Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор состояния
1.1. Программируемые бортовые контроллеры 16
1.2. Программно-технические испытательные стенды 34
ГЛАВА 2 Автоматизированная система управления эксплуатацией автомобиля
2.1. Описание системы управления эксплуатацией автомобиля 39
2.2. Анализ условий и постановка задачи 49
2.3. Модели для системы поддержки принятия решений по режиму
ГЛАВА 3 Система идентификации и оперативного прогнозирования технического состояния автомобиля в ходе выполнения рейса ..
3.1. Структура алгоритмического обеспечения 64
3.2. Подсистема управления данными 65
3.2.1. Протокол технического состояния автомобиля 65
3.2.2. Контрольная база технологических данных 66
3.2.3. Формирование данных для идентификации и прогнозирования 71
3.3. Подсистема идентификации 73
3.3.1 Функции подсистемы идентификации 73
3.3.2. Логический контроль допустимости параметров 74
3.3.3. Нейтрализация последствий сбоев измерений параметров 75
3.3.4. Алгоритмы идентификации непрерывных контролируемых процессов 79
3.4. Подсистема формирования прогноза 80
3.4.1. Вычисление прогнозируемых значений параметров 81
3.4.2. Комплексный анализ прогноза состояния автомобиля . 84
3.5. Подсистема синтеза рекомендаций водителю 85
3.6. Подсистема мнемонического интерфейса водителя 88
3.7.Стандартное системное программное обеспечение с интерпретатором Java 89
3.8. Подсистема Диспетчера системы автоматизации 90
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка алгоритмов системы идентификации и прогнозирования технического состояния двигателя на испытательном стенде 91
4.1. Описание объекта управления 91
4.2. Алгоритм работы автоматизированной системы идентификации и прогнозирования технического состояния ДВС и испытательного стенда 93
4.3. Проверка алгоритма по данным с испытательного стенда ДВС 97
Выводы к главе 4 102
Заключение . 104
Литература
- Программно-технические испытательные стенды
- Анализ условий и постановка задачи
- Протокол технического состояния автомобиля
- Алгоритм работы автоматизированной системы идентификации и прогнозирования технического состояния ДВС и испытательного стенда
Программно-технические испытательные стенды
Как следует из доступных публикаций, по тематике работы, в настоящее время широко применяются автоматизированные системы диагностики неисправностей автомобиля в условиях специализированных испытательных лабораторий или ремонтной зоны автопарка, автосервиса [1,15,20,38–47] с применением компьютеризированных стендов, а также мобильные (бортовые) микропроцессорные маршрутные диагностические компьютеры [9–13,19,25,36–38,48–54]. Для проведения диагностических мероприятий в стационарных условиях, часто, достаточно субъективного мнения водителя о наличии неполадки.
Бортовыми маршрутными компьютерами выполняется упрощенный контроль функционирования – диагностика основных узлов автомобиля в процессе совершения рейса, т.е. в условиях одновременного функционирования всех контролируемых узлов [9–13, 55–58].
В стационарных условиях определение технического состояния – последовательная диагностика механизмов (агрегатов) автомобиля: двигателей, тормозных узлов, узлов сцепления и пр. методами измерения и последующего анализа их динамических характеристик – проводится вместе с техническим обслуживанием автомобиля и по критерию выполненного пробега [1,3,14,15,29,56–58].
В условиях динамических испытаний автомобиля на специализированной трассе с применением специального мобильного оборудования диагностика и определение динамических характеристик отдельных узлов и механизмов автомобилей проводится преимущественно для новых моделей или отдельных экземпляров для применения в особых условиях [19].
Таким образом, основные различия методов диагностики, применяемых на стационарном стенде или с использованием мобильной диагностической системы, заключаются в том, что:
Известные современные мобильные диагностические микропроцессорные системы, предлагаемые на рынке автооборудования [19], ориентированы на применение специалистами автосервисов и автопарков. Но водителем во время выполнения рейса эти системы использоваться практически не могут, так как предоставляют исчерпывающую информацию о состоянии узлов автомобиля только в ходе специально выполняемого диагностического процесса. Результаты диагностики автомобиля получаются статистической обработкой информации о состоянии его узлов, которая собирается в период испытания [15, 17, 38, 48, 55, 59]. Этим практически исключается возможность выработки оценки (прогноза) поведения технического состояния автомобиля в процессе реального совершения рейса.
Прогностические системы для выявления критических изменений режимов функционирования и возможных отказов отдельных узлов автомобиля, происходящих по причине износа деталей, применяются редко, как правило, изготовителем автомобилей только для новых моделей, и основаны на статистической обработке результатов испытательных пробегов нескольких экземпляров автомобилей на специализированной трассе в условиях, приближенных к рекомендуемым для эксплуатации. Единственным поводом к изменению прогноза, выполненного таким способом, является конструкторская переработка какого-либо узла, выполняемая изготовителем вынужденно вследствие значительного количества рекламаций потребителей. Прогностические функции мобильных компьютеров ограничены вычислениями величины пробега на остатке топлива в баке, предупреждением об опасном стиле вождения и т.п., что лишь косвенно способствует сохранению автомобилем его функционального назначения.
В настоящее время компьютеры, устанавливаемые на автомобили, можно объединить в три основных класса. Первый класс представляют собственно бортовые управляющие компьютеры, основным назначением которых является автоматическое управление узлами двигателя, трансмиссией, электрооборудованием и тормозной системой по информации, считываемой с датчиков, размещенных в соответствующих узлах. Визуализация режимов работы управляемых или контролируемых узлов ограничена обобщающей индикацией типа «исправен – неисправен».
Второй класс составляют бортовые маршрутные компьютеры (см. рис. 1), назначением которых является предоставление водителю информации о текущих значениях основных эксплуатационных параметров автомобиля, о некоторых текущих климатических параметрах, а также, как упоминалось, ориентировочный прогноз некоторых величин, относящихся к движению автомобиля. По сравнению с бортовыми управляющими компьютерами, в бортовых маршрутных компьютерах применены более прогрессивные элементная база и схемотехника, что и позволяет получить значительное расширение их функций. От мобильных специализированных диагностических компьютеров маршрутные компьютеры отличаются относительно невысокими вычислительными возможностями и, как следствие, неспособностью к выполнению достаточно полных диагностических процедур в требуемом темпе поступления информации от датчиков.
Анализ условий и постановка задачи
Современные компьютеризированные – автоматизированные стенды, например, для испытания и обкатки двигателей (рис. 6) позволяют с высокой точностью экспериментально определить техническое состояние, проверить преимущества или выявить недостатки новых конструкторских решений, но и обнаружить скрытые технологические дефекты деталей до начала эксплуатации двигателя. В процессе стендовых стандартных испытаний узел или механизм нагружается более, чем это может произойти при обычной эксплуатации автомобиля. Однако испытательные нагрузки, все же, ограничиваются в связи с риском неконтролируемого разрушения испытательного оборудования и (или) испытуемого образца.
Компьютеризированный стенд ОТС-5 для испытаний и обкатки дизелей [45] В состав стенда входят: рама стенда, на которой устанавливается испытуемый двигатель (ДВС) соединенный карданным валом с асинхронным электродвигателем и другие необходимые системы и устройства, приводной асинхронный электродвигатель для запуска, создания нагрузочного момента на валу и торможения дизельного двигателя, преобразователь частоты для управления электродвигателем, датчик частоты вращения, интерфейсные электронные схемы для связи преобразователя частоты с датчиком вращения и компьютером, рекуператор для передачи энергии торможения в промышленную сеть, промышленный компьютер для регистрации сигналов датчиков, управления преобразователем частоты и асинхронным двигателем и выполнения алгоритма (методики) обкатки, датчики, кабели, блоки питания датчиков и электронных плат, программно-методическое обеспечение, вспомогательные системы: питания ДВС воздухом, удаления отработавших газов, топливная система питания ДВС, питания и регулирования температуры масла, питания и регулирования температуры охлаждающей жидкости. Структурная схема стенда показана на рис. 7.
Перечень измеряемых параметров: давление охлаждающей жидкости, давление масла перед турбокомпрессором, давление топлива перед топливным насосом высокого давления, давление масла в главной магистрали, атмосферное давление, давление отработавшего газа, давление газов в картере, давление надувочного воздуха, температура охлаждающей жидкости на входе в дизель, температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля; температура масла на входе в дизель, температура топлива, температура окружающего воздуха на входе в дизель, температура отработавшего газа перед турбокомпрессором, крутящий момент на валу, частота вращения, мощность, расход топлива, расход масла. Допускается расширение стенда вспомогательными системами. В качестве дополнительной опции стенд может быть оборудован исполнительным механизмом для управления подачей топлива и датчиком крутящего момента. Рис. 7. Структурная схема стенда для испытания и обкатки дизелей [45]
Сравнение перечня параметров, контролируемых бортовым компьютером и относящихся к состоянию двигателя, и перечня параметров, измеряемых на стенде, показывает их подобие. То же относится и к другим специализированным стендам. Таким образом, система контроля технического состояния автомобиля в целом включает в свой состав все отдельные контрольно-испытательные системы. На этом основании, замечания, касающиеся пользы применения систем поддержки принятия решения, полностью справедливы и для автоматизированных испытательных стендов. Выводы по главе 1
Так как функционирование отдельных узлов и автомобиля в целом в штатном режиме эксплуатации (в течение рейса) полностью аналогично их функционированию в течение стендовых испытаний, то автоматизированная система идентификации и прогнозирования агрегатов и узлов автомобиля для режима эксплуатации автомобиля аналогична автоматизированной системе идентификации состояния для режима стендовых испытаний отдельных узлов автомобиля. Применение таких систем в бортовой системе управления автомобилем снизит риск неконтролируемого выхода из строя используемого оборудования и (или) его компонент. 2. В настоящее время на автотранспорте распространены и используются программируемые диагностические автоматы в виде бортовых маршрутных и маршрутных диагностических компьютеров, в функции которых входит выполнение упрощенных диагностических процедур. Эти процедуры ориентированы на выявление уже имеющихся неисправностей автомобиля, определяемых на основании диагностирования нештатных режимов работы его контролируемых узлов, причем, в результате выполнения данных процедур зачастую автоматически выполняется «псевдонормализация» работы соответствующего узла.
Однако нештатные режимы работы узлов (в том числе, при стендовых испытаниях) не обязательно связаны с их неисправностью, а могут быть следствием неудачного выбора водителем (испытателем) текущего режима эксплуатации автомобиля (испытываемого узла, агрегата). В таких случаях предметом компьютерного анализа должен являться режим работы – процесс, идущий в конкретном узле в комплексе с режимами иных узлов, а в результате выявления нарушений процесса должен «исправляться» процесс, но не узел или данные о его работе.
Маршрутные компьютеры и (или) испытательные стенды, как программно-технические системы, должны быть снабжены интеллектуальной компонентой, обеспечивающей аналитическую и прогностическую обработку информации о процессе функционирования автомобиля (испытываемого агрегата) в целом и отдельных его узлов. Такие компьютеры должны быть ориентированы на обеспечение поддержки принятия решения водителем (испытателем) об оптимизации процесса управления и предотвращения состояний неисправности. Компьютеры этого класса, как программно-технические комплексы, в настоящее время серийно не производятся, а их возможности не исследованы.
Протокол технического состояния автомобиля
Так как реальное значение сбойного параметра не известно, но необходимо, например, для выполнения идентификации с применением дискретного оконного преобразования Фурье над «актуальным» трендом, то возникает проблема наиболее корректной замены реального значения «суррогатным», которое может быть получено от виртуального датчика [28]. Вместе с этим, обнаруженный сбой может оказаться единичным, после которого нормальное поступление информации восстановится. В этом случае формирование диагностического сообщения водителю полагается неоправданным, так как такое сообщение является заведомо ложным. Поэтому под сбоем понимается стабильная невозможность получения реального значения параметра в двух (и более) последовательных циклах измерений всего блока (такой устойчивый сбой здесь не определяется как отказ, так как случаи восстановления поступления реальных данных распознаются, и признак сбоя снимается – см. ниже).
Для распознавания сбоя параметра в двух последовательных циклах работы достаточно сохранять предыдущее слово флагов и сравнивать в каждом цикле совпадение вновь сформированных флагов с предыдущими. Сбой определяется при совпадении флагов. При этом новое слово флагов после обработки записывается в качестве предыдущего, что вызовет сброс установленного ранее флага сбоя, если в текущем цикле поступление реальных значений восстановилось, и сохранение флага для обнаружения устойчивого сбоя, если таковой выявлен при следующем логическом контроле значений параметров. В качестве первого типа (быстрого) виртуального датчика «сбойного» параметра удобно использовать калибровочную таблицу. Для выбора требуемого значения необходимо определить, к какому значению данного интервала скоростей ближе текущая скорость и частота вращения коленчатого вала автомобиля: к верхнему, среднему или нижнему. В соответствии с этим, из калибровочной таблицы выбирается верхнее, среднее или нижнее «стандартное» значение данного параметра и записывается в последний блок «актуального» тренда.
Данный тип виртуальных датчиков практически мало отличается от применяемых в известных бортовых маршрутных диагностических компьютерах. К недостаткам таких датчиков относится весьма слабое отражение текущей реальности, что, как упоминалось, может иметь нежелательные последствия в связи с интенсификацией развития аварийного процесса в узле, состояние которого отражается данным параметром. Вместе с этим, так как такие случаи регистрируются и обрабатываются подсистемой синтеза рекомендации, то водитель информируется об этом, и может принять решение об ином способе контроля технического состояния соответствующего узла автомобиля.
Достоинством данного типа виртуальных датчиков является их независимость от дисконтирования трендов параметров во времени.
Второй тип виртуальных датчиков «сбойных» параметров может быть использован, если контроллер автоматизированной системы обладает достаточной производительностью, позволяющей выполнить добавочные вычисления. Организация данного типа датчиков связана с выполнением процедуры прогнозирования экстраполяцией тренда с применением МНК по данным, имеющимся в «актуальном» тренде. Интервал прогнозирования, в таком случае, равен длительности одного цикла получения информации о состоянии автомобиля, т.е. 3 сек, независимо от источника предыдущих значений, которые могли быть получены или в результате измерений, или также от виртуального датчика. Каждое полученное значение записывается в последний (т.е. текущий формируемый) блок «актуального» тренда.
Данный тип виртуальных датчиков хорошо учитывает последние (на временню глубину «актуального» тренда) значения параметров, однако, при сохранении состояния сбоя параметра более временнй глубины «актуального» тренда «суррогатное» значение параметра приближается к постоянной величине, что рассматривается здесь как значительное падение достоверности этой информации. Данная ситуация отражается подсистемой синтеза рекомендации водителю.
Третий тип виртуальных датчиков сбойных параметров также может быть использован, если контроллер автоматизированной системы обладает достаточной производительностью. Однако, в отличие от виртуальных датчиков второго типа, прогнозирование текущего значения выполняется на интервал 3 сек с использованием массива амплитуд мод (для данного параметра), сформированного в предыдущих циклах идентификации. Каждое полученное значение записывается в последний блок «актуального» тренда. Модуль вычисления прогноза определен в подсистеме прогнозирования.
Данный тип виртуальных датчиков хорошо учитывает и последние (на временню глубину «актуального» тренда, т.е. около 13 мин) значения параметров, и характер последних изменений данного параметра в соответствии с режимом управления автомобилем. Тем не менее, падение достоверности информации, полученной от виртуальных датчиков данного типа, происходит из-за дисконтирования реального тренда, которое в таких виртуальных датчиках учтено быть не может, а также из-за того, что не могут быть учтены изменения параметра, отражающие новые управляющие действия водителя.
Таким образом, функционирование подсистемы сбора информации о состоянии разных узлов, устройств и систем автомобиля поддерживается в работоспособном состоянии, даже, если работоспособные датчики некоторых параметров в составе автомобиля отсутствуют (вследствие их выхода из строя). При этом информационная картина текущего состояния автомобиля все же окажется достаточно полной.
Алгоритм работы автоматизированной системы идентификации и прогнозирования технического состояния ДВС и испытательного стенда
Алгоритм идентификации и прогнозирования технического состояния ДВС на испытательно-обкаточном стенде позволил выявить некоторые неточности настройки универсального стенда по реальным параметрам конкретного ДВС. Повышение качества настроек определенных подсистем стенда позволяет повысить эффективность технологического процесса обкатки и испытаний ДВС, а также снизит износ оборудования стенда.
В диссертационной работе проведено исследование функциональных средств серийно выпускаемых бортовых маршрутных компьютеров, предназначенных для контроля технического состояния и эксплуатационных свойств автомобилей, как систем узлов и агрегатов специфического функционального назначения. На основании этого показана принципиальная возможность расширения программного обеспечения бортовых компьютеров и снабжения их интеллектуальными функциями поддержки принятия решения водителем об изменении режима эксплуатации автомобиля с целью сохранения штатных режимов работы его узлов и агрегатов.
Определены структура и организация данных и методы решения задач данной автоматизированной системы поддержки принятия решения.
Основные результаты работы:
1. Разработаны принципы и методы построения бортовой автоматизированной интеллектуальной системы оперативной идентификации и динамического прогнозирования технического состояния автомобиля во время выполнения рейса, для поддержки принятия решения водителем о режиме продолжения эксплуатации автомобиля, как комплекса узлов и механизмов. Применение данной системы способствует сохранению функционального назначения автомобиля в течение рейса, и, тем самым, его успешному совершению и завершению.
2. Предложен принцип упреждающего информирования водителя о возможности перехода конкретных узлов и механизмов автомобиля в нештатные или аварийные режимы функционирования, что позволяет водителю своевременно скорректировать режим эксплуатации автомобиля. Результатом изменения режима эксплуатации автомобиля является сохранение режимов работы узлов и агрегатов в допустимых (штатных) пределах в течение всего рейса.
3. Предложен принцип и алгоритм формирования «калибровочной» базы технологических данных для каждого автомобиля индивидуально, чем обеспечивается единый подход к определению уникального текущего технического состояния каждого автомобиля, в зависимости от установленных регулировок, его степени износа, текущих условий эксплуатации т.д. Такая калибровочная структура позволяет извлекать технологические знания из архива данных применительно к конкретному автомобилю.
4. Разработаны прогнозирующие идентификационные модели, основанные на извлечении знаний из калибровочных таблиц технологических данных.
5. Предложены методы разработки системы поддержки принятия решений водителем по режиму эксплуатации автомобиля во время движения, основанные на идентификации и прогнозировании параметров процессов функционирования агрегатов системы управления автомобилем.
6. Предложен принцип и алгоритм «мягкого» формирования и выдачи сообщений водителю о возможности нештатного функционирования узлов и механизмов, что понимается как информирование водителя не сразу, как только такая возможность (с упреждением) обнаруживается на основании прогнозирования значений контролируемых значимых параметров, но только при выявлении установившейся тенденции к выходу данных параметров в недопустимую область их значений. Применение данного принципа позволяет значительно снизить вероятность выдачи ложных сообщений.
106
7. Выполнена экспериментальная проверка предложенных в работе принципов идентификации и прогнозирования технического состояния двигателя автомобиля на испытательном стенде, показавшая, что отклонение прогнозируемых значений контролируемых параметров от реально измеренных в штатном технологическом процессе испытаний не превышает 1.5 % .
8. Предложенные в настоящей работе модели и алгоритмы автоматизированного управления применены: а) в составе программного обеспечения автоматизированной системы поддержки принятия решения на компьютеризированном испытательном стенде двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для предотвращения неконтролируемого выхода из строя ДВС и оборудования на предприятии ООО «ШАКО» (Самарская обл., г. Тольятти, ул. Ленинская, 45); б) в составе программного обеспечения серийно выпускаемых предприятием ООО «Штат» (Самарская обл., г. Тольятти, ул. Белорусская, 14А) интеллектуальных бортовых маршрутных компьютеров «Штат UniComp».
