Содержание к диссертации
Введение
1. Способы реализации нейронного управления подачей топлива в бензиновом двигателе 12
1.1. Причины необходимости повышения точности управления подачей топлива 12
1.2. Факторы, влияющие на состав смеси в двигателе при впрыскивании топлива во впускной трубопровод 12
1.3. Принципы построения управления подачей топлива 17
1.4. Анализ возможного применения искусственного интеллекта для задачи управления подачей топлива 25
1.5. Схемы реализации управления подачей топлива с использованием нейронных сетей 31
1.6. Возможный способ разработки нейросетевых технологий управления с применением персонального компьютера 46
1.7. Выводы и постановка задачи 47
2. Методики расчётных и экспериментальных исследований... 50
2.1. Описание программной среды компьютерного моделирования 50
2.2. Описание автоматизированной моторной установки 57
3. Расчётные исследования алгоритмов нейронного управления подачей топлива двигателя 62
3.1. Разработка многорежимного корректора с нейронными коэффициентами 63
3.2. Разработка многорежимного нейронного корректора 76
3.3. Методы подбора управляющего воздействия корректора95
3.4. Применение процедуры классификации и кластеризации при подборе параметров корректора 102
3.5. Методика реализации искусственных нейронных сетей в стандартных ЭСУ ПО
4. Экспериментальные исследования алгоритмов нейронного управления подачей топлива 114
4.1. Идентификация параметров динамической многопараметрической модели двигателя 114
4.2. Проверка методики подбора управляющего воздействия корректора по ограниченному количеству обращений к двигателю. 115
4.3. Автоматизированная настройка многорежимного корректора с нейронными коэффициентами, реализованного в блоке электронного управления 121
4.4. Проверка эффективности работы корректора 130
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 133
ЛИТЕРАТУРА 136
Приложение 1. Акт внедрения в производство 144
Приложение 2. Акт 1 внедрения в учебный процесс кафедры "Теплотехника и автотракторные двигатели" 145
Приложение 3. Акт 2 внедрения в учебный процесс кафедры "Теплотехника и автотракторные двигатели" 146
- Причины необходимости повышения точности управления подачей топлива
- Описание программной среды компьютерного моделирования
- Разработка многорежимного корректора с нейронными коэффициентами
- Идентификация параметров динамической многопараметрической модели двигателя
Введение к работе
Актуальность работы. Для выполнения жёстких норм токсичности, предъявляемых к перспективным моделям автомобилей, необходимо обеспечить более точное управление параметрами работы двигателя на неустановившихся режимах в процессе всей эксплуатации.
В современных электронных системах управления двигателем с искровым зажиганием используются сложные модели управления, настройка которых производится в большом числе случаев с помощью неавтоматизированных методик и требует значительных затрат времени в общем цикле доводочных работ двигателя. Поэтому необходимо внедрять самообучающиеся алгоритмы управления, способные на борту автомобиля подстраиваться к изменяющимся параметрам работы двигателя и условиям эксплуатации. Перейти к интеллектуальному управлению на первом этапе возможно за счёт использования самообучающихся алгоритмов для организации автоматизированных методик калибровки систем управления двигателем. Построение автоматизированных методик настройки моделей управления двигателем на неустановившихся режимах работы целесообразно осуществлять на основе искусственных нейронных сетей, которые в силу своей структуры обладают свойством самообучения.
Актуальность работы определяется тем, что она направлена на разработку и реализацию алгоритмов управления на основе искусственных нейронных сетей в стандартной электронной системе управления, а также на автоматизацию калибровки системы управления двигателем на неустановившихся режимах работы.
Цель работы. Разработать многорежимный корректор подачи топлива на основе искусственной нейронной сети для улучшения стабилизации стехиометрического состава смеси на неустановившихся режимах работы бензинового двигателя. Структура корректора должна позволять вести автоматизированный процесс настройки его параметров при ограниченном числе экспериментальных обращений к двигателю.
Методы исследования. Расчётные исследования проведены на основе динамических моделей, реализованных в созданном программном приложении "Корректор подачи топлива для бензинового двигателя". Приложение разработано на базе математического пакета "MATLAB". Экспериментальные исследования проведены в Проблемной лаборатории транспортных двигателей МАДИ (ГТУ) на автоматизированной моторной установке, оснащённой современным измерительным оборудованием европейского уровня.
Достоверность результатов обеспечена применением оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов, а также адекватностью результатов расчётных и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Рассмотрены этапы постепенного перехода к методикам интеллектуального управления подачей топлива в бензиновом двигателе на неустановившихся режимах его работы. Разработаны схемы управления и методики автоматизированной калибровки, включая программную реализацию, системы коррекции подачи топлива на основе искусственных нейронных сетей. Реализован многорежимный корректор подачи топлива на основе искусственной нейронной сети как часть общего алгоритма управления двигателем в виде исполняемого программного модуля для блока электронного управления "МИКАС 10". Разработана и экспериментально проверена методика автоматической калибровки многорежимного корректора подачи топлива на основе искусственной нейронной сети.
Практическая ценность. Разработанный метод автоматизированной калибровки многорежимного корректора подачи топлива на основе искусственной нейронной сети позволяет настраивать параметры на большем числе неустановившихся режимов работы двигателя, чем это реализуется при использовании современных неавтоматизированных методик калибровки.
Разработанная методика программной реализации искусственной нейронной сети позволяет внедрять корректор подачи топлива на её основе в общий алгоритм управления двигателем без изменения аппаратной части блока электронного управления и при минимальном использовании вычислительных ресурсов его микроконтроллера.
Реализация работы. Результаты исследований, программный комплекс и экспериментальная -установка используются в учебном процессе кафедры "Теплотехника и автотракторные двигатели" при подготовке бакалавров, инженеров, магистров, аспирантов по специальностям "Тепловые двигатели" и "Электрооборудование автомобилей и тракторов". Многорежимный корректор подачи топлива на основе искусственной нейронной сети реализован в блоке электронного управления "МИКАС 10" как часть общего алгоритма управления двигателем. Технологии программной реализации и автоматизированной настройки искусственных нейронных сетей на базе стандартных вычислительных средств направленных на решение задачи автоматизации испытаний двигателя при проведении процедуры калибровочных работ приняты для использования ФГУП "НИИ Импульсной техники" при создании перспективных автоматизированных моторных стендов для испытания двигателей внутреннего сгорания.
Основные положения выносимые на защиту: Возможные схемы построения корректора подачи топлива на основе искусственных нейронных сетей и методы их практической реализации;
Схема, методика калибровки и результаты расчётных исследований многорежимного нейронного корректора подачи топлива;
Схема, методика калибровки и результаты моторных испытаний многорежимного корректора подачи топлива с коэффициентами, определяемыми искусственной нейронной сетью.
Личный вклад автора.
Проанализированы различные виды искусственного интеллекта и способы его применения в структуре управления подачей топлива на неустановившихся режимах работы двигателя;
Исследованы возможные пути реализации нейронного управления подачей топлива в современном бензиновом двигателе;
Разработаны динамические модели, отражающие различные методики калибровки и управления подачей топлива в бензиновом двигателе на основе искусственных нейронных сетей;
Разработано программное приложение на основе математического пакета MATLAB, позволяющее не только отрабатывать различные структуры нейросетевого управления подачей топлива, но и осуществлять их реализацию в режиме реального времени на двигателе в стендовых условиях;
Проведены серии экспериментальных исследований по реализации интеллектуальных стратегий управления подачей топлива в бензиновом двигателе;
Проведён анализ влияния работы корректора подачи топлива на токсичность отработавших газов двигателя, работающего на неустановившихся режимах работы;
Разработана методика реализации искусственных нейронных сетей на основе промышленно-выпускаемых микропроцессорных систем управления без изменения аппаратной части.
Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на: Международной научно-технической конференции НГТУ (2003 г.); Научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) (2003, 2005 г.г.); Всероссийской научной конференции MATLAB (ИЛУ РАН) (2004 г.); Международном симпозиуме МГТУ им. Н.Э. Баумана (2005 г.); Международной Балтийской студенческой олимпиаде по автоматическому управлению (2006 г.). Рассматривались на Всероссийском научно-техническом семинаре по автоматическому регулированию и управлению теплоэнергетических установок им. проф. В.И. Крутова при МГТУ им. Н.Э. Баумана (2004-2006 г.г.), и экспонировались на выставках научных достижений МАДИ (ГТУ) 2004-2006 г.г.
Работа частично проводилась в рамках межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и АО "АВТОВАЗ" по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" (2004 г.). Также частично работа проводилась в рамках заказа Министерства образования и науки Российской Федерации на "Исследование работы самонастраивающихся контуров микропроцессорного управления автомобильными двигателями" (2005 г.). Отчеты о результатах проделанной работы приняты заказчиком.
Публикации. По теме диссертации опубликованы пять статей и тезисы трёх докладов на научных конференциях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, трёх актов внедрения. Общий объем работы 146 страниц, включая 109 страниц машинописного текста, 9 таблиц и 48 рисунков. Библиография содержит 91 наименование.
Причины необходимости повышения точности управления подачей топлива
Смесеобразование в двигателе на неустановившихся режимах работы в значительной степени определяется следующими физическими процессами, протекающими во впускном трубопроводе: динамикой топливного и воздушного потоков, а также фракционированием топлива [1], [73].
На протекание физических процессов значительное влияние оказывает конструкция двигателя, а именно: геометрия впускной системы; использование систем подогрева впускного трубопровода; материал и качество обработки впускного трубопровода; расположение форсунки [33], [55]. Рассмотрим более подробно перечисленные физические процессы и особенности конструкции двигателя с точки зрения влияния на отклонения ОС от заданного значения.
Динамикой топливного потока будем называть явление задержки части впрыснутого топлива на стенках впускного трубопровода и клапанах. - В двигателе, оснащённом микропроцессорной электронной системой управления (ЭСУ) с распределённым впрыскиванием топлива, подача бензина в большом числе случаев осуществляется до начала открытия впускного клапана. Одна часть топлива, поданного форсункой, смешивается с воздухом и образует топливовоздушную смесь, а другая -оседает на стенках впускного трубопровода и впускном клапане. Топливо, осевшее на стенках впускного тракта и клапанах, часто называют топливной плёнкой [19], [61], [62],,[80]. При перемещении топливной плёнки по трубопроводу происходит испарение топлива и его конденсация, срыв частиц топлива потоком воздуха и возвращение их обратно в плёнку. Скорость движения потока топливовоздушной смеси на порядок превышает скорость движения топливной плёнки. В результате происходит рассогласование по времени прихода в цилиндры двигателя порции воздуха и соответствующей ему порции топлива, что отражается в значительном отклонении ОС от заданного уровня [48], [49]. На поведение топливной плёнки сильно влияют следующие параметры работы двигателя: положение ДЗ, значение циклового наполнения воздухом (ввц), частота вращения двигателя (п), температура поступающего в цилиндры воздуха (Твозд), температура охлаждающей жидкости (Тохл), температура топлива [65].
Чаще всего решение проблемы коррекции подачи топлива рассматривают с точки зрения компенсации влияния резкого перемещения ДЗ на значение OL. При резком закрытии ДЗ расход воздуха через впускной тракт уменьшается, подогрев топливной плёнки со стороны стенок впускного трубопровода увеличивается, и топливо начинает интенсивнее испаряться с его поверхности. При открытии ДЗ, увеличение расхода воздуха приводит к охлаждению стенок, что уменьшает интенсивность процесса испарения топливной плёнки, с другой стороны, увеличение расхода воздуха приводит к сильной турбулизации потока, за счёт чего больше капель топлива срывается из топливной плёнки в поток. Уменьшению массы топливной плёнки при эксплуатации двигателя может способствовать улучшение качества обработки поверхности впускного трубопровода.
Динамикой воздушного потока будем называть явления заполнения и опустошения впускного ресивера воздухом, а также нестационарное движение воздушного заряда. - Наличие ресивера, объём которого соизмерим с рабочим объёмом цилиндра, при резком перемещении ДЗ приводит к различию в значениях количества воздуха, прошедшего через ДЗ, и количества воздуха, поступившего в цилиндр через впускной клапан. При резком открытии ДЗ некоторое время тратится на заполнение ресивера, и расход воздуха через ДЗ превышает расход воздуха через двигатель. Только после заполнения ресивера средние расходы через ДЗ и двигатель выравниваются. При резком закрытии ДЗ, наоборот, расход через ДЗ меньше, чем расход воздуха через двигатель за счёт опустошения объёма ресивера.
Описание программной среды компьютерного моделирования
Для современного разработчика . алгоритмов управления ЭСУ чрезвычайно важным оказывается использование интегральных сред визуального динамического моделирования и представления результатов [20], [21], [47]. Подобные программные продукты позволяют моделировать одновременно дискретные и непрерывные системы, например: рабочие процессы двигателя; алгоритмы управления ЭСУ; датчики и исполнительные механизмы: [89]. После создания модели управления возможна автоматическая генерация эффективного программного "Си"-кода для реализации управления на двигателе в реальном времени с ПК, или его дальнейшее использование для компиляции двоичного кода и программирования микроконтроллера (используемого в блоке управления), в том числе стандартного, нечёткого или нейронного. Всеми перечисленными возможностями, а также широким спектром математических возможностей обладает пакет "MATLAB"; со своим; приложением "SIMULINK" , [22], [23]. Его особенностью является .использование-матричных :вычислений и открытость исходного кода, что позволяет любому пользователю не только реализовывать ЭСУ, построенные на матричных вычислениях, например нейронная сеть, но и создавать собственные библиотеки блоков моделей. В стандартном і наборе пакета, -имеются реализации различных оптимизационных процедур, используемых для настройки алгоритмов ЭСУ двигателя.
В результате выполнения работы в среде "SIMULINK" пакета "MATLAB" создано.программное.-приложение по управлению подачей топлива бензинового двигателям., х искровым зажиганием на неустановившихся режимах работы. Оно состоит из нескольких частей: описательной, модельной, демонстрационной и управляющей. Приложение представляет собой электронную папку, в которой содержатся следующие. типыи файлов: ц файлы і текстовых документов автора с описанием работы (в формате .html), тезисов, статей и презентаций конференций (в формате .html и .pdf); файлы моделей схем управления (в формате .mdl, .m); файлы программ управления бензиновым двигателем в реальном времени (.т); файлы экспериментальных данных (в формате .mat), а также файлы в формате .xml, позволяющие объединить все файлы в единый электронный интерактивный документ. Доступ к любому документу, библиотеке и экспериментальным данным осуществляется через стандартное окно интерфейса пакета "MATLAB".
Разработанное приложение включает в себя наличие:
обширной библиотеки блоков по задаче управления подачей топлива бензинового двигателя;
демонстрационных моделей нейросетевых схем управления;
интерфейса пользователя для управления двигателем, оснащенного ЭСУ "МИКАС 10" в реальном времени;
программ автоматизированного проведения испытаний двигателя;
доступа к пополняемой А базе4 знаний "по0 проблеме управления подачей топлива двигателя на неустановившихся режимах работы;
автоматического выхода на интернет-страничку и почтовый электронный адрес автора;
обширной справочной сйстемой.
Разработка многорежимного корректора с нейронными коэффициентами
При разработке алгоритмов управления подачей топлива бензинового двигателя обычно применяют макромодели, описывающие поведение топливной плёнки во впускном трубопроводе; что позволяет достаточно точно следить за кривой ОС двигателя на большинстве режимов его работы. Довольно часто такого рода макромодели представляют собой формализованную запись закона сохранения массы топлива, попавшего во впускной трубопровод и вышедшего из него. И для того, чтобы разработать,чэффективно,,настраиваемый корректор, необходимо тщательно проработать его структуру с точки зрения простоты реализации в блоке управления и физической значимости для двигателя его параметров.
Рассмотрим более подробно лхему изменения массы топлива во впускном трубопроводе (схема и вид модели представлены на рис. 3.1 и рис. 3.2 соответственно).
Уравнение изменения массы топливной плёнки во впускном трубопроводе за один рабочий цикл двигателя можно записать в виде: где Мпл - масса топливной плёнки во впускном трубопроводе; (Зтц_впл - масса топлива, попавшего в плёнку из текущей цикловой подачи топлива; (Зтц_изпл - масса топлива, возвратившегося из плёнки в топливовоздушную смесь; \ -номер текущего цикла работы двигателя, (і+1) - номер следующего цикла работы двигателя.
Чтобы привести к стандартной записи разностного уравнения в виде пространства состояний двигателя, как объекта управления, где единственным. состоянием является значение массы топливной плёнки (Мпл), перепишем уравнение (3J1) следующим образом.
Идентификация параметров динамической многопараметрической модели двигателя
При отработке алгоритмов динамического управления подачей топлива на расчётных экспериментах в качестве объекта управления :. Гіїхжспка но шожпос-ти насгіх ні\И к оарсі-липа с и .-:. двигателя, как уже было сказано в главе 3, использовалась трёхкомпонентная модель топливной плёнки [14], вид которой в среде "SIMULINK" представлен на рис. 4.1. (исключение составляют исследования, описанные в разделах 3.1 и 3.3). Поведение модели определяется Шестью "коэффициентами, лріГ из которых являются таблицами управления,! (Изденя щми,,ф,зависимости,,от циклового наполнения воздуха (ввц) и частоты вращения (п) двигателя, а ещё три константами управления. Каждая компонента модели топливной плёнки имитирует различную динамику её поступления в цилиндр. В качестве примера на рис. 4.2 приведены поверхности управления для трёх коэффициентов модели двигателя. Эксперименты по подбору параметров модели двигателя включали проведение серии повторных испытании на нескольких неустановившихся режимах работы двигателя, характеризуемых резким открытием и закрытием ДЗ. Для нескольких характерных неустановившихся режимов работы двигателя подбирался такой набор коэффициентов, чтобы отклонение СС от стехиометрического значения не превышало значения в 2 %.
Динамические испытания были реализованы на моторном стенде в режиме поддержания постоянной частоты вращения. С помощью электронно-управляемого привода было реализовано резкое перемещение ДЗ " на; "разные амплитуды » открытия., Эксперимент проводился на трёх частотах1враЩения1н1Г70; 1650й 2000 мин"1, и для трёх диапазонов циклового наполнения воздухом GBUXX - - 1/3 Свцтах, GBUXX + 2/3 GBumax, GBUXX t-GBumax (где GBUXX - наполнение двигателя воздухом на режиме холостого хода, GBumax - максимальное наполнение двигателя на І данной І частоте І вращения! двигателя). Такие режимы выбраны как наиболее характерные для условий городской эксплуатации автомобиля. Значения коэффициентов модели для других режимов рассчитывались автоматически в результате проведения процедур і І линейной - интерполяции., и у; экстраполяции в таблицах управления.
