Содержание к диссертации
Введение 6
1 Инжекторный ДВС как объект управления. Постановка задачи. Краткий 12
исторический обзор методов управления ДВС
Принцип работы ДВС. Двигатель как объект управления 12
Постановка задачи управления двигателем 17
Краткий исторический обзор методов управления ДВС 19
2 Математические модели инжекторного двигателя внутреннего сгорания 23
2.1 Аналитическая модель ДВС 25
Математическое описание подсистем модели 25
Математическая модель ДВС в уравнениях пространства состояний 30
Моделирование 31
Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными 34
Выводы 35
2.2 Эмпирические модели ДВС 37
Идентификация параметров моделей 38
Математические модели соотношения воздух / топливо 40
Математические модели крутящего момента 42
Моделирование и сравнение результатов с экспериментальными 43 данными
Заключение 48
3 Синтез адаптивных и обучающихся систем управления соотношением воздух 49
топливо и крутящим моментом. Теоретические исследования
Принцип обратной динамики в синтезе системы управления ДВС 50
Аналитический синтез адаптивного управления соотношением воздух / 58 топливо
3.2.1 Адаптивное управление: точное измерение регулируемой переменной
Постановка задачи 58
Параметризация объекта управления 59
Синтез управления 62
Алгоритмы адаптации 64
3.2.1.5 Анализ полученных результатов 78
3.2.2 Адаптивное управление: измерение регулируемой переменной с 82
помощью динамического сенсора
Постановка задачи 82
Синтез управления 83
Наблюдатели входных сигналов 85
Выводы 93
3.2.3 Адаптивное управление: измерение регулируемой переменной с 95
запаздыванием
Постановка задачи 9 5
Синтез управления 96
Параметризация объекта управления 97
Идентификатор параметров 98
Предиктор 99
3.3 Аналитический синтез адаптивного управления крутящим моментом 101
Постановка задачи 102
Синтез управления 103
Идентификатор параметров 104
3.4 Синтез обучающихся систем управления ДВС 106
Постановка задачи 108
Синтез управления 109
Определение структуры регулятора 109
Синтез прямых связей 111
Синтез обратных связей 117
Алгоритм синтеза замкнутой системы управления с обучением 117
3.5 Заключение 119
4 Синтез адаптивных и обучающихся систем управления соотношением воздух 120
топливо и крутящим моментом. Практические результаты
4.1 Адаптивное управление соотношением воздух / топливо 120
4.1.1 Адаптивное управление: точное измерение регулируемой переменной 120
Постановка задачи 120
Параметризация объекта управления. Синтез управления 121
Алгоритмы адаптации 122
Моделирование 125
Выводы 134
4.1.2 Адаптивное управление: измерение регулируемой переменной с 135
помощью динамического сенсора
Постановка задачи 135
Наблюдатель входного сигнала 135
Синтез управления 136
Моделирование 136
Выводы 141
4.1.3 Адаптивное управление: измерение регулируемой переменной с 142
запаздыванием
Постановка задачи 142
Идентификатор параметров 142
Предиктор 143
Настраиваемый регулятор 144
Моделирование 145
Выводы 148
4.2 Адаптивное управление крутящим моментом 149
Постановка задачи 149
Синтез управления 150
Алгоритмы адаптации * 151
Моделирование 152
4.3 Моделирование многоканальной системы управления соотношением 156
воздух / топливо и крутящим моментом
5 Синтез обучающейся системы управления соотношением воздух топливо и 161
крутящим моментом. Практический результат
5.1 Управление соотношением В/Т 162
Постановка задачи 162
Синтез управления 163
Инициализация алгоритма обучения 163
Методы итеративного обучения. Моделирование 167
Синтез комбинированного управления. Моделирование 170
5.1.3 Экспериментальные результаты итеративного обучения системы 173
управления соотношением В/Т
5.2 Управление крутящим моментом 177
Постановка задачи 177
Синтез управления 178
Инициализация алгоритма обучения 179
Метод итеративного обучения и синтез комбинированного 180 регулятора. Результаты тестирования
5.3 Результаты тестирования двухканальной системы управления 185
соотношением В/Т и крутящего момента
Заключение 187
Приложение А 191
Список литературы 192
Введение к работе
Развитие современного автомобилестроения неотъемлемо связано с усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В частности это объясняется постоянным ужесточением требований, предъявляемых к экономичности и приемистости двигателя, а также к выбросам вредных веществ в атмосферу. Тенденция развития обусловлена требованиями законодательств во всех развитых странах, ограниченностью и удорожанием нефтегазовых ресурсов, на основе которых производится топливо, а также конкурентной борьбой производителей. Совершенствование двигателей осуществляется как путем оптимизации конструкции ДВС с использованием новых сверхпрочных, тугоплавких и в то же время легких материалов, так и путем разработки и внедрения современных методов автоматического управления ДВС. При этом последнее направление наиболее перспективно, т.к. практическое применение эффективных методов управления позволяет перейти на качественно новый уровень в развитии двигателестроения.
В настоящее время подавляющее большинство автомобилей оснащено инжекторными двигателями, т.е. двигателями, подача топлива в которых осуществляется путем принудительного впрыскивания. Первые инжекторные системы были механическими (например, система K-Jetronic [1, 23]), что ограничивало качество регулирования ряда характеристик, в частности соотношения воздуха и топлива в цилиндрах. Однако, с внедрением электронной микропроцессорной техники и заменой механических систем двигателя электромеханическими, а также электронными появилась возможность более гибкого, а значит, и более эффективного управления. Установка в современные двигатели микропроцессорных систем, датчиков, электромеханических форсунок, приводов и т.п. позволила применить современные методы автоматического управления, и, в частности, методы нейронечеткого, обучающегося [43, 49, 51], адаптивного и робастного управления [7, 9, 28, 37, 59, 60].
К особенностям двигателя как объекта управления относятся: нелинейность его характеристик, нестационарность (двигатель в основном работает в динамических режимах), неопределенность параметров, недоступность прямому измерению ряда величин, запаздывание, обусловленное временем течения газов в коллекторах, инерционность датчиков и исполнительных механизмов и т.д. Иными словами, двигатель является сложной динамической системой с неопределенностями, подверженной различного рода возмущениям, что вызывает необходимость использования методов адаптивного, робастного и обучающегося управления.
Большинство регуляторов, которыми оснащены современные ДВС, построено на основе экспериментальных данных, полученных на этапе калибровки двигателя, а также простейших законов управления, рассматриваемых в теории линейных систем. В этом случае, как показывает практика, существуют жесткие ограничения по качеству работы двигателя в силу его особенностей.
Таким образом, разработка и развитие методов управления инжекторными ДВС на основе современной теории адаптивных, робастных и обучающихся систем является актуальным направлением как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Одним из первых этапов синтеза системы автоматического управления ДВС, как и любым другим объектом, является построение его математической модели. Учитывая свойства двигателя как сложной системы, необходимо отметить, что его модель, ориентированная на синтез регуляторов, представляет собой совокупность нелинейных дифференциальных или разностных уравнений. Очевидно при этом, что построение регулятора, который призван обеспечить желаемое поведение системы с высокой точностью, зачастую является трудоемкой процедурой. Для того, чтобы упорядочить и, как следствие, упростить выполнение этой процедуры необходимо руководствоваться основополагающими принципами синтеза систем управления. Одним из таких принципов является принцип обратной динамики, который заключается в следующем [13, 14]: задачи построения замкнутых систем автоматического управления с обратными связями по состоянию можно формулировать и решать как обратные задачи динамики. Под обратной задачей динамики принято понимать задачу со следующей формулировкой: по заданному закону двиэюения системы определить силы, под действием которых ото двиэюение происходит.
Этот принцип имеет важное практическое значение, т.к. на его основе можно построить принципиально новые и эффективные методы синтеза алгоритмов управления. Существенно, что приемы основанные на принципе обратной динамики позволяют строить эти алгоритмы в замкнутой форме как для линейных, так и для нелинейных систем, к числу которых относится ДВС. По этой причине концепция обратной динамики является основополагающей в проводимых в диссертационной работе исследованиях.
Как было отмечено выше, ДВС является сложной динамической системой, математическая модель которой по мере возможности должна отражать основные свойства двигателя. Однако, от того насколько адекватной является та или иная модель и каким образом она построена, зависят как применяемые методы синтеза регулятора, так и эффективность работы системы управления. И здесь необходимо выделить два класса методов конструирования регуляторов ДВС, которые включают два принципиально
8 разных подхода построения математических моделей двигателя и базирующиеся на этих моделях законов управления: класс аналитических методов и класс экспериментальных методов.
Аналитические методы предполагают создание модели двигателя, основанной на математическом описании процессов (аэродинамических, химических, механических и т.д.), которые играют главные роли при функционировании ДВС. Созданная модель анализируется, выделяются ее основные свойства, после чего производится синтез регуляторов.
Необходимо подчеркнуть главную особенность аналитического класса методов. Дело в том, что построенная модель должна быть достаточно простой для того, чтобы в принципе сделать возможным аналитический синтез регулятора. С другой стороны упрощение модели приводит к ее неадекватности реальному процессу, что может привести к неустойчивой работе реальной системы. Иными словами, требуется искать золотую середину, которая в полной мере решит все стоящие проблемы, что не всегда возможно, либо затруднено. Тем не менее, аналитические методы синтеза регуляторов чаще всего встречаются в теоретических исследованиях, т.к. имеют в своем основании обширный потенциал принципов и подходов современной и классической теории управления.
Класс экспериментальных методов предполагает либо создание математических моделей, а затем и регуляторов на основе экспериментальных данных без акцентирования внимания на физике процессов в двигателе, либо отсутствие модели вообще. В первом случае проводится эксперимент, который предполагает работу ДВС во всех возможных режимах. Затем создается некоторая абстрактная структура, с помощью которой строится математическая модель, (например, на основе известных в теории идентификации, моделей Гаммерштейна и Немыцкого [15]). После этого также на основе обработки данных строится регулятор, например, с помощью аналогичной абстрактной структуры и таких методов, как методы обучающегося управления [39]. Во втором случае проводятся эксперименты, на основе которых формируются таблицы. Каждая ячейка в таблице представляет особый режим работы, характеризующийся определенными показаниями датчиков. Этому режиму в свою очередь соответствует определенный сигнал управления. В обоих случаях из-за того, что объект представляется "черным ящиком", неизбежно значительное усложнение структуры регулятора, которая еще больше усложняется при увеличении требований к качеству. Более того, необходимость получения информации о всех режимах работы ДВС требует более тщательной подготовки и выполнения предварительного эксперимента. Несмотря на эти недостатки, с помощью
9 экспериментальных методов синтеза можно строить быстродействующие регуляторы, которые обеспечивают высокое качество работы замкнутой системы.
Таким образом, в диссертационной работе проводятся исследования по двум направлениям, соответствующим этим классам методов построения регуляторов. При этом анализ и синтез системы управления ДВС проводятся с точки зрения концепции задач обратной динамики.
Целями и направлениями диссертационной работы являются:
разработка аналитических и эмпирических моделей инжекторного двигателя, ориентированных на аналитический синтез систем адаптивного и обучающегося управления соотношением воздух/топливо (В/Т) в цилиндрах и крутящим моментом;
синтез систем адаптивного управления соотношением В/Т в цилиндрах и крутящим моментом: создание быстродействующих практически реализуемых алгоритмов адаптации, компенсация амплитудных и фазовых рассогласований в канале измерения величины соотношения В/Т, компенсация запаздывания в канале измерения величины соотношения В/Т;
— разработка методов построения обучающейся системы управления
соотношением В/Т в цилиндрах и крутящим моментом. Синтез систем обучающегося
управления: создание и усовершенствование метода итеративного обучения регулятора на
основе инверсных математических моделей соотношения В/Т и крутящего момента,
тестирование построенной системы управления ДВС.
В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие теоретические и практические результаты:
— методы обучения системы управления соотношением В/Т и крутящим
моментом;
— системы адаптивного управления соотношением В/Т и крутящим моментом с
компенсацией динамики и запаздывания в канале измерения соотношения В/Т;
— аналитическая и эмпирические модели инжекторного ДВС, ориентированные
на синтез алгоритмов адаптивного и обучающегося управления;
Практическая значимость
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что предложенные методы могут быть использованы при разработке современных экологически безопасных и экономных систем управления инжекторными двигателями
10 автотранспортных средств широкого назначения в различных отраслях народного хозяйства.
Апробация работы Работа выполнена на кафедре систем управления и информатики Санкт-Петербургского государственного 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 адаптивной компенсацией внешних возмущений"; по персональному гранту для студентов, аспирантов и молодых специалистов Санкт-Петербурга "Адаптивные наблюдатели линейных систем автоматического управления" (№ГР МОЗ-З.ПД-166, АСП № 303070, 2003г.); по персональному гранту для студентов, аспирантов и молодых специалистов Санкт-Петербурга "Адаптивные наблюдатели линейных систем с улучшенной параметрической сходимостью" (№ГР М04-3.11Д-318, АСП № 304053, 2004г.); по персональному гранту для студентов, аспирантов и молодых специалистов Санкт-Петербурга "Адаптивное многоканальное управление инжекторным двигателем внутреннего сгорания" (№ГР М06-З.ПК-42, АСП № 306041, 2006г.). Разработанные алгоритмы управления были реализованы, прошли экспериментальное тестирование и были использованы при разработке перспективных систем управления соотношением В/Т и крутящим моментом в инжекторном двигателе V8 автомобиля Chevrolet Corvette в корпорации General Motors.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXII, XXXIII, XXXIV, XXXV научных и учебно-методических конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУИТМО (2003, 2004, 2005 2007), VII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", на 10-ой и 11-ой международных студенческих олимпиадах по автоматическому управлению ВОАС'04, ВОАС'06 (Санкт-Петербург 2004 и 2006г.).
Публикации по теме диссертационной работы Основные теоретические и практические результаты диссертации отражены в 8 публикациях и 7 докладах. Доклады доложены и получили одобрение на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, приложение, список литературы, содержащий 61 наименование. Основная часть работы изложена на 196 страницах машинописного текста и содержит 53 рисунка и 14 таблиц.
В первой главе инжекторный ДВС проанализирован как объект управления, выделены основные контуры управления, определены регулируемые переменные и управляющие воздействия. Сформулированы основные задачи управления инжекторными ДВС. Рассмотрены постановки задач слежения крутящего момента за эталонным значением и стабилизации соотношения В/Т. Приводится краткий исторический обзор методов управления ДВС.
Во второй главе представлен вывод аналитической и эмпирических моделей инжекторного ДВС, ориентированных на синтез алгоритмов адаптивного и обучающегося управления. Модели верифицируются, и анализируются их свойства.
В третьей главе проводятся теоретические исследования методов управления ДВС. Рассматривается и поясняется примерами принцип обратной динамики, на базе которого возможно построение алгоритмов управления сложными динамическими системами. На основе класса моделей объектов, к которому принадлежит аналитическая модель ДВС и аналитических методов производится разработка алгоритмов адаптивного управления соотношением В/Т и крутящим моментом. Рассматриваются методы компенсации динамики Я -сенсора и запаздывания в канале измерения соотношения В/Т. На основе экспериментальных методов и класса моделей объектов, к которому относятся эмпирические модели ДВС, разрабатываются алгоритмы обучающегося управления соотношением В/Т и крутящим моментом.
В четвертой главе производится синтез алгоритмов адаптивного управления соотношением В/Т с компенсацией динамики Я-сенсора и запаздывания в канале измерения регулируемой переменной. Осуществляется синтез алгоритмов адаптивного управления крутящим моментом, и проводится моделирование полученной системы управления. В качестве заключения приводятся результаты моделирования двухканальной системы управления инжекторным ДВС.
В пятой главе разрабатываются метода и алгоритмы обучающегося управления соотношением В/Т и крутящим моментом. На каждом этапе синтеза проводится моделирование и практические эксперименты, проведенные в корпорации General Motors. В качестве заключения приводятся результаты тестирования двухканального регулятора соотношения В/Т и крутящего момента.
