научная статья по теме СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНИВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ДВС Энергетика

Текст научной статьи на тему «СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНИВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ДВС»

Теория и проектирование датчиков, приборов и систем

УДК 629.113.5.014

СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНИВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ДВС

С.А. Краснова

В разомкнутом контуре воздухоподачи двигателя внутреннего сгорания решена задача оценки переменных воздушного тракта (в том числе, циклового наполнения) по показаниям датчика давления во впускном трубопроводе на основе использования метода разделения движений в задачах синтеза асимптотических наблюдателей состояния. В замкнутом контуре управления топливоподачей произведена дополнительная коррекция вычисленного значения циклового наполнения по показаниям датчика состава отработавших газов.

Управление топливоподачей в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) при заданном соотношении воздух/топливо заключается в формировании управляющего воздействия в замкнутом контуре по измерениям датчика состава отработавших газов (А.-зонд) и программного управления в разомкнутом контуре по величине циклового наполнения. Величина циклового наполнения, характеризующая количество воздуха, поступившего в цилиндры двигателя в процессе впуска, является одним из первичных управляющих параметров, который определяет возможный характер протекания рабочего цикла [1]. Проблема заключается в том, что величину циклового наполнения невозможно измерить непосредственно. Косвенные методы расчета циклового наполнения по показаниям датчика массового расхода воздуха через дроссельную заслонку носят вероятностный характер и содержат существенные динамические ошибки, связанные с тем, что большинство параметров, определяющих цикловое наполнение, не могут быть непосредственно измерены даже в лабораторных условиях. В работе предлагаются методы оценки переменных воздушного тракта ДВС (в том числе циклового наполнения), основанные на теории асимптотических наблюдателей состояния [2]. В качестве объекта управления рассматривается четырехцилиндровый ДВС с искровым зажиганием, с системой распределенного впрыска бензина и комплексной антитоксичной системой. Модель объекта управления состоит из двух подсистем: основной модели топливоподачи и внешней модели воздухоподачи. Динамическая модель воздухоподачи (объект наблюдения) описывается системой дифференциальных уравнений пятого порядка, содержащих нелинейные элементы. В качестве измерений (скалярного выхода) рассматриваются показания датчика давления во впускном трубопроводе. Использование традиционных методов расчета коэффициентов асимптотического наблюдателя состояния в данном случае затруднительно в связи с высокой размерностью модели и неточным определением ее параметров. В работе предложен подход, основанный на методе разделения

движений в классе систем с разрывными управлениями (скользящие режимы), позволяющий разделить многомерную задачу наблюдения на последовательно независимо решаемые одномерные подзадачи [3]. Полученные за конечное время оценки переменных воздушного тракта позволяют рассчитать цикловое наполнение в одном из четырех цилиндров двигателя. Предложенная процедура повторяется для остальных цилиндров аналогичным образом. Погрешность вычисления циклового наполнения, связанная с параметрическими неидеальностя-ми объекта наблюдения, корректируется с помощью обратной связи, сформированной в замкнутом контуре топливоподачи, по показаниям релейного А.-зонда.

Принятые обозначения технологических переменных: та — массовый расход воздуха через дроссельную заслонку; тс — массовый расход воздуха в цилиндре (цикловое наполнение); а — положение дроссельной заслонки; 9 — угол поворота коленчатого вала; V— объем входного воздуховода; Vc — объем цилиндра; ра — атмосферное давление; рт — давление во впускном воздуховоде; рс — давление в цилиндре; Lift — положения впускного клапана цилиндра; г| — коэффициент наполнения цилиндра; Т — температура; R — газовая постоянная; Тт, Тс — постоянные времени.

ОПИСАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВОЗДУХОПОДАЧИ

На рис. 1 представлена структурная схема воздухоподачи в один из четырех цилиндров ДВС, которая включает взаимосвязанные динамические субмодели, составленные на основе анализа газодинамических процессов во впускной системе ДВС.

Блок Wa на рис. 1 обозначает динамическую модель дроссельного узла. Модель дроссельной заслонки может быть представлена скачкообразным сигналом (предельный случай), характеризующим изменение ее положения. Положение дроссельной заслонки является входным воздействием и = а внешнего контура управле-

2 _ Sensors & Systems • № 3.2001

Рис. 1. Структурная схема динамической модели воздухоподачи

ния по скорости. Массовый расход воздуха через дроссельную заслонку может быть непосредственно измерен с помощью термоанемометрического датчика [4] или достаточно точно вычислен через нелинейную функцию:

та = А(а)с1(рт, ра), где А(а) = —0,2215 — 2,275а +

+ 0,23а2; с!(рт, ра) = (21%)тсЩ[\2(рт1ра - 1)] [5].

Блок \¥рт на рис. 1 обозначает динамическую модель распространения воздушного потока во впускном трубопроводе, которая строится в предположении, что

выполняется основной закон для идеального газа: рт = (1 /УЖТ(та - тс).

Цикловое наполнение тс ^ количество воздуха, поступившее в цилиндр двигателя из впускной системы в конкретном рабочем цикле или при установившемся положении режимной точки. Пренебрегая неравномерностью распределения воздуха по цилиндрам, определим цикловое наполнение как долю одного цилиндра в общей массе воздуха, поступившей в цилиндры двигателя за рабочий цикл, соотнесенную с тактностью работы двигателя. Термодинамическую модель наполнения /-го цилиндра (/ = 1,4) в некоторых предположениях удается записать в аналитическом виде для конкретного типа ДВС следующим образом [5]:

газов, когда выпускной и впускной клапаны открыты одновременно (перекрытие клапанов по длительности наблюдается в диапазоне до 20° поворота коленчатого вала). Аналогичное явление связано с вытеснением воздушного заряда из цилиндра во впускной трубопровод за счет движения поршня вверх на пересечении тактов впуска и сжатия [6]. Таким образом, блок 1¥ро на рис. 1 характеризует волновые явления во впускном воздуховоде, в том числе, явление перекрытия клапанов. Экспериментальные данные показывают, что уравнения относительно переменных р(ц, />02 (генератора синусоидального сигнала)

Ро 1 ~Р 02- Ро 2

V/?oi

(3)

достаточно хорошо отражают природу этих явлении.

С учетом сказанного динамическая модель изменения давления во входном воздуховоде принимает следующий вид:

RT

Ттрт = ~Рт + -г [та(а, рт) - тс ] + /?01; Тт = const,

или, с учетом выражения (2),

= ПjLiftj(Q)d(Pc, Рт) = Ф(Ро Рт

(1)

Рт J ( Рт

RT,

: (fi, Рт) ~ S m Pc ] +Рт)- (4)

d(Pc, Рт) = - arctgГ12

п L V

Pc

Lift ¡m =

0,14sirre, i/e e [0 -1)180°, M 80° 0, otherwise.

Блок }¥рс на рис. 1 обозначает динамическую модель изменения давления в цилиндре, которая составлена в предположении, что выполняется основной закон идеального газа для переменного объема: рс = (\/УСЩ){ЯТтс —

— '''с (0)/>с] или, с учетом выражения (2),

Предполагается, что коэффициенты наполнения являются постоянными, известными величинами г)( = 0,

/ = 1,4 .В дальнейших построениях используется упрощенный вид выражения (1), который получен посредством линеаризации в окрестности режимной точки (рт ^, рСп):

™с и &и(пь Ртп ' Рсп )Рт + £с(пь Р„,п ' Рс„ )Рс> (2)

где gm, gc — коэффициенты линеаризации.

Изменение давления во впускном воздуховоде зависит также от изменения давления путем поступления отработавших газов во впускной воздуховод в результате перекрытия клапанов. Перекрытие клапанов синхронизировано с частотой вращения двигателя и возникает на пересечении тактов впуска и выпуска отработавших

Pc = Ч\ Pc+ ЧгРт\ <71

1

42

VJB)

vLm

RTgm

(RT&- кт-,

(5)

Изменение и скорость изменения объема цилиндра

Ус (9) являются функциями угла поворота коленчатого вала и для конкретного типа двигателя могут быть выражены аналитически [5].

Блок Н/р5 на рис. 1 обозначает динамику измерительного устройства. Измеряемой величиной является сигнал датчика давления у = р5, установленного во впускном трубопроводе, который, с учетом собственной динамики, описывается уравнением

TSPS = -ps + aspm;

Ts, as = const.

Датчики и Системы • № 3.2001

Таким образом, в качестве модели воздухоподачи ДВС принимаются уравнения (3)...(6). Ставится задача получения оценок переменных воздушного тракта рт, Ро\' РОЪ Рс по измерениям датчика давления во впускном трубопроводе у = ps с помощью асимптотического наблюдателя состояния. Полученные оценки используются для вычисления массового расхода воздуха тс (1),

поступающего в /-й цилиндр (/ = 1,4). Процедура, предлагаемая в следующем разделе для одного цилиндра, аналогичным образом повторяется для каждого из четырех цилиндров ДВС.

СИНТЕЗ НАБЛЮДАТЕЛЯ СОСТОЯНИЯ

За основу динамического устройства наблюдения принимается модель объекта наблюдения (3)...(6), которая с помощью неособых линейных преобразований, приводится к блочно-наблюдаемой (наддиагональной) форме [3], состоящей из пяти одномерных блоков. В разделе предлагается каскадная (пошаговая) процедура выбора управляющих воздействий наблюдателя состояния. На каждом шаге процедуры последовательно решаются элементарные подзадачи. Они заключаются в следующем: в каждом блоке независимо стабилизируется текущая переменная и находится динамическая оценка следующей переменной состояния, из которой формируется входное управляющее воздействие следующего блока.

Для преобразования системы (3)...(6) к блочно-на-блюдаемой форме введем неособое линейное преобразование:

RT,

У\ = ЧъРс - Р01 ; Ч3 = —gc> У2 = Ч\Р1~ РОЪ

V

Уз = (<?т + ю )/>оь

(7)

с учетом которого система (3)...(6) принимает наддиаго-нальный вид:

Ps = J (TPs + asPm)\

* s

1 RT

Pm = — (~Pm + — [«« («. Рт) ~ SmPm) 1 ~ У\У, (8)

' 3 , где zm pm pm , ps ps, Sa = ma (a, pm) - ma (a, pm ); 8/ = yt - y,: К = asem) + vs;

km = 7~ + IT l«a ~ g,n«m] ~ £l) + Vm\ (10)

lm V

8, = ^s, + E2 ~ <?з<?2вш + vb ё2 = + s3 + v2;

83 = —(o) + q~] )E2 + 63 + V3.

Каскадная процедура выбора управляющих воздействий наблюдателя состояния.

1. На первом шаге процедуры рассматривае

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком