Содержание к диссертации
Введение
2. Аналитический обзор и постановка задачи 10
2.1. Двигатель внутреннего сгорания как объект управления 10
2.1.1. Краткий исторический обзор 11
2.1.2. Классификация систем впрыска топлива 16
2.1.3. Основные преимущества систем впрыска топлива 18
2.1.4. Схема инжекторного двигателя внутреннего сгорания 20
2.1.5. Инжекторный двигатель как объекта управления 24
2.2. Методы автоматического управления двигателями внутреннего сгорания 30
2.2.1. Краткий исторический обзор 30
2.2.2. Классификация методов построения систем управления ДВС 35
2.2.3. Актуальные проблемы управления ДВС 37
2.3. Промышленные системы управления двигателями внутреннего сгорания 39
2.3.1. Системы впрыска топлива 39
2.3.2. Объединенные системы впрыска и зажигания 43
2.4. Постановка задачи автоматического управления соотношением воздух/топливо 46
2.4.1. Приближенная модель процесса формирования соотношения воздух/топливо 46
2.4.2. Формальная постановка задачи 50
2.5. Постановка задачи восстановления наблюдений 51
3. Математическая модель инжекторного двигателя
3.1. Вывод усредненной модели инжекторного двигателя 54
3.2. Модель двигателя в пространстве состояний 66
3.3. Статические характеристики 71
3.4. Результаты экспериментальных исследований 75
3.4.1. Результаты экспериментальных исследований статических характеристик 75
3.4.2. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик 77
4. Методы адаптивного управления 81
4.1 Этапы синтеза адаптивных систем 81
4.2 Базовые структуры алгоритмов адаптации 83
4.2.1 Статическая модель ошибки 83
4.2.2 Динамическая модель ошибки с измеряемым состоянием 84
4.2.3 Динамическая модель ошибки с измеряемым входом 86
4.3 Адаптивное управлении многомерным объектом 91
4.3.1 Постановка задачи 91
4.3.2 Синтез регулятора 92
4.3.3 Свойства замкнутой системы 94
4.4 Параметризованная модель объекта 95
5. Наблюдатели входных сигналов 100
5.1 Общие положения 100
5.2 Постановка задачи 101
5.3 Аналитический обзор существующих методов наблюдения входных сигналов 102
5.3.1 Алгоритм дифференцирования с фильтрацией 102
5.3.2 Алгоритм с сильной обратной связью
5.3.3 Наблюдатель со скользящим режимом
5.3.4 Вывод
5.4 Предлагаемый наблюдатель с фильтрацией шума измерений
6. Алгоритмы адаптивной стабилизации соотношения воздух/топливо
6.1. Постановка задачи
6.2 Параметризация модели
6.3 Адаптивное управление в случае непосредственного измерения регулируемой переменной
6.3.1. Градиентный алгоритм управления 6.3.2 Гибридный алгоритм управления
6.4 Адаптивное управлении с динамическим сенсором
6.4.1 Наблюдатель входного сигнала
6.4.2 Градиентный алгоритм с наблюдателем входного сигнала
6.4.3 Гибридный алгоритм с наблюдателем входного сигнала
7. Заключение
8. Приложение 1
- Краткий исторический обзор
- Классификация методов построения систем управления ДВС
- Вывод усредненной модели инжекторного двигателя
- Динамическая модель ошибки с измеряемым входом
Введение к работе
Предметом исследования диссертационной работы являются математическая модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, алгоритмы адаптивного управления им, а также наблюдатели зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен двигатель.
На сегодняшний день в технически развитых странах инжекторные двигатели (т.е. двигатели, где подача топлива в цилиндр осуществляется путем принудительного впрыскивания) практически полностью вытеснили Л классическую карбюраторную схему питания. Поэтому задача управления инжекторными двигателями имеет большое значение для современного автомобилестроения и представляет несомненный интерес. Решению данной задачи посвящена обширная техническая литература, методы и средства управления двигателями постоянно совершенствуются фирмами-производителями.
Двигатель современного автомобиля представляет собой сложную, нелинейную динамическую систему, функционирующую в различных режимах и подвергающуюся постоянному воздействию внешних возмущений. Известные математические модели инжекторного двигателя содержат параметрические и структурные неопределенности, и не всегда адекватно отображают процессы, происходящие в двигателе [ 11, 21, 22 , 25, 28, 29].
В современных системах управления двигателями внутреннего (0 сгорания, для реализации цепей обратной связи, используются датчики, которые в силу своих конструктивных особенностей являются динамическими устройствами, то есть вносят в спектр входного сигнала амплитудные и фазовые рассогласования, что ведет к потере точности в работе всей системы [33, 34, 36, 38]. С точки зрения теории систем, данная задача может быть сформулирована как задача наблюдения входных сигналов. В настоящее время, теория наблюдателей состояния (наблюдателей Люенбергера, фильтров Калмана) является хорошо разработанной и доведена ль до инженерных решений [14]. В то же время, теория и практика наблюдателей входных сигналов является недостаточно разработанной.
Поэтому проблема синтеза наблюдателей состояния, а также разработки математических моделей двигателей внутреннего сгорания вообще, и инжекторных двигателей в частности, ориентированных на дальнейшее использование в задачах аналитического синтеза систем управления, является актуальной и представляет несомненный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили системы управления двигателями, оснащенные микропроцессорами. Однако, микропроцессорные системы управления, как правило, основаны не на принципах замкнутого управления по отклонению, а на использовании встроенных таблиц данных, сформированных экспериментальным путем на этапе калибровки двигателей [7, 9, 12, 13, 19]. Таким образом, задача синтеза прямых алгоритмов управления двигателем является актуальной и представляет несомненный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения.
Целями диссертационной работы являются:
- развитие методов адаптивного управления инжекторными двигателями;
- разработка уточненной математической модели инжекторного двигателя;
- синтез наблюдателей входных сигналов, модифицированных к наличию шумов и помех в спектрах входных воздействий;
- разработка алгоритмов управления инжекторным двигателем внутреннего сгорания для случаев прямых измерений регулируемой переменной и измерений с помощью динамических датчиков.
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:
;4 л - синтезирована новая, улучшенная модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, так называемая «усредненная модель», ориентированная на синтез алгоритмов управления двигателем (гл.З);
- синтезирован наблюдатель зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен инжекторный двигатель внутреннего сгорания (гл.5);
- синтезированы адаптивные алгоритмы управления инжекторным двигателем, для случая непосредственного измерения регулируемой ,»f переменной и случая динамического измерения регулируемой переменной (гл. 6);
Практическая значимость.
Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при разработке блока управления инжекторным двигателем автомобиля Chevrolet Corvette V8 корпорацией General Motors.
Работа выполнена на Кафедре систем управления и информатики Санкт-Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики в рамках хоздоговорной научной темы 77500 «Адаптивное и гибридное управление двигателями внутреннего сгорания» с корпорацией General Motors; госбюджетной темы №10110 «Разработка методов и алгоритмов управления с компенсацией внешних возмущений»; по персональному гранту АСП№303259 «Аналитические методы синтеза систем управления двигателями внутреннего сгорания» студентов аспирантов и молодых специалистов конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ; по персональному гранту № M05-3.ll К-280 «Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания» для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России научного направления «Автоматика и телемеханика».
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXII и XXXIV научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУИТМО (2003 и 2005 гг.), I конференции молодых ученых СПбГУИТМО (2004 г.), на 10-й международной студенческой Олимпиаде по автоматическому управлению ВОАС2004 ( Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2005г.).
Публикации работы.
По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, приложения и список литературы, насчитывающий (43) наименования. Основная часть работы изложена на (159) страницах машинописного текста.
В первой главе приведен исторический обзор развития методов и систем управления двигателями внутреннего сгорания, двигатель проанализирован как объект управления. Приведена постановка основных задач, встающих при управлении современным инжекторным двигателем внутреннего сгорания, а также определено направление дальнейших исследований диссертационной работы.
Во второй главе приведен вывод математической модели инжекторного двигателя, получена усредненная модель, модель в пространстве состояний, а также исследованы статические характеристики двигателя. Полученные результаты промоделированы, и проверены на адекватность при помощи данных, снятых с двигателя серийного автомобиля.
В третьей главе рассмотрены известные методы адаптивного управления, этапы синтеза адаптивных систем, а также особенности адаптивного управления многомерным объектом. Кроме того рассмотрена параметризованная модель объекта управления.
В четвертой главе приведен обзор известных методов наблюдения зашумленных входных сигналов, были исследованы и проанализированы свойства трех известных алгоритмов. Были выявлены их основные преимущества и недостатки, на основе анализа был синтезирован новый, улучшенный алгоритм наблюдения. Приведено моделирование полученных результатов.
В пятой главе, на основе теоретических результатов, полученных в предыдущих главах, синтезированы градиентный и гибридный адаптивные Л$ алгоритмы управления инжекторным двигателем внутреннего сгорания.
Рассмотрены два случая: непосредственного измерения регулируемой переменной и динамического измерения входного сигнала. Результаты синтеза проиллюстрированы моделированием.
Вывод уравнений зависимостей величины потока воздуха через дроссельную заслонку и давления во впускном коллекторе от угла поворота дросселя приведены в приложении 1 и 2 соответственно.
Краткий исторический обзор
Испарительные или барботажные карбюраторы (рис 2.1.а.) предназначались для работы на легкоиспаряющемся топливе узкого фракционного состава. Воздух, проходя над поверхностью топлива, насыщался его парами и образовывал горючую смесь. Дроссельная заслонка определяла количество подаваемой смеси. Качество смеси, т.е. концентрация паров регулировалась путем изменения объема пространства между поверхностью бензина и крышкой карбюратора. При множестве недостатков данного карбюратора (громоздкость, пожарная опасность, необходимость частой регулировки из-за повышенной чувствительности к изменениям условий внешней среды и т.д.) он обладал одним несомненным преимуществом - однородность вырабатываемой топливовоздушной смеси, так как воздух смешивался непосредственно с парами топлива. Впрыскивающий (мембранный) карбюратор (рис. 2.1.6) имел уже довольно сложное устройство, в основе которого лежала эластичная мембрана, выгибавшаяся от разности давлений и открывавшая топливный клапан. Впрыскивающие карбюраторы работают точно и надежно при любом положении двигателя, однако, из-за сложности регулировок и обслуживания, не получили широкого распространения в автомобильных двигателях. Наибольшее распространение получили поплавковые всасывающие карбюраторы (рис 2.1.в) со всасыванием топлива при разрежении, возникающем в суженной части воздушного канала карбюратора диффузоре вследствие местного повышения скорости потока воздуха. Современный поплавковый всасывающий карбюратор отличается от ( простейшего более чем десятком дополнительных устройств, кроме того он оснащается электронным управлением смесеобразованием. В результате получается система питания, включающая собственно карбюратор с сервоприводами, датчики и контроллер. Однако, несмотря на все технические нововведения и улучшения, любому карбюратору свойственен целый ряд недостатков: .Нестабильность смесеобразования. Карбюратору свойственен элемент «стихийности» в смесеобразовании, вызванный сильный вариацией параметров его работы (температуры топлива и воздуха, атмосферного давления, потока воздуха, внутренней температуры самого устройства). Кроме того, параметры работы двигателя существенно изменяются в зависимости от режимов его работы, соответственно должны изменятся и параметры смесеобразования. Карбюраторная же система питания имеет свой предел максимума адаптации к различным режимам работы двигателя 2. Громоздкость. Современный карбюратор представляет собой достаточно громоздкое и сложное электронно-механическое устройство, состоящие из большого числа подвижных узлов и элементов, что негативным образом сказывается на его надежности. Следующим шагом развития систем питания двигателей внутреннего сгорания стало применение систем принудительного впрыска топлива. Двигатели с системами впрыска легкого топлива производятся в настоящее время всеми ведущими мировыми автопроизводителями. Из выпускаемых в 1998 году во всем мире легковых автомобилей (около 1900 различных моделей) впрыск применялся на 79%, а с учетом дизельных двигателей, на 92% машин. Если не принимать во внимание выпускаемые до сих пор устаревшие типы двигателей, разработки 10-15 летней давности, а взять только самые новые, оказывается что почти 100 % современных легковых автомобилей имеют либо моторы с впрыском топлива, либо дизели. (Y), Основные причины такого широкого распространения двигателей, оснащенных впрыском топлива (инжекторных двигателей) - повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Так, например, средний расход топлива автомобиля BMW 528І с рабочим объемом двигателя 2.8 л и мощностью 193 л.с. равен 10-12 л/100 км, то есть примерно на уровне «Волги» ГАЗ -24 имеющей двигатель вдвое меньшей мощности. Впервые система механического впрыска бензина была разработана компанией Даймлер-Бенц. Первый в мире серийный автомобиль с впрыском бензина - «Мерседес-Бенц 300SL», начало выпуска 1954 г. За основу конструкции данного двигателя, был принят авиационный двигатель от истребителя «Мессершмидт». Однако, несмотря на очевидные преимущества, инжекторные двигатели получили широкое распространение только в конце XX века по двум причинам.
Первая - системы впрыска первоначально были более сложными конструктивно и в эксплуатации, чем системы, оснащенные карбюраторами. Вторая причина- технологическая. Дизельное топливо - это хоть и маловязкое, но все же масло, в то время как бензин имеет кинематическую вязкость вдвое меньшую, чем вода. В обычных гидросистемах рабочей жидкостью является масло, что позволяет сравнительно просто решать задачу смазки деталей гидроаппаратуры и предотвращения утечек. Только с появлением современных материалов (синтетических масел, пластмасс, полимерных соединений, термоустойчивых резин, и т.д.) удалось успешно решить задачу герметизации системы питания. Кроме того, как уже отмечалось, системы впрыска бензина более сложны, чем карбюраторные из-за наличия большого числа прецизионных подвижных и электронных элементов, а также, требуют более квалифицированного обслуживания при ремонте и эксплуатации.
Классификация методов построения систем управления ДВС
Такие модели были разработаны в середине семидесятых годов [23]. Это были, так называемые, усредненные модели. Такие модели оперируют средними значениями на всем промежутке измерений внешних и внутренних переменных динамически изменяющихся во времени. Масштаб времени для расчетов выбирается существенно больший чем один рабочий цикл двигателя, но значительно меньший, чем необходимо для прогрева холодного двигателя (мене 1000 циклов). При помощи такого выбора временного масштабирования достигается приемлемая точность при описании средних значений изменений наиболее быстро меняющихся переменных работы двигателя. [29-31].Этот метод позволял обойти существенные нелинейности объекта управления, однако, негативно влиял на .-уд качество работы алгоритмов управления, синтезированных на его основе .
Данные модели, описывали динамику работы двигателя (скорость вращения коленчатого вала, изменение массы топлива, впрыскиваемого в цилиндр) и процесс формирования соотношения воздух/топливо в цилиндре. Также появились динамические модели, описывающие процесс осаждения топлива на стенках впускного коллектора. Наличие моделей, с приемлемой степенью достоверности описывающих процессы, происходящие в двигателе, позволяло применить подходы теории управления к решению задач повышения экономичности двигателя и управления им в специальных режимах. Работы над данной проблематикой велись и в нашей стране [9, 13], 3 однако, основной акцент в них делался на управление двигателями скорее узкоспециального направления (тракторные, танковые и корабельные ДВС), нежели автомобильными двигателями. Первое поколение электронных систем управления двигателем внутреннего сгорания разработанных на основе принципов и подходов теории управления было применено на практике более 20 лет назад, с целью снижения токсичности выхлопных газов. Основной задачей разработчиков было эффективное сопряжение двигателя с трехкамерным каталитическим нейтрализатором [30]. Данные системы были основаны на статических зависимостях работы двигателя и незамкнутых моделях его динамики. Внедряемые алгоритмы также были статическими и незамкнутыми. Тот факт, что двигатель является совокупностью взаимосвязанных нелинейных многомерных систем с широким разбросом рабочих диапазонов, существенно снижал точность работы таких алгоритмов. Кроме того, алгоритмы, основанные на статических методах, не учитывали эффекта износа двигателя, существенно влияющего на характеристики его работы, особенно после пробега автомобилем 100-120 тыс. километров. Постепенно, с развитием автомобилестроения и появлением более сложных двигателей внутреннего сгорания, оснащенных, например, датчиками кислорода, методы управления также претерпевали изменения. Датчики кислорода, или «лямбда-зонды» (от фр. sonde-щуп) фиксируют свободный кислород. Появилась возможность замкнуть контур управления, так как до появления лямбда-зондов автомобили не оснащались датчиками, выдававшими информацию о процессах, происходящих внутри двигателя, и системы управления были разомкнутыми. Введение обратной связи позволило усложнить и улучшить алгоритмы управления, а также отойти от устаревших статических разомкнутых моделей и перейти к более совершенным динамическим и замкнутым линейным моделям [37]. Так как инжекторный двигатель внутреннего сгорания - сложный динамический объект, функционирующий в различных режимах, для управления им целесообразно применять такие методы управления как адаптивное, самонастраивающееся управление, а также управление в скользящих режимах[41, 39]. Таким образом, следующим этапом в развитии алгоритмов управления становится нелинейное, адаптивное и самонастраивающееся управление. Кроме того, часть переменных, необходимых для управления двигателем не поддается измерению в силу конструктивных особенностей объекта управления, что мотивирует применение методов идентификации [36, 38], а также применение нейронных сетей [43].
Параллельно с развитием методов управления двигателем, происходило усовершенствование его математической модели. От усредненных моделей [25], не дающих детального представления о процессах в двигателе в каждый конкретный момент времени, осуществляется переход к так называемым мгновенным моделям [30], более точно отображающих процессы, происходящие в двигателе, а также более удобным при цифровом управлении системой. Особенностью мгновенных (потактных) моделей является то, что они описывают работу двигателя, потактно, цикл за циклом. Это позволяет получить более полную картину изменения вектора состояния двигателя, и повышает точность работы системы автоматического управления, однако усложняет расчетную часть алгоритмов и делает модель более громоздкой. В настоящее время существуют как отдельные программные пакеты (SIEME (SparklgnitionEngineModellingEnvironment), Virtual Engines), так и дополнительные модули к широко распространенным средам симуляции (Matlab, Simulink) позволяющие моделировать двигатели внутреннего сгорания.
Вывод усредненной модели инжекторного двигателя
Выводу математической модели инжекторного двигателя посвящена обширная литература [12, 24, 29, 30, 33, 36]. В ходе реализации настоящей диссертационной работы, были изучены известные модели, проанализированы их особенности и выявлены основные преимущества и недостатки. В результате анализа установлено, что подавляющее большинство известных моделей обладают рядом недостатков. 1. Модели часто ориентированы на решение какой-либо конкретной задачи и, поэтому более подробно описывают отдельный элемент или узел системы, не уделяя должного внимания динамике работы всего двигателя в целом. Это приводит к невозможности применения модели для решения задачи управления инжекторным двигателем, как единой системой. 2. В процессе разработки вышеупомянутых моделей не получили адекватного описания некоторые процессы, происходящие в двигателе и существенно влияющих на динамику его работу. К этим процессам можно отнести процесс формирования вращающего момента и процесс осаждения топлива на стенках впускного коллектора. 3. Современный инжекторный двигатель представляет собой сложный динамический объект, функционирующий в различных режимах, существенно влияющих на характеристики его работы. Большинство изученных моделей не учитывают многорежимность двигателя. Это негативным образом сказывается на качестве работы алгоритмов управления, синтезированных на основе данных моделей. Поэтому в ходе работы над диссертацией была получена переработанная математическая модель, ориентированная на последующее использование в задачах синтеза алгоритмов автоматического управления инжекторным двигателем внутреннего сгорания. Предлагаемая математическая модель ИД является усредненной, то - есть оперирует средними значениями сигналов на всем промежутке их измерений. При этом масштаб времени для расчетов выбирается существенно больший чем один рабочий цикл двигателя, но значительно меньший, чем временной интервал, необходимый для прогрева холодного двигателя (мене 1000 циклов). При помощи такого выбора временного масштабирования достигается приемлемая точность при описании средних значений изменений наиболее быстро меняющихся переменных работы двигателя. [30]. Предлагаемая модель описывает последовательность / преобразования входных сигналов (угла поворота дроссельной заслонки а, количества впрыскиваемого топлива jufi и угла опережения зажигания) в средние значения регулируемых переменных (соотношение воздух/топливо Л и крутящий момент М) без учета пульсаций данных величин внутри каждого цикла работы двигателя. Модель является объектно-ориентированной и состоит из следующих подсистем.
Динамическая модель ошибки с измеряемым входом
Исследуем сначала условия применимости стандартного алгоритма адаптации (4.12). Очевидно, что данный алгоритм в общем случае является неприменимым, так как вектор состояния модели ошибки е недоступен прямому измерению. Однако, если бы удалось выбрать матрицу Р таким образом, что то алгоритм адаптации (4.12) принял бы вид (см. рис. 4.3.6.)
Алгоритм (4.19) является физически реализуемым, так как в нем используются только измеряемые сигналы. Таким образом, условием применимости базового алгоритма адаптации вида (4.19) является существование симметрической положительно определенной матрицы Р, удовлетворяющей одновременно двум уравнениям (4.13) и (4.18). В свою очередь, такая матрица может быть найдена не для всех моделей ошибки (4.14) и (4.15), а только для моделей со строго положительной вещественной передаточной функцией [13]. Утверждение 4.1. Симметрическая положительно определенная матрица Р, являющаяся решением уравнений (4.13) и (4.18), существует только в том случае, если передаточная функция модели ошибки (4.17) является строго положительно вещественной.
В литературе по теории автоматического управления данное утверждение известно как лемма Якубовича-Калмана [17]. Напомним, что передаточная функция вида является строго положительно вещественной функцией (СПВ-функцией) только в том случае, если: 1) она не имеет полюсов в области Re[s] 0; 2) Re[H(jco)] 0 для всех - со а со; 3) Ниш2 Re[H(jco)] 0 при а — со. Проанализировав свойства СПВ-функций, можно сделать вывод, что они обладают практически теми же свойствами, что и звено первого порядка. Так их частотные годографы лежат в правой полуплоскости ( а значит, фазовый сдвиг, вносимый динамическим звеном с такой передаточной функцией, не превышает 90). Кроме того, скорость убывания вещественной части частотной передаточной функции при ю- оо не быстрее, чем у у 2 .Из сделанного вывода видно, что класс положительно вещественных функций является достаточно узким, и далеко не все линейные модели реальных объектов будут удовлетворять вышеуказанным условиям.
Так как СПВ передаточная функция не может иметь относительную степень выше единицы (что определяется требованием предельного фазового сдвига в 90), спектр технических устройств попадающих под это определение достаточно узок. Очевидно, что в силу своих конструктивных особенностей, инжекторный двигатель внутреннего сгорания не попадает в класс объектов с единичной относительной динамической степенью. Таким образом, базовый алгоритм адаптации (4.19) не может быть использован при синтезе систем управления ИДВС.
В настоящее время предложено несколько различных решений задачи синтеза универсальных алгоритмов адаптации для динамической модели ошибки с измеряемым выходом [8, 14, 17]. Остановимся на методе «расширенной ошибки». В соответствии с данным методом, формируется дополнительный сигнал коррекции
Похожие диссертации на Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания
