Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

регулятора складу суміші.

Визначення зазначених особливостей найпростіших систем

регулювання (пневматичного, механічного) дозволяє сформулювати

основні ознаки мікропроцесорних (комп’ютерних) систем з програмним

керуванням:

задання програми керування процесами ДВЗ, перш за все,

дозуванням паливо- та повітропостачання, як визначальними;

вибір таких командних параметрів, що адекватно відображають

фізичну суть цих визначальних процесів, зокрема, їх гідро-аеродинамічні

особливості;

забезпечення найбільшого ефекту засобами мікропроцесорної

техніки при реалізації комп’ютерної керуючою програми шляхом

формування керувальних дій на основі обраних командних параметрів.

Розглянемо реалізацію названих ознак на прикладі КПСК

паливоподачі, показаної на рис 2.5, яку побудовано на принципі

програмного керування [16].

Основою КПСК є дозувальні елементи у вигляді швидкодіючих

клапанів-форсунок з електромагнітним керуванням, які використовуються

для розосередженого (по циліндрах) вприскування бензину з електронним

керуванням. Розосереджений вприск ще називають багатоточковим.

Насос 2 створює постійний перепад тисків перед форсункою й

об’ємом, куди вприскується паливо. Тому циклова витрата палива G

пал

залежить тільки від тривалості відкриття клапана форсунки.

Таким чином, кінцева мета керування зводиться до формування

командного імпульсу визначеної тривалості τ

(рис. 2.1). Формування

такого командного імпульсу по суті є процесом синтезування інформації

датчиків системи з метою її настройки на найкращу паливну

економічність, наприклад. Сформований командний імпульс тривалістю τ

(електричний сигнал) і подається на привід форсунки (ланка А).

Блок синтезу інформації (БСІ) може мати різні схемні рішення, що

визначається принципом перетворення інформації датчиків, у тому числі з

використанням мікропроцесора.

Підсистема паливоподачі працює від електромережі автомобіля.

Схема на рис. 2.5 допомагає з’ясувати структуру сучасної КСК ДВЗ,

до якої і входить КПСК паливоподачі.

Призначенням функціональних КПСК паливо- та

повітропостачанням є формування головних командних імпульсів і їхня

реалізація за заданими функціями цілі з бажаним техніко-економічним

ефектом. Під головними командними імпульсами КСК ДВЗ розуміються

такі, що формуються в блоках керування (КБК) при змінах основних

показників роботи двигуна – експлуатаційної паливної економічності та

прийнятності, а також роботою двигуна під час пуску, на примусовому

холостому ході тощо.

Рисунок 2.5 – Підсистема розосередженого вприскування бензину з

електронним керуванням

1, 3 – відповідно, паливний бак, фільтр; 2 – паливний насос з електроприводом

;

4 – форсунка з електромагнітним керуванням; 5 – стабілізатор тиску палива; 6 , 7 –

відповідно, впускні трубопровод і клапан; 8 – блок керування (синтезу інформа

ції);

9 – датчик абсолютного тиску; 10 – датчик частоти обертання колінчастого вала; 11 –

датчики положення і швидкості відкриття дросельної заслонки; 12, 13 – відповідно,

датчики температур повітря й охолоджувальної рідини; 14 – перепуск з клапа

ном

регулювання подачі повітря під час пуску та прогріву двигуна

+12В

від КШМ

БСІ

До КСК ДВЗ можуть входити, окрім КПСК, й допоміжні КБК

токсичністю, надійністю, кліматичним пристосуванням двигуна тощо [6,

16].

2.2.6. Реалізація принципу адаптивності

Цей принцип реалізується в КСК з середнім і високим рівнем

інтелекту. Крім того, як відзначено вище, адаптивні (програмно-адаптивні)

системи вже витісняють системи з суто програмним керуванням ДВЗ. Це

пояснюється наступними причинами.

Автомобіль (як і інші силові установки з ДВЗ) функціонує в

середовищі, що безперервно змінюється, причому режими роботи агрегатів

та механізмів повинні якомога повніше узгоджуватися з нестаціонарними

характеристиками цього середовища. Тому режими роботи автомобіля (і

двигуна) безперервно змінюються як під впливом середовища, так і в

наслідок дій оператора, що ним керує.

Якщо розглядати окремі механізми власне двигуна і в цілому

автомобіля, використовуючи принцип автоматизації спрацьовування

командної дії, слід підкреслити, що більшість з них є системами з

програмним керуванням без зворотних зв’язків, тобто вони позбавлені

можливості адаптації.

На жаль, програма дій таких систем (пристроїв), що закладається ще

при проектуванні силової установки й уточнюється у процесі їхньої

доводки, зберігається в незмінному вигляді протягом усього терміну

експлуатації.

У реальних умовах експлуатації неминуче виникає суттєве

непогодження між програмами керування, які жорстко закладені в КСК, і

тими, що є оптимальними для даного моменту часу. Це обумовлено

випадковим (непередбаченим) сполученням конкретних факторів, що

миттєво змінюються в конкретних умовах експлуатації.

Системи з автоматичною адаптацією принципово відрізняються від

систем з жорстким програмним керуванням. Головна перевага перших –

здатність самонастроюватись за результатом на виході КСК ДВЗ; для

адаптивних систем характерна наявність зворотного зв’язку.

Проблеми адаптивного керування робочим циклом двигуна можна

розглянути, виходячи з напрацювань у галузі кібернетики й теорії

керування.

Сучасний стан цих наук дозволяє з повною підставою вважати

постановку задачі комплексного адаптивного керування робочим циклом

ДВЗ сучасною і реальною.

Можна створювати системи з адаптивним керуванням, які мають

декілька входів (декілька командних параметрів), оскільки необхідно

враховувати кілька впливаючих факторів: концентрацію токсичних

речовин у відпрацьованих газах, кут випередження запалювання, фази

газорозподілу, температурний режим деталей, тиск наддуву тощо.

Конструктивно-схемні рішення КСК ДВЗ, у яких задіяно принцип

адаптації робочих процесів в двигуні до умов його експлуатації, перш за

все, до спрацювання пар тертя під час терміну служби, розглянуто нижче.

Зупинимося на специфіці ДВЗ як об’єкта керування з точки зору

його пристосування до адаптивності.

Специфічною характеристикою, яку потрібно дослідити, є тривалість

виходу об’єкта регулювання на оптимальний режим. Для автомобільного

двигуна, наприклад, який працює переважно в умовах перехідних процесів

(неусталених режимів), швидкий вихід системи в зону оптимального

параметра має першорядне значення, оскільки це скорочує тривалість

перехідних процесів.

Відомо, що час пошуку оптимуму залежить від ряду факторів, у тому

числі від швидкодії приводу задавального пристрою, пов’язаної зі зміною

режиму роботи електромагнітних форсунок паливоподачі. Така швидкодія

приводу зумовлює і здатність форсунок практично без затримки

виконувати команди БСІ. Інакше кажучи, якщо зв’язати пристрій

оптимізації мікропроцесора з БСІ, можна отримати канал керування,

швидкість виходу якого на режими оптимальних складів суміші буде

цілком прийнятною. Нижче буде показано, що для каналів адаптації

паливоподачі автомобільних швидкохідних бензинових двигунів

тривалість виходу на оптимальний режим не повинна перевищувати 0,2 мс.

Важливо ще раз підкреслити, що особливістю систем автоматичної

адаптації є самозмінний закон регулювання. Це й дає можливість

застосувати такі системи для автоматичного забезпечення екстремальних

оптимальних значень показників двигуна, що нас цікавлять.

Зупинимося на класифікації каналів КПСК паливоподачі автомобіль-

ного двигуна і на задачі, що пов’язана із знаходженням оптимального

складу горючої суміші.

Нижче мова піде про програмно-адаптивні КПСК паливоподачею,

що отримали практичне поширення:

КПСК з безпосереднім дослідженням похідної. Припустимо, що на

виході автомобільного двигуна встановлено датчик інформації про

ефективний крутний момент М

кр

. Як інший датчик використано

переривник запалювання, частота імпульсів якого пропорційна

швидкісному режиму роботи двигуна. Перетворюючи інформацію

зазначених датчиків, можна судити про ефективну потужність двигуна:

nМкN

кр

де

– константа,

– частота обертання колінчастого вала двигуна, що

відповідає

Тому, коли до БСІ надійде інформація про крутний момент (напруга

), про швидкісний режим

(

)

, а константа буде визначена постійною

напругою

, то потужність двигуна, що залежить від значення

пропорційної їй напруги

, буде адекватною добутку трьох зазначених

напруг, тобто

мк

UUUU

пN

Припустимо далі, що у паливопроводі встановлено датчик, який

перетворює інформацію про вагову

витрату палива в напругу

. Тоді

питома витрата палива

адекватно

визначається співвідношенням

UUU

пал

Виходячи з поняття

регулювальної характеристики,

відмітимо, що питомі витрати палива,

отже, і

, за регулювальною

характеристикою змінюються згідно з

графіком рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Характеристика

функції, що оптимізується

min

пал

опт

пал

Залежно від режиму роботи двигуна крива зміщується й

перекручується, причому закон її відбування заздалегідь невідомий, тому

що на неї впливає значна кількість (у випадковій комбінації) змінних по

ходу експлуатації факторів. Однак в усякому разі екстремальне значення

min

обумовлюється умовою

пал

(для будь-якого вигляду

функції )(

пал

Схема адаптації електронного типу, яка забезпечує відповідне

керування, що задовольняє відмічену умову, показана на рис. 2.7.

Регулювання за відхиленням від нуля напруги

здійснює БСІ:

Наведена система відносно проста. Головний її недолік – наявність

диференціюючих блоків, які за принципом своєї дії різко посилюють

високочастотні перешкоди.

КПСК, що реагує на знак похідної. Для усунення впливу

високочастотних перешкод можуть застосовуватися схеми адаптації, що

досліджують знак похідної, у яких немає диференціюючих блоків.

Стосовно дозування палива автомобільного двигуна схема працює

наступним чином.

Для схеми рис. 2.8 диференціювання не обов’язкове, а достатньо

оцінити відношення кінцевих прирощень

. Спеціальний

Рисунок 2.7 – Схема електронного пристрою для адаптації з безпосереднім дослі-

дженням похідної та її елементи (блоки):

–

множення; 2

–

ділення; 3, 4, 5

–

диференціювання; 0

–

да

чики

пал

пристрій визначає знак. У момент його зміни для

виконавчий блок

відповідно змінює витрату палива.

Наприклад, канал адаптації знаходиться у визначеній режимній

точці. Пошук екстремуму йде у напрямі збільшення годинних (за годину)

витрат палива. На виході обчислювального пристрою відбувається

безперервне зменшення

(див. рис. 2.6, зона А,). Таке буде доти, доки

не змінить знак, після чого пошук екстремуму почнеться у зворотному

напрямку (див. рис. 2.6, зона Б).

КПСК з запам’ятовуванням екстремуму. У такій схемі (рис. 2.9)

також використовують принцип аналізу знака похідної. Її відмінністю від

попередніх схем є наявність блоків пам’яті й порівняння.

Блок пам’яті фіксує напругу

, що відповідає екстремальним

значенням питомих витрат палива. Потім здійснюється процес порівняння.

При цьому коли різниця значень поточного

та

досягне критичного

значення, спрацює реверс блока виконання. Така схема також є чутливою

до перешкод.

КПСК крокового типу. Враховуючи складність захисту адаптуючих

Рисунок 2.8 – Схема адаптації,

що реагує на знак похідної:

1 – об’єкт керування; 2 –

обчислювальний пристрій; 3, 4 –

блоки визначення знаку й виконання

Рисунок 2.9 – Схема з

запам’ятовуванням екстремуму:

1 – об’єкт керування; 2 – обчислювальний

пристрій; 3,4,5 – блоки порівняння і

виконання

каналів від перешкод, становлять інтерес схеми крокового типу.

Особливістю таких схем є дискретна зміна параметра, що

оптимізується. Показання знімаються через певні терміни часу (кроки), які

задаються тактовим генератором, причому у поршневому двигуні частоту

роботи цього генератора задає власне двигун. Тому час досягнення

екстремуму залежить як від швидкісного режиму двигуна n, так і від

кількості циліндрів: чим більшою буде кількість циліндрів, а також n, тим

вищою стає частота тактового генератора і тим швидше здійснюється

пошук екстремуму.

Отримана інформація подається на блок порівняння, у якому

відбувається порівняння параметрів попередніх кроків. Якщо в результаті

подібного порівняння з’ясується, що параметр, який оптимізується,

збільшився, то виконавчий пристрій видає команду на реверс.

На рис. 2.10 показана структурна схема адаптуючого каналу КПСК

паливоподачою крокового типу.

КПСК з доповнювальним пошуковим сигналом. Розглянемо схему з

доповнювальним пошуковим сигналом, який накладається на основний

сигнал (рис. 2.11).

Дія такої схеми ґрунтується на тому, що обчислювальний пристрій

подає на фільтр сигнал, пропорційний питомій витраті палива, але фільтр

пропускає тільки синусоїдальну компоненту цього сигналу. Далі сигнал

Рисунок 2.10 - Схема КПСК крокового

типу:

1 – об’єкт керування;

2 – обчислювальний пристрій;

3 – блок порівняння;

4 – тактовий генератор;

5 – блок пам’яті;

6 – блок порівняння;

7 – блок виконання

передається до логічного елемента, куди одночасно подається сигнал від

генератора синусоїдальних коливань.

При переході адаптуючого каналу через екстремальну точку фаза

коливань зміщується на 180 кутових градусів. Зміщення фази викликає на

виході з логічного елемента сигнал, що може використовуватися для

реверсу подачі палива.

Аналізуючи наведені структурні схеми адаптивних каналів КПСК

паливоподачі, можна дійти висновку, що всі вони можуть застосуватись

для ефективного реагування на випадкові зміни умов експлуатації силових

установок з ДВЗ. Це підтверджується і практикою.

Однак треба наголосити, що особливі переваги мають схеми з

відсутністю диференціюючих блоків, що різко знижує рівні

високочастотних перешкод, тобто підвищує якість вихідних адаптуючих

сигналів та переваги програмно-адаптуючого керування в цілому.

Приклади і схемні рішення КСК ДВЗ з функціонально різними

каналами адаптації наведені у подальших главах цього підручника.

Завершуючи розгляд принципу адаптивності при побудові КСК ДВЗ,

відзначимо, що застосування адаптивних засобів адаптації – це єдиний і

глобальний напрямок подальшого розвитку комп’ютерних систем

керування.

Ще раз підкреслимо, що у системах з жорсткими програмами

Рисунок 2.11 - Схема з доповнювальним

пошуковим сигналом:

1 – об’єкт керування;

2 – обчислювальний пристрій;

3 – фільтр;

4 – логічний елемент;

5 – перемикач полярності;

6 – блок виконання;

7 – генератор синусоїдальних коливань

керування (хоча б і в електронному виконанні) неможливо реалізувати

задачі керування з оптимізацією за кількома критеріями.

Крім того, адаптивні КСК, не зважаючи на їх складність, практично

не збільшують вартість силової установки, оскільки комп’ютерно-

електронна частина системи керування будується на включенні в неї

адаптуючих елементів замість існуючих. Крім того, незмінність вартості

зумовлено й тим, що з двигуна знімається ряд найбільш складних

механічних систем керування. Нарешті, а це – головне, забезпечується

суттєва додаткова економія палива, зниження токсичності викидів,

поліпшення динаміки силової установки.

2.3. Забезпечення надійності КСК ДВЗ

Принциповим є питання надійності і стабільності роботи

комп’ютерних систем керування під час тривалої експлуатації.

Саме ці якості тривалий час гальмували або стримували розвиток і

використання КСК у двигунобудуванні.

Останнім часом проблемі фізичної та параметричної надійності ДВЗ

приділяється помітна увага, досягнуто значних результатів, що й

дозволило поставити КСК ДВЗ на масове виробництво та експлуатацію.

Забезпечено великий техніко-економічний ефект і високу

конкурентоспроможність сучасної автоматизованої моторної техніки

різних призначень.

Крім того, підвищення надійності та стабільності роботи КСК ДВЗ

сприяло зростанню технічного рівня як власне двигунів так і моторних

силових установок.

Зупинимося на проблемах надійності і стабільності сучасних КСК

ДВЗ.

2.3.1. Забезпечення фізичної та параметричної надійності роботи

КСК ДВЗ за результатами їх структурного аналізу й

самодіагностування

Розглянемо питання структурного аналізу на прикладі

автомобільного двигуна.

Попередній структурний аналіз пристроїв дозування на стадії їх

проектування дозволяє правильно прогнозувати надійність роботи системи

керування як найважливішого показника якості, наприклад, підсистеми