автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания

На правах рукописи

МИГУШ Сергей Алексеевич

АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.13.01-Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: д.т.н. профессор Никифоров В.О.

Официальные оппоненты:

Профессор, д.т.н. Поляхов Н.Д.

Старший научный сотрудник, к.т.н. Ефимов Д.В

Ведущая организация: Институт проблем управления РАН, г. Москва.

Защита состоится 21 июня 2005 г. в 15.50 часов на заседании диссертационного совета Д.212.227.03 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу : 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, СПбГУ ИТМО.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 18 мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Лямин А.В.

¿/06у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Предметом исследования диссертационной работы являются системы автоматического управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания (ИДВС).

На сегодняшний день в технически развитых странах инжекторные двигатели (т.е. двигатели, где подача топлива в цилиндр осуществляется путем принудительного впрыскивания) практически полностью вытеснили 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 (см. работы А. И. Колчина, I. Arie, С. Pianese, М. Äthans, J. D. Dobner, L. Glielmo,, E.Hendricks).

В современных системах управления двигателями внутреннего сгорания, для реализации цепей обратной связи, используются датчики, которые являются динамическими устройствами. Это означает, что наличие сенсоров вносит в спектр измеряемого сигнала амплитудные и фазовые рассогласования, что ведет к потере точности работы всей системы (см. работы Y.-W. Kim, G. Rizzoni, В. Уткина, А. Стоцкого, Р.Тюрина). С точки зрения теории систем, задача восстановления входных сигналов, может быть сформулирована как задача их наблюдения. В настоящее время, теория наблюдателей состояния (наблюдателей Люенбергера и фильтров Калмана) является хорошо разработанной и доведена до инженерных решений (см. работы М. Уонема, Б.Р. Андриевского, А.Л. Фрадкова). В то же время, теория и практика наблюдателей входных сигналов является недостаточно разработанной.

Поэтому проблемы синтеза наблюдателей входных сигналов, а также разработки адекватных математических моделей двигателей внутреннего сгорания вообще, и инжекторных двигателей в частности, ориентированных на дальнейшее использование в задачах аналитического синтеза систем управления, являются актуальными и представляют 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 (см. работы JI.B. Грехова, А.Н. Ефимова, Д.С. Вырубова, В.Н. Крутова, Ф.И. Пинского, Б-Я. Черняка). Таким образом, задача синтеза замкнутых алгоритмов управления двигателем является актуальной и представляет несомненный интерес как с теоретической, так и с пракгическоГ

В настоящей работе развиваются методы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания. Синтез алгоритмов управления проводится на основе полученной в ходе выполнения работы уточненной математической модели двигателя и предусматривает использование специальных наблюдателей входных сигналов, позволяющих парировать паразитную динамику измерений.

Целями диссертационной работы являются:

1) развитие методов адаптивного управления инжекторными двигателями;

2) разработка уточненной математической модели инжекторного двигателя;

3) синтез наблюдателей входных сигналов, модифицированных к наличию шумов в измерениях входных воздействий;

4) разработка алгоритмов адаптивного управления соотношением воздух/топливо в инжекторным двигателем внутреннего сгорания для случаев прямых измерений регулируемой переменной и измерений с помощью динамических датчиков.

Методы исследований. Для получения теоретических результатов использовались методы современной теории автоматического управления и, в частности, методы адаптивного управления. Для проведения экспериментальных исследований использовались возможности современного программного обеспечения - пакетов Matlab и Simulink, а также экспериментальные данные, полученные в ходе стендовых испытаний инжекторного двигателя автомобиля Chevrolet Corvette V8

Научная новизна:

1) синтезирована проблемно-ориентированная математическая модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, предназначенная для использования в задачах разработай алгоритмов автоматического управления двигателем;

2) синтезирован наблюдатель зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен инжекторный двигатель внутреннего сгорания;

3) синтезированы алгоритмы адаптивной стабилизации соотношения воздух/топливо, для случая непосредственного измерения регулируемой переменной и случая динамического измерения регулируемой переменной.

Положения, выносимые на защиту:

1) уточненная модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, ориентированная на синтез алгоритмов управления двигателем;

2) наблюдатель зашумленного входного сигнала датчика кислорода;

3) адаптивные алгоритмы управления соотношением воздух/топливо в инжекторном двигателе.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при разработке перспективного регулятора адаптивной

стабилизации соотношения воздух/топливо для инжекторного двигателя автомобиля Chevrolet Corvette V8 корпорации General Motors.

Апробация результатов работы. 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».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXII и XXXIV научно-практических конференциях профессорски- преподавательского состава СПбГУИТМО (2003 и 2005 гг.), I конференции молодых ученых СПбГУИТМО (2004 г.), на 10-й международной студенческой Олимпиаде по автоматическому управлению (Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2005г.).

Публикации работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и необходимость развития методов адаптивного управления инжекторными двигателями, а также методов наблюдения зашумленных входных сигналов. Сформулированы цели и задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен краткий исторический обзор развития методов и систем управления двигателями внутреннего сгорания. Приведена классификация систем впрыска топлива, представлена типовая схема инжекторного двигателя, а также изложены основные принципы его работы. Проведен анализ работы двигателя внутреннего сгорания как объекта управления, выделены основные контуры управления, определены регулируемые переменные и управляющие воздействия. Сформулированы основные задачи, автоматического управления ИДВС. Приведена постановка

задач автоматического управления соотношением воздух/топливо и задачи восстановления наблюдений.

Во второй главе синтезирована проблемно-ориентированная математическая модель инжекторного двигателя Предлагаемая модель описывает последовательность преобразования входных сигналов (угла поворота дроссельной заслонки а, количества впрыскиваемого топлива и угла опережения зажигания) в средние значения регулируемых переменных (соотношение воздух/топливо X и крутящий момент Л/) без учета пульсаций данных величин внутри каждого цикла работы двигателя. Модель является проблемно-ориентированной и состоит из следующих подсистем.

1. Поток воздуха через дроссельную заслонку. Уравнения данной подсистемы описывают связь потока воздуха через заслонку [кг/с] с углом поворота заслонки а [рад] и давлением во впускном коллекторе Рт [Па]. Это соотношение представлено в форме

А» («. Р.) = Ш {рт М («)>

0<т,,<.\.

О)

Нелинейные функции <р,(Ря) и <р2(а) описываются следующими выражениями

<PÁPJ =

v^ru

у г

2 Г

г-1

КС

щ; и+и

Рт f 2 V'1 £> _

при

р. U+iJ

(2)

«-tH-SÍH

(3)

где

<Wl-a2 + arcsin(o)--í—Jco$2(a) - a2 cos2(an) -

eos(a)» "

гч f cos(an),l (л\

—arcsinl а--Ц- при cos(a) > acos(an) K )

■q) \ cos(ar) J u

trll-a2-

+ arcsm(a)-—a

при соа(а)<асо8(ад).

В данных уравнениях площадь дроссельной заслонки [м2], й-диаметр впускного коллектора [м], г], - коэффициент эффективности заполнения впускного коллектора [%], р,(Рт)~ нелинейная функция, характеризующая поток воздуха, проходящего через единицу площади дроссельной заслонки; <р2 (а) - площадь открытия заслонки.

2. Давление во впускном коллекторе описывается уравнением:

К+п<1 (5)

где т]с - коэффициент наполнения цилиндра [%], /иа - количество воздуха, проходящего через дроссельную заслонку [юг/с], Поток воздуха в цилиндр цт [кг/сек] пропорционален вытесняемому объему УЛ [м1] цилиндра и скорости двигателя т [об/мин].

3. Процесс осаждения топлива на стенках впускного коллектора. Часть распыляемого топлива осаждается на стенках впускного коллектора, образуя пленку. Эта пленка накапливает и поставляет топливо в цилиндр, в результате процесса испарения. Таким образом, в цилиндр попадает топливо из двух источников: впрыснутое форсункой и испаренное со стенок коллектора. Экспериментальные данные показывают, что приближенно этот процесс можно описать следующей моделью:

+ (6)

где К - коэффициент, показывающий, какая часть распыляемого топлива осаждается в пленку (0<ЛГ<1); - количество топлива, распыляемого форсункой [кг/с]; Т - постоянная времени процесса осаждения топлива [с]. Параметры К и Т - зависят от режима работы двигателя и являются неточно известными.

4. Соотношение воздух/топливо в цилиндре. Переходя от соотношения масс к отношению потоков воздуха и топлива, поступающих в цилиндр, можно записать:

л= Д* _ К р,<» (7)

где - стехиометрическое соотношение (для бензина Г, =14.7), ц^- поток

топлива в цилиндр [кг/сек].

5. Крутящий момент двигателя с определенной степенью точности, может быть представлен уравнением вида:

Мс = г}сПг(о>)Ъ («„ )Р„. (8)

где д- удельная теплоемкость топлива Щж/кг], функция р,(Л), определяет отклонение соотношения воздух/топливо от стехиометрического, а зависимость величины крутящего момента от угла опережения зажигания ат, определяет функция (эДа^).

6. Уравнение движения двигателя получено на основе второго закона Ньютона и описывается уравнением

ах/ ~МС -М[,

(9)

где - приведенный момент всех механических потерь двигателя [Нм].

7. Динамика датчика кислорода. В силу конструктивных особенностей двигателя, соотношение воздух/топливо Л внутри цилиндра измерить невозможно. Для его оценки применяются различные типы датчиков (Я-зондов), которые описываются апериодическими звеньями первого порядка, что вносит амплитудные и фазовые рассогласования в спектр выходного сигнала. Таким образом, вместо мгновенного значения соотношение воздух/топливо Я мы получаем измеренный сигнал Я,, имеющий вид:

где Т5 - постоянная времени датчика кислорода.

8. Модель двигателя в пространстве состояний. На основе полученных уравнений (1)-(10) можно записать модель двигателя в пространстве состояний:

х, =-а,х, + Ь,,х,х]<р] (л, , , *э , и, )<р4 (щ )-Ь1231 (/), (И)

Хг = -агхг+Ьгих, (12)

х, = -а}х,х3 + Ьу<р,(х,)<р2(и2), (13)

У, =—(<№ +4«|)> О4)

У% =сг<р,(х{№(ъ,хг,хг ,щ)<р4(и3)х„ (15)

¿,=^0-,-*,)., 06)

где: х, -ю- скорость вращения выходного вала [об/мин]; хъ = Рт -давление во впускном коллекторе [Па]; хг= /лмасса топливной пленки на стенках впускного коллектора у, ~Л- соотношение воздух/топливо; у2= М- крутящий момент [Нм]; значение соотношения воздух/топливо, выдаваемое

датчиком кислорода; 8^=М¡- приведенный момент всех механических потерь двигателя (трение, инерция и т.д.) [Н-м], и, количество впрыснутого в цилиндр топлива [кг]; иг=а- угол поворота дроссельной заслонки [рад]; и} = а1(Р, - угол опережения зажигания; - коэффициента математической

модели.

Важную роль, при изучении свойств ИДВС как объекта управления, играют статические характеристики двигателя. Данные характеристики описывают статические (т.е. полученные в установившихся режимах) зависимости между различными переменными, описывающими работу двигателя. Кроме того, статические характеристики позволяют проверить адекватность полученной усредненной модели двигателя, так как являются широко распространенной формой представления результатов экспериментальных исследований. В ходе выполнения диссертационной работы, были получены статические зависимости давления во впускном коллекторе Рт и

величины крутящего момента Мс от скорости вращения выходного вала т, и величины угла открытая дроссельной заслонки а, то есть зависимости Рт(ш,а) я Мс(а>,а).

Было проведено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными в ходе стендовых испытаний двигателя автомобиля Chevrolet Corvette V8 объемом 5.8 литра. Аналитические данные получены в результате компьютерного расчета выражений, синтезированных в ходе реализации данной диссертационной работы, с использованием числовых параметров двигателя Chevrolet Corvette V8 (См. табл. 3.5). в программной среде Matlab/Simulink.

Для моделирования статических характеристик двигателя были выбраны углы открытия дроссельной заслонки 18 (частичное открытие дросселя) и 90 градусов (полное открытие, внешняя скоростная характеристика). На рис.1, и рис. 2. приведены скоростные характеристики по давлению и по моменту, полученных экспериментально и аналитически. Как видно из представленных рисунков, разработанная модель с достаточной степенью достоверности

давлению моменту

В третьей главе рассмотрены этапы и известные методы синтеза алгоритмов адаптивного управления. Приведена последовательность синтеза системы адаптивного управления параметрически неопределенным объектом общего вида

х = Ях,и,в), (17)

где х- вектор состояния, и- сигнал управления, в- вектор неизвестных параметров. Цель управления состоит в обеспечении асимптотического слежения вектора состояния *(/)за эталонным состоянием хи (?), т.е. в обеспечении целевого условия

Шшг(/) = 0, (18)

где е=х-хи~ ошибка слежения (или - сигнальная ошибка).

Этап 1. синтез настраиваемого регулятора. В предположении, что параметры в являются известными, синтезируется регулятор

и=и(х,хи,0), (19)

обеспечивающий выполнение целевого условия (18). Регулятор может быть синтезирован любым методом современной теории управления.

Этап 2. формирование адаптивного регулятора. Неизвестные параметры в заменяются в регуляторе (19) настраиваемыми параметрами Таким образом, получаем выражения для адаптивного регулятора

и = 1/(х,хИ,0), (20)

ё = Щх,е), (21)

где структура алгоритма адаптации ©(х,е) подлежит определению.

Этап 3: синтез алгоритма адаптации. На завершающем этапе синтеза адаптивной системы, выбирается функция Ляпунова У(е,в) и вычисляется ее производная в силу уравнений модели ошибки замкнутой системы

¿ = Ф(еЛО, (22)

§ = -©(е,0, (23)

где 8=0-0 - параметрическая ошибка.

Далее, на основе анализа выражения для У(е,0) выбирается структура алгоритма адаптации @(е,г), обеспечивающая достижение заданных свойств устойчивости замкнутой системы.

Среди рассмотренных этапов синтеза адаптивных систем принципиально новым (с точки зрения классической теории управления) является этап синтеза алгоритма адаптации. Для его упрощения целесообразно получить некоторые базовые (стандартные) структуры алгоритмов, являющиеся применимыми для возможно более широких классов задач управления параметрическими неопределенными объектами. Такие базовые структуры алгоритмов адаптации синтезируются на основе канонических моделей ошибки. Данные модели, а также, соответствующие им алгоритмы адаптации приведены в таблице 1.

Для использования стандартных алгоритмов управления, описанных выше, модель объекта управления должна быть приведена к «удобной» форме, а именно к линейной регрессионной модели. В целом ряде практических случаев, получение такой модели представляет собой нетривиальную проблему. Например, задача получения параметризованной модели является нетривиальной в случае адаптивного управления по выходной переменной, то есть, при недоступности прямым измерениям координат вектора состояния. В этом случае, для построения параметризованной модели объекта

У.ь.ти, (24,

где р = (1/Ж- оператор дифференцирования, а а{р) и Р(р) - нормированные полиномы переменной р с неизвестными постоянными коэффициентами а, и

Таблица 1. Базовые структуры алгоритмов адаптации

Каноническая модель ошибки Базовая структура соответствующего алгоритма адаптации

Статическая модель ошибки £=<0Тв, в-уеое

Динамическая модель ошибки с измеряемым состоянием ё=Ае+Ьттв в = ymbTPe АТР+РА = -Q

Динамическая модель ошибки с измеряемым входом ё=Ае+Ьа>т0, е = сте, Н(р) = ст(,р1-А)'1Ь £ = Н(р)а>тв - втН(р)ю, е=е + 4". а=Н{р)а, ё-уШё

Ь} такие, что :

ЬЖр) = ЪтР" +b_lP"" +...+V+V а(.Р) = Р' + а^р"-' + а^гр-г + ...+а,/> + а0

используются специальные фильтры состояния:

I = + е^У>

v¡=A0ví+e,^u,

О S / < m,

(25)

где е Л", а вектор коэффициентов обратных связей А: = соОД,,...,)выбран таким, что матрица

-К

/

2 —1

-А, 0 ... О

является гурвицевой. Тогда выходная переменная может быть представлена в виде

где регрессор ср и вектор неизвестных параметров у/ заданы соотношениями

<Р = К.,, V0>1, , 4.-г,......#0J Í.

(27)

(28)

функция времени е, = efe экспоненциально затухает, а вектор е удовлетворяет уравнению ё=\е. Таким образом, для модели (24) получение параметризованной модели (26) является обеспечением свойств устойчивости и

выполнения условия сходимости. При этом, вектор состояния х может быть представлен в виде

* = £-!>,6+!>,+* (29)

где е удовлетворяет уравнению е = .

В четвертой главе приведен обзор известных методов наблюдения зашумленных входных сигналов : «дифференцирование с фильтрацией», алгоритма «с сильной обратной связью» и наблюдателя со скользящим режимом. Алгоритмы наблюдения входных сигналов включают в себя большой класс наблюдателей, призванных оценивать неизмеряемые входные сигналы, используя информацию о состоянии или выходе динамического объекта и о его математической модели. Актуальность использования данного класса алгоритмов в задачах управления инжекторными двигателями обусловлена тем, что большинство датчиков, которыми оснащен современный инжекторный двигатель, представляют собой динамические устройства. По этой причине они вносят в спектр входного сигнала амплитудные и фазовые искажения, что приводит к потери точности работы все системы управления.

В реальном двигателе информация о значении соотношения воздух/топливо X поставляется в систему управления так называемым Я-зондом (датчиком кислорода). Он представляет собой динамический сенсор, который может быть описан апериодическим звеном первого порядка:

1 Л+З, (30)

TSP+1

где z-выходной сигнал сенсора; 5- шум измерений, Ts- постоянная времени сенсора.

В результате анализа известных алгоритма наблюдения входных сигналов были выявлены их основные преимущества и недостатки. На их основе был синтезирован новый алгоритм наблюдения, устойчивый к наличию шумов в спектре входного сигнала. Данный алгоритм описывается уравнениями:

i = -~-sat(if(z-i)), (31)

lsp + l

А = —1—sat(*-(z ~ г)), (32)

где Х- оценка А, положительная константа к выбирается таким образом, что к>тах|Л(/)|, Р<Т. Предлагаемый наблюдатель входного сигнала обеспечивает приемлемое качество наблюдения и успешно противодействует наличию шумов. Кроме того функция «sat» может быть успешно реализована физически, без потери устойчивости системы управления.

В пятой главе, на основе теоретических результатов, полученных в предыдущих главах, синтезированы адаптивные алгоритмы управления соотношением воздух/топливо в инжекторном двигателе внутреннего сгорания.

Модель динамики изменения соотношения воздухЛгопливо (уравнение (6)) может быть переписана в следующем виде:

(зз)

у = ±{х+(\-К)и), (34)

где недоступное измерению состояние х = т1 - масса топливной пленки, образующейся на стенках впускного коллектора; управление и= ¡л^ - поток впрыскиваемого топлива, выходная переменная у-ф - коэффициент эквивалентности в цилиндре (у = 1/Д), И - ц„с! - измеряемый сигнал, а К и Т - неизвестные параметры процесса осаждения топлива на стенках впускного коллектора. Задачей управления является стабилизация величины выходной переменной на уровне у-1, что соответствует поддержанию оптимального стехиомстрического соотношения в камере сгорания. Априорная неизвестность параметров К и Т мотивирует применение методов адаптивного управления. Для параметризации модели введем фильтры:

1—к&+кЦ>, (35)

4^-к4,+кЦу. (36)

Тогда, с учетом (33), (34) выходная переменная принимает вид:

(З?)

а модель ошибки управления может быть представлена как

• «^»-^(«-й)). (38)

где в - вектор неизвестных параметров регулятора, а вектор неизвестных параметров модели ц/ и регрессоры а> могут быть определены как

(39)

®Г=К,(40)

(41)

При синтезе алгоритмов управления были рассмотрены два случая: непосредственного и динамического измерения регулируемой переменной X. В случае непосредственного измерения выходной переменной, требуется синтезировать управление и=и(у,Ц), обеспечивающее стабилизацию желаемого значения выходной переменной у = 1. Анализ параметризованной модели ошибки (38) мотивирует выбор следующего алгоритма управления:

и — ¿¡2 +и8тъ, (42)

где вт =[0, Д] - вектор настраиваемых параметров. Подставляя (42) в (38), получаем замкнутую модель ошибки

е = сЬ>тв. (43)

Таким образом, для настройки вектора в можно использовать стандартный (градиентный) алгоритм прямой адаптации, описанный в главе 3:

9=?н>е, (44)

где у>0- коэффициент адаптации. Данный алгоритм несет в себе следующий физический смысл: он представляет собой градиентную минимизацию мгновенной квадратичной ошибки:

(45)

А-^ЧО.

IIa Рис. 4. представлены результаты математического моделирования работы градиентного алгоритма управления соотношением воздух/топливо в случае входного воздействия, имитирующего последовательные нажатия водителем на педаль газа (Рис.4.а.), а также при входном воздействии, представленным последовательностью ступенчатых открытий дросселя (Рис.4.6.). Как видно из рисунков, при отсутствии неисчезающего возбуждения, данный алгоритм не обеспечивает быструю параметрическую сходимость. Это свойство вызвано тем, что при «бедном» входном сигнале алгоритм настройки неизвестных параметров не располагает достаточным количеством информации о свойствах данных параметров, следствием чего является медленная параметрическая сходимость. При этом, каждое изменение режима работы приводит к появлению ошибки стабилизации.

Для синтеза алгоритма управления, призванного обеспечить лучшую параметрическую сходимость даже при отсутствии свойства неисчезающего возбуждения, был использован метод гибридного управления.

а) при частотно богатом входном воздействии

. д_____гл.

б) при отсутствии неисчезающего возбуждения

Рис. 4. Работа градиентного алгоритма управления соотношением воздух/топливо

Основная идея данного метода состоит в сочетании прямого (градиентного) алгоритма адаптации, быстро минимизирующего ошибку управления, со

специальным алгоритмом идентификации (алгоритм самообучения), обеспечивающим наилучшую параметрическую сходимость.

Прямой алгоритм используется для настройки настраиваемых параметров регулятора. Однако, после каждого, заранее определенного временного интервала Д, значения настраиваемых параметров корректируются алгоритмом самообучения, обеспечивающим более быструю параметрическую сходимость.

При такой схеме управления, градиентный алгоритм непрерывно настраивает параметры управления в и обеспечивает быструю минимизацию ошибки управления е, а самообучающийся алгоритм обеспечивает точную оценку у/ неизвестных параметров ц/ и поставляет ее в регулятор в заранее определенные (дискретные) моменты времени. Так как синтезируемый регулятор осуществляет переключение параметров и несет в своей структуре сочетание двух различных алгоритмов адаптации, данный метод может быть назван «управлением с гибридной адаптацией».

Гибридный алгоритм состоит из фильтров (35), (36), блока сравнения

е=1 -у, (46)

настраиваемого регулятора (42), модифицированного градиентного алгоритма адаптации с переключающимися начальными условиями:

¿р)-М'М4. (47)

¿](тА)=__!_,4(тд) = М^, (48) (СгОяД) ¥Лт6)

и алгоритма идентификации

Б = г1-Ру, (49)

П = еиу, »7(«Д) = 0, (50)

Р=ахот, Р(тА) = 0 (51)

ф = р{а1+РУ'е, (52)

где Д - заранее установленный интервал самообучения, т - число интервалов самообучения.

Алгоритм (52) минимизирует критерий качества вида

1 V

Л = = \ №.

где е(г,г) = шг(г)0(О, ¡р = у/-ф - ошибка идентификации. На Рис. 5. представлены результаты математического моделирования работы гибридного алгоритма управления соотношением воздух/топливо при тех же входных воздействиях. Что и на Рис. 4. На Рис.5.а. представлены переходные процессы при частотно богатом входном воздействии. На Рис.5.б. проиллюстрированы переходные процессы, происходящие при входном воздействии, представленным последовательностью ступенчатых открытий дросселя. Как видно из представленных рисунков, система управления инжекторным двигателем внутреннего сгорания, оснащенная гибридным регулятором, обеспечивает минимизацию ошибки стабилизации, а также быструю

параметрическую сходимость, даже при отсутствии неисчезающего возбуждения. Результаты моделирования демонстрируют, что полученный алгоритм может быть применен при синтезе систем управления реальным объектом.

4.4

а) при частотно богатом входном воздействии

9.9,

б) при отсутствии неисчезающего возбуждения Рис. 5. Переходные процессы в гибридном алгоритме управления соотношением

воздух/топливо

Также был рассмотрен случай, когда регул1фуемая переменная у(1) не доступна прямому измерению. Информация о значении выходной переменной поступает с динамического датчика (30). Требуется синтезировать управление и=и(г,и), обеспечивающего стабилизацию желаемого значения выходной переменной у = 1. Для этого, в структуру гибридного алгоритма управления был включен наблюдатель входного сигнала с насыщением, синтезированный в четвертой главе диссертационной работы. На рис. б. приведены результаты моделирования процесса стабилизации соотношения воздух/топливо гибридным алгоритмом в случае динамического измерения регулируемой переменной.

а) без наблюдателя б) с наблюдателем

Рис 6. Стабилизация соотношения воздух/топливо гибридным алгоритмом в случае динамического измерения регулируемой переменной

На рис б.а. проиллюстрирован работа алгоритма управления без наблюдателя, а на рис. 6.6. представлен случай, когда наблюдатель включен в структуру регулятора. Как видно из представленных графиков переходных процессов, система, оснащенная наблюдателем, успешно стабилизирует выходную переменную несмотря на наличие шумов, а также амплитудных и фазовых рассогласований, вносимых динамическим сенсором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Инжекторный двигатель внутреннего сгорания проанализирован как объект управления. Исследована его математическая модель, выделены регулируемые переменные и сигналы управления, выявлены особенности, присущие данному классу объектов. Приведены постановки основных задач автоматического управления инжекторным двигателем. Выделены общие задачи, относящиеся ко всему двигателю, как единой системе, и частные -относящиеся к отдельным его узлам и элементам.

2. Синтезирована новая, улучшенная модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания - так называемая «усредненная модель», ориентированная на синтез алгоритмов управления двигателем. Получена модель двигателя в пространстве состояний, исследованы его статические характеристики.

3. На основе анализа существующих решений, синтезирован модифицированный наблюдатель зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен инжекторный двигатель внутреннего сгорания.

4. Синтезированы градиентный и гибридные адаптивные алгоритмы управления инжекторным двигателем, для случая непосредственного измерения регулируемой переменной и случая динамического измерения регулируемой переменной.

5. Все полученные моделированием в среде MATLAB/Simulmk результаты проверены на адекватность при помощи данных, снятых с двигателя автомобиля Chevrolet Corvette V8.

Результаты диссертационной работы могут найти широкое применение в современном автомобилестроении, а также в системах управления любыми двигателями, оснащенными системами принудительного впрыска топлива.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Герасимов Д.Н., Мигуш С.А. Алгоритм адаптивного управления соотношением воздух/топливо в инжекторном двигателе //Вестник конференции молодых ученых СПбГИТМО(ТУ).- СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2004,- С. 93 - 96.

2. Герасимов Д.Н., Мигуш С.А. Задачи управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания //Навигация и управление движением: Материалы докладов VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2005 - С. 127-133.

3. Герасимов Д.Н., Мшуга С.А., Никифоров В.О. Алгоритмы адаптивного управления соотношением воздух/топливо в инжекторных двигателях внутреннего сгорания с улучшенной параметрической сходимостью //Сборник трудов XXXIV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ).- СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2005,-С. 12-20.

4. Мигуш С.А., Герасимов Д.Н., Никифоров В.О. Разработка математической модели инжекторного двигателя //Научно-технический вестник СПбГИТМО(ТУ). Информация и управление в технических системах. Выпуск 10. - СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2003,- С.10-18.

5. Migush S.A. Comparison of three algorithms of input signal observation // Preprints of 10-th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad) - Saint-Petersburg, 2004. -P.90-95.

Тиражирование и брошюровка выполнены на ризографе в учреждении «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул.,14.Тсл. (812)233-46-69 Подписано к печати 05.05.2005 г. Тираж 100 экз. Заказ № 74

Р11078

РНБ Русский фонд

2006-4 14220

1. ВВЕДЕНИЕ

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2.1. Двигатель внутреннего сгорания как объект управления

2.1.1. Краткий исторический обзор

2.1.2. Классификация систем впрыска топлива

2.1.3. Основные преимущества систем впрыска топлива

2.1.4.Схема инжекторного двигателя внутреннего сгорания

2.1.5. Инжекторный двигатель как объекта управления

2.2. Методы автоматического управления двигателями внутреннего сгорания

2.2.1. Краткий исторический обзор

2.2.2. Классификация методов построения систем управления ДВС

2.2.3. Актуальные проблемы управления ДВС

2.3. Промышленные системы управления двигателями внутреннего сгорания

2.3.1. Системы впрыска топлива

2.3.2. Объединенные системы впрыска и зажигания

2.4. Постановка задачи автоматического управления соотношением воздух/топливо

2.4.1. Приближенная модель процесса формирования соотношения воздух/топливо

2.4.2. Формальная постановка задачи

2.5. Постановка задачи восстановления наблюдений

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНЖЕКТОРНОГО 54 ДВИГАТЕЛЯ

3.1. Вывод усредненной модели инжекторного двигателя

3.2. Модель двигателя в пространстве состояний

3.3. Статические характеристики

3.4. Результаты экспериментальных исследований

3.4.1. Результаты экспериментальных исследований статических характеристик

3.4.2. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик

4. МЕТОДЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Этапы синтеза адаптивных систем

4.2 Базовые структуры алгоритмов адаптации

4.2.1 Статическая модель ошибки

4.2.2 Динамическая модель ошибки с измеряемым состоянием

4.2.3 Динамическая модель ошибки с измеряемым входом

4.3 Адаптивное управлении многомерным объектом

4.3.1 Постановка задачи

4.3.2 Синтез регулятора

4.3.3 Свойства замкнутой системы

4.4 Параметризованная модель объекта

5. НАБЛЮДАТЕЛИ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

5.1 Общие положения

5.2 Постановка задачи

5.3 Аналитический обзор существующих методов наблюдения входных сигналов

5.3.1 Алгоритм дифференцирования с фильтрацией

5.3.2 Алгоритм с сильной обратной связью

5.3.3 Наблюдатель со скользящим режимом

5.3.4 Вывод 111 5.4 Предлагаемый наблюдатель с фильтрацией шума измерений

6. АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

СООТНОШЕНИЯ ВОЗДУХ/ТОПЛИВО v 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 136 ф 6.4.1 Наблюдатель входного сигнала

6.4.2 Градиентный алгоритм с наблюдателем входного сигнала

6.4.3 Гибридный алгоритм с наблюдателем входного сигнала

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 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 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 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:

- 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 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 АСПЖЗ 03259 «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 ВОАС'2004 ( 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.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в диссертационной работе инжекторный двигатель внутреннего сгорания проанализирован с точки зрения теории автоматического управления. Исследована его математическая модель, выделены регулируемые переменные и сигналы управления, выявлены особенности, присущие именно данному классу объектов. Приведены постановки основных задач автоматического управления инжекторным двигателем. Выделены общие задачи, относящиеся ко всему двигателю, как единой системе, и частные - относящиеся к отдельным его узлам и элементам.

Синтезирована новая, улучшенная модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, так называемая «усредненная модель», ориентированная на синтез алгоритмов управления двигателем. Получена модель двигателя в пространстве состояний, исследованы его статические характеристики.

На основе анализа существующих решений, синтезирован модифицированный наблюдатель зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен инжекторный двигатель внутреннего сгорания.

Синтезированы градиентный и гибридные адаптивные алгоритмы управления инжекторным двигателем, для случая непосредственного измерения регулируемой переменной и случая динамического измерения регулируемой переменной.

Все полученные результаты промоделированы в среде MATLAB/Simulink, а также проверены на адекватность при помощи данных, снятых с двигателя автомобиля Chevrolet Corvette V8.

Результаты диссертационной работы могут найти широкое применение в современном автомобилестроении, а также в системах управления любыми двигателями, оснащенными системами принудительного впрыска топлива.

1. Афонин С. Топливная система дизельных двигателей. Рядные ТНВД. Распределительные ТНВД. Устройство, принцип действия, регулировки, ремонт. Практическое руководство. «ПОНЧиК». Ростов-на-Дону. 2000.

2. Герасимов Д.Н, Мигуш С.А. Алгоритм адаптивного управления соотношением воздух/топливо в инжекторном двигателе. 1-ая конференция молодых ученых СПбГУИТМО. 2004.

3. Герасимов Д.Н, Мигуш С.А. Задачи управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания. Сборник трудов VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». Санкт-Петербург, 2005.

4. Герасимов Д.Н, Мигуш С.А., Никифоров В.О. Разработка математической модели инжекторного двигателя. Сборник трудов XXXII научной и учебно-методической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. Санкт-Петербург, 2003.

5. Грехов Л.В. Топливная аппаратура с электронным управлением. «Легион-Автодата». Москва, 2001.

6. Дружинина М.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Методы адаптивного управления нелинейными объектами по выходу. Автоматика и телемеханика. 1996. №2. С.3-33.

7. Ефимов А.Н., Вырубов Д.С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Москва, Машиностроение. 1980.Т

8. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М., «Высшая школа», 2003.

9. Косарев С.Н., Яметов В.А., Козлов П.Л. Система управления двигателем ВАЗ-2111 (1,5л 8кл.) с распределенным впрыском топлива под нормы токсичности России . «Петер-Гранд». Санкт-Петербург, 2000.

10. Крутов В.Н. Автоматическое регулирование и управление двигателями внутреннего сгорания. Учебное пособие.: М. «Машиностроение», 1989.

11. Никифоров В.О., Ушаков A.B. Управление в условиях неопределенности: чувствительность, адаптация, робастность. Санкт-Петербург, 2003.

12. Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Системы адаптивного управления с расширенной ошибкой. Автоматика и телемеханика. 1994. №9. С.3-22.

13. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей: М.: «Легион-Автодата», Москва, 2001.

14. Мирошник И.В., Теория автоматического управления. Линейные системы. «Питер», Санкт-Петербург. 2005.

15. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков.А.Л, Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. Санкт-Петербург. «Наука».2003.

16. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б .Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. Учебное пособие. М. «Легион-Автодата», 2001.

17. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Издательство «За Рул ем».Москва, 1999.

18. Arie I., Pianese C., Rizzo G., Cioffi V. An adaptive estimator of fuel film dynamics in the intake port of a spark ignition engine. 2003.

19. Aquino C.F. Transient A/F control characteristics of the 5 liter central fuel injection engine. SAE technical paper (1982) 810494.

20. Azzoni P., Moro D., Ponti F. Engine and load torque estimation with application to electronic throttle control. SAE technical paper (1998) 980795.

21. Dobner J.D. A mathematical engine model for development of dynamic engine control. SAE paper No. 800054.

22. Chin Y.-K., Coast F. Engine Dynamics: Time-based versus crank-angle based. SAE paper No. 860412.

23. FTP Preliminary Report: March 27, 1998. USA Federal Standards for Light Vehicles and Trucks.

24. Glielmo L., Cristofaro F., G iuseppe C., Caraceni A. An a lgorithm for the calibration of wall-wetting model parameters. SAE paper No. 2003-01-1054

25. Hedicks E., Chevalier A., Jensen M. Event based engine control: practical problems and solutions. SAE paper No 950008.

26. Hendricks E., Jensen M., Chevalier A., Vesterholm T. Conventional eventbased engine control. SAE paper No. 940377.

27. Kim Y.-W., Rizzoni G., V. Utkin Automotive engine diagnostics and control via nonlinear estimation. IEEE Control Systems, 1998.

28. Onder C.H., Geering H.P. Measurement of wall-wetting dynamics of asequential injection spark ignition engine. SAE paper No. 940447.

29. Park S., Yoon M., Sun woo M. Feedback error learning neural networks for air/fuel ratio control in SI engines. SAE technical paper 2003-01356.

30. StotskyA., Kolmanovsky I. Application of input estimation techniques to charge estimation and control i n automotive engines. Control Engineeringi| Practice 10 (2002) 1371-1383.

31. Simons M.R., Locatelli M., Onder C.H., Geering H.P. A nonlinear wallwetting model for the complete operating region of a sequental fuel injected SI engine. SAE paper No. 1260, 2000, pp. 1-10.

32. Turin R.C., Geering H.P. On-line identification of air-to-fuel ratio dynamics in a sequentially injected SI engine. SAE paper No. 930857

33. Turin R.C., Geering H. Model-based adaptive fuel control in an SI engine. SAE paper No. 940374.

34. Tseng T.-C., Cheng W.K. An adaptive air/fuel controller for SI Engine throttle transients. SAE paper No. 1999-01-0552.

35. Utkin V. Sliding modes in control and optimization. Springer Verlag, 1992.

36. Wang Y., Krishnaswami V., Rizonni G. Event-Based estimation of indicated torque for IC engines using sliding mode observers. Control Engineering Practise, vol. 5, № 8, August 1997.

37. Wendeker M., Czarnigowsky J. Hybrid air/fuel ratio control using the adaptive estimation and neural network. SAE technical paper 2000-01-1248.