Разработка системы диагностики ДВС на основе нечеткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Кузнецов, Александр Валерьевич

• Кузнецов, Александр Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Александр Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Актуальность вопросов повышения эффективности ТО и Р автомобилей, улучшения экологических и экономических показателей.

1.2 Обзор методов и средств диагностирования автомобильных двигателей.

1.3 Принципы построения систем технического диагностирования ДВС.

1.4 Особенности современного ДВС, состав и структура электронной системы управления.

1.5 Выводы и задачи исследования.

2. ТЕОРИЯ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ И НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ, ИСКУСТВЕННЫХ НЕЙРОСЕТЕЙ.

2.1 Основные понятия теории нечеткой логики.

2.2 Типы функций принадлежности.

2.3 Основные операции над нечеткими множествами.

2.4 Нечеткие и лингвистические переменные.

2.5 Системы нечеткого вывода.

2.6 Гибридные сети для настройки нечетких систем (ANFIS).

2.7 Идентификации зависимостей нечеткими системами в составе гибридных сетей.

2.8 Выводы.

3. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДИАГНОСТИКИ ДВС.

3.1 Выбор режима диагностирования и информационных параметров.

3.2 Разработка аппаратной части.

3.3 Разработка программно-алгоритмической части.

3.3.1 Предварительная обработка сигналов.

3.3.2 Вычисление эффективных мощности и крутящего момента как функций частоты вращения.

3.3.2 Синтез нечеткой аппроксимирующей структуры и расчет функции расхода воздуха.

3.3.3. Расчет функции расхода топлива.

3.3.4 Расчет функции изменения угла опережения зажигания.

3.3.5 Синтез нечеткой аппроксимирующей структуры и расчет степени открытия дроссельной заслонки.

3.3.6 Синтез нечеткой структуры подцержки принятия решения об обеспечении условий испытаний.

3.4 Анализ метрологических характеристик.

3.5 Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1 Методика экспериментальных испытаний.

4.2 Проверка адекватности работы системы на исправном двигателе.

4.3 Испытания двигателя с физическим моделированием неисправностей некоторых систем.

4.4 Испытания двигателя при движении на первой передаче.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы диагностики ДВС на основе нечеткой логики»

В современном обществе острый характер приобретают проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов. Автомобильный транспорт потребляет более 30% производимых нефтепродуктов, а затраты на топливо составляют около 20% себестоимости любого продукта.

Не менее острой проблемой является загрязнение окружающей среды, причем на долю автотранспорта приходится больше половины вредных воздействий.

Развитие современного двигателестроения происходит по пути улучшения экономических, экологических и эксплуатационных показателей двигателей. Это связано, в первую очередь, с применением электронных систем управления - систем впрыска топлива и управления зажиганием, что позволяет значительно снизить токсичность и энергопотребление транспортных средств.

В процессе эксплуатации автомобиля неизбежно происходит износ и старение его узлов и агрегатов, что приводит к ухудшению его экономических, экологических и эффективных показателей. В этой связи для поддержания двигателя в исправном состоянии и для своевременного выявления отклонения параметров, приводящих к ухудшению экономических, экологических и эффективных показателей его работы, ведущее место принадлежит системе технического обслуживания и ремонта, ее научной обоснованности и совершенству. При этом огромное значение имеет техническая диагностика [5,19,57].

В настоящее время существует ряд методов и средств диагностирования двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в основе которых находятся различные аспекты и закономерности его работы. Наибольшее распространение получили мотортестеры и системы встроенной диагностики.

Устройства, реализующие возможности самодиагностики, направлены на выявление неисправностей электронного блока и датчиков системы управления двигателем.

Мотортестеры обладают набором собственных датчиков, способны измерять различные параметры работы систем двигателя и реализовывать тестовые режимы диагностики.

При этом указанные устройства обладают слабыми возможностями для оценки общего состояния ДВС и предназначены, в основном, для поиска и локализацию неисправностей или мест отказов уже по факту их возникновения.

Оценка общего состояния двигателя необходима при организации профилактических работ. При этом предусматривается проведение контроля технического состояния ДВС с заданной периодичностью. Если при контроле фактическое значение одного из параметров выходит за допустимые пределы, то только в этом случае проводятся восстановительные работы по локализации и устранению неисправности. Такой подход уменьшает простои транспортного средства и увеличивает безотказность его работы [14].

Оценка общего состояния двигателя производится по эффективным показателям его работы, к которым относятся эффективные момент и мощность на валу двигателя, расход топлива и воздуха, угол опережения зажигания, содержание вредных веществ в отработавших газах. Работа систем, реализующих указанный подход, основана на тормозных и бестормозных методах.

Тормозные методы подразумевают использование специальных нагрузочных стендов с беговыми барабанами. Такой метод не нашел широкого распространения в связи с высокой стоимостью оборудования.

Бестормозные методы более просты и не требуют использования специальных тормозных устройств. При этом измеряется угловое ускорение при разгоне двигателя без внешней нагрузки от минимально устойчивой частоты вращения до максимальной за счет резкого открытия дроссельной заслонки. Такой метод позволяет проводить диагностику в реальных условиях эксплуатации, а оснащение современных ДВС электронными системами управления увеличить количество контролируемых параметров.

Недостатками систем, реализующих бестормозной метод, являются невысокая точность, связанная с необходимость численного дифференцирования функции изменения угловой скорости вращения, неполнота и узкий диапазон частот вращения получаемых характеристик.

Таким образом, задача разработки системы диагностики современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания с учетов его особенностей является актуальной и требует современных подходов при ее решении.

Цель и задачи работы - разработка системы диагностики ДВС в реальных условиях эксплуатации по его скоростным характеристикам для своевременного выявления отклонения параметров, приводящих к ухудшению экономических, экологических и эффективных показателей работы двигателя.

Цель достигается путем решения следующих задач:

1. Разработка структуры системы диагностики ДВС для реальных условиях эксплуатации. Выбор режима диагностирования.

2. Определение минимально необходимого состава датчиков и исполнительных механизмов системы управления двигателем, сигналы которых содержат в себе необходимую информацию для определения характеристик ДВС.

3. Разработка алгоритмов и программного обеспечения обработки информации, обеспечивающих высокую точность вычисления эффективных показателей работы автомобильного двигателя.

4. Теоретическая и экспериментальная оценка метрологических характеристик системы диагностики.

Объект исследования - автомобильный бензиновый двигатель, оснащенный электронной системой управления.

Предмет исследования - диагностика автомобильного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на основе использования научных положений теории нечеткой логики, нейронных сетей, математической статистики, цифровой обработки сигналов, теории оценивания, численных методов.

Научная новизна:

• Разработаны алгоритмы обработки информации сигналов датчиков системы управления автомобильным двигателем, позволяющие определять эффективные показатели работы двигателя во всем диапазоне частот вращения с приведенной погрешностью не более 5%.

• Разработан алгоритм вычисления эффективных моментов и мощности ДВС по сигналу датчика положения коленчатого вала на основе дискретного преобразования Фурье и аппроксимации полученных значений частоты вращения полиномом.

Достоверность научных положений диссертационной работы подтверждена результатами соответствующих экспериментальных исследований, практической реализацией разработанной системы.

Практическая ценность состоит в разработке системы диагностики ДВС в реальных условиях эксплуатации, позволяющей получать основные характеристики двигателя в широком спектре частот вращения, для своевременного выявления отклонения параметров, приводящих к ухудшению экономических, экологических и эффективных показателей работы двигателя.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы приняты к использованию в учебном процессе на кафедре «Автоматика, информатика и системы управления» при проведении учебных занятий в курсе «Техническая диагностика транспортных средств» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены:

- на заседаниях аттестационной комиссии при ежегодной аттестации аспирантов кафедры «Автоматика, информатика и системы управления» ГОУМГИУ;

- на V Международной конференций «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», г. Москва - 2004 г.

- на международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных технологий», г. Сочи - 2005 г.

- на научно-практической конференции «Развитие наземного пассажирского транспорта г. Москвы: проблемы и перспективы», г. Москва -2006 г.

- на международной конференций «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», г. Москва - 2006 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах, содержит список литературы из 80 наименований, 2 приложения. Работа содержит 66 рисунков и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Кузнецов, Александр Валерьевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведен анализ методов и средств диагностирования автомобильных двигателей внутреннего сгорания, в результате которого сделан вывод, что большинство современных методов и средств диагностирования ДВС не решают в полной мере задачу определения технического состояния двигателя, зачастую являются трудоемкими и дорогостоящими.

2. Проведен выбор метода и режима диагностирования ДВС на основе внешних скоростных характеристик, для чего определен перечень датчиков и исполнительных механизмов системы управления двигателем.

3. Обоснован выбор метода обучения нечетких систем типа Сугено на основе гибридных нейронных сетей. Доказана возможность идентификации сложных зависимостей системами нечеткого вывода на основе гибридных сетей.

4. Разработаны и реализованы измерительная часть системы диагностики и алгоритмы обработки информации сигналов датчиков и исполнительных механизмов системы управления для вычисления внешних скоростных характеристик. В основу алгоритмов положены возможности систем нечеткого вывода по идентификации зависимостей. Проведена оценка влияния внешних факторов на точность измерений, в результате чего установлено, что максимальная приведенная погрешность не превышает 5%.

5. Проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик системы диагностирования на двигателе ВАЗ 2111, оснащенном системой управления Январь 5.1.1., которые показали, что относительные погрешности не превышают расчетных. При этом ВСХ определялись во всем диапазоне частот вращения двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Александр Валерьевич, 2007 год

1. А.Р. Кульчицкий Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. Москва.: Академический проект, 2004. - 400с.

2. Автомобильный справочник Bosch: Справочник М.: За рулем, 2000. -895с.

3. Агуреев И.Е. Анализ и синтез динамических характеристик многоцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания: дис. док. техн. наук. Тула, 2003. - 305 с.

4. Алтунин А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечетких условиях: монография. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2000. - 352с.

5. Борщенко Я.А. Разработка метода диагностирования автомобильных дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала: дис.канд. техн. наук. Тюмень, 2003. - 174 с.

6. Буров A.JI. Тепловые двигатели: Учебное пособие. М.:МГИУ, 2003. -400с.

7. В.Н. Ложкин Загрязнение атмосферы автомобильным транспортом. -СПб.: НПК «Атмосфера», 2002.- 295с.

8. Вощанкин С.В. Разработка структуры и алгоритмов обучающихся контуров в микропроцессорных системах управления автомобильных двигателей: дис.канд. техн. наук. Москва, 2004. - 199 с.

9. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник -СПб: Питер, 2001.-752с.

10. Ю.Гирявец А.К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем. -М.: Стройиздат, 1997- 173с.11 .Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник -М.: Радио и связь, 1985. 312с.

11. Гончаров А.А. Совершенствование технологии диагностирования электронных систем управления автомобильным двигателем: дис. .канд. техн. наук. Оренбург, 2004. - 96 с.

12. З.Гребенников С.А. Диагностирование двигателей по изменению угловой скорости коленчатого вала//Журнал «Двигателестроение» № 4 (222), 2005 г., с. 26-29.

13. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учеб./ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 2005 -479 с.

14. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учеб./ В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова 2-е изд., перераб. и доп-М.: Высш. шк., 2005 - 400 с.

15. Демидович Р. Система зажигания легковых автомобилей/Пер. с пол. -Мн.: РА «Автомобиль», 1996 -112с.

16. Конструкция автомобиля. Том IV. Электрооборудование. Системы диагностики. Учебник для вузов / С.В. Акимов, В.А. Набоких, Ю.П. Чижков; Под. общей ред. Доктора техн. наук, профессора А.Л. Карунина М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 480 с.

17. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети: учеб. пособие для вузов. М.: Физико-математическая литература, 2001. - 224с.

18. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH.- СПб: БХВ-Петербург, 2005. 736с.

19. Маренко В.А. Модели и алгоритмы экспертных систем поддержки принятия решений по электромагнитной совместимости: Автореферат дис.канд. техн. наук. Тюмень, 2004.

20. Мельников А.А. Управление техническими объектами автомобилей и тракторов: Системы электроники и автоматики: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 376с.

21. Мирский Г.Я. Электронные измерения: 4-е изд., прераб. и доп. М.: Радио и связь, 1986. 440 с.

22. Научно-аналитический отчет «Анализ технического уровня ДВС». Выпуск 32/Под. ред. Р.И. Давтяна Москва.: НИИД, 1999.

23. ЗО.Осовский С. Нейронные сети для обработки информации/ Пер. с польского И.Д. Рудинского. М.: Финансы и статистика, 2004. - 344с.

24. Палагута К.А., Кузнецов А.В Идентификация экспериментальных данных с помощью нечеткой логики//Техника, технологии и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудовпод. ред. А.Д. Шляпина, ОБ. Таратынова. М.: МГИУ, 2005. с. 221 -226.

25. Палагута К.А., Кузнецов А.В. Система диагностирования впрыскового ДВС по его скоростным характеристикам//Автомобильная промышленность, 2007, № 4. с. 21 24.

26. Патент RU №2070719 G01M15/00 Способ Оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания./Отставнов А.А. Опубл. 1996.12.20

27. Патент RU №2073225 G01M15/00 Устройство для контроля неравномерности вращения вала двигателя внутреннего сгорания./ Отставнов А.А., Никитин А.В. Опубл. 1997.02.10

28. Патент RU №2075049 G01M15/00 Устройство для анализа состава выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания./ Соколов В.Г., Жижаев А.Н., Гутник Е.Ш., Пчелин В.А., Левин Ф.И. Опубл. 1997.03.10

29. Патент RU №2078323 G01M15/00 G01L23/22 Способ выявления детонации в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием./ Гирявец А.К., Муравлев В.В. Опубл. 1997.04.27

30. Патент RU №2109164 F02P17/00 Способ измерения ионного тока между электродами свечи зажигания./ Малышев. А.В. Опубл. 1998.04.20

31. Патент RU №2145068 G01M15/00 F01M11/10 Устройство для оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания./ Подольский A.M., Бойчук В.Б., Дунаевский JI.M., Сукачев B.JL, Шабадей А.А. Опубл. 2000.01.27

32. Патент RU №2150685 GO 1 Ml 5/00 Способ диагностирования технического состояния поршневого двигателя внутреннего сгорания./ Архипов М.В., Кударов М.А., Миляев А.В., Некрасов А.В., Киселев Д.Г. Опубл. 2000.06.10

33. Патент RU №2157983 G01M15/00 Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания./Живов С.Б., Горностаев А.И., Пшеничкин Н.И. Опубл. 2000.10.20

34. Патент RU №2171394 F02P17/00 Способ измерения ионного тока, протекающего в цилиндре ДВС./ Малышев А.В., Миронов М.Ю. Опубл. 2001.07.27

35. Патент RU №2178158 G01M15/00 Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания./ Малышев B.C., Корегин А.Ю. Опубл. 2002.01.10

36. Патент RU №2182251 F02M65/00 Н01Т13/48 Устройство для диагностики качества смеси двигателя внутреннего сгорания./ Авдеев К.А., Кузьмина И.В., Малиованов М.В., Фролов Н.Н., Чесноков С.А. Опубл. 2002.05.10

37. Патент RU №2191362 G01M15/00 Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания./ Жосан А.А., Жосан А.А., Новиков А.Н. Опубл. 2002.10.20

38. Патент RU №2209987 F02B79/00 G01M15/00 Стенд обкатки и диагностики двигателей внутреннего сгорания./ Бондаренко Е.В., Бондаренко В.А., Дурнев К.Ф., Цыбакин В.В. Опубл. 2003.08.10

39. Патент RU №2217725 GO 1 Ml5/00 Анализатор работы систем двигателя внутреннего сгорания./ Рогачев В.Д. Опубл. 2003.11.27

40. Патент RU №2229612 F02B79/00 Стенд обкатки и диагностики двигателей внутреннего сгорания./ Бондаренко Е.В., Филиппов А.А., Короткое М.В., Короткое Д.В., Лаврухин А.Г., Ахмедьянов И.Ф. Опубл. 2004.05.27

41. Рутковская Д., Пилиньский М.,Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польского И.Д. Рудинского. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 452с.

42. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория. 41: Учеб. пособие для вузов. ОдессаЮНПУ, 2002. - 54 с.

43. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.: Лань, 2005. -288с.

44. Сергеев А.В., Ютт В.Е. Диагностирование электрооборудования автомобилей. М: Транспорт, 1987

45. Статистика автомобильного транспорта: Учебник / И.М. Алексеева, О.И. Ганченко, Е.В. Петрова. М.: Издательство «Экзамен», 2005. -352 с.

46. Терано Т., Асаи К., Сугэно М. Прикладные нечеткие системы. -М.:Мир, 1993.-369с.5 9. Технические средства диагностирования: Справочник/В .В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672с.

47. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере/Под ред. В.Э. Фигурнова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА, 3003. - 544с.

48. Цифровая обработка сигналов/А.Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2003. -604с.

49. Численные методы. Калиткин Н.Н./ Учебное пособие. М.: Наука 1978.-512с.

50. Ю. П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. -278с.

51. Ю.А. Долматовский Автомобиль за 100 лет. М.:3нание, 1986.