СПОСОБЫ  УПРАВЛЕНИЯ  ДВС  С  ИСКРОВЫМ  ЗАЖИГАНИЕМ  В  СОСТАВЕ  АВТОНОМНОГО  РОБОТИЗИРОВАННОГО  КАТЕРА

Береснев  Алексей  Леонидович

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  электротехники  и  мехатроники  Южного  федерального  университета,  РФ,  г.  Таганрог

E -mail:  beresneval@sfedu.ru

Береснев  Максим  Алексеевич

канд.  техн.  наук,  ассистент  кафедры  электротехники  и  мехатроники  Южного  федерального  университета,  РФ,  г.  Таганрог

E -mail:  mberesnev@sfedu.ru

Гуренко  Борис  Викторович

ассистент  кафедры  электротехники  и  мехатроники  Южного  федерального  университета,  РФ,  г.  Таганрог

E-mail: 

APPROACHES  TO  CONTROL  OF  IC  ENGINE  IN  AUTONOMOUS  ROBOTIC  MOTOR  BOAT

Beresnev  Aleksei

p.h.d,  assistant  professor  of  Electrotechnics  and  Mechatronics  department  Southern  Federal  University,  Russia,  Taganrog

Beresnev  Maksim

p.h.d,  assistant  of  Electrotechnics  and  Mechatronics  department  Southern  Federal  University,  Russia,  Taganrog

Gurenko  Boris

assistant  of  Electrotechnics  and  Mechatronics  department  Southern  Federal  University,  Russia,  Taganrog

Работа  поддержана  Министерством  образования  и  науки  РФ,  НИР  по  государственному  заданию  ВУЗам  и  научным  организациям  в  сфере  научной  деятельности(N  114041540005),  грантами  Президента  Российской  Федерации  №  НШ-3437.2014.10,  МД-1098.2103.10.

АННОТАЦИЯ

В  работе  затрагиваются  вопросы  разработки  автономных  надводных  роботизированных  аппаратов  (на  примере  катера),  а  именно  выбора  способа  управления  ходовым  двигателем  внутреннего  сгорания  с  искровым  зажиганием.  Рассмотрены  табличные  и  модельные  подходы  к  управлению.  Проведен  анализ  применимости  существующих  способов  в  разрезе  различных  аспектов  эксплуатации  автономного  катера.

ABSTRACT

Authors  tackle  problems,  concerning  development  of  autonomous  abovewater  robotic  crafts  (as  exemplified  in  motor  boat).  More  specifically  —  selection  of  approach  for  control  of  spark-ignited  internal  combustion  engine.  Table  based  and  model  based  methods  were  compared.  Possibility  of  application  of  existing  methods  keeping  in  mind  various  operation  aspects  of  autonomous  motor  boat  was  analyzed.

Ключевые  слова:  способ  управления;  управление;  двигатель  внутреннего  сгорания;  автономный  катер.

Keywords:  control  approach;  control;  internal  combustion  engine;  motor  boat.

Введение

Использование  двигателей  внутреннего  сгорания  с  искровым  зажиганием  на  автономном  роботизированном  катере  [1]  имеет  свою  специфику  по  сравнению  с  автомобильным  применением.  Условия  передвижения  на  воде,  как  правило,  подразумевают  большую  стационарность  рабочих  режимов.  При  выполнении  миссии  система  управления  катера  обеспечивает  минимальные  колебания  средней  скорости,  а,  следовательно,  и  нагрузки  на  двигатель.  Этим  можно  воспользоваться  для  повышения  эффективности  рабочего  цикла  ДВС.  Однако  степень  полученных  результатов  будет  зависеть  от  используемого  способа  управления  двигателем  внутреннего  сгорания.  Для  достижения  максимальных  показателей  следует  провести  анализ  существующих  подходов  с  учетом  конкретных  ограничений  данной  задачи.

Классификация  способов  управления  ДВС

Существующие  системы  управления  ДВС  можно  классифицировать  по  способу  определения  угла  опережения  зажигания  (УОЗ)  и  по  способу  коррекции  УОЗ.  Предлагаемая  классификация  не  является  взаимоисключающей,  и  системы  могут  обладать  свойствами  различных  подклассов.  Варианты  определения  необходимого  УОЗ  следующие:

1. табличный  (предполагает  выбор  угла  для  конкретных  условий  по  заранее  определенным  матрицам,  либо  3d-таблицам);

2. модельный  (УОЗ  для  конкретных  условий  рассчитывается  каждый  раз  заново  с  помощью  одной  или  нескольких  математических  моделей).

По  организации  обратной  связи  можно  выделить  следующие  группы:

1. с  обратной  связью  по  детонации  (в  данных  системах  УОЗ  изменяется  в  зависимости  от  наличия  сигнала  с  датчика  детонации);

2. с  обратной  связью  по  какому-либо  показателю  процесса  горения  (эти  системы  для  коррекции  УОЗ  используют  информацию  с  датчиков,  характеризующих  непосредственно  протекание  процесса  горения);

3. без  обратной  связи.

Табличные  способы  определения  УОЗ.   При  использовании  табличных  способов  определения  угла  опережения  зажигания,  УОЗ  контролируется  с  использованием  калибровочных  матриц.  Матрицы  заполняются  в  процессе  экспериментальных  испытаний  двигателей  или  автомобилей  на  динамометрическом  стенде,  а  также  при  ходовых  испытаниях.  Процедура  калибровки  обычно  состоит  из  следующих  шагов  [2]:

1.  определяется  максимальный  крутящий  момент;

2.  УОЗ  уменьшается  до  уменьшения  максимального  момента  примерно  на  1  %;

3.  полученные  значения  углов  для  всего  диапазона  работы  ДВС  заносятся  в  калибровочные  матрицы;

4.  определяются  различные  поправки,  использующиеся,  например,  для  холодного  пуска  или  холостого  хода.

Табличные  способы  позволяют  учесть  зависимость  УОЗ  от  некоторого  (неполного)  набора  параметров.  Финальный  УОЗ  зависит  от  множества  параметров.  В  настоящее  время  это:  скорость  вращения  КВ,  нагрузка  на  двигатель,  температура  охлаждающей  жидкости  и  температура  поступающего  воздуха.  Для  измерения  всех  влияющих  на  УОЗ  параметров  необходимо  много  времени,  а  также  материальных  затрат  на  необходимые  измерительные  системы. 

Калибровочные  матрицы  должны  обеспечивать  хорошую  эффективность  в  широком  диапазоне  рабочих  условий  и  неизмеряемых  параметров,  поэтому,  зачастую,  их  выбирают  с  определенным  «запасом  прочности»,  что  снижает  показатели  ДВС,  особенно  при  изменении  неизмеряемых  параметров.  Калибровка  при  этом  является  довольно  трудоемким  процессом  даже  для  традиционных  топлив.

Модельные  способы  определения  УОЗ.   Способы  управления  двигателем,  основанные  на  физических  моделях  протекающих  в  нем  процессов  в  наши  дни  находят  все  большее  распространение.  Актуальным  является  моментное  управление  ДВС,  когда  все  управляющие  воздействия  направляются  на  обеспечение  необходимого  водителю  крутящего  момента.  При  этом  входные  и  выходные  параметры  связываются  математическими  моделями.  На  рис.  1  показаны  различные  параметры  крутящего  момента,  обрабатываемые  в  процессе  управления  двигателем. 

Рисунок  1.  Схема  определения  крутящего  момента  с  использованием  математической  модели

Из-за  сложности  точного  моделирования  процессов  сгорания,  происходящих  в  цилиндре  двигателя  внутреннего  сгорания,  модель,  на  основе  которой  определяется  величина  внутреннего  крутящего  момента,  представляет  собой  эмпирическое  приближение  к  реальной  физической  картине  этих  процессов,  по  своей  детальности  соответствующее  ограниченным  вычислительным  возможностям  и  возможностям  интерфейсов  блоков  управления  двигателями. 

Контроль  соответствия  фактического  развиваемого  крутящего  момента  заданному  осуществляется  по  той  же  модели  путем  расчетов  «от  обратного»,  на  основе  измеренных  значений  рабочих  параметров.

Важными  преимуществами  использования  математических  моделей  в  управлении  ДВС  являются: 

·     соотнесение  внутренних  и  внешних  рабочих  параметров  системы  с  реальными  физическими  величинами; 

·     облегчение  процесса  калибровки  двигателя; 

·     упрощение  процесса  программирования; 

·     увеличение  прозрачности  системы.

Указанные  преимущества  определяют  хорошую  приспособленность  модельных  способов  к  использованию  в  разнообразных  условиях,  а  также  возможность  оптимизации  показателей  в  стационарных  режимах,  что  недоступно  для  табличных  способов.  Тем  не  менее,  в  каждом  случае  необходимо  разрабатывать  математическую  модель,  отвечающую  конкретным  требованиям  поставленной  задачи.

Заключение

Управление  ДВС  на  основе  таблиц  носит  преимущественно  эмпирический  характер,  отличается  сложной  структурой  алгоритмов  управления,  трудоемким  процессом  калибровки,  от  результатов  которого  будут  значительно  зависеть  показатели  двигателя.  Применение  модельных  способов  обеспечивает  лучшую  эффективность  ДВС  в  условиях  эксплуатации  на  автономном  роботизированном  катере  за  счет  возможности  установления  критериев  оптимальности  и  их  достижения  в  процессе  работы  на  базе  адекватных  физическим  явлениям  моделей.

В  табл.  1  собраны  нечеткие  оценки  применимости  различных  классов  систем  управления  ДВС  для  описанного  сценария 

Таблица  1. 

Оценка  табличных  и  модельных  способов  управления  ДВС

Список  литературы:

1.Пшихопов  В.Х.,  Гуренко  Б.В.  Разработка  и  исследование  математической  модели  автономного  надводного  мини-корабля  «Нептун»  //  Инженерный  вестник  Дона.  2013.  №  4.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.ivdon.ru/ru/  magazine/archive/n4y2013/1918

2.Gatowski  J.A.,  Balles  E.N.,  Chun  K.M.,  Nelson  F.E.  и  др.  Heat  release  analysis  of  engine  pressure  data.  /  J.A.  Gatowski,  E.N.  Balles,  K.M.  Chun,  F.E.  Nelson,  J.A.  Ekchian,  J.B.  Heywood.  SAE  Technical  Paper  841359,  1984.

3.Береснев  М.А.  Метод  определения  угла  опережения  зажигания  для  управления  ДВС  на  бинарном  топливе:  Дисс.  ...  канд.  техн.  наук.  Волгоград,  2013.  —  152  с.