Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих алгоритмов и систем управления ДВС
1.1. Анализ систем подачи топлива и характеристик ДВС
1.2 Анализ алгоритмов управления ДВС 20
1.3 Анализ систем управления ДВС 26
1.3.1 Технические требования к системам управления ДВС 26
1.3.2 Анализ алгоритмов регулирования частоты вращения 32
1.4 Анализ способов реализации алгоритмов управления ДВС в МПСУ 38
1.4.1 Анализ численных методов интегрирования 39
1.4.2 Анализ методов интерполяции 43
1.5 Постановка задач исследования 48
1.6 Выводы 54
2 Математическое описание объектов и синтез систем управления ДВС
2.1 Математическое описание ДВС как объекта управления САУ
2.2 Синтез передаточных функций РЧВ 61
2.3 Синтез дискретных алгоритмов управления ДВС 73
2.4 Синтез передаточных функций системы с комбинированным методом управления 83
2.5 Выводы : 92
3 Разработка и исследование математических моделей и алгоритмов управленияДВС 93
3.1 Анализ и выбор параметров МПСУ 93
3.2 Цифровые математические модели ДВС и САРЧ 99
3.3 Алгоритмы управления ДВС для стационарных установок 103
3.4 Алгоритмы управления ДВС для автотранспортных средств 113
3.4.1 Особенности управления ДВС для автотранспортных средств 113
3.4.2 Алгоритмы многорежимного управления для дизельных ДВС 119
3.4.3 Алгоритмы многорежимного управления для газодизельных ДВС... 138
3.5 Выводы 167
4 Разработка и экспериментальные исследования алгоритмов и систем управления ДВС 159
4.1 Разработка программно-аппаратного имитатора газодизельных ДВС
4.2 Экспериментальные исследования алгоритмов управления ДВС 176
4.2.1 Экспериментальные исследования алгоритмов управления для стационарных установок
4.2.2 Экспериментальные исследования алгоритмов управления ДВС для автотранспортных средств
4.3 Практические рекомендации по определению параметров алгоритмов и систем управления
4.4 Выводы 197
Заключение 198
Список использованных источников 200
- Анализ алгоритмов управления ДВС
- Синтез передаточных функций РЧВ
- Алгоритмы управления ДВС для стационарных установок
- Экспериментальные исследования алгоритмов управления ДВС
Введение к работе
Среди решаемых при разработке современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) задач можно выделить две основные. Во-первых, это обеспечение весьма жестких требований по выбросам в атмосферу вредных веществ с отработавшими газами [1] при высоких удельных энергетических и экономических показателях. Во-вторых, - формирование характеристик в максимальной степени отвечающих требованиям, предъявляемым приводимыми в движение устройствами к своей двигательной установке.
Решение обеих задач при разработке дизельных ДВС требует совершенствования топливной аппаратуры на основе электронных систем управления подачей топлива, обеспечивающих его точное и стабильное дозирование [2 - 5]. Улучшение экологических и экономических показателей достигается при питании ДВС газовым топливом [6-10]. Перевод дизелей на газовое моторное топливо осуществляется поджигом газо-воздушной смеси, поданной в такте впуска, впрыском сравнительно небольшой запальной дозы дизельного топлива (ЗДДТ). Дизельный ДВС при этом работает в газодизельном (ГД) режиме [9, 10]. Вторая задача решается путем формирования регу-ляторных характеристик (РХ), позволяющих реализовать оптимальные режимы движения автотранспортной системы (ТС) в различных дорожных условиях. Обе задачи могут быть успешно решены только при использовании микропроцессорных систем управления (МПСУ) подачей топлива, позволяющих измерять и регулировать любые доступные переменные [5, 7, 11 - 15]. Аппаратная часть таких систем представляет собой микроконтроллер и усилители мощности, а практически все основные режимы работы ДВС и системы, законы управления исполнительными органами, регулирующими подачу топлива, реализуются программным способом. Основное содержание процесса управления в МПСУ заключается в пошаговом формировании управляющих воздействий в соответствии с заранее разработанными алгоритмами [16]. Общие алгоритмы работы МПСУ можно представить в виде совокупности локальных алгоритмов, являющихся основой для построения дискретной системы автоматического управления (САУ) и разработки ее прикладного программного обеспечения (ППО).
Объектом исследования работы является системный анализ ДВС, структуры и алгоритмы систем автоматического регулирования частоты вращения (САРЧ) дизельных и ГД ДВС. По условиям применения САРЧ можно разделить на две основные группы.
САРЧ стационарных установок (электрические агрегаты, компрессорные и насосные установки, буровые установки и т. д.).
САРЧ для ТС.
Внешние скоростные характеристики (ВСХ), определяющие зависимость максимального крутящего момента от частоты вращения (ЧВ), не зависят от условий применения ДВС, а определяются только предельными тепловыми и механическими нагрузками деталей ДВС, а также экологическими показателями рабочих процессов. Условия применения ДВС проявляются только в видах РХ, формируемых САРЧ в зависимости от положения органов управления и момента нагрузки. Необходимые законы регулирования ЧВ обеспечивают специальные блоки ППО МПСУ - дискретные регуляторы частоты вращения (РЧВ), структуры и алгоритмы которых и являются предметом исследования настоящей работы. Оптимальные для транспортных средств РХ содержат участки, общие с РХ ДВС стационарных установок. Поэтому целесообразна разработка универсального РЧВ, обеспечивающего требуемые законы управления ДВС в зависимости от условий его применения. Изменение вида РХ обеспечивается установкой программируемых параметров при адаптации МПСУ к конкретному виду (типу) ДВС.
Решение проблемы улучшения экономических, энергетических и экологических показателей ДВС является важной народнохозяйственной задачей. Поэтому тема работы, посвященная повышению точности регуляторов частоты вращения, определяющих основные показатели дизельных и газодизельных ДВС, является актуальной.
Исследования алгоритмов регулирования ЧВ и разработанные на их основе структуры РЧВ опираются на концепции протекания характеристик ДВС, предложенные в работах Блаженнова Е. И. и Хрящева Ю. Е. [17 - 20].
Целью работы является системный анализ САРЧ и совершенствование на этой основе алгоритмов регулирования ЧВ, обеспечивающих повышении точности ее регулирования и формирование оптимальных скоростных и экологических характеристик, требуемых приводимыми в движение установками. Локальные алгоритмы РЧВ совместно с алгоритмами общего функционирования МПСУ, обработки и фильтрации измеряемых переменных, диагностики образуют алгоритмическое обеспечение МПСУ. Под алгоритмами, реализующими РЧВ, в работе понимаются структуры и аналитические выражения, связывающие входные переменные с выходными сигналами, управляющими состоянием ДВС. Разработанные в диссертации алгоритмы
представлены в виде систем уравнений, описывающих РЧВ и внешние воздействия в удобной для программирования форме. Такое представление алгоритмов является универсальным, поскольку не зависит от типа микроконтроллера, используемого в МПСУ, и пригодно для разработки ППО МПСУ на любом языке программирования.
Методы исследования базируются на использовании системного анализа, теории автоматического управления цифрового математического моделирования нелинейных систем. Линеаризованные и нелинейные математические модели (ММ) ДВС и САРЧ разработаны на основе экспериментальных характеристик дизельных и ГД ДВС, предоставленных автору специалистами ЗАО «Газомотор» (г. Рыбинск), управления главного конструктора ОАО «Автодизель» (г. Ярославль) и управления конструкторских и экспериментальных работ ОАО ГАЗ (г. Нижний Новгород).
Достоверность основных результатов работы подтверждается корректным использованием допущений и совпадением результатов экспериментальных исследований опытных образцов с результатами аналитических исследований. Автор выражает глубокую признательность специалистам, оказавшим неоценимую помощь в использовании и экспериментальной проверке результатов его работы.
Научная новизна, по мнению автора, заключается в разработке алгоритмов,
оптимизирующих работу нелинейных и многорежимных дискретных РЧВ с перемен
ными параметрами и переключаемыми структурами в зависимости от режима работы
ДВС, определяемого по косвенным параметрам. '
Практическую ценность работы составляют:
система параметров, позволяющая описать и ввести в память МПСУ характеристики ДВС и необходимые показатели качества регулирования ЧВ;
системы уравнений и структурные схемы, определяющие алгоритмы работы РЧВ в удобной для программирования форме;
методика экспериментального определения параметров САРЧ;
ППО имитатора ДВС.
Реализация результатов работы. Предложенные алгоритмы работы РЧВ использованы при разработке ППО опытных образцов МПСУ для дизельных и газодизельных САРЧ ЛГУ и ТС, созданных в ЗАО «Газомотор».
Цель работы определила следующий круг задач, которые были поставлены и решены в настоящей диссертации:
на основе системного анализа систем подачи топлива (СПТ), характеристик ДВС, видов и показателей качества регулирования ЧВ сформулированы общие требования к РЧВ и параметрам дискретных методов обработки информации;
разработано математическое описание дизельных и ГД ДВС как объектов управления (ОУ) САРЧ, основанное на линеаризации экспериментальных характеристик;
на основе линеаризованных моделей исследованы САРЧ, проведен синтез передаточной функции (ПФ) РЧВ, разработана его структура, отвечающая особенностям дискретной (микропроцессорной) реализации, исследованы его пригодность для построения САРЧ и формирования необходимых характеристик ДВС;
разработаны нелинейные и многорежимные дискретные РЧВ с переменными параметрами и переключаемыми в зависимости от режима работы дизельных и ГД ДВС структурами;
предложена система параметров САРЧ, представленных в относительной форме, позволяющая обобщить результаты исследований на различные типы ДВС;
разработаны цифровые нелинейные ММ САРЧ дизельных и ГД ДВС, основанные на экспериментальных характеристиках двигателей; средствами математического моделирования подробно исследованы предлагаемые структуры и алгоритмы РЧВ, рассчитаны статические и динамические характеристики САРЧ, позволяющие спроектировать систему с заданными свойствами;
разработаны структура и основное ППО имитатора ДВС, упрощающего процедуру отладки МПСУ;
разработана методика экспериментального определения параметров РЧВ и САРЧ, определяющая последовательность и методы настройки МПСУ;
проанализированы результаты экспериментальных исследований САРЧ.
На защиту выносятся структуры и алгоритмы нелинейных и многорежимных дискретных РЧВ с переменными параметрами и переключаемыми в зависимости от режима работы ДВС структурами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях.
ХХПХ конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск, РГАТА 2003.
Всероссийская научно-техническая конференция, Рыбинск, РГАТА, 2004.
XXIX конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск, РГАТА, 16-17 марта 2005.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
В первой главе проводится анализ основных СПТ и структур МПСУ, на основе которого показывается, что во всех исполнительных электромеханических системах регулирования подачи топлива можно выделить входной управляющий сигнал, пропорциональный цикловой подаче топлива. Этот сигнал и является выходным сигналом, формируемым РЧВ. На основе анализа видов регулирования ЧВ, требований к показателям качества ее регулирования и сравнительного анализа существующих РЧВ показана целесообразность разработки новых структур и алгоритмов регулирования. Важным вопросом, возникающим при разработке дискретных САУ, является выбор допустимого периода квантования сигналов по времени и методов аппроксимации нелинейных зависимостей. Поэтому в первой главе приведены соотношения для определения допустимой величины периода квантования сигналов по времени, и приведены результаты анализа методов интерполяции функций двух переменных. В этой же главе сформулированы задачи исследования и определены рациональные методы их решения.
Во второй главе разработано математическое описание дизельных и ГД ДВС как ОУ САУ, основанное на линеаризации их экспериментальных характеристик, с помощью которого разработаны линеаризованные модели САРЧ и проведен синтез РЧВ, обеспечивающего заданные показатели качества регулирования ЧВ. Аналитическими методами и средствами ММ проведено исследование характеристик САРЧ, в результате которого установлено, что использование РЧВ с постоянными параметрами и структурой не обеспечивает требования к линейности РХ стационарных установок и их требуемую форму для транспортных САРЧ. Показано, что для дизель-генераторных установок (ДГУ), в которых возможно измерение нагрузки, приведенной к валу ДВС, целесообразно применение комбинированного принципа построения САУ. Аналитическими методами исследованы ПФ канала компенсации возмущения, обеспечивающие инвариантность САУ, и установлено, что они не могут быть физически осуществлены. Предложена структура РЧВ с приближенной компенсацией возмущения.
Третья глава посвящена разработке и исследованию алгоритмов построения нелинейных и многорежимных дискретных РЧВ с переменными параметрами и
структурами, основанных на косвенном определении момента нагрузки, приведенного к валу ДВС. В работе обоснована и предложена система относительных параметров, позволяющая сократить их число, вводимых в память МПСУ при ее адаптации к ДВС. Основные исследования проведены с помощью цифровых ММ САРЧ, основанных на экспериментальных характеристиках ДВС, что предопределяет их адекватность реальным системам и обеспечивает достоверность получаемых результатов. Методами ММ исследованы предложенные структуры РЧВ, и рассчитаны статические и динамические показатели регулирования ЧВ. Для РЧВ ГД ДВС предложены и исследованы алгоритмы автоматического переключения режимов, алгоритмы формирования законов изменения ЗДДТ, обеспечивающие максимально возможную степень замещения дизельного топлива газовым, и номинальные показатели ДВС в дизельном и ГД режимах работы. Конечным итогом синтеза и исследований каждого вида РЧВ являются системы уравнений, описывающие разработанные алгоритмы.
В четвертой главе предлагается устройство для отладки ППО МПСУ - программно-аппаратный имитатор ДВС, основанный на ММ, разработанных во второй и третьей главах, и учитывающий нелинейные свойства ДВС. В этой же главе анализируются результаты экспериментальных исследований, оценивается адекватность разработанных ММ и достоверность полученных с их помощью результатов. Большое число параметров и их взаимные зависимости требуют определенной последовательности экспериментального определения параметров, поэтому здесь же предложена методика определения основных параметров САРЧ.
В приложениях приведены пример программы цифровой ММ, фрагмент ППО имитатора ДВС, обеспечивающий интерполяцию частичных характеристик ДВС бикубическими сплайнами и акт, подтверждающий использование результатов работы.
Диссертация выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева на кафедре «Вычислительные системы». Работа изложена на 212 страницах и содержит 128 рисунков, 15 таблиц и 3 приложения. Список использованных источников включает 99 наименований.
Анализ алгоритмов управления ДВС
РЧВ по принятой в системах управления дизелями классификации [17, 22, 23, 29] принято делить на однорежимные (работа при одной заданной ЧВ), всережимные (работа при любой выбранной ЧВ в пределах заданного диапазона) и двухрежимные (при двух заданных ЧВ). Однорежимные РЧВ используются в стационарных установках, например, ДГУ, не требующих регулирования ЧВ в широких пределах. Всере-жимный и двухрежимный РЧВ применяются в ТС. Кроме этих регуляторов для ТС разрабатываются трехрежимные РЧВ, обеспечивающие оптимальные для ТС РХ [17 -20]. Виды РЧВ отличаются, прежде всего, формой РХ, т. е. зависимостями Мкр{п; \ где Ч - относительное положение педали управления (ПУ). Поскольку Мкр пропорционален 7и в дизельном режиме и суммарной цикловой подаче обоих видов топлива в ГД режиме [5, 23, 30], то РХ, реализуемые различными видами РЧВ, могут рассматриваться как соответствующие зависимости ц («; 4у).
Кроме основного назначения (регулирование ЧВ), РЧВ обеспечивает необходимые для оптимального использования ДВС корректирующие воздействия на величину 7Ц, например, формирование ВСХ, коррекцию пусковой подачи топлива в функции теплового состояния ДВС и т. д. [5, 17, 22, 30 - 33]. На рисунке 12 приведены упрощенные законы изменения уц («;), которые условно представляют основные режимы работы МПСУ: пуск, автоматический прогрев, работу на РХ и ВСХ. Характерной особенностью режимов пуска, прогрева и работы на ВСХ является то обстоятельство, что они осуществляются автоматически, т. е. без участия водителя. Алгоритмы пуска, реализуемые МПСУ, отличаются от алгоритмов механических РЧВ двумя существенными обстоятельствами, позволяющими снизить выброс токсичных веществ в атмосферу. Во-первых, здесь возможно начало подачи топлива при достижении ЧВ коленчатого вала некоторого значения (п на рисунке 12), в то время как в механических системах рейка ТНВД устанавливается в положение пусковой подачи перед пуском ДВС и, до появления вспышек в цилиндрах, топливо выбрасывается в атмосферу. Во-вторых, в электронных системах пусковая величина 7Ц может зависеть от теплового состояния ДВС, т. е. может быть уменьшена при пуске прогретого дизеля [31]. Во время пуска ДВС САРЧ в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (ОЖ) устанавливает требуемое значение пусковой подачи (прямые 1 и 2 на рисунке 12). Прямая 2 соответствует наиболее низкой температуре пуска, а прямая 1 - пуску прогретого ДВС. После появления вспышек в цилиндрах ДВС и достижения ЧВ вала значения пш в работу включается РЧВ, и qn автоматически уменьшается, как это показано на рисунке 12 пунктирными прямыми 3 и 4. При этом устанавливается заданное значение ЧВ при XX яхх, зависимое от теплового состояния дизеля. По мере прогрева двигателя МПСУ автоматически снижает значение яхх, и ДВС переходит с РХ, установленной после пуска (например, с прямой 6, соответствующей наиболее низкой температуре), на характеристику 5, соответствующую минимальной ЧВ при номинальном температурном режиме и нулевом положении ПУ Ц1 = 0. При изменении Мн РЧВ автоматически изменяет #ц в диапазоне, ограниченном прямой Ь-с и осью абсцисс, обеспечивая тем самым устойчивую работу ДВС на минимальных ЧВ. Работа ДВС на XX сопровождается преодолением момента потерь и момента, необходимого для привода вспомогательных агрегатов. Зависимость 7Ц при XX прогретого двигателя представлена на рисунке 12 кривой qxx{n). При Яц Яхх(п) ДВС переходит в режим торможения двигателем. Жесткие РХ в области минимальных ЧВ обеспечивают высокую стабильность ЧВ вала при прогреве ДВС. Наибольшая дымность и токсичность отработавших газов наблюдается при работе ДВС на ВСХ [31]. Так как двигатели работают на ВСХ продолжительное время, то одним из путей, позволяющих реализовать значительные потенциальные возможности по улучшению технического уровня ДВС, является совершенствование точности и стабильности регулирования qn на режимах ВСХ [31 - 33]. В существующих механических системах управления формирование ВСХ обеспечивается корректором ВСХ, который по своей сути представляет подвижный упор, ограничивающий максимальное положение рейки ТНВД и, соответственно, максимальное значение qn. В простейшем случае корректор обеспечивает требуемую форму ВСХ в функции только ЧВ. Более сложные корректоры ограничивают перемещение рейки в функции нескольких переменных, например, еще и в зависимости от давления воздуха во впускном коллекторе ДВС [17, 22, 31]. В [31, 33] предложен электронный корректор ВСХ, состоящий из микропроцессорного блока управления и линейного электропривода, перемещающего упор механического (центробежного) РЧВ. В такой системе РХ формируются механическим регулятором, а ограничение максимальной подачи топлива и формирование ВСХ производится электронным микропроцессорным блоком со структурой, в основном соответствующей МПСУ (см. рисунок 20). На мой взгляд, такое разделение функций и соответствующее конструктивное решение не оправдано, поскольку ВСХ можно рассматривать как одну из характеристик, формируемых РЧВ при максимальном положе-нии рычага управления Р = 1. Экологические показатели работы ДВС обеспечиваются оптимальным для сгорания смеси массовым соотношением топлива и воздуха, которое зависит от их плотности. В отличие от САУ бензиновых ДВС [21], в САРЧ дизелей, как правило, не используются датчики массового расхода воздуха, позволяющие непосредственно из-мерятьмассу воздуха7потребляемого двигателем.
Синтез передаточных функций РЧВ
Выбранные для исследования САРЧ охватывают практически все основные области применения дизельных и ГД ДВС, в которых использование предлагаемых в настоящей работе алгоритмов регулирования ЧВ обеспечивает либо существенное повышение качества ее регулирования, либо предоставляет возможности получения оптимальной формы РХ.
В процессе проектирования САУ центральным и характерным этапом является этап анализа и синтеза системы управления, который можно разбить на несколько стадий [45]. 1. Преобразование, анализ и упрощение ММ ОУ. При этом вначале осуществляется преобразование ММ к форме, удобной для последующего анализа объекта и синтеза устройства управления. Упрощение модели включает в себя понижение порядка или числа уравнений, линеаризацию части или всех его нелинейных элементов и пренебрежение малыми изменениями параметров. 2. Классификация и формализация задачи управления. 3. Синтез алгоритма управления и реализующих его регуляторов. 4. Анализ синтезированной САУ. Процесс проектирования САУ и этапы анализа и синтеза носят итерационный характер, т. е. результат выполнения определенной стадии может привести как к выполнению последующей, так и к возврату к предыдущей стадии [16,45]. В настоящее время разработано большое число методов синтеза регуляторов, которые можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся аналитические методы синтеза, для которых находится выражение, аналитически связывающее показатель качества системы с параметрами регулятора, и определяются значения параметров, соответствующие экстремальному значению функции. К этим методам относится синтез системы по интегральным критериям качества ПП, а также по критерию среднеквадратичной ошибки [35, 45]. Алгебраические методы синтеза получили название аналитическое конструирование регуляторов (АКР) [45]. Синтез САУ методами АКР сводится к сравнительно простым вычислительным процедурам и простым структурам регуляторов, реализация которых не вызывает практических затруднений. Основные затруднения при практическом использовании АКР возникают в формулировании аналитических критериев качества и определении их коэффициентов [74]. Ко второй группе относятся приближенные графоаналитические методы, основанные на исследовании ЛЧХ разомкнутой системы [34 - 37, 75]. Здесь широко используются косвенные оценки качества ПП, не требующие решения системы дифференциальных уравнений, описывающей проектируемую САУ (запас по модулю, запас по фазе, частота среза, колебательность).
И, наконец, третью группу образуют цифровые методы непосредственного решения нелинейных дифференциальных уравнений, построения ПП и их оптимизации. Применение вычислительной техники позволяет решать задачу синтеза путем направленного перебора решений исходной системы дифференциальных уравнений при вариации параметров регуляторов. Основные недостатки этого метода связаны с формулированием задачи поиска, т. е. с разработкой алгоритма, который позволяет наискорейшим способом найти приемлемые параметры регулятора [35,45].
В диссертации для синтеза РЧВ используется комбинация второго и третьего из рассмотренных методов. При этом проектирование РЧВ проводится в два этапа. На первом из них применяется метод синтеза, использующий косвенные критерии качества регулирования [27, 34-37, 45], для чего реальная нелинейная система заменяется своим линейным приближением, получаемым исключением нелинейных блоков и линеаризацией характеристик ДВС. Для линеаризации используются первые (линейные) члены, получаемые при разложении нелинейных характеристик в ряд Тейлора [27, 66, 67]. Синтез регуляторов проводится графоаналитическим методом по ЛЧХ разомкнутой системы [27, 34 - 37,45].
На втором этапе проектирования регулятор, синтезированный по линейному приближению системы, встраивается в полную нелинейную ММ исследуемой системы и проводится расчет ПП. При удовлетворительном качестве ПП проектирование системы заканчивается разработкой структуры и алгоритмов ППО. При неудовлетворительных показателях качества ПП путем последовательных приближений с помощью модели проводится коррекция полученных по линейному приближению параметров регуляторов, т. е. используется упрощенный третий метод синтеза.
ММ на вычислительных машинах является наиболее производительным и точным методом решения систем нелинейных дифференциальных уравнений [45, 51, 60, 63, 76]. Моделирование нелинейных электромеханических систем, к которым относится САРЧ, является прямым методом анализа и исследования качества ПП [34, 35, 77] и может рассматриваться как одна из составляющих комплекса средств автоматического проектирования [45]. Разнообразие методов цифрового моделирования обусловлено различными формами представления исходной информации о структуре системы и различными языками, на которых проводится описание САУ. ММ широко применяется для исследования САУ и других динамических систем в форме, которую называют структурным моделированием [78 - 82]. В модели представляется структура дифференциальных уравнений системы, расчлененных на математические операции (интегрирование, суммирование, перемножение, нелинейное преобразование и т. д.), которые обрабатываются соответствующими программными блоками. Структура дифференциальных уравнений отображает физическую структуру САУ, ПФ ее звеньев, линейные и нелинейные связи между ними. Структурное моделирование не требует предварительных преобразований исходной системы дифференциальных уравнений, структура ММ практически повторяет структуру исследуемой САУ и моделирование можно представить как проведение экспериментов средствами вычислительной техники. При этом появляется возможность постановки экспериментов, практическое проведение которых на реальной системе затруднено. Кроме того, формализованное математическое описание процессов и переменных системы позволяет исследовать характер и параметры изменения воздействий, недоступных для измерения в практических условиях, что позволяет не только спроектировать САУ с заданными свойствами, но и предвидеть ее поведение во всех возможных эксплуатационных режимах [45].
Алгоритмы управления ДВС для стационарных установок
По сути, при XX в дискретной системе устанавливаются автоколебания, что существенно снижает качество регулирования ЧВ. Отмеченные обстоятельства приводят к тому, что значение Гст в дискретной САРЧ должно быть уменьшено по сравнению со значением, определяемым условием (17).
Как отмечалось в первой главе, в [27] предложено условие определения Гст, записанное в виде (19). Применительно к рассматриваемой САРЧ это условие означает Гст 0,011 с. На рисунке 63в приведены осциллограммы ПП в дискретной САРЧ при этом значении Гст, сравнение которых с осциллограммами рисунков 63а и 636 показывает, что уменьшение Гст существенно улучшает качество ПП. Здесь провал и заброс ЧВ при набросе и сбросе Мн = Л/ном увеличиваются по сравнению с непрерывной системой на 4 и 9,5 % соответственно, т. е. дискретная система приближается по качеству ПП к непрерывной. Во всех ММ, рассматриваемых далее, период квантования сигналов по времени принят равным Гст = 0,01 с.
Осциллограммы ПП, приведенные на рисунках 636 и 63в, получены для дискретной САРЧ, в которой моменты расчета є и выдачи управляющего воздействия на электропривод рейки совпадают, т. е. сдвиг фаз между импульсами /Т1 и /„ (см. рисунок 596) отсутствует. В реальной системе, как уже отмечалось, момент выдачи управляющего сигнала отстает от импульса /Т на время выполнения программы
Д/ПР, реализующей РЧВ. Исследование влияния величины А/ на качество ПП показало, что оно заметно проявляется только при больших значениях Т . При Гст 0,01 с фазовый сдвиг между импульсами /т, и / практически не влияет на качество ПП. Тем не менее, при разработке алгоритмов ППО МПСУ следует размещать программные модули локальных алгоритмов РЧВ в начальной части цикла.
Проведенные исследования САРЧ для стационарных установок позволяют сделать следующие основные выводы. Во-первых, частота основного таймера МПСУ, определяющая период квантования сигналов по времени, должна быть не менее 90 Гц. Во-вторых, использование предложенного в работе РЧВ с нелинейной коррекцией статического коэффициента передачи позволяет легко обеспечить требования к линейности РХ. И, в-третьих, провал и заброс ЧВ при набросе и сбросе Мном, как это следует из рисунке 63в (на рисунке 63 пунктирными линиями обозначены границы допустимых изменений мгновенной ЧВ, соответствующих первому классу точности САРЧ), составляют 7,8 и 8,1 % соответственно. Эти показатели соответствуют лишь третьему классу точности (см. таблицу 1).
Подробные исследования ПП показали, что можно найти сочетание коэффициентов Кп и Кк РЧВ, обеспечивающее компромиссное между показателями регулирования v и 8d (см. таблицу 1) поведение системы и получить параметры, приближающиеся к первому классу точности. Однако даже незначительные отклонения характеристик ДВС от расчетных приводят к ухудшению показателей точности и такие настройки не могут быть практически реализованы. Кроме того, ММ ДВС (см. рисунок 58) не учитывает неравномерность 7Ц по секциям ТНВД и зазоры в механизме перемещения рейки, которые увеличивают колебания мгновенной ЧВ в переходных и установившихся режимах и, тем самым, снижают качество регулирования. Таким образом, в САРЧ, построенной на основании принципов управления по отклонению регулируемой переменной, достижимым следует считать второй класс точности.
Проведенные с помощью ММ исследования характеристик дискретной САРЧ с нелинейным РЧВ для стационарных установок подтвердили основные выводы, полученные во второй и третьей главах диссертации. На основании предложенной структуры разработаны алгоритмы управления для этого вида САРЧ. В таблице 5 приведены параметры, дополняющие общую для всех САРЧ СП (см. таблицу 3), а в таблицу 6 сведены дополнительные к таблице 4 уравнения, описывающие алгоритмы РЧВ стационарной дизельной САРЧ с коррекцией линейности РХ.
Входными переменными алгоритмов рассмотренной САРЧ (измеряемыми переменными системы) являются: п, Рк, Тк, Гож и Гт. Выходная переменная -заданное положение рейки ТНВД hn, которое представляет собой, как уже отмечалось,
входной сигнал ОУ. Знаком интеграла в алгоритмах управления обозначен программный модуль, выполняющий интегрирование одним из рассмотренных в подразделе 1.4.1 методом.
В разделе 2.4 для улучшения динамических показателей качества регулирования ЧВ ДГУ было предложено использование методов комбинированного управления и разработана структура РЧВ, реализующая приближенный способ компенсации возмущения (см. рисунок 55). При разработке ММ и алгоритмов работы РЧВ, основанного на этом методе, целесообразно несколько преобразовать структуру рисунка 55. Целью этих преобразований является исключение параметров генератора из ПФ канала компенсации возмущения.
Экспериментальные исследования алгоритмов управления ДВС
Величина скачка ДЧ7 = 0,2 выбрана таким образом, чтобы обеспечивался переход ДВС на РХ, приведенные на рис. 70б.9 ПП начинается в момент времени t = /,, когда Ч скачком увеличивается до значения 4х = 0,7. Поскольку в исходном состоянии САРЧ находилась во 2-м режиме, то скачок Ч приводит к ступенчатому увеличению задания по моменту. В точке а Мкр сравнивается с заданным значением, однако инерционность ОУ приводит к перерегулированию Мкр с максимумом в момент t = t2. После затухания ПП ДВС переходит в точку р на РХ 4, соответствующей Ч = 0,7 (см. рисунок 70а). На участке &3 фазовой траектории 1 ДВС работает во 2-м режиме. В момент времени t -13 РЧВ переключается в 3-й режим и к моменту времени t t4 в САРЧ наступает установившийся режим, соответствующий точке / рисунка 70а. Следует заметить, что здесь особенно проявляется наглядность анализа режимов работы ДВС и САРЧ с помощью фазовых траекторий, которые в отличие от осциллограмм позволяют оценить состояние ДВС по перемещению рабочей точки на плоскости (я;Мкр), совпадающей с плоскостью РХ.
В момент времени / = /4 Ч скачком уменьшается до значения Ч = 0,3, что вызывает уменьшение Мм, и переход ДВС в тормозной режим (Мкр(0) при t = t5. При этом РЧВ на интервале времени t4 -16 продолжает работать в 3-м режиме, а затем автоматически переключается во 2-й (/ = Г6)и 1-й(/ = ґ7) режимы. К моменту времени / /8 в системе наступает установившийся режим, соответствующий точке g на рисунке 70а. Изменение переменных, характеризующих работу ДВС на рассмотренных этапах ПП, отражается перемещением рабочей точки по участку t4-y-b6n-%-Xs фазовой траектории 1 на рисунке 746. Ступенчатое изменение Ч7 до исходного значения 4х = у0 = 0,5 (в момент / = /„) после затухания свободных составляющих переводит систему в первоначальное состояние. При этом РЧВ переключается во 2-й режим, а ДВС переходит на работу в исходную точку е на рисунке 706 по участку f„ -1] фазовой траектории 1 на рисунке 746.
Сравнение результатов исследования ПП при трехрежимном (см. рисунок 74) и всережимном (см. рисунок 73) видах регулирования ЧВ показывает, что ступенчатое изменение W не приводит во время 1111 к выходу ДВС с трехрежимным РЧВ на ВСХ.
Эта особенность трехрежимного вида регулирования благоприятно сказывается на экологических показателях системы.
Как было показано в разделе 1.3, для ТС кроме типовых для САУ режимов изменения управляющего и возмущающего воздействий характерны режимы «свободного ускорения» и выключения сцепления. Осциллограммы ПП в режиме «свободного ускорения» приведены на рисунке 75а. Динамическая характеристика имеет вид фазовой траектории 1 на рисунке 75в. Как следует из рисунков 75а и 75в, при разгоне ДВС на интервалах времени tx2 и tз -14 выходит на ВСХ, т. е. развивает максимальное значение Мкр. В дизелях с турбонаддувом при резком увеличении п возникает запаздывание нарастания Рк из-за инерционности турбокомпрессора. При этом в цилиндры поступает избыточное количество топлива, что приводит к выбросам повышенного количества дыма. Для устранения этого явления в структуру многорежимного РЧВ (см. рисунок 67) введен специальный блок - задатчик интенсивности (ЗИ), заменяющий ступенчатое изменение Ч1 линейно нарастающим. Осциллограммы, иллюстрирующие работу САРЧ с ЗИ, приведены на рисунке 756. Динамическая характеристика приобретает вид кривой 2 на рисунке 75 в. Указанные зависимости рассчитаны для скорости изменения положения педали Vy = 0,75 — (см. таблицу 3). Сравнение осциллограмм рисунков 75а и 756 и фазовых траекторий 1 и 2 показывает, что введение в структуру САРЧ ЗИ позволяет установить требуемое по экологическим нормам ускорение, и исключает существенный заброс ЧВ. Наиболее неблагоприятные условия для ПП в ТС возникают при выключении сцепления. Осциллограммы ПП в системе в этом режиме (/=1с) при всережимном виде регулирования ЧВ приведены на рисунке 76. Здесь принято, что до момента выключения сцепления дизель работал при Ч = 0,5, Мн = 0,5А/ном с суммарным приведенным к валу дизеля моментом инерции J = 2JA (где Ja - момент инерции дизеля). Как показывает анализ осциллограмм рисунка 76а, заброс ЧВ в режиме выключения сцепления достигает примерно 20 %. Такие показатели качества ПП не приводят к нарушениям работы САРЧ, однако вызывают неприятные ощущения при каждом переключении передач.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
