Лекція 2. Алгоритми керування двигуном. Адаптивне і робастне керування двигуном.

1.4. Оптимальне керування двигуном

В неелектронних системах мінімально необхідна якість керування двигуном досягається надмірністю запасів стійкості, крутного моменту, міцності і, як наслідок, збільшеною витратою палива і викидами шкідливих речовин тощо.

Традиційною метою керування, навіть для найскладніших в керуванні двигунів з безпосереднім уприскуванням палива в циліндри, було встановлення і подальша стабілізація частоти обертання, а для автомобільних двигунів з регульованою передачею ще й потужності двигуна.

Метою сучасного підходу до керування двигунами є оптимізація керування (досягнення поставленої мети якнайкращим з погляду прийнятого критерію чином за наявності обмежень). Це головне завдання електронного керування двигуном полягає у встановленні оптимальної сукупності значень його керуючих дій.

Сутністю оптимізації є отримання необхідної якості двигуна за рахунок усунення надмірності, тобто здійснення повного і ефективного використання наявних можливостей, закладених в конструкцію двигуна, вживаних в ньому матеріалів і технології виготовлення кожного його зразка.

Оптимізація має сенс тільки за наявності узагальненого показника якості – критерію оптимальності або цільової функції, що достатньо відчутно відображає ефективність керування. Важлива також доступність критерію оптимальності, можливість його визначення і використання в системі керування.

В загальному випадку якість двигуна визначається сукупністю технічних, економічних і екологічних показників. Серед них як безпосередньо керовані, так і зумовлювані можливостями МПСК.

В число безпосередньо керованих технічних показників двигуна входять: крутний момент, частота обертання, тиск і температура в системах паливоподачі, наддуву, змащування, охолоджування, вміст кисню у відпрацьованих газах.

Безпосередньо керований головний з економічних показників – поточний, а отже і експлуатаційний, витрата палива, а також витрати масла, повітря, води.

Безпосередньо керовані наступні екологічні показники: склад і кількість шкідливих викидів, рівень і спектр шуму і вібрацій.

Відносна значущість цих показників якості двигуна залежить від призначення і умов його роботи.

Підвищення якості двигуна в широкому сенсі досягається оптимізацією конструкції і технології виготовлення, методів і засобів випробування і доведення двигуна, його систем і агрегатів, включаючи систему керування, і в першу чергу – забезпечувана нею якість керування двигуном.

Практично вирішення цієї комплексної задачі розпадається на три окремі завдання:

• оптимізація, здійснювана розробниками і виробниками двигуна і його систем на стадіях проектування, виготовлення, модернізації і ремонту;

• оптимізація керування двигуном, що виконується автоматично мікроконтролером в процесах стендової відладки та експлуатації двигуна;

• оптимізація керуючого пристрою – мікроконтролера, виконувана як на стадії проектування розробниками, так і під час експлуатації автоматично самою системою керування.

Основна мета застосування МПСК – оптимізація керування двигуном, що, по суті, означає забезпечення у будь–який момент часу необхідних значень керованих параметрів двигуна з якнайкращою якістю при виконанні обмежень. Це завдання виявляється найбільш загальним. Практика показує, що за наявності мікропроцесорної адаптивної системи оптимального керування виконання всіх інших функцій реалізовується звичайно без застосування додаткових апаратних засобів.

Сучасні електронні засоби і методи керування двигунами на основі інформаційних і комп'ютерних технологій, що враховують їх специфічні особливості як об'єктів мікропроцесорного керування, дозволяють радикально поліпшити практично всі їхні характеристики.

Конкретними окремими завданнями керування двигуном під час експлуатації може бути оптимізація усталених режимів, процесів прогрівання і пуску, розгону і гальмування, накидів і скидань навантаження, зупинки двигуна тощо. Для кожного з них повинні використовуватися різні варіанти критерію оптимальності залежно від вибраної конструкції двигуна.

Навіть при вирішенні задач оптимізації керування двигуном тільки під час експлуатації і з обмеженим переліком керуючих дій, важко вибрати єдиний узагальнений критерій оптимальності керування. Окремі задачі оптимізації керування двигуном розв'язуються різними програмами, наявними в мікроконтролері.

В найзагальнішому випадку як критерій оптимальності, використовується витрата палива при обмеженнях на керуючі дії, за технічними і екологічними параметрах.

В значній мірі це обумовлено можливістю використання як сигналу, що виражає поточне значення витрати палива двигуном, керуючої дії системи автоматичного регулювання частоти обертання, що входить до складу мікроконтролера найбільш складно керованих двигунів.

Вихідний сигнал (керуюча дія) регулятора частоти – це його реакція на будь–які збурення, що поступають в систему регулювання частоти обертання. Цей сигнал визначає циклову подачу палива. Він найінформативніший й виражає точно і швидко зміни, що відбуваються в двигуні. У мікропроцесорних регуляторах частоти він представляється числом (кодом), зручним для контролю і обробки в мікропроцесорі. Будучи еквівалентний витраті палива (найбільш загальному критерію оптимальності) і, відповідно, крутному моменту, а при сталій частоті обертання і ефективній потужності двигуна, він може широко використовуватися для реалізації оптимального керування, як втім, і в інших завданнях.

Не менш важливою є оптимізація власне мікроконтролера. Очевидно, що практично у всіх випадках критерій оптимальності повинен враховувати забезпечувані ним швидкодію і точність керування двигуном, надійність і вартість мікроконтролера.

Для досягнення вказаної мети необхідно здійснювати керування таким діями або процесами:

– тривалістю уприскування палива індивідуально для кожного циліндра;

– складом суміші;

– дроселюванням заряду при впусканні;

– випередженням уприскування палива або запалення;

– тиском уприскування палива;

– числом фаз і характеристиками уприскування палива;

– обмеженнями параметрів уприскування палива;

– тиском наддувного повітря;

– фазами газорозподілу і величиною підйому клапанів;

– інтенсивністю вихрового руху заряду в циліндрі;

– подачею повітря в режимі вільного ходу;

– кількістю рециркулюючих газів;

– газодинамічною настройкою впускного тракту;

– подачею вторинного повітря до нейтралізатора;

– температурами в системах охолоджування, змащування, повітропостачання; кількістю працюючих циліндрів;

– ступенем стиснення;

– рівномірність навантаження циліндрів;

– уловлюванням парів палива.

Мікроконтролер також повинен здійснювати:

– включення і виключення ряду систем і агрегатів (паливні насоси, кондиціонер, система підігріву нейтралізатора тощо.);

– вибір і підтримка значень регульованих параметрів, що забезпечують оптимальне або, зокрема, задані значення критеріїв якості;

– діагностування двигуна і системи керування;

– попереджувальну сигналізацію і аварійний захист двигуна.

Для кожного конкретного двигуна і кожного варіанту умов його роботи набір таких функцій може бути різним.