Аннотация 2
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ДВС 10
1.1 Упрощённая математическая модель ДВС 10
1.2 Программная модель ДВС 11
1.3 Расширенная математическая модель ДВС 13
Вывод по разделу один 15
2 ИЗВЕСТНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ 15
2.1 Обзор классических методов управления движением 16
2.1.1 Линейно-непрерывное управление 17
2.1.2 Модальное управление 18
2.1.3 Оптимальное управление 19
2.1.4 Адаптивное управление 20
2.1.5 Робастное управление 21
2.2 Интеллектуальные системы управления 24
2.2.1 Искусственные нейронные сети 24
2.2.2 Метод обратных задач динамики 25
2.2.3 Координирующее управление 26
2.2.4 Аналитическое конструирование агрегированных регуляторов 28
2.2.5 Позиционно-траекторное управление 29
2.2.6 Нечёткая логика 30
2.3 Выбор способа управления 30
2.3.1 История развития теории нечёткой логики 31
2.3.2 Основные термины теории нечётких множеств 32
Вывод по разделу два 33
3 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ
ВАЛА ДВС 33
3.1 Основные операции в нечёткой логике 34
Типы нечётких моделей 35
3.3 Структура нечёткой системы управления 36
3.4Операция нечёткого вывода 39
3.5 Настройка базы правил и параметров 40
Вывод по разделу три 41
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С
НЕЧЁТКИМ РЕГУЛЯТОРОМ 42
4.1 Моделирование системы управления на основе изменения
передаточного отношения трансмиссии 42
4.2 Моделирование системы управления на основе изменения подачи
топлива 44
4.3 Сравнение разработанной системы с известным аналогом 45
Вывод по разделу четыре 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 51
ПРИЛОЖЕНИЯ 60
Приложение А - Достоинства и недостатки методов управления 60
Приложение Б - Характеристики ДВС 63
Приложение В - Схема моделирования системы на основе управления 1^ 64
Приложение Г - Схема моделирования системы управления на основе изменения подачи топлива 65
В настоящее время к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), как к силовым агрегатам машин, предъявляются всё более разнообразные требования - снижение токсичности выхлопных газов, повышение экономичности, компактность, снижение уровня вибрации и шума и пр. Но основными признаками качества любого ДВС были и остаются надёжность и безопасность. И надёжность, и безопасность напрямую связаны с безотказной работой ДВС.
Под отказом ДВС следует понимать не только прекращение его функционирования, но и отличие фактической частоты вращения коленчатого вала двигателя от номинальной частоты при номинальной нагрузке на валу. Именно безотказность определяет имидж как завода-изготовителя ДВС, так и имидж предприятия-производителя различного рода машин, как колёсных, так и гусеничных.
В процессе эксплуатации машин, двигатели подвергаются различного рода
нагрузкам, что существенно влияет на ресурс работы ДВС и проявляется в нестабильности угловой скорости вращения коленчатого вала ДВС.
Увеличить ресурс ДВС можно несколькими способами: ограничением нагрузки на коленчатом валу, в том числе ударной нагрузки, стабилизацией скорости вращения коленчатого вала ДВС независимо от внешней нагрузки. Для такого специфического вида машин, как трактора и бульдозеры (далее - гусеничные машины, ГМ), актуальным является второй подход.
Стабилизацию скорости вращения вала ДВС возможно осуществлять с помощью электронных систем автоматического управления скоростью вращения коленчатого вала двигателя.
Электронный блок управления двигателем для управления скоростью вала ДВС позволяет реализовать различные принципы управления, такие как: изменение расхода топлива или воздуха, изменение коэффициента наполнения цилиндров, изменение передаточного отношения трансмиссии, изменение подачи топлива [9, 11]. Управление расходованием топлива осуществляется регулированием параметров: момент начала впрыскивания, отключение одного или нескольких цилиндров, количество впрыскиваемого топлива.
Регулирование этих величин имеет свои особенности. Изменение момента начала впрыска в любую сторону от номинального неизбежно влечёт за собой повышение расхода топлива. Отключение одного или нескольких цилиндров позволяет ограничить максимальную скорость вращения двигателя, что широко используется производителями систем управления ДВС, однако это усиливаетколебательность частоты вращения двигателя, ускоряя износ деталей трансмиссии. Управление количеством впрыскиваемого топлива может повлечь за собой либо преждевременный выход из строя каталитического нейтрализатора, либо увеличению токсичности выбросов.
Поскольку создание конкурентоспособных тракторов и бульдозеров предполагает применение перспективных способов повышения качества управления, защиту узлов и агрегатов от перегрузок, в данной работе будет рассмотрена стабилизация скорости вращения коленчатого вала ДВС с помощью управления передаточного отношения трансмиссии и с помощью изменения времени открытия топливной форсунки.
Целью данной квалификационной работы является разработка алгоритма автоматического управления скоростью вращения коленчатого вала ДВС изменением передаточного отношения трансмиссии и изменением времени открытия топливной форсунки с целью повышения ресурса двигателя.
Для достижения означенной цели, в работе решаются следующие задачи:
1. Ознакомиться с существующими математическими моделями двигателя внутреннего сгорания, выбрать математическую модель, применительно к которой будет выполняться анализ разработанного алгоритма управления.
2. Ознакомиться с известными решениями задачи управления, выбрать принцип управления скоростью вращения коленчатого вала двигателя.
3. Разработать алгоритм автоматического управления скоростью вращения коленчатого вала ДВС.
4. Провести анализ показателей качества разработанного алгоритма
управления, полученных при управлении с использованием выбранного регулятора, и сравнить с показателями, полученными для известного аналога разработанного алгоритма.
Объект исследования: принципы построения регуляторов.
Предмет исследования: алгоритм автоматического управления скоростью вращения коленчатого вала ДВС.
Методы исследования: исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании знаний из областей: теории автоматического управления, систем автоматизированного проектирования, теоретической механики, теории надежности, теории ДВС, теории гидроагрегатов, современных вычислительных пакетов.
При оценке качества разработанной системы управления применено моделирование в прикладном пакете Matlab r2016b.
Новизна: Построение алгоритма управления скоростью вращения вала ДВС на
Для решения задачи управления ДВС как сложным нелинейным объектом, разработан регулятор, построенный на основе методов нечёткой логики. Рассмотрены несколько существующих моделей ДВС (упрощённая, программная, расширенная). Проанализированы возможности построения систем управления на основе этих моделей. Разработана структура нечёткого регулятора, включающая неизменяемую и изменяемую части, адаптированные под построение системы управления на основе изменения передаточного отношения трансмиссии и изменения подачи топлива. На основе разработанной базы правил, реализован нечёткий регулятор, обеспечивающий точность системы в статическом режиме (ест=0) и качество в переходном режиме при холостых оборотах. (tp=2.95 c). Проанализировано соответствие показателей качества системы требованиям технического задания при изменении нагрузки.
