1.6. Адаптивне і робастне керування двигуном

Досягнення оптимальності керування утруднене як через відсутність практичної можливості докладного математичного опису процесів, що протікають в двигуні за різних умов і режимів роботи, так і через перераховані вище особливості двигуна. Наперед непередбачувані і відхилення зовнішніх умов роботи двигуна. Досягнення в цих умовах результатів близьких до оптимальних можливо тільки адаптивними методами керування.

Термін «адаптація» запозичений теорією керування з біології і вказує на властивість пристосування організму до змін навколишнього середовища.

Елементи пристосування в тій чи іншій мірі присутні в будь–якому процесі керування двигуном. Наприклад, в системі автоматичного регулювання частоти обертання – відпрацювання завдання, що змінилося, усунення впливу навантаження тощо. Проте таке пристосування не вимагає включення до складу системи керування спеціальних пристроїв і зв'язків понад функціонально необхідних для встановлення і підтримки бажаних параметрів двигуна. Воно закладається в керуючий пристрій на стадії проектування системи керування.

Дещо помітніше пристосування, здійснюване програмним керуванням. Прикладом може служити зміна випередження початку подачі палива у функції величини подачі в механічних і гідромеханічних системах керування дизелем, здійснюване косою кромкою нагнітального плунжера ПНВТ при повороті плунжера виконавчим механізмом регулятора частоти обертання. Така програма має жорсткий однозначний характер і розробляється також на стадії проектування системи керування на основі початкової інформації про бажану залежність початку подачі палива від її величини.

У сучасному розумінні адаптивним вважають керування, при якому автоматична зміна налаштувань, алгоритмів, критеріїв якості і навіть цілей керування, аж до самонавчання, виконується на підставі збору і аналізу значного обсягу інформації. Така адаптація проводиться спеціальними програмними блоками в мікропроцесорі виконанням процедур автоматичного пристосування до будь–яких, у тому числі і неконтрольованих збурень.

Адаптація може здійснюватися автоматично:

• регулюванням критерію якості замкнутою системою із зворотним зв'язком за відхиленням;

• програмним керуванням у функції збурень, як правило, по розімкнених схемах;

• вибором параметрів алгоритмів керування шляхом аналізу ситуації, наприклад, використанням математичних моделей процесів, що проходять в двигуні;

• пошуком параметрів алгоритмів керування замкнутими системами, що діють за відхиленнями критеріюякості, викликаних пробними діями;

• зміною структyри системи керування на основі діагностування двигуна для забезпечення надійності.

Прийнято розрізняти програмну, пошукову і аналітичну адаптацію.

Програмна адаптація виконується за програмами, змінними в процесі керування на основі інформації про умови, режим роботи і стан двигуна. Програмне керування формується (головним чином в розімкнених системах) з використанням базових і коректуючих програм, що зберігаються в мікропроцесорі. Для кожної керуючої дії використовується свій набір програм.

Головна її відмінність – це гнучкість програм, що дозволяє здійснювати автоматичну їх корекцію в процесі керування. В цьому випадку прийнято говорити про програмно–адаптивне керування.

Метод вводу корекції на базове значення керуючого параметра шляхом додавання до нього величин поправок називається адитивним.

Іноді для внесення корекції з урахуванням дії збурюючих чинників базове значення керуючої дії, множать на декілька коефіцієнтів, одержаних з відповідних коректуючих матриць. Такий метод формування програмного керування називається мультиплікативним. І, нарешті, можливий змішаний метод побудови керування, при якому поправки вводяться як адитивно, так і мультиплікативно.

Така побудова розімкненого програмного керування дозволяє здійснити достатньо складне і точне керування з урахуванням значного числа режимних і збурюючих чинників. Можливе і складніше розімкнене програмно–адаптивне керування, при якому не тільки програми чи алгоритми керування, але і структура системи, змінюються залежно від умов роботи двигуна згідно з наперед закладеної програми. Цей підхід використовується, практично, у всіх системах мікропроцесорного керування автомобільними двигунами.

Звичайно програмні системи найбільш швидкодіючі, але в той же час і грубі. Програмна адаптація не може забезпечити високу точність досягнення і підтримки оптимуму критерію, оскільки вона долає невизначеність, що створюється тільки контрольованими збуреннями. Цього недоліку позбавлені замкнуті системи керування, в яких для програмної адаптації в мікропроцесор поступає інша інформація про фактичні значення основних керованих параметрів двигуна, по яких ведеться оцінка якості керування.

Але необмежена швидкодія робить програмну адаптацію незамінною в оптимізації перехідних процесів двигуна і гарантує швидкий вихід в область близьких до оптимальних налаштувань усталених режимів.

Пошукова адаптація – це автоматичний пошук оптимуму критерію якості, що проводиться безпосередньо на працюючому двигуні, і виведення двигуна на цей режим. Пошук здійснюється шляхом подачі в двигун пробних дій і аналізу змін керуючих дій і керованих параметрів двигуна, за наслідками якого коректується математичне забезпечення мікропроцесора для досягнення оптимальної сукупності керуючих дій.

Пошукова адаптація найточніша, але процедури пошуку вимагають певного часу для їх проведення. Та й здійснення цих процедур можливе далеко не у всіх режимах роботи двигунів. Найпростіше вона виконується в усталених режимах. Адаптація, здійснювана пошуковими системами, забезпечує більший ефект за рахунок точнішої оптимізації керуючих дій, пристосування до неконтрольованих змін умов роботи, індивідуальних відмінностей конкретного зразка двигуна, зносу деталей і змін його характеристик в часі.

Аналітична адаптація – це обчислення і реалізація мікропроцесором, наприклад, на основі математичної моделі двигуна, оптимальної сукупності керуючих дій. Аналітична адаптація достатньо швидкодіюча, але вимагає контролю, принаймні, частини збурень і керованих параметрів двигуна. Точність аналітичних систем визначається досконалістю моделі. Створити модель конкретного двигуна, що відображає індивідуальні, змінні з часом його характеристики, достатньо важко.

Пошукові адаптивні системи керування для двигунів вважаються кращими аналітичних із–за істотно меншого необхідного об'єму початкової інформації і неможливості створення досить точної моделі двигуна.

Найдосконаліші МПСК двигуном раціонально використовують сукупність взаємно доповнюючих програмної, пошукової і аналітичної адаптацій. В цьому випадку досягається найбільший за точністю ефект при високій швидкодії.

Результати пошукової адаптації, одержані при вирішенні її безпосередніх задач, використовуються для корекції програмної адаптації, уточнення математичної моделі в аналітичній адаптації і самонавчання.

У деяких контурах метою адаптації є стабілізація, а не оптимізація якості керування двигуном. Прикладом цьому служить система керування кількістю працюючих циліндрів дизеля. Вона діє шляхом почергового відключення частини циліндрів або робочих циклів в них. У працюючих циліндрах при цьому забезпечується потужність не нижче за деяку величину, тобто здійснюється стабілізація (у заданих межах) робочого процесу. Це виключає роботу двигуна на малих подачах палива, що супроводжується підвищеною витратою палива.

Така ж мета і системи керування рівномірністю розподілу навантаження по циліндрах – стабілізація потужності за середнім її значенням, що розвивається кожним циліндром.

У обох випадках стабілізуючим критерієм якості служить потужність, що розвивається кожним з працюючих циліндрів. Проте стабілізація робочих процесів в циліндрах забезпечує мінімізацію загальної витрати палива двигуном – оптимізацію головного критерію. Тобто стабілізація вказаного окремого критерію якості забезпечує оптимізацію головного загального критерію – витрати палива при одночасному обмеженні шкідливих викидів в атмосферу. Причому і в цих окремих завданнях стабілізації потужності безпосередньо може бути використано відповідний потужності вихідний сигнал регулятора частоти обертання двигуна.

Метою адаптації може бути також забезпечення працездатності двигуна в умовах, що змінюються. Наприклад, зміна програми керування параметрами уприскування палива в пускових режимах у функції температури масла. Оптимальна за тривалістю пуску програма для прогрітого двигуна виключає можливість пуску холодного двигуна.

Проте, найзагальніша мета адаптивного керування – це забезпечення оптимальної якості роботи кожного двигуна у всіх можливих умовах його роботи.

Оптимізація за вказаними окремим або загальним критеріями має сенс тільки в поєднанні з обмеженнями керуючих дій двигуна, що вводяться мікроконтролером для виключення механічних і термічних перевантажень, свідомо зайвої подачі палива, неприпустимих рівнів шкідливих викидів, шуму і вібрації.

Гранично допустимі значення керуючих дій змінюються у функції режиму і умов роботи двигуна. Бажання усунути зайві обмеження, які з одного боку підвищують надійність, а з іншого –утрудняють повне використання можливостей двигуна, визначає необхідність високої точності керування обмеженнями.

В процесі роботи двигуна доводиться, крім того, неперервно визначати, за яким з параметрів двигуна керуюча дія досягла гранично допустимого значення.

В свою чергу, перелік параметрів, за якими вводяться обмеження, і їх гранично допустимі чисельні значення залежать від умов роботи двигуна і виконуваним системою керування завданням. Наприклад, під час виникнення аварійної ситуації на дорозі повинні залишатися тільки ті обмеження, які виключають зниження крутного моменту двигуна і можливість виходу з ладу його деталей.

Тому регулювання обмежень в системі керування двигуном є важливим і складним завданням, що вирішується в загальному випадку перерахованими адаптивними методами або їх поєднаннями. Практично таке регулювання обмежень є адаптивним з оптимізацією якості за деяким комплексним критерієм, що враховує і потужність двигуна, і витрати палива.

Адаптація – не єдиний метод досягнення високої якості керування. У системах керування двигуном разом з адаптивними успішно застосовуються і робастні (грубі) методи. Робастні системи керування двигуном звичайно забезпечують достатньо високу або навіть оптимальну якість керування в одному, найважливішому або найважчому режимі, наприклад, при 100°/о–ному різкому підвищенні навантаження. У решті режимів забезпечується якість, хоч і не оптимальна, проте, не гірша, ніж у вибраному основному режимі. Робастні системи керування звичайно швидкодійніші і простіше реалізовуються, чим адаптивні.

Найбільший ефект дає розумне поєднання в комплексній системі керування двигуном як адаптивних, так і робастних методів. Звичайно робастне керування в тій чи іншій мірі доповнює адаптивне. Тому далі під адаптивним в загальному випадку розуміється адаптивно–робастне керування двигуном.

Реалізовуваність і ефективність адаптивного оптимального керування вирішальним чином залежать від досконалості використовуваних алгоритмів керування. Також впливає якість наявних засобів реалізації алгоритмів керування у формованих керуючих діях (програмного і апаратного забезпечення), і виконання керуючих дій системами двигуна, що діють на робочі процеси в його циліндрах або узагальнено – досконалість методів і засобів керування. Саме адаптивне керування двигунів вимагає обробки значного об'єму інформації за досить складними алгоритмами. Зокрема, реалізація перенастроюваних алгоритмів керування вимагає не тільки потужних програмних засобів, але і можливості зміни структури мікроконтролера у функціонуючій системі керування. Тому адаптивний керуючий пристрій реалізовується в даний час практично тільки мікропроцесором, що входить в мікроконтролер.