автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методов оптимального управления транспортными двигателями внутреннего сгорания

Омосксйокшг ОРДЯТл ЛЕГШЯА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ¡.ТЕХЛИЧВСЮЙ УНИВЕРСИТЕТ им.И.Э.БАУМАНА

На правах рукописи УДК 621.436-523.8.0004.1

Федоров Па г ел Валентине г:тч

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

А 6>

^хР-

Спептальноста: 05.0i.02 - тетаоше двигателя

05.13.ОГ - управление в технических слсте!,:ах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 199 «I

Работа выполнена го Всероссийском сельскохозяйствэнном институте заочного обучения

Официальные оппонента:

Болдырев И.В. доктор технических наук,

ст. научный сотрудник

Пинский Ф.И. доктор технических наук,

академик АЭН

Попов Д.Н. доктор технических наук,

профессор

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)

Защита состоится _1994г. на заседа-

нии специализированного ученого совета Д.053.15.10 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: Лефортовская наб. 1.,корп. факультета "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ имени Н.Э. Баумана,

Автореферат разослан "М? _ 1994г.

Ваш отзыв на автореферат в двух окземплярах , заверенных печать» учереядения, просии направить по адресу: 10Т005, Москва 2-й Бауманская ул.,5, МГГУ им. Н.Э. Баумана, ученому секпетарю специализированного совета Д.053.15.10.

Ученый секретарь

специализированного совета ,

кандидат технических наук ЛЬа^-тко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Футурологические прогнозы на блииай-шие десятилетия уверенно предсказывают сохранение преимущественного использования поршневых ДВС в качестве основной энергетической установки для наземных транспортных средств. Наряду с сохраняющимися тенденциями .'дальнейшего совершенствования конструкции и рабочего процесса ДВС в последние годы наблюдается повышение внимания разработчиков к вопросам рациональной организации управления работой транспортного двигателя по всей обширной области его эксплуатационных режимов. Усугубляющиеся энергетические проблемы, с одной стороны, и чрезвычайно ужесточившиеся потребительские и экологические требования к ДВС - с другой, обусловливают буквально скрупулезную аккуратность в решении задач рационального управления ДВС.

Потенциальные возможности современных технических средств, которые могут быть применены в устройствах для управления ДВС, чрезвычайно велики и разнообразны. Здесь возможно использование многих достижений приборной автоматики, телемеханики, гидравлики, микроэлектроники, вычислительной т лики, вплоть до аппаратно-программных средств искусственного интелекта. Вместе,с тем, любые технические средства и возможности могут быть эффективно и достаточно полно реализованы лишь при использовании хорошо обоснованных функциональных алгоритмов управления, что, в свою очередь, предполагает наличие высокоразвитого, физически реализуемого математического и научного обеспечения решений многочисленных задач оптимального управления транспортным ДВС.

Естественным стремлением разработчика и исследователя систем управления является создание в первую очередь математических моделей с наиболее возможной полнотой я достоверностью отражающих поведение и характеристики реальной системы и. ее составляющих подсистем, моделей, позволчщих подойти к вопросам определения эффективности различных стратегий управления объектом - ДЕС при зг_» взаимодействии с внешней средой. Исключительно сложные явления и процессы, происходящие в система управления транспортным двигателем (СУГД), не поддаются чисто теоретическое описанию. С другой стороны, яксперементальные и натурные исследования этих явлений обычно связаны с большими материальными затратами. Эти обстоятельства, инициируют привлечение такого универсального инструмента к^л

п

'■■•1<'!,"ШыН ъиспир.шт1 кла (¿аодяк^исков иоде/ароЕашш.

1||'Я>>1 ^"Дп1»! ЯИДЛЛОСЬ улучгзши ОСИОМШ ГВКТИКО-Т0ХВЯЧйСК1Х м«"1.гй чгр-иеиортипх срэдетв йуусм о»тий;агщиа еистеы управлении ;(•.!!'!>и-лл^»-;. На осноь''!Ц;:1 ккбариэгневского подхода к вопросам ьиа-

к,11.и м с&юайи смей;;*, ущчттиад цель достигалась роаениса

пц;ду а*,;; а аадачг •

«• обои»оъ.цщо гаши^К^х аспектов системного подхода к проек-оЦчК.-Лы«; у с 4" рой Сил уярзслсшг двигателей с учвтои взьииодейстыш :,г.:««.с8 II смс^еиа "ср.:.ДЗ г ийыш. - дьигмель - управляющее уст-(.•¿¡«•»"йр- БОДИГеЛЬ*»

" построта;- радон&лыых яогако-ыатеиатичоских иодеяей под-••»ш'.чи упримашш, пргоднлх дйд использований на иэдльиих »*«.-1т Проонгярос^шш СУ;

• ~ р^работка ь'.'.«>дое, июшйчичасшх к тешшчзских средств с.^пстнч^ск^Гй ецмШ'ь?.г..и и с*охас1И$зской ьппрокюшщиа хараите-]„1СГЧИ СУ ДШ;

- обосноц&шь саскаи кри-ераоь качоетьа фунхцЕоиарослиш СУ, .¿ор^ал.гаацня кр^ор^вв олтихиаища и коиюгшций крлтерлеа дал хо-

уелок»; дигкемш шетш;

- опрадэлешш харакгерютнв (функций, операторов, адовоеих носгг,до ьат еяыюстзй) оптаммишх управлений два характерных ситуа-

дыжешш ихшии с леполызованпеи специф:лш фор.! цояошх фунх-ц-лИ и форшааиоо огшсшыЯ ршшо»;

- синтез фуньцаоиадышх и слгорлгаачоских структур подсист<.и СУ двдг&тезем;

- синтез технических структур, подсистем СУ, устройств функциональной диагностики и саиогестиросашя, разработка штешти-чзского и программного обеспечения СУ и систем диагностики.

Научная новизна работ» состоит б той, что разработан комплексной кибернетический подход к проектированию систем управления Разработанные теоретические пояснения оптимального управлении яь-йлтеп основой научной бази создания еффеккшшх СУ'ГД. Определены хараитершю категорш режимов и условий функционирования СУТД в соотьетствущих ситуациях движения транспортного средства. Вперьие установлены необходимые и достаточные атрибуты оптимального упраь-лзн'ля транспортнш двигателем. Обоснованы математические модели и структурные модули, футщшшругацие в характерных режимах, определены пршрнтетные задачи, крлтерии и алгоритм шбора оптимальном управления для соответствующих ситуаций двияения маышы. Развиты

n

n обобцекя tmopt очснгл устоКпякоог! дгяглт«»«!, onp?;twirt cr-тл. ярятярязв устоГ;*пг-остл, нзЯдптя: по истоду и пр?>алотаткжу по гггпду опрдалснтм mrte?mscjr«x jqitrsp«?* ус-го8»пгосто. Обосиомиа н^б.чод'тссть орждеепяя '¡ляьтров Кэт-'гп« Б?'«ег! дл ?01>УГ,9Г0 спстсяпг.я дгагатап, r^ir"flo*rn-,<

горят флльтргвдт, устоШпп«) st cnmm в йзиогпт«*м*!пе Радргботйш ioiscCRfitrqn-i стратегий упр^вягтав, imtasntrm рл.р. еичугциошпгэ тсгчювзгка врорггстгп цилеоообрэиоит:.

прякзиюкм! » болышстгя етулцнй mavrrama ад^тфткштюго ИОДХОДй с ijcn05t302x;!tl0 Л-Н рСГЖЯП SiW* ynpP'fW'W 1W*Jf<HSCWV»-::*::: глг:пцло!п:'1а глтодоа в» tfrjo прЩ!"па изйпртяямюй mtrsptcii-'п:?стг! з изглитр^русчоЯ frirrvir"! гл рпг.-7ггл-

топ гаду дпгатеяй.

, итгоур. {«чссвртыкя оакляслсгся в ссзденчя ио-uix тсорз'шческ!* па.пс~(р.гл'Л, позволяем* осуцасггглть «текла ск!::.гЯ гго'ядекекуЯ подход г; прояктяроватмя ске??ч управления с уть pmiicytrci устроЙс7Ей.'.21 рззгачноЯ целесообразной стгпенг? СЛОЭТГОСТГ;. Разрзботатага срадс*« cne::™ä состояния пвзгодзз? осуществлять ts~ f?yqyn иаемзгрниув оценку координат состояли дкигатэля, Ф/ншисш-русого з услоглях ностсцлокар&сс сдупзПкаг бездействий» Разработана и предлокеиа к праиенегспэ аппаратные средства воспроизведения гмгяслучайгеге реотков двигателей, статистические параметра которых адекватны харзктерзстикгц натурных реализаций. Прздлокеш методу синтеза управляггдзго устройства, в полной кера реализугщего комплекс задач оптаяального управлегеи транспортам двигателем. Па основа отдельных положений разработанной концепции оптимального управления дгягатеяеа осуществлен ряд макетных я опытно-конструкторских ревений аппаратных средств управления, защищенных авторегашя

СВЛДЗТеЛЬСТВШИ.

Реализация. Результаты, полученные в процессе работы над тактикой диссертации, использованы при разработке электроишяс регуляторов частоты вр^вшя c:,ntect}>.o с НЗТА, ОГК ЙЗТА принята методика определения кзадстгз лгроходгаяс првцвееоз 8 САУ. 3'"Jw прнп-ты для внэдре1{®1 методяш» расчета ycipsßcf» оценка энергетических показателей гракторшх ДЕС я tsmsiscsae требования на изготовление автоматического работомера. Б НПО "Аетоэлектронака" приняты для использования в работе предприятия; методика определения динамических параметров регуляторов адстоты яращшш вила дгатеяя, технические условия ка изготовление гапвжтрокш корректоров, -пч-мпиги алгоритмического обвепвчемия их работа, раечета и рвкоменда-

ции по проектированию электромагнитных вктюаторов.: Результаты теоретических исследований и устройств управления частотой вращения вала ДВС приняты НИКТВД для разработок перспективных электронных САУ ДВС. Результаты исследований использованы в учебно-методических разработках и учебном процессе более чем в пятидесяти вузах.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались не следующих конференциях и семинарах: Всесоюзных научно-технически) конференциях ВСХИЗО (1977-92гг), Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам кибернетики (1979г), Всесоюзных семинар: по комбинированным ДВС в ШТУ им. Н.Э.Баумана (1989,1991гг), Всесоюзных семинарах по автоматическому регулированию тепловнаргети чвеких установок в ЫГТУ им.Н.Э.Баумана (1982-1993гг), Всесоюзнвй научно-технической конференции по применению микроэлектроники в сельском хозяйстве (1965г), Всесоюзного научно-технического сове цания по автоматизации производственных процессов (1982г), Всесо юзной межвузовской и межотраслевой конференции "Перспективы разе тад комбинированных ДВС и двигателей новых схем и на новых тошш вах" - 2 доклада, МГТУ иы.Н.Э. Баумана (1987г). Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, среда ю» авторских свидетельств на изобретения, 8 отчетов по научно-иссл« довательской тематике и 6 учебно-методическнх разработок.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, библиографии п прилокения. Основная часть ] боты содержит 364 страниц, 92 picynna, ? таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе рассмотрены исходные предпосылки к Бопросам теории управления двигателем транспортного средства. Самоходное гово-транспортноо средство (TTC) с двигателем внутреннего сгора рассматривается как совокупность объектов одной физической прир - технических устройств, действующих с помощью средств управлеь при главном приоритете водителя-оператора TTC. Применение мощне арсенала микроэлектроники и вычислительной техники в системах j равления TTC позволяет осуществлять процессы управления объект! на принципиально новой основе и на качественно новом уровне, о< печивая наивысшую эксплуатационную эффективность машин при все: возможных условиях их функционирования. Чрезвычайно важное осо свойство, приобретаемое современными системами управления транс > тных двигателей при внедрении электронных устройств, заключаете том, что системы управления наделяются способностями автоматич

кого анализа и текущей оценки параметров режима и эксплуатационной ситуации в моменты необходимого формирования управляющих воздействий на исполнительные органы. При атом часть интеллектуальной нагрузки водителя переносится на управляющие и решающие устройства, которые обладают исключительно высокими способностями переработки информации. Возрастает объем и сложность параллельно решаемых задач управления при минимальном времени анализа рабочей ситуации и адекватной реакции системы на сложившуюся в момент управления ситуацию движения машины. Сущность понятия управления целесообразно рассматривать с точки зрения кибернетики как науки об общих закономерностях, свойствах, приемах, способах и техники управления в системах различной физической природа. К исходны).» атрибутам кибернетики относятся: объекта управления, цели управления, стратегии и движение информации в системе. В дальнейшем объект управления - ДВС формализуется в виде общего понятия "управляемый случайный процесс", заданный как множество управляемых условных вероятностных мер на измеримом фцзовом пространстве и пространстве управлений, цель определяется как задача придания объекту некоторых конкретных свойств, определяющих показатели качества и эффективности процесса функционирования системы.

Отыскание наилучшего способа достижения цели сводится к построению математических моделей операций, количественно опигь'пяю-щих способы действий, называемых стратегиями или алгоритмом;! управления. Применительно к транспортному двигателю стратегией можно назвать общую идеологию наилучшего использования всех средств математического обеспечения, имеющихся.-аппаратных и программных ресурсов системы управления в целом, включая её объектовые части, управляющие устройства и средства мйниторинга. Реализация стратегии управления ДВС осуществляется путем одновременного решения двух типов тактических задач,классификация задач приведена на nm Т.

Содержание задач первого типа связано с условиями функционирования машины в среде различных дорожных или внедорожных ситуаций, с выбором водителем.определенного режима движения. Классификация режимов двигателя, соответствующих характерным условиям движения TTC, приведена на рис.2 . , Решение задач происходит на фоне использования потребительских качеств двигателя машины, подобные задачи возможно назвать тактическими или операционными.

Задачи управления второго типа порождаются условиями задач первого типа и носят подчиненный характер. Ядро условий эядяч итг.~ poro типа оказывается заданным и их решение с помощью СУ должно обеспечить устойчивое ^акционирование двигателя с предельно д t •

Peo. I . Классификация задач,решаемых СУТД

ft¡o» 2. Классификация режимов транспортного двигателя

гижиюля в заданных условиях показателями вкономичности, токсичности ,эргонокичноста и др.

Оптимизация процесса управления двигателем при возникновегеш некоторой ситуации движения машины включает восемь обязательное втапов, являющихся неотъемлемыми чертами, свойствами кибернетического управления. Управление, организованное наилучшим образом в смысле какого-либо критерия, или композиции критериев качества является оптимальны;.!.

Вторая глава посвящена анализу возмоаиых способов и форм математического описания систем управления транспортным ДБС. Выбор форкы оппсания СУТД имеет болыцуа значимость для теоретического исследования поведения систем; прп ыо дели рогл ют различных ситуаций управления, так пая принятая форда в дальнейшей определяет иэ-тод| !! подходу к ресегспэ задач синтеза.

Проанялизировда.» основные фора! описаний СУ : описание переменных "вход-сыход"; аналитический подход к оптимизации линейгах СУ, основанный на использования в качестве критериев системы интегральной квадратичной и среднеквадратичной оценки минимума огабга; подход, бязяхувщяйсл на фундаментальных понятиях и идеях пространства состояний. Исследованиями подтверждена плодотворность третьего подхода, упрощающего синтез большого класса многомерных, нестационарных систем, со многими условиями и ограничениям, позволяющего установить оптимальные структуры управляющих устройств. Описание систем в переменных состояния с помощью обобщенных координат дает возможность определить поведение системы в будущем, если известно её состояние в какой-либо начальный момент времени tQ и прилояенкыэ к системе воздействия. Идеология данного подхода направлена на определение стратегии оптимального управления, экстре-мизируицего определенную конечную совокупность критериев качества системы. При этом решение задач управления может удовлетворять многим условиям и ограничениям. В общем случае СУТД в режиме нормального функционирования без отказов при непрерывном врем^нч 4 описывается некторно-матричным линейным дифференциальным уравнением, характеризующий поведение двигателя во времени.

•if0- QCt)x(t)+B(t)a(t)+ mi (О,

где fl(i)- динамическая матрица коэффициентов уравнения процесса, размера ft х П ; x(i) - !Ъ - мерный вектор фазового пространства; В(t) - матрица управления, размера tl*т ; d(t) -/и-мер-ный^ектор управлений; С(t) матрица возмущений, размера Н> £ ;

jc(t) - случайный 'Z - мерный вектор возцущающих воздействий. Уравнение решается на интервале времени [Íh, t к J , реализации функций JT.(О и U¿(tí "являются измеримыми, а элементы матриц В [t) непрерывными. Относительно случайного возмущения jtH) предполагаем, что оно ограничено \fe(é)lkftnf¿b. , заранее неизвестно и ненаблюдаемо.

Сущность последовательных измерений наблюдаемых выходных величин /y(1)t У(2)1...> У[к)}~ Упозволяет найти оптимальную оценку вектора состояния j<(t) процесса Cj^fi). Предполагается, что число измеряемых координат состояния равно h и наблюдению доступен вектор наблюдаемых координат

у it) - U(t)\x(t -Ч§+ЩЬ)й{г)+ FC¿) v>(t),

где N (i) -матрица наблюдений системы размера Sx tb t) и £(é)-непрерывные матрицы системы размера 5лр и sxm соответственно,

- запаздывание информации в процессе измерения; ТУ i t) -случайный вектор гауссовских щумов измерений с нулевым средним и корреляционной матрицей

MCfCt)jrfr)7= R&(t)$

При учете вероятностного характера воздействий,возмущений на процессы управления объектом, при наличии щумов измерений и помех на линии передачи управляющих воздействий, идентификация системы с помощью и методов пространства состояний является наиболее удобным и адекватным средством математического описания систем. В этом случае наиболее полно формализуется одна из основных целей управляющих устройств - минимизация вероятностей принятия ошибочных решений в процессе управления функционированием систем.

В третьей главе рассмотрены вопросы идентификации двигателя транспортного средства как объекта управления. На современном этапе развития науки об управлении техническими системами вполне естественным оказалось привлечение к синтезу оптимальных систем управления ДВС методов математической кибернетики, теории случайных процессов и математической статистики, что обусловило возможность идентификации двигателя с учетом существующих особенностей его функционирования в вероятностном пространстве режимов.

Установлены четыре категории условий функционирования объекта и СУТД, определяемых статистическими свойствами случайных переменных или элементов матриц ¿}(t) , В(t) и ,C(t) • В случае работы двигателя на стенде, при строго заданной постоянной частоте вращения KB *акой режим работы является определенно-детерминированным. На некоторых режимах ДВС наблюдается инвариантность вс вре-

ме1та "процессов изменения частота вращения коленчатого вала. В этом случав матрицы коэффициентов сохраняются примерно постоянными, моментные функции процессов ) и функции распределения не зависят от начала отсчета времени. Такие режимы определены как определенно-стационарно-верояткостнымн.

В случае, когда уравнения, характеризующие данамяку процесса м статистические характеристики процесса, в том числе Ми меняются некоторым определенным образом во времени, режим двигателя можно назвать определенно-нестационарным.

Для ситуации, когда распределение вероятностей для случайных переменных и моментные функции не известны, а имеются линь некоторые сведения о законах распределения или о пределах значений характеристик и параметров Ц } , уместно применить определение категории неопределенных условий процесса, или неопределенного ре-

®ша: (ШЫ Д^?

Предложено для общего случая режимом называть состояние двигателя, определяемое вещественными числовыми параметрами, как выражение существенных свойств, присущих именно данному состоянию и выделяющих его из множества других состояний. Режим двигателя является следствием сложившейся ситуации движения машины. Продолжительность режима может составить от нескольких секунд до десятков минут, вследствие чего может идти речь о микро и макроинтервалах

режимов.; .. . '

Модель функционирования двигателя показана на рис.3

»1/0

хМ

—|

V//

хШ

1одв/1ь :оа5щениР

л

ЙН)

№

„ \ Вози лц

Дьигатгль ^/^я

I Опгина**н. УстраисНв иаклнитиш. , у | фильтр упрабллни» уарсистСо.

Шупы патрицы измерении на5лн>3ешй

Рис. 3

Для стационарных "jxsaaso в, 'соотпететвуьа^ах"приведенной юисси-

4»iнации, уравнение перекосных состояний пригашает шд

ií¿ )=<p(t-!'<t>(t-4)it(*)d<t.

¿o év

При дискретной врсиегш реш-знмел уравнения npi переходной ют-Г«щ« Ф(П)= Л(п) будет у к.,

= Z0(n-L-1)Bu(¿)+ y0/n-i-!)L'¿ ,

i^O i,-0 1 '

Преобладание нестационарных макроструктур процессов управло-тш йьтоиобилыши двигателей кивот кесто в услошях городского ила иитенсиьного магистрального дмшин. Дьи двигателей тракторов, р-бстыирпс на транспортах операциях, ностаццонарща рс.%шьы сосгаелл-.и основную дол*) с oö'a;ea вредеш работы гост.

Для случайного нестационарного процесса. OJ (í) похучеио "¿дра-«tiiiue PAti плотности распределения прл t ~ t{ , uueífijso öjkio-юШ.к аакоиу нормального распрздслонля. йучкцял р^спрздолс:ыл сп-роделлетсл ностацнокарпш ерздцлц ¡Tl^lii) - г.г,стс.цаоиар:ш"ср5-Д-Ui.iu анаденлеа кьадрйта ссчаыя процесса сo[í) np¡ í ~ ¿/ и /vícriapctícii Z^íf/J. ¿fí/г

Дш^ ОЦОНКИ HC'ihííHoro Среднего fn^ lt) = Jz WO'ffíM"

~ L Cú(í)cit kü полент t - ¿i ю работ o праддагхпо npootí»

jaaoisartíiü нестационарной корро&зрхошой вушздеа íj ь и:»

иорроляцяонная <йпш;ц;;:1 стационарного процесса; .

$унщш, играхеда роль поргизнлого илезд-абиэго шгсигася, определенная и точке , ща стоп ¿1» ¿" = , <£* =» 1г . Нормируя корралщаоюу» фулодпо «о&г /р^Я) « I получай шра;,хи*ле да; Чйстогао-ьрсгдсгпш*. споп-ргльной плотное*«

(2) . И!.: е , 0 ки^иМШа , ¿^(В.Ос/З? ^ 0 . откуда £*п:о шен«шв*св ср-„~ ДЛва значишь квдррата процсссс. Оо(^) в «:с::и>т I .

Пр: днекреткоа пр&де«шхгыл и пргсбразоьсапш щг^орсодгк ии интервале (К1-1) Та ра^-жз ураиас^ш состояний слр^:^.-

отся уравпекиеи переходаок состойнаЙ ¿'(Кг/)=<р£(Ы)% а^ХГкЩ 4

ки /¿Г. .

Анализ осциллограф, полученных пр;: ходовых испытаниях тракторов и автомобилей показывает,что работа транспортного двигателя сопрвокдается непрерывными колебаниями момента сопротивления , крутящего момента, колебаниями угловой скорости коленчатого «ала ,что обусловливает дополнительные инерционные нагрузки ,ват-рати дополнительной энергии , в результате чего увеличивается

ясход топлпез и попытается скорость изнашивания деталей. Для оп-геделения дола дополнительных инерционных нагрузок в общем сило rom ¡алансе в работе рассматривается упрощенная геометряческпл модель юлебательного процесса длительностью в один период С'к (p:rc.4.j, с зрекенеи нарастания и спада нагрузки tp , при наиболее вероятном ¡лучаз t_p^ Е-к.Та!тал модель достаточно адекватно отражает переходные процессы при ступенчатом изменении нагрузки.

В результате проведенного аналитического исследования установим функциональные зависимости между долей дополнительных, инер-tHomiiix нагрузок, коэффициентом неравномерности частоты вращения i пара^етр^Цколебательных процессов:

А* = ¿рУС«, ñM-TiZ-tp/PJne).

В получ&нних выражениях: Zl¿ -доля ( кой№щиент) дополштедьнда: терционных нагрузок с переходном процессе;^- -коэффициента «равномерности момвнта сопротивления и частоты врзщстгая коленчатого вала \tp- время переходного процесса j ct'K - период колебаний момента сопротивления j ,7^ - момент инерция двпяуп^х-гп масс, приведенных и ося коленчатого вала.

Ъф

mat тчЯ

JtO," 1ЩЪ

Ф

р^Щт

4сЫ

Г"*- т.п.

•t

Рис.4.

Результаты исследований показывают на тесную корреляционную связь значений дополнительных инерционных нагрузок и степени неравномерности частоты вращения со стохастическим показателем колебательности Мс .выраженным через спектральные плотности воэ-«ущающих воздействий и выходных параметров двигателя.

В четвертой главе вопросы оптимального управления. ДВС рассмотрены с точки зрения общего теоретического подхода с учетом осо* бенностай формирования режима как следствия случайной ситуации движения машины.

На каждом режиме работы транспортного ДВС преследуется одна основная тактическая цель управления и параллельно решаются другие, в основном, оптимизационные задачи. Мерой эффективности рэкету* каждой из задач управления является значение критерия качества, который выступает в роли целевой функции оптимального управления. Математическое описание целевой функции сводится и формализации требований, предъявляемых и системе управления, выражении их в терминах и символах логики и математики.

Обоснование шбора критерия оптимильности Ь , определяемого конкретными условиями работы двигателя, создается в результате моделирования ДВС на уроше физических продставлошШ с последующей формализацией обнаруженных ссяаеИ мезду свойствами двигателя и требуемыми на него воздейстшями. Крите рш могут быть поделены, условно на 4 группы в соответствии с классификацией на рис. 5.

В атом случае первая группа критериев связана с потребитель скими свойствами машины : оптимизацией и минимизацией времени раз-гона/Д^и ]/>а1г , точностью поддержания постоянной для данной ситуации установленной скорости движения I тсч* , точностными по-казателяыи разгонных характеристик А»ч»

Рис. 5. Класснфинация критериев качества управления ДВС,

Стабиливационные критерия оценивают устойчивость частота ращения коленчатого вала на режимах стационарных , неста-

ионарных Iyer • режимах холостого хода К'г и принудительно-

0 холостого хода . |

Третья группа критериев является совокупным выражением об- j «принятых целей оптииявации собственно рабочего процесса двяга-еля при его работе на стационарных и нестационарных режимах, ормализацией меры достижимой топливной экономичности Д«»4»Л*«» > птимальной теплонапряженности деталей ЮШ и допустимой жесткости »боты 1телл, Iffcj •

К четвертой груявекритериев можно отнести критерш, характе-гауяцие экологическую безопасность двигателя, маюягаально-до пустые норм* токсичности выделяемых БВ, а также цпиость работа mi'itee I(co+NO*), /Л.*"», fui*4t ■

Управлекяв транспортам JgSC - нногосвязным объектом оптямя-■рдгется, как правило, одновременно во нескольким цветным критерии h . При опяаиаащш1 решений многокритериальных аадвч упр»-евпп в работе применялся метод последовательных уступок. Для ■его часта» вритицш упорядочивалась и прсчумеротаввлксь а во-дав относительной важности, после чего осуществлялась поочеред-я »кстражаацкя частных критериев к выбор веянчкн уступок. Фордизм процедуры представляется сведущим образом

If* Г(*.и); x(i.hxB.s({}eXh

Уи'Ш^ _ Ас; ¿=2.3,... J- fhF^(y.u)~

Ревение аадачк еаределяет управление, ори которок анавднчя стивх критериев отвнчептся от юпсяняхыап га значения соотзет-дояда уступок 4с . За оптимальное из множества U притаился то управление и* , которое поручено при нахспвдеи« услов-го-кяксимума последнего по важности критерия.

В пятой главе приведены ревультатн аналитического неследсва-

1 шпроеов устгйчироста систем управления транспортными ДБС. гше за основу положения теория А.М.Ляпунова позволили расомол -гь'в'развитии уетейчикнль движения СУТД на основных режимах пои

лкбьпс начальных условиях и нелинейностях, принадлежащих к определенному классу. В работе понятие абсолютной устойчивости системы распространено на случайные, в том числе и нестационарные процессы и режимы работы ДВС, Подученные результаты позволяют формулировать и решать задачи формирования желаемых статистических характеристик устойчивости нелинейных подсистем в их звеньев. Доказано, что применение круговых критериев абсолютной устойчивости, при выбранном-варианте управляющего устройства, сводится к нахож-деп- предельного сектора, внутри которого должна находиться статическая характеристика нелинейного звена ¿) , т.е.

Известный критерий В.М.Попова модифицируется в работе следующим образом; /?- . ^/л . + 1 > р , при дополна те льном требовании: >к< Эт^/дт^^' ^рн осуществлении статистической линеаризации теплового звена ограничиваются также коэффициенты линеаризации К*? < Л> < и к^ <«>.¿2^ .В приведенных выражения^ к , и - значения коэффициентов усиления управляющего устройства; \л/А - частотная передаточная функция системы; Л/ и Кг - коэффициенты статистической линеаризации; IV^ иМ^ математические ожидания Р((}. ¿1 и С}(6).

При анализе.1 стабилизируемости СУ плодотворным оказалось использование такого параметра как степень устойчивости, характеризующего качество переходных процессов ] . Установлено, что степень устойчивости связана с предельно минимальным временем переходного процесса таким образом, что быстродействие СУ определяется выбором оСо , щи котором вамкцутая система с передаточной функцией 1л/уаС$ещ® сохраняет устойчивость'. Введение степени устойчивости оС0 в достаточное условие абсолютной устойчивости процессов в нелинейной системе Р„

0 е и-к^А^ Ъ-к

для всех аС ^ 0 овначает, что все отклонения от процесса будут иметь степень устойчивости не менее заданной при сохранении ограничений на производные соответствующей нелинейной характеристики. Задаваясь требуемым

значением об0 получаем предельные значения /С*^ и Ъпр для коэффициентов линеаризации и Кг , обеспечивающих достаточную степень устойчивости нелинейной подсистемы.

В работе показано, что в случае выполнения критерия Попова существует V - функция Ляпунова в форме Лурье-Постникова, имеющая во всем фавовом пространстве внакопосторнцую производную ¿Д/с/г со знаком, обратным энану У.

Для количественной оценки запаса устойчивости замкнутой СУ в работе,введен стохастический показатель колебательности системы выражаемый через статистические характеристики входных*^) и выходных сг,гтловУС£):Мс*У(&У«+Ь/(&М™*х№уи(2)/Зи У, 6.

В результате испытаний СУТД е различными управляющими устройствами выявлены существенные корреляционные связи М^ с характеристиками качества функционирования СУ ( точностью, быстродействием, устойчивостью) а также эффективными показателями собственно дизеля. В качестве примера на ряс.б.показано влияние показателя Мр на удельный расход топлива дизелем 4ЧН 11/12,5.

Рис. 6

В то же время значения показателя Л/с зависят от свойств СУ и вектора внешних воздействий. Экспериментально показано, что снижение значений Мс достигается ограничением мощностиГ^Л и скороглт йИ) управляющих воздействий путем изменения коэффициентов передачи • (усиления') УУ на отдельных интервалах управления а также за счет введения управляемых интегрирующих звеньев в цепь ОС , обеспечивающей воздействие регулируемой координаты на состояние объекта. При этом изменение кояффициеита ОС и эквивалентного коэффициента передачи существенно изменяет динамические свойства двигателя , уменьшая «го инерционность и колебательность в (I + *0*ос) Р*э-

Шестая главапосвящвна идотаГрацконя»ьн>к ^осооой оценки состояния ДВС. Оптимальная оценка вектора состояния на всех

рабочих режимах ДВС, определяемая в дальнейаем как фильтрация выходного сигнала у к формально вырежащяяся в яаде задачи нахождения дифференциального уравнения оптимального фильтра, осуществлялась; шцуя сложит шдеды^ссладоввния интегралы«* уравнений, путем синтеза и щюттвкРылшиЛ'Ъхса. На основашш полученных соотношений сформированы алгоритмы оптимального оценивания вектора состояния подсистемы управления частотой вращения коленчатого вала ДВС. Алгоритм описывается системой рекуррентных уравнений:

__= JrM«-0* K(«)z(X/«-JL TOV _—— —

В целях экономии вычисхителышх ресурсов Ш при сохранении ' приемлемой точности оценки автором разработан квааиоптимаяыый фильтр оценки состояния ДВС, в основу работы которого положены суб оптимальные алгоритмы оценивания вектор« J?(к), Ирм вывода алгоритмов использовалось допущение о гвуссовском характере плотности распределения вероятностей оценок вкстраволяции с вектором средних x(k¡k~{) и корреляционной матрицей

O(KjK-t).

Определены алгоритмы фильтрации, устойчивые к отказам в каналах измерения. В основу алгоритмов положен принцип адаптивного оценивания вектора состояния^двухканальным фильтром Калмана. Разработаны спосооы и технические 'бредства бЦен8И~С&г*бЯниЯи параметров двигателей, позволяющие в условиях лабораторных исследований в достаточной степени адекватно имитировать и многократно воспроизводить каааиреальные ситуации и режимы работы транспортных ДВС. . ..

В главе седьмой приведены результаты исследования вопросов формирования стратегий оптимального управления транспортным ДВС. Одна из возможных классификаций стратегий управления транспортным двигателем приведена на рис.7.Для большинства ситуаций работы двигателя установлена приоритетная целесообразность идентификационного подхода, предполагавщаво: а) непрерывное получение состоятельных оценок параметров объекту ; б) осуществление заложенных в логико-вычислительном устройстве методов (алгоргеиов) вычисле- . ния оптимальной стратегии; в) зависимость оптимальных правил управления от критерия качества и параметров объекта.

L2

Стратегии управления

депумпярохинмв

ГТ1

Адаптивные

ä ж я

0 а 1 S* I ä

S с

_ Исследованиями установлено, что транспортный ДВС относится к

классу объектов, управление которым осуществляется в результате ограниченного числа решений, принимаемых последовательно в фиксированные моменты времени - на интервалах кваэистационарност* CiL, t.+T]- Для раявния задач управления применялся метод динамического программирования Р.Беллмана, принцип максимума Понтрягхга, метод фазовых траекторий и метода математического программирования. При рассмотрения двигателя как линеаризированного объект» управления, функционидгвщего на стационарном режиме, вспомогательная функция Беалыана S(t\*)= F t-x.ü.VdtJju» произвольного момента времени t' , выраженная в квадратической форме S(л)-,t- tiq^i-Xj ^лаоитягфунжцякШ. Дянуножагч« обусловливает Получение оптимального управления - минимизацию Функционала /= Г*FC** t)dt , обеспечивающего асимптотическую устойчивость системы. Известное для детерминированных процессов нелинейное дифференциальное уравнение Шйеша мспрострвнено на случайные процессы - dSШ]} »r»•S*nuH<fc

я/ ü 1 ' /а/ tfift с

Полученные уравнения не всегда удается решить аналитически, однако, при введении дискретного временя вариациониув задачу оптимизации можно свести ж И простом задачам вкстремиаация функций малого числа переменных уотавленай^^*^^».«* )üt3]

= Я*, У- < г.....

В работе показано, что с помощью принципа максимума Понтря-гина возможно получение более удобного аналитического выражения дня нахождения оптимального управления двигателем при минимизации качества, соответствующего текущему режиму двигателя и ситуации движения машины.

Одной из трудностей организации оптимального управления транспортным двигателем является недоступность для прямого измерения координат случайного вектора нагрузки f(i) . В такой ситуации наиболее целесообразен синтез процедур ^правления, позволяющих приблизить свойства системы к полностью инвариантной. Вследствие неприменимости принципа компенсационной инвариантности из-за неконтролируемости возмущающих воздействий в работе отдается предпочтение методу избирательной инвариантности, позволяющему осуществить квазиастатическое регулирование двигателя во всем рабочем диапазоне его режимов. Реализация втого метода осуществляется введением интегрирующих звеньев в' каналы обратной связи. При атом матрица ОС определяется для вамкнутой системы А-В Кое. с передаточной функцией U/Cs)~iffsf-A + BfCocJ, где 5 -o(+îS2 , С - единичная матрица, А - матрица объекта ft*n , в - матрица управления л * hu ; знаменатель передаточной функции представляет матрицу, определитель которой является характеристическим полиномом от J степени П- , т.е. jsE~A+BK<K/s£oi*s'l*f> , где об - коэффициенты полинома, оС^ - I; s« -'нули полинома, являющиеся полюсами или собственными числами передаточной функции. Условием приближения к полной инвариантности системы является максимальное удаление от мнимой оси всех полюсов S* передаточной функции Iv^s) . Упрощенная структурная схема управления, вклвча-гдцал наблюдающее устройство, показана на рис.0 • Управляющий вектор û(l) формируется с помощью матрицы и текущей оценки вектора состояния двигателя J? ¿¡(tUkoiCx^tl-JMQ*Koclt)8(t), где i1, (t ) - желаемое значение случайного вектора x(i) ; &(i) -ошибка системы.

Рассмотрим простую систецу, когда объект управления задан уравнением £^fi)*Jt(i)~Ktu в форме Коши-Г, -t-fiut , где < ß » Jf * . W, = Uli) . Оптимальное уп-

равление объекта находится из условия минимизации функционала вида / = '+ q.u,)dt. Решая задачу методом Беллмана с помощью вспомогательной функции S(x) * /}„ -К А и записывая функциональное- ; уравнение Беллмана в виде ^Д '*ûtu**Cetjetijm)àS/âr, =

получаем и°Ц) «-[^/(2^,)'] А„Х к'ос Х(О , гдеЛ^-ДД/^ К аналогичному результату приходим, если та же задача нахождения и. решается с помощью принципа максимума. В этом случав составляется функция Гамильтона И= %£>г и, г}+ V, (хх^ри,), где вспомогательные функции % определяются уравнениями =-д///с1?ь = 0;

= • В силу теоремы Л.С.Понтрягина

М/да-~0! ¿=/,2,..., 7 , . при Уо - - I получаем

оптимальное управление Ы° = £ Щ / (). Из совместного решения уравнений -У, % н У,- ~ осу, находим у, = = /$,'-<*. ) п далее получаем &<Х %где Кос = [- /ос*-*/<<.]//> . Принцип максимума позволяет находить экстремали в виде кусочно-непрерывных функций с учетом ограничений координат состояния и управления.

В восьмой главе рассмотрены принципы синтеза систем управления оптимальных по быстродействию. За основу идеологии построения таких систем взят принцип минимизации времени разгона или торио-вения коленчатого вала с учетом ограничений, налогаемых на координата выхода и координаты управлений и принятием во внимание условий безопасности, экономичности, износа, экологических и других требований, предъявлявши к двигателю и его системе управления.

Если при оптимизации управления изгусловия минимума времени ' переходного процесса в функционале I- /Г('£,й)о/£ , Т=Ьк принять Р(-у, / , то с учетом У0 » - I функция Гамильтона определится выражением И » - I + в К тогда Ш)-к /, Щ(Т)=~ / . Оптимальное управление с учетом ограничения /иШЫ 1/^0* определяется на условия максимума преобразованной функц;та Гамильтона и для линейного (линеаризированного) объекта записывается в виде й"[ьуп д^/ди ■ При I и°Ш= дНСУ,*,й)/д и . Нетрудно показать исходя из принципа максимума, что функция У^) , определяемая суммой экспонент с вещественными показателями степени, изменяет знак за время управления Т /1-1 раз, поэтому управление имеет на более Н интервалов постоянных значений ¡и! « I. Это положение "об п- интервалах" впервые было доказано А.А.Фельдбаумом в 1959г без применения принципа максимума.Понтрагина. Основная задача при определении" алгоритмов оптимальных управлений и'И) состоит в нахождении моментов переключения управления ¿у» - 1,2,..., Л- ). При наличии в уравнении объекта ас ^х("ч> = ё0 и п. нулевых корней моменты переключения определяются как = ~ I ' с.-н г • Особое значение май' ■ ^ / и***' 2п-

ет выбор акака сигнала управления на первом интервале и° . Принимая начальное и конечное значе(дая состояний объекта установившимся имоем и ^ = -

Для определения длительности интервалов предпочтительны метода математического программирования с использованием уравнения иерехо|мшх состояний. На интервалах управлений *

А(&и)и(А11) , гдь&с&ии%(аВ(к, I » I,..., Л .Задача формулируется для значения вектора коор-ИЯВ9Т на последаем интервале <у(Л £*.) : (тип +

+ ; УОМъЬхк; йЬ!и(Аи1 $ ;

х (А^)с^Г^*) * ~ 1.2,....л} • Решение аадоас осуществлялось методами линейного или квадратичного программирования.

Для комбинированного работающего ка неустойчивом режиме и представляющего колебательное в вено с коэффициентом двмфаро-вания ^ уравнение динамики в относительных единицах координат выхода имеет бия $*У/Л^/Л У ■= и(£) . Преобразуя это уравнение в форму уравнений состояния получаем лг, «-*■» ,-- X, 4 и. ; = . Дм последней сяспш функ-

ция Гамильтона составляется* как

Сптнч&яьиов управление находится я* условяя максяцума Н : и°Ш -= VI - При неустойчивом режиме ^ < I горп характеристического уравнения являются кошшексюмк, «но не позволяет применить трогрчу "об н- интервалах". Поэтому кз ураиюняя для вектора |

вспомогательных переменных

дН/дл и) /д*

«гтределяется функция У*/*) ^ V

ч сг>-?тготствтгщ»» характеристическое уравнение />1- /=0,

второе дает вмможиостъ аашсать регате в обцвк виде ■=• \

■■■ СеР'ип у- Че) > С * V» - гшстояююе при началь- > ных значениях V. (О) и у\ //-. ппреретапт закон управления Оа(±)= с!

с д^итачьносты) интервалов Г/», . .

Прмседмяшэ в дестей главе примеры коне трущий управжяхцих .уетро&гте поездмялт коэножность агадаратнойреализации некоторые идей снтр.м&льного управления транспорта! двигателем. Определена облал кдзологкя агашратиого ревеияя к ориентация логико-вычяслк-теям-ы* ycTpoFf-.TR дд-« требуемого круга задач управления н& осно-еч принципа едкдаго кй^оргетичясксго подхода, к проблеме оптимаяь- 5 .«оп» сутыз которого является текучее »пеки» некто- '

¡■л упгагя-ада-и" ^вткция '/с ,'миД пщ

оответствующей ситуации работы двигателя достигает сбвастн ьы.--ремальных значений. Jlpi атом обоснована концепция шы^рагниго паенил управляющего устройства системы управления ч ранегюртьи .вигателем, в полной мере реализующего задачи сичимпдьно о /(ipsa ания. Прианано целесообразнш включение в состав упр1ъляпщвго стройсТва таких блоков как анализатор ситуации дьияешш иашнш, оринрователь критерия качества, решающее устройство - пронес.;

периферийным оборудованием, пакеты и драйвер! зталсышх управляющих программ для характерных режимов работы двигателя.

На рас. 8 приведена функциональная схема одной ,-,з разраби-'анных реализаций оптимальной системы управления автомобильным 1ЕИгат0лем. Схеыа сключает анализатор ситуации дви.тенмн машш /.СД.'Л, устройство формирования критерш качестга (У(Ш{), решали стройство (РУ), формирователь команд (ФЮ, пакет эталонных прог-mat (Г13ГП, пакет эталонных ксианд (ПЗК), исполнительное устройство (НУ), объект управления (ДЕС), блок да-нлшоь параметров рмм-!а ДБС (ДПР), задатчик (ЗЧВ) и датчик частоты вращвгля (ДЧВ).

В анализатор ситуации движения ыашиь.ы АСДЧ от ДЧВ и ЗЧВ посул ?.ет информация о динамичности процессов изменения ЧВ, о чзеде I нродояхмтельности разгонов и тордохений KB в единицу времени, гнтвнсиЕНости if амплитудах разгонов. Анализатор АСДУ, включавший :оррелоиетр вкспресс-анализа, на основе поступившей информации оця-шгяег распределения и вероятностные характеристика преобладаниях 1роцессоз изменения скоростного резяма двигателя на некоторой интервале измерения cZ'u]MJ . В дискретные моменты apeucisi на сыходв 1СД!А выделяется вектор признаков режима Ур(кГ), являющийся опрэ -1еляю1цим для УФКК, которое, получив информацию о характере режима, гроизводит отбор соответствующих частных кр1тер<ев из отмеченных мша 4-х групп, осуществляет их свертывание и выделяет обобщенный ^ymautottait Д. ( Yp } и0) ■ связывающий прганаки ретина и некоторая ia6op {и/J управле»мй. Задачей 1'У является коррекция управлений Up на основе информации комплекса ДПР, Еыбор адекватной програм-гы из пакетов эталонных программ и передача управляющих последовательностей иГСкг /)Т ] на формрователь команд кодов (ФКК).Формирователь КК выбирает из прикладного пакета эталонных команд со->тветствующую комбинацию - серю кодов и передает их на ИУ - электромагнитный актюатр, пр»водящий в действие топливодозатор ТНВД. 1рограммы, содержащиеся в НЭП, соответствуют режимам работы двигателя при движении машины в соответствующих дорожных ситуациях.'

Таблица I

> Характеристики актюаторов

Основные параметры актюатора Для привода реики ТНЁД НЗТА для привода рейки ТНВД ЯЗТА

Располагаемая работоспособность,Дк 0,5 0,5

Необходимая номинальная работоспособность ,Дя о;-о5 . 0,144

Максимальный рабочий ход якоря,мм 5 12

Максимальное необходимое статическое усилие страгивашя рейки ,Н 10 12

Полное время срабатывания (быстродействие ) ,с 0,020 0,030

Потребляемая мощность в импульсе,Вт 60 120

С) едкяя потребляемая-, мощность ,Вт 6...12 12...18

Максимальный импульсный ток,А 5 5

| Напряжение питания,В 12 24

£ О

На рисунках 9а, 96, и 9в приведены подобласти работа транспортного ДВС при наиболее характерных дорояных ситуациях, графы сцену режимов работы двигателя при переходе из одной подобласти в пруду:; н соответствующие подпространства управлен:двигателей путем длйотвия на циклодуп подагр топлива.

Исследозагомми выявлена нанбольшя целесообразность полкой аде ктронизации ДВС путем создания комплексных кногсклрных адат....них систем управления при постепенном гигдрешш элеатроншх и микрон} цессорых сродстз управления в классичссгае систеки н згрзгзтц дгч-! я толя. Ка основе отделит,их пояснений разрчбоэанкой концопцал екп-гзльнсго упрпвясТ|м!| д: лгнтрль-ч осу:.; -ствпон к1д мзкатннх :( сиь;^¡;,;-.•сонструктишгх реягн:н1 аппаратных средсти упраолепня р^злдмый Ш'.-П-21С1 слоиюстп, аа^чцськтс авторские! сиидсюльстпачл. К ¡.,;м спи-еятсл: устройства на сено во фавьтра Кал

тедшп дглгзтгугз г:зк з рзх:»:з корлзльного [■унпд:5он1!ро?:л"5л кр: «а г» . »ял понох, гак я прл ихг.тт отказов в каналах '»анерашя; логика-¡•п^с.гиолы!«'} и испаэптэяышо устройства сметой упрдвзепкл •

ног! стеясеп сгс:я;осу;|, зкььчня бгопг гт.сгзп, процессора с пяр.; }л-оцорудогчглеч, сктеиор! пл«;п'ро::зг:!:!Т!;ого а о.тех-гропагн:!?-во-гидраг-ггаег-ого устроРетгз дта упрамгнгп уг~пч спер:.- •

г11г:;е;"1з:к':т тсп.пт в загтсягостп от шгрзчзтрогз скоростного, иягруаопггого « т.:гкопого рзгччов дютатвлл, з тзе.-э от дч&геявя я

,,-,,гпр.,,гур} нлд^упэчпого гоздухя; д5ш5!'.«1всипй !к>рр?ктор, »!3!кни1-

<гпгло;"уп подучу тоос:са з &унжы от изрг.чзтров р?гт:;>:а агжлю-чл; Ззоч обзсяг-':~н::л устоит! зосгл спстсш уирззлэкзя.

Во .'.чоп!* упрззлзгглх устроПсггзх нгалл прр'гненгю разрз^омн-гчз аьтороч яконоп«».'!* г'ллчетрочзгнмтнчз .гетваторч пог::кс,нно.'! работоспособное',:!, .чх д:ар..и;тоглстпг.:г приведены и таблица

/.пг,5рат!пл® ерздетпл управления прогзрзич нл рзботсепосоо'шчуп а зоз."тность дест:;геп:гг лрч ах прпенкнян тг'бол-зп прюрг.'тгтшх леГ: ептнгяпьного упразднял я услекздх стендовых, дородных п нк-ли-ро.чн.чх исшлашА актпчоб.пей 'Ш-ЕОО, К>\чАЗ~53?0, трзгпороз МТЗ-Ю, 1X13-100. В табдпцо ? лобзаны результаты стготеяыпсх испытаний тиалячных еноте" управления на стенде по единой прогрзгм,9 ¡тмзче.ч'г-чаКнцх нпгруяений.

Анализ результатов «оыпяетш испытания показля, что алпарат-!!?1Э средства упр^иления детга^елямп, разработанные на основа пр:»-нятоП хр|адепцш< управления » илюлп&нные на урезан мнкотлих образцов, нозволягт: суч^ствешю улуче.1ть экологические нскаяатолн тр-.н

Г4

Vi?,f., О. Попог!д:(С7Я ваботи и нодпросттоисгьа управления транс; шртат.! ДУО

таблица г

Статистические эффективные показатели дизеля 44 11/12,5 ( Д - 240 )

Еыходные ^показатели дизеля

Тип " управляющего устройства

¡Пока- ¡Полная

¡Средняя

; затель (вероятность|эффектив-¡колеба-)пребывания ¡ная мощ-¡тель- ¡процесса в ¡ность ¡ности ) зонеДо>) "¡с ¡прочее-; = о,03 ; ге .кВт

}сай">1 Роо

Полненная полезная энергия за время уи

А ,кВт.ч

Расход топлива

¡Средний

¡удельный расход ; топлива

Т

•за время ! часовой _ Испытаний ! )р !

& ,кг ! Вт ,кг/ч !Ое ,г/(квт.ч)!

Штатный

тор насоса УТН-5 1,7 0,55 59 9,8 2,62 15,7 266 100

УХН-Элв»строн-1. 1,45 0,63 60 10 2,41 14,45 242 92

УТН-Электрон-2 1,3 0,68 60,5 10,1 2,35 14,2 234 90

Электрон-3 1.4 0,65 60 10 2,40 14,4 241 92

Электро-гидравли-ческий регулятор 1,6 0,60 59,5 9,9 2,52 15,2 256 96

Центробежный регулятор с ДЭК 1,15 0,72 60 10 2,31 13,85 232 88

«портных ДВС, в частности до.40% снизить дьмность дизелей на нестационарных и переходных режимах, в особенности, при наличии на дизеле турбокомпрессора; уменьшить средний расход топлива на основных эксплуатационных режимах на 7.. .12%', улучшить статистические показатели колебательности частоты вращения коленчатого вала; снизить в среднем на 155? минимально-устойчивую частоту вращения холостого хода; увеличить устойчивость и стабилизируемость всей системы управления двигателем как на стационарных, так и на нестационарных режимах его работы.

Установка на центробежные регуляторы устройств компенсации ■ или корректоров, выполненнных на базе электромагнитных актюаторою и управляемых с помощью электронных логических блоков, позволяет оптимизировать динамические параметра переходных режимов регуля-,тора, обусловливает существеннее, до снижение расхода топлива на этих режимах и уменьшение дамности дизеля на 25-40^.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

Содержанием диссертации являлось определение путей улучшекш основных потребительских качеств транспортных средствсчет опч газации процессов управления двигателями. Указанная цель достигалась постановкой и решениемюмплекса взаимосвязанных задач управления, на основании чего были подучены следующие результаты;

1. Определены характерные категории режимов к условий фушщ! онирования системы управления двигателем транспортного средства. Предложена классификация режимов функционирования двигателя в ьэ рсятностном пространстве его состояний. Осуществлена идентификация сонорных категорий режимов транспортных ДВС.

2. В р»з^льтатя аналитического исследования ДВС как колебательного эвена СУ получены функциональные зависимости между доле дополнительных инерционных нагрузок в переходных процессах ,коэ$ 'Ьнциенгом неравномерности угловой скорости и основными параметр« мл колебательных процессов.

3. Определены условия обеспечения устойчивости системы упрг впения двигателем на стационарных и нестационарных режимах его ] боты.Показана плодотворность применения критерия абсолютной устойчивости В.М.Попова для анализа и оценки случайных процессов , Предложен подход к определению статистических показателей устойчивости случайных процессов-. в СУ ДВС. Для количественной оценки запаса устойчивости замкнутой системы в работе введен стохастический показатель колебательности системы , выражаемый через ст! тистические характеристики входных и вдхСдных сигналов.

В результате испытаний систем управления с различными управляющими устройствами выявлены тесные корреляционные связи стохастического показателя колебательности с характеристиками качества функционирования СУ ДВС ( точностью .быстродействием , абсолютной устойчивостью), а также эффективными показателями собственно дизеля. Для трех,испытанных по программам квазислучайных нагруже-ний дизелей, установлены зависимости 'удельных расходов топлива от значений показателя колебательности.

4. Разработанные автором аппаратные и программные средства на основе теории. Р.Калмана и Р.Бьюси позволяют осуществлять дина-отческую несмещенную оценку непрерывно изменяющихся координат состояния двигателя, функционирующего в условиях нестационарных случайных воздействий при наличии поцех. Предложен способ синтеза алгоритмов фильтрации, устойчивых к отказам в каналах измерек ния. Разработаны и применены при исследованиях методика и аппаратные средства воспроизведения квазислучайных режимов двигатетег лей, статистические параметры которых адекватны характеристикам натурных реализаций. Применен способ оценки колебательности частоты вращения коленчатого вала с применением теории выбросов, основанный на втором уравнении А.Н.Колмогорова для'определения плотности распределения оценочных показателей двигателя на макроинтервалах наблюдений.

5. Обоснована идеология управления транспортным двигателем, предполагающая формирование детерминированных и адаптивных стратегий управления, решающих определенны»круг частных задач управления, постановка которых определяется ситуацией движения транспортного средства; предложена классификация стратегий управления. Обусловлена целесообразность применения в большинстве ситуаций работы двигателя концепции идентификационного подхода.

' 6. В результате теоретических исследований установлена возможность применения для решения ситуационных задач оптимального управления двигателем известных в кибернетике аналитических методов: вариационного исчисления, метода динамического программирования Р.Беллмана, принцип максимума Л.С.Понтрягина, математического программирования. Показано, что при рассмотрении двигателя как линеаризированного объекта управления, фуняционируицего на стационарном режиме, функция Беллмана является функцией Ляпунова, что обусловливает получение оптимального управления, обеспечивающего устойчивые процессы управления и «главный образом, устойчивость частоты вращения коленчатого вала. В то же время с помощью принципа максимума Понтрягина достигнуто получение более удобных

аналитических выражений для оптимального управления двигателем при минимизации функционалов качества, соответствующих текущецу режицу двигателя и ситуации движения машины.

7. Установлено, что при синтезе оптимального по быстродействию управления в зависимости от располагаемого времени целесообразно применение законов, обеспечивающих разомкнутое управление, или законов, формируемых в соответствии с принципом максимума в виде нелинейной зависимости координат управления от координат состояния двигателя. При этом структура оптимального по быстродействию управляющего устройства определяется аналитически^ выражением функции переключения.

8. Сформулированы общие принципы аппаратного решения и ориентации логико-вычислительных устройств для требуемого круга задач управлении двигателем. Обоснована концепция синтеза управляющего устройства системы управления транспортным двигателем, в полной мере реализующего задачи оптимального управления. Доказана перспективность пути всеобъемлющей электронизации ДВС, создания комплексных адаптивных систем электронного управления всеми агрегатами двигателя, разработки специальных конструкций двигателей, полностью приспособленных для размещения в них элементов управляющих устройств. В то же время, при современном уровне? развития техники, допускается существование альтернативной идеологии постепенного внедрения электронных и микропроцессорных средств управления в классические системы и агрегаты двигателя с целью повышения гибкости регулирования этих систем и более полной адаптации двигателя к стохастическим переменным режимам работы.

9. На основе отдельных положений разработанной концепции оптимального управления двигателем осуществлен ряд макетных и опытно-конструкторских решений средств управления различной степени сложности, защищенных авторскими свидетельствами. Разработанные средства управления.проверены на работоспособность и возможность достижения при их применении наиболее важных целей оптимального управления в условиях стендовых, дорожных и внедорожных испытаний

двигателей тракторов и автомобилей. Применение предложенных управляющих устройств позволяет, улучшить экологические и топливно-пконпмические показатели транспортных ДВС: до 40% снизить дам* иость дизелей на нестационарных и переходных режимах; уменьшить сррдкий расход .топлива на основных-эксплуатационных режимах на 7..Л??; улучшить статистические показатели колебательности чаете ш врадегая коленчатого вала; снизить в среднем на'ТУ! мини-

»

мально-устойчивую частоту вращения холостого хода; увеличить устойчивость и стабилиэируемоеть всей системы управления двига- ' телем.

Установка на центробежные регуляторы корректоров, выполнен» , ных на базе электромагнитных актюаторов и управляемых с помощь»' электронных логических блоков, позволяет оптимизировать динамические параметры переходных режимов регулятора, обусловливает существенное, до снижение расхода топлива на этих режимах и уменьшение данности дизеля на 25...40%.

Анализ результатов проведенной исследовательской работы, а таете изучение и экстраполяция тенденций развития систем управления ДВС транспортных средств приводит к следующему заключению. Высокие потенциальные возможности современных технических средств автоматики, электронной аппаратурной и элементной базы,микропроцессорных средств могут быть в достаточной мере эффективно использованы в управляющих системах транспортных ДВС лишь при наличии достаточно полного рационального математического и научного обеспечения решений тактических и оптимкзецяонных задач

управления. '.......................

Предложенная в работа научная концепция ,а также ряд разработанных аппаратных и алгоритмических решений будут способство-рать достижению целей улучшения тактико-технических качеств транспортных средств за счет оптимизации управления ДВС.

Основные полокения диссертации опубликованы в ёледугхцих работах;

1. Ленин И.М., ПокроЕский Г.П., Федоров П.В. Аппаратура для электронного управления впрыском топлива // Автомобильный транспорт. - 1964.- 1? 8. - С.40-42.

2. Ленин U.M., Покровский Г.П., Федоров П.В. ПршекенИв средств электроники для дозирования топлива // Автомобильная прошшленность.- 1965.- № 3. - С. 18-21.

3. Федоров П.В. Переносной прибор измерения мощности мотора //Автомобиль: Чешек. - 1964,- # 10,- С. 15.

4. Федоров П.В., Лайок В,В. Эксплуатационный метод определения экономичности карбюраторного двигателя.- М. :Г0СИНТИ,19б&-8й

5. Федоров П.В., Самоль Н.Г. Прибор для измерения работа, затраченной карбюраторным двигателем. М.:ГОСИНТИ, 1965.- 9с.

f.. ;;:':гяроь П.В. Ипгор п приборах системы питан»«. // Авто-тр."¡¡спирт.- i960.- Р 1. - С.б£.

7. Фйло/юь П.Г'., Стмь Н.Г. Регамомогр ддк дороиш испу-ь.-гой Kat^Di'V/oj,iir.ro дг») гиеля // Автомобильная промышленность. •• ip'.v,.. ]- с.л7-1у.

8. Федоров ПЛ., Хорптшов B.Ii,, Клоков А.И. Систем« пон-¿--с;чп ргтнмпп трок'мрых днпокой // Механизация и оясштрлфлка-

.гтп сельского хосяйетг-а.- 1901. - К1 3.- С. 42-44.

Я. Фяп'ллг П.В. Система управления реяимадо работы тращ-ор-тпго дапгп /7 fcrya. сб, науч.тр. - I.!. ,1 151.- 1970.С. 137-140,

10. Тмюрог, П.Ь. Система стабилизации скорости UTA //Сб; i.fi.n. "Прбясчы f.'!r')«-pupr:ii-ir ei с/х проньсодстБ*".- Одесса,- 1979, ■ С. J.7M3..'.

II - 'i'j;i,npofi Ii,В. Использование результатов иссяадованяй пр; п^гп; -.-•,,[-i'jK.in агтим>тч--;ских си стой рогуллровшгая скорости ка--тршторнмх агрегатов // Межг>уа.сб.научн. тр,- И.1901.-С.Ш К:. Jr._5.opon П.Ii. Синтез эмктрошшх регуляторов чамоти ¡.¡л, -:ния трчкторпня дизелей //Аьтонатйоацня производстшашх г'р - ц-'С с г а р ¡лстгтъгюкствэ: Тез .докл .Всосоюан .науч. -техн .сосэ-Каунас,- 198?. - С. 67-68.

13. Федоров 11.В. Система электронного управления топливопо» ДЯ39 7Л // Иоханиопция и электрификация с/х-ва.- 1961. -Jp "i

- г:, к-г.7.

14. Здоров Fi,В. САУ тракторного дизеля с электронным уп-

//Пояснение топливной экономичности и долговечности згчгч;гшли;нх и тракторных двигателей: Межвуз.сб.науч.тр. МАМИ ч.л?(,<. -- с. 103-167.

1Б. Теноров П.В. Электронное управление подачей топлива // irT-,«?OMi!biwii транспорт.- 1983.- № 7. - С. 48-50.

г5 3>едороп И,В. Исследование микропроцессорного управляю-у.гг-.) устройства режимами работа дизеля: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-тг'-л!. кои^даниии,- М,- Рига.~К85. -С. 23-24.

17. Федоров П.В. Способ определения загрузки двигателей. // (^»►¡гпи'З технического обслуживания на долговечность селскохозяй-стсснной техники: Мепуэ.сб.научн.тр. - f.i. ,1935,- С, 08-90,

Нрутон Ь.И.,Федоров П.В. Тенденции разлития электронны; ¡.«сгем уг1рпилг;ньр транспортных дизелей //Двигателесгриенив.-r-pri.- ff /г. - с. 17-те.

Ki^icb B.U.,Федор::-. (I.D. .Кудриьцйв Й.Г,,Ияьлов В.А.

biöifffoHtiHft устройства ynjавлаям скор^с-иг-ж j..:.»;(.ц;»iu.^. тик дезелвй // Дглгатвпостроекяе.- I..- У -t.- С, O'-i-itL

го. Федором Н.В. .Клоаов Д.Й,>''ьчеу;юв fc.il. ï'n^î-.uuni.u :та онешш энергозатрат трзиторных •ыаляьй // Льгсля i^j-miia ч -« юлогпческ'Гл процйссои на база ьшкрсп^аюссо^в a J6.научи.тр. т. 114, Т%7, С. fn-tO.

21, Федоров 11.В. Шагалов Л1, Л. кычоглтааыщл и. ; л

ганий ЛЕС с fcepOiiiiiocTHott npof pfiieicii ьагр/дениЯ // ряэгяна ¡;c!-:6n;;npo,r'SHH!Jx дасаю»!! «ç/tpciihci-c. егирл.чм: Ь-j. докл. Бсесоюэн.науч.-техн,кокф.ШЯУ »¡ч.И.З.Fayi.wm.-'i. ,К:>7. -С. i .:.>

??, Федороя П.Ь. Опрйпе.'Л'пчй пее/.п'.зл грат грамор-ч:. /.чз ./• // Перспек'пшз разг.п-ан кс^ннироьшших .uusraieaen ы«утиьн.*1 о снорлнал: Te3..iûtcj.fier;(.4i3H.)!u.y4.-T":xH.ï'^i;^-î'HTy г: i. !l.3. ЫуаЛ!;^.

- H. 1937.- С. 143.

23. Круто а ti. Ii. .Оедорои II.В. Акадиа £>'нлц!ина/.мшх ci^-i yvi • роДетэ электронного управления транспортных дгагэтмеЯ //' Дг»'»-толестроеиче.- TOC®.- 6.- С. 14-16.

2-1. isAopoü И.В. 'Лее одое&ш* процесса шш&ашй частоwî epcr,js»»m коленчатого ¿ада дизевя // Драгатеаьстроение.- Ш?8,-С. 54.

¿5. Федоров И.В. Бортоше ерздем! сценки ониргозатграт ïf.ifetopûix де и'мезеа // Дми^етесароенио.- 26--IÖ,

7о. Зедороп П.Б. Постановка aa;i;»q umин.-дпьного управяеш.л •гранспорш-::.! дг!1гатолси // Амомо&мып.а л трактора» Дг.лг&1вП|: •ifcjiya.сб.тучн.рьбег r.-iJi.JO.- JC-DO.- С. 101-107.

27. Здоров Н.В. ,2едороьл E.H. Кенпстуиыыв осноеу ruaup'» стратегии уираепьния трмкпор' а дв:и-нтелякн // Эиспдуатецна

и ремонт сельскохсзяйстгемн.- ¡i техшуа : !Îeat®y3.сб.научи.тр.M.-1090. - С. 18-27.

28. 5едоро» Н.В. Теорктич<зстзо обоснование аягорииюа фунл~ цианирования мм>сропроцессорних устроПсто оценки знвргсзацат-да-зелей /Эксплуатация и ремонт с/х техника: И еавуз. с<$. нау ч л р. М.

- 1990. - С. 53-62.

29. Федоров П.В. '1еорйТичесвив вопросы оптимального уирь»®»-нл.ч транспортный деигателем // Лвтоцобзяывм я травто|*1Ш дгцгз-тевя: Меквуз.сб.науч.тр.МШИ,ял»'. 12.- 1993.-С. 60-07.

и изобретениях:

!.. A.c. i?9I?J СССР, Millt Г02. Карбаратср с электроника управлением дли двигателей м«утрйннзго огорияч / Федоров П.В. , Покрои-

ский Г.П.,Ленин И.М. //Открытия.Изобретения.Пром.образцы.Товарн знаки.- 1964. - г 4.- С.ПО.

2. A.c. 716886 СССР,М.Кл. B60K3I/00. Стабилизатор скорости движения транспортного средства./ Федоров П.В.// Открытия.Изобретения. Пром.образцы.Товары.знаки,- 1977.- № 7.- С.88,

3. A.c. 9799II СССР, М.Кл. 01 3/24. Устройство для конт роля и регулирования загрузки дизеля/ Федоров П.В.// Открытия. Изобретения, Пром.образцы. Товарн.знаки.- 1982.- £ 42,- C.I40.

4. A.c. 992773 СССР, М.Кл. Г02 31/00. Регулятор скорости дизеля/ Крутов В.И.,Федоров П.В..Кудрявцев В.Г.,Павлов В.А.// Открытая. Изобретения. Пром.образцы. Товарн.знаки.- 1983.- $ 4.

- С.82.

5. A.c. I086199 СССР, М.Кл. Г 02 I/I8. Устройство для р< гулирования угла опережения впрыскивания топлива насосом высокс .го давления дизеля / Крутов В.И.,Федоров П.В..Кудрявцев В.Г., Павлов В.А. // Открытия. Изобретения. Пром.образцы. Товарн.знаки,- 1984,- Р 14,- С.24.

6. A.c. 14С484Б СССР, М.Кл, 013/24. Устройство для конт роля регулирования загрузки дизеля /Федоров П.В. .Хорош'енков В.1 Клоков АЛ1.// Открытия. Изобретения. Пром.образцы. Товарн.знаю

- 1986. - Г 23,- С.68.

7. К.с. 1430572 СССР, М.Кл. Г02 41/16. Устройство для ре гулирования частоты вращения вале двигателя внутреннего сгорания/ Федоров П.В. .Н'ефатовя В.М. .Межеумов В.М. //Открытия.Изобретения. Пром.образцы, Товарн.знаки.- 1986,- №38,- С.32.

. ^ ..

noi^ircßfio в печать 10,03.94 . 2 п.л.

Зяпаз 9*-г "края ТОО экз.

v-ттщ. ттт им. н.о. Баумана