CC BY
34
УДК 681.532.58, 004.896
УПРАВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ КЛАПАНА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
© 2011 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 управления, 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 клапанами систем топливоподачи и воздухогазообмена 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] (рис. 1).
Рис. 1. Типовая конструкция электромагнитного привода
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 од-
ного 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. В свою очередь обеспечение минимальной скорости перемещения якоря в конце хода для обеспечения безударного срабатывания, возможно несколькими путями, одним из которых является применение интеллектуальной автоматической системы управления. В этом случае привод можно рассматривать как мехатронное устройство, включающее в свой состав, кроме электромагнита, силовой преобразователь и микропроцессорный контроллер.
Учитывая тот факт, что характеристику перемещения якоря определяют параметры механического колебательного контура, то для реализации способа управления, обеспечивающего условия посадки клапана с минимальной скоростью в конце хода, целесообразно рассмотреть процессы в механической системе привода.
Как отмечалось ранее, в общем цикле перемещения якоря преобладают динамические процессы раз-
гона и торможения, сопровождающиеся процессами преобразования потенциальной энергии в кинетическую и обратно. На рис. 2 представлена зависимость изменения энергии в реальной механической системе привода в процессе перемещения якоря х.
о
1
t, мс
Рис. 2. Преобразование энергии в механической системе привода
Часть потенциальной энергии расходуется на преодоление сил сопротивления, к которым в рассматриваемом случае можно отнести силы трения, давления газов на клапан газораспределительного механизма и др. Энергетический баланс механической системы реального электромагнитного привода выглядит следующим образом
Wz = Wp + Wk + Wd + Wэл,
сх 2
где Wp =- - потенциальная энергия системы;
2
2
- кинетическая энергия; Wd - энергия,
затрачиваемая на преодоление сил сопротивления;
Жэл - энергия, подводимая электромагнитом и проявляемая в виде работы силы электромагнитного притяжения.
Как видно из уравнения баланса энергий привода компенсировать действия сил сопротивления возможно лишь за счет энергии, преобразуемой в электромагните в процессе движения якоря в механическую энергию, проявляемой в виде работы силы электромагнитного притяжения. Если предположить, что в любой момент времени сила, создаваемая электромагнитом, равна сумме сил сопротивления, то распределение энергии при перемещении якоря будет соответствовать распределению энергии в идеальной (консервативной) механической системе привода. При этом клапан переместится из одного положения в другое с заданным временем движения и нулевой скоростью в момент посадки клапана в седло.
Таким образом, обобщая сказанное, можно сформулировать задачу управления электромагнитным приводом резонансного типа следующим образом. Для обеспечения переключения привода с заданным временем срабатывания и минимальной скоростью якоря в конце хода система управления должна обеспечивать компенсацию сил сопротивления движению, т.е. сводить реальную механическую систему электромагнитного привода к идеальной.
Для решения поставленной задачи управления разработана система автоматического управления электромагнитным приводом, структура которой представлена на рис. 3.
На каждом цикле управления определяются текущие значения положения и скорости якоря, на основании которых определяется текущая ошибка регулирования кинетической энергии якоря. Далее ошибка регулирования ДWk поступает на блок регулятора кинетической энергии якоря, который в зависимости от ее величины определяет текущее значение тока в
е(кТ)
РТ
<Э
г(кТ)
АЦП
ЦкТ)
РКЭ
wj(kT)
Wy
OY
D(kT) W u(t) 1 ЭМ МЕХ
i
v(t)
НУ
дг
i(t)
wр(кТ) vr(kT)
АЦП
НУ
ДС
W ф7) wt х/кТ) АЦП ну ДП
x(t)
Рис. 3. Структура системы управления электромагнитным приводом: РТ - регулятор тока, УУ - устройство управления, ЭМ - блок электромагнитных процессов, МЕХ - блок механических процессов в электромагнитном приводе, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, НУ - нормирующий усилитель, ДТ - датчик тока, РКЭ - регулятор кинетической энергии якоря,
ДС - датчик скорости якоря, ДП - датчик положения якоря
2
обмотке электромагнита. Ошибка регулирования тока поступает на вход блока регулирования тока [5], который изменяет параметры сигналов управления силовыми транзисторами устройства управления. Формируемый ток в обмотках электромагнита создает электромагнитную силу притяжения, которая воздействует на якорь и изменяет его кинетическую энергию.
Основными функциями блока регулирования кинетической энергии якоря 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 ДШк возможна только путем регулирования величины энергии Шэл, проявляемой в виде работы силы электромагнитного притяжения. Из этого следует, что в каждый момент времени необходимо обеспечить выполнение условия Д Шк = Шэл. При этом необходимо учитывать, что значение энергии Wэл помимо величины тока определяется и величиной воздушного зазора. Имея текущее значение энергии ДШк и положение якоря х, а также характеристики изменения энергии от тока и зазора Шэл = f (/, х), путем интерполяции можно получить требуемое значение тока, величина которого должна быть сформирована в обмотке электромагнита. Зависимость энергии от тока и зазора Шэл = f (/, х) можно получить путем численного интегрирования статической характеристики электромагнитной силы Fэл = f (/, х) :
Шш(0 = | FэЛ( х, /)ёх,
к
2
для заданного диапазона значений тока / е [/тт.. ./тах].
Аналитическое описание зависимости энергии Шэл от величины тока, формируемого в обмотке привода, получить сложно, так как значение энергии зависит от большого ряда параметров. С учетом этого принято решение построить регулятор на основе алгоритмов нечеткой логики, эффективно работающих в условиях отсутствия точного аналитического математического описания объекта управления [6].
Нечеткий регулятор кинетической энергии якоря основывается на нечеткой модели Мамдани, в которой входными переменными являются величина ошибки регулирования кинетической энергии якоря ДШк и скорость изменения ошибки регулирования ёДШк, а выходной переменной - величина тока I,
которую необходимо сформировать в обмотках электромагнитов. Синтез нечеткого регулятора состоит из трех этапов. На первом этапе - этапе структурной идентификации, формируется приближенная модель нечеткого регулятора и осуществляется ее грубая настройка [7]. Формирование модели нечеткого регулятора начинается с определения нечетких множеств
для входной и выходной переменных регулятора, т.е. диапазоны входных ДШк е [ДШшп ...ДШтах] и выходных / е [/тт .../тах] переменных разбиваются на несколько термов - значений лингвистических переменных. Для величины тока в обмотке привода нечеткое множество может иметь вид {ЫВ - «Отрицательный большой», ^ - «Отрицательный малый», Z - «Отсутствует», PS - «Положительный малый», РВ - «Положительный большой»}, для величины ошибки и скорости изменения ошибки регулирования кинетической энергии якоря - {Ы - «Отрицательная», Z - «Отсутствует», Р - «Положительная»}.
Далее для полученных термов входной и выходной лингвистических переменных в виде «Если <предпосылка> То <вывод>», в соответствии с грамматикой лингвистических переменных, строится база правил. После построения базы правил определяется форма функций принадлежности, характеризующей тот или иной термы. В качестве форм функцией принадлежности можно использовать классические формы (треугольные, трапециевидные, гауссовские и др.), либо методы построения функций принадлежности, изложенные в [8]. Исходной информацией для построения базы правил и определения форм функций принадлежностей является функция /I = = f (ДШк), которая
х=хт1п
может быть получена из семейства известных характеристик Шэл = f (/, х).
Полученная база правил представлена в таблице База правил
d AWk AWk
N Z P
N NB NB NS
Z NB NB PS
P Z PS PB
В качестве функций принадлежности выбраны функции треугольной формы. На рис. 4 представлены функции принадлежности, соответствующие термам нечетких множеств входной и выходной лингвистических переменных, полученных на этапе структурной идентификации.
На втором этапе - параметрической идентификации - для повышения точности нечеткую модель регулятора обучают, т.е. итерационно изменяют ее параметры с целью минимизации отклонений результатов логического вывода от исходных данных [7]. Настраивают как веса правил, так и функции принадлежности нечетких термов. Обучение нечеткой модели Мамдани представляет собой задачу нелинейной оптимизации, которая может быть решена путем использования различных алгоритмов оптимизации [9, 10, 11]. Представим обучающую выборку, связывающую входы и выходы исследуемой зависимости /I = = f (ДШк), следующим образом: (ДШ/, ¡/), при
х=хт1п -1 -1
/ = 1.т , где ДШ/ = (Д/ ДШ/2,...,ДШ/П) - вектор входов и // выход в /-паре; т - объем выборки.
Задача точной настройки состоит в нахождении нечеткой модели FC , обеспечивающей минимальное значение среднеквадратической невязки
2
_ ^ т1п,
mJ=Г.....
где FC(ДWj) - значение выхода нечеткой модели
2
1 m / \2 R = -Z(ij - FC (A W;))
при значениях входов, заданных вектором ДWJ■. Значение выхода нечеткой модели регулятора зависит от ее структуры - базы правил и параметров функций принадлежностей, весовых коэффициентов правил, реализации логических операций, метода дефаззифи-кации. Необходимо отметить, что увеличение количества термов увеличивает количество правил и точность, но при этом снижает быстродействие и про-
зрачность понимания нечеткого регулятора. На рис. 5 представлены уточненные функции принадлежности нечетких переменных, полученные входе параметрической идентификации. Первый и второй этапы синтеза нечеткого регулятора присущи всем нечетким регуляторам. На третьем этапе определяется зависимость вычисляемого значения тока от текущего положения якоря. Можно сделать предположение, что значение тока, необходимого для компенсации ошибки регулирования ДWk при х = хт1П, отличается от величины тока, необходимого для компенсации при х = хтек, на величину, соответствующую ранее полученной характеристики изменения тока в обмотке, необходимого для компенсации действия постоянных
магнитов /КОмп = /(х).
ц(Д Wk ) \ -0,8 0,6 0,4 ■ 0,20
» Z Р
X X
V(dAWk )
AWk
i
б
N 1 р
X X
dAWk
40 /, А
Рис. 4. Функции принадлежности термов нечетких множеств ДWk , dДWk , I
-» -20
О 20
в
40 /, А
Рис. 5. Уточненные функции принадлежности термов нечетких множеств ДWk , dДWk , I
в
Для этого вводится весовой коэффициент <х, определяющий зависимость вычисляемого значения тока от положения якоря
¿(хтек) = <х*(АЩ )|х=х ■ ,
где весовой коэффициент < х определяется соотношением
^комп ( хтек )
<х =~.- .
*комп (хтт )
Процесс проектирования нечеткого регулятора представляет собой итерационный процесс, в ходе которого производится определение структуры нечеткого регулятора и базы правил, выбора и оптимизация функции принадлежности. Как правило, лишь после большого количества итераций достигается требуемое качество регулирования [12].
По результатам проведенных исследований был изготовлен опытный образец устройства управления резонансным электромагнитным приводом (рис. 6) и проведены его экспериментальные исследования.
Рис. 6. Опытный образец устройства управления резонансным электромагнитным приводом
В качестве объекта управления в ходе проведения экспериментальных исследований использовался пря-моходовой резонансный электромагнит, имеющий расчетное время переключения 5,65 мс.
На рис. 7 и 8 представлены осциллограммы изменения скорости якоря и тока в обмотках привода при открытии и закрытии клапана.
I, А
40
20
0
-20
-40
-60 -0,5
м/с 2,0
1,5
1,0
0,5
/ I2
V2
n I.
I1 V!
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 г, м/с
Рис. 7. Осциллограммы изменения скорости якоря и тока в обмотках привода при напряжении питания 24 В:
1 - открытие, 2 - закрытие клапана
I, А V, м/с
40 2,0
20 1,5
0 1,0
-20 0,5
-40 0
-60 -0,5
i V1 I2 .Л
V2
и
"1 1 1 ■ 1 -1- —•—1- -1— • 1 -
7
8
9 t, м/с
0 1 2 3 4 5 6
Рис. 3. Осциллограммы изменения скорости якоря и тока в обмотках привода при напряжении питания 36 В:
1 - открытие, 2 - закрытие клапана
0
Характеристики были получены при различных значениях напряжений питания. Максимальная величина скорости посадки клапана при напряжении питания 24 В составила 0,33 м/с, при напряжении 36 В -
0.38.м/с. Максимальное время трогания при напряжениях 24 В и 36 В составило - 0,36 мс и 0,22 мс, время движения - 6 мс и 5,85 мс соответственно. Таким образом, отклонение расчетного времени переключения привода от экспериментального составило 12 % при напряжении питания 24 В и 7,5 % при 36 В.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что предложенный способ управления обеспечивает достижение поставленной задачи управления.
Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательских работ по государственному контракту № П222 от 23 апреля 2010 г. по теме «Разработка устройств управления электромагнитными приводами систем воздухогазобмена и топливоподачи двигателей внутреннего сгорания» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогичес-кие кадры инновационной России» на
2009 - 2013 гг. и государственному контракту по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» на
2010 - 2011 года «Мехатронные устройства для систем топливоподачи и воздухогазобмена двигателей внутреннего сгорания» (заявка №2.1.2/12337).
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. / Науч.-исслед. ин-т многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А.В. Каляева Южного федерального университета. Таганрог, 2007. С. 429 - 431.
2. Быстродействующие электромагнитные привода для клапанов систем топливоподачи и воздухообмена двигате-
лей 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. Гильмияров К.Р. О выборе типа регулятора тока в обмотках быстродействующего резонансного электромагнитного привода // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 5. С. 105 - 107.
6. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление : пер. с англ. М., 2009. 789 с. (Адаптивные и интеллектуальные системы).
7. Сообщество пользователей Matlab и Simulink [Электронный ресурс] А.П. Ротштейн. Интеллектуальные технологии идентификации. Режим доступа: http://matlab. exponenta.ru/fuzzylogic/book/2_3.php, свободный.
8. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / А.Н. Аверкин [и. др.] / под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 312 с. (Проблемы искусственного интеллекта).
9. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. Киев, 2008. 972 с.
10. Штовба С.Д. Обеспечение точности и прозрачности нечеткой модели Мамдани при обучении по экспериментальным данным // Проблемы управления и информатики. 2007. №4. С. 102 - 114.
11. Сообщество пользователей Matlab и Simulink [Электронный ресурс] / С.Д. Штовба Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику. Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/book/ 18.php, свободный.
12. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов : учебник для студ. высш. учеб. заведений; 3-е изд., испр. М., 2007. 576 с.
Поступила в редакцию 14 июня 2011 г.
Павленко Александр Валентинович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352)5-16-84.
Гильмияров Константин Ринардович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352)5-16-84. E-mail: [email protected]
Pavlenko Alexander Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352)5-16-84.
Gilmiyarov Konstantin Rinardovich - post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352)5-16-84. E-mail: [email protected]
