŃare este de 3 ore.
10
1.3 Conceptul de sistem Sistemul reprezintă o colecŃie de obiecte aflate în interacŃiune căreia îi sunt specifice o anumită organizare şi un anumit scop, mai pe larg – se identifică existenŃa unui sistem atunci când se poate evidenŃia o relaŃie între minim două mărimi sau obiecte. Această definiŃie nu este unică, dar prezintă un nivel ridicat de generalitate. Caracterizarea unui sistem se poate face în manieră structurală sau informaŃională. Caracterizarea structurală presupune descrierea obiectelor şi interacŃiunilor aferente sistemului. Caracterizarea informaŃională presupune descrierea mărimilor specifice sistemului. În figura 1.1 se ilustrează sub forma unei scheme bloc un sistem, care prezintă una sau mai multe mărimi de intrare x(t) şi una sau mai multe mărimi de ieşire y(t). Mărimea de intrare este o variabilă independentă, care reprezintă cauza, iar mărimea de ieşire este variabila dependentă – efectul produs de intrare. Aceste mărimi au un caracter pur informaŃional şi nu material. Sistemul în sine este descris prin stările sale, notate σ(t), care iau valori în spaŃiul stărilor Σ, adică σ ∈ Σ .
Fig. 1.1 Caracterizarea informaŃională a unui sistem. Regimurile de funcŃionare ale unui sistem tehnic sun date de valorile deosebite ale stării unui sistem: • starea iniŃială, considerată la momentul iniŃial t = t0; • starea finală, sau staŃionară, dată de regimul permanent, considerată la t = ∞ ; • regimul tranzitoriu sau dinamic, considerat din momentul ieşirii dintr-un regim permanent până la intrarea într-un alt regim permanent. Clasificarea sistemelor după caracterul funcŃiei de stare • Sisteme liniare, care respectă proprietăŃile de omogenitate, aditivitate, invarianŃa în timp şi multiplicare cu o constantă; • Sisteme neliniare, la care nu se pot aplica proprietăŃile enunŃate.
Un sistem liniar respectă regulile enunŃate, care sunt reprezentate în tabelul1.1. Tab. 1.1
11
1.4 Sisteme de comandă Comanda este un ansamblu de operaŃii ce se efectuează în circuit deschis şi care au ca efect stabilirea unei dependenŃe, după o lege prestabilită prestabilită pentru valoarea mărimii de ieşire y(t), în raport cu mărimea de intrare x(t). Această mărime de intrare poate fi independentă de procesul controlat (în cazul unei comenzi manuale), automată, secvenŃială sau cu program. În figura 1.2 se exemplifică printr-o schemă bloc a unui sistem de comandă, care se mai numeşte sistem cu buclă deschisă, în care acŃiunea de comandă se desfăşoară într-un singur sens, cu scopul de a controla un proces. În cazul unui autovehicul, acest proces poate fi bracarea roŃilor pentru a efectua un viraj, operaŃiunii de frânare, deschiderea unui geam etc.
Fig. 1.2 Schema bloc generală a unui sistem de comandă. Un sistem de comandă este supus influenŃei perturbaŃiilor. AcŃiunea acestora va determina abaterea rezultatelor de la obiectivele prestabilite, fără a avea posibilitatea corecŃiei comenzilor din partea mijlocului de conducere, întrucât acesta nu este informat, nici în legatură cu procesul, nici cu perturbaŃiile. 1.5 Sisteme automate Sistemul în care elaborarea comenzilor se face atât pe baza obiectivelor, cât şi pe baza informaŃiilor referitoare la proces se numeşte sistem automat. Având o legătură informaŃională referitoare la efect, sistemul este cunoscut sub denumirea de sistem cu conexiune inversă, cu reacŃie negativă sau feedback; iar în acest caz, sistemul se numeşte cibernetic. În figura 1.3 se prezintă schema bloc generală a unui sistem de reglare automat.
Fig. 1.3 Schema bloc generală a unui sistem automat. 1.5.1 Mărimile caracteristice unui sistem automat SemnificaŃia notaŃiilor din figura 1.3, vor stabili mărimile definitorii unui sistem automat: 1. i(t) – mărimea de intrare, denumită ca mărime de referinŃă sau valoare impusă; 2. e(t) – mărimea de ieşire, denumită ca mărime reglată sau valoare dorită; 3. r(t) – mărimea de reacŃie;
12
G(t) – eroarea de urmărire, ε = i − r ; c – mărimea de comandă; m – mărimea de execuŃie; Comparatorul – element de comparaŃie, care procesează eroarea; Regulator – emite mărimea de comandă c în funcŃie atât de valoarea erorii, cât şi de integralele şi derivatele acesteia în raport cu timpul; 9. Actuator – reprezintă blocul elementelor de execuŃie, care acŃionează asupra procesului de controlat ; 10. Proces – obiectul, fenomenul sau substanŃa de controlat în mod automat; 11. Senzori – blocul de urmărire prin măsurare a mărimii reglate; 12. Z – (de la zgomot), văzut ca o sumă de perturbaŃii Pi. Dacă sistemul este numeric, adică procesează semnale digitale, semnalele variabile în timp devin semnale cu variaŃie discretă la momentele date de perioada de eşantionare, adică ele sunt de forma x(kT), unde k = 1, 2, 3, … 4. 5. 6. 7. 8.
1.6 Elemente de analiza sistemelor Regimul dinamic al unui sistem corespunde funcŃionării acestuia în situaŃia în care mărimea de măsurat i(t) şi implicit semnalul de ieşire e(t) variază în timp. VariaŃiile mărimii de intrare nu pot fi urmărite instantaneu la ieşire, datorită inerŃiilor care pot fi de natură: mecanică, electromagnetică, termică etc. şi care intervin sub forma unor constante de timp. Proiectarea şi analiza performanŃelor unui sistem automat se poate face astfel: 1. În domeniul timp – prin utilizarea funcŃiei indiciale, adică răspunsul la semnalul treaptă unitar (Heaviside) sau prin utilizarea funcŃiei pondere, adică răspunsul la impulsul Dirac δ (t ) . Instrumentul matematic necesar analizei în timp este oferit de transformările Laplace. 2. În domeniul frecvenŃă – pe baza răspunsului permanent armonic la variaŃia sinusoidală a intrării i(t). Instrumentul matematic necesar analizei în frecvenŃă este oferit de transformările Fourier. 3. În cazul sistemelor numerice, cu ajutorul transformatei Z, care stabileşte legătura dintre domeniul timpului discret (kT – T fiind perioada de eşantionare) şi domeniul variabilei complexe z.
1.7 Modelarea matematică a sistemelor Modelul matematic al unui sistem este constituit în general, de un ansamblu de ecuaŃii algebrice şi diferenŃiale, care exprimă dependenŃa temporală a mărimii de ieşire faŃă de cea de intrare. Într-un final, cercetarea unui sistem automat cu ajutorul modelului matematic, va determina calitativ şi cantitativ, optimizările necesare unui prioect iniŃial, astfel încât sistemul realizat fizic să ofere performanŃele funcŃionale scontate. Modelul matematic, exprimat sub forma generală a unei ecuaŃii diferenŃiale liniare şi neomogene, care leagă varibila de ieşire e(t) de cea de intrare i(t) este dat de relaŃia (1.1):
an
d ne d n−1e de d mi d m −1i di a a a e b b + + ... + + = + + ... + b1 + b0 i m −1 m n −1 1 0 m −1 m n −1 n dt dt dt dt dt dt
care, scrisă sub o formă mai compactă este dată de (1.2):
13
(1.1)
n
∑ ak k =0
d ji d ke m b = ∑ j dt j dt k j =0
(1.2)
Rezolvarea unei astfel de ecuaŃii diferenŃiale conduce la o soluŃie, care cuprinde două componente principale, date de: • partea naturală a sistemului, caracterizând funcŃionarea sistemului în regim tranzitoriu; • partea forŃată, caracterizând funcŃionarea sistemului în regim staŃionar (stabilizat). Astfel soluŃia generală a ecuaŃiei neomogene (1.1) are forma generală dată de (1.2): e(t) = etranz(t) + est(t)
(1.3)
1.8 FuncŃia de transfer a unui sistem fizic Pentru un sistem reprezentat prin relaŃia e(t) = f[i(t)], se defineşte ca funcŃie de transfer raportul dintre transformata Laplace a mărimii de ieşire E(s) şi transformata Laplace a mărimii de intrare I(s), adică: E (s) (1.4) H (s) = I ( s) Se reaminteşte că transformata Laplace stabileşte o corelaŃie între domeniul timpului continuu t şi domeniul variabilei complexe s prin relaŃia: ∞
F ( s ) = ∫ f (t )e − st dt
(1.5)
0
iar transformata inversă este definită de relaŃia: α + j∞
f (t ) =
1 F ( s)e st ds 2πj α −∫j∞
(1.6)
cu observaŃia importantă, că prin transformata Laplace ecuaŃia diferenŃială (1.1) se transformă într-o ecuaŃie algebrică, a cărei rezolvare este mult simplificată. Pentru sistemul dinamic exprimat prin modelul matematic (1.1), funcŃia de transfer este determinată prin transformarea Laplace a fiecărui termen în parte, rezultând: E ( s ) bm s m + bm −1 s m−1 + ... + b1 s + b0 = H (s) = I ( s ) a n s n + a n −1 s n−1 + ... + a1 s + a 0
(1.7)
EcuaŃia caracteristică a sistemului este reprezentată de ecuaŃia rezultată din egalarea numitorului expresiei (1.7) cu zero, adică: I(s) = 0
(1.8) 14
Rezolvarea ecuaŃiilor algebrice rezultate din egalarea cu zero atât a numitorului cât şi a numărătorului permit scrierea funcŃiei de transfer sub o altă formă, unde se vor utiliza notaŃiile: m – numărul de rădăcini ale numărătorului, numite zerouri; n – numărul de rădăcini ale numitorului, numite poli; p – ordinul numărătorului, care rămâne după scoaterea lui s ca numitor comun; q – idem, dar pentru numitor; (m – p) – ordinul lui s comun tuturor termenilor numărătorului; (n – q) – idem, dar pentru numitor; bm-p – coeficientul termenului cu cel mai mic ordin comun a lui s, pentru numărător; an-q – idem, pentru numitor; α = (n - q) – (m - p) – ordinul polului în prigine, numit ordin de astatism al sistemului, bm − p – factorul de amplificare al sistemului. K= a n− q Cu aceste notaŃii, ecuaŃia (1.7) devine: H (s) =
K Pp ( s ) ⋅ s α Qq ( s )
(1.9)
ObservaŃii: • Pentru ca sistemul să fie fizic realizabil, ordinul numitorului trebuie să fie mai mare decăt cel al numitorului cu cel puŃin o unitate, adică n > m + 1; • Factorul de amplificare K se defineşte ca raportul dintre valoarile staŃionare ale mărimii de ieşire şi a celei de intrare, adică atunci când t → ∞ , sau jω → 0 .
1.9 PerturbaŃii Într-un sistem automat, ca cel reprezentat în figura 1.3, apar în mod inerent perturbaŃii, care pot influenŃa funcŃionarea sistemului; acestea se pot situa în oricare din blocurile funcŃionale ale sistemului, dar în mod convenŃional se consideră că ele au ponderea cea mai mare atunci când se aplică direct asupra procesului reglat. Cele mai importante perturbaŃii, care pot influenŃa desfăşurarena proceselor sunt următoarele: • modificări ale sarcinii de exemplu, modificarea momentului motor la apariŃia pe parcurs a unei pante; • modificări în caracteristicile agentului cu care se realizează reglarea, cum ar fi în instalaŃia de climatizare; • schimbări în condiŃiile ambientale, care pot apare la intrarea într-un tunel cu autovehiculul; • schimbări în caracteristicile interne ale procesului, cum ar fi modificarea raportului de comprimare al motorului, cauzat de depunerile de calamină; • modificarea mărimii de intrare (referinŃă), care deseori se face în mod voit pentru ca ieşirea să satisfacă anumite cerinŃe, cum ar fi nevoia de acceleraŃie la o depăşire.
15
1.10 Răspunsul indicial al sistemelor de ordinul I Răspunsul indicial al unui sistem este definit ca semnalul obŃinut la ieşire, atunci când la intrare se aplică un semnal treaptă unitar. Sistemele de ordinul I sunt caracterizate prin ecuaŃii diferenŃiale de ordinul I, descrise prin relaŃii desprinse din (1.1), unde se reŃin termenii de ordinul I: a1
de + a 0 e = b0 i dt
(1.10)
care capătă forma:
τ
de + e = Ki dt
(1.11)
cu următoarele notaŃii şi semnificaŃiile lor fizice:
a1 , constantă de timp (figura 1.5); a0 b • K = 0 , factorul de amplificare. ao FuncŃia de transfer din relaŃia (1.7) ia forma: •
τ=
H (s) =
K τs + 1
(1.12)
iar răspunsul indicial (la semnalul de tip Heaviside) este dat de expresia:
e(t ) = K (1 − e
−t
τ
)
(1.13)
şi este reprezentat în figura 1.5.
Fig. 1.5 Răspunsul indicial al unui sistem de ordinul I.
1.11 Răspunsul indicial al sistemelor sistemelor de ordinul II Sistemele de ordinul II sunt caracterizate prin ecuaŃii diferenŃiale de ordinul II:
16
a2
d 2e de + a1 + a 0 e = b0 i 2 dt dt
(1.14)
care capătă forma:
d 2e de + τ1 + e = Ki 2 dt dt cu următoarele notaŃii şi semnificaŃiile lor fizice:
τ 22
a0 , care se numeşte pulsaŃia naturală a sistemului; a2
•
ωn =
•
b0 , factorul de amplificare; a0 a1 ζ = , factorul de amortizare; 2 a0 ⋅ a 2
•
(1.15)
K=
•
τ1 =
•
τ2 =
2τ 2
ζ 1
ωn
, constanta de timp de ordinul I; , constanta de timp de ordinul II.
FuncŃia de transfer din relaŃia (1.7) va avea următoarea formă: Kω n2 H (s) = 1 2 2ζ s + s +1 2
ωn
(1.16)
ωn
Răspunsul indicial la un semnal de amplitudine i0 al sistemului de ordin II, este dat de relaŃia (5.17): 1−ζ 2 1 e(t ) = Ki0 1 − e −ωnζt ⋅ sin(ω n 1 − ζ 2 t + arctg (1.17) ζ 1− ζ 2 Reprezentarea grafică a răspunsului indicial al unui sistem de ordinul II este dată în figura 1.6, unde: • est este valoarea de regim staŃionar; • ±G este eroarea ; • σ(t) este suprareglarea.
Fig.1.6 Răspunsul indicial tipic al unui sistem de ordinul II.
17
Exemple Următoarele subansamble ale unui autovehicul sunt considerate Sisteme de ordinul I: • Termostatul din sistemul de răcire; • Termometrul de exterior / interior; • Senzorul de temperatură al motorului. Siteme de ordinul II: • Injectoarele; •
Clapeta electronică de acceleraŃie;
•
Ansamblul suspensiei;
ScrieŃi ecuaŃia diferenŃială de funcŃionare a termostatului. Apelând la cunoştiinŃele dobândite la materia Dinamica autovehiculelor, scrieŃi ecuaŃiile de funcŃionare ale unei suspensii independente ale unui automobil; DescrieŃi funcŃionarea clapetei de acceleraŃie electronică;
Să ne reamintim... Teoria sistemelor automate abordează o gamă largă de fenomene fizice, sau de obiecte care aparent nu au nimic în comun; ceeace le reuneşte în clasa sistemelor este relaŃi de dependenŃă dintre cel puŃin două elemente, care pot defini un sistem. Astfel, relaŃia dintre tensiune şi curent defineşte sistemul rezistenŃă, relaŃia dintre forŃă şi acceleraŃie defineşte sistemul masă, iar suspensia este descrisă prin aceeaşi ecuaŃie ca şi injectorul.
Rezumat Unitatea U1 introduce studenŃii în domeniul sistemelor automate, cu aplicaŃii tipice unui autovehicul modern; se abordează diferitele subansamble prin modelarea matematică în mod unitar a funcŃionării acestora. Următoarele unităŃi de învăŃare vor detalia aspectele privind fiecare din blocurile funcŃionale descrise, cât şi elemente de analiza semnalelor. Test de evaluare a cunoştinŃelor • ExemplificaŃi un sistem de ordinul I; • DefiniŃi răspunsul indicial; • Rezolvarea ecuaŃiei de stare a unui sistem de ordin I; •
DefiniŃi suprareglarea.
18
Unitatea de învăŃare 2. Semnale şi reprezentarea lor, analiza semnalelor curent utilizate în tehnică Cuprins 2. 1 Introducere .............................................................................................19 2.2 CompetenŃe..............................................................................................19 2.3 Semnale, definiŃii, clasificări...................................................................20 2.3.1 Clasificarea semnalelor.............................................................20 2.3.2 PerturbaŃii asupra semnalelor....................................................21 2.3.3 Reprezentarea semnalelor ........................................................22 2.4 Definirea unui semnal sinusoidal………………………………………23 2.4 1 DefiniŃii energetice...................................................................25 2.5 Semnale tehnice.......................................................................................26 2.6. Sisteme de numerotaŃie ponderate..........................................................27 2.6.1 Transformarea bazei unui număr..............................................27 2.6.2 Sistemul binar natural...............................................................28 2.6.3 Conversiunea zecimal – binar...................................................29 2.6.4 Şirul natural al numerelor binare ..............................................29 2.7. Procesarea semnalelor………………………………………………......31 2.7.1 Modularea în amplitudine……………………………….…….31 2.7.2 Modularea în frecvenŃă………………………………………..32 2.7.3 Prelucrarea impulsurilor rectangulare…………………….…………...32 2.7.3.1 Modularea impulsurilor în ampltudine......................33 2.7.3.2 Modularea impulsurilor în lăŃime (PWM).................33 2.7.4 Conversia semnalelor.................................................................34 2.7.4.1 Conversia analog – digitală.......................................34 2.7.4.2 Teorema eşantionării.................................................35 2.7.4.3 Transformata Fourier.................................................37 2.7.4.4 Serii Fourier..............................................................39 2.8 Rezumat.....................................................................................................42 2.9.Test de evaluare.........................................................................................42 2.1. Introducere Suntem înconjuraŃi de semnale; întradevăr, conectarea noastră la lume se face prin intermediul unei varietăŃi de semnale, al căror sens este dat de corespondenŃa lor cu fenomenele fizice, de exemplu: vocea umană, sunetele naturii, lumina, căldura sau frigul etc. Unitatea de îvăŃare U2 introduce studentul în studiul semnalelor, care pot fi de diverse naturi (mecanice, electrice, termice etc), dar care sunt descrise şi reprezentate identic în evoluŃia lor temporală. Se prezintă elemente de procesare tipice, cum ar fi modulaŃia sau conversia analog-digitală.
2.2. CompetenŃele unităŃii de învăŃare După parcurgerea materialului acestei unităŃi de învăŃare studenŃii vor fi capabili: • să cunoască conceptul de semnal;
19
• • • •
să cunoască diferitele semnale şi reprezentarea lor analitic sau grafic; să ştie principalele moduri de prelucrare a semnalelor; să descrie principiul eşantionării; să cunoască elementele de analiză a semnalelor.
Durata medie de parcurgere a unităŃii de învăŃare U2 este de 3 – 4 ore.
2.3 Semnale Un semnal reprezintă un set de una sau mai multe variabile utilizat pentru a transmite o informaŃie (sau o caracteristică) proprie unui fenomen fizic. Suntem înconjuraŃi de semnale; întradevăr, conectarea noastră la lume se face prin intermediul unei varietăŃi de semnale, al căror sens este dat de corespondenŃa lor cu fenomenele fizice, de exemplu: vocea umană, sunetele naturii, lumina, căldura sau frigul etc. Clasificarea semnalelor este bazată pe: • reprezentarea lor în timp; • limitele de variaŃie a amplitudinii acestora.
2.3.1 Clasificarea semnalelor O clasificarea temporală a semnalelor este următoarea:
Semnale
Aleatoare Deterministe
Invariabile Variabile în timp
Neperiodice Periodice
Sinusoidale Nesinosoidale
Referitor la clasificarea temporală, se menŃionează că un semnal determinist poate fi previzionat în evoluŃia sa în timp şi poate fi descris matematic printr-o relaŃie sau un set de relaŃii, pe când un semnal aleator (întâmplător) nu poate fi nici prezis, nici descris într-o formă clară, dar poate fi uneori, estimat; în general, semnalele aleatoare se prelucrează prin metode statistice. Pentru că nu li se poate prezice evoluŃia temporală, se spune că semnalele aleatoare sunt purtătoare de informaŃie. De exemplu, un simplu salut între două cunoştiinŃe nu conŃine nicio informaŃie, pe când enunŃarea unei noutăŃi este purtătoare de informaŃie, prin aceasta fiind un semnal aleator. În domeniul electric, faptul că la prizele dintr-o încăpere există o tensiune alternativă, care are o valoare standardizată nu oferă informaŃie, dar la pornirea televizorului, care este alimentat din priza electrică, vom avea parte de informaŃie, prin faptul că nu putem prezice diferitele evoluŃii din lumea înconjurătoare date la buletinele de ştiri. Semnalele se reprezintă în funcŃie de evoluŃia lor în timp, dar atunci când se analizează prin diferite metode matematice, se preferă reprezentarea lor în funcŃie de frecvenŃă. O desfăşurare a semnalelor după frecvenŃe este arătată în tabelul 2.1.
20
Semnale în funcŃie de frecvenŃe Tab. 2.1 Domeniul de frecvenŃe AplicaŃii generale < 20 Hz Infrasunete 20 Hz…20 kHz Domeniul audio 20 kHz…80 kHz Ultrasunete 120 kHz…< 1 GHz Unde radio, TV, telefonie Infraroşu, Spectrul vizibil, Ultraviolet, RadiaŃii α, β, γ etc.
2.3.2 PerturbaŃii asupra semnalelor În general peste evoluŃia în timp a semnalului se suprapun zgomote, care pot perturba informaŃia purtată. Se defineşte raportul semnal / zgomot SNR (Signal to Noise Ratio) ca: SNR = InformaŃia purtată de semnal / InformaŃia purtată de zgomot Pentru că domeniul de variaŃie a semnalelor poate fi extrem de larg, se defineşte raportul semnal / zgomot ca raportul amplitudinilor semnalului şi a zgomotului (2.1): A (2.1) SNR = 20 log 10 semnal [dB] Azgomot În figura 2.1 se prezintă un semnal sinusoidal peste care se suprapune zgomot în două cazuri cu SNR diferite.
SNR = 26 dB
SNR = 14 dB
SNR = -6 dB SNR = -10 dB Fig.2.1 Suprapunerea zgomotului peste un semnal sinusoidal pentru diferite SNR.
21
2.3.3 Reprezentarea semnalelor Atunci când se reprezintă un semnal, în general se utilizează timpul ca variabilă independentă, metodă potrivită în studiul sistemelor automate, totuşi există multe cazuri în care semnalele sunt reprezentate depinzând de alte variabile. De exemplu, în aplicaŃii proprii autovehiculului, semnalul poate fi presiunea dintr-o conductă de alimentare cu combustibil în funcŃie de lungimea conductei, evoluŃia periodică a presiunii din camera de ardere în funcŃie de poziŃia arborelui cotit, forŃa de apăsare pe pedala de frână în funcŃie de viteza autovehiculului etc. Există patru tipuri de bază ale semnalelor, ale căror evoluŃii în timp sunt reprezentate în tabelul 2.2.
Tipuri de semnale
Tab. 2.2
Semnal continuu variabil în timp: · Semnale analogice; · Semnale generate de către traductoare.
Semnal continuu variabil în timp, definit în momente discrete de timp.
Semnal care ia valori discrete în timp: · Semnalul este eşantionat la valori discrete de timp, unde capătă valori discrete.
Semnal cu valori discrete, în timp discret: · Semnal digital.
22
O importantă clasă a semnalelor este cea a celor periodic variabile în timp x(t), care din punct de vedere matematic respectă relaŃia: x(t) = x( t + nT), pentru n = 1, 2, 3, ... unde T este numită perioda semnalului x(t). În studiul sistemelor automate se vor întâlni diferite forme de semnale periodice, cele mai des întâlnite sunt reprezentate în figura 2.2.
Fig. 2.2 Semnale tehnice uzuale; a – sinusoidale, b – rectangulare, c – tren de impulsuri, d – triunghiular, e – în dinte de ferăstrău, f – semnal aleatoriu peste care se suprapune zgomotul.
2.4 Definirea unui semnal sinusoidal Cel mai des întâlnit şi utilizat semnal în diverse aplicaŃii este cel sinusoidal, care este descris prin relaŃia: x(t ) = A sin(ωt + φ ) (2.2)
23
Se face observaŃia că, semnalul sinusoidal este important în studiul altor forme de semnale şi, după cum se va vedea mai departe, el poate fi utilizat ca esenŃială componentă a semnalelor periodice sau neperiodice. Parametrii principali descrişi de ecuaŃia 2.2 şi reprezentaŃi în figura 2.3 sunt următorii: A – amplitudinea, care este exprimată în unităŃi de măsură SI (V, A, N, Cd etc); ω – frecvenŃa unghiulară [rad/s]; φ – faza [rad];
Fig. 2.3 Parametrii principali ai undei sinusoidale. De obicei, în studiul sistemelor, semnalele de orice natură sunt reprezentate în funcŃie de frecvenŃa lor f [Hz], care derivă din frecvenŃa unghiulară ω, adică:
ω = 2πf [rad/s]
(2.3)
Perioda semnalului T este inversul frecvenŃei, adică: T=
1 2π = ω f
[s]
(2.4)
Faza φ a semnalului reprezintă deplasarea semnalului dintr-o poziŃie, considerată ca origine la momentul t = 0, după cum se poate observa în figura 2.4. Dacă se reprezintă simultan o undă sinusoidală şi una cosinusoidală, atunci defazajul dintre ele va fi de π 1800 electrice.
Fig. 2.4 Defazajul φ dintre două unde sinusoidale.
24
2
, sau
2.4 1 DefiniŃii energetice Valoarea efectivă, care stabileşte energia trasmisă de către semnalul sinusoidal este definită după formula: T
2 1 V (t )dt ∫ T 0
Vef =
(2.5)
Dacă se consideră semnalul prezentat în figura 2.3, V(t) = Acos(ωt), atunci valoarea efectivă a semnalului V(t) se calculează după formula 2.5, şi anume: T
1 A 2 cos 2 (ωt )dt ∫ T 0
Vef =
=
=
ω 2π ω 2π
2π ω
∫A
cos 2 (ωt )dt
2
0
2π ω
∫ 0
1 A 2 + cos(2ωt ) dt 2 2π ω
=
1 2 A + 2 =
A 2
∫ 0
A2 cos(2ωt ) dt 2
≈ 0.707 A
(2.6)
În figura 2.5 se ilustrează forma sinusoidală a tensiunii de alimentare din reŃeaua casnică, a cărei valoare efectivă se cunoaşte a fi de 220 V.
Fig. 2.5 Valoarea efectivă a tensiunii de reŃea.
25
Valoarea medie a unui semnalui sinusoidal V(t) este definită prin relaŃia 2.7: 1 ω = ∫ V (t ) dt = T 0 2π T
Vmed
2π
ω
∫ A cos(ωt )dt
(2.7),
0
unde se face următoarea observaŃie: integrala din relaŃia 2.7 este nulă, în cazul în care semnalul sinusoidal (cosinusoidal) este axat pe valoarea 0, ca în figura 2.5; deseori semnalul este axat pe o altă valoare Vconstant, caz în care valoarea medie este chiar Vconstant.
2.5 Semnale tehnice În ştiinŃa inginerească se întâlnesc deseori evoluŃii ale semnalelor cu certă semnificaŃie fizică, astfel se vor prezenta două din cel mai des utilizate semnale, numite semnale tehnice. Impuls unitar δ(t), numit în literatura tehnică – impuls Dirac, descris prin relaŃiile: 0, t ≤ − ε 2 1 δ ε (t ) = ,− ε 2 < t < ε 2 ε 0, t > ε 2
(2.8)
EvoluŃia în timp a impulsului Dirac este arătată în figura 2.6, iar din punct de vedere fizic, acesta reprezintă o lovitură de scurtă durată de exemplu, atunci când una din roŃile unui autovehicul trece peste o groapă în asfaltul unei străzi.
Fig. 2.6 Impulsul Dirac.
În condiŃiile teoretice în care ε → 0 , impulsul ar deveni tot mai scurt, ceeace din punct de vedere mecanic, presupune acceleraŃii infinite şi atunci se impune condiŃia fizică: ∞
W = ∫ δ ε (t )dt = 1 -∞
(2.9)
adică, energia impulsului este necesar să fie finită, în condiŃia în care:
δ (t) = lim δ ε (t ) ε →0
26
(2.10)
Semnalul treaptă unitar h(t), uneori denumit 1(t), sau treapta Heaviside, este descris prin relaŃiile 2.11 şi este prezentată grafic în figura 2.7; acest tip de semnal reprezintă o intervenŃie brutală în funcŃionarea unui sistem de exemplu, atunci când un autovehicul loveşte cu o roată o bordură, şi este curent utilizat în studiul sistemelor automate: 0, t < 0 1 h(t ) = , t = 0 2 1, t > 0
(2.11)
Fig. 2.7 Impulsul treaptă (Heaviside).
ProprietăŃi ale funcŃiei Heaviside: •
prin derivarea h(t), se obŃine δ(t):
d h(t ) = δ (t ) dt •
(2.12)
prin multiplicare cu o variabilă x, se obŃine funcŃia rampă r(t): r (t ) = xδ (t )
(2.13)
iar prin reversul dat de derivarea funcŃiei rampă se obŃine funcŃia unitară h(t): d r (t ) = h(t ) dt
(2.14)
2.6. Sisteme de numerotaŃie ponderate 2.6.1 Transformarea bazei unui număr Fie un număr de 5 cifre: (2.15)
A = a4a3a2a1a0
exprimat într-un sistem de numerotaŃie cu baza B. Fiecare din cifrele ai poate să ia o valoare întregă cuprinsă între 0 si (B – 1); atunci se spune că cifra ai are o pondere egală cu Bi.
27
Valoarea numerică a lui A se obŃine prin însumarea produselor fiecărei cifre prin ponderea lor: A = a4B4 + a3B3 + a2B2 + a1B1 + a0B0
(2.16)
cu observaŃia că în sistemul zecimal, baza B se scrie totdeauna 10. Dacă există N ranguri, se pot forma BN combinaŃii diferite, adică se poate număra de la N 0 la (B – 1). Pentru a putea obŃine capacitatea zecimala corespondentă n, e suficient să se scrie că se poate forma acelaşi număr de combinaŃii cu n cifre zecimale ca şi cu N cifre in baza B: BN = 10n, sau n = N logB.
(2.17)
Pentru transformarea bazei unui număr,se împarte numărul A prin baza B, apoi câtul obŃinut tot prin B şi aşa mai departe până ce acest cât devine 0, după cum urmează: A = B (a4B3 + a3B2 + a2B1 + a1B0) + a0 = BC1 + a0 C1 = B (a4B3 + a3B2 + a2B1) + a1 = BC2 + a1 + a2 = BC3 + a2 C2 = B (a4B3 + a3B2) + a3 = BC4 + a3 C3 = B (a4B3) C4 = B (0) + a4 = B(0 )+ a4
(2.18)
Se observă că resturile succesive sunt tocmai cifrele lui A, citite de jos in sus. Exemplu: ObŃinerea expresiei unui număr zecimal în sistemul de bază B = 4, fie numărul 177, care trebuie scris în baza 4: 177= (4 x 44) + 1 44 = (4 x 11) + 0 11 = (4 x 2) + 3 2 = (4 x 0) + 2 Deci, (177)B = 10 = (2301)B = 4 Transformarea inversă se efectuează după următorii paşi consecutivi: (2 x 4) + 3 = 11 (11 x 4) + 0 = 44 (44 x 4) + 1 = 177
2.6.2 Sistemul binar natural Evident că acest sistem de numerotaŃie are baza B = 2, aşa că el nu are decât două cifre, anume 0 şi 1. Cifrele unui număr binar citite de la dreapta la stânga au ponderi egale cu puterile succesive ale lui 2. Exemplu: Număr binar Ponderea cifrelor
1 64
1 32
0 16
1 8
28
0 4
0 2
1 1
Valoarea zecimală se obŃine prin însumarea ponderilor cifrelor egale cu 1: 64 +32 +8 +1 = 105 Cu N ranguri binare se pot forma 2N combinaŃii diferite, deci se poate număra de la 0 la (2N – 1). Dat fiind că 210 = 1024 (1024 pare deja un număr cunoscut din tehnica de calcul), o capacitate de zece ranguri binare este aproximativ echivalentă cu o capacitate de trei ranguri zecimale. Altfel spus, pentru B = 2, N = 10, şi n = 3, rezultă
3 = 10 log2, atunci când se ştie că log2 ≈ 0,3
2.6.3 Conversiunea zecimal – binară Pentru a obŃine expresia binară a unui număr zecimal este suficient să se efectueze un şir de diviziuni prin 2; astfel, pentru numărul 105, avem: 105 = 2 x 52 + 1 52 = 2 x 26 + 0 26 = 2 x 13 + 0 13 = 2 x 6 + 1 6=2x3 +0 3=2x1 +1 1=2x0 +1
Dacă se citesc resturile împărŃirii de jos in sus, în sensul săgeŃii, se regăseşte numărul iniŃial 1101001. Se poate observa că restul diviziunii prin 2 este 1 sau 0, după cum deîmpărŃitul este impar sau par. Este suficient să se scrie şirul câturilor de jos în sus, apoi să se scrie 1 sub câtul impar şi 0 sub câtul par:
1 1
3 1
6 0
13 1
26 0
52 0
105 1
2.6.4 Şirul natural al numerelor binare In tabelul 2.1, coloana (a) se arată şirul primelor 16 numere binare naturale. Şirul cifrelor de rang n, adică de pondere 2n este format din grupe de 0 şi 1 având fiecare 2n cifre identice.
29
Şirul numerelor binare naturale Tab. 2.1 Binar natural Binar reflectat Nr.zecimal b d a c d c b a δ γ β 0 0000 0000 1 0001 I 0001 2 0010 I 0011 I 3 0011 I I 0010 I 4 0100 I 0110 I I 5 0101 I I 0111 I I 6 0110 I I 0101 I 7 0111 I I I 0100 I 8 1000 I 1100 I I 9 1001 I I 1101 I I 10 1010 I I 1111 I I I 11 1011 I I I 1110 I I I 12 1100 I I 1010 I I 13 1101 I I I 1011 I I 14 1110 I I I 1001 I 15 1111 I I I I 1000 I
α I I
I I
I I
I I
În coloana (b), este reprezentat acelaşi şir, dar sub formă grafică, astfel încât valoarea binara “1” este figurată printr-o linie (I). Dacă cele patru piste ale coloanei (b), corespunzătoare puterilor lui 2 ar fi materializate prin elemente conductoare şi izolante asociate la patru perii de semnal aliniate pistelor, sau prin elemente transparente asociate unor fotodispozitive, ansamblul astfel oŃinut ar putea constitui un codificator numeric de deplasări liniare sau unghiulare. În coloana (c) este reprezentat codul binar reflectat, care este unul ciclic; aceasta înseamnă că trecerea la combinaŃia următoare nu antrenează niciodată decât schimbarea unei singure cifre cu o unitate. Pentru un acelaşi rang, perioada grupelor de 0 şi de 1 este dublă faŃă de cea a sistemului binar natural. Într-adevăr, în codul natural, la trecerea de la 7 la 8, cele patru cifre se schimbă simultan şi conduce la erori de citire a celor patru dispozitive, ceea ce nu se întamplă în cazul codului binar reflectat. În coloana (d) se indică reprezentarea grafică a codului binar reflectat susceptibilă de a constitui o scară numerică de masură, reprezentată de asemenea printr-o linie (I). Deoarece codul este ciclic, se pot construi scări circulare închise destinate axelor de rotaŃie. Se observă că extremităŃile liniilor fiecărui rang coincid cu mijloacele liniilor situate imediat in dreapta lor, deseori acest lucru fiind mai util decât codul binar natural, fapt ce justifică utilizarea practică a acestuia, adică un dispozitiv cu bandă optică sau magnetică în mişcare ar utiliza pistele d-c-b-a sau δ- γ- β- α, în dreptul cărora s-ar situa patru dispozitive de citire (după caz, optice sau magnetice). Fiecare dintre aceste piste constituie câte un Bit, care reprezintă un singur impuls cu valoarea 0 sau 1. În figura 2.8 se poate observa că 8 biŃi formează un byte, iar o succesiune de mai mulŃi bytes formează un cuvânt, care este purtător de informaŃie. Primul bit al cuvântului, care are
30
cel mai mare rang se numeşte bitul cel mai semnificativ (Most Significant Bit – MSB), iar ultimul, cu rangul cel mai mic, se numeşte bitul cel mai puŃin semnificativ (Least Significant Bit – LSB).
MSB → 1010 ⋅ 1101 142 43 ⋅ 0110 ⋅ 1010 ← LSB byte 1444 424444 3 cuvânt
Fig. 2.8 Cuvântul binar.
2.7. Procesarea semnalelor Pentru transmiterea semnalelor către utilizator se folosesc diferite metode de prelucrare a acestora. Principalele motive pentru a apela la procesarea semnalelor sunt următoarele: • transmisia semnalelor la distanŃă; • energia necesară transmiterii trebuie să fie minimă; • transmisia să se facă fără distorsiuni; • recombinarea semnalelor, pentru reconstruirea informaŃiei; • transferul de energie de la controler către actuator. Din punct de vedere istoric, prima aplicaŃie a transmisiei semnalelor la distanŃă a fost utilizarea codului MORSE, care a reprezentat o aplicaŃie a principiilor de codare digitală. Transmisia semnalelor la distanŃă se bazează pe următoarele moduri de procesare a semnalelor:
2.7.1 Modularea în amplitudine Acest tip de prelucrare este valabil în domeniul de frecvenŃe radio relativ scăzute, astfel modulaŃia în amplitudine este utilizată în gama de până la 600 kHz, care corespunde undelor radio şi care este denumită AM (Amplitude Modulation). În aplicaŃiile tipice autovehiculelor, acest mod de procesare se întâlneşte în lanŃurile de măsură definite cu undă purtătoare, des utilizate, mai ales în aplicaŃii tensometrice. Reprezentarea grafică a unui semnal modulat în amplitudine se poate urmări în figura 2.9.
Fig. 2.9 ModulaŃia în amplitudine (AM) şi cea în frecvenŃă (FM).
31
2.7.2 Modularea în frecvenŃă Modul de procesare prin modulaŃia în frecvenŃă este foarte uzual, permiŃând transmisia mai multor canale de informaŃie decât cel prin modulare în amplitudine, într-o gamă de transmisie echivalentă; denumirea comercială este FM (Frequency Modulation). În procesarea semnalelor de la bordul autovehiculelor, FM este utilizată la transmisia informaŃiilor fără contacte, cum ar fi informaŃiile legate de roata în mişcare (presiunea şi temperatura pneului), după cum se arată în figura 2.9. Atât în cazul AM cât şi în cel FM, frecvenŃa purtătoare este una sinusoidală.
2.7.3 Prelucrarea impulsurilor rectangulare Un tren de impulsuri rectangular este reprezentat în figura 2.10 şi este caracterizat prin amplitudine, perioadă şi factor de umplere.
Fig. 2.10 Tren de impulsuri rectangulare, desfăşurat pe trei perioade. DefiniŃii: • Amplitudinea maximă • Amplitudinea minimă • Factorul de umplere • Valoarea medie
ymax, pentru 0 < t < D.T; ymin, pentru D.T < t < T; D, exprimat în procente; y (t ) , definită de relaŃia y (t ) =
1 T
∫
T
0
f (t ) dt
(2.19)
expresie, care devine: y=
=
T 1 D.T y max dt + ∫ y min dt ∫ D .T T 0
D.T ⋅ y max + T (1 − D ) y min T
= D ⋅ y max + (1 − D ) y min
(2.20)
Deseori, expresia (2.20) se simplifică, dacă se consideră ymin = 0, caz în care
y = D ⋅ y max
(2.21),
Ceeace arată că valoarea medie y este proporŃională cu factorul de umplere D.
32
2.7.3.1 Modularea impulsurilor în amplitudine În loc de sinusoidă ca undă purtătoare se utilizează un tren de impulsuri, cum se ilustrează în figura 2.11
Fig. 2.11 Modularea în amplitudine cu impulsuri rectangulare.
2.7.3.2 Modularea impulsurilor în lăŃime (PWM) Acest mod de modulare are acronimul consacrat PWM (Pulse Width Modulation), iar procedeul se aplică pe autovehicul, în principal pentru atingerea următoarelor scopuri: • reglarea puterii electrice transmise diferiŃilor consumatori, prin modificarea factorului de umplere D; • obŃinerea tensiunilor alternative mono sau trifazice, prin utilizarea invertoarelor, mai ales în cazul autovehiculelor hibride. ObŃinerea PWM este relativ simplă, din punct de vedere electronic, prin compararea unei unde în dinte de ferăstrău cu o referinŃă, comparare care se poate face prin panta descrescătoare (defazaj înainte), crescătoare (defazaj în urmă) sau centrat, procedee ilustrate în figura 2.12.
Fig. 2.12 Cele trei metode de a modifica lăŃimea impulsurilor PWM.
33
2.7.3.3 Modularea impulsurilor în fază Acest tip de modulare are aplicaŃii în telecomunicaŃii şi în radiolocaŃie, unde radarul de depistare a vitezei unui autovehicul sau în sistemele inteligente de transport, de atenŃionare la apropierea periculoasă de un alt autovehicul, vitezele, respectiv distanŃele detectate sunt funcŃii de defazajul dintre unda transmisă şi cea reflectată.
2.7.3.4 Codarea impulsurilor Procedeul este indispensabil funcŃionării unei largi game de produse industriale sau media, astfel el este utilizat în transmisiuni, televiziunea digitală, calculatoare, telefonia mobilă etc.
2.7.4 Conversia semnalelor Majoritatea semnalelor din lumea fizică sunt continuu variabile în timp, cum ar fi sunetele, lumina etc., care au o evoluŃie proprie în timp, iar prelucrarea lor prin conversia ADC nu face decât să implice mijloacele moderne de calcul, pentru viitoare aplicaŃii, impuse de cerinŃele moderne. Conversia semnalelor comportă două aspecte: • Conversia anolg – digitală ADC (Analog to Digital Conversion); • Conversia digital – analogică DAC (Digital to Analog Conversion). Ambele tipuri de conversie pot face parte din acelaşi bloc de prelucrare a semnalelor, de exemplu televizorul digital sau transmiterea vocii prin calculator, acest caz fiind ilustrat în figura 2.13.
Fig. 2.13 Conversia de semnale în cazul transmiterii sunetelor.
2.7.4.1 Conversia analog – digitală implică trei operaŃiuni importante: • • •
eşantionarea, proces prin care semnalul este achiziŃionat în puncte discrete în timp – proces neliniar, când o parte a informaŃiei se pierde ireversibil; cuantizarea, proces prin care fiecărei valori discrete achiziŃionate i se alocă o valoare numerică – proces deasemenea neliniar, prin care se pierde o cantitate de informaŃie; codarea, unde fiecare valoare numerică este convertită într-un număr binar.
34
În figura 2.14 se ilustrează procesele caracteristice unei conversii ADC şi se exemplifică eroarea inerentă unor astfel de operaŃiuni, eroare exprimată prin ½ bit, din cel mai puŃin semnificativ bit (LSB – Least Significant Bit), pentru clarificarea problemei, vezi figura 2.8.
Fig. 2.14 Exemplificarea proceselor de conversie ADC; a – semnalul analog original, b – semnalul eşantionat, c – digitizarea, d – eroarea de cuantizare.
2.7.4.2 Teorema eşantionării (Nyquist – Shannon) În procesul de conversie ADC, prima fază de procesare este eşantionarea, care transformă un semnal analogic într-unul discret în timp. Această transformare se bazează pe existenŃa unor impulsuri cu o anumită perioadă τs, în fiecare din momentele respective, realizându-se digitizarea semnalului original. Pentru exemplificare, se presupune că acest semnal este unul sinusoidal, procesul de eşantionare fiind ilustrat în figura 2.15. Problemele importante care se cer a fi soluŃionate sunt următoarele: • cât trebuie să fie perioada de eşantionare τs, astfel încât semnalul discretizat să reŃină cantitatea de informaŃie care a fost supusă procesării; • care trebuie să fie lăŃimea impulsurilor de eşantionare, din figura 2.15 b, pentru o eroare minimă. Practic impulsurile de eşantionare sunt produse de un circuit de ceas ( Clk – Clock), definit de o anumită frecvenŃă, cum ar fi frecvenŃa de lucru a calculatorului, care va trebui să aibă o valoare optimă pentru o corectă reconstituire a semnalului original. Teorema Nyquist – Shannon enunŃă restrângerile necesare procesului de digitizare, pentru o corectă reconstituire a semnalului,anume: 1. Semnalul original trebuie să fie de bandă limitată în frecvenŃe; 35
2. FrecvenŃa de eşantionare fs = 1 / τs trebuie să fie cel puŃin dublul frecvenŃei maxime fH conŃinută în spectrul Fourier al semnalului original, adică fs = 2fH. Se face observaŃia că fH se numeşte frecvenŃa Nyquist, iar 2fH – frecvenŃa de eşantionare Nyquist. În figura 2.15 c, valorile semnalului discretizat sunt cele supuse conversiei ADC.
Fig. 2.15 Procesul de eşantionarea; a – semnalul original, b – impulsurile de eşantionare, c – semnalul discretizat. În figura 2.16 se ilustrează două semnale de frecvenŃe diferite supuse unui proces de digitizare cu aceeaşi frecvenŃă de eşantionare fs.
Fig. 2.16 Semnale de frecvenŃe diferite eşantionate cu aceeaşi frecvenŃă de eşantionare.
36
Se observă că în cazul b, semnalul s-ar putea reconstitui, cu o anumită eroare, dar în cazul a, cel al semnalului cu frecvenŃă mai mare, semnalul este complet compromis.
2.7.4.3 Transformata Fourier Transformata Fourier (FT) face, din punct de vedere matematic, conversia unui semnal din domeniul timp x(t) în domeniul frecvenŃă X(f), după relaŃia: ∞
X ( f ) = ∫ x(t )e − j 2πft dt −∞
(2.22)
În mod reciproc, se poate converti un semnal din domeniul frecvenŃă în domeniul timp, cu relaŃia: ∞
x(t ) = ∫ X ( f )e j 2πft df −∞
(2.23)
Dacă, se preferă utilizarea frecvenŃei unghiulare ω [rad/s], atunci în relaŃiile (2.22, 2.23) se face substituŃia dω = 2πdf şi rezultă: ∞
X (ω ) = ∫ x(t )e − jωt dt −∞
x(t ) =
1 2π
∫
∞
−∞
X (ω )e jωt dω
(2.24)
(2.25)
Transformata Fourier este cea mai utilizată funcŃie matematică în procesarea semnalelor şi în analiza datelor experimentale, dacă în domeniul timp, reprezentarea semnalelor este intuitivă, în domeniul frecvenŃă, reprezentarea grafică este mai puŃin intuitivă. În figura 2.17 se ilustrează drept exemplu, evoluŃia în timp a semnalului reprezentând nota Do corespunzătoare frecvenŃei de 261 Hz, emisă de un pian şi captată de un microfon, alături de transformata Fourier corespondentă.
Fig. 2.17 a – reprezentarea notei Do (261 Hz) în domeniul timp, b – în domeniul frecvenŃă.
37
Se poate observa că în domeniul frecvenŃă apare o amplitudine maximă a semnalului în dreptul frecvenŃei de 261 Hz, care se numeşte frecvenŃă fundamentală a semnalului studiat, iar amplitudinile adiŃionale, cu valori mai mici, care se succed la intervale egale, reprezintă distorsiunile faŃă de semnalul original. Se propun două exemple de transformări ale unor funcŃii, dintre care una este periodică şi continuă în timp, iar cealală care este neperiodică şi discontinuă în timp: 1. Transformata Fourier a funcŃiei v(t) = cos (ω0t): ∞
V (ω ) = ∫ cos(ω 0 t )e − jωt dt −∞
e jω0t + e − jω0t − jωt e dt −∞ 2
=∫ =
∞
[
]
1 ∞ − j (ω −ω0 e + e − j (ω +ω0 ) dt 2 ∫−∞
= π [δ (ω − ω 0 ) + δ (ω + ω 0 )]
(2.26)
unde δ(ω – ω0) este funcŃia Dirac, cu reprezentarea grafică a transformatei Fourier, care este dată în figura 2.18.
Fig.2.18 Reprezentarea în domeniul frecvenŃă a funcŃiei cosinusoidale.
2. Transformata Fourier a funcŃiei Dirac δ(t) ∞
∆(ω ) = ∫ δ (t − t 0 )e − jωt dt = e − jωt0 −∞
(2.27)
care are reprezentarea grafică reprezentată în figura 2.19.
Fig. 2.19 FuncŃia δ(t) şi transformata Fourier.
38
Din cele expuse, se pot trage următoarele concluzii importante: • Semnalele continue în domeniul timp au o evoluŃie discontinuă în domeniul frecvenŃe; • Semnalele discontinue în domeniul timp au o evoluŃie continuă în domeniul frecvenŃe.
2.7.4.4 Serii Fourier Seriile Fourier sunt cazuri speciale ale transformatei Fourier; ele sunt asociate funcŃiilor periodice, pe când FT sunt asociate reprezentării semnalelor neperiodice în domeniul frecvenŃe. Un semnal periodic poate fi reprezentat ca o combinaŃie liniară de funcŃii sinusoidale, cu frecvenŃe variabile: ∞
x(t ) =
∑c e
jkωt
(2.28)
k
k = −∞
unde, coeficienŃii ck sunt în general, numere complexe, adică ck = ak + jbk şi sunt daŃi de:
ck =
1 T
∫
T
0
x(t )e
− jk
2π t T
dt
(2.29)
CoeficienŃii ck se numesc coeficienŃii spectrali ai funcŃiei periodice x(t) şi reprezintă măsura energetică a semnalului pentru fiecare componentă situată la frecvenŃa kω, (k = 0, 1,2,...), iar sarcina principală în a determina o serie Fourier este de a afla aceşti coeficienŃi. Dacă semnalul x(t) este real, atunci determinarea seriei Fourier se simplifică şi se face după relaŃia: ∞
x(t ) = a 0 + ∑ [a k cos( kωt ) − bk sin( kωt )]
(2.30)
k =1
unde, coeficienŃii a0, ak, bk se calculează cu relaŃiile:
a0 =
ak = bk =
1 T
∫
T
0
x(t ) dt
2 T 2π x(t ) cos(k t )dt , k = 1, 2, 3... ∫ T 0 T
(2.31)
2 T 2π x(t ) sin( k t ) dt , k = 1, 2, 3... ∫ 0 T T
Ca observaŃie, coeficientul a0 este tocmai valoarea medie a funcŃiei periodice sau valoarea pe care se centrează funcŃia, iar la calculul coeficienŃilor ak, bk trebuie Ńinut cont de proprietăŃile de ortogonalitate ale funcŃiilor sinusoidale, de exemplu:
39
0, m ≠ n T t t 1 sin(m 2π ) sin( n 2π )dt = 1 , m = n ≠ 0 ∫ 2 T 0 T T 0 , m=n=0 0, m ≠ n T t t 1 cos(m 2π ) cos(n 2π )dt = 1 , m = n ≠ 0 ∫ 2 T 0 T T 0, m = n = 0
(2.32)
T
t t 1 sin( m 2π ) cos(n 2π )dt = 0 ∫ T 0 T T Drept exemplu, se consideră un tren de impulsuri rectangulare, cu factor de umplere D = 50%, axat pe valoarea zero. Dacă se calculează coeficienŃii după relaŃiile (2.31), primii cinci coeficienŃi nenuli au următoarele valori:
a0 = 0, a1 =
4
π
, a3 =
4 4 4 , a5 = , a7 = 3π 5π 7π
Se poate observa că armonicile se succed în ordine impară (în mod firesc, urmează a9), iar frecvenŃele se succed de asemenea în ordine impară, începând cu f1, frecvenŃa corespunzătoare coeficientului a1, care este egală cu a semnalului rectangular – motiv pentru care ea se numeşte frecvenŃa fundamentală a spectrului Fourier. Următoarele frecvenŃe urmează în ordinea 3f1, 5f1, 7f1 etc. În figura 2.20 se ilustrează descompunerea pas cu pas în serii Fourier a funcŃiei rectangulare, iar în figura 2.21 recompunerea funcŃiei în dinte de ferăstrău.utilizând la însumare primele şase componente armonice.
Fig. 2.20 Descompunerea în serii Fourier a unei unde rectangulare cu factor de umplere 50% - (a) şi primele 5 armonici (b)...(f)
40
Fig.2.21 Recompunerea undei în dinte de ferăstrău prin îsumarea componentelor Fourier
Exemple Semnalele de naturi diferite sunt descrise şi reprezentate identic astfel, semnalul treaptă unitar poate fi o trecere a roŃii autovehiculului peste o bordură, poate fi o schimbare bruscă a temperaturii mediului ambiant la intrarea autovehiculului într-un tunel sau apăsarea bruscă a frânei. În aplicaŃii proprii autovehiculului, semnalul poate fi presiunea dintr-o conductă de alimentare cu combustibil în funcŃie de lungimea conductei, evoluŃia periodică a presiunii din camera de ardere în funcŃie de poziŃia arborelui cotit, forŃa de apăsare pe pedala de frână în funcŃie de viteza autovehiculului etc. •
DescompuneŃi în serie Fourier un tren de impulsuri rectangular, axat pe 0, cu frecvenŃa de 1 kHz şi amplitudinea de 1 V;
•
Aplicând relaŃia 2.7 arătaŃi că valoarea medie a unui tren de impulsuri de amplitudine unitară cu factor de umplere 20 % este 0.2;
•
ArătaŃi cum poate fi utilizată modulaŃia PWM la reglajul turaŃiei unui motor electric de curent continuu.
Să ne reamintim... •
Semnalele pot fi reprezentate în timp sau în frecvenŃă;
•
Semnalele se prelucrează prin procedee de modulare;
41
•
Semnalele tehnice sunt întâlnite în prelucrarea datelor;
•
Semnalele aleatoare sunt cele purtătoare de informaŃie – informaŃia este dată de ceva necunoscut, nou;
•
Semnalele deterministe sunt utilizate ca instrument de analiză şi calcul;
•
Orice semnal poate fi descompus ca o sumă de sinusoide sau / şi cosinusoide.
Rezumat Unitatea de învăŃare U2 introduce studenŃii în domeniul semnalelor, cu aplicaŃii tipice asupra sistemelor automate ale unui autovehicul modern; Un semnal reprezintă un set de una sau mai multe variabile utilizat pentru a transmite o informaŃie (sau o caracteristică) proprie unui fenomen fizic. Studentul va căpăta informaŃii privind caracterizarea semnalelor, reprezentarea lor şi privind modurile de prelucrare şi de conversie a acestora.
Test de evaluare a cunoştinŃelor • DefiniŃi semnalul sinusoidal; • ExplicaŃi diferenŃa dintre un semnal aleatoriu şi unul determinist; •
DefiniŃi trenul de impulsuri;
•
DefiniŃi factorul de umplere;
•
ExplicaŃi modulaŃia impulsurilor în lăŃime;
•
ExplicaŃi acronimul PWM.
42
Unitatea de învăŃare 3. Regulatoare automate;traductoare şi actuatori utilizaŃi pe autovehicul Cuprins 3.1 Introducere...................................................................................................... 44 3.2 CompetenŃe..................................................................................................... 44 3.3 Regulatoare..................................................................................................... 44 3.3.1 Legile reglării.................................................................................. 45 3.3.2 Caracteristicile regulatorului........................................................... 45 3.3.3 Răspunsul indicial al regulatoarelor............................................... 46 3.4 Traductoare..................................................................................................... 47 3.5 Principii generale din teoria măsurării............................................................ 47 3.5.1 Cauzele apariŃiilor distorsiunilor..................................................... 47 3.5.2 Deosebirile dintre senzor şi un aparat de măsură........................... 48 3.6 Caracteristicile principale ale traductoarelor……………………………….. 49 3.6.1 Liniaritatea………………………………………………………... 49 3.6.2 Sensibilitatea................................................................................... 50 3.6.3 Scala totală...................................................................................... 50 3.6.4 Scala dinamică................................................................................. 50 3.6.5 Histerezisul..................................................................................... 50 3.6.6 Caracteristica de frecvenŃă............................................................... 50 3.6.7 Răspunsul în domeniul timp............................................................ 50 3.6.8 ImpedanŃa de ieşire......................................................................... 51 3.6.9 Sensibilitatea la influenŃa condiŃiilor de mediu................................51 3.6.10 Rigiditatea.................................................................................... 51 3.6.11 Dimensiunile de gabarit şi masa senzorului................................... 51 3.7 Elemente parametrice...................................................................................... 51 3.7.1 RelaŃii fundamentale........................................................................ 52 3.8 Elemente sensibile de tip generator................................................................. 54 3.9 Traductoare digitale......................................................................................... 54 3.10 Rezumat..........................................................................................................56 3.11 Test de evaluare..............................................................................................56
43
3.1 Introducere Unitatea de învăŃare U3 prezintă elementele caracteristice regulatoarelor, parte a sistemelor automate, răspunsul regulatoarelor la funcŃiile de excitaŃie, precum şi senzori şi actuatori utilizaŃi pe autovehicul. Se oferă studenŃilor cunoştinŃele necesare înŃelegerii principiilor de funcŃionare şi modului de realizare constructivă pentru o mare clasă de traductoare în cadrul sistemelor de reglare sau control a proceselor de la bordul unui autovehicul.
3.2 CompetenŃele unităŃii de învăŃare După parcurgerea materialului acestei unităŃi de învăŃare studentul vor fi capabili să: Descrie rolul şi locul regulatoarelor într-un sistem automat: Să cunoască principalele tipuri caracteristice de regulatoare şi răspusurile lor indiciale; Să cunoască principalele caracteristici ale traductoarelor; Să ştie să clasifice diferite clase de traductoare; Să cunoască principiile generale ale teoriei măsurărilor; Să cunoască unităŃile de măsură.
Durata medie de parcurgere a unităŃii de învăŃare U3 este de 3 ore.
3.3 Regulatoare Regulatorul este parte integrantă a unui sistem automat. În unitatea de învăŃare U1 este prezentat în figura 1.3 ca blocul funcŃional care are ca mărime de intrare eroare ε iar ca mărime de ieşire semnalul de ecomandă c, care aŃioneză apoi asupra procesului de reglat. Scopul reglării este de a obŃine mărimea reglată cu o eroare cât mai mică, adică ε → 0 , totuşi o valoare practică a erorii este G < 3% din valoarea reglată, cu observaŃia că aceasta nu poate fi nulă. Modul de funcŃionare al unui regulator automat este exemplificat printr-o aplicaŃie pentru un autovehicul modern, dotat cu un sistem de control automat al vitezei de croazieră (ACC – Automatic Cruise Control). Într-un astfel de sistem, conducătorul auto impune o valoare a vitezei de deplasare, pe o autostradă, de exemplu 100 km/h, iar vehiculul va trebui să o menŃină constantă; probabil că ar reuşi în condiŃii ideale de drum (perfect plan, fără vânt etc.), ceeace este imposibil de
44
presupus în condiŃii reale. Dacă apare o denivelare, sistemul o percepe ca o perturbaŃie Z, care se traduce printr-o modificare a momentului transmis de către motor, ceeace duce la modificarea turaŃiei la roŃile motoare prin urmare, la modificarea vitezei de croazieră. Blocul de senzori (figura 1.3) va sesiza această modificare şi va emite semnale de reacŃie negativă r(t), cu semn schimbat (cu minus) către blocul comparator, în consecinŃă, sistemul va reacŃiona în sens contrar, adică va tinde să anuleze această modificare. Rezultatul va fi o oscilaŃie în jurul valorii reglate, în cazul de faŃă e(t) = 100 km/h, dar cu o eroare de ±G, după cum se prezintă în figura 3.1.
Fig. 3.1 Modul de reglare după acŃiunea unei perturbaŃii.
3.3.1 Legile reglării • •
Un regulator automat se supune următoarelor legi tipice: Reglarea după abatere, în cazul sistemelor care au proprietatea de a-şi compara în permanenŃă starea curenta cu o stare de referinŃă, iar când apar diferenŃe (erori) între acestea, emit comenzi în vederea diminuării abaterii. Reglarea după perturbaŃie, în cazul sistemelor care au proprietatea de a urmări în permanenŃă evoluŃia perturbaŃiilor, iar atunci când constată modificări ale ieşirii emit comenzi astfel încât, starea curentă să nu se modifice în raport cu starea de referinŃă.
3.3.2 Caracteristicile regulatorului După algoritmii de calcul, tipul regulatorului impune caracteristicile de reglare ale sistemului automat. Astfel, sistemele de reglare pot fi de următoarele tipuri: •
ProporŃional, de tip P, unde mărimea de comandă c este proporŃională cu eroarea G, adică c=KG
(3.1)
unde K se numeşte factorul de amplificare; •
Integral, de tip I, adică t
c = K I ∫ ε (t )dt
(3.2)
t0
unde KI este coeficientul de integrare; •
Derivativ, de tip D, adică c = KD
dε dt
unde KD este coeficientul de derivare; 45
(3.3)
• •
CombinaŃii P, I, D, care conduc la tipurile PI, PD, PID; Adaptive, care înglobează şi tipurile descrise şi care conduc la sisteme de asistare a procesului de conducere al unui autovehicul; • Optimale, de exemplu acestea conduc la sisteme de management al motorului cu scopul de a minimiza emisiile poluante. Tehnica modernă de calcul oferă noi posibilităŃi de optimizare a proceselor reglării prin utilizarea instrumentelor noi de calcul bazate pe logica Fuzzy, sau pe tehnica reŃelelor neuronale sau neuro-Fuzzy.
3.3.3 Răspunsul indicial al regulatoarelor După efectuarea calculelor date de relaŃiile 3.1 – 3.2, în care se consideră funcŃia G de forma unui semnal treaptă unitar , h(t) = 1 se reprezintă grafic răspunsul regulatoarelor de tip P, I şi D în figura 3.2.
Fig. 3.2 Răspunsul indicial al unui regulator de tip: a) – P, b) – I, c) - D În figura 3.3 se prezintă răspusul indicial al unui regulator de tip PID, larg utilizat în tehnica controlului automat al sistemelor autovehiculului. Practic, acets tip de reglare se face prin însumarea ponderată, după cum o cere aplicaŃia a celor trei tipuri expuse.
ε(t),c(t) Kε
K 1
0
T [s]
46
Fig. 3.2 Răspunsul indicial al unui regulator de tip PID 3.4 Traductoare Traductorul este elementul primar, care preia mărimea neelectrică şi o transformă întro mărime electrică, ce este apoi măsurată, operaŃiune denumită convertire, şi care se pot clasifica după cum urmează: • Traductoare active (generataore) – la convertire, se preia o parte din energia obiectului măsurării, care se transformă în energie electrică, ai cărei parametri se măsoară. Astfel de senzori utilizează fenomene fizice, cum ar fi: inducŃia magnetică, efectul piezoelectric, efectul fotoelectric etc. Pentru a nu perturba sistemul, energia preluată trebuie să fie suficient de mică pentru a nu afecta obiectul măsurării. • Traductoare pasive (parametrice sau modulatoare) – realizează convertirea prin modificarea unui parametru de circuit electric, cum ar fi: rezistenŃa electrică, inductanŃa, capacitatea etc. În tabelul 3.1 se poate urmări modul în care se pot grupa diversele tipuri de conversiune.
Tipuri de conversiune Producerea mărimilor electrice prin transformarea energiei
Tab. 3.1 Modularea mărimilor electrice Prin intervenŃie mecanică
Mărimi produse: • tensiune; • curent; • sarcină • •
Tahogenerator; Termocuplu.
Prin utilizarea directă Prin metoda a unor legi fizice compensaŃiilor • rezistivitate; Mărimi modulate: • conductibilitate; • rezistenŃă; curent • permeabilitate; • inductanŃă; • tensiune; • capacitate. • sarcină. Exemple Senzori R, L, C de Termorezistor; alungire, de deplasări Pirometru cu radiaŃie Umidimetru. liniare sau unghiulare
Asimilarea conŃinutului acestui curs, este condiŃionată de pregătirea anterioară a studenŃilor la disciplinele: Fizică, Bazele utilizării calculatoarelor, Electronică aplicată, predate anterior. Se vor reformula câteva noŃiuni generale referitoare la: • Procesul de măsurare; • ImportanŃa măsurărilor în tehnică; • UnităŃile de măsură.
3.5 Principii generale din teoria măsurării Principiul de măsurare pe cale electrică a unei mărimi neelectrice constă în convertirea acesteia într-un semnal electric cu o valoare proporŃională cu mărimea măsurată. Această convertire se realizează cu ajutorului unui circuit specializat pentru fiecare mărime neelectrică, denumit lanŃ de măsură, prezentat în figura 3.3. Caracteristica principală a acestuia este dată de modul în care mărimea supusă valorificării redă cu exactitate mărimea neelectrică măsurată, adică senzorul trebuie să 47
furnizeze o mărime electrică strict proporŃională cu mărimea neelectrică de intrare. Este necesar ca această proporŃionalitate să fie păstrată de-a lungul întregului lanŃ de măsură. Atunci când proporŃionalitatea ieşire – intrare din sistem nu poate fi asigurată, apar distorsiuni, care generează erori de măsurare.
Fig. 3.3 Schema generală a unui lanŃ tipic de măsură
3.5.1 Cauzele apariŃiilor distorsiunilor • • • • •
modificarea încărcării mecanice a obiectului măsurării prin montarea senzorului; neadaptarea impedanŃelor de cuplaj ale componentelor lanŃului de măsură; neacordarea frecvenŃei semnalului de măsurat cu răspunsul în frecvenŃă a lanŃului de măsură; nivel mare de zgomot în lanŃul de măsură; calibrare necorespunzătoare a sistemului de măsură.
3.5.2 Deosebirile dintre senzor şi un aparat de măsură Prin aparat de măsurat se înŃelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenŃă între mărimea de măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută nemijlocit cu ajutorul organelelor de simŃ, într-un mod care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură. În cazul unor sisteme automate, cazul sistemelor unui autovehicul, conducerea proceselor se face fără participarea directă a unui operator uman. Senzorul este un dispozitiv de automatizare care stabileşte o corespondenŃă între mărimea de măsurat, care poate fi de orice natură sau domeniu de variaŃie şi o mărime de natură dată, având un domeniu de variaŃie calibrat, mărime ce este recepŃionată şi prelucrată de către echipamentele de conducere (de exemplu, calculatoare de proces sau µ-controlere). Deosebirile dintre senzor şi aparatul de măsură este dată mai ales, de natura caracteristicilor lor statice şi dinamice şi anume, care impun următoarele cerinŃe: • relaŃii de dependenŃă liniară între mărimile de intrare şi cele de ieşire; • dinamică proprie, care să nu influenŃeze în mod esenŃial comportarea unui sistem automat. Aceste cerinŃe reprezintă restricŃii severe în construcŃia senzorilor şi anume, dacă pentru un aparat de măsură relaŃia de dependenŃă intrare – ieşire poate fi neliniară, în acest caz scara aparatului gradându-se neliniar, în cazul senzorului această dependenŃă este necesar a fi strict liniară (eroarea de neliniaritate admisă să fie minimă). În ceea ce priveşte dinamica proprie, este necesar ca informaŃia furnizată de senzor către echipamentul de conducere să ajungă la acesta cu întârzieri minime, pentru ca deciziile de conducere să fie oportune.
48
Aşadar, senzorii trebuie să îmbine cerinŃele de liniaritate şi viteză de răspuns cu performanŃele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de măsură sau chiar mai ridicate, Ńinând seama că posibilităŃile de discriminare ale sistem automat sunt superioare faŃă de cele oferite de operatorul uman. Toate aceste consideraŃii implică şi necesitatea unei fiabilităŃi sporite a senzorilor faŃă de aparatele de măsurat, datorită faptului că o indicaŃie greşită dată de un aparat de măsurat poate fi uşor sesizată şi interpretată de către operator, pe când detectarea unor valori eronate furnizate de senzori este mult mai dificilă în cazul unuisistem automat.
3.6 Caracteristicile principale ale traductoarelor 3.6.1 Liniaritatea Caracterul funcŃiei de convertire a mărimii neelectrice x, denumită şi sarcină, în mărimea electrică y defineşte liniaritatea traductorului. FuncŃia y = F(x) se doreşte a fi liniară, diferenŃa dintre curba de etalonare şi dreapta corespunzătoare sarcinii minime şi maxime ale senzorului defineşte liniaritatea senzorului, reprezentată în figura 3.4. Abaterea de la liniaritate pote fi descrisă printr-o relaŃie pătratică sau printr-una cubică şi se exprimă în procente.
Fig. 3.4 Liniaritatea unui senzor
3.6.2 Sensibilitatea Sensibilitatea unui traductor este definită prin raportul dintre variaŃia mărimii de ieşire ∆y şi variaŃia corespunzătoare a mărimii neelectrice de intrare ∆x sau, altfel spus, valoarea minimă a variaŃiei ∆x, care poate produce o valoare măsurabilă a semnalului de ieşire F(x). Raportul ∆y / ∆x reprezintă mărimea pantei curbei de etalonare, după cum se poate observa în figura 3.5. Abaterea de la curba ideală determină eroarea de sensibilitate, care se detrmină experimental prin procedurile de calibrare ale senzorului.
49
Fig. 3.5 Curba ideală de sensibilitate şi eroarea de sensibilitate
3.6.3 Scala totală a senzorului reprezintă domeniul cuprins între valorile minime şi maxime ale amplitudinilor mărimii neelectrice de intrare şi serveşte la alegerea potrivită a senzorului, având în vedere faptul că depăşirea sarcinii admise induce distorsiuni de neliniaritate sau chiar deteriorarea senzorului. 3.6.4 Scala dinamică este dată de domeniul total de variaŃie a mărimii de ieşire adică, urmărind figura 3.4, aceasta este dată de ymax – ymin şi serveşte la alegerea echipamentelor la care se conectează mărimea de valorificat. 3.6.5 Histerezisul este dat de diferenŃa maximă dintre mărimile de ieşire electrice corespunzătoare aceleiaşi sarcini, aplicată crescător, iar apoi descrescător în interiorul scalei dinamice şi este reprezentat grafic în figura 3.6.
Fig. 3.6 Histerezisul prezentat de senzori.
3.6.6 Caracteristica de frecvenŃă sau răspunsul în frecvenŃă determină limitele de frecvenŃă ale mărimii de intrare, care nu produc deformări ale semnalului de ieşire peste anumite valori admisibile. De obicei, fenomenele de rezonanŃă mecanică ale senzorului impun limitări ale benzii de frecvenŃe de lucru. 3.6.7 Răspunsul în domeniul timp este dat de timpul necesar senzorului să ajungă la o valoare staŃionară după aplicarea unei schimbări a stării obiectului măsurării. În figura 3.7
50
se arată un răspuns tipic al unui senzor de ordinul I la aplicarea unei excitaŃii sub forma unui semnal treaptă unitară.
Fig. 3.7 Răspunsul indicial al unui senzor de ordinul I.
3.6.8 ImpedanŃa de ieşire, măsurată la bornele de ieşire ale senzorului, care trebuie considerată pentru o bună adaptare la echipamentul de prelucrare. 3.6.9 Sensibilitatea la influenŃa condiŃiilor de mediu, caracterizată prin variaŃia caracteristicilor senzorului sub influenŃa temperaturii, umidităŃii, câmpurilor electromagnetice etc; un parametru important al senzorului este dat de deriva termică (offset), dată de variaŃia ieşirii sub sarcină constantă, pentru variaŃia temperaturii cu 1X C. 3.6.10 Rigiditatea este dată de raportul dintre forŃa aplicată senzorului şi deplasarea pe direcŃia de acŃiune a forŃei. Această caracteristică este importantă pentru senzorii ataşaŃi sistemelor mecanice şi mai ales celor micromecanice, deoarece provoacă o modificare a comportării dinamice a acestora. Astfel, rigiditatea senzorului trebuie să fie foarte mare în comparaŃie cu a sistemului, atunci când este cuplat în serie (cum ar fi la măsurarea forŃelor, momentelor, presiunilor etc.) şi trebuie să fie neglijabilă, atunci când senzorul este dispus în paralel cu elementele sistemului mecanic (la măsurarea deplasărilor). 3.6.11 Dimensiunile de gabarit şi masa senzorului, care determină posibilităŃile de montare în locul de măsurare, cât şi influenŃa acestora asupra fenomenului fizic supus măsurării.
3.7 Elemente parametrice Elementele sensibile parametrice sau modulatoare se utilizează atunci când mărimea de măsurat este pasivă, adică nu are asociată o putere suficientă, sau fenomenul fizic pe care se bazează conversia nu permite obŃinerea directă a unui semnal electric. Se numesc elemente sensibile parametrice deoarece mărimea de intrare,de natură neelectrică determină variaŃia unor proprietăŃi de material, care au natura unui parametru electric de circuit (rezistenŃă electrică, inductivitate, capacitate sau combinaŃii ale acestora). Pentru a pune în evidenŃă aceste variaŃii este nevoie de o sursă de energie auxiliară (figura 3.1), care generează tensiune sau curent constant, a cărei valoare este modulată de variaŃia parametrului respectiv, obŃinându-se astfel un semnal electric ale cărei variaŃii reproduc pe cele ale mărimii de măsurat. Mărimile fizice de natură neelectrică din cele mai diverse domenii (mecanică, chimie, termotehnică, radiaŃii) pot fi convertite în mărimi de natură electrică datorată legilor fizice care exprimă dependenŃa parametrilor (R, L, C) ai anumitor materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice în raport cu aceste mărimi, pe baza unor relaŃii fundamentale. 51
3.7.1 RelaŃii fundamentale Elemente sensibile rezistive
RezistenŃa electrică a unui conductor omogen: R=ρ
l [Ω] S
(3.4)
unde:
l – lungimea conductorului; S – secŃiunea conductorului; ρ – rezistivitatea materialului. Elemente sensibile inductive
Inductivitatea proprie a unui bobine, considerând circuitul magnetic liniar: L=
N2 l ∑k =1 µ ks k k
[H]
(3.5)
n
unde:
N – numărul de spire al bobinei; lk – lungimea circuitului magnetic (k); µk şi sk – permeabilitatea magnetică şi secŃiunea mediilor ce formează circuitul magnetic al bobinei. Elemente sensibile capacitive
Capacitatea unui condensator plan cu armături paralele: C=
ε ⋅S d
[F]
(3.6)
unde:
G – permitivitatea mediului; S – suprafaŃa activă comună a armăturilor; d – distanŃa între armături.
În tabelele 3.2…3.4 se prezintă fenomenele fizice pe care se bazează convertirea semnalelor de intrare şi aplicaŃiile recomandate.
52
Elemente sensibile rezistive Fenomenul fizic pe care se bazează conversia VariaŃia lungimii conductorului sau a numărului de spire, în cazul rezistorului bobinat VariaŃia rezistivităŃii ρ cu temperatura: • termorezistenŃa; • termistorul.
- variaŃia permeabilităŃii magnetice µ sub influenŃa câmpului magnetic (efect Gauss) VariaŃia permitivităŃii electrice X sub acŃiunea radiaŃiilor: • fotorezistenŃe; • fotoelemente. VariaŃia lungimii l şi a secŃiunii S prin intermediul unui element elastic deformabil: • tensorezistenŃe; • piezorezistenŃe.
Elemente sensibile inductive Fenomenul fizic pe care se bazează conversia VariaŃia l, µ, s, pentru porŃiuni de circuit magnetic, prin plasarea unor armături feromagnetice – întrefier variabil sau miez mobil. VariaŃia l, µ, s, prin asociere cu elemente elastice, amortizoare, mase. VariaŃia lui µ, prin magnetostricŃiune.
Elemente sensibile capacitive Fenomenul fizic pe care se bazează conversia VariaŃia d sau S prin deplasare. VariaŃia d sau S prin deplasare prin asocierea unui element elastic.
VariaŃia permitivităŃii G a dielectricului.
53
Tab. 3.2 AplicaŃii pentru mărimi măsurate • deplasări liniare şi unghiulare; • grosimi; • nivel. • temperatură; • umiditate; • concentraŃie de gaze; • viteză sau debit gaze; • presiuni. • câmpul magnetic; • inducŃie magnetică. • intensitate luminoasă; • flux luminos; • deplasări (prin modulaŃia fluxului de radiaŃii). • •
forŃă; presiune.
Tab. 3.3 AplicaŃii pentru mărimi măsurate • deplasări liniare; • dimensiuni piese; • grosime; • nivel. • acceleraŃie; • viteză; • vibraŃii. • forŃă; • presiune.
Tab. 3.4 AplicaŃii pentru mărimi măsurate • deplasări liniare sau unghiulare; • presiuni. • altitudine, • presiuni relative; • concentraŃii de gaze, prin IR. • nivel; • grosime; • umiditate.
3.8 Elemente sensibile de tip generator Elementele sensibile de tip generator sunt utilizate în cazul mărimilor active, adică a acelor mărimi care asociază o putere ce poate fi utilizată pentru conversie fără a afecta valoarea mărimii măsurate. Aceste elementele sensibile furnizează la ieşire un semnal electric (curent, tensiune sau sarcină electrică) având variaŃii dependente de mărimea de intrare (x). În tabelul 3.5 sunt prezentate principalele tipuri de elemente generatoare, fenomenele fizice pe care se bazează conversia şi aplicaŃiile posibile. Elementele sensibile piezoelectrice, electrochimice şi fotoelectrice impun cerinŃe speciale, datorită impedanŃelor de ieşire foarte mari, ceea ce atrage condiŃii severe pentru impedanŃa etajului de intrare în adaptor cât şi modul de realizare a conexiunilor electrice.
Elemente sensibile generatoare Tab. 3.5 Tipul elementului Fenomenul fizic ce stă la baza AplicaŃii pentru mărimi sensibil conversiei măsurate Generarea prin inducŃie a tensiunii • viteza de rotaŃie; electromotoare sub acŃiunea Electromagnetic • debite de fluide; mărimii de măsurat. • vibraŃii. Generarea tensiunii Termoelectric termoelectromotoare, prin efect • temperatură termoelectric. Piezoelectric Polarizarea electrică a unui cristal • forŃe; sub acŃiunea unei forŃe sau presiuni. • presiuni. Magnetostrictiv Generarea tensiunii electromotoare • forŃe; prin variaŃia inducŃiei remanente. • presiuni. Generarea tensiunii electromotoare • concentraŃia Electrochimic între doi electrozi, în soluŃii cu ionilor de concentraŃii de ioni diferite. hidrogen (pH). Generarea unui curent electric pe • deplasări liniare Fotoelectric baza fenomenului fotoelectric şi unghiulare; extern sub acŃiunea unei radiaŃii • dimensiuni piese; luminoase. • viteză de rotaŃie. 3.9 Traductoare digitale În figura 3.8 se prezintă cele două posibilităŃi de utilizare practică a codurilor binare descrise în U2, prin realizarea unui senzor incremental atât de turaŃie şi de poziŃionare unghiulară, cât şi de sens de rotaŃie, cu observaŃia că procesele se desfăşoară pe 8 bit.
Fig. 3.8 Senzor incremental de mişcare unghiulară pe 8 bit; a) în cod binar reflectat, b) în cod binar natural 54
Fig. 3.9 Realizarea practică a unui senzor incremental de unghi (mişcare de rotaŃie). Practic, pentru realizarea unui senzor incremental de unghi, este necesară o sursă de lumină, care prin fantele discului va impresiona un element fotosensibil, sub forma unei arii de celule fotosensibile, cum se ilustrează în figura 3.9.
Exemple Un regulator de tip proporŃional se utilizează la sistemul electric de închidere a geamului unui autovehicul, iar un regulator de tip PID se întâlneşte în sistemele de control al turaŃiei unui motor electric, cum ar fi clapeta electronică de admisie la un motor cu ardere prin scânteie. Histerezisul se întâlneşte în toate fenomenele dinamice din fizică, astfel un resort are deplasări diferite la acelaşi efort, dar cu semne schimbate. Schimbarea unui parametru din expresia rezistorului conduce la construcŃia unui senzor rezistiv. Schimbarea unui parametru din expresia unui condensator conduce la construcŃia unui senzor capacitiv. •
DefiniŃi legea de reglare de tip proporŃional;
•
DefiniŃi legea de reglare de tip PID;
•
ExplicaŃi modul de realizare a unui senzor rezistiv;
•
ExemplificaŃi fenomenul de histerezis;
•
ExplicaŃi efectul piezoelectric;
•
DefiniŃi senzorii rezistivi.
Să ne reamintim... Legile reglării sunt la modul general de tip P, I, D sau combinat PID; Traductoarele sunt clasificate ca parametrice sau generatoare; Caracteristicile principale ale senzorilor determină performanŃele acestora; Legile fizice care stau la baza funcŃionării senzorilor.
55
Rezumat Regulatoarele reprezintă parte integrată în sistemele automate; totuşi, din mai multe puncte de vedere, ele au rol funcŃional distinct, cu aplicaŃii practice pe autovehicul. Astfel, sitemul ruptor distribuitor al unui motor cu aprindere prin scânteie poate fi considerat atât ca sistem automat, cât şi regulator de avans la aprindere. Gama largă de senzori este omniprezentă în practicile uzuale, cu atât mai mult pe un autovehicul modern, unde se prelucrează date de la cca 80 de locuri de măsurare a diferiŃilor parametri. Prelucrarea datelor culese în timp real se face cu o anumită eroare, care poate fi minimizată printr-o acordare judicioasă a senzorilor cu mărimile măsurabile, cu dispozitivele accesibile, cu rezultatele scontate şi cu costurile aferente.
Test de evaluare a cunoştinŃelor • Care este rolul unui regulator? •
Ce este un regulator de tip PID?
•
Cum se clasifică senzorii?
•
Care este modalitatea de a realiza un senzor parametric?
•
Ce mărimi se pot măsura cu un senzor capacitiv?
•
Ce este eroarea de măsură şi cum se exprimă ea?
56
Unitatea de învăŃare 4. Sisteme de formare a amestecului pentru motoarele cu aprindere prin scânteie, sisteme de injecŃie pentru motoarele cu aprindere prin comprimare Cuprins 4.1 Introducere...................................................................................................................... 58 4.2 CompetenŃe.....................................................................................................................58 4.3 Sisteme de management ale motoarelor cu aprindere prin scânteie………………….. 59 4.3.1Sisteme de formare şi control ale amestecului carburant………………………59 4.3.2 Managementul formǎrii amestecului carburant prin utilizarea carburatoarelor.61 4.3.3 Sisteme de formare a amestecului carburant prin injecŃie monopunct………. 61 4.3.4. Sisteme de formare a amestecului prin injecŃie intermitentǎ………………. 63 4.3.5 Strategii de control al formǎrii amestecului carburant……………………… 65 4.3.5.1 Controlul în volum al injecŃiei de benzină……………………….. 66 4.3.5.2 Compensări aplicate duratei de injecŃie.......................................... 67 4.3.5.3 Controlul stoichiometric al formării amestecului........................... 68 4.3.6 Sisteme de management integral al motorului cu aprindere prin scânteie... 69 4.3.7 Controale adiŃionale.....................................................................................
71
4.4 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompe de injecŃie………………………………………………………………………… 73 4.5 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ – injector………………………………………………………………………… 74 4.6 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ individualǎ de injecŃie…………………………………………………………..
75
4.7 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate prin rampǎ comunǎ……………………………………………………………………………..75 4.8 Rezumat....................................................................................................................... 78 4.9 Test de evaluare..............................................................................................................79
57
4.1 Introducere Indicii de economicitate şi de putere, precum şi durabilitatea unui motor, depind esenŃial de perfecŃiunea procesului arderii combustibilului şi se îmbunătăŃesc odată cu creşterea eficienŃei termice. Creşterea eficienŃei unui motor termic se realizează prin contribuŃia sistemelor automate de control al combustiei care nu sunt posibile fără aportul electronicii în ceeace priveşte următoarele aspecte: • senzori; • actuatori; • dispozitive digitale de calcul; • procesarea semnalelor.
4.2 CompetenŃele unităŃii de învăŃare Studentul va putea să: •
explice funcŃionarea sistemelor de alimentare a motoarelor
cu aprindere prin scânteie; •
explice funcŃionarea sistemelor de alimentare a motoarelor
cu aprindere prin comprimare; •
descrie schemele de alimentare tipice diferitelor motoare
expuse în curs; •
descrie componentele unui sistem de management al unui
•
explice rolul şi importanŃa senzorilor din componenŃa unui
motor;
sistem Motronic.
Durata medie de parcurgere a unităŃii de învăŃare U4 este de 3 ore.
58
4.3 Sisteme de management ale motoarelor cu aprindere prin scânteie Indicii de economicitate şi de putere, precum şi durabilitatea unui motor, depind esenŃial de perfecŃiunea procesului arderii combustibilului şi se îmbunătăŃesc odată cu creşterea eficienŃei termice. Pentru creşterea eficienŃei arderii se impun urmǎtoarele cerinŃe majore: • arderea combustibilului sǎ fie cât mai completǎ, în caz contrar suferind atât economicitatea motorului cât şi mediul înconjurător, prin creşterea poluǎrii; • viteza de ardere trebuie sǎ aibă valori moderate (cca 20...40 m/s), producând o creştere gradualǎ a presiunii în cilindru, cu implicaŃii directe asupra vieŃii motorului; • arderea trebuie sǎ aibǎ o duratǎ scurtǎ (cca 3...5 ms) şi sǎ aibǎ loc în apropierea punctului mort superior (PMS) – este de dorit ca maximul presiunii realizate în camera de ardere sǎ fie situat la 15...16 oRAC dupǎ PMS. Referitor la viteza de propagare a flǎcǎrii, este necesar a se arǎta cǎ aceasta este influenŃatǎ de un numǎr mare de factori, susceptibili a fi controlaŃi, dintre care: • arhitectura camerei de ardere: proiectarea optimǎ oferǎ un timp redus de propagare; • schimbarea automată a treptelor de viteze, asigurându-se o cuplare linǎ şi fără şocuri; • corelarea forŃei de tracŃiune cu condiŃiile specifice de drum; • corelarea regimului de viteză cu cel al motorului; • controlul tracŃiunii în condiŃii de drum alunecos, în pante sau curbe. • raportul aer / combustibil al amestecului carburant: amestecurile prea sǎrace sau prea bogate ard mai încet decât cele stoichiometrice; • presiunea din colectorul de admisie: o presiune ridicatǎ oferǎ o densitate sporitǎ de amestec carburant, care va arde mai repede; • turbulenŃa creatǎ în cilindru: cu cât ea este mai mare cu atât arderea este mai favorizatǎ; • compoziŃia chimicǎ a combustibilului utilizat: o calitate mai slabǎ de combustibil va arde mai încet sau va favoriza apariŃia detonaŃiilor; • recircularea gazelor arse: o cantitate prea mare a lor în amestecul carburant duce la scǎderea vitezei de ardere. Se poate afirma cǎ procesul arderii este influenŃat într-un mod radical de compoziŃia amestecului aer / combustibil absorbit de cǎtre motor şi de momentul declanşǎrii scânteii, asupra cǎrora se poate interveni în sensul coordonǎrii şi controlului acestora, adicǎ ceea ce realizeazǎ sistemul de management al motorului.
4.3.1 Sisteme de formare şi control ale amestecului carburant FuncŃia principală a acestor sisteme este de a introduce combustibilul în fluxul de aer absorbit de motor, în cantităŃile exacte cerute de condiŃiile specifice de funcŃionare, iar apoi să distribuie acest amestec într-un mod uniform către cilindrii motorului, cum se prezintă în tabelul 4.1.
59
Clasificarea sistemelor de formare a amestecului carburant la MAS. Tab. 4.1 comandate mecanic Continuă comandate electronic Sisteme de injecŃie sau mecanic Sisteme de formare a multipunct amestecului individual injecŃie simultană Intermitentă injecŃie secvenŃială Carburatoare multiple simplu corp mai multe Cu difuzor fix difuzoare Sisteme de formare a amestecului într-un punct central
Carburatoare Cu depresiune constantă Sisteme de injecŃie monopunct
combinate depresiune constantă combinate
Cu un injector Cu două injectoare
Carburatoarele pot oferi rapoarte aer / combustibil de la 13:1 (λ=0,9 la regimul de putere maximă), până la 16:1 (λ=1,1 la regimul de economicitate maximă). Totuşi acestea prezintă dezavantaje majore, sintetizate în următoarele: • dificultatea realizării unui control în buclă închisă, de către un senzor de oxigen la evacuare; • număr mare de componente mecanice în mişcare, ceea ce conduce la uzuri, reducând perioada de viaŃă la circa 80.000 km; • distribuŃia neomogenă a amestecului carburant pe traiectul colectorului de admisie, cu implicaŃii directe asupra uniformităŃii ciclurilor motoare; • imposibilitatea unui control eficient în diverse condiŃii de funcŃionare a motorului, în special la pornirea la rece şi la regimurile tranzitorii (accelerări şi decelerări). Marea majoritate a acestor probleme se menŃin chiar şi în cazul carburatoarelor electronice. Necesitatea controlului continuu şi precis asupra cantităŃii de combustibil livrat către cilindrii motorului a dus la apariŃia sistemelor de injecŃie de benzină supravegheate electronic, care se pot caracteriza prin apartenenŃa la douǎ mari clase: • directǎ, în cazul în care se livrează combustibilul în camera de ardere; • indirectǎ, atunci când combustibilul este furnizat în colectorul de admisie, cât mai aproape de poarta supapei de admisie. În producŃia de serie, utilizarea carburatoarelor este pe cale de dispariŃie, totuşi se prezintă în tabelul 7.1 o clasificare a sistemelor de formare a amestecului carburant, care cuprinde şi anumite variante de carburatoare electronizate, dezvoltate în special de industria auto americanǎ.
60
4.3.2 Managementul formǎrii amestecului carburant prin utilizarea carburatoarelor Cu toate cǎ astfel de sisteme se folosesc doar în echipări speciale, se prezintă schema bloc de management în cazul unui carburator electronic, comandat de o unitate de control electronic, care monitorizează ca mărimi de intrare turaŃia şi temperatura motorului, poziŃia clapetei de acceleraŃie şi factorul de exces de aer λ, care închide o buclǎ de reacŃie negativǎ prin senzorul de oxigen din gazele de evacuare. Carburatorul de bazǎ este construit într-o variantǎ pentru funcŃionarea motorului cu amestecuri sărace, factorul de îmbogăŃire fiind determinat de cǎtre unitatea electronicǎ de control, pe baza cartogramelor înscrise în memoria nevolatilǎ a sistemului. Astfel, necesarul de combustibil în diferitele condiŃii de funcŃionare, este adaptat prin acŃionare clapetei de şoc 6, de cǎtre elementul de execuŃie 5 din figura 4.1. Elementul de execuŃie 4 este un servomecanism electropneumatic acŃionat de etajul final din ECU şi are ca mǎrime de reacŃie încărcarea motorului, datǎ indirect de depresiunea din colectorul de admisie.
Fig. 4.1 Sistemul de formare a amestecului ECOTRONIC 1 - ECU; 2 - senzor de temperaturǎ; 3 - carburator; 4 – actuator al clapetei de acceleraŃie; 5 – actuator al şocului; 6 - clapeta şocului; 7 - comutator poziŃie de ralanti; 8 - clapetǎ de acceleraŃie; 9 - potenŃiometrul clapetei FuncŃiunilor principale ale unitǎŃii de control li se pot adiŃiona cele privind controlul aprinderii, controlul schimbǎrilor de viteze, în cazul echipǎrii autovehiculului cu o transmisie automatǎ, afişarea consumului de combustibil, sisteme de diagnozǎ ş.a.
4.3.3 Sisteme de formare a amestecului carburant prin injecŃie monopunct Diferitele sisteme de injecŃie monopunct au în comun plasarea dispozitivului principal de injecŃie în amonte de clapeta de acceleraŃie pe traseul colectorului de admisie, iar combustibilul este livrat la joasǎ presiune, care este în general de ordinul 70...100 kPa. Sistemul de injecŃie monopunct este utilizat de diferite firme constructoare de renume mondial şi sunt cunoscute sub diferite denumiri, cum ar fi SPI (Single-Point Injection), CFI (Central Fuel Injection), TBI (Throttle Body Injection). Sistemul MONO-Jetronic prezentat în figura 4.2 este un sistem de injecŃie intermitentă a benzinei, livrată în cantităŃi precis determinate, printr-un management electronic al funcŃionării motorului, asigurând alimentarea cu combustibil prin intermediul unui singur 61
injector electromagnetic, plasat central în colectorul de admisie, a cărui energizare este sincronizatǎ cu aprinderea. Astfel sistemul MONO-Jetronic face parte din categoria sistemelor integrate de control al formării amestecului carburant şi al aprinderii.
Fig. 4.2 Sistemul de formare al amestecului MONO-Jetronic (Bosch) 1 - rezervor de combustibil; 2 - pompǎ de alimentare; 3 - filtru; 4 - regulator de presiune; 5 - injector; 6 - senzor de temperaturǎ al aerului; 7 - ECU; 8 - actuatorul clapetei de acceleraŃie; 9 - potenŃiometrul clapetei; 10 - electrovalvǎ de purjare; 11 - canistra carbon; 12 - senzor λ; 13 - senzor de temperaturǎ al motorului; 14 - ruptor-distribuitor; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general; 17 - bloc de relee; 18 - conector de diagnosticare; 19 - bloc central de injecŃie Sistemul de alimentare cuprinde o pompă electrică de alimentare 2, imersată în rezervorul de combustibil 1, care funcŃionează la presiuni joase. Presiunea combustibilului este menŃinută constantǎ la valoarea de 100 kPa, de către regulatorul de presiune 4 şi corectatǎ cu presiunea atmosfericǎ. Injectorul electromagnetic 5, de inductivitate mare, este poziŃionat central în colectorul de admisie, într-o incintă Venturi, înaintea clapetei de acceleraŃie, jetul de combustibil realizându-se prin şase orificii dispuse radial-înclinate, care realizează o foarte fină pulverizare. Dozajul combustibilului se realizează prin controlul duratei de deschidere a injectorului de către ECU, în concordanŃǎ cu informaŃiile primite de la senzorul de poziŃie a clapetei de acceleraŃie 9 şi de la cel de turaŃie a motorului. În memoria de lucru a microprocesorului sunt înscrise 15 puncte de turaŃie şi 15 puncte ale momentului dezvoltat de motor, care determină 225 de durate de injecŃie de bază. Acestora li se vor adăuga durate suplimentare, calculate de către microprocesor pe baza unei logici adaptive, în acord cu informaŃiile primite de la alŃi senzori auxiliari (de temperatură, de detonaŃii, etc.). Sonda λ închide o buclă de reacŃie negativă, realizându-se controlul optim al arderii, prin comanda adecvată a avansului la aprindere. ECU este prevăzut cu un sistem de autodiagnoză, care identifică şi memorează eventualele defecŃiuni care pot apărea pe durata funcŃionării.
62
Spre comparaŃie cu sistemul expus, sistemul Rover SPI este un sistem evoluat, derivat din modelul Bosch, conceput de asemenea cu injecŃie intermitentă de benzină şi management complet electronic al aprinderii. Sistemul de alimentare cu combustibil livrează injectorului benzina la presiune joasă, menŃinută constantă la o valoare de circa 120 kPa de către un regulator de presiune. Injectorul electromagnetic plasat în corpul clapetă-injector, este prevăzut cu o duză special concepută pentru o cât mai bună atomizare a benzinei, cu scopul obŃinerii unui amestec omogen. Corpul injector-clapetă, conceput în tehnică mecatronică, înglobează injectorul, regulatorul de presiune, clapeta de acceleraŃie acŃionată de un motor pas-cu-pas şi senzorul poziŃiei clapetei . Pata caldă de sub clapeta de acceleraŃie este realizată cu ajutorul unui încălzitor electric, care este termostatat cu ajutorul unui senzor de temperatură. Dozajul combustibilului se realizează prin controlul duratei de deschidere a injectorului de către ECU, în a cărei memorie sunt înscrise 64 puncte de funcŃionare, date de un set de 8 valori de turaŃie × 8 valori ale poziŃiei clapetei de acceleraŃie (poziŃie corelată cu momentul motorului). Această durată de bază de deschidere a injectorului este corectată de mărimile datelor de intrare, culese de la diferiŃi senzori. Depresiunea din colectorul de admisie este adusă printr-un tub flexibil până la un senzor inteligent, amplasat pe placa microprocesorului, denumit senzor MAP (Manifold Admision Presure). Senzorul presiunii de ulei a motorului corectează prin ECU, funcŃionarea pompei de alimentare cu combustibil şi a încălzitorului colectorului de admisie. Sistemul este prevăzut cu limitarea sus a turaŃiei la circa 6700 rot/min şi cu un senzor inerŃional, care în caz de coliziune, determină oprirea pompei de combustibil şi deconectarea aprinderii, în scopul evitării producerii unui incendiu. După deconectarea bateriei de acumulatoare de exemplu, la o depanare, este necesară recalibrarea turaŃiei de mers în gol şi a minimului emisiilor de CO, prin introducerea unei secvenŃe de comandă automate de setare a parametrilor. DiferenŃele între aceste douǎ sisteme integrate, de formare a amestecului şi de producere a scânteii, sunt date de fineŃea cartogramelor înregistrate în memorie, în care sunt înscrise datele de referinŃǎ – într-un caz, 225 de puncte, în celǎlalt 64 de puncte, poziŃiile intermediare fiind extrase prin interpolare prin metode de calcul specifice fiecărei firme. Sistemul comparǎ datele reale furnizate de senzori privind parametrii funcŃionali ai motorului cu cele de referinŃǎ, decizia de acŃionare fiind luatǎ după criteriile de optimizare implementate în algoritmul de calcul.
4 .3.4 Sisteme de formare a amestecului prin injecŃie intermitentǎ Unul din sistemele larg utilizate de formare şi distribuire a combustibilului spre cilindri este sistemul Bosch LH-Jetronic (Luft Hitzdraht), adică măsurarea debitului de aer absorbit printr-o metodǎ termoanemometricǎ (cu fir cald), are următoarele principale caracteristici: • măsurarea debitului de aer absorbit de către motor; • turaŃia motorului şi debitul de aer ca variabile principale de intrare în sistem; • injecŃia intermitentǎ de combustibil.
63
Fig. 4.3 Sistemul de injecŃie intermitentǎ LH-Jetronic 1 - rezervor de combustibil; 2 - pompǎ electricǎ de alimentare; 3 - filtru; 4 - ECU; 5 - injector; 6 - rampǎ de distribuŃie; 7 - regulator de presiune a combustibilului; 8 - colector de admisie; 9 - senzor de poziŃie a clapetei; 10 - debitmetru cu fir cald; 11 - senzor λ; 12 – senzor al temperaturii lichidului de rǎcire; 13 - ruptor-distribuitor; 14 - By-pass pentru aerul adiŃional la ralanti; 15 - baterie de acumulatoare; 16 - contact general În figura 4.3 se poate urmări funcŃionarea sistemului LH: alimentarea cu combustibil se realizează cu pompa electricǎ 2, capabilǎ sǎ livreze combustibil la o presiune de aproximativ 800 kPa, care asigurǎ buna funcŃionare a motorului în toate condiŃiile. Rampa de distribuŃie 6 menŃine o presiune constantǎ de circa 250...370 kPa, depinzând de producător, pe injectoarele 5, datoritǎ regulatorului diferenŃial de presiune 7, care aduce corecŃii cu presiunea atmosfericǎ. Unitatea electronicǎ de control procesează informaŃiile provenite de la senzori, având ca scop controlul duratei de deschidere a injectoarelor electromagnetice 5, furnizând o cantitate de combustibil precis determinatǎ după algoritmi de calcul specifici fiecărei firme, ce urmăresc minimizarea consumului şi a emisiilor de noxe din gazele de evacuare, senzorul λ închizând o buclǎ de reacŃie negativǎ în sistemul automat de management al formǎrii amestecului carburant. De exemplu, pe baza informaŃiilor furnizate de senzorul de temperaturǎ a lichidului de răcire, la temperaturi joase se ia decizia de creştere a perioadei de injecŃie, pentru compensarea pierderilor de combustibil datorat fenomenelor de condensare ce au loc în colectorul de admisie. PoziŃia clapetei de acceleraŃie, datǎ de senzorul 9, asigurǎ adaptarea amestecului în condiŃii specifice de lucru ale motorului (sarcini totale sau mersul în gol). Sistemul descris poate funcŃiona în următoarele moduri principale de acŃionare a injectoarelor, depinzând de caracteristicile funcŃionale şi constructive ale motorului: • simultanǎ, cu acŃionarea în paralele a injectoarelor; • simultanǎ, cu acŃionare pe grupe de cilindri; • secvenŃialǎ, livrând combustibil fiecărui cilindru în parte.
64
SecvenŃele de activare a injectoarelor, după cele trei principale moduri de funcŃionare, sunt prezentate în figura 4.4.
Fig. 4.4 ComparaŃie între cele trei tipuri de injecŃie: a) simultanǎ, cu acŃionare în paralel; b) secvenŃialǎ, pe grupe de cilindri; c) secvenŃialǎ, la fiecare cilindru în parte; 1 - injector închis; 2 - injector acŃionat; 3 - z = momentul aprinderii; pe ordonatǎ este figuratǎ ordinea de aprindere.
4.3.5 Strategii de control al formǎrii amestecului carburant În motoarele cu aprindere prin scânteie, o ardere cât mai completǎ se produce în condiŃiile unui amestec carburant omogen, ceea ce duce la necesitatea unei bune atomizări a combustibilului. Injectoarele electromagnetice asigurǎ o suficientǎ pulverizare a combustibilului în toate regimurile de funcŃionare ale motorului, mai ales în cele de pornire la rece sau de plinǎ sarcinǎ, unde sistemele de formare a amestecului dotate cu carburator sunt deficitare. Sistemul de management electronic al formǎrii amestecului presupune existenŃa unităŃii de control ECU (Electronic Control Unit), ce va determina lăŃimea impulsurilor de comandǎ a deschiderii injectoarelor după un program înscris în memorie, Ńinând cont de regimurile specifice de funcŃionare ale motorului. Astfel, la pornirea la rece se comandǎ o lăŃime mai mare a impulsurilor de comandǎ a injectoarelor, pe când în regim de supraturare a motorului acestea sunt inactivate. Depinzând de producător, strategiile diferă după multitudinea algoritmilor de calcul adoptate, totuşi funcŃionare unui sistem de control se poate urmări după o schemǎ logicǎ de un tip general, prezentatǎ în figura 4.5.
65
Fig. 4.5 Schema logicǎ a controlului duratei de injecŃie.
4.3.5.1 Controlul în volum al injecŃiei de benzină Durata de bază a deschiderii injectorului este înscrisă într-o cartogramă ce depinde de turaŃie şi de valorile presiunii absolute ale aerului din colectorul de admisie, în cazul sistemelor turaŃie-debit masic de aer, sau de valorile debitului de aer de admisie, în cazul sistemelor turaŃie-debit volumetric de aer. Microprocesorul ce echipează ECU modifică durata de injecŃie după diferiŃi algoritmi de calcul, Ńinând însă seama de o serie de factori de compensare, după cum urmează: • pornirea motorului; microprocesorul calculează durata de injecŃie Ti Ńinând cont de dependenŃa acesteia proporŃională cu durata de acŃionare a demarorului + corecŃia cu temperatura + corecŃia cu tensiunea bateriei; • turaŃia de mers încet în gol; regimul este detectat cu ajutorul senzorilor de turaŃie şi de poziŃie a clapetei, când microprocesorul selectează cartograma de mers în gol, caz în care sarcina motorului se detectează cu ajutorul a mai multor senzori şi anume: · funcŃionarea instalaŃiei de aer condiŃionat, prin detectarea funcŃionării compresorului de climatizare; · angajarea transmisiei automate, prin deschiderea contactelor de inhibare, date de poziŃiile parcare/punct neutru; · creşterea sarcinii electrice a diferiŃilor consumatori (lumini, dezaburire lunetă, ştergătoare de parbriz, etc.); · funcŃionarea servodirecŃiei, prin detectarea creşterii presiunii în circuitul hidraulic peste o valoare prestabilită. IntervenŃia asupra turaŃiei de mers în gol se face prin comanda aerului suplimentar. Se mai practică o reglare de mers în gol rapidă, atunci când sarcina motorului creşte peste o valoare prestabilită (tensiunea bateriei este prea scăzută sau este solicitată intens instalaŃia de climatizare, în special pe poziŃia “Rece”). Aproximativ 25% din software-ul unui sistem modern de management al motorului este dedicat regimului de mers în gol.
66
•
regimul normal de funcŃionare poate fi considerat cvasistaŃionar, caz în care durata de injecŃie se calculează cu formula:
Ta=Ti+Tc+Tu, unde:
· · · ·
Ta Ti Tc Tu
reprezintă durata de activare a injectorului; este durata de bază; este durata de corecŃie cu diferiŃi factori; reprezintă durata de corecŃie cu tensiunea bateriei.
4.3.5.2 Compensări aplicate duratei de injecŃie Durata de bazǎ a deschiderii injectoarelor este înscrisǎ într-o cartogramǎ sub formǎ de valori care depind de turaŃia motorului, de cantitatea de aer de admisie şi este continuu ajustatǎ de mai mulŃi factori, denumiŃi factori de corecŃie, care sunt prezentaŃi în tabelul 4.2: • temperatura motorului, prin apa de răcire; • temperatura aerului de admisie; • poziŃia clapetei de acceleraŃie; • tensiunea bateriei de acumulatoare.
Compensări asupra duratei de injecŃie Mărimi de intrare Compensare furnizate de senzori Pornirea motorului TuraŃia, temperatura Imediat după pornire TuraŃia, temperatura Faza de încălzire TuraŃia, temperatura Mersul în gol TuraŃia, tensiunea Sarcinǎ plinǎ
TuraŃia, debit de aer
Frâna de motor
TuraŃia, PoziŃia clapetei
Accelerări SupraturaŃie Tensiunea bateriei Temperatura motorului Temperatura aerului de admisie
PoziŃia clapetei TuraŃia Tensiunea Temperatura
Tab. 4.2 Efecte asupra duratei de injecŃie Creşte Scade gradual Scade gradual CorecŃii în plus sau în minus Creşte, când debitul de aer depăşeşte o valoare prestabilitǎ Zero, cu clapeta închisǎ şi n>1500 rpm Creşte proporŃional Zero, la n>nmax Creşte cu scăderea tensiunii Creşte la rece
Temperatura
CorecŃii în plus sau în minus
Modul de funcŃionare al sistemului de management al formǎrii amestecului sub influenŃa factorilor enumeraŃi poate fi sintetizat într-o schemǎ generalǎ de alimentare cu combustibil, prezentatǎ în figura 4.6. Din punctul de vedere al formǎrii amestecului combustibil/aer existǎ douǎ mari categorii de sisteme: • sisteme turaŃie-debit masic de aer, atunci când se măsoară presiunea absolutǎ a aerului din colectorul de admisie; • sisteme turaŃie-debit volumetric de aer, atunci când se măsoară debitul aerului de admisie.
67
Fig. 4.6 Schema bloc de alimentare cu combustibil
4.3.5.3 Controlul stoichiometric al formării amestecului Controlul precis al amestecului se realizează în jurul valorii 1 a coeficientului de exces de aer λ. ECU procesează semnalul transmis de senzorul λ, care închide bucla de reacŃie negativă în sistemul automat de control, cum se ilustreazǎ în figura 4.7 a.
Fig. 4.7 a) Controlul stoichiometric al formǎrii amestecului 1 - debitmetru de aer; 2 - motor; 3 - sondǎ λ; 4 - catalizator; 5 - injectoare; 6 - ECU; a - mărime de referinŃǎ; b - integrator; c - comparator; d - control adaptiv; e - reglaje speciale; f - intrare combustibil; Uλ - tensiunea generatǎ de sonda λ; UB - tensiunea bateriei; n - turaŃia motorului; TM - temperatura motorului; ti - durata impulsului de comandǎ; tL - cantitatea de aer; Vi - cantitatea de combustibil injectatǎ; b) Modul de variaŃie a tensiunii Uλ CorecŃia în buclă închisă a raportului aer / combustibil este necesară în cazul utilizării unui catalizator plasat pe colectorul de evacuare, pentru ca acesta să lucreze cu eficienŃă maximă, cu scopul reducerii semnificative a emisiilor de noxe. Pentru aceasta, raportul aer / combustibil este păstrat la valoarea constantă de 14.7:1, ceea ce corespunde unei valori λ=1.
68
Se deosebesc trei cazuri tipice de funcŃionare: amestec prea bogat, caz în care se aplică un coeficient de corecŃie în domeniul λ=0.8…1, reducându-se durata de injecŃie; • amestec prea sărac, caz în care se aplică o corecŃie în domeniul λ=1…1,2, mărindu-se durata de injecŃie; • nu se aplică aceste corecŃii în cazurile următoare: · la pornirea motorului; · la îmbogăŃirea poststart; · la îmbogăŃirea în faza de încălzire; · la decelerări şi în plină sarcină, atunci când clapeta de acceleraŃie este închisǎ sau deschisă complet. În timpul funcŃionării motorului, calitatea amestecului oscilează între “bogat” şi “sărac”, cum se ilustrează în figura 4.6 b, sistemul considerând amestecul stoichiometric ca medie a valorilor rapoartelor aer / combustibil corespunzătoare. Există două tipuri de senzori ai excesului de oxigen din produsul arderii, ambele furnizând un semnal utilizabil în jurul valorii λ = 0,99…1,1. O dezvoltare a senzorului convenŃional încălzit cu zirconiu o reprezintă senzorul universal UEGO (Universal Exhaust Gas Oxigen-senzor), capabil să detecteze punctul stoichiometric, care poate măsura raportul aer / combustibil într-o gamă largă de valori, de la cele foarte bogate (10:1), la cele foarte sărace (35:1). •
4.3.6 Sisteme de management integral al motorului cu aprindere prin scânteie Cele mai evoluate sisteme de management al motorului combinǎ avantajele oferite de controlul formǎrii amestecului şi controlul pe cale electronicǎ a aprinderii, cele douǎ subsisteme având fiecare separat, o mare flexibilitate în funcŃionare. Se prezintă în figura 4.8 sistemul MOTRONIC dezvoltat de firma Bosch, care poate fi implementat pe versiunile de formare a amestecului, anume: • KE, injecŃie continuǎ; • MONO, injecŃie intermitentǎ; • LH, injecŃie secvenŃialǎ. Sistemul prezentat în figura 4.8 monitorizează datele reale de funcŃionare a motorului, culese de senzori, pe care le comparǎ cu cele înscrise într-o mulŃime de cartograme în memoria de lucru, fiind capabil de a lua decizii de optimizare a performanŃelor, mai ales în blocurile care cuprind controlul emisiilor poluante şi în cele de funcŃionare pe curbele de economicitate maximǎ.
69
Fig. 4.8 Sistemul de management MOTRONIC 1 - canistra carbon; 2 - electrovalva de aducŃiune aer; 3 - purjare canistra; 4 - regulator de presiune combustibil; 5 - injector; 6 - controler de presiune; 7 - corpul bobinǎ-bujie; 8 - senzorul camei; 9 - pompa de injecŃie aer secundar; 10 - electrovalva aerului secundar; 11 - debitmetru masic de aer de admisie; 12 - ECU; 13 - poziŃia clapetei de acceleraŃie; 14 - by-pass-ul aerului adiŃional; 15 - senzorul temperaturii aerului; 16 - electrovalva EGR; 17 - filtru de combustibil; 18 - senzor de detonaŃie; 19 - senzorul turaŃiei motorului; 20 - temperatura motorului; 21 - senzor λ; 22 - bateria; 23 - interfaŃa de diagnozǎ; 24 - lampa martor autodiagnosticare; 25 - senzor diferenŃial al presiunii atmosferice; 26 - pompa electricǎ de alimentare De asemenea, implementarea unei strategii adaptive de control, care cuprinde numeroase circuite în buclǎ închisǎ, face posibil managementul unor funcŃii adiŃionale, ce au devenit în ultimii ani standarde, după cum urmează: • controlul proceselor de ardere din motor, prin: · controlul în buclǎ închisǎ al factorului λ, utilizând doi senzori de oxigen; · controlul individual al injecŃiei de combustibil; · controlul sarcinii motorului, prin măsurarea debitului de aer; · reglarea adaptivǎ a avansului la aprindere, urmărind arderea detonantǎ pe fiecare cilindru; · regimul de aprindere multiscânteie, cu urmărirea curenŃilor primar şi secundar; · distribuŃia variabilǎ; · raport de compresie variabil. • controlul mersului în gol, urmărindu-se o turaŃie cât mai joasǎ şi stabilǎ; • controlul recirculǎrii gazelor arse şi al degazării rezervorului de combustibil; • controlul regimului de funcŃionare al catalizatorului; • controlul momentului motor şi a poziŃiei clapetei de acceleraŃie, la funcŃionarea cu o transmisie automatǎ. • sistem de autodiagnosticare, cu memorarea şi semnalizarea defecŃiunilor.
70
4.3.7 Controale adiŃionale Controlul recirculǎrii gazelor arse; Sistemul de recirculare al gazelor arse, denumit EGR (Exhaust Gas Recirculation), conduce în principal, la reducerea emisiilor de NOx cu până la 60%, cu limitarea acestui avantaj la o creştere a emisiilor de hidrocarburi şi a consumului de combustibil. În figura 4.9 se prezintă un sistem EGR, care echipează motoare cu aprindere prin scânteie. FuncŃionarea sistemului este comandatǎ de către ECU pe baza informaŃiilor primite de la senzorii de turaŃie şi de temperaturǎ ai motorului n şi T, de la senzorii de debit masic sau presiune ai aerului de admisie P. Sistemul este oprit în perioadele de mers în gol a motorului, fiind activat în special la regimuri de puteri parŃiale, date de senzorul de deplasare a pedalei de acceleraŃie.
Fig. 4.9 Sistemul EGR 1 - conductǎ EGR; 2 - convertor electropneumatic; 3 - electrovalvǎ EGR; 4 - debitmetru masic de aer. Implementarea fizică a unui sistem integrat de management electronic al unui motor cu aprindere prin scânteie se poate analiza în figura 4.10, unde se poate observa rolul şi locul diferiŃilor senzori, care oferă date care trebuie analizate în timp real, pe baza cărora sistemul automat decide regimul optim de funcŃionare al motorului. În figura 4.10, care este de fapt o schemă electrică ce reprezintă modul de cuplare a mai multor senzori, care măsoară următoarele mărimi: • Presiunea atmosferică, cea care oferă informaŃii asupra altitudinii; • Presiunea în colectorul de admisie (MAP); • Temperatura aerului de admisie; • Temperatura motorului; • ConŃinutul de oxigen rămas nears din gazele de evacuare; • ApariŃia detonaŃiilor; • TuraŃia motorului şi poziŃia instantanee a arborelui cotit, care oferă informaŃia importantă privind plasarea punctului mort superior; • PoziŃia arborelui cu came, în cazul unei distribuŃii variabile; • PoziŃia clapetei de acceleraŃie; • PoziŃia robinetului de reglare a aerului adiŃional.
71
Fig. 4.10 Sistemul integrat de control al motorului
72
4.4 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompe de injecŃie Managementul unor astfel de motoare se referǎ la echipările cu pompe de injecŃie în linie, respectiv cu pompe de injecŃie rotative, încă larg folosite în echiparea autovehiculelor şi utilizează resursele electronice şi mecatronice, o schemǎ bloc a controlului pompei de injecŃie fiind ilustrată în figura 4.11.
Fig. 4.11 Controlul electronic al pompei de injecŃie 1 - senzor temperatură combustibil; 2 - electrovalvă de stop; 3 - electrovalvǎ pentru recircularea gazelor arse EGR; 4 - injector dotat cu senzor de cursă a acului; 5 - senzor temperatură lichid de răcire; 6 - senzor turaŃie motor; 7 - senzor presiune atmosferică; 8 - senzor temperatură aer admisie; 9 - debitmetru de aer; 10 - senzor de viteză FuncŃionarea acestui sistem, echipat cu pompă rotativă de injecŃie cu camă spaŃială, denumit VE (Ventil Electronik), se bazează pe realizarea unui control cu reacŃie negativă a manşonului de reglare a debitului de combustibil injectat. Elementul de execuŃie este un motor pas cu pas, iar bucla de reacŃie se închide prin senzorul poziŃiei manşonului. Injectorul 4 al cilindrului de referinŃǎ al motorului este echipat cu un traductor inductiv de deplasare al acului injectorului, care generează un semnal electric, ce va fi prelucrat de microprocesor şi va fi considerat ca semnal de start al injecŃiei, cu ajutorul căruia sistemul verificǎ avansul la injecŃie calculat. Elementul de execuŃie al reglării avansului îl constituie o electrovalvă activată cu un tren de impulsuri de către microprocesor, care va modula o presiune de comandă a statorului camei spaŃiale. Elementul de comandă a debitului pompei de injecŃie este pedala electronică de acceleraŃie, a cărei funcŃionare se bazează pe existenŃa unui ansamblu traductor potenŃiometric al poziŃiei pedalei-servomotor de acŃionare. Sistemul se adaptează la diferitele regimuri de funcŃionare, apelând la o memorie de tip ROM, în care se află înscrisă o bază de date ce conŃine evoluŃia diferiŃilor parametri: sarcina motorului, turaŃia, temperaturi, etc.
73
Sistemele cu pompe de injecŃie în linie sunt similare celor expuse, diferenŃa fiind dată de existenŃa cremalierei de comandă, a cărei acŃionare se face cu un element de execuŃie liniar.
4.5 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ - injector Aceste sisteme sunt echipate cu injectoare acŃionate direct de către o camǎ, după cum se aratǎ în figura 4.13 şi prezintă o serie de avantaje faŃǎ de sistemele clasice, cum ar fi: • simplificarea soluŃiilor constructive, prin reducerea numărului de repere; • eliminarea pompelor tradiŃionale de injecŃie, care necesită construcŃii laborioase şi reglaje dificile; • eliminarea conductelor de înaltă presiune, deci şi a fenomenelor hidrodinamice nefavorabile care au loc în ele; • reducerea nivelului de zgomot, indus de pompa de injecŃie clasicǎ; • reducerea nivelului emisiilor poluante, prin posibilitatea activării secvenŃiale, pe cale electronică, a injectoarelor; • controlul electronic precis al avansului şi a duratei de injecŃie, prin utilizarea tehnicii digitale de calcul; • creşterea presiunii de injecŃie la 150…180 MPa, cu influenŃe favorabile asupra pulverizării, deci şi asupra arderii; • controlul electronic al puterii dezvoltate de motor, în funcŃie de influenŃa factorilor ambientali şi climatici, prin corecŃiile exercitate de microprocesor asupra avansului şi duratei de injecŃie; • posibilitatea reglării vitezei de croazieră a autovehiculului de către sistemul electronic de management global al tracŃiunii; • posibilitatea de a suspenda grupe de cilindri, la funcŃionarea motorului la sarcini parŃiale; • suspendarea completă a injecŃiei de combustibil în regim de frână de motor.
Fig. 4.13 Pompa injector 1 - arc de rapel; 2 – corp principali; 3 - plunger; 4 - chiulasǎ motor; 5, 6 - elemente de montaj a pulverizatorului; 7...14 – elemente ale sistemului electric de comandǎ; 15, 16 alimentare şi retur combustibil; 17...20 – elemente ale pulverizatorului
74
4.6 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate cu pompǎ individualǎ de injecŃie Acest mod de injecŃie presupune o construcŃie modularǎ, în care fiecare cilindru este echipat cu o pereche pompǎ-injector, cu acŃionare prin intermediul arborelui cu came, alcătuit din următoarele componente principale, cum se ilustrează în figura 4.14: • pompa de înaltǎ presiune 6, acŃionatǎ de cama 7; • solenoidul de înaltǎ vitezǎ 4, de tip 2/2; • linia de înaltǎ presiune; • ansamblul injector. Unitatea electronicǎ de control acordează acŃionarea pe cale mecanicǎ de la arborele cu came a pompei de înaltǎ presiune (circa 180 MPa), cu realizarea timpilor de început de injecŃie şi a reglarea precisǎ a duratelor de injecŃie.
Fig. 4.14Pompa individualǎ de injecŃie 1 - prinderea injectorului pe motor; 2 - chiulasǎ motor; 3 - pulverizatorul injectorului; 4 - electrovalvǎ de comandǎ; 5 - intrare combustibil; 6 - pompǎ de înaltǎ presiune; 7 - camǎ
4.7 Sistemul de management al motoarelor cu aprindere prin comprimare alimentate prin rampǎ comunǎ Este un sistem dezvoltat de firma Fiat, împreună cu filiala sa Magnetti Marelli, care transpune pe motoarele cu aprindere prin comprimare principiile injecŃiei electronice de benzină. În locul unei refulări mecanice a combustibilului către fiecare cilindru, ca în cazul unui MAC clasic, se utilizează o pompă care ridică presiunea combustibilului la o valoare ridicatǎ, de până la 1.800 bar într-o conductǎ unică, denumitǎ Common Rail, ce deŃine şi rolul de acumulator de presiune. Injectoarele electromagnetice sunt activate în momentul în care primesc semnalele de la ECU, pentru a permite accesul combustibilului în cilindru. InjecŃia directă de tip Common Rail se desfăşoară în două etape, cum se ilustrează în figura 4.15: • PreinjecŃia, care durează în jur de 190 microsecunde, timp în care se introduce în camera de ardere circa 1 mm3 de combustibil, etapă care are rolul de a amorsa combustia; 75
•
InjecŃia principalǎ, care durează circa 1.000-1.200 microsecunde la regimul nominal de putere.
Fig. 4.15 Etapele injecŃiei directe de tip Common Rail Datorită presiunii ridicate de injecŃie, ce asigură o pulverizare extrem de fină, o dozare precisă şi o turbulenŃă ridicată în camera de ardere, dar şi a organizării injecŃiei, se obŃine o bună combustie, cu un gradient moderat de creştere a presiunii de ardere, reducându-se semnificativ zgomotul specific, precum şi consumul de combustibil, cu până la 20%, dar mai ales emisiile poluante, cu aproximativ 25% mai puŃin decât în cazul unui MAC clasic. De asemenea s-a constat o creştere cu 5% a puterii şi cu 30% a cuplului maxim dezvoltat de un motor cu injecŃie directă de tip Common Rail faŃă de un motor similar, care utilizează procedee de injecŃie clasice. Unul dintre cele mai evoluate sisteme de management al injecŃiei directe, dezvoltat de firma BMW este prezentat în figura 4.16.
76
Fig. 4.16 Managementul sistemului de injecŃie Common Rail 1 - pompǎ de înaltǎ presiune; 2 - regulator de presiune; 3 - rampa comunǎ; 4 - senzor al presiunii din rampǎ; 5 - injector electromagnetic; 6 - regulator diferenŃial de presiune; 7 - electroventil acŃionat prin element bimetalic; 8 - senzor de presiune al circuitului primar de alimentare; 9 - filtru de combustibil; 10 - pompǎ primarǎ de alimentare; 11 - radiator de răcire al combustibilului; 12 - circuit de strangulare; 13 - rezervor de combustibil cu controlul electronic al emisiilor vaporizante; 14 - pedalǎ electronicǎ de acceleraŃie; 15 - senzor incremental al turaŃiei motorului; 16 – senzor al temperaturii motorului; 17 - senzor de poziŃie al axei cu came; 18 – senzor al presiunii din colectorul de admisie; 19 – debitmetru al aerului de admisie; 20 - senzor manometric al suprapresiunii de alimentare cu aer; 21 – electrovalvǎ EGR; 22 - canistra carbon şi electrovalva EGR; 23 - distribuitor EGR
Exemple Un factor important în controlul formării amestecului la motoarele cu aprindere prin scânteie este raportul aer / combustibil, denumit λ, care trebuie să fie unitar. Trebuie distinse principalele faze de funcŃionare ale unui motor termic: de pornire la rece, de încălzire, de regim nominal, supraturaŃie, limite. Pentru diminuarea emisiilor se utilizează sistemul de recirculare a gazelor.
77
După parcurgerea unităŃii de învăŃare U4, studentul trebuie să: •
explice funcŃionarea unui sistem evoluat de management al unui
motor cu ardere internă; •
în legătură cu acesta, trebuie să definească componentele acestui
sistem; •
explice rolul senzorilor, mai ales a celor legaŃi de diminuarea
emisiilor poluante (senzorul λ); •
explice rolul şi importanŃa actuatorilor (injectoare, EGR, clapeta
de admisie, aer adiŃional, E-gas).
Să ne reamintim... Cele mai evoluate sisteme de management al motorului combinǎ avantajele oferite de controlul formǎrii amestecului şi controlul pe cale electronicǎ a aprinderii, cele douǎ subsisteme având fiecare separat, o mare flexibilitate în funcŃionare. Sistemele automate dedicate acetor scopuri procesează în timp real semnalele furnizate de senzori, care măsoară diferiŃi parametri, cum ar fi temperaturi, presiuni, debite, turaŃii, concentraŃii de oxigen etc. Pe baza acestor mărimi măsurate, sistemele iau automat decizii de intervenŃii, care se efectuează prin intermediul actuatorilor.
Rezumat Un motor termic modern va trebui să aibă o economicitate maximă, în condiŃiile în care emisiile de noxe vor trebui să se apropie de zero (ZEV), cerinŃe care nu sunt posibile fără aportul sistemelor automate de management ale motoarelor termice. Acestea prelucrează în timp real datele culese de senzori, privind mediul ambient în care funcŃionează motorul, condiŃiile de încărcare privind momentul dezvoltat la turaŃia instantanee, cantitaŃile de emisii nocive.
78
Test de evaluare a cunoştinŃelor •
ConsideraŃi că un motor cu aprindere prin scânteie este alimentat
cu benzina cu CO 78. Cum reacŃionează sistemul de management al combustiei? •
Care este rolul sondei λ?
•
ExplicaŃi necesitatea utilizării debitmetrului de aer.
•
Care este nivelul presiunii de combustibil la un motor cu aprindere
prin comprimare de înaltă presiune?
79
Unitatea de învăŃare 5. Transmisia autovehiculului, sisteme de frânare / tracŃiune, sisteme de siguranŃă activă Cuprins 5.1 Introducere..................................................................................................... 80 5.2 CompetenŃe..................................................................................................... 80 5.3 Sistemul de management al transmisiei……………………………………. 81 5.3.1 Controlul electronic al ambreiajului……………………………… 81 5.3.1.1 Controlul ambreiajului convenŃional................................. 82 5.3.1.2 Ambreiajul hidraulic.......................................................... 83 5.3.1.3 Ambreiajul electric............................................................ 84 5.3.2 Controlul transmisiei automatizate………………………………. 84 5.4 Sistemul de management integral al grupului motopropulsor……………… 86 5.5 Sisteme asistate de control al frânării (ABS).................................................. 88 5.6 Sisteme asistate de control al tracŃiunii (ASR, TCS)...................................... 90 5.7 Sisteme de siguranŃă activă – Airbag.............................................................. 91 5.8 Rezumat.......................................................................................................... 93 5.9 Test de evaluare.............................................................................................. 93
5.1 Introducere Unitatea de învăŃare U5 este destinată studiului sistemelor automate care concură la un management optim al transmisiei autovehiculului; se evidenŃiază conexiunile motor – sisteme asistate de frânare / tracŃiune sau sisteme de control al stabilităŃii vehiculului pe drum. Sunt abordate chestiuni legate de siguranŃa activă a pasagerilor, declanşare timpi disponibili. 5.2 CompetenŃele unităŃii de învăŃare Unitatea de învăŃare U5 va permite studentului să: •
explice funcŃionarea sistemelor de management integral al motorului şi transmisiei;
•
descrie părŃile componente ale sistemelor de frânare / tracŃiune ale autovehiculului;
•
explice funcŃionarea sistemelor de siguranŃă activă a pasagerilor unui autovehicul;
•
explice rolul senzorilor în cadrul sistemelor prezentate.
80
Durata medie de parcurgere a unităŃii de învăŃare U5 este de 2,5 ore.
5.3 Sistemul de management al transmisiei Obiectivele principale ale utilizării sistemelor electronice de control al transmisiei sunt: adaptarea optimă a motorului la rezistenŃele de înaintare ale autovehiculului; reducerea solicitărilor dinamice din transmisie; creşterea puterii de tracŃiune la roată, prin cuplarea treptei optime de viteză, în funcŃie de drum şi în condiŃiile creşterii economicităŃii motorului şi reducerii nivelului de emisii poluante; • asigurarea unei tracŃiuni şi a unei frânări sigure în condiŃii dificile de condus; • creşterea confortului conducătorului, prin reducerea efortului depus la conducere. O cale necesar a fi îndeplinitǎ pentru realizarea acestor obiective este aceea de înlocuire a legăturii mecanice dintre pedala de acceleraŃie şi elementul de comandǎ asupra motorului cu una electricǎ, denumitǎ E-Gas (Electronik Gas-Pedal) după cum se ilustrează în figura 5.1. • • •
Fig. 5.1 Managementul pedalei electronice de acceleraŃie 1 – pedalǎ de acceleraŃie; 2 - bloc electronic de poziŃionare şi reacŃie negativǎ; 3 - bloc electronic de condiŃionare semnal 3a şi de interconectare cu sistemele conexe 3b; 4 - bloc electronic de comandǎ al motorului
5.3.1 Controlul electronic al ambreiajului Obiectivele principale ale utilizării controlului electronic al ambreiajului sunt următoarele: • controlul precis al timpilor de cuplare / decuplare, de ordinul a 0,15…0,3 s; • asigurarea unei cuplări line, fără şocuri dinamice în transmisie; • asigurarea momentului optim de cuplare la schimbarea vitezelor.
81
O posibilǎ clasificare a ambreiajelor cu acŃionare automatǎ, după modul lor de acŃionare se prezintă cum urmează: • convenŃionale · cu comandă hidraulică; · cu comandă electropneumatică; · cu comandă electrică. • electrice · cu pulberi magnetice; · cu lichide electroreologice. • hidraulice (hidrodinamice).
5.3.1.1 Controlul ambreiajului convenŃional Ambreiajul convenŃional, de regulă de tip cu arc diafragmă, se utilizează la cuplarea cutiilor de viteze în trepte automatizate sau cutiilor de viteze continue. Un ambreiaj cu fricŃiune de ultimǎ generaŃie este acela cu autoreglare, denumit SAC (Self Adjusting Clutch), prezentat în figura 5.2 a, care este controlat printr-un senzor 1, care comandǎ jocul la decuplare necesar la acŃionarea arcului diafragmǎ 3, autoreglabil în 12 paşi. Elementul de acŃionare poate fi constituit din: • un cilindru hidraulic cu acŃionare electrică, cum ar fi sistemul ACTS, dezvoltat de AP Borg&Beck; • un servomotor electric, cum este sistemul TEE 2000 dezvoltat de Valeo, ce poate realiza timpi de decuplare mai mici de 0,2 secunde, care se prezintă în figura 5.2 b; pentru reducerea puterii necesare activării servomotorului, acesta este prevăzut cu un resort comprimat împotriva diafragmei ambreiajului; • electrovalvă, ce deschide un circuit pneumatic sau hidraulic, cum ar fi sistemul Ecomatic, dezvoltat de VW.
Fig. 5.2 a) Ambreiajul SAC 1 - arc senzor; 2 - dispozitiv de reglare în 12 paşi; 3 - arc diafragmǎ. b) AcŃionarea electricǎ a ambreiajului 1 - electromotor; 2 - arc de repoziŃionare; 3 - disc de fricŃiune
82
Un sistem modern de acŃionare a ambreiajului a fost realizat de firma BMW şi este destinat echipării transmisiilor secvenŃiale de tip SGM II. Acesta constǎ dintr-un piston acŃionat hidraulic 1, care înglobează şi senzorul de poziŃie 2, care este un senzor inductiv de deplasare liniarǎ, după cum se ilustrează în figura 5.3. Dezavantajele ce decurg din utilizarea sistemelor cu fricŃiune uscată sunt: • la cuplarea de la mic la mare este necesar un timp de patinare, rezultând o energie disipată mare în elementele de cuplare, ceea ce duce la o fiabilitate scăzută; • la cuplarea de la mare la mic apar sarcini dinamice mari până la atingerea turaŃiilor de sincronism, ceea ce duce la un confort redus.
Fig. 5.3 Elementul de execuŃie al ambreiajului 1 - piston hidraulic; 2 - senzor de poziŃie Durata de viaŃă a unui sistem convenŃional de cuplare este de circa 180.000…200.000 km parcurşi.
5.3.1.2 Ambreiajul hidraulic Acest tip de ambreiaj, denumit şi hidroambreiaj, prezentat în figura 5.4 se poate utiliza atât în combinaŃie cu transmisii neautomate, cât şi cu cele automate sau semiautomate. Constructiv, se deosebesc trei tipuri de ambreiaje hidraulice: • cu tor interior; • cu prag circular; • cu elementele pompei şi turbinei asimetrice.
Fig. 5.4 Ambreiajul hidraulic şi caracteristica sa de funcŃionare 1 - turbinǎ; 2 - pompǎ; 3 - moment de târâre; 4 - turaŃia de mers în gol 83
• • • •
Avantajele oferite de acest tip de ambreiaj sunt: pornirea lină de pe loc a autovehiculului, datorită alunecării dintre pompă şi turbină; protejarea transmisiei de sarcini dinamice mari date de pornirea de pe loc, frânarea bruscă, oscilaŃiile de torsiune ale arborelui cotit; protejarea motorului la suprasarcini, mai ales în cazul autovehiculelor grele; reducerea efortului de conducere, dar şi simplificarea manevrelor de conducere.
5.3.1.3 Ambreiajul electric Acest sistem utilizează pulberi metalice sau lichide electroreologice, care sub influenŃa unui câmp magnetic trec în stare solidă (ER Fluid Development). Un ambreiaj cu pulberi metalice (Jaeger, Subaru) este prezentat în figura 5.5, împreunǎ cu principalele sale caracteristici de control.
Fig. 5.5 Ambreiajul electric cu pulberi metalice 1 - element condus; 2 - miez magnetic; 3 - bobinǎ de comandǎ; 4 - element conducător; 5 - întrefier cu pulberi; 6 - element condus Ambreiajul cu pulberi are o comportare dinamică similară celui hidraulic. FuncŃionarea sa se bazează pe apariŃia unor eforturi tangenŃiale în întrefierul umplut cu pulberi 5, sub acŃiunea câmpului magnetic, generat de bobina de comandă 3. Bobina de comandă 3 este activată direct de sistemul electronic de control al transmisiei, printr-un etaj de putere, iar prin magnetizarea pulberii se realizează transferul de cuplu de la motor la transmisie într-o manieră lină, fără şocuri. Datorită faptului că pulberea se magnetizează, în perioadele de timp în care se schimbă vitezele transmiŃându-se un cuplu rezidual la deconectare, pentru demagnetizarea pulberii se energizează bobina cu un curent invers.
5.3.2 Controlul transmisiei automatizate Prin utilizarea controlului electronic asupra transmisiilor în trepte, devine posibilă comutarea treptelor de viteză fără acŃionarea ambreiajului de către conducător. Această comutare se poate face pentru toate treptele în totalitate, sau pentru grupe de trepte (cazul transmisiei cu ambreiaj dublu).
84
Pentru ilustrarea funcŃionǎrii unui astfel de sistem, se prezintă în figura 5.6 schema bloc a transmisiei ACTS (Automatic Clutch and Throttle System), dezvoltat de firma AP Borg & Beck. Grila de selectare a treptelor de viteză este clasică, în “H”, însă sistemul utilizează controlul automat al ambreiajului şi al turaŃiei motorului, asigurând comutarea fără şocuri a treptelor de viteză. Levierul este prevăzut cu un comutator-senzor al presiunii mâinii conducătorului, determinându-se astfel intenŃia de schimbare a treptei de viteză. Odată schimbată treapta, senzorul de poziŃie 8 transmite un cod digital, semnificând selectarea reuşită a pinionului respectiv, iar modulul electronic decide o eventuală reangajare a ambreiajului, acŃionând asupra cilindrului de presiune 6.
Fig. 5.6 Transmisia semiautomată ACTS 1 - rezervor de ulei; 2 - pompǎ hidraulică, cu electrovalvǎ de control al presiunii; 3 - servomotorul clapetei de acceleraŃie, cu senzor de deplasare; 4 - senzor turaŃie motor; 5 - senzor turaŃie arbore primar al cutiei de viteze; 6 - cilindru de decuplare a ambreiajului, cu senzor de deplasare; 7 - releu de aprindere; 8 - senzor poziŃie treaptă de viteză; 9 - arbore selector de viteze; 10 - modul electronic de control; 11 - manetă schimbător de viteze; 12 - pedală electronică de acceleraŃie Modul de funcŃionare a sistemului este prezentat în continuare. Pornirea motorului nu se poate face decât cu levierul de comandă în poziŃia “NEUTRU”, în care se închide un comutator de inhibare, care transmite un semnal de validare către blocul electronic de calcul. După pornirea motorului, senzorul de poziŃie a tijei cilindrului de comandă a ambreiajului 6, transmite un semnal de poziŃie de repaus, pentru compensarea uzurii elementelor de fricŃiune către modulul electronic, astfel stabilindu-se turaŃia de mers în gol. La poziŃionarea levierului în prima treaptă de viteză, modulul acŃionează asupra ambreiajului, care va decupla motorul de transmisie, poziŃie în care va rămâne până la apăsarea pedalei de acceleraŃie, când va începe recuplarea lină, prin controlul patinării ambreiajului. În perioada de cuplare, modulul electronic modifică poziŃia clapetei de acceleraŃie cu ajutorul servomotorului 3, menŃinând turaŃia prescrisă de conducător prin poziŃia pedalei de acceleraŃie 12. Dacă se va selecta o treaptă nepotrivită, microprocesorul va atenŃiona sonor conducătorul, iar cuplarea ambreiajului va fi inhibată până la găsirea treptei potrivite.
85
5.4 Sistemul de management integral al grupului motopropulsor Conlucrând cu unitatea electronicǎ a motorului printr-o reŃea de transmisiune de date serialǎ, de tip CAN (Conected Area Network), transmisia automată selectează raportul de transmitere optim, Ńinând cont de turaŃia motorului, de rezistenŃele la înaintare şi de viteza vehiculului, fără intervenŃia conducătorului, singura acŃiune a acestuia fiind aceea de selectare a regimului dorit de funcŃionare a transmisiei. Pentru o cutie de viteze în trepte, aceste regimuri sunt notate P R N D, care se pot selecta în diferite moduri, dupǎ cum se aratǎ în figura 5.7, în care se exemplificǎ manevrele de comandǎ ale unui sistem Steptronic, incluzând şi varianta sportivǎ a acestuia.
Fig. 5.7 Comenzile de selectare 1 - levier de schimbare în regim manual; 2 - P (Park) – transmisia este în punctul neutru, dar arborele de ieşire este blocat de sistemul de siguranŃă; 3 - R (Reverse) – este selectată o singură treaptă de mers înapoi, iar motorul este în priză de putere; 4 - N (Neutral) – la fel cu poziŃia P, doar că arborele de ieşire nu este blocat; 5 - D (Drive) – poziŃia normală pentru mers înainte; 6, 8 - comutare treaptǎ în jos, respectiv în sus; 7 - selectare regim Economic, respectiv Sportiv, ambele în douǎ trepte O transmisie automatǎ, a cǎrei schemǎ bloc funcŃionalǎ este ilustratǎ în figura 5.8 este reprezentativǎ pentru noile modele, managementul electronic fiind bazat pe corelarea mulŃimii de date de intrare, culese de diferiŃi senzori, cu cele înscrise în memoria de lucru a calculatorului, de tip EEPROM, cu posibilitatea ajustării în timp a datelor iniŃiale cu alte cuvinte, managementul transmisiei este unul de tip adaptiv. Mărimile de intrare în sistemul automat sunt următoarele: • sensul de rotaŃie, detectat de un senzor incremental magnetic, la ieşirea din hidroconvertizor; • viteza de deplasare, detectată de un senzor magnetic de turaŃie, plasat pe arborele secundar al cutiei de viteze şi de sistemele adiŃionale ABS/ASR/ACC; • momentul dezvoltat de motor, sesizat indirect prin poziŃia clapetei de acceleraŃie, iar mersul în gol al motorului, de comutatorul acesteia; • semnalul de inhibare, detectează poziŃia manetei selectorului de regim de lucru într-o altǎ poziŃie decât P sau N; memorarea treptei de viteză, se face prin apăsarea unui comutator situat în maneta selectorului; • semnalizarea frânării, cu scopul eliberării hidroconvertizorului blocat în timpul frânării, pentru a se obŃine decelerări line;
86
• • • •
• • • •
•
controlul automat al vitezei, împreună cu semnalul de inhibare O/D previne alunecarea transmisiei în treapta a IV-a (supraturare), dacă viteza vehiculului este cu mai mult de 8 km/h sub viteza de croazieră selectată; temperatura aerului de admisie, semnal trimis de senzorul de temperatură din debitmetrul de aer al motorului, utilizat pentru a modifica presiunea de linie, în concordanŃă cu vâscozitatea uleiului din transmisie; turaŃia motorului, preluată de la sistemul de aprindere, sau cu ajutorul senzorilor inductivi; presiunea atmosferică, sistemul A5S440Z având implementat în memorie pragul de presiune atmosferică de 1500 m altitudine, peste care se schimbǎ treapta de viteză în sensul creşterii tracŃiunii. Mărimile de ieşire ale sistemului activează urmǎtoarele elemente de execuŃie: tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de schimbare I-II, respectiv III-IV; tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de selectare; tensiunea de activare ON/OFF a electrovalvei de blocare a hidroconvertizorului; tensiunea de activare a electrovalvei pentru controlul alunecării ambreiajului. Această electrovalvă lucrează în mod ciclic, fiind alimentată cu o tensiune pulsatorie cu o frecvenŃă de pânǎ la 30 Hz, continuu modificabilǎ pentru menŃinerea unei valori prestabilite a alunecării; tensiunea de activare a electrovalvei regulatoare a presiunii de linie, alimentată la 30 Hz, frecvenŃă modificabilǎ proporŃional cu unghiul de deschidere al clapetei de acceleraŃie.
Fig. 5.8 Sistemul automat A5S440Z 1 - duratǎ injecŃie; 2 - turaŃie motor; 3 - deplasare unghiularǎ a clapetei de acceleraŃie; 4 temperaturǎ motor; 5 - intervenŃie la motor, cu reducerea avansului la aprindere timp de cca 200 ms; 6 - treapta de vitezǎ; 7 - schimbare treaptǎ „în sus”; 8 - comutator de poziŃie KD; 9 comutarea programului de schimbare; 10 - turaŃie ieşire motor; 11 - temperatura aerului de admisie; 12 - turaŃie turbinǎ ambreiaj; 13 - semnal comutare electroventile; 14 - electroventile de acŃionare; 15 - turaŃie ieşire arbore secundar; 16 - temperatura uleiului din cutie
87
• • • • • • • • •
PosibilităŃile oferite de astfel de sisteme conduc la creşterea performanŃelor privind: confortul sporit în conducere; accesul ergonomic al manevrelor; înaltǎ siguranŃǎ în funcŃionare la schimbarea treptelor; economicitate ridicatǎ asiguratǎ de douǎ programe specifice de funcŃionare – Economic şi Extraeconomic; nivel scăzut al zgomotului; alegerea unui program adaptiv de funcŃionare în regim de iarnǎ, utilizând facilităŃile controlului automat al tracŃiunii; controlul automat al vitezei de croazierǎ, ACC (Automatic Cruise Control); sistem anticoliziune controlat prin radar; program adaptiv, cu recunoaşterea stilului de conducere oferit de programul – Sportiv şi Extrasportiv.
5.5 Sisteme asistate de control al frânării (ABS) Sistemele de frânare asistate denumite ABS (Anti Blockier System) au fost inventate din anii 1934 de către cunoscuta firmă Bosch. Ele au rolul de a ajuta conducătorul auto în efectuarea manevrelor de frânare în condiŃii de drum dificile, cum ar fi iarna, când deseori carosabilul este umed sau îngheŃat pe partea de lângă carosament, iar centrul drumului este uscat. În aceste condiŃii, la o frânare puternică, roŃile cu aderenŃă scăzută, adică cele care sunt în contact cu suprafaŃa alunecoasă, tind să se blocheze, ceeace duce la pierderea controlului direcŃiei de deplasare a autovehiculului. Sistemul ABS previne acest fenomen nedorit prin relaxarea presiunii de acŃionare a dispozitivelor de frânare, astfel încât să se permită mai ales rularea roŃilor conducătoare, păstrând controlul direcŃiei, acŃiune care se desfăşoară cu frecvenŃa de 16 Hz. Pentru realizarea acestui deziderat, computerul care controlează sistemul şi procesul de frânare monitorizează turaŃia fiecărei roŃi şi sesizează blocarea uneia, cu ajutorul unor senzori inductivi de rotaŃie, iar procesul este activ la viteze ale autovehiculului de peste 15 km / h.
Fig. 5.9 Amplasarea senzorului de rotaŃie al roŃii 88
Practic, se utilizeazǎ următoarele tipuri de traductoare de turaŃie: inductive, cu reluctanŃǎ magneticǎ variabilǎ; cu efect Hall. Optice. Ansamblul disc danturat-senzor, ilustrat în figura 5.10, furnizează 60 de impulsuri la o rotaŃie a roŃii (sau a arborelui motor), inclusiv un impuls de marcare a punctului mort superior al motorului generat de lipsa a unui dinte, care foloseşte ca impuls de strobare a proceselor de calcul. • • •
Fig. 5.10 În stânga – traductorul inductiv de turaŃie; 1 – magnet permanent, 2 – conector electric, 3 – suport metalic, 4 – piesă polară, 5 – bobinaj electric, 6 – disc danturat; În dreapta – ansamblul traductor de turaŃie; 1 – senzor, 2 – disc danturat, 3 – marcajul de strobare prin lipsa unui dinte. Efectul Hall este de naturǎ galvanometricǎ şi constǎ în modificarea liniilor de câmp ale densităŃii curentului de comandǎ Iv, care duce la modificări ale intensităŃii câmpului electric dintr-o placǎ semiconductoare plasatǎ transversal într-un câmp magnetic B, produs de un magnet permanent, ilustrarea fenomenului fizic fiind prezentatǎ în figura 5.11. Tensiunea Hall UH, este datǎ de relaŃia: UH=RHBiv/d
(5.1)
unde RH este constanta Hall, care este o caracteristicǎ de material.
Fig. 5.11 Senzorul de tip Hall; B – câmp magnetic, IH – curent Hall, IV – curentul de alimentare, UH – tensiunea Hall, d – grosimea semiconductorului.
89
DiferenŃierea între modurile de funcŃionare ale celor douǎ tipuri de senzori se poate analiza în figura 5.12, unde în a se prezintă vizualizarea semnalului generat de un senzor inductiv, cu marcarea PMS, cu precizarea cǎ la turaŃii joase amplitudinea semnalului, aproximativ sinusoidal, poate scădea până la 0.3 Vef, ceea ce face necesarǎ o prelucrare ulterioarǎ pentru a se obŃine un semnal procesabil de către unitatea electronicǎ, pe când senzorul Hall furnizează un semnal rectangular, cu fronturi clare b, care sunt mai puŃin supuse perturbaŃiilor exterioare, apte de a fi procesate. În ambele cazuri, frecvenŃa trenului de impulsuri este proporŃionalǎ cu turaŃia arborelui n şi cu numărul de dinŃi ai discului z, şi este datǎ de relaŃia: f = nz/60 [Hz]
(5.2)
Fig. 5.12 Semnalul generat de un senzor de turaŃie a) inductiv; b) de tip Hall. O metodă modernă de măsurare atât a turaŃiei, cât şi marcarea punctului mort superior al motorului este metoda optică, a cărei ilustrare a principiului ei de funcŃionare este dat în figura 5.13. Acest tip de traductor se numeşte de tip incremental, el permiŃând determinarea atât a turaŃiei, cât şi a sensului de rotaŃie.
Fig. 5.13 Senzor optic de turaŃie şi de marcaj de unghi mort
5.6 Sisteme asistate de control al tracŃiunii (ASR, TCS) Aceste sisteme (ASR – Anti Schlupf Regelung, TCS – Traction Control System) sunt complementare celor de frânare (ABS) şi au rolul de a asista conducătorul auto în aceleaşi situaŃii dificile de drum descrise mai sus, atunci când tracŃiunea vehiculului este îngreunată de lipsa de aderenŃă necesară propulsării prin accelerarea nedorită a uneia dintre roŃile motoare. 90
În acest caz se intervine prin frânarea acelei roŃi, concomitent cu reducerea mometului dezvoltat de către motor; intervenŃia la motor se face monitorizând atât turaŃia acestuia, cât şi procesele de ardere, motiv pentru care în figurile 5.10...5.13 se prezintă traductoarele de turaŃie utilizate atât la roŃi, cât şi la motor, cu observaŃia că motorului îi este necesar un marcaj de punct mort superior (PMS). Un sistem evoluat de control al tracŃiunii, care preia informaŃii de la roŃile tractoare şi le combină cu punctul de funcŃionare al motorului este prezentat în figura 5.14.
Fig. 5.14 Sistemul ASR 1 – pedala de acceleraŃie; 2 – senzor de turaŃie al roŃii; 3 – computer motor; 4 – pompa de presiune; 5 – computer ABS; 6 – alimentare combustibil; 7 – reŃeaua de comunicaŃii CAN
5.7 Sisteme de siguranŃă activă – Airbag Sistemul de protecŃie a ocupanŃilor unui autovehicul în caz de coliziune în trafic a fost inventat în anii 1951 şi consistă în gomflarea unor saci de protecŃie la sesizarea unui impact, în general frontal; în prezent, protecŃia pasagerilor este asigurată, bineînŃeles între anumite limite de forŃe de impact, în toate direcŃiile posibile de coliziune, astfel încât un automobil modern este dotat cu 10...16 airbag-uri. Regulamentele în vigoare impun ca sistemul să intre în funcŃiune la o deceleraŃie corespunzătoare unei coliziuni frontale cu un zid la 23 km / h. Declanşarea sistemului este comandată de o unitate electronică de control şi este validată de informaŃiile date de senzorul de acceleraŃii 3D, situat în centrul de greutate al autovehiculului şi de un senzor de coliziune gravitaŃional, situat cât se poate în faŃa vehiculului,
91
Fig. 5.15 Efectele postcoliziune pe un vehicul dotat cu airbag În figura 5.15 se prezintă airbag-urile după o coliziune; acestea au fost umflate în cca 2 ms de un agent pirogen, în general bazat pe nitrat de amoniu (NH4NO3) sau alŃi oxizi de azot.
Exemple Calculatorul care controlează sistemul de frânare acŃionează electrovalvele de control al presiunii de comandă cu o frecvenŃă de < 16 Hz. Controlul tracŃiunii se face la viteze de deplasare mai mari decât 5 km / h. InflaŃia airbag-ului se face într-un timp de 2 ms. •
NumiŃi elementele traductoare ale unui sistem de frânare asistat;
•
EstimaŃi viteza de reacŃie a sistemelor ABS – ASR ;
•
CăutaŃi şi definiŃi agenŃi pirogeni capabili de a declanşa un airbag în timpul prescris de normele internaŃionale.
Să ne reamintim Sistemele ABS – ASR (TCS) au la baza funcŃionării lor măsurarea turaŃiilor roŃilor, dar şi a motorului, precum şi a momentului dezvoltat de către acesta. Sistemul ABS intră în funcŃiune la viteze mai mari de 15 km / h; Sistemul ASR (TCS) intră în funcŃiune la viteze mai mari de 5 km / h; Airbag-ul se declanşează la o viteză echivalentă coliziunii cu un zid la 25 km / h.
92
Rezumat Sistemele ABS – ASR (TCS) au ca elemente traductoare senzori inductivi sau Hall care măsoară turaŃiile roŃilor sau ale motorului. Senzorii studiaŃi în unităŃile de învăŃare U2...U4 sunt utilizaŃi de către sistemele de management integrale pentru controlul atât a frânării cât şi a tracŃiunii unui autovehicul modern. Se controlează atât sistemul de frânare, prin intervenŃie la roŃi, cât şi momentul motor, prin intervenŃie la motor. Sistemele airbag sunt obligatorii pe plan internaŃional şi protejează pasagerii frontal, lateral, cât şi la coliziuni dorsale.
Test de evaluare a cunoştinŃelor • Cum se măsoară turaŃia unui obiect în mişcare de rotaŃie? • Care este viteza minimă de activare a sistemului ABS ? •
Care este viteza minimă de activare a sistemului ASR ?
•
Cât este timpul de declanşare al unui airbag ?
•
Ce agenŃi pirogeni pentru declanşarea airbag-ului cunoaşteŃi ?
93
TEST DE AUTOEVALUARE Unul sau mai multe răspunsuri corecte se bifează; fiecare dintre acestea valorează 0.5 puncte, deci valoarea maximă a testului este de 10 puncte. Nr.
Întrebare
Răspuns ApariŃia unei detonaŃii; Urcarea unei rampe; Un şoc în transmisie.
Rezistivă; Inductivă; Optică:
12
Sistemul ACC este de tip:
PID; Optimal; Adaptiv.
Dreaptă; Sinusoidă.
13
La apariŃia detonaŃiilor, sistemul intervine prin:
Micşorarea unghiului de avans; Mărirea acestuia.
11; 4; 5.
14
DetonaŃiile sunt decelate de un senzor de tip:
Seismic; Inductiv; Capacitiv.
2
Răspunsul indicial al unui sistem este la excitarea cu un semnal de tip:
Treaptă; Dirac; Sinusoidal.
3
Valoarea medie a unui semnal sinusoidal este:
4
Numărul zecimal corespunzător valorii binare 101 este:
5
Transformata Fourier a unei funcŃii continue este:
7
8
Răspuns
Senzorii de turaŃie sunt de natură:
Semnalul Heaviside poate reprezenta:
6
Întrebare
11
1
Un semnal rectangular cu f = 1kHz se reconstituie corect pentru frecvenŃe de eşantionare fe: Transformata Laplace face corespondenŃa între domeniile: Suprareglajul este caracteristic unui sistem:
Nr.
Continuă; Discontinuă.
15
Senzorul λ detectează:
fe >1 kHz; fe > 5 kHz; fe > 9 kHz.
16
Termoanemometrul măsoară:
TimpfrecvenŃă; Timp-spaŃiul imaginar.
17
PoziŃia clapetei de acceleraŃie se determină prin metode:
De ordinul I; De ordinul II.
18
VariaŃia rezistenŃei unui termistor este:
19
AcŃionarea by – passului aerului adiŃional se face cu:
20
În sistemele common rail, combustibilul este livrat la o presiune de până la:
9
Regimul tranzitoriu este caracteristic părŃii:
Naturale; ForŃate.
10
EcuaŃia caracteristică a unui sistem determină:
Zerouri; Poluri.
94
Aerul rămas nears; Oxigenul din aerul nears; Combustibilul rămas nears. Viteza aerului admis de motor; Debitul acestuia, Viteza de deplasare a autovehiculului. Rezistive; Optice; Altele. Liniară; ExponenŃială; Cubică. Motoare de CC; Motoare ps-cupas; Lamelă bimetalică. 300 bar; 900 bar; 2000 bar.
REZOLVARE TEST DE AUTOEVALUARE Răspunsuri corecte Nr.
1
2
3
4
Întrebare Semnalul Heaviside poate reprezenta: Răspunsul indicial al unui sistem este la excitarea cu un semnal de tip: Valoarea medie a unui semnal sinusoidal este: Numărul zecimal corespunzător valorii binare 101 este:
5
Transformata Fourier a unei funcŃii continue este:
6
Un semnal rectangular cu f = 1kHz se reconstituie corect pentru frecvenŃe de eşantionare fe:
7
Transformata Laplace face corespondenŃa între domeniile:
8
Suprareglajul este caracteristic unui sistem:
9
Regimul tranzitoriu este caracteristic părŃii:
10
EcuaŃia caracteristică a unui sistem determină:
Răspuns ApariŃia unei detonaŃii; Urcarea unei rampe;
Nr.
Întrebare
Răspuns Rezistivă;
11
Senzorii de turaŃie sunt de natură:
■ ■
■
Un şoc în transmisie.
■
■
Treaptă; Dirac; Sinusoidal.
12
Sistemul ACC este de tip:
O dreaptă; Sinusoidă.
13
La apariŃia detonaŃiilor, sistemul intervine prin:
14
DetonaŃiile sunt decelate de un senzor de tip:
11; 4;
■
5.
■
Inductivă; Optică:
PID; Optimal; Adaptiv.
■ Micşorarea unghiului de avans; Mărirea acestuia. ■
Seismic; Inductiv; Capacitiv. Aerul rămas nears;
Continuă;
■
Discontinuă.
fe >1 kHz; fe > 5 kHz;
■
15
16
Termoanemometrul măsoară:
17
PoziŃia clapetei de acceleraŃie se determină prin metode:
18
VariaŃia rezistenŃei unui termistor este:
19
AcŃionarea by – passului aerului adiŃional se face cu:
fe > 9 kHz. TimpfrecvenŃă;
■
Timp-spaŃiul
imaginar. De ordinul I;
■
De ordinul II.
Naturale;
■
ForŃate.
Zerouri;
■
Poluri.
Senzorul λ detectează:
20
95
În sistemele common rail, combustibilul este livrat la o presiune de până la:
■ Oxigenul din aerul nears; Combustibilul rămas nears. ■ Viteza aerului admis de motor; Debitul acestuia, Viteza de deplasare a autovehiculului. ■
Rezistive; Optice; Altele. Liniară;
■ ■ ■
ExponenŃială; Cubică. Motoare de CC; Motoare ps-cu-
pas;
■.....Lamelă bimetalică. 300 bar; 900 bar;
■
2000 bar.
Bibliografie. 1. Abǎitǎncei,D. Bobescu,G. Motoare pentru automobile. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1975. 2. Abǎitǎncei,D. Nagy,T. Sǎlǎjan,C. Încercarea motoarelor pentru automobile şi tractoare. Îndrumar pentru laborator. Reprografia I.P. Braşov, 1967. 3. Ardelean,I. ş.a. Circuite integrate CMOS. Manual de utilizare. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1986. 4. Avădanei,C. Avădanei,N. Borş,C. Ciurea,C. De la matematica elementară spre matematica superioară. Editura Academiei, 1987. 5. Bernhard,J.H. Knuppertz,B. IniŃiere în tiristoare. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1974. 6. Bobescu,Gh. ş.a. Motoare pentru automobile şi tractoare. Editura Tehnica-Info, Chişinǎu, 2000. 7. Cǎlin,S. Dumitrache,I. Regulatoare automate. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1985. 8. Câmpian,V. ş.a. Problemele electronizǎrii şi diagnosticǎrii la bord,rezultate din cerinŃe economice şi concurenŃiale. Contract de cercetare ştiinŃificǎ, 1993. 9. Cârstea,H. Georgescu,M. Circuite electronice în tehnologia hibridǎ. AplicaŃii. Editura Facla, Timişoara, 1987. 10. Cartianu,Gh., Sãvescu,M. Semnale,circuite şi sisteme. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1980. 11. Chowanietz,E. Automobile Electronics. Scotprint Ltd, Musselburgh, 1995. 12. Ciolan,Gh. Preda,I. Pereş,G. Cutii de viteze pentru automobile. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, R.A. Bucureşti 1998. 13. Cofaru,C. Ispas,N. Nǎstǎsoiu,M. Abǎitǎncei,H. Anca,R. Dogariu,M. Chiru,A. Eni,V. Proiectarea motoarelor pentru autovehicule. Reprografia UniversitǎŃii “Transilvania”, Braşov, 1987. 14. Cristea,D. Sisteme speciale ale automobilelor şi motoarelor. Editura UniversitǎŃii din Piteşti, 1999. 15. Crouse,W.H. Automotive transmissions and power trains. Editura Mcgraw-Hill, 1967. 16. Cullman,G. Coduri detectoare şi corectoare de erori. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1972. 17. Darabont,A. ş.a. Mǎsurarea zgomotului şi vibraŃiilor în tehnicǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1983. 18. Dascǎlu,D. Turic,L. Hoffman,I. Circuite electronice. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1982. 19. Dembowski,K. PC-gesteuerte Messtechnik. Markt & Technik Buch und Software Verlag GmbH, München, 1995. 20. Denis-Papin,M. Malgrange,Y. ExerciŃii de calcul boolean cu soluŃiile lor. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1970. 21. Deppert,W. Stoll,K. IniŃiere în pneumoautomaticǎ. Elemente şi sisteme de comandǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1978.
96
22. Dogariu, M. Optimizarea managementului grupului motopropulsor. Teza de doctorat,Universitatea “Transilvania”, Braşov, 2004. 23. Dumitrache,I.G., Analiza sistemelor automate prin metoda spaŃiului stǎrilor. Note de curs. Reprografia I.P.B. 1971. 24. Dumitrescu,D. Costin,H. ReŃele neuronale. Teorie şi aplicaŃii. Editura Teora, Bucureşti, 1996. 25. Förster,H.J. Automatische Fahrzeuggetribe. Springer Verlag, Berlin, 1990. 26. Fränkel,D. De Sabata,I. Traductorul Hall. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1968. 27. Fransua,A. ş.a. Maşini electrice uzuale.Exploatare şi regimuri de funcŃionare. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1973. 28. Fuchs,H. Kunze,W. Hydraulik Pneumatik. Bauelemente, Baugruppen, Mashinen. Veb Verlag Technik, Berlin, 1984. 29. Ghircoiaş,N. Miron,C. Grafuri de fluenŃǎ şi aplicaŃii în tehnicǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1974. 30. Gieck,K. Technische Formelsammlung. Gieck Verlag, Heilbronn, 1984. 31. Goroianu,V.M. Transmisii continue hidromecanice. Academia Militară, Bucureşti, 1972. 32. Grave,H.F. Mǎsurarea electricǎ a mǎrimilor neelectrice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1966. 33. Jaeger, Newstead. Introducere în teoria transformatei Laplace cu aplicaŃii în tehnicǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1971. 34. Kandel,A. Fuzzy mathematical techniques with applications. Addison-Wesley Publishing Company, Ontario, 1986. 35. Kelemen,A. ş.a. Mutatoare. AplicaŃii. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1980. 36. Krîlov,A.N. LecŃii de calcule prin aproximaŃii. Editura Tehnică, Bucureşti, 1957. 37. Krutov,W. Automatic control of internal combustion engines. Mir Publishers, 1987. 38. Macarie,T. Cristea,D. Marinescu,D., Filip,N. Transmisii continue şi acŃionǎri pentru autovehicule. Universitatea din Piteşti, 1995. 39. Mǎrdǎrescu,R. Motoare de automobile şi tractoare. Litografia ÎnvǎŃǎmântului, Braşov, 1959. 40. Mǎrdǎrescu,R. Hoffmann,V. Abǎitǎncei,D. Motoare pentru automobile şi tractoare. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1968. 41. Marghescu,I. Bǎdescu,G. Transmiterea discretǎ a semnalelor. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1978. 42. Marin,V. Marin,A. Sisteme hidraulice automate. ConstrucŃie, reglare, exploatare. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1987. 43. Marinescu,N. ş.a. Circuite integrate liniare. Manual de utilizare. vol. 3, Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1984. 44. Millea,A. Cartea metrologului.Metrologie generalǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1985. 45. Mincu,I. Traductoare. Editura Militarǎ, 1970.
97
46. Mitske,M. Dynamik der Kraftfahrzeuge. Antrieb und Bremsung. Springer Verlag, New York, 1982. 47. Moisil,G. Fizica pentru ingineri. vol 1 şi 2, Editura Tehnică, Bucureşti, 1967. 48. Mueller,S. PC-Depanare şi modernizare. Editura Teora, Bucureşti, 1995. 49. Naslin,P. Circuite logice şi automatizǎri industriale. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1967. 50. Nǎstǎsoiu,M. Pǎdureanu,V. Tractoare. Transmisii ale tractoarelor. Editura UniversitǎŃii „Transilvania”, 1999. 51. NegoiŃǎ,C. Ivan,M. Aparate electronice pentru mǎsurarea mǎrimilor geometrice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1970. 52. Negruş,E. Soare,I. Tǎnase,F. Bejan,N. Încercarea autovehiculelor. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1983. 53. Nicolau,Ed. Popovici,Al. Introducere în cibernetica sistemelor continue. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1972. 54. Nicolau,Ed. ş.a. Manualul inginerului electronist.Mǎsurǎri electronice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1979. 55. Nicolau,Th. ş.a. Mǎsurǎri electronice în industrie. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1964. 56. Oprean,I.M. Transmisii automate pentru automobile. Editura Printech, Bucureşti, 1999. 57. Papadache,I. Automatizǎri industriale.IniŃiere,aplicaŃii. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1978. 58. Pereş,Gh. Untaru,M. Filip,N. Todor,I. Ispas,N. Transmisii speciale şi acŃionǎri pentru tractoare. Universitatea din Braşov, 1989. 59. Petersmann,J. Junkers,J. The Porsche TIPTRONIC. 91036 EAEC, Strasbourg, 1991. 60. Ponner,I. Electronicǎ industrialǎ. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1972. 61. Preda,M. Cristea,P. Analiza şi sinteza circuitelor electrice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1968. 62. Radu,Gh.A. Ispas,N. Calculul şi construcŃia instalaŃiilor auxiliare ale autovehiculelor. Reprografia UniversitǎŃii “Transilvania”, Braşov, 1988. 63. Râpeanu,R. ş.a. Circuite integrate analogice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1983. 64. Rudner,A. Probleme de matematici speciale. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1970. 65. Sǎvescu,M. Popescu,M. Circuite electronice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1974. 66. Schiessle,Ed. Sensortechnick u. Messwertaufnahme. Vogel Wurzburg, 1992. 67. Seitz,N. ş.a. Echipament electric şi electronic pentru autovehicule. Reprografia UniversitǎŃii “Transilvania”, Braşov, 1987. 68. Seitz,N....Dogariu,M. Optimizarea managementului grupului motopropulsor. Contract de cercetare nr.3993/1999, Universitatea “Transilvania” din Braşov. 69. Sinnreich,H., Vasilescu,A. Transmisiuni cu modulaŃia impulsurilor în cod. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1974. 70. Spǎtaru,Al. ş.a. Teoria transmisiei informaŃiei. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1972.
98
71. Stǎnǎşilǎ,O. NoŃiuni şi tehnici de matematicǎ discretǎ. Editura ŞtiinŃificǎ şi Enciclopedicǎ, Bucureşti, 1985. 72. Stǎnciulescu,F. Analiza şi simularea sistemelor neliniare. Editura Academiei, Bucureşti, 1974. 73. Stuart,R.D. Introducere în analiza Fourier cu aplicaŃii în tehnicǎ. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1971. 74. Stupel,F.A. Traductoare şi convertoare electromecanice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1967. 75. Şabac,I.Gh. Matematici speciale. vol.1şi 2 , Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1964. 76. Tabacu,I. ConsideraŃii asupra condiŃiilor de determinare a rapoartelor transmisiilor mecanice în trepte utilizate la autoturisme. R.I.A. nr.1/1990. 77. Tǎnase,G. ş.a. Circuite integrate liniare. Manual de utilizare. vol. 4, Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1985. 78. Taraza,D. Dinamica motoarelor cu ardere internǎ. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1985. 79. Târcolea,C. ş.a. Tehnici actuale în teoria fiabilitǎŃii. Editura ŞtiinŃificǎ şi Enciclopedicǎ, Bucureşti, 1989. 80. Tecuşan,N. NiŃescu.G. Tractoare şi automobile. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1977. 81. Terano,T. ş.a. Fuzzy systems theory and its applications. Academic Press Ltd. San Diego, 1992. 82. Toacşe,G. Introducere în microprocesoare. Editura ŞtiinŃificǎ şi Enciclopedicǎ, Bucureşti, 1986. 83. Truitt,T.D. Rogers,A.E. IniŃiere în calculatoare analogice. Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1968. 84. Tunsoiu,G. Seracin,E. Saal,C. AcŃionǎri electrice. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1982. 85. Untaru,M. Câmpian,V. Ionescu,E. Pereş,Gh. Ciolan,Gh. Todor,I. Filip,N. Câmpian,O. Dinamica autovehiculelor. Universitatea din Braşov, 1988. 86. Untaru,M. Câmpian,V. Ionescu,E. Seitz,N. Soare,I. Automobile. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1975. 87. Untaru,M. PoŃincu,Gh. Seitz,N. Pereş.Gh. Tabacu,I. Macarie,T. Dinamica autovehiculelor pe roŃi. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1981. 88. Untaru,M. Seitz,N. ş.a. Calculul şi construcŃia automobilelor. Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti, 1982. 89. v. Altrock,C. Fuzzy logic. R. Oldenbourg Verlag Mőnchen 1995. 90. *** Accélérometres piezoélectriques et preamplificateurs de vibrations. Théorie et applications. Brüel & Kjaer, 1979. 91. *** Auto Katalog 96/97. Vereinigte Motor, Stuttgart, 1997. 92. *** Autodata. N.Y., SUA., 1992.
99
93. *** Automotive engineer. 1994…2002. 94. *** Automotive handbook. Robert Bosch Gmbh, Stuttgart, 1996. 95. *** Catalog 1992. AplicaŃii. Brüel & Kjaer, 1992. 96. *** Engineer`s mini-notebook. 555 timer IC circuits. Tandy Corporation, Forest M. Mims III, 1984. 97. *** Global automotive network. 1994...2002 98. *** Manualul inginerului. Hőtte, Editura Tehnicǎ, Bucureşti, 1995. 99. *** Microcomputer Hardware Handbook. Hotacker, 1990. 100.*** Piezoelectronic accelerometers with internal electronics. BBN Instruments. 1996. 101.*** Product Catalog. Motorola, Inc. 2001. 102.*** SAE Journal. N.Y., SUA., 1996. 103.*** Scientific and Engineering Instruments. Stanford Research Systems, 1999. 104.*** Sensing Solution from Motorola. Motorola, Inc., Denver, USA, 2000. 105. *** Smart Sensing Catalog PCB., N.Y., SUA., 1989.
100
