Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Мигуш, Сергей Алексеевич

• Мигуш, Сергей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мигуш, Сергей Алексеевич

1. ВВЕДЕНИЕ

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2.1. Двигатель внутреннего сгорания как объект управления

2.1.1. Краткий исторический обзор

2.1.2. Классификация систем впрыска топлива

2.1.3. Основные преимущества систем впрыска топлива

2.1.4.Схема инжекторного двигателя внутреннего сгорания

2.1.5. Инжекторный двигатель как объекта управления

2.2. Методы автоматического управления двигателями внутреннего сгорания

2.2.1. Краткий исторический обзор

2.2.2. Классификация методов построения систем управления ДВС

2.2.3. Актуальные проблемы управления ДВС

2.3. Промышленные системы управления двигателями внутреннего сгорания

2.3.1. Системы впрыска топлива

2.3.2. Объединенные системы впрыска и зажигания

2.4. Постановка задачи автоматического управления соотношением воздух/топливо

2.4.1. Приближенная модель процесса формирования соотношения воздух/топливо

2.4.2. Формальная постановка задачи

2.5. Постановка задачи восстановления наблюдений

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНЖЕКТОРНОГО 54 ДВИГАТЕЛЯ

3.1. Вывод усредненной модели инжекторного двигателя

3.2. Модель двигателя в пространстве состояний

3.3. Статические характеристики

3.4. Результаты экспериментальных исследований

3.4.1. Результаты экспериментальных исследований статических характеристик

3.4.2. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик

4. МЕТОДЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Этапы синтеза адаптивных систем

4.2 Базовые структуры алгоритмов адаптации

4.2.1 Статическая модель ошибки

4.2.2 Динамическая модель ошибки с измеряемым состоянием

4.2.3 Динамическая модель ошибки с измеряемым входом

4.3 Адаптивное управлении многомерным объектом

4.3.1 Постановка задачи

4.3.2 Синтез регулятора

4.3.3 Свойства замкнутой системы

4.4 Параметризованная модель объекта

5. НАБЛЮДАТЕЛИ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

5.1 Общие положения

5.2 Постановка задачи

5.3 Аналитический обзор существующих методов наблюдения входных сигналов

5.3.1 Алгоритм дифференцирования с фильтрацией

5.3.2 Алгоритм с сильной обратной связью

5.3.3 Наблюдатель со скользящим режимом

5.3.4 Вывод 111 5.4 Предлагаемый наблюдатель с фильтрацией шума измерений

6. АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

СООТНОШЕНИЯ ВОЗДУХ/ТОПЛИВО v 6.1. Постановка задачи

6.2 Параметризация модели

6.3 Адаптивное управление в случае непосредственного измерения регулируемой переменной

6.3.1. Градиентный алгоритм управления

6.3.2 Гибридный алгоритм управления

6.4 Адаптивное управлении с динамическим сенсором 136 ф 6.4.1 Наблюдатель входного сигнала

6.4.2 Градиентный алгоритм с наблюдателем входного сигнала

6.4.3 Гибридный алгоритм с наблюдателем входного сигнала

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания»

Предметом исследования диссертационной работы являются математическая модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, алгоритмы адаптивного управления им, а также наблюдатели зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен двигатель.

На сегодняшний день в технически развитых странах инжекторные двигатели (т.е. двигатели, где подача топлива в цилиндр осуществляется путем принудительного впрыскивания) практически полностью вытеснили классическую карбюраторную схему питания. Поэтому задача управления инжекторными двигателями имеет большое значение для современного автомобилестроения и представляет несомненный интерес. Решению данной задачи посвящена обширная техническая литература, методы и средства управления двигателями постоянно совершенствуются фирмами-производителями.

Двигатель современного автомобиля представляет собой сложную, нелинейную динамическую систему, функционирующую в различных режимах и подвергающуюся постоянному воздействию внешних возмущений. Известные математические модели инжекторного двигателя содержат параметрические и структурные неопределенности, и не всегда адекватно отображают процессы, происходящие в двигателе [ 11, 21, 22 , 25, 28, 29].

В современных системах управления двигателями внутреннего сгорания, для реализации цепей обратной связи, используются датчики, которые в силу своих конструктивных особенностей являются динамическими устройствами, то есть вносят в спектр входного сигнала амплитудные и фазовые рассогласования, что ведет к потере точности в работе всей системы [33, 34, 36, 38]. С точки зрения теории систем, данная задача может быть сформулирована как задача наблюдения входных сигналов. В настоящее время, теория наблюдателей состояния (наблюдателей Люенбергера, фильтров Калмана) является хорошо разработанной и доведена до инженерных решений [14]. В то же время, теория и практика наблюдателей входных сигналов является недостаточно разработанной.

Поэтому проблема синтеза наблюдателей состояния, а также разработки математических моделей двигателей внутреннего сгорания вообще, и инжекторных двигателей в частности, ориентированных на дальнейшее использование в задачах аналитического синтеза систем управления, является актуальной и представляет несомненный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили системы управления двигателями, оснащенные микропроцессорами. Однако, микропроцессорные системы управления, как правило, основаны не на принципах замкнутого управления по отклонению, а на использовании встроенных таблиц данных, сформированных экспериментальным путем на этапе калибровки двигателей [7, 9, 12, 13, 19]. Таким образом, задача синтеза прямых алгоритмов управления двигателем является актуальной и представляет несомненный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Целями диссертационной работы являются:

- развитие методов адаптивного управления инжекторными двигателями;

- разработка уточненной математической модели инжекторного двигателя;

- синтез наблюдателей входных сигналов, модифицированных к наличию шумов и помех в спектрах входных воздействий;

- разработка алгоритмов управления инжекторным двигателем внутреннего сгорания для случаев прямых измерений регулируемой переменной и измерений с помощью динамических датчиков.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

- синтезирована новая, улучшенная модель инжекторного двигателя внутреннего сгорания, так называемая «усредненная модель», ориентированная на синтез алгоритмов управления двигателем (гл.З);

- синтезирован наблюдатель зашумленных входных сигналов, поступающих с датчиков, которыми оснащен инжекторный двигатель внутреннего сгорания (гл.5);

- синтезированы адаптивные алгоритмы управления инжекторным двигателем, для случая непосредственного измерения регулируемой переменной и случая динамического измерения регулируемой переменной (гл. 6);

Практическая значимость.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при разработке блока управления инжекторным двигателем автомобиля Chevrolet Corvette V8 корпорацией General Motors.

Работа выполнена на Кафедре систем управления и информатики Санкт-Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики в рамках хоздоговорной научной темы 77500 «Адаптивное и гибридное управление двигателями внутреннего сгорания» с корпорацией General Motors; госбюджетной темы №10110 «Разработка методов и алгоритмов управления с компенсацией внешних возмущений»; по персональному гранту АСПЖЗ 03259 «Аналитические методы синтеза систем управления двигателями внутреннего сгорания» студентов аспирантов и молодых специалистов конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования РФ; по персональному гранту № M05-3.ll К-280 «Алгоритмы адаптивного управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания» для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России научного направления «Автоматика и телемеханика».

Апробация работы.

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

Публикации работы.

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, приложения и список литературы, насчитывающий (43) наименования. Основная часть работы изложена на (159) страницах машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Мигуш, Сергей Алексеевич

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мигуш, Сергей Алексеевич, 2005 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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