4.2. Схема адаптивної мпск

Можна виділити дві основні задачі керування будь-якого варіанту МПСК двигуном автомобіля:

Забезпечення у будь-який момент часу потужності двигуна, необхідної для руху автомобіля із заданою швидкістю і прискоренням або готовності двигуна до такого руху автомобіля, тобто керування вантажно-швидкісним режимом роботи двигуна.

Забезпечення на всіх режимах роботи двигуна бажаних значень показників, що визначають якість роботи двигуна, таких, як паливна економічність, рівень викидів шкідливих речовин, рівень шуму тощо.

Перша задача – керування вантажно-швидкісним режимом роботи двигуна в тій чи іншій мірі визначається водієм, хоча і її рішення може бути автоматизоване в МПСК.

Друга задача – адаптивне керування параметрами цілком розв'язується МПСК. Крім того, необхідно, щоб МПСК здійснювала б узгоджене адаптивне керування всіма параметрами з оптимізацією їх якості і з урахуванням необхідності взаємодії зі всіма системами керування інших агрегатів силової установки і автомобіля.

Для забезпечення всього цього комплексу задач доцільно використати ієрархічну структуру МПСК, нижній рівень якої складають локальні системи керування (регулювання) окремими параметрами двигуна. Локальна система включає в себе один із програмних блоків мікроконтролера і в якості об’єкта керування один із каналів двигуна.

На рис.4.2 представлено спрощену, за рахунок скорочення набору регульованих параметрів, схему ієрархічної адаптивної МПСК двигуном з автоматичним регулюванням частоти обертання, яка характерніша для дизелів. В схемі система автоматичного регулювання частоти обертання представлена регулятором частоти обертання РЧ з вихідним сигналом u_ч і каналом формування частоти обертання двигуна КЧ, вихід якого – частота обертання двигуна n. Всі інші системи автоматичного регулювання, представлені на цьому рисунку, по відношення до системи регулювання частоти обертання можна вважати додатковими і вторинними.

Рис. Спрощена схема ієрархічної адаптивної МПСК двигуном з автоматичним регулюванням частоти:

програматори: ПРН – навантаження; ПРЧ – частоти обертання; ПРВ –випередження; ПРТ – тиску; пошукові системи: ПСЧ – частоти обертання; ПСВ – випередження; ПСТ – тиску; регулятори: РН – навантаження; РЧ – частоти обертання; РТ – тиску; РВ – випередження вприскування; П – електрична передача на колеса; канали двигуна: КЧ – частоти обертання; КТ – тиску; КВ – випередження; вхідний сигнал МПСК (від водія): u₃ – положення педалі керування; керуючі впливи мікроконтролера: u_н – навантаженням; u_ч – частотою обертання; u_т – тиском; u_в – випередженням; керовані параметри двигуна: P_н – навантаження двигуна (через електричну передачу); n – частота обертання; p – тиск повітря (або палива); _в – кут випередження впорскуванням; G –витрати палива

На схемі представлені як приклади тільки дві характерні додаткові системи – замкнута і розімкнена.

Замкнута – система регулювання тиску наддуву або аналогічна їй по структурі система регулювання тиску палива. Ця система утворена регулятором тиску РТ і каналом двигуна KТ, перетворюючим електричний вихідний сигнал u_т регулятора тиску в тиск повітря (або палива) р.

Як приклад розімкненої системи на схемі показана система регулювання випередження уприскування палива _в, утворена регулятором випередження РВ, вихідний сигнал якого u_в і каналом двигуна КВ. Ця система розімкнена, оскільки в ній немає неконтрольованих збурень.

Розглянута частина системи керування (сукупність локальних систем керування параметрами), забезпечує роботу двигуна із заданою точністю підтримки його параметрів в усталених режимах і необхідну або навіть оптимальну по тривалості і максимальному відхиленню якість перехідних процесів регулювання параметрів двигуна і, перш за все, по частоті обертання.

Система автоматичного регулювання частоти обертання не тільки найважливіша, але і найдосконаліша по точності і швидкодії локальна система МПСК двигуна. Вона виконує виняткову роль в адаптивному керуванні, оскільки керуючі дії (вихідний сигнал регулятора і його похідні), що виробляються нею, використовуються на всіх рівнях у всіх видах адаптації.

Канал формування частоти обертання КЧ, представлений на рис. 4.2, починається в двигуні з паливної системи, яка перетворює вихідний керуючий сигнал частоти u_ч в циклову подачу палива. У КЧ послідовно входять також теплова ланка двигуна, яка перетворює подачу палива в крутний момент, і механічна ланка двигуна, яка перетворює різницю крутного моменту і моменту опору в зміну частоти збертання.

Система автоматичного регулювання частоти обертання замкнута, за відхиленням, тобто по різниці заданої і дійсної частот обертання, що подаються на РЧ. По відхиленню частоти відповідно алгоритму керування РЧ формує вихідний сигнал u_ч. РЧ доти змінює цей сигнал, поки встановлена ним подача палива в двигун не наблизить із заданою точністю необхідну і дійсну частоти обертання двигуна. Таке регулювання забезпечує високу точність встановлення і підтримки частоти обертання, оскільки знижує до допустимого рівня відхилення, викликане будь-яким збуренням.

Очевидно, що в замкнутій системі зміни вихідного сигналу u_ч – це реакція РЧ на будь-які збурення, що поступили в систему. Цей сигнал найбільш інформативний і виражає найточніше і швидко процеси, що відбуваються в МПСК. Оскільки подача палива в циліндри пропорційна u_ч, то йому ж пропорційний і крутний момент двигуна. Звичайно, чисельне значення коефіцієнта пропорційності залежить від параметрів палива, повітряного заряду, ефективності згорання, частоти обертання тощо, отже, він не постійний. Але в першому наближенні, особливо при достатній стабільності вказаних чинників, u_ч відображає миттєві значення крутного моменту і потужності двигуна.

З іншого боку, будучи еквівалентний витраті палива (найзагальнішому критерію оптимальності), він може оперативно використовуватися як критерій для реалізації оптимального керування, адаптації, як втім, і для інших задач. Використовування u_ч як носія інформації про крутний момент, потужність і витрату палива виключає необхідність установки на двигун давачів цих параметрів, які, до речі, відносяться до числа найскладніших і дорожчих.

У цифрових регуляторах частоти обертання вихідний сигнал, дійсна частота і її відхилення діють безпосередньо в них і представляються чисельно в коді, прийнятому в мікроконтролері. Це спрощує використовування цих сигналів у всіх каналах керування, контролю і діагностики двигуна.

Адаптивна оптимізація по витраті палива в режимах, що визначаються досягнутою частотою обертання і прикладеним навантаженням, виробляється в схемі, показаній на рис. 4.2, адаптивним керуючим пристроєм, для якого об'єкт керування – сукупність локальних систем керування параметрами. Адаптивний пристрій є другим рівнем в структyрі керуючої системи. Він виконує узгоджене адаптивне керування всіма керованими параметрами двигуна. Реалізується він так само, як і регулятори локальних систем в мікроконтролері.

Адаптивний пристрій складається з програматорів і пошукових систем. У програматорах виконується необхідний об'єм аналітичної адаптації.

Програматори виробляють завдання регуляторам параметрів двигуна і здійснюють програмну адаптацію. Завдання кожному з регуляторів формуються за індивідуальними програмами у функції дійсної частоти обертання, прикладеного до двигуна навантаження, інших контрольованих параметрів двигуна і середовища, а також вихідних сигналів регуляторів інших локальних систем. На схемі рис. 4.2 програматори включені в канали керування тиском (ПРТ) і випередженням (ПРВ).

Пошукові системи представлені в каналах керування тиском (ПСТ) і випередженням (ПСВ). Ці системи діють переважно в усталених режимах. Принципово пошукові процедури можливі і в перехідних процесах, проте це пов'язано з необхідністю підвищення точності і швидкодії апаратних і програмних засобів. Тому доцільність їх реалізації вимагає у кожному випадку спеціального аналізу.

Пошукові системи визначають зміни завдань регуляторам параметрів двигуна, необхідні для точнішої, ніж при програмній адаптації, оптимізації режиму. Пошук здійснюється шляхом пробних змін завдань відповідним регуляторам і оцінкою, викликаних цими, змінами витрат палива.

Для оцінки впливу параметрів, що не змінюють циклову подачу, досить змін вихідного сигналу регулятора частоти, вироблених ним при усуненні відхилень частоти обертання, викликаних пробним сигналом. Прикладом такого регульованого параметра служить випередження уприскування палива.

Для вибору параметрів, що змінюють циклову подачу палива, пошуковій системі в загальному випадку потрібно контролювати безпосередньо витрату палива. До числа таких параметрів відноситься форма характеристики уприскування. Приклад такого параметра – тиск палива (тиск повітря явно не відноситься до таких параметрів). Як критерій оптимальності по тиску палива на схемі використана загальна (часова) витрата палива двигуном.

У ряді випадків в пошуковому пристрої можна використати однозначність залежності циклової подачі від тиску палива в акумуляторі і обмежитися оцінкою якості по вихідному сигналу регулятора частоти з урахуванням впливу тиску палива. При жорсткому програмному керуванні основними параметрами двигуна, вихідний сигнал регулятора частоти достатньо чітко пов'язаний зі всіма цими параметрами. Тому, в першому наближенні, він також може бути використаний для пошукової адаптації по будь-яких параметрах.

Після закінчення пошуку і виводу двигуна в точку мінімуму витрати адаптивна система за одержаними нею даними уточнює алгоритми програмної і аналітичної адаптації (зміст таблиць або коефіцієнтів аналітичних залежностей). Це дозволяє підвищувати точність оптимізації при програмній адаптації залежно від реальних характеристик конкретного зразка двигуна і умов його роботи.

Сукупність програматорів і пошукових систем керування параметрами двигуна утворює основний (перший) рівень адаптивного керування.

Разом з оптимізацією сукупності параметрів двигуна в кожному режимі існує задача вибору оптимального режиму роботи двигуна. Така задача розв'язується на другому рівні адаптивного керування.

Для адаптивного керуючого пристрою, що оптимізує режим роботи двигуна, об'єктом керування є адаптивна система керування параметрами двигуна. Простим прикладом адаптивного керуючого пристрою першого рівня може служити програматор в системі керування частотою обертання двигуна (ПРЧ), який встановлює оптимальну тимчасову програму зміни завдання частоти обертання, яка враховує при пуску двигуна його початковий стан і запас енергії в пусковому джерелі.

На рис. 4.2 також показана система регулювання електричної передачі (П) автомобіля, яка встановлює навантаження двигуна Р_н. Вона містить регулятор навантаження (PH) з вихідним сигналом u_н. Адаптивний пристрій першого рівня включає окрім програматора частоти ПРЧ програматор навантаження (ПРН) і пошукову систему керування частотою обертання (ПСЧ). Задача цього рівня адаптації - вибір поєднання швидкісного і потужністного режимів, при якому досягається мінімальна питома витрата палива двигуном. Для визначення питомої витрати адаптивному пошуковому пристрою окрім інформації про витрату палива потрібна інформація і про навантаження двигуна.

У такій системі керування інформація від педалі водія у вигляді сигналу u₃ поступає паралельно на входи програматорів навантаження і частоти. Внаслідок чого, за оптимальними тимчасовими програмами двигун виводиться в околиці режиму, оптимального по питомій витраті палива. Потім пошуковий адаптивний пристрій керування частотою обертання незмінної потужності, що передається для руху автомобіля, встановлює частоту обертання двигуна, при якій забезпечується мінімальна питома витрата палива. Одержані дані також можуть бути використані для уточнення програми програматора частоти.

Для досягнення високої якості перехідних процесів в комплексній МПСК доцільне застосування дії по швидкостях і прискореннях (першим і другим похідним) сигналів, в першу чергу тих, які поступають від регулятора частоти. Наприклад, алгоритми програмної адаптації усталених і перехідних процесів істотно відрізняються. Для оптимізації перехідних процесів ефективні коректуючі дії по похідних. Обчислення похідних сигналів, органічно присутніх в мікроконтролері найрацінальніше.

Виділення як ведучої оптимізованої по швидкодії і точності системи регулювання частоти обертання двигуна і максимальне використовування вихідного сигналу регулятора частоти обертання і його складових на всіх рівнях і у всіх видах адаптації забезпечують найбільшу ефективність адаптивного керування.

Алгоритми робастно-адаптивного регулювання частоти обертання двигуна, кількості працюючих циліндрів двигуна, програмно-пошукового регулювання випередження вприскування палива, адаптивного сумісного регулювання частоти обертання і потужності двигуна адаптивного регулювання розподілу навантаження між працюючими циліндрами, обмеження подачі палива оптимізовані по числу необхідних для їх реалізації давачів. Вони забезпечують також активну діагностику і підвищення надійності двигуна.