Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ особенностей диагностирования многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания 13
1.1. Анализ существующих методов диагностирования 13
1.2. Постановка задачи 18
1.3. Концепция построения устройства контроля и диагностирования
1.3.1. Выбор метода диагностирования 20
1.3.2. Выбор концепции построения устройства диагностирования
1.4. Различие динамики мало- и многоцилиндровых ДВС 25
1.5. Выводы 28
Глава 2. Методы и алгоритмы измерения сигнала угловой скорости 29
2.1. Измерение сигнала угловой скорости 29
2.2. Анализ погрешностей в канале измерения угловой скорости
2.2.1. Устранение случайных погрешностей 33
2.2.2. Устранение систематических погрешностей 34
2.3. Выводы 39
Глава 3. Методы и алгоритмы оперативной оценки эффективности, качества и надёжности цилиндропоршневой группы 41
3.1. Спектральный анализ выборки угловой скорости 41
3.2. Анализ дисперсии выборок угловой скорости 47
3.3. Анализ крутильных колебаний коленчатого вала 50
3.4. Выявление асимметрии в работе цилиндров 52
3.5. Оценка относительного крутящего момента каждого цилиндра 55
3.6. Выводы 57
Глава 4. Диагностирование на основе идентификации макромодели двигателя внутреннего сгорания 59
4.1. Постановка задачи 59
4.2. Структурный синтез модели 60
4.3. Начальная идентификация на основе генетического алгоритма 65
4.4. Уточнение параметров градиентным методом 66
4.5. Анализ идентифицированных параметров 67
4.6. Выводы 68
Глава 5. Программно-аппаратный микропроцессорный комплекс контроля и диагностирования 70
5.1. Датчик положения коленчатого вала 70
5.2. Датчик положения распределительного вала 74
5.3. Микропроцессорное устройство предварительной обработки информации 77
5.4. Интерфейс и протокол обмена данными 81
5.5. Программа микроконтроллера 83
5.6. Основной обрабатывающий программный комплекс 86
5.7. Оценка себестоимости и перспектив применения устройства оперативного контроля и диагностирования 90
5.7.1. Себестоимость устройства 90
5.7.2. Перспективы применения на примере железнодорожного транспорта 92
5.8. Выводы 94
Заключение 96
Список использованной литературы
- Концепция построения устройства контроля и диагностирования
- Анализ погрешностей в канале измерения угловой скорости
- Анализ крутильных колебаний коленчатого вала
- Уточнение параметров градиентным методом
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие электронно-вычислительной техники, методов математической обработки результатов и средств программирования создало условия для совершенствования и внедрения экономичных микропроцессорных устройств контроля и диагностирования, встраиваемых в систему управления двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Следует отметить, что подобные устройства, как правило, отсутствуют в системах управления отечественных мощных многоцилиндровых ДВС (до 16 цилиндров), применяемых на тепловозах, водных судах, передвижных электростанциях. В свою очередь, отсутствие оперативной информации о работоспособности двигателя и невозможность принятия соответствующих мер зачастую приводят к отказам и простою, что влечет большие экономические потери.
В целях интеграции устройства контроля и диагностирования в существующие системы управления двигателем представляется целесообразным использовать имеющиеся в них датчики. Наиболее содержательной для характеристики работоспособности двигателя является информация об угловой скорости, которую можно получить с датчиков положения коленчатого и распределительного валов двигателя.
Методы и алгоритмы безразборного диагностирования ДВС на основе анализа неравномерности внутрицикловой угловой скорости коленчатого вала получили развитие в работах J. Williams, F. Nilsson, А.С. Гребенникова, F. Cruz-Peragon, В.С. Целиковской. Однако, они ориентированы на малоцилиндровые ДВС (до 6-8 цилиндров), в которых информация о работе одного цилиндра не сильно зашумлена работой остальных.
Многоцилиндровые ДВС имеют существенные отличия в динамике работы, которые снижают эффективность известных методов и требуют совершенствования устройств контроля и диагностирования, разработки специальных методов и алгоритмов.
Цель диссертационной работы.
Совершенствование устройств контроля и диагностирования на основе анализа внутрицикловой неравномерности угловой скорости коленчатого вала, встраиваемых в систему управления многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, и разработка методов, алгоритмов и программ обработки информации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
1. Совершенствование схем и методов обработки сигнала об угловой скорости коленчатого вала для контроля и диагностирования многоцилиндрового двигателя;
2. Анализ сигнала угловой скорости методами спектрального анализа и анализа дисперсии последовательности выборок угловой скорости за цикл двигателя для оценки эффективности их применения в задачах контроля и диагностирования многоцилиндровых ДВС;
3. Разработка экономичных по вычислительным ресурсам алгоритмов и программ оперативного контроля и диагностирования, позволяющих использовать общедоступные микроконтроллеры;
4. Разработка и изготовление макетного образца микропроцессорного устройства и диагностирования.
Методы и средства исследования.
При разработке методик и алгоритмов диагностирования использованы методы математического моделирования и идентификации, а также спектрального анализа и статистической обработки сигналов. Для апробации моделей применялись математические программы Mathcad и Matlab. Разработанные алгоритмы и интерфейс пользователя были реализованы на объектно-ориентированных языках с помощью компиляторов Visual C++ и Microchip C30. Электрическая принципиальная схема устройства и печатная плата разработаны в среде программы OrCAD. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартной аппаратуры и методик в производственных условиях.
Научная новизна.
1. Предложена и обоснована схема построения устройства оперативного контроля и диагностирования многоцилиндровых двигателей с использованием штатных датчиков угла поворота коленчатого вала и положения распределительного вала двигателя, а также разработанного микропроцессорного устройства предварительной обработки информации и сопряжения с ЭВМ оператора, отличающаяся возможностью встраивания в систему управления двигателем и позволяющая определить номер неисправного цилиндра.
2. Предложен способ устранения систематической погрешности измерения угловой скорости коленчатого вала двигателя, обусловленной неравномерностью расположения зубьев модулятора датчика угла поворота коленчатого вала, отличающийся тем, что в его основу положены: допущение о постоянстве угловой скорости многоцилиндрового двигателя в режиме холостого хода и линейная зависимость данной погрешности от угловой скорости.
3. Разработаны методика и алгоритм контроля стабильности процессов сгорания топлива в цилиндрах, основанные на анализе зависимости от угла поворота коленчатого вала за цикл работы двигателя дисперсии между элементами последовательно измеренных выборок угловой скорости. Экспериментально установлено, что дисперсия увеличивается в случае нестабильного сгорания топлива. Алгоритм позволяет определить номер дефектного цилиндра.
4. Разработан алгоритм оценки работоспособности цилиндро-поршневой группы четырёхтактных двигателей, основанный на анализе разности элементов выборки угловой скорости для первого и второго оборотов коленчатого вала, что позволило устранить систематические погрешности в сигнале угловой скорости и выявить асимметрию в работе цилиндров внутри цикла.
5. Разработаны методика и алгоритм оперативного диагностирования двигателя на основе идентификации параметров макромодели, позволяющие оценить мощность каждого цилиндра в условных единицах, угол опережения впрыска (зажигания), длительность от начала сгорания до точки максимального давления, длительность сгорания.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Способ устранения систематической погрешности в сигнале угловой скорости, вызванной неравномерностью расположения зубьев модулятора датчика угла поворота коленчатого вала, основанный на допущении о постоянстве угловой скорости многоцилиндрового двигателя в режиме холостого хода, позволяет определить неравномерность расположения зубьев модулятора;
2. Методики и алгоритмы анализа стабильности процессов сгорания топлива в цилиндрах, контроля работоспособности цилиндро-поршневой группы четырёхтактных двигателей не требуют значительных вычислительных ресурсов и могут быть реализованы на общедоступных микроконтроллерах;
3. Методика диагностирования двигателей внутреннего сгорания на основе идентификации параметров составленной макромодели двигателя позволяет оценить мощность каждого из цилиндров, угол опережения впрыска (зажигания), длительность сгорания, угол между началом впрыска (зажигания) и точкой максимального давления газов в цилиндре;
4. Устройство контроля и диагностирования многоцилиндровых двигателей, использующее штатные датчики положения коленчатого и распределительного валов и ЭВМ оператора системы управления двигателем, содержащее микропроцессорное устройство предварительной обработки информации и сопряжения с ЭВМ оператора, позволяет определить работоспособность двигателя, включая отдельные цилиндры.
Практическая значимость.
Разработанное микропроцессорное устройство контроля и диагностирования, встраиваемое в систему управления двигателем, позволяет на ранних стадиях указать номер неработоспособного цилиндра, упреждающий ремонт которого существенно сокращает расходы по техническому обслуживанию двигателя. Предложенные алгоритмы не требуют изменения конструкции двигателя, а используемые датчики в большинстве случаев уже имеются в составе электронной системы управления двигателем. Разработанная методика диагностирования на основе идентификации модели ДВС позволяет оценить основные параметры работы цилиндро-поршневой группы. Предложенные алгоритмы допускают применение недорогих общедоступных микроконтроллеров, что снижает стоимость и размеры устройств контроля и диагностирования. Составлены и апробированы программа на алгоритмическом языке Си микропроцессорного устройства предварительной обработки, программа для ЭВМ оператора на объектно-ориентированном языке Visual C++, протокол связи между микропроцессорным устройством предварительной обработки и ЭВМ оператора.
Результаты работы внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проведенных в ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов, о чем имеется справка о внедрении.
Апробация работы.
Основные научные результаты работы обсуждались и докладывались на следующих научных конференциях: научно-технической конференции «Молодые учёные – науке и производству» (Саратов, 2007 г.), XIY Международной научно-технической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.), XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009 г.), а также на научных семинарах кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ. Актуальность работы подтверждается участием в программе У.М.Н.И.К. и дипломом лауреата конкурса Российской Академии наук и РАО «ЕЭС России» в области энергетики и смежных наук «Новая Генерация».
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением методов спектрального анализа, математической статистики, математического моделирования, идентификации математических моделей и численных методов, а также экспериментальными результатами испытаний опытного образца устройства контроля и диагностирования многоцилиндровых ДВС.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них две статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и один патент на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация общим объемом 121 страница состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 47 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы из 81 наименования и 5 приложений.
Концепция построения устройства контроля и диагностирования
В настоящее время получили широкое распространение различные методы контроля и диагностирования ДВС. Многообразие обусловлено в основном двумя причинами: сложностью структуры устройств контроля и диагностирования, определяемой сложностью двигателя как объекта диагностирования и разнообразием задач технического диагностирования, вытекающих из требований, предъявляемых к обеспечению надежности эксплуатации двигателей [3].
Метод виброакустического диагностирования нашёл широкое применение для контроля и оценки технического состояния двигателей. Потенциально, он позволяет определять следующие неисправности [6]: топливной аппаратуры - состояние иглы, распылителя, затяжку пружины форсунки, угол опережения и продолжительность впрыска топлива; цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), шатунно-кривошипного и газораспределительного механизмов - зазор поршень-втулка цилиндра, подшипниковых узлов дизеля и газораспределительного механизма, зубчатых передач; рабочего процесса в цилиндре - определение давления в цилиндре в любой точке цикла, скорость нарастания давления, фазовые параметры и т.п.
Метод основывается на измерении параметров вибраций и акустического шума, возникающих при соударениях и трении деталей двигателя, с последующей обработкой и установлением технического состояния отдельных устройств и элементов.
Выделение полезного сигнала при виброакустической диагностике является сложной задачей, по причине наложения сигналов от различных источников, эффектов реверберации и многопутевого прохождения сигналов, механических резонансов и т.п. При этом используются временное и частотное разделение, вероятностно-статистический, корреляционный и спектральный анализ [7].
ЦПГ является одним из труднодоступных узлов дизеля, работающая в условиях высоких температур и давлений. Для неразрушающего контроля и диагностирования состояния ЦПГ применяются методы, основанные на измерениях расхода картерных газов через сапун, расхода картерного масла, разрежения в картере, давления конца сжатия при прокрутке дизеля, спектрального анализа картерного масла [8]. Расход масла зависит от многих причин (состояние сальников, режим работы двигателя и др.), не связанных с неисправностями в ЦПГ. Расход картерных газов через сапун также не имеет прямой связи с износами ЦПГ и может колебаться в широких пределах даже для одного типа двигателя из-за состояния сальниковых уплотнений, термического разложения масла в картере и многих других факторов. Таким образом, эти два метода не учитывают особенности износа ЦПГ, то есть имеют высокую методическую погрешность и могут привести к ошибочным оценкам [2].
Одним из наиболее распространённых методов контроля технического состояния ЦПГ - контроль давления конца сжатия. В условиях эксплуатации величина давления конца сжатия контролируется с помощью датчиков, устанавливаемых на каждый исследуемый цилиндр. В этом случае кратковременно отключается подача топлива в цилиндр, что весьма неудобно, или производят замер давления за 12-20 поворота вала двигателя до верхней мертвой точки. Кроме того, на величину давления сжатия влияют действительная степень сжатия, величина давления наддува и количества тепла, от водимое в стенки цилиндра, поэтом она не может однозначно характеризовать состояние гильзы цилиндра, поршневых колец и других деталей ЦПГ. В данном случае необходимо вместе с давлением конца сжатия контролировать давление в начале сжатия или давление наддува, температуру стенок втулки цилиндра и другие параметры [2].
Данные анализа теплофизического и химического состава и дымности отработавших газов используются для диагностирования топливной аппаратуры и контроля распределения нагрузки по цилиндрам двигателя. Этот метод не позволяет судить о техническом состоянии топливной аппаратуры, так как на цвет, температуру и химический состав выпускных газов, наряду с состоянием топливной аппаратуры, значительное влияние оказывает состояние цилиндропоршневой группы, газовоздушного тракта, физико-химический состав применяемого топлива. Поэтому точность метода контроля выпускных газов возможно обеспечить только если учитывать все выше отмеченные факторы. Кроме того, сложность газоотборных устройств, высокие требования к аппаратуре газового анализа привели к ограниченному применению данного метода в практике исследования и доводки конструкции двигателей
Распространенный метод оценки загруженности цилиндра по температуре выпускных газов приводит к значительным погрешностям, так как ухудшение распыления топлива в камере сгорания, вызываемое износом топливной аппаратуры, приводит к необходимости увеличивать цикловую подачу топлива для сохранения цилиндровой мощности, что вызывает увеличение температуры уходящих газов [10].
В последнее время получают распространение методы контроля равномерного распределения нагрузки цилиндров двигателя, основанные на анализе неравномерности внутрицикловой угловой скорости (ускорения) коленчатого вала на заданном скоростном и нагрузочном режимах. По результатам сравнения данных, относящихся к различным цилиндрам, оценивается их загруженность [11].
Анализ погрешностей в канале измерения угловой скорости
Большая часть случайных погрешностей вызвана вибрацией модулятора относительно датчика угловой скорости и крутильными колебаниями коленчатого вала, а, следовательно, имеет высокочастотных спектр. Если дискретизация измерений достаточно высока, то для подавления погрешностей можно использовать фильтр низких частот.
Возможно применение симметричного фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) и коэффициентами, рассчитываемыми динамически на основе метода взвешивания. Граничная частота фильтра зависит от количества дискретных точек выборки и количества цилиндров двигателя. Опытным путём было выбрано значение в 4 гармоники на период срабатывания цилиндра. Например, для 12-ти цилиндрового двигателя из выборки удаляются все гармоники выше 48-й. Методы расчета взяты из [22].
К достоинствам фильтрации с помощью КИХ фильтра относится простота и малые требования к памяти микроконтроллера. Основным недостатком является то, что одновременно устраняется и высокочастотная часть систематических погрешностей, что входит в конфликт с методом устранения систематической погрешностей.
Если применяется алгоритм устранения систематической погрешности, то следует усреднять несколько последовательно измеренных выборок [33]: ",= , (2-4) где щ - і-я точка итоговой выборки; п] і-я точка измеренной Аг-й выборки; N— число участвующих в усреднении выборок (обычно 10). Эта методика даёт хорошие результаты, однако требует большого количество памяти для хранения N выборок. На практике возможно примене ниє рекурсивного фильтра [34] для каждой точки выборки, взамен усреднению нескольких выборок.
Неточности изготовления, либо эксплуатационные деформации (стертости, вмятости, сколы и т.д.) зубчатого венца модулятора датчика частоты вращения приводят к неравномерности распределения зубьев, что вызывает появление систематических погрешностей в канале измерения [35]. На рис. 2.3 показаны участки двух независимо записанных на одном двигателе выборок на одном и том же скоростном режиме. Из высокой степени повторяемости результатов видно, что основную часть погрешностей составляют систематические.
С 1700 0 1750 D 1800 0 1850 0 1900 0.1950 0.2000 0.2050 0.2100 0 2150 Врем я. с Іі борко KILOS- MUII] Вибірка Н9[о5/лин] Рис.2.3. Увеличенный фрагмент двух наложенных независимых выборок угловой скорости Пусть в идеальном случае расстояние между зубьями равно ср = —, где Z - количество зубьев на модуляторе. Представим расстояние между зубьями реального модулятора со смещением кромок в виде: р = р + А р = р(\ + к), (2.5) где к = — - относительное смещение кромки (рис. 2.4).
Смещение зубьев модулятора, вызывающее появление систематической погрешности, ф — стандартное расстояние между зубьями. Периоды между кромками зубьев, измеренные на идеальном и реальном модуляторах соответственно равны: СО (О СО (2.6) где Т - время между зубьями на идеальном модуляторе, с; Т — время между зубьями на реальном модуляторе, с. Угловая скорость, измеренная на идеальном и реальном модуляторах равна: п 2л- _ 2л п — (2.7) T-Z (\ + k)-Z где п — угловая скорость на идеальном модуляторе, рад/с; п — угловая скорость на реальном модуляторе, рад/с. Относительная погрешность, в зависимости от степени смещения кромки, равна п п g _ я - я _ 1 п -л 1+к 1+к (2.8) а абсолютная погрешность: A = n-n =n . (2.9) l + k Видно, что ошибка измерения, вызванная неравномерным расположением зубьев пропорциональна угловой скорости двигателя, т.е. мультипликативна. Это очень важный вывод. Например, при увеличении угловой скорости в два раза ошибка измерения также возрастет в два раза.
К примеру, на модуляторе диаметром 0.5 м со 124 зубьями, смещение одного зуба на 2 мм по направлению вращения (к=0.158), составляет погрешность 8=0.136%, что при истинной частоте вращения 500 об/мин составит 0.682 об/мин. В качестве модулятора обычно используется маховик, или валоповоротный механизм, поэтому разброс зубьев довольно высок. К сожалению, на практике оказалось, что смещение зубьев маховика в ту, или иную сторону часто имеет групповой характер, т.е. измеренная угловая скорость в течение нескольких точек подряд является завышенной или заниженной. Поэтому, различного рода фильтрации или усреднения дают плохие результаты. Более того, при некоторых неисправностях существенная часть энергии вращающих сил вызывает крутильные колебания коленчатого вала. Поэтому фильтрация стирает важную в этом случае информацию, находящуюся в области высоких частот [36].
Предложена методика выделения информации об угловой скорости коленчатого вала за цикл двигателя, лишенной повторяющихся искажений. Большое количество цилиндров и очень маленький момент сопротивления на холостом ходу позволяют считать, что истинная угловая скорость в установившемся режиме практически постоянна, и на графике отражается горизонтальной линией. Поэтому любые измеренные отклонения являются систематическими погрешностями. Если их запомнить и вычесть из любой другой выборки, сделанной на тех же оборотах, то можно получить неискаженную информацию о работе цилиндров. Этот подход распространяется на случай несовпадения частот вращения в выборке холостого хода и обрабатываемой. Абсолютная погрешность, вызванная неравномерным распределением зубьев модулятора, пропорциональна угловой скорости двигателя Л722=ДИ!- -, (2.10) где Л/?, и Ап2 - систематические погрешности при угловых скоростях и п2; Поэтому при работе во всем диапазоне скоростей следует использовать формулу иэм А хх среднее . „ ч п,=п, -An, —± , (2.11) среднее где п, - і-я точка итоговой (очищенной) выборки; л, - 1-я точка измеренной выборки; „май хх псРеднее, псРеднес - средние значения угловой скорости сохраненной и измеренной выборок; А XX XX XX Ant — п{ — псреднее - отклонение /-й точки на холостом ходу от среднего значения. Примером выделения информации служат рис. 2.5 и рис. 2.6. На первом приводится работа исправного двигателя. Устранение систематической погрешности показало стабильность частоты вращения.
На рис. 2.6 приводится график угловой скорости двигателя с отключенным цилиндром. Визуально как из исходной (а), так и из отфильтрованной (б) выборок нельзя точно определить место провала частоты вращения. Однако устранение систематических помех после их предварительной фиксации в режиме холостого хода дает наглядную информацию. Т.к. один цилиндра не прикладывает мощности, то остальным приходится работать в усиленном режиме, за счет чего кривая угловой скорости приобретает характерный наклон. Угол поворота коленйала (цикл двигателя) в - выборка частоты вращения, холостой ход. BOO об- мин Б - фильтрация посредством КИХ фильтра в - устранение систематической погрешности Рис. 2.5. Сравнение результатов обычной фильтрации посредством фильтра с конченой импульсной характеристикой (КИХ) и предложенного алгоритма устранения систематической погрешности. Работают все цилиндры # чД И Уэоп поворота коленаала (цикл двигателя) РИС. 2.6. Сравнение результатов фильтрации посредством КИХ фильтра и предложенного алгоритма устранения систематической погрешности. Один цилиндр отключен, а - выборка угловой скорости; б - фильтрация посредством КИХ фильтра; в - устранение систематической погрешности (масштаб увеличен) Описанная методика позволяет подготовить сделанные измерения к дальнейшей обработке. Процесс записи выборки на холостом ходу производится один раз при установке устройства оперативного контроля и диагностирования и напоминает простую калибровку датчика. Алгоритм не содержит сложных вычислений и поэтому может быть внедрен в современные микроконтроллеры для построения портативных систем контроля диагностирования. Недостатком является необходимость хранить в памяти микроконтроллера большой объем данных выборки для холостого хода. Например, если каждая точка кодируется 3 байтами, а выборка содержит 496 точек, то дополнительный расход памяти составляет 1488 байт, что достаточно много, если микроконтроллер содержит всего 3-4кБ оперативной памяти. Тем не менее, устранение повторяющихся искажений является одним из наиболее важных шагов при диагностике многоцилиндровых двигателей, т.к. неравномерность угловой скорости двигателя очень низкая.
Анализ крутильных колебаний коленчатого вала
Во время работы цилиндров крутящий момент передаётся на коленчатый вал импульсно, в определённые моменты времени. Это вызывает закручивание коленчатого вала [42] и появление крутильных колебаний. Это заметно влияет на характер угловой скорости, в спектре которой резко усиливаются высокочастотные составляющие. Особенно это проявляется на однорядных или V-образных многоцилиндровых двигателях с длинным коленчатым валом. Для борьбы с крутильными колебаниями в некоторых конструкциях предусмотрен демпфер крутильных колебаний, или антивибратор. Однако крутильные колебания также могут появляться и при некоторых механических неисправностях [43]. Поэтому высокочастотные составляющие угловой скорости также несут потенциально полезную информацию. Фильтрация и усреднение могут уничтожить эти данные. Например, на определенном угле поворота коленчатого вала из-за поврежденного зуба в зубчатой передаче происходит небольшое заклинивание. Коленчатый вал на такое воздействие отвечает не апериодическим снижением частоты вращения, как можно предположить, а вибрацией [42]. В то же время, если в выборке углового ускорения остаются высокочастотные гармоники, то сильно выделяются высокочастотные шумы, усиливающиеся при взятии производной. Экспериментально была найдена граничная частота, фильтруются все гармоники выше 7-й на цилиндр.
Из графика углового ускорения также визуально нельзя выделить полезной информации, поэтому полученные данные требуют обработки. Предложен способ [24], позволяющий учесть колебательные отклики вала на основе выборки углового ускорения (), полученной численными методами из выборки угловой скорости [44]. Производится поэтапное вычисление вспо V могательной функции. На первом этапе каждая точка ускорения возводится в квадрат: Р,=, (3.3) где с,- - і-я точка выборки углового ускорения.
Этим достигается единство знака, а на втором, для большей наглядности, происходит усреднение методом скользящего среднего с отклонением в каждую сторону на 1-2 точки. Важно, что в этом случае фильтрация уже не опасна. Результаты обработки для четырёхтактного двигателя показаны на рис. 3.6, в диапазоне от 0 до 360 происходит первый оборот коленчатого вала, остальная часть относится ко второму обороту.
Такое представление измерений уже поддается интерпретации. Так, например, поля 5 и 5 имеют довольно большие пики, говоря о нечеткости в работе. На практике вероятность их появления вследствие вспышек в цилиндрах равна вероятности одинаковой неисправности двух симметричных цилиндров, т.е. очень мала. Такое поведение может быть вызвано либо механическим воздействием на коленчатый вал (о чем говорилось выше), либо большим технологическим разбросом зубьев на модуляторе датчика частоты вращения, что дает ложную информацию об угловой скорости. Область 4 более полога, следовательно, возможна недостаточная загрузка цилиндра в ней. Однако, в целом, такое представление имеет недостаток - пользователю предлагается только квадрат ускорения, и нет информации, о том прикладывается крутящий момент к коленчатому валу, или снимается с него.
Важно отметить, что в случае недостаточной фильтрации на стадии взятия производной можно получить результат, показанный на рис. 3.7. Левая и правая части почти идентичны, что вызвано большим влиянием высокочастотных составляющих от технологического разброса зубьев на венце модулятора.
Из сделанных выше наблюдений может быть реализован формализованный критерий фильтрации выборки углового ускорения, основанный на том, что при правильно подобранной граничной частоте фильтра левая и правая части графика будут иметь разные формы.
Предложен способ [24], позволяющий ликвидировать описанные выше затруднения с устранением систематических погрешностей. Способ подходит только для четырёхтактных двигателей, при условии, что модулятор дат чика угловой скорости расположен на коленчатом валу. Искажения, вносимые неточностью зубьев модулятора, а также многие другие воздействия проявляются одинаково на каждом обороте коленчатого вала. Следовательно, вычитание измеренной угловой скорости на втором обороте из первого оборота устраняет систематические погрешности и некоторые другие периодические факторы, связанные с механическим устройством привода двигателя. Фактически, после такой обработки остается только информация, отображающая различия в работе симметричных по углу поворота коленчатого вала цилиндров между первым и вторым оборотам. В результате остаётся зависимость, равная половине длины первоначальной выборки: Ьп,=пГ-гОл, (3.4) где / = 0..(% - lj - текущая обрабатываемая точка; N — количество точек в выборке; п - і-я точка записанной выборки.
Далее берется первая производная (по точкам, углу или времени - не имеет значения), производится фильтрация, а полученная функция, характеризующая работоспособность цилиндров, отображается на графике (рис 3.8). Если считать, что цилиндры на каждом из двух оборотов цикла двигателя срабатывают симметрично, то таким образом можно выявить недогруженные или перегруженные цилиндры. , об I [Шин град ) dip і Критическая зона -1- 360 град ПКВ -y Рис. 3.8. Разность двух частей выборки и взятие производной (по углу поворота коленчатого вала (ПКВ)). Вертикальные линии — верхние мёртвые точки (ВМТ) цилиндров двигателя 16ЧН26/26 В представленном графике отсутствуют сильно выделяющиеся пики, таким образом, можно сделать вывод, что каждый цилиндр работает в пределах нормы. Некоторая неравномерность графика допустима, так как некоторые различия в работе цилиндров присутствуют всегда. Сигналом неисправности служит появление ярко-выраженных пиков на графике. Пороговая граница, в пределах которой двигатель находится в норме, может быть выставлена вручную, или, например, на основании критерия Грэббса [32]. Для этого нужно сформировать дробь:
Уточнение параметров градиентным методом
В тепловозных депо датчик положения распределительного вала получил название «датчик фазы». В процессе диагностирования он служит для согласования конкретной части выборки с номером цилиндра. Большинство выпускающихся в настоящее время моделей двигателей оснащены датчиком фазы, основанным на эффекте Холла (рис. 5.5). На распределительном валу двигателя имеется отметчик - диск с прорезью, или наоборот - выступающий шкив, В момент прохождения отметчика перед датчиком, дискретный сигнал датчика меняет свой уровень на противоположный. Основным преимуществом такого типа датчиков является жёсткая привязка к определённому углу поворота коленчатого вала, а также то, что выходной сигнал датчика дискретный. Недостатком является необходимость доработки конструкции ДВС,
В некоторых системах вместо датчика, основанного на эффекте Холла, используется индукционный датчик, описанный в предыдущем подразделе. После прохождения отметчика на выходе датчика появляется аналоговый сигнал, который впоследствии обрабатывается компаратором. Однако, так как форма сигнала зависит от скорости прохождения отметчика, то возникает небольшое, порядка 1-2 град. ПКВ, рассогласование на разных угловых скоростях двигателя.
Если дизельный двигатель не оснащён встроенным механизмом фази-ровки, то возможно установить пьезодатчик (рис. 5.6) на трубку высокого давления, подходящую к форсунке. При впрыске топлива трубка изменяет диаметр, и датчик вырабатывает сигнал, показанный на рис. 5.7. У такого типа датчиков есть только одно преимущество — их можно установить практически на любые, даже старые, модели дизельных двигателей. Недостатков гораздо больше. Во-первых, они выдают сигнал, не привязанный к ВМТ какого-либо цилиндра, а зависящий от угла опережения впрыска, который в общем случае может меняться на разных режимах работы двигателя. Во-вторых, выходной сигнал датчика является аналоговым, причем сам датчик (в силу конструктивных особенностей) обладает большим внутренним сопротивлением, что требует дополнительной схемы обработки сигнала датчика (рис. 5.8). Элементы схемы встраиваются в разъём подключения пьезодат-чика, а само устройство оперативного контроля и диагностирования не зависит от типа используемого датчика положения распределительного вала. В-третьих, модели таких датчиков выпускаются под определённый диаметр трубки высокого давления форсунки, а, следовательно, нужны разные модели датчиков под разные типы двигателей. В-четвертых, цена таких датчиков достаточно высока (датчик фирмы Capellec, Франция, стоит порядка 5000 руб.).
Так как мощные многоцилиндровые ДВС практически всегда находятся вблизи силовых электрических линий и множества контакторов, то увеличивается риск появления электромагнитных помех. Поэтому особые требования предъявляются к помехозащищённости устройства [63]. Электрическая принципиальная схема устройства приведена в приложении В.
В связи с этим, корпус устройства выполнен из алюминиевого сплава, все комплекты кабелей экранированы, а сигнальные линии выполнены в виде «витой пары» [64]. Большое внимание было уделено качеству разводки печатной платы (приложение Г) [65].
Микросхема DD1 микроконтроллера PIC24HJ128GP504 фирмы Microchip является центром устройства. Это недорогой, 16-разрядный микроконтроллер, расположенный в компактном 44-х выводном TQFP корпусе и питающийся от напряжения 3.3В [28]. В распоряжении программиста находится 128КБ памяти программ, 8КБ памяти данных, пять 16-битных таймеров, два модуля UART, один модуль ECAN, четыре модуля ССР, 13 аналоговых 12-битных входа и другая периферия.
Большим достоинством микроконтроллеров Microchip серии HJ является наличие переназначаемых ножек (remappable pins). Это значит, что большинство описанных выше модулей не являются жёстко привязанными к определённым выводам корпуса, а могут менять своё расположение в зависимости от настройки управляющих регистров. В том числе возможна «горячая» смена расположения в ходе выполнения программы. Наличие такой опции существенно ускоряет процесс и улучшает качество разработки печатной платы.
Частота кварцевого резонатора ZQ1 равна 10 МГц, что после умножения частоты внутри микроконтроллера позволяет работать с максимальной производительностью 4x107 операций в секунду. Связь с главной ЭВМ через интерфейс USB осуществляется драйвером D3, выполненным на микросхеме СР2102 фирмы Silicon Laboratories [66]. Данная микросхема является преобразователем USB-UART. Таким образом, микроконтроллер фактически передаёт информацию через модуль последовательного порта. Использованием USB-UART преобразователя удаётся превысить максимально допустимую стандартом RS-232 скорость передачи в 128 кбит/с и улучшить надёжность передачи данных за счет встроенных в стандарт USB средств контроля целостности данных.
Через интерфейс USB также осуществляется питание устройства напряжением 5В. Микросхема СР2102 имеет встроенный стабилизатор напряжения в 3.3В, однако его мощности не хватает для питания микроконтроллера. Поэтому используется отдельный линейный преобразователь U2, выполненный на микросхеме LM1117-3.3. При автономной работе, без подключения к ЭВМ оператора, питание напряжением 5В осуществляется через входы XS27 и XS28.
Сигнал датчиков частоты вращения обрабатывается с помощью блоков компаратора, принцип работы которых показан на рис. 5.9.
Делитель на резисторах Rl, R6 задает смещение равное половине питания на неинвертирующем входе компаратора. Конденсатор СЗ не пропускает постоянную составляющую сигнала датчика на инвертирующий вход. Через резистор R7 к входному сигналу добавляется смещение на середину диапазона питания. Резистор R10 и конденсатор С4 не позволяют расти амплитуде колебаний датчика с ростом частоты вращения модулятора. Резисторы R2 и R3 образуют положительную обратную связь, создавая гистерезис, что улучшает помехоустойчивость [67].
Схема обработки сигнала датчика положения распределительного вала включает гальваническую развязку, выполненную на оптроне U1 и DC-DC преобразователе DA1. Гальваническая развязка необходима при использовании пьезодатчиков, один выходной контакт которых соединён с корпусом двигателя [68].
