Разработка математического обеспечения автоматизированной системы испытаний на основе моделирования двигателей внутреннего сгорания

Создание конкурентоспособных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) предполагает применение перспективных способов повышения качества управления, экспериментальную доводку двигателя, сокращение сроков разработки и подготовки его серийного выпуска.

Улучшение параметров двигателей возможно лишь при тщательном изучении происходящих в них процессов, так как легкодоступные резервы улучшения их конструкции практически уже исчерпаны.

В связи с этим приобрело особую значимость исследование двигателей на переходных и неустановившихся режимах с использованием специальных стендов, созданных для этих целей, так как оценка конструкции, определение ее соответствия технологическим и общим требованиям времени в конечном итоге принадлежит этим исследованиям и значительно сокращает время и продолжительность доводочных работ.

С помощью математического моделирования (ММ) можно проанализировать протекание отдельных рабочих процессов и всего рабочего цикла, прогнозировать основные показатели и характеристики двигателя. Модель не может быть полностью адекватна объекту и отражает лишь определенные его свойства, представляющие интерес для целей конкретного исследования [1, 11, 12].

На всех стадиях жизненного цикла двигатели подвергаются различного рода испытаниям, объем и трудоемкость которых, как показывает практика, непрерывно возрастают. И это вполне объяснимо: улучшить их параметров можно лишь при тщательном изучении происходящих в них процессов, так как легкодоступные резервы совершенствования их конструкции уже практически исчерпаны. Но такое скрупулезное изучение возможно только с помощью математического моделирования. Именно оно позволяют проанализировать протекание отдельных рабочих процессов и всего рабочего цикла, прогнозировать основные показатели и свойства двигателя, представляющие интерес для целей конкретного исследования: Причем делать все это желательно с помощью автоматизированной системы испытаний (АСИ) [1,2].

Однако здесь есть определенные проблемы. Главная из них? сложность создания программного обеспечения для АСИ. Дело в том, что системы> испытаний функционируют в реальном масштабе времени, следовательно, имеют временные ограниченияна реакцию и' обработку разнообразных входных сигналов и ситуаций. Во-вторых, они должны одновременно реализовывать различные циклограммы управления агрегатами объекта испытаний (двигателя) и стендового оборудования. В-третьих, программный комплекс АСИ должен обеспечивать выполнение достаточно большого числа разнообразных исследовательских, доводочных и серийных испытаний многих типов и модификаций ДВС. Наконец, если АСИ задать режимы испытаний в виде требуемых характеристик, которыми в нашем случае являются выходные параметры двигателя, то она сама должна выработать управляющие воздействия.

Как видим, требований, предъявляемых к АСИ ДВС, достаточно много. Выполнить их без разработки модели объекта управления, очевидно, невозможно: иначе параметры АСИ ДВС просто не настроить.

Работа базируется на основе достижений в области системного анализа, формализации и алгоритмизации технологии испытаний, развития методов графического отображения информации. Следует отметить, что благодаря работам Адгамова Р. И., Берхеева М. М., Дмитриева С. В., Заляева И. А., Кожевникова Ю. В., Красных В. Л., Моисеева B.C., Хайруллина А. Х. и др. в области автоматизированных систем испытаний заложен фундамент организации подобных систем в области двигателестроения.

В процессе работы над автоматизированной системой испытаний двигателя реальной необходимостью становится определение математической модели двигателя, которая необходима для настройки параметров АСИ ДВС. Знание математической модели ДВС обеспечивает возможность учета динамических свойств двигателя при разработке системы автоматического управления и системы автоматического регулирования. Кроме того, эти уравнения могут быть использованы для управления режимами работы ДВС с помощью ЭВМ в ходе стендовых испытаний.

С помощью математического моделирования можно проанализировать протекание отдельных рабочих процессов и всего рабочего цикла, прогнозировать основные показатели и характеристики двигателя.

Модели строятся в виде систем дифференциальных, интегральных, алгебраических уравнений, сеток и др. при этом модель не может быть полностью адекватна объекту и отражает лишь определенные его свойства, представляющие интерес для целей конкретного исследования.

Сложность создания программного обеспечения автоматизированной системы испытаний двигателей связана с функционированием систем в реальном масштабе времени и наличием временных ограничений на реакцию и обработку разнообразных входных сигналов и ситуаций, а также с необходимостью одновременной реализации различных циклограмм управления агрегатами объекта испытаний) и стендового^ оборудования. С другой стороны, программный комплекс АСИ двигателей должен обеспечить выполнение достаточно большого многообразия исследовательских, доводочных и серийных испытаний многочисленных типов и модификаций ДВС [1,3].

Хочу выразить благодарность к.т.н., доценту Зубкову Е. В., с которым совместно были получены решения обратной задачи по нахождению > управляющих воздействий.

Объектом диссертационного исследования является автоматизированная система испытаний двигателей внутреннего сгорания.

Предметом исследования является алгоритм управления двигателем внутреннего сгорания в составе автоматизированной системы испытаний.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы настройки АСИ ДВС на произвольные технологии испытаний на базе их представления в виде графических моделей и математического моделирования ДВС.

Исходя из поставленной цели, работа имеет следующую структуру: В первой' главе проводится краткийобзор применяемого математического обеспечения АСИ ДВС. Кратко рассмотрены виды испытанийдвигателей. Испытания относятся к числу наиболее ответственных^{трудоемких} этапов жизненного цикла ДВС., На этом этапе осуществляется^ окончательная оценка конструкции, определяется ее соответствие техническим' и технологическим параметрам. Двигатели представляют собой сложные' технические системы. На всех стадиях жизненного цикла они подвергаются различного рода испытаниям, — объем и трудоемкость которых, как, показывает практика, непрерывно возрастают. Одно из наиболее эффективных решений по* удовлетворению данных требований — применение на испытательных стендах автоматизированных систем испытаний двигателей. АСИ позволяет повысить качество и эффективность конструкторских разработок, сократить сроки* доводки и усовершенствования двигателей при снижении себестоимости проведения-стендовых испытаний. Объектом управления является испытательный стенд с установленным двигателем и технологическим оборудованием, обеспечивающим проведение испытания. В зависимости от вида испытаний может изменяться как состав взаимодействующего с АСИ-оборудования, так и технология проведения испытания. Большинство систем автоматизации испытаний разрабатывалось ¦ по индивидуальным заказам, и каждая из таких АСИ, практически являлось уникальной системой. Наряду с ними, на предприятиях машиностроения, используются АСИ ДВС, разработанные на базе типовых, серийно выпускаемых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Также в этой главе приводится анализ данных обзора испытаний и производится постановка задачработы. Проанализировав используемые с настоящее время методики проведения испытаний, сделан вывод, что такая задача в настоящее время рассмотрена поверхностно и еще не нашла практического применения, так как используемое для испытаний оборудование не позволяет применять эту технологию. Поставленная задача приводит к определению математических зависимостей, описывающих ДВС, относительно управляемой величины — перемещения рейки топливного насоса. Решение этого уравнения-даст зависимость частоты вращения вала от перемещения рейки топливного насоса. Во второй главе проводится формализация технологического процесса-испытаний двигателей. Целью оценки технического состояния' двигателя, является определение значений’структурных параметров, непосредственно1 характеризующих техническое состояние двигателя, его узлов и деталей. Определение необходимого и достаточного количества параметров, которые позволяли бы достоверно оценивать техническое состояние двигателя в целом, его систем, механизмов и отдельных деталей, основывается на анализе физических процессов, протекающих в двигателе, и закономерностях их развития. Для настройки АСИ двигателей предлагается использовать графический интерфейс, включающий в себя интегрированную среду программирования, основанную на. базе данных графических модулей операций, по принципу FBD-блоков SCADA-систем. Графический элемент технологии несет в себе параметры настройки. Для определения количества и типов графических элементов технологии и реальный технологический процесс разбивается на совокупность технологических операций, т. е. проводится его декомпозиция, выделяются типовые операции, и определяется графическая форма их представления в системе. В качестве одной из элементарных операций предложена, для подробного рассмотрения, математическая модель ДВС, которая обеспечивает возможность учета динамических свойств двигателя при разработке системы автоматического управления и системы автоматического регулирования.

Если АСИ задать режимы испытаний в виде требуемых характеристик, которыми в нашем случае являются выходные параметры двигателя, то система сама должна выработать управляющие воздействия. Это1 невозможно без разработки модели объекта управления, которая необходима для настройки параметров АСИ ДВС.

В результате вычислений получены соотношения, позволяющие управлять объектом по двум входным параметрам: перемещению рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД), а также изменению нагрузки на валу двигателя. Третья глава посвящена получению параметров расчетных моделей. Рассмотрено получение параметров расчетных моделей. В результате вычислений определены области устойчивости полученных выше математических моделей по одному и двум комплексным параметрам, а. также определена область изменения исследуемых параметров.

Для получения параметров математической модели ДВС были взяты данные испытаний. В процессе проведения экспериментального испытания двигателя КамАЗ 740.60 были получены данные, которые снимались по ГОСТ 8670–80 на стенде КИ-15 711−01 и использовались для построения характеристик одного из этапов испытаний ДВС. Испытания двигателя проводились по международному стандарту 1585 в стационарных режимах.

Параметры моделей ДВС получены с помощью аппроксимации переходной характеристики решением дифференциального уравнения второго порядка с запаздыванием. В четвертой главе рассмотрено имитационное моделирование испытаний две.

Структурная схема построена в системе «Моделирование в технических устройствах» (МВТУ 3.6), разработанной МГТУ им. Н. Э. Баумана, позволяет исследовать систему управления одновременно по двум входным параметрам. Если АСИ задать режимы испытаний в виде требуемых характеристик, которыми в нашем случае являются выходные параметры двигателя, то система сама должна выработать управляющие воздействия.

Таким образом, модель АСИ позволяет легко проводить аналогию с работой объекта испытаний. Задав необходимые начальные параметры работы можно исследовать различные режимы работы двигателя в реальном времени, а также анализировать влияние многих факторов, таких как нагрузка, температура, состав топлива, влияющих на работу двигателя.

На основании приведенных выше исследований разработано устройство, обеспечивающее перемещение рейки ТНВД.

Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля, на обратное. ¦ В приложении приведены акт результаты испытаний двигателей внутреннего сгорания.

4.5. Выводы по главе.

1. По математической модели двигателя внутреннего сгорания с автономным газотурбинным наддувом построена его имитационная модель в виде передаточной функции.

2. Построена структурная схема, позволяющая провести имитацию испытаний ДВС по двум входным воздействиям, соответствующим реальным условиям.

3. Получена динамическая характеристика, имитирующая экспериментальную с максимальной погрешностью 6%.

4. Получена статическая характеристика, имитирующая экспериментальную с максимальной погрешностью 8%.

5. По обратной модели построена переходная характеристика, в которой выходные параметры являются входными воздействиями.

6. Выбран исполнительный механизм для реализации решения обратной задачи. Цель изобретения — сократить время на подготовку испытания дизеля с обеспечением высокой точности и плавности управления частотой вращения.

7. Построенная модель АСИ позволяет легко проводить аналогию с работой объекта испытаний. Задав необходимые начальные параметры работы можно исследовать различные режимы работы двигателя в реальном времени, а также анализировать влияние многих факторов, таких как нагрузка, температура, состав топлива, влияющих на работу двигателя.

Заключение

.

Проведенные в диссертационной работе исследования показали, что сложная экономическая ситуация последних лет, когда создание нового оборудования и внедрение его в производство ставит предприятие в трудные финансовые условия, а также жесткая конкуренция в современном производстве, которая характеризуется постоянно растущей номенклатурой выпускаемых изделий, ставит необходимостью иметь быстро перенастраиваемое, более точное и значительно более дешевое оборудование по сравнению с зарубежными аналогами.

В результате внедрения теоретически и экспериментально обоснованных методов и алгоритмов управления АСИ ДВС решена задача быстрой настройки стенда на различные режимы испытаний.

Из этого следует, что поставленная цель повышения эффективности АСИ ДВС путем оперативной настройки на любые режимы испытаний достигнута за счет представления отдельных составляющих испытаний в виде графических образов и математического моделирования.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты работы:

1. В работе исследованы методы построения математической модели двигателя внутреннего сгорания, как объекта, управляемого по частоте вращения коленчатого вала. Выявлены их основные недостатки в процессе моделирования.

2. В качестве задающих параметров предложено использовать графические элементы, представляющие собой моменты разгона, постоянного хода или торможения, которые представляют собой нижний уровень процесса декомпозиции.

3. Для более точной настройки ДВС на необходимый режим испытаний предложена методика решения обратной задачи, которая позволяет, используя выходную частотную зависимость, получить входные управляющие параметры для обеспечения заданного режима работы двигателя. Изменяя величину перемещения рейки ТНВД можно задавать и контролировать выходной параметр, то есть частоту вращения коленчатого вала.

4″. Прямая задача проверена на имитационной модели, которая отражает математическую модель ДВС в виде передаточной функции и с погрешностью в 6% моделирует экспериментальную переходную характеристику относительно перемещения рейки топливного насоса, что соответствует 10 об/мин. А также с погрешнрстью в 8% моделирует нагрузочную характеристику дизеля, что соответствует 14 об/мин.

5. Решение обратной задачи использовано в имитационной модели,-, отражающей в качестве управляющих воздействий частоту вращения вала двигателя, а на выходе модели получено соответственно перемещение рейки ТНВД.

6. Практически задача перемещения рейки реализовано предложенным способом управления частотой вращения дизеля при использовании передачи винт — гайка и шагового двигателя, отличается тем, что улучшает качество регулирования, реализуется простой конструкцией и характеризуется пониженной стоимостью.