автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии определения связанного многопараметрического управления двигателем внутреннего сгорания



На правах рукописи

Аманов Кирилл Аркадьевич

Совершенствование технологии определения связанного многопараметрического управления двигателем внутреннего сгорания

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и автотракторные двигатели" Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Черняк Б.Я.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Марков В.А.

кандидат технических наук, доцент Набоких В.А.

Ведущая организация

Институт Проблем Управления им. В.А. Трапезникова Российской Академии Наук

часов на заседании

диссертационного совета Д.212.126.04 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническим университете) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр-т, д.64, ауд. 42

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: 155-03-28.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор В.А. Максимов

Автореферат разделан </3 2004 г.

мое -(/

ЗОГЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Выполнение современных и перспективных норм на выбросы токсичных веществ, обеспечение высоких потребительских и эксплуатационных характеристик автомобиля невозможно без использования многопараметрического управления рабочими процессами двигателя и применения микропроцессорных систем управления (МСУ). В то же время отработка и настройка таких систем очень сложны и трудоемки. Это объясняет актуальность задач, направленных на создание автоматизированной технологии быстрого выбора связанного многопараметрического управления работой автомобильных двигателей. Важность решения таких задач усугубляется тем, что отечественная промышленность, пока выпускающая двигатели с ограниченным числом управляющих воздействий, вплотную подошла к введению многопараметрического управления и отсутствие соответствующей технологии начинает сдерживать развитие отрасли.

Цель работы. Исследовать способы выбора законов оптимального управления многопараметрическими объектами на установившихся и динамических режимах и выработать подходы, позволяющие снизить трудоемкость и длительность калибровки управляющих воздействий при получении результата экспериментальными методами. Апробировать предложенные подходы на моделях и в условиях эксперимента. Разработать технологию быстрой экспериментальной калибровки МСУ ДВС.

Методы исследования. В ходе разработки технологии выбора базовых калибровок МСУ ДВС были проведены расчетные исследования:

а) эффективности математических методов быстрого поиска при решении задач оптимизации управлений МСУ ДВС (выполнялись с использованием 6-параметрической модели объекта);

б) погрешностей прогнозирования показателей ездового цикла (ЕЦ) при использовании альтернативных способов определения показателей ДВС по данным для ограниченного числа опорных режимов.

В процессе отработки методики идентификации параметров модели переходного процесса были выполнены расчетные исследования с использованием модели топливной пленки. Затем в лаборатории ООО «НПП ЭЛКАР» на моторных стендах была проведена серия экспериментов для исследования и подтверждения эффективности предложенных подходов.

' и.,1ЬНАЯ ! КА •>>Г

iWlfiPh

Научная новизна.

1. Предложена технология калибровки базовых матриц микропроцессорных систем управления ДВС, в ходе разработки которой найдены решения и получены результаты, представляющие научный интерес. К ним относятся:

1.1. Методика определения связанного управления двигателем на заданном нагрузочно-скоростном режиме (методика локальной калибровки).

1.2. Результаты исследования эффективности математических методов оптимизации при решении задач с шестью варьируемыми переменными, а также способов ускорения вариационного поиска.

1.3. Результаты анализа погрешностей, возникающих при прогнозировании показателей ЕЦ по экспериментальным данным для ограниченного числа опорных режимов работы двигателя.

2. Разработана методика, позволяющая экспериментально выполнить идентификацию параметров модели переходного процесса.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные технологии позволяют экспериментально, с высокой точностью определять оптимальные калибровки МСУ ДВС на установившихся режимах (при решении задач с шестью и менее управляющими воздействиями) и в переходных процессах (для случая динамической коррекции подачи топлива при резком открытии дроссельной заслонки).

2. Найденные решения обеспечивают существенное сокращение трудоемкости работ и позволяют автоматизировать процесс калибровки систем управления ДВС.

3. Реализация разработанного логического и математического аппаратов предполагает построение технологий, которые помимо непосредственного выполнения калибровки могут быть использованы при:

- совершенствовании (адаптации) микропроцессорных СУ;

- доводке рабочих процессов двигателя;

- изучении эффективности антитоксичных устройств;

- сравнительном анализе показателей автомобилей;

- исследовании потерь в экономичности в зависимости от допустимого уровня выбрасываемых за ЕЦ вредных веществ.

Реализация работы. Разработанная технология определения связанного многопараметрического управления МСУ ДВС прошла апробацию в лаборатории ООО «111ИI ЭЛКАР». По ее результатам было принято решение об использовании предлагаемой интеллектуальной технологии в процессе отработки перспективной микропроцессорной системы управления для двигателей АО «АВТОВАЗ», а также при разработке автоматизированной процедуры испытаний (калибробки) и отладке микропроцессорных систем управления ДВС.

6-параметрическая модель двигателя, разработанная с целью проверки эффективности предлагаемых алгоритмов и отладки технологии калибровки базовых матриц МСУ ДВС, была внедрена в учебный процесс кафедры "Теплотехника и автотракторные двигатели" МАДИ (ГТУ).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Технология калибровки 6-параметрической системы управления ДВС с учетом интегральных требований ЕЦ.

2. Результаты применения и исследования математических методов оптимизации при решении задач расчетного и экспериментального поиска калибровок МСУ ДВС.

3. Альтернативные способы прогнозирования показателей автомобиля при выполнении ЕЦ по данным для ограниченного числа опорных режимов работы ДВС.

4. Методика идентификации параметров модели переходного процесса для обеспечения динамической коррекции управления ДВС.

Личный вклад автора.

1. Проведен анализ различных технологий определения связанных управляющих воздействий при разработке МСУ ДВС. Обоснована необходимость декомпозиции оптимизационной задачи и структура ее решения.

2. Разработан аппарат для прогнозирования показателей автомобиля при выполнении ездового цикла с использованием аппроксимации регулировок и показателей, полученных при работе двигателя на опорных режимах. Исследованы методы аппроксимации поверхностей управления и показателей, оценены возможные погрешности и даны рекомендации по их устранению.

3. С использованием подмоделей, ранее разработанных на кафедре "Теплотехника и автотракторные двигатели" МАДИ (ГТУ), построена модель

двигателя с шестью управляемыми параметрами.

4. С использованием модели исследована эффективность метода непрямой оптимизации на основе самоорганизации (МНСО), разработанного в ВВИА им. Н.Е. Жуковского, на задаче экспериментальной оптимизации двигателя с шестью управляющими воздействиями. Под руководством д.т.н. Г.В. Кретинина, одного из авторов МНСО, разработаны и исследованы модифицированные процедуры, обеспечивающие ускорение экспериментального поиска.

5. Разработана и экспериментально проверена возможность использования МНСО для определения 6-ти настроечных параметров модели переходного процесса, необходимой для динамической коррекции подачи топлива при резком открытии дроссельной заслонки.

6. Выполнены эксперименты для получения исходных данных, необходимых для моделирования, и проведена экспериментальная проверка рекомендаций, выработанных при моделировании.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научно-техническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана 26 января 2000 г., на 4-й Международной научно-технической конференции в МАДИ (ГТУ) 1-3 февраля 2000 г., на Международном научном симпозиуме, посвященном 135-летию МГТУ «МАМИ», в МГТУ «МАМИ» 27-28 сентября 2000 г., на научно-техническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана 31 января 2001 г., на XXXIX международной научно-технической конференции ААИ в МГТУ «МАМИ» 2526 сентября 2002 г., на Международной научно-технической конференции в НГТУ 17-19 декабря 2003 г., на 2-й Всероссийской научной конференции в ИПУ РАН 25-26 мая 2004 г., на Выставке научных достижений МАДИ в 2004 г.

Часть материалов диссертации была получена в рамках выполнения Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и АО «АВТОВАЗ» по направлению «Научно-инновационное сотрудничество», шифр темы 090Х-061-С5. Отчет по работе принят заказчиком.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 статьи и тезисы 3 докладов.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, содержит 206 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 30 таблиц. Библиография включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу проблем, затрудняющих выбор значений управляющих воздействий на двигатель (калибровку МСУ ДВС).

Основные трудности обусловлены возрастанием размерности задачи оптимизации. Это является следствием увеличения числа управляющих воздействий, что в свою очередь необходимо для выполнения современных и перспективных требований по токсичным выбросам, обеспечения высоких потребительских и эксплуатационных характеристик автомобиля. Отличительной особенностью этих требований является их многочисленность и противоречивость, в результате чего усложняется постановка задачи оптимизации и оказывается невозможным нахождение совместного оптимума.

Отмечено, что за последние годы выросло число требований, предъявляемых к динамическим режимам работы. Для их выполнения необходима разработка специальных управляющих контуров, а такж~ моделей, ориентированных именно на задачи управления объектом.

Отмечено, что при проведении калибровки базовых матриц МСУ ДВС принципиально возможны две постановки оптимизационной задачи: глобальная и локальная Глобальная постановка обусловлена существующими методами нормирования токсичности, согласно которым качество выбранных управлений определяется тем, в какой мере интегральные показатели объекта за сумму режимов ездового цикла (ЕЦ) удовлетворяют законодательным требованиям. В этом случае задача оптимизации, фактически являющаяся задачей поиска управляющих воздействий на бесконечном множестве режимов ЕЦ, принципиально не может быть решена без проведения декомпозиции, то есть сокращения размерности.

Локальные задачи калибровки могут быть поставлены на режимах, лежащих вне области ЕЦ. Размерность таких задач равна числу связанных управляющих воздействий. Как показал анализ литературных источников, это число у современных двигателей приближается к 4-5-ти, а у перспективных конструкций - к 6-ти и более. Опыт экспериментальной калибровки такого числа управляющих воздействий практически отсутствует не только у нас в стране, но и за рубежом, что объясняется недостаточной эффективностью большинства известных методов оптимизации. Это делает совместный поиск управлений ДВС очень трудоемким и длительным. В результате значительно возрастает общая продолжительность разработки новых двигателя и СУ, в

процессе которой задачу калибровки приходится решать несколько раз, а кроме того отсутствует гарантия получения показателей объекта, действительно близких к предельным (оптимальных).

Анализ проблем, возникающих при выборе управляющих воздействий в современных и перспективных МСУ ДВС, подтвердил необходимость разработки «быстрых», автоматизированных технологий калибровки. Для этого в первую очередь необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику определения оптимального управления двигателем на заданном нагрузочно-скоростном режиме в задачах с шестью независимыми переменными при наличии ограничений на значения управляющих воздействий и выходные показатели ДВС, а также мероприятия по повышению эффективности экспериментального поиска.

2. В рамках создания альтернативной технологии калибровки базовых матриц МСУ ДВС разработать:

2.1. методику конечномерной аппроксимации управляющих воздействий и показателей ДВС на основании данных для ограниченного числа опорных режимов;

2.2. программные средства, позволяющие с использованием этой аппроксимации прогнозировать показатели автомобиля при выполнении ездового цикла и формировать базовые матрицы управления.

3. Разработать способы ускорения идентификации параметров динамических корректоров управления, обеспечивающих улучшение показателей двигателя в переходных процессах.

Вторая глава посвящена вопросам построения альтернативной методики калибровки, позволяющей выполнить быстрый экспериментальный поиск базовых управлений МСУ ДВС с учетом интегральных требований ЕЦ. При этом были учтены результаты исследования ранее предложенных методик. Так, отмечено, что в большинстве технологий декомпозиция исходной бесконечномерной задачи заключается в введении ограниченного числа (10-15) базовых нагрузочно-скоростных режимов, на основе которых в дальнейшем строят сглаженную поверхность управления. К недостаткам многих методик, в частности, фирмы «АУЛ», было отнесено использование в качестве базовых эквивалентных режимов, должных обеспечивать при заданном весовом коэффициенте \У получение тех же расходов топлива и выбросов вредных веществ, что и группа заменяемых ими режимов. В действительности,

вследствие принятия при выборе «весов» ряда допущений, имеют место значительные ошибки прогнозирования ЕЦ (согласно материалам 8АЕ). Поэтому было решено отказаться от развития идей, предложенных фирмой «АУЬ», а разработать альтернативную методику.

Предлагаемая методика основана на использовании опорных режимов и быстрых, «экономичных» методов вариационного поиска. Отличие опорных режимов от эквивалентных в том, что первые назначаются на поле режимов произвольно с точки зрения расположения и количества. Благодаря этому появляется возможность уточнения формы поверхности управления непосредственно в ходе решения задачи. Недостаток подхода заключается в усложнении процедуры прогнозирования интегральных показателей автомобиля при выполнении ЕЦ (см. 4-ю главу работы).

Размерность глобальной задачи в данном случае равна произведению числа связанных регулировок двигателя р и количества базовых точек Ми. Применительно к перспективным ДВС с р>5 решение такой задачи даже расчетными методами становится крайне затруднительным, что объясняет необходимость более глубокой декомпозиции. Предлагается перейти от поиска управлений на совокупности базовых точек к их оптимизации на отдельных режимах (локальной калибровке). На первом этапе решение локальных задач проводится без учета ограничений на выбросы вредных веществ, что равнозначно поиску наилучшей экономичности (см. рис. 1). Затем осуществляется прогнозирование показателей ЕЦ. Если нормы по токсичности выполнены, найденные регулировки принимаются как окончательные. В противном случае полученные в ходе выполнения безусловной оптимизации значения выбросов <2м на каждом из Ыи опорных режимов делят на коэффициенты снижения токсичности Км- Коэффициенты выбирают с таким расчетом, чтобы при прогнозировании ЕЦ на основе данных для опорных

режимов - скорректированных значений Qм' = Ям. _ суммарные выбросы

КМ

вредных веществ не превысили допустимых величин. Далее решают ряд локальных задач, используя в качестве ограничений (Вм).

Коэффициенты снижения токсичности Ку можно задать двумя способами. В первом случае (вариант «Л») решают глобальную оптимизационную задачу, формулируемую как поиск таких коэффициентов Км, при которых интегральный

Рис. 1. Блок-схема технологии экспериментальной калибровки МСУ ДВС с применением метода быстрого поиска

расход топлива Qj при выполнении ЕЦ будет минимальным, а токсичные выбросы QjKm не превысят нормируемых значений (Вт), пересчитанных для активных режимов цикла. Решением задачи является нахождение в общем случае m-NM коэффициентов К^, где т - индекс соответствующей компоненты

отработавших газов (ОГ). В варианте «В» вводят общий для всех базовых точек

QTK

коэффициент, определяемый как К^=Кт =-—.

Вт

Как следует из описания методики, в случае, когда вредные выбросы на режимах, управляемых по базовым матрицам, оказываются сравнимы с погрешностью определения Откт > Для нахождения калибровок достаточно в

каждой опорной точке найти вектор управлений, обеспечивающий получение максимальной экономичности. На основании этого можно заключить, что потребность в решении задачи на совокупности опорных точек - глобальной оптимизации - будет возникать главным образом при недостаточной эффективности средств снижения токсичности и/или сравнительно больших выбросах продуктов неполного сгорания двигателем. Поскольку с развитием двигателестроения такие ситуации будут все более редки, что можно прогнозировать с учетом результатов испытаний современных автомобилей на беговых барабанах (см. работы ООО «НПП ЭЛКАР»; Юго-западного НИИ и Ассоциации производителей средств регулирования и снижения токсичности, США), в ближайшие годы возникнет необходимость в новых постановках задачи оптимизации. Автором был предложен ряд альтернативных постановок задачи, среди которых, как наиболее перспективные, выделены:

а) задача поиска управлений, обеспечивающих предельно низкую токсичность при заданном уровне ухудшения экономичности;

б) задача поиска управлений, обеспечивающих при заданных выбросах вредных веществ наименьший расход топлива.

В третьей главе рассмотрены проблемы выбора и совершенствования методов оптимизации, пригодных для экспериментального выполнения калибровки МСУ ДВС. Основное внимание было уделено методу МНСО (метод непрямой статистической оптимизации на основе самоорганизации), разработанному в ВВИА им. Н.Е. Жуковского под руководством И.Н. Егорова. Это объясняется, в частности, положительным опытом, полученным

C.B. Хавториным при апробации МНСО на задачах 3-х и 4-параметрического поиска, а также особенностями метода, позволяющими предположить, что он окажется высокоэффективен и при решении задач большей размерности.

Для оценки действительной эффективности МНСО была выполнена локальная калибровка МСУ ДВС. При этом, вследствие отсутствия реальных многопараметрических объектов управления, использовалась специально построенная для указанных целей 6-параметрическая модель бензинового двигателя, работающего по циклу Миллера (рис. 2). Модель была создана на основе подмоделей, ранее разработанных на кафедре "Теплотехника и автотракторные двигатели" МАДИ (ГТУ). Модель базируется на законах и уравнениях механики, термодинамики, газовой динамики и теории двигателей, и представляет собой модель двигателя с турбонаддувом, состоящую из двух блоков. В первом проводится расчет совместной работы ДВС и ТКР, а во втором - непосредственно расчет показателей цикла Миллера.

Постановка тестовой оптимизационной задачи заключается в следующем: определить на заданном скоростном режиме управляющие воздействия, обеспечивающие наибольшее значение Ме при условии бездетонационной работы двигателя (Лх< 0,1). Поиск проводился в двух диапазонах варьирования переменных: широком, по всей области допустимых значений (ОДЗ), и узком (когда предполагается, что расположение оптимальной точки приблизительно известно). Тестирование прошли исходная версия МНСО, 1-ая модификация метода (имеют в плане начального эксперимента соответственно 29 и 15 точек), и 2-ая модификация, в которой при определении промежуточных значений функций аппроксимации используется линейная интерполяция.

Были получены следующие результаты.

1. При поиске в широком диапазоне варьирования наиболее эффективен метод МНСО в исходной версии. «Лучшие» результаты в промежутке между 60-м и 100-м шагами поиска отличаются между собой не более чем на 0,5% (под «лучшими» понимаются точки, каждая последующая из которых по значению критерия превосходит предыдущую, максимальную по Ме). Недостатки связаны с возможностью выхода ДВС на неустойчивые или детонационно-опасные режимы работы, а также с большим числом (около 30%) заведомо неудачных комбинаций независимых переменных. Это объясняется двумя причинами: во-первых, глобальным характером поиска (последовательным

рассмотрением всех подозрительных на экстремум точек), а во-вторых -использованием внутри метода МНСО процедур случайного поиска.

Блок задания ИСХОДНЫХ ДАННЫХ Управляющие воздействия ДВС: коэффициент избытка воздуха а, степень сжатия е, угол закрытия впускного клапана <р3 (еп), длительность тепловыделения 6>/, угол начала тепловыделения <рс, давление на впуске рк\ скоростной режим п; геометрические параметры КШМ и ГРМ, геометрические параметры ТКР, параметры тепловыделения; параметры рабочего тела на входе в компрессор.

Блок расчета СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ И ТКР

КОМПРЕССОР @кпру Чкад' Як*>Рк> Тк, и др. ДВИГАТЕЛЬ тд„ С в, Ог, Ме, ge и др. ТУРБИНА От, Г]т, Жт*,Рь Ть Ыти др. ПЕРЕПУСК ГАЗА. МИНУЯ турбину //«ер, Опер и др.

Блок расчета ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС

ГАЗООБМЕН АОв„, АОвы„, в, О в, П» Г и др. СЖАТИЕ лд„,р, к т СГОРАНИЕ и др. РАСШИРЕНИЕ

Блок расчета ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО ЦИКЛА

ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

__

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

_Рм П ' ^М П ' Ум_

ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

_Ре, N¡1, Ме, _

Блок расчета ДЕТОНАЦИИ

Доля топлива, не сгоревшего к моменту

возникновения детонации, Ах

Рис. 2. Информационная схема модели ДсИЗ с турбонаддувом

1-ую модификацию МНСО при поиске калибровок по всей ОДЗ использовать не рекомендуется: вследствие относительно меньшей точности начальных моделей падает скорость выхода к экстремуму (рис. 3), что затрудняет определение момента останова поиска, а также увеличивается число неудачных (с точки зрения ограничений по детонации) комбинаций управляющих воздействий.

2-ую модификацию метода МНСО при поиске в широком диапазоне варьирования использовать не следует: неадекватное описание внутренними функциями аппроксимации поверхностей выходных показателей может привести

к получению псевдооптимального решения (выходу на «ложный» оптимум).

Рис. 3. Результаты поиска оптимальных условий (настройки СУ) при задании широкой ОДЗ управляющих воздействий ДВС

[е, Нм --МНСО (исходная версия) -- 1-я модификация - 2-я модификация

•.....r-------1 -- —

------- — ' —

s. у

is* i

-1-1-1-1- // ц ¡М-

Mill Mill 1 1 1 1 11 III II \ II11 rt-m- II1 1 1 [ 1 1 1 1 1 1 11 "II

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ОПЬГГ

Рис. 4. Результаты поиска оптимальных условий (настройки СУ) при задании узкой ОДЗ управляющих воздействий ДВС

2. При калибровке в суженной ОДЗ наиболее быстрый выход к предельным значениям критерия обеспечивается 2-ой модификацией МНСО (рис. 4). Но вследствие меньшей точности аппроксимации лучший за 100 наблюдений результат оказался на 0,8 Нм (0,4%) ниже в сравнении с результатом, полученным

при тестировании исходной версии метода, что существенно при расчетной оптимизации. Кроме того, около 70% шагов поиска неудачны с точки зрения выполнения ограничения. Поэтому 2-ая модификация метода может быть рекомендована для решения задач меньшей размерности, а также задач с плавным характером изменения поверхности выходного показателя.

Предпочтительным вариантом при поиске в узком диапазоне варьирования является 1 -ая модификация метода МНСО. Преимущество - возможность раннего останова поиска («лучшие» точки в промежутке между 40-м и 100-м опытами отличаются не более чем на 0,25%). При этом значения оптимальных управлений совпали или оказались очень близки к результатам, полученным при тестировании исходной версии метода.

3. При сужении области поиска в случае использования исходной версии МНСО решение может быть найдено на 10-15-ть, а при использовании 1-й модификации метода - на 15-20-ть шагов раньше в сравнении с поиском в широкой ОДЗ переменных. Этот факт свидетельствует о высокой важности рационального выбора области поиска при экспериментальном решении задачи.

На следующем этапе исследования при сохранении формулировки критерия была выполнена безусловная оптимизация управляющих воздействий симплексным методом, методом Нелдера-Мида, а также МНСО (использовалась 2-ая модификация). Было отмечено, что стабилизация «лучших» значений критерия на уровне «209,5 Нм при использовании первых двух методов достигается к 60-му опыту. В то же время, при калибровке методом МНСО значения Ме, соответствующие этому уровню, стабилизируются к 40-му шагу поиска (см. рис. 5), что свидетельствует о значительном преимуществе метода МНСО по скорости поиска перед «традиционными».

Но также было отмечено, что для симплекс-метода характерно небольшое различие между значениями одноименных регулировок ДВС на смежных шагах поиска в сравнении с МНСО (для исходной версии метода может достигать 30%) Соответственно, небольшими будут относительные изменения критерия от опыта к опыту (см. рис. 5). Это обстоятельство, не столь важное при стендовой настройке СУ, обязательно должно быть учтено при выборе метода быстрого поиска, пригодного для самонастройки управлений ДВС в процессе эксплуатации автомобиля, при которой значительные колебания критерия нежелательны.

Четвертая глава посвящена вопросам прогнозирования показателей ЕЦ,

MejHM 210 m 208

207 206 205 2D4

203 202 201 200

199

O S10tt20 2S®3Sa04S ОПЫТ

а)

Ме,Нм 210

209

208

207 2oe

205

204

203 202 201

200

199

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ОПЫТ

б)

МеЛм

210

209

208 207

206

205

204 203 202 201

200 199

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ОПЫТ

В)

Рис. 5. Поиск без ограничений в узких диапазонах варьирования переменных: а) значения критерия при поиске 2-й модификацией метода МНСО; б) значения критерия при поиске методом Нелдера-Мида; в) значения критерия при поиске симплексным методом

Г ---1———I- —г~ — ¡л 1-Г r-fj i LT" I Н 1 ^^ 1 1 "" " i i " i i

f 1 1 1 1 1 i i i i

■4 j ■lili lili i i i i > i

i i i i i iiiii i t i i

которое является обязательным этапом предложенной технологии калибровки МСУ ДВС. В процессе разработки методики прогнозирования возникла задача расчетного моделирования цикла. Эта задача была решена в квазидинамической постановке, при которой мощность рассчитывается с учетом затрат энергии на разгон автомобиля и двигателя. Расчет проводится по известным уравнениям силового баланса. Результат моделирования - получение последовательности {щ\ Ме/с}, называемой также траекторией ЕЦ, элементы которой являются среднеинтегральными значениями режимных факторов на ¿-том шаге расчега. Для определения соответствующих этим режимам показателей объекта -часовых расхода топлива Оу и выбросов т-го компонента отработавших газов *-*ТКт ~ были предложены два альтернативных способа: расчет по поверхности

управлений и расчет по поверхности показателей.

В первом случае показатели ДВС находят с использованием моделей. При этом возникает задача определения управляющих воздействий на режимах, не совпадающих с базовыми. Дня ее решения был разработан алгоритм аппроксимации данных кусочно-непрерывными функциями, заданными на ограниченном числе симплекс-элементов, узлы которых соответствуют базовым точкам. По поверхности, образованной симплексами, с использованием специальных процедур интерполяции данных можно определить значения управляющих воздействий и в любой точке поля режимов, а затем подставить их в модель ДВС (см. рис. 6). Тогда показатели ЕЦ, например, интегральный расход топлива, могут быть рассчитаны как

где Л^ - длительность к-го шага интегрирования, Л^ - число шагов расчета, м(-) - значение вектора управляющих воздействий в той точке поля режимов, которой соответствует «средний» по Л1к режим Ме^).

Второй способ определения показателей двигателя на режимах траектории ЕЦ предусматривает построение базовой поверхности показателей ДВС с последующей интерполяцией значений 67- и 0'ГКт ■ Тогда расход

топлива за ездовой цикл можно найти как Зу = £ ^т (и^; Ме, , а выбросы

№

(1)

токсичных компонентов - как Огкт = X ^>тКт\пк'->^

интерполяционных задач, возникающих при калибровке МСУ ДВС

При анализе разработанных алгоритмов возник вопрос о надежности результатов прогнозирования ЕЦ в случае расчета показателей промежуточных точек траектории по поверхности показателей. Этот способ проще, поскольку не требует построения моделей ДВС и обеспечения их адекватности, но сопровождается погрешностями интерполяции данных. Для изучения и оценки значимости этих погрешностей с использованием альтернативных видов базовых поверхностей были рассчитаны показатели автомобиля ВАЗ-2ЮЗ при выполнении Европейского ездового цикла (городская часть, 1 заезд) для разных чисел базовых точек и схем формирования симплексов. Расчет был выполнен с использованием эмпирических моделей двигателя ВАЗ-2ЮЗ, полученных в МАДИ на основе обработки экспериментальных данных. Управляющие воздействия (а и <ртз) в каждой базовой точке выбирались по условию обеспечения наилучшей экономичности, а для поддержания режима изменяли величину коэффициента наполнения г)у.

В процессе рассмотрения результатов было отмечено, что увеличение числа

опорных режимов приводит к снижению разницы между показателями ЕЦ, рассчитанными альтернативными способами (либо по поверхности управлений, либо по поверхности показателей): с 13% при 9-ти базовых точках до 3% при 14-ти.

Для подтверждения воспроизводимости полученных результатов в случае иного разбиения поля режимов на симплексы (то есть в случае изменения порядка сединения узлов в треугольники при сохранении их количества) были проведены дополнительные исследования. Оказалось, что при малом числе базовых точек (N^=9) показатели ЕЦ значительно различаются между собой как при разных способах расчета (до 13%, см. табл. 1), так и при разных вариантах формирования симплекс-элементов (до 11,9%, см. табл. 3). Увеличение числа базовых точек до 12-ти привело не только к снижению разницы между результатами прогнозирования внутри каждого варианта разбиения поля режимов (до 4,1%, см. табл. 2), но и разницы между показателями, полученными для различных вариантов формирования симплексов при одинаковом способе расчета (до 2,4%, см. табл. 3).

Были сделаны выводы, что для повышения надежности результатов прогнозирования ЕЦ следует использовать не менее 12-13 базовых точек, а при формировании симплексов стремиться к получению возможно меньших их размеров. При известной топологии поверхностей показателей базовые точки рекомендуется располагать в районах перепадов или впадин, а в общем случае стремиться к их размещению вблизи режимов движения с постоянной скоростью.

Пятая глава работы посвящена разработке методов, позволяющих экспериментально выполнить идентификацию динамических моделей объекта. В случае высокой точности таких моделей появляется возможность динамического управления неустановившимися режимами работы ДВС. Фактически, оно заключается в прогнозировании и реализации таких значений управляющих воздействий ДВС, которые обеспечат заданное качество переходного процесса.

Проблема была рассмотрена на примере построения корректора подачи топлива при резком открытии дроссельной заслонки (ДЗ), позволяющего снизить заброс а до уровня, при котором обеспечивается эффективная работа нейтрализатора ОГ. Потребность в построении такого корректора возрастает по мере того, как снижаются резервы улучшения показателей токсичности на установившихся режимах работы ДВС, то есть крайне высока уже сегодня.

Корректор базируется на динамической модели топливной пленки (ТП),

Таблица 1.

Абсолютная (д) и относительная (5) разница между показателями ЕЦ, рассчитанными по альтернативным базовым поверхностям, для разных вариантов формирования симплексов, построенных на основе 9 базовых точек

Вариант Базовая поверхность Ох' г «Л/О,- % Асо> г 5СО> % Ас#' г 5СЯ- %

1 управлений 0,18 13 0,1 и 0,42 3,9

показателей

2 управлений 0,16 10,7 0,08 8,7 0,23 2,1

показателей

3 управлений 0,19 12,6 0,07 7 0,42 3,9

показателей

Таблица 2.

Абсолютная (А) и относительная (8) разница между показателями ЕЦ, рассчитанными по альтернативным базовым поверхностям, для разных вариантов формирования симплексов, построенных на основе 12 базовых точек

Вариант Базовая поверхность АмV г % Асо> г 8СО-% АСН' г §ся> %

1 управлений 0,057 3,9 0,021 2,4 0,095 0,84

показателей

2 управлений 0,061 4,1 0,023 2,6 0,11 0,93

показателей

3 управлений 0,055 3,7 0,026 3 0,17 1,6

показателей

Таблица 3.

Абсолютная (А) и относительная (5) разница между показателями ЕЦ, рассчитанными для различных вариантов формирования симплексов по базовой поверхности одного вида

Показатель Вид базовой поверхности 9 базовых точек 12 базовых точек

&тах, % Дтах, Г 5тах, %

тХЕ,г поверхность управлений 0,18 11,6 0,025 1,6

поверхность показателей 0,16 11,9 0,027 1,8

С02,г поверхность управлений 0,042 4,7 0,021 2,4

поверхность показателей 0,032 3,3 0,18 2

СН£,г поверхность управлений 0,1 0,9 0,049 0,4

поверхность показателей 0,29 2,7 0,12 1,1

присутствующей во впускном трубопроводе ДОС. Модель формально отображает картину перехода топлива в пленку и обратно, что позволяет прогнозировать его действительную цикловую подачу в цилиндр GT4UKa при заданной цикловой подаче топлива форсункой Сф (прямая задача):

бтцыкл-+ AGm.4m = йф ~ А + А Спя.цш = Grp- A FILM, (2) где АОф^и, - доля топлива из поданного форсункой, поступившая в цилиндр;

AGm.4W, - доля топлива из пленки, поступившая в цилиндр; АСф.т - доля

топлива из поданного форсункой, выпавшая в пленку; AFILM - изменение

количества топлива в пленке, или цикловая подача в пленку.

Для связи исходных данных и параметров, описывающих переходные процессы (ГШ) в ТП, используются специальные коэффициенты - емкостной К и динамический D: АСФ.Ш = g (К, ), AGm.4UKt = /(D, FILM), где FILM- масса топлива, содержащегося в пленке. Если указанные коэффициенты известны, то есть произведена их идентификация применительно к данному объекту моделирования, появляется возможность коррекции топливоподачи. Для этого необходимо решить обратную задачу: найти значения С7ф, обеспечивающие при известных цикловых расходах воздуха Ga4m требуемый состав смеси.

Поскольку разработчиками модели ТП - специалистами ООО «НПП ЭЛКАР» - было предложено с целью более точного управления протеканием кривой а на различных участках работы корректора использовать соответственно три динамических и три емкостных коэффициента, в процессе их последующего определения (т.н. настройки модели) решалась 6-параметрическая задача. Одновременный поиск настроечных коэффициентов методом МНСО, проводимый экспериментально по условию обеспечения минимальной величины заброса а относительно уровня а=1, был остановлен на 40-м шаге вследствие низкой воспроизводимости результатов и значительной длительности калибровки, которая при имеющих место условиях проведения испытаний могла бы превысить 8 часов.

Для ускорения идентификации параметров модели ТП и повышения качества ее настроек был разработан и осуществлен ряд мероприятий.

1. Декомпозиция оптимизационной задачи, основанная на принципе суперпозиции. Выполнение декомпозиции позволило перейти от решения исходной 6-параметрической задачи к последовательному решению трех 2-параметрических задач.

Каждую из таких задач было предложено решать экспериментально с

применением метода МНСО (использовалась исходная версия метода).

2. Автоматизация процедуры настройки корректора. Данную процедуру можно разделить на две составляющие. Первая непосредственно относится к организации и проведению испытаний на моторном стенде. При этом возникает потребность в автоматизированном управлении многими процессами. Наибольшая экономия во времени калибровки была достигнута за счет автоматизации процесса задания исходных данных, включающего в себя трудоемкие операции по пересчету и коррекции коэффициентов К и D, на который при «ручном» выполнении затрачивалось до 7-ми минут.

Вторая составляющая обучения корректора заключается в решении оптимизационной задачи. Эта процедура также была автоматизирована, для чего потребовалось написание ряда прикладных программ в пакете MatLab.

3. Изменение формулировки критерия оптимизации. В качестве критерия было взято среднее квадратичное отклонение а от установочного уровня, осредненное по 3-м возмущениям. Расчет критерия - поцикловой, с учетом зоны действия настраиваемых коэффициентов модели ТП. Выбор такого критерия способствовал не только уменьшению наибольших отклонений а (поскольку их значения берутся в квадрате), но и обеспечению малых забросов а по переходному процессу (так как оценка интегральная). Критерий останова поиска - выполнение 15-ти опытов.

Проверка методики последовательной настройки корректора проводилась в лаборатории ООО «Hi111 ЭЛКАР» на специализированном моторном стенде. Для регистрации сигнала а использовался широкодиапазонный лямбда-зонд LA3 фирмы ETAS с погрешностью измерений ±1,5 %. Для воспроизведения возмущения - открытия ДЗ по П-образному закону («меандр») - был применен электрический привод фирмы FESTO. Настройка корректора проводилась на двигателе ЗМЗ-4062.10, оборудованном МСУ МИКАС. Режимы калибровки: температурный - /ан=84°С, скоростной - п= 1190 об/мин. Граничные положения ДЗ - нижнее и верхнее - соответственно обеспечивали значения GB4uyjl 150 и 350 мг/цикл. Перед началом калибровки были отключены адсорбер и а-регулятор, a заданием нулевых коэффициентов ёмкости ТП смоделировано отключение динамической коррекции подачи топлива. Как видно из рис. 7, при этом амплитуда забросов а может достигать 0,12, что приводит к неэффективной работе нейтрализатора и повышенному выбросу продуктов неполного сгорания топлива.

Настройка корректора, выполненная согласно предложенной методике, позволила получить решения, обеспечивающие практически неразличимое на фоне общего «шума» эксперимента протекание переходного процесса по составу смеси при резком открытии ДЗ (рис. 8). Это очень хорошие результаты, подтверждающие как эффективность методики в целом, так и эффективность метода МНСО.

Рис. 7. Протекание переходного процесса по составу смеси при

отсутствии динамической коррекции подачи топлива

Ог

Да 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 О

-0,02 -0,04 -0,06

Верхнее полс!жение дроссельной заслонки1

тг

\ Нижнее положение ¡дроссельной заслонки

1 -1 -1" -- -1 - н -

I I I I I-

■{ Область погрешности измерения сигналк {

1 (относительно установочного значения Состава смеси)!

I

I

Щ 'п/Ь¿¿Ч . $«•

-1

О 100 200 300 400 "500 600 700 800 900 1000 Цикл Рис. 8. Протекание переходного процесса по составу смеси после

оптимизации настроек динамического корректора подачи топлива

Также следует отметить, что данная методика требует значительно меньше экспериментов в сравнении со случаем решения исходной 6-параметрической задачи (соответственно 45 и более чем 60 опытов), что подтверждает важность разработки мероприятий, направленных на максимальное сокращение размерности оптимизационной задачи (декомпозицию задачи) с учетом возможной потери точности решения.

ВЫВОДЫ

1. Анализ известных методик определения базовых матриц МСУ ДВС показал, что при числе связанных управляющих воздействий 6 и более создание приемлемых по трудоемкости технологий калибровки, учитывающих интегральные показатели автомобиля при выполнении ЕЦ, требует максимальной декомпозиции задачи оптимизации, автоматизации технологического процесса и использования эффективных методов поиска оптимальных решений. Такая технология быстрой экспериментальной калибровки МСУ ДВС была создана в МАДИ (ГТУ) на основе специально разработанной логической схемы.

2. Предложена методика прогнозирования показателей ЕЦ, предусматривающая конечномерную аппроксимацию данных с помощью симплексов, базирующихся на конечном числе опорных нагрузочно-скоростных режимов. При исследовании методики подтвердилась правомерность определения интегральных показателей автомобиля по базовой поверхности показателей в случае выбора 12-ти и более опорных режимов. Расчеты, выполненные с использованием разработанных в МАДИ (ГТУ) статистических математических моделей, базирующихся на экспериментальных данных, полученных в лаборатории отдела доводки двигателей НТЦ ВАЗ, показали, что результаты прогнозирования показателей ЕЦ при 12-15 опорных режимах различаются между собой не более чем на 5% вне зависимости от формирования сетки симплекс-элементов.

3. Помимо задач прогнозирования аппарат конечномерной аппроксимации данных может быть использован при расчетном формировании матриц управлений двигателем по результатам испытаний на опорных режимах, а также в процессе доводки рабочих процессов ДВС и средств снижения токсичности.

4. Исследование показало, что предложенная методика выбора оптимального сочетания шести управляющих воздействий на установившемся нагрузочно-скоростном режиме работы ДВС может потребовать примерно 50-60 экспериментов (при неизвестной области нахождения оптимума). В случае экспериментального

решения задачи число необходимых опытов может возрасти за счет свойственных эксперименту случайных ошибок и возмущений. Но и при этом эффективность методики можно признать удовлетворительной. Таким образом, методика позволяет: а) получать решение непосредственно в ходе экспериментов; б) сократить число опытов по сравнению с другими известными технологиями; в) автоматизировать или даже сделать полностью автоматической процедуру поиска оптимального решения.

5. Моделирование процесса калибровки на установившемся режиме работы ДВС с использованием модифицированных вариантов метода МНСО и специально построенной математической модели двигателя с 6-тью независимо управляемыми параметрами подтвердило, что сокращение плана начальных опытов и введение линеаризации позволяет ускорить нахождение решения в случае, когда расположение точки оптимума приблизительно известно.

6. Как показали исследования, выполненные в лаборатории ООО «НЛП ЭЛКАР», при одновременном поиске управлений на неустановившихся режимах работы ДВС трудоемкость экспериментального решения задачи размерностью выше 4-х становится слишком высокой. Это связано с увеличением невоспроизводимости результатов и большим числом необходимых экспериментов (более 60-ти). Следовательно, целесообразно использовать другие способы решения задачи.

7. Для выбора управлений в переходных процессах разработана и исследована экспериментальная методика последовательной идентификации параметров динамической модели на примере построения корректора топливоподачи при резком открытии дроссельной заслонки. Методика предполагает декомпозицию исходной оптимизационной задачи (базируется на принципе суперпозиции), автоматизацию процесса настройки корректора и изменение формулировки критерия оптимизации, в качестве которого взято среднеквадратичное отклонение коэффициента избытка воздуха от установочного уровня. Выполненные в лаборатории ООО «НЛП ЭЛКАР» эксперименты подтвердили эффективность методики.

8. Анализ перспектив развития двигателей и систем нейтрализации позволяет прогнозировать возможность и целесообразность дальнейшего поиска новых технологий выбора базовых управлений двигателем. В частности, эти возможности связаны с изменением формулирования целевой функции с учетом увеличения доли токсичных выбросов, приходящихся на режимы пуска и прогрева двигателя и другие

специфические режимы работы, и уменьшения доли выбросов на основных на1рузочных режимах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Черняк Б.Я., Аманов К.А. Анализ технологий калибровок базовых матриц МСУ ДВС // Сборник научных трудов МАДИ (ТУ) «Двигатели внутреннего сгорания: проблемы, перспективы развития». - М.: МГАДИ (ТУ), 2000. - С. 192-203.

2. Черняк Б.Я., Аманов К.А. Решение интерполяционных задач, возникающих при калибровке базовых матриц МСУ ДВС // Сборник научных трудов МАДИ (ТУ) «Двигатели внутреннего сгорания: проблемы, перспективы развития». - М.: МГАДИ (ТУ), 2000. - С. 188-191.

3. Черняк Б.Я., Аманов К.А. Альтернативные варианты технологии калибровки МСУ ДВС // Тезисы докладов 4-ой Международной научно-технической конференции «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе», 1-3 февраля 2000. - М.: МГАДИ (ТУ), 2000. - С.87.

4. Аманов К.А., Черняк Б.Я. Возможности ускорения калибровок базовых матриц МСУ ДВС // Тезисы докладов международного научного симпозиума, посвященного 135-летию МГТУ «МАМИ». - XXXI Научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного авто тракторостроения и подготовки кадров», секция «Автоматизированное управление, электроника и электрооборудование автотракторных средств» 2728 сентября 2000. - М.: МГТУ «МАМИ», 2000. - С. 61-62

5. Аманов К.А., Вощанкин C.B. Использование и сравнительный анализ различных методов оптимизации в задачах поиска, подстройки и динамической коррекции управлений ДВС // Тезисы докладов XXXIX Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», секция «Автоматизированное управление, электроника и электрооборудование автотракторной техники», 25-26 сентября 2002. - М.: МГТУ «МАМИ», 2002, С.8-9.

6. Аманов К.А., Смирнов А.Б. Идентификация параметров модели переходного процесса при построении корректора топливоподачи двигателя с искровым зажиганием // Сборник научных статей Международной научно-технической конференции «АВТО НН 2003: автомобильный транспорт в XXI веке», 17-19 декабря 2003. - Н. Новгород: НГТУ, 2003. - С276-278.

Принято к исполнению 17/11/2004 Исполнено 17/11/2004

Заказ № 463 Тираж 100 экз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 (095) 318-40-68 www autoreferat ru

РЫБ Русский фонд

2006-4 3073