Введение к работе
В настоящее время ведущими автомобильными державами: США, Японией, Германией и другими европейскими странами, в том числе и Россией, продолжается неуклонное совершенствование автомобильной техники с целью достижения новых потребительских качеств: улучшение управляемости, эргономичности, увеличение топливной экономичности, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, повышение безопасности, комфортабельности, уровня шума, вибраций, и др., которые в совокупности определяют конкурентоспособность автомобиля на рынке.
Технические требования к современным транспортным дизелям сведены в программу, разработанную по заданию Министра промышленности, науки и технологий Российской Федерации «Развитие отечественного автомобильного дизелестроения на период до 2010 года», основные положения которой вошли в «Концепцию развития автомобильной промышленности России».
Дальнейшее совершенствование автомобиля предполагает, в первую очередь, совершенствование двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в особенности дизельного двигателя, применяется практически на всех видах транспортных средств. В сравнении с бензиновыми и газовыми ДВС дизельный двигатель является более экономичным, максимальный эффективный КПД современных бензиновых двигателей составляет 32-34 % (а в условиях эксплуатации примерно 23 %), а дизельных двигателей до 45 %. В условиях эксплуатации их топливная экономичность выше на 20-25 % по сравнению с бензиновыми ДВС.
Для дизельного двигателя характерна работа при изменении в широком диапазоне нагрузочного, скоростного и теплового режимов работы. Уменьшению вредных выбросов, путевого расхода топлива, шума и вибрации способствует такое управление дизельным двигателем, которое обеспечивает наиболее качественные переходные процессы на всех нагрузочно-скоростных режимах.
Таким образом, при разработке современных систем автоматического управления (САУ) дизельных двигателей можно выделить две основные задачи. Во-первых, управление работой дизельного двигателя на требуемых нагрузочно-скоростных режимах с наибольшей эффективностью. Во-вторых, – это обеспечение жестких требований по выбросам в атмосферу вредных веществ с отработавшими газами при высоких энергетических и экономических показателях, что так же невозможно без применения САУ с современной базой алгоритмов управления. Требуемые алгоритмы управления могут быть реализованы только с помощью электронных систем управления (ЭСУ).
Упомянутые выше задачи решаются совершенствованием существующих или созданием новых алгоритмов управления, формирования нагрузочно-скоростных характеристик, позволяющих реализовать оптимальные режимы движения автотранспортного средства (АТС) в различных дорожных условиях.
Обе задачи могут быть успешно решены только при условиях, позволяющих измерять и регулировать необходимые переменные параметры. Основное содержание процесса управления в ЭСУ заключается в пошаговом формировании управляющих воздействий в соответствии с заранее разработанными алгоритмами. Общие алгоритмы работы ЭСУ можно представить в виде совокупности локальных алгоритмов, являющихся основой для построения дискретной САУ и разработки ее прикладного программного обеспечения (ПО).
Объектом исследования является транспортный дизель, структуры и алгоритмы работы его САУ.
Совершенствование САУ позволяет значительно улучшать и оптимизировать характеристики дизельного двигателя и позволяет применить адаптивное управление им. Таким образом, предметом исследования является синтез адаптивной САУ дизельным двигателем и алгоритмы управления частотой вращения. Оптимизация управления дизельным двигателем затруднена как вследствие отсутствия практической возможности подробного математического описания процессов, протекающих в двигателе при различных условиях и режимах работы, так и вследствие многомерности, многопараметричности, нелинейности, неопределенности характеристик двигателя и импульсного характера работы двигателя. Заранее предвидимы и отклонения внешних условий работы двигателя. Достижение в этих условиях результатов, близких к оптимальным, представляется возможным с помощью адаптивных методов управления.
Целью работы является повышение точности и быстродействия регулирования частоты вращения путем совершенствования САУ дизельного двигателя, и обеспечение автоматического контроля заданного качества ЭСУ и топливной аппаратуры.
Цель работы определила круг задач:
реализовать алгоритм управления частотой вращения дизельного двигателя и положением исполнительного механизма, позволяющий обеспечить высокое быстродействие системы управления при требуемом качестве переходного процесса по частоте вращения дизельного двигателя и положению исполнительного механизма;
разработать методику автоматической оценки показателей качества переходного процесса дизельного двигателя с дальнейшим автоматическим изменением настроек регуляторов;
разработать математическое описание дизельного двигателя как объекта управления на основе аналитических зависимостей, проверенных экспериментально, в виде, удобном для синтезирования, исследовать САУ с различными регуляторами, провести синтез САУ из выведенных передаточных функций отдельных элементов;
разработать структуру fuzzy-регулятора, учитывающую особенности дискретной реализации, исследовать его пригодность для построения САУ и формирования необходимых характеристик дизельного двигателя;
разработать структуру и основное программное обеспечение для реализации адаптивных алгоритмов в САУ дизельным двигателем;
автоматизировать оценку качества изготовления и сборки топливной аппаратуры по динамическим критериям с разработкой программно-аппаратного комплекса для оценки качества топливной аппаратуры.
Методы исследования базируются на использовании системного анализа, теории автоматического управления, цифрового математического моделирования нелинейных систем, принципов искусственного интеллекта, таких как fuzzy-логика и генетические алгоритмы. Примененная здесь математическая модель дизельного двигателя с системой управления разработана на основе аналитических зависимостей, на базе материальных балансов, и уточнена экспериментально в отделе ЭСУ ИКЦ ОАО "ЯЗДА". Проведен анализ и синтез САУ дизельным двигателем, как с классическим ПИД-регулятором, так и с модифицированным, а также регулятором на fuzzy-логике. Достоверность основных результатов работы подтверждена применением данных разработок на реальных объектах исследования и совпадением результатов экспериментальных исследований опытных образцов с результатами аналитических исследований.
Научная новизна заключается в разработке адаптивного управления дизельным двигателем, реализуемого при помощи электронной системы управления на основе микроконтроллера, в том числе с использованием fuzzy-логики и генетических алгоритмов, и оптимизирующего работу дизельного двигателя в зависимости от режима его эксплуатации.
ЭСУ-1 первая отечественная система управления дизельным двигателем. Регулятор частоты вращения, реализованный в ней – это пропорционально-интегрально-дифференциальный ( ПИД-регулятор), обычные статические (регуляторные) характеристики, такие как всережимные, двух-, трех- режимные, применяемые в механических РЧВ, не дают заметных преимуществ при переходе на электронное управление, тогда как за счет адаптивного управления можно улучшить качество динамики дизельного двигателя, повысить управляемость, топливную экономичность, поэтому тема автоматизированной оценки адаптивной САУ транспортным дизелем и повышения ее точности и быстродействия является актуальной.
Впервые применена методика оценки качества изготовления и сборки топливной аппаратуры по динамическим критериям и внедрен программно-аппаратный комплекс для оценки качества топливной аппаратуры.
Теоретическую ценность работы, кроме того, составляет: математическая модель дизельного двигателя, системы уравнений и структурные схемы, опре-деляющие алгоритмы работы РЧВ в удобной для программирования форме; разработанные алгоритмы на базе fuzzy-логики и генетических алгоритмов.
Реализация результатов работы. Предложенные алгоритмы и математическая модель использованы при разработке программного обеспечения опытных образцов САУ дизельными двигателями и настройке и оценке качества топливной аппаратуры при ее изготовлении и эксплуатации.
Практическое значение работы: данная разработка была опробована в разработанной под руководством д.т.н., проф. Хрящёва Ю.Е. электронной системе управления ЭСУ-1, которая предназначена для автоматического поддержания требуемого нагрузочно-скоростного режима, обеспечения пусковой подачи топлива, устойчивой работы двигателя на холостом ходу, предохранения его от чрезмерного увеличения частоты вращения (разноса) и произвольного останова, формирования внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя и получения требуемых показателей по токсичности отработанных газов.
На защиту выносятся:
автоматическая оценка показателей качества переходного процесса дизельного двигателя с дальнейшим автоматическим изменением настроек регуляторов;
алгоритмы fuzzy-управления дизельным двигателем, учитывающие особенности дискретной реализации и позволяющие повысить точность и быстродействие САУ;
автоматизированная оценка качества изготовления и сборки топливной аппаратуры по динамическим критериям с разработкой программно-аппаратного комплекса для оценки качества топливной аппаратуры.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. В.И. Крутова, МГТУ им.Н.Э. Баумана 2006, 2007, 2009, 2011г.г.; Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях"— ММТТ 2006, 2007, 2010г.г.; Международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути развития» в 2008 г.; на научных конференциях молодых ученых, аспирантов, магистрантов и студентов ЯГТУ в 2006, 2007, 2008, 2009 г.г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, три из них рекомендованы ВАК.
