CC BY
45
УДК 629.113.004.67
А.В. Марусин, А.М. Сычёв, И.К. Данилов МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Методом математического моделирования исследуется новый алгоритм встроенной системы технической диагностики отказов систем дизеля транспортного средства с электрической силовой передачей: собственно дизеля; турбины; компрессора; регулятора частоты вращения коленчатого вала и тягового электрического генератора, с использованием их математических диагностических идентификационных моделей в среде визуального графического программирования Simulink, с целью проверки работоспособности главной подсистемы алгоритма системы технической диагностики.
Встроенная система технической диагностики; дизель; алгоритмы диагностирования; математическое моделирование
A.V. Marusin, A.M. Sychev, I.K. Danilov MODEL OPERATION OF PROCESSES OF FIRMWARE SYSTEM OF ENGINEERING PRELIMINARY TREATMENT OF TRANSPORT FACILITIES
The method of mathematical model operation examines new algorithm of firmware system of an engineering problem diagnostics of systems of the diesel engine of transport facilities with an electrical power transmission: naturally diesel engine; turbines; the compressor; a frequency regulator of twirl of a bent shaft and the tractive electrical oscillator, with use of their mathematical diagnostic identification models in the environment of visual graphical programming Simulink, for the purpose of a functional test of a principal subsystem of algorithm of system of engineering preliminary treatment.
Firmware system of engineering preliminary treatment; the diesel engine; algorithms of diagnosing; mathematical model operation
В настоящее время отечественным двигателестроением ставится вопрос о создании и совершенствовании встроенной отечественной системы электронной технической диагностики (СТД) транспортного средства с силовой электрической передачей, интеграции её с электронной системой автоматического регулирования и управления (САУ) дизеля. Совершенствование конструкций современных СТД дизелей осуществляется, как правило, на основе их усложнения, увеличения количества диагностируемых переменных и параметров, внедрения новых дополнительных функций (оптимизации статических режимов работы дизеля, адаптации к изменению параметров подсистем дизеля и пр.), при повышении степени автоматизации, требований к информативности и точности, эффективности взаимного функционирования САУ и СТД.
Предлагаемая конструкция встроенной СТД в режиме реального времени обеспечивает повышение информативности и точности контроля технического состояния дизеля транспортного средства с электрической силовой передачей. Она содержит три диагностических алгоритма, которые в совокупности осуществляют оценку отказов подсистем дизеля по статическим контролируемым показателям и показателям, измеряемым в переходных процессах, осуществляют накопление выборок контролируемых данных, которые позволяют провести прогноз изменения технического состояния систем дизель-генератора.
Особенность проблем эффективности и надежности САУ и СТД дизелей определяется всеми этапами проектирования, изготовления и эксплуатации. Поэтому необходимо выявление связей между показателями эффективности и надежности САРЧВ и СТД дизелей и возможностями их повышения на каждом из указанных этапов.
Состояние элементов дизель-генератора оценивалось во времени переходных процессов с шагом 0,1 с по следующим показателям (измеряемым переменным): частота вращения коленчатого вала дизеля; перемещение рейки топливного насоса высокого давления; ток и напряжение генератора; ча-
стота вращения ротора турбокомпрессора; давление наддува турбокомпрессора; изменение положения ограничителя (упора) перемещения рейки топливного насоса.
Для переходных режимов при сбросе и набросе частичной электрической нагрузки дизель-генератора изменение во времени t измеряемых переменных состояния дизеля приведено на рис. 1 (графики сглажены). На рис. 1 все графики переменных имеют нормированные значения.
Используя материалы по алгоритмам СТД силовых установок с двигателями внутреннего сгорания [1], были разработаны диагностические алгоритмы оценки отказов элементов дизеля в режиме переходного процесса при сбросе нагрузки на тяговом электрическом генераторе транспортного средства с электрической силовой передачей. В диагностических алгоритмах использовались ранее разработанные его диагностические математические модели в форме передаточных функций: собственно дизеля, турбины, компрессора и регулятора частоты вращения (РЧВ) [2]. Эти модели сформированы на основе авторегрессионных математических методов идентификации [3]. Для разработанного диагностического алгоритма СТД сформирована структурная схема алгоритма оценки неисправностей каждого из перечисленных элементов дизеля. Структурная схема этой модели СТДсЭП в среде визуального графического программирования Simulink, которая приведена на рис. 2.
Структурная схема (рис. 2) математической модели СТДсЭП воспроизводит с помощью функциональных блоков Look-up Table сигналы с датчиков: момента сопротивления нагрузки на коленчатом валу дизеля (ток якоря генератора, Mc), перемещение рейки топливного насоса (hp), давления надувочного воздуха (pn), частоту вращения коленчатого вала (nd) и ротора турбины (nt). Аргумент таблично задаваемых функций этих блоков формируются генератором Ramp. На схеме модели дизеля, турбины, компрессора (турбокомпрессора) и РЧВ сформированы в виде функциональных блоков Subsystem, соответственно: Model Diesel OU, Model Turbina, Model Kompr, Model Regulajtor. Выходы этих блоков (выходные переменные, рассчитанные по диагностическим идентификационным моделям) подаются на соответствующие сумматоры, где производится сравнение значений моделируемых переменных (nd) со значениями данных, являющихся выходами моделей (nd_m) соответствующих датчиков. Разницы (например, nd_m - nd) моделируемых и наблюдаемых с датчиков значений переменных подаются на функциональные блоки типа Look-up Table 1...3 реализующие, так называемые, щелевые функции со значениями ноль и единица. Ширина этих щелевых функции задается эталонными значениями отклонений каждой из соответствующих значений переменных и определяет допустимые диапазоны коридоров, в которых величины изменения отклонений переменных допустимы, и не определяют отказ диагностируемых элементов двигателя. Выходы функциональных блоков Look-up Table 1.3 подаются на соответствующие строки дисплея Display1 и одновременно на интеграторы, где производится интегрирование во времени этих сигналов - отклонений от эталонных значений переменных.
Ограничение величин этих сигналов осуществляется функциональными блоками, реализующими ступенчатые функции с нулем и единицей (Мс1.3).
Рис. 1. Графики переходного процесса опытной САУ модифицированного дизель-генератора при сбросе частичной нагрузки: псі - частота вращения коленчатого вала дизеля; П - частота вращения ротора турбокомпрессора; Ир - перемещение рейки топливного насоса высокого давления; Л - ток генератора; рп - давление наддува от турбокомпрессора
Рис. 2. Структурная схема модели СТДсЭП, представленная в среде визуального графического программирования Simulink
Для решения задач прогнозирования разницы (например, М_т - пф моделируемых и наблюдаемых с датчиков значений переменных подаются на функциональные блоки типа АЬ8...3, где исключаются отрицательные знаки, затем записываются в оперативную память программы с помощью функциональных блоков типа То Workespas1...4. Эти переменные имеют следующие имена: 01_п^ 01_п1:, 01_рп, 01_Ьр и используются другой программой МаАаЬ, где накапливаются (запоминаются) после каждого тестирующего воздействия. При каждом новом запуске программы прогнозирования эти данные отображаются в форме графиков, позволяющих судить о тенденциях изменения будущих отклонений значений диагностируемых переменных от заданных эталонных значений.
Результаты моделирования двух каналов по прикладной программе 8тиПпк, реализующей рассматриваемую структурную схему модели СТДсЭП (рис. 2), в форме графиков переходных процессов приведены на рис. 3, 4, при отсутствии отказов диагностируемых элементов дизеля: компрессора и РЧВ.
Рис. 3. Зависимость относительного изменения давления рн, рнм надувочного воздуха турбокомпрессора дизеля от времени t: рн - измерено в эксперименте; рнм - результат моделирования
\
г 1 м
1 : Ьр ;
0 1 2 3 4 5 6
Рис. 4. Зависимость относительного изменения рейки ТНВД дизеля Ир, Ирм от времени t: Ир - измерено в эксперименте; Ирм - результат моделирования
При анализе графиков относительного изменения давления надувочного воздуха турбокомпрессора и перемещения рейки топливного высокого давления дизеля от времени 1, представленных на рис. 3, 4, видно, что в отсутствии отказов диагностируемых элементов двигателя, кривые графиков моделируемых переменных с датчиков и выходов диагностических моделей рассматриваемых систем дизеля практически совпадают.
Моделирование отказа системы двигателя производилось посредством формирования тестирующего импульса - наброса нагрузки на дизель, при заданном моделируемом искусственно искажённом сигнале с датчика. Результаты моделирования отказа РЧВ дизеля по прикладной программе 8тиПпк, реализующей рассматриваемую структурную схему модели СТДсЭП (рис. 2), в форме графиков переходных процессов приведены на рис. 5.
Рис. 5. Изменение во времени t разницы Лп = псІ_т - псі относительных отклонений измеряемой псі и моделируемой псім частот вращения дизеля, сигнала С1 от Лп на выходе щелевой функции и сигнала С2 с
щелевой функции после интегрирования
Теоретическое обоснование разработанных алгоритмов встроенной СТД дизеля, проведённое посредством математического моделирования в среде 8ішиііпк, показало работоспособность разработанных алгоритмов СТДсЭП и достаточную для практики точность разработанных диагностических математических моделей диагностического алгоритма.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов / И. Васильев, Ю. М. Гусев, А. И. Иванов и др. М.: Машиностроение, 1989. 240 с.
2. Сычёв А.М., Брагин Т.М., Степанов М.Ф., Степанов А.М. Построение математической модели дизель-генератора по данным эксперимента // Сб. трудов XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 6 / под общ. ред. В.С. Балакирева. Саратов: СГТУ, 2008. С. 323-326.
3. Льюинг Л. Идентификация систем. Теория пользователя: пер. с англ. / под ред. Я.З. Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1991. 432 с.
Марусин Александр Вячеславович -
аспирант кафедры «Автомобили и двигатели»
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksander V. Marusin -
Post-graduate student of Department «Cars and engines» Gagarin Saratov State Technical University
Сычёв Александр Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Alexander M. Sychev -
Ph.D., the senior lecturer of Department «Cars and engines» Gagarin Saratov State Technical University
Данилов Игорь Кеворкович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
Igor K. Danilov -
Dr. Sc., professor, head of Department «Cars and engines» Gagarin Saratov State Technical University
