CC BY
214
Тройков С.М. , Палагута К.А. ПОЛУНАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ЭСУ ДВС)
Существование многочисленных диагностических стендов и стендов имитации отдельных режимов работы ДВС привело к идее разработки системы, позволяющей комплексно и согласованно выполнять моделирование всех функций реальной электронной системы управления (ЭСУ) двигателем внутреннего сгорания (ДВС), а также выполнять их диагностику.
Обзор базы федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам [1 6] показал, что подобные разработки существуют только в области авиационной и ракетной техники.
В области автомобилестроения существуют только учебно-демонстрационные стенды [7], разработанные на базе ЭСУ некоторых автомобилей и предназначенные для использования их в учебном процессе. Разработчики и заводы - производители ДВС имеют специальные системы, моделирующие работу ДВС, однако они чрезвычайно дороги.
Использование реального двигателя внутреннего сгорания для обеспечения «внешней среды» для электронного блока управления (ЭБУ) требует специально оборудованной лаборатории. Это связано с тем, что работа ДВС сопровождается высокой теплоотдачей, ядовитыми выхлопными газами, вибрациями и шумом. Кроме того, ДВС обладает инертностью на некоторые входные реакции, а исследование аварийных или экстремальных ситуаций связано с опасностью разрушения или порчи двигателя. Весогабаритные характеристики реального двигателя тоже могут создавать некоторые проблемы, например транспортировочные.
Разрабатываемая система является полунатурной и сочетает в себе программную и аппаратную реализацию модели ЭСУ ДВС.
Структурная схема модели приведена на рис. 1 и содержит аппаратную часть и блок программной эмуляции.
ЭП ДПКВ
ДПКВ
Система Топливная Топливная
зажигания система система
ЭП ДМРВ
ДМРВ
Регулятор
ДПДЗ
ш
K-Line
ЭБУ
Check
Engine
Педаль газа
и
Водитель
ДТОЖ
ДДет
А-зонд
Программная эмуляция
Рис. 1. Структурная схема полунатурной модели ЭСУ ДВС
В аппаратную часть входят узел имитации вращения коленчатого вала, топливная и воздушная системы, а также системы датчиков и электронных регуляторов.
В ГОУ МГИУ ранее был разработан учебно-исследовательский стенд «ЭСУ ДВС» [8...10] на базе которого и проводятся предложенные разработки.
Рассмотрим по отдельности элементы, входящие в состав электронной системы управления двигателем внутреннего сгорания. Для начала выделим элементы, необходимость программной эмуляции которых наиболее высока:
Датчик температуры охлаждающей жидкости.
Само название датчика говорит о невозможности его аппаратной реализации. Двигатель отсутствует и сигнал, который отображает датчик - температура окружающей среды. К тому же для обеспечения полноты исследования и диагностики ЭСУ ДВС необходим как можно более широкий диапазон температур. Например, холодный пуск, перегрев и т.д.
Датчик кислорода (Лямбда зонд).
Датчик устанавливается и работает в выпускном коллекторе и начинает свою работу после нагрева, например до 360°С для датчика GM и 150°С для BOSCH. Следовательно, так как невозможно предоставить рабочую среду, т.е. камеру или поток горячих выхлопных газов, то следует провести эмуляцию работы датчика в зависимости от работы всей остальной системы.
Датчик детонации.
Датчик детонации устанавливается на ДВС и выдает сигнал при появлении детонации, которая проявляется при некоторых режимах работы двигателя. Детонации на стенде возникнуть не может, поэтому для достижения достоверности модели необходима эмуляция и этого датчика тоже.
Следующие важные системы имеют узлы для генерации сигналов датчиков, поступающих на контроллер.
Датчик положения коленчатого вала.
На стенде установлен узел имитации вращения коленчатого вала для обеспечения работы реального датчика. Узел позволяет варьировать частоту вращения диска в диапазоне 800 - 6000 об/мин. Т.к. узел имеет аппаратную реализацию, то непосредственно программно эмулировать сигналы с датчика не требуется. Также на стенде есть регулятор частоты вращения зубчатого диска в зависимости от положения дроссельной заслонки. Разрабатывается программно-аппаратный регулятор частоты вращения задающего диска для связи с остальными подсистемами.
Датчик массового расхода воздуха.
На стенде представлен узел генерации воздушного потока для получения сигнала с датчика массового расхода воздуха. Разработан регулятор потока в зависимости от положения дроссельной заслонки. Разрабатывается программно-аппаратный регулятор потока воздуха для связи с остальными системами.
Датчик положения дроссельной заслонки.
На стенде установлен узел датчика положения дроссельной заслонки вырабатывающей задающие сигналы для подсистем датчиков положения коленчатого вала и массового расхода воздуха.
Программная часть разрабатывается на языке С, так как язык позволяет разрабатывать программы для работы с модулями ЦАП/АЦП, драйверы для различных устройств и обладает значительным количеством библиотек.
На кафедре «АИиСУ» ГОУ Mrw разработана модель ДВС на основе нечеткой логики [11]. Для проверки достоверности модели была также проведена разработка системы управления на нечеткой логике. Обе модели прошли обучение на массивах экспериментальных данных, полученных на реальном ДВС, однако ДВС, используемый для обучения, применялся мотоциклетный. Основное отличие состоит в частотах вращения вала двигателя. Если для автомобиля максимальная частота достигает 6QQQ об/мин, то для мотоцикла - 11QQQ об/мин (спортивные автомобили не рассматриваются) .
Как следствие, необходимо в дальнейшем провести переобучение и дописать модули управления реальными устройствами.
Универсальность предложенного подхода связана с тем, что подавляющее большинство существующих систем управления автомобильным двигателем обладают типовым набором периферийных устройств. К таким устройствам относятся датчики и исполнительные механизмы (форсунки, регулятор холостого хода, модуль зажигания). Также предлагаемая система предлагает возможность детально рассматривать и отрабатывать алгоритмы управления на различных режимах и условиях работы ДВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. RU 2006125866 A MПК FQ2C9/QQ Полунатурный стенд для испытаний систем автоматического
управления и контроля газотурбинных двигателей и стенд для его реализации 27.01.2008
2. Пат. RU 68070 U1 MПК FQ2C9/2B Полунатурный стенд для испытаний систем автоматического
управления и контроля газотурбинных двигателей 1Q.11.2QQ7
3. Пат. RU 2039963 C1 MПК GQ1M15/QQ Способ полунатурного исследования системы автоматического
управления силовой установкой 20.07.1995
4. Пат. RU 2340883 C1 MПК GQ1M15/14 Способ полунатурных испытаний систем автоматического
управления и контроля газотурбинных двигателей и стенд для его реализации 10.12.2008
5. Пат. RU 2338992 C1 MПК F41G3/32 F41G7/22 Стенд для полунатурного моделирования системы самонаведения летательного аппарата 2Q.11.2QQB
6. Пат. RU 2331054 C2 MПК GQ1M15/14 Способ полунатурных испытаний систем автоматического
управления и контроля газотурбинных двигателей и стенд для его реализации 1Q.QB.2QQB
7. ОАО РНПО «Росучприбор» Стенд-тренажёр "Система управления и питания инжекторного двигателя" СУИД 2111.Q1
8. К.А. Палагута, Ю.А. Шавыкин «Учебный стенд для изучения электронных систем управления двигателем внутреннего сгорания» - Mеханизмы внедрения новых направлений науки и технологий в системы образования: Сборник научных докладов международной конференции. - M.: Mrw, 2QQ4.
9. К.А. Палагута, СМ. Тройков, Г.Ю. Харпунен, Е.В. Шадян. «Модернизация учебного стенда
«Электронная система управления ДВС»: Участие в разработке и реализации инновационных технологий: Сборник научных докладов международной конференции. - M.: Mrw, 2QQ6. 139 - 141
10. К.А. Палагута, РМ. Третьяков, СМ. Тройков, Е.В. Шадян. «Учебно-исследовательский стенд «Электронная система управления ДВС»: Mолодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения: Сборник научных докладов международной конференции. - M.: MraY, 2QQ7.
11. Палагута К.А., Чиркин С.Ю., Кузнецов А.В. Синтез системы управления двигателем внутреннего сгорания с использованием гибридных и нейронных сетей // Mашиностроение и инженерное образование 2QQ9. №4. с. 42-49.
12. А.В. Кузнецов - Разработка системы диагностики ДВС на основе нечеткой логики: дис. канд.
техн. наук. - M.: MraY, 2QQ7.
13. Автомобильный справочник Bosch: Справочник - M.: За рулем, 2QQQ.
