CC BY
18
УДК 681.532.58, 004.896
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ КЛАПАНА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
© 2012 г. А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Предложен способ управления резонансным электромагнитным приводом с использованием методов нечеткой логики, обеспечивающий минимальную скорость посадки клапана. Приведены результаты экспериментальных исследований устройства, реализующего предложенный способ управления.
Ключевые слова: клапана топливоподачи и воздухогазообмена ДВС; мехатронный привод; интеллектуальное управление; нечеткая логика.
The authors propose a control method of resonant electromagnetic actuator with using fuzzy logic methods, providing a soft landing valve. Also describe the results of experimental research device, which realizes the proposed control method.
Keywords: the valve for Combustion Engines; the mechatronic actuator; smart control; fuzzy logic.
Для управления газораспределительными клапанами двигателей внутреннего сгорания используют быстродействующие электромагнитные приводы резонансного типа [1 - 3], представляющие собой электромеханическую систему, состоящую из одного или двух электромагнитов и общего якоря, подпружиненного с двух сторон [4]. Электромагнитный привод такого типа работает в двух режимах: режиме - «раскачки», обеспечивающем установку якоря в исходное положение, и основном режиме - режиме переключения, обеспечивающем перемещение якоря и соответственно клапана из одного крайнего положения в другое. Для удержания клапана в крайних положениях и снижения потребляемой мощности магнитная система может включать постоянные магниты. При этом в режиме переключения необходимо обеспечить заданное значение времени срабатывания (до 2,5 мс) и условие достижения конечного положения с ограниченной скоростью, сопоставимой со скоростью развиваемой клапаном, приводимым в действие кулачком распределительного вала (не более 0,4 м/с). Время движения клапана, учитывая конструкцию электромагнитных приводов резонансного типа, практически не зависит от мощности и конструкции электромагнита, а полностью определяется собственными динамическими свойствами механического колебательного контура. Учитывая этот факт, для реализации способа управления, обеспечивающего условия посадки клапана с минимальной скоростью в конце хода, целесообразно рассмотреть процессы в механической системе привода.
Рассмотрим процессы, протекающие в идеальной (консервативной) механической системе резонансного электромагнитного привода. Движение якоря в такой системе описывается следующим дифференциальным
$ X 7 2 ^ т 2 I
уравнением:--ьk х = 0 , где k = с т .
Л2
Так как представленное дифференциальное уравнение свободных колебаний является однородным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами, его характеристическое уравнение имеет вид X2 + k2 = 0.
Поскольку корни характеристического уравнения являются мнимыми, Xj 2 = + ki, решение уравнения
движения имеет вид x = Cj cos kt + C2 sin kt.
Для определения постоянных интегрирования можно записать
dx
— = v = -Cjk sin kt + C2k cos kt.
dt
В начальный момент времени t = 0, х = xam, где xam - амплитуда колебаний якоря, равная половине хода клапана, v = 0 . Подставив начальные условия в полученные уравнения изменения положения и скорости якоря, получим Cj = xam и C2 = 0. В этом случае уравнения изменения перемещения и скорости якоря примут вид х = xam cos kt, v = -xamk sin kt.
Так как система является консервативной, время перемещения якоря из одного крайнего положения в другое будет равно половине периода колебаний
T n m
^ = i = k = 1 С
Используя полученные формулы, определим скорость якоря в конце хода
V fa ) = -xamk sinКв = -xamk sin y = ~xamk sin П = 0 .
Таким образом, в идеальной механической системе резонансного электромагнитного привода выполняется важное требование - обеспечение условия минимальной скорости якоря в конце хода.
Баланс энергий в идеальной механической системе резонансного электромагнитного привода описывается следующим уравнением: WE = Wp + Wk , где
Wp = cx2 /2, Wk = mv2 /2, WE = cx//2 = const.
Как видно из графических зависимостей процесса преобразования энергии (рис. 1 а), в консервативной механической системе резонансного электромагнитного привода суммарная энергия WE складывается
только из потенциальной энергии пружин Wp и кинетической энергии якоря Wk, при этом суммарная энергия системы остается неизменной на всем пути перемещении якоря. В такой системе процесс разгона и торможения якоря обеспечивается только за счет преобразования энергии в механической системе.
ff\ Дж
х, мм-10
1,0
0,5
-0,5
ff: дж х, мм-10-
1,0
0,5
WE
/ Wp
— \ Wk
X. ■—
t, мс
-0,5
WE
W p
ч / Wk \
чч Wd
х хид
2
б
t, мс
Рис. 1. Преобразование энергии в идеальной (а) и реальной (б) механических системах резонансного электромагнитного привода в процессе переключения
Так как консервативных систем в природе не существует, рассмотрим энергетический баланс механической системы реального резонансного электромагнитного привода WE = Wp + Wk + Wd + Wэл, где Wd -
энергия, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления; Wэл - энергия подводимая электромагнитом и проявляемая в виде работы силы электромагнитного притяжения.
В реальной механической системе резонансного электромагнитного привода часть потенциальной
энергии расходуется на преодоление сил сопротивления (рис. 1 б), к которым в рассматриваемом случае можно отнести силы трения, давления газов на клапан газораспределительного механизма и др. В связи с этим, для обеспечения переключения привода, необходимо компенсировать действие этих сил. Как видно из уравнения баланса энергий резонансного электромагнитного привода, компенсировать действие сил сопротивления возможно лишь за счет энергии, преобразуемой в электромагните, в процессе движения якоря, в механическую и проявляемой в виде работы силы электромагнитного притяжения. Если предположить, что в любой момент времени сила, создаваемая электромагнитом, равна сумме сил сопротивления, то распределение энергии в процессе перемещения примет вид распределения энергии в идеальной механической системе привода, при этом клапан переместится из одного положения в другое xид, с заданным временем срабатывания и нулевой скоростью в момент посадки клапана в седло.
Таким образом, обобщая все вышеизложенное, можно сформулировать задачу управления мехатрон-ным приводом: для обеспечения переключения резонансного электромагнитного привода с заданными временем срабатывания и скоростью якоря в конце хода система управления должна обеспечивать компенсацию сил сопротивления движению, т.е. сводить реальную механическую систему резонансного электромагнитного привода к идеальной.
Предлагаемый способ управления реализует поставленную задачу управления в соответствии со следующим алгоритмом:
1. Основываясь на текущих значениях скорости v и положения якоря x, вычисляют текущие значения потенциальной Wp и кинетической энергии системы
Wk .
2. Так как предполагается, что суммарная энергия системы величина постоянная WE = const, то по текущему значению потенциальной энергии вычисляется желаемое значение кинетической энергии якоря
Wk= WE- Wp.
3. На основе текущих значений реальной и желаемой величин кинетических энергий якоря определяется ошибка регулирования Д Wk = Wk - Wk .
4. Основываясь на полученном значении ошибки регулирования ДWk, изменяются параметры управления электромагнитным приводом, так чтобы свести ее к минимуму.
Основными функциями регулятора, реализующего предложенный способ управления, на этапе разгона является формирование тока, компенсирующего действие постоянного магнита отпускающего электромагнита, на этапе торможения - определение требуемой величины тока в обмотке, позволяющей минимизировать существующую ошибку регулирования кинетической энергии якоря. Как отмечалось ранее, минимизация ошибки Д^, возможна только путем
0
1
а
0
0
1
3
4
регулирования величины энергии Wэл , проявляемой в виде работы силы электромагнитного притяжения. Из этого следует, что в каждый момент времени необходимо обеспечить выполнение условия Д Wk = Wэл.
Аналитическое описание зависимости энергии Wэл от величины тока, формируемого в обмотке привода получить сложно, так как значение энергии зависит от большого ряда параметров. С учетом этого было принято решение построить регулятор на основе алгоритмов нечеткой логики, эффективно работающих в условиях отсутствия точного аналитического математического описания объекта управления [5]. Синтез нечеткого регулятора состоит из двух основных этапов - структурной и параметрической идентификации. На первом этапе производится грубая настойка нечеткого регулятора - построение базы правил, выбор формы функций принадлежностей и т.д., после чего на этапе параметрической идентификации проводиться настройка параметров функций принадлежности для увеличения точности нечеткого регулятора. Детально алгоритм синтеза нечеткого регулятора описан в работе [6].
Для оценки адекватности предложенного способа управления были проведены экспериментальные исследования устройства управления. В качестве объекта управления в ходе проведения экспериментальных исследований использовался прямоходовой резонансный электромагнит, имеющий расчетное время переключения 5,65 мс.
Для оценки влияния степени компенсации действия постоянных магнитов на динамические характеристики были проведены экспериментальные исследования переключения привода при разных характеристиках тока. На рис. 2 представлены полученные характеристики тока и скорости якоря (рис. 3).
V, м/с
1,6
1,2
0,8
0,4
v л
v1
и v3 1и v4
■ ■ ■ ■
1
2 3
4
5
6
7
8
t, мс
I, А
1
Ii I2 I3 I4
-45
0
1 2 3
4
5 6 7 8
t, мс
Рис. 3. Зависимость тока в обмотках электромагнитов привода, при различных характеристиках тока компенсации
На основе полученных результатов была уточнена реальная характеристика тока компенсации, которая в дальнейшем использовалась при проведении точной настройки нечеткого регулятора. На рис. 4, 5 представлены характеристики скорости якоря и тока в обмотках привода, полученные после точной настройки нечеткого регулятора. Как видно из представленной характеристики время движения якоря сократилась до 6 мс, что всего на 6 % превышает расчетное. Так же необходимо отметить, что точная настройка нечеткого регулятора позволила в определенных условиях добиться близкой к нулю скорости якоря в конце хода.
В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к электромагнитному приводу, последний должен сохранять работоспособность как при повышении, так и при снижении напряжения питания. На рис. 4 и 5 представлены характеристики тока и скорости якоря при напряжениях питания резонансного электромагнитного привода 24 В и 36 В.
Полученные результаты свидетельствуют, что увеличение напряжения питания приводит к снижению как времени трогания, так и времени движения якоря.
А V, м/с
Рис. 2. Характеристики скорости якоря в зависимости от характеристики тока компенсации
Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение степени компенсации силы удерживающего постоянного магнита на этапе разгона снижает время движения якоря (/4 = 7,03 мс, /3 = 6,91 мс, /2 = 6,84 мс, = 6,7 мс) и уменьшает суммарную силу сопротивления движению на этапе разгона.
40 20 0 -20 -40 -60 J
2,0 1,5 1,0 0,5 0
-0,5
Рис. 4. Характеристики тока и скорости якоря при напряжении питания 24 В
0
нии питания 36 В
Максимальное время трогания при напряжениях 24 и 36 В составило - 0,36 мс и 0,22 мс, время движения - 6 мс и 5,85 мс соответственно. Снижение времени трогания обосновано тем, что увеличение напряжения питания приводит к увеличению скорости изменения тока и, соответственно, электромагнитной силы. Такое увеличение быстродействия позволяет сократить потери энергии на этапе разгона, что обеспечивает снижение времени движения якоря. Отклонение времени движения якоря привода, полученного экспериментально, от расчетного при напряжении питания 24 В составило 6 % и 3,5 % при 36 В. Однако увеличение напряжения питания приводит к ужесточению требований по качеству регулирования тока и, соответственно, электромагнитной силы, что приводит к незначительному увеличению скорости якоря в конце хода. Максимальная величина скорости посадки клапана при напряжении питания 24 В составила 0,33 м/с, при напряжении 36 В - 0,38 м/с.
Выводы
1. Предложенный способ управления резонансным электромагнитным приводом позволяет обеспечить, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость якоря в конце хода.
2. Увеличение степени компенсации силы, создаваемой постоянным магнитом отпускающего электромагнита, приводит к снижению времени движения якоря.
3. Проведение точной настройки нечеткого регулятора позволяет сократить время движения якоря до
Поступила в редакцию
величины, на 6 % превышающей расчетное, и в определенных условиях добиться скорости посадки якоря и, соответственно, клапана, близкой к нулю.
4. Увеличение напряжения питания резонансного электромагнитного привода приводит к снижению времени трогания и движения якоря, однако при этом незначительно увеличивается скорость посадки якоря.
Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательских работ по государственному контракту №14.741.12.0313 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и государственному контракту №16.516.11.6115 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007- 2013 гг.».
Литература
1. Электромагнитные приводы для мехатронных устройств и систем автомобилей. Проектирование и оптимизация / А.В. Павленко [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление - 2007 : материалы Междунар. науч.-техн. конф., пос. Дивноморское, 24 - 29 сент. 2007 г. / Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. академика А.В. Каляева Южного федерального университета. Таганрог, 2007. С. 429 - 431.
2. Быстродействующие электромагнитные привода для клапанов систем топливоподачи и воздухообмена двигателей внутреннего сгорания / А.В. Павленко [и др.] // Изв. вузов Электромеханика. 2010. № 5. С. 48 - 53.
3. Синтез параметров управляющих сигналов электромагнитных приводов мехатронных систем / А.В. Павленко [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 9. С. 14 - 19.
4. Павленко И.А., Гильмияров К.Р. Электромагнитный привод для клапанов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. Спецвып. : Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития 2009 : Всероссийская науч. Школа для молодежи, г. Новочеркасск, 2 - 15 ноября 2009 г. С. 5 - 10.
5. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление : пер. с англ. М., 2009. 789 с. (Адаптивные и интеллектуальные системы).
6. Павленко А.В., Гильмияров К.Р. Управление резонансным электромагнитным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания с использованием методов нечеткой логики // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 4. С. 55 - 60.
28 ноября 2011 г.
Павленко Александр Валентинович - д-р тех. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (863)25-51-13. E-mail: [email protected]
Гильмияров Константин Ринардович - аспирант кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86352)5-16-84. Электронная почта: [email protected]
Pavlenko Alexander Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Politechnic Institute). Ph. (863)25-51-13. E-mail: [email protected]
Gilmiyarov Konstantin Rinardovich - post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Politechnic Institute). Ph. (86352)5-16-84. E-mail: [email protected]
