5.2. Нечеткая адаптивная система

управления скоростью движения автомобиля

Пусть требуется разработать микропроцессорную систему управления скоростью движения автомобиля массой 1500 кг, способную поддерживать постоянную скорость в пределах от V= 10 до 100 км/ч. В качестве двигателя этого транспортного средства используется дизельный двигатель. При этом переход­ный процесс в системе управления должен быть не более 0,5 с, перерегулирование не более 5 %. Система управления должна обеспечивать стабилизацию скорости движения при измене­ниях дорожных условий (дорожного покрытия, углов наклона и др.), приводящих к изменениям момента сопротивления дви­жению.

В процессе движения АТС скорость машины многократно изменяется. Это происходит вследствие возмущений, вызванных изменением условий движения, управления или отклонения режимов работы узлов шасси АТС от заданных водителем или автоматической системой. Однако желательно, чтобы скорость машины изменялась по заранее заданному закону или была по­стоянной, равной какой-нибудь определенной скорости, напри­мер плановой.

Такая постановка задачи в теории автоматического управле­ния соответствует задачам стабилизации (или регулирования) зна­чений управляемой величины, т. е. целью управления является

(5.1)

где V_i — скорость движения АТС; V_n — заданная (планируемая) скорость движения, которая может быть постоянной или изменяться по пути и времени в пределах V_i = V_n= V_imax; А — планируемое отклонение.

На рис. 5.14 показана функциональная схема такой стабили­зирующей системы. Ее входом является задатчик 1, в качестве

Рис. 5.14. Функциональная схема системы, стабилизирующей скорость движения

которого может быть использована педаль (рычаг) управления водителя или выход блока решения задач высших уровней иерар­хии. Электрический сигнал, характеризующий плановые скоро­сти движения v_n (0, подается на устройство 2, где сравнивается с данными, поступающими с измерителя 3. Сигнал рассогласо­вания v_t = v_n(t) - v_i(t) подается на распределитель 4, вырабаты­вающий управляющие сигналы изменения режимов работы дви­гателя 9 и трансмиссии 10 (подача топлива, переключения передачи, торможения). Обратные связи распределителя с двигателем и транс­миссией необходимы для учета фактического их состояния и ре­жимов при выработке сигналов управления.

В качестве распределителя могут использоваться механи­ческие, гидравлические, электрогидравлические устройства или электронные управляющие устройства. В последнем слу­чае микропроцессор, являющийся управляющим устройством (регулятором), может решать и другие задачи и, в частности, вычисление требуемой скорости. Сигналы управления после соответствующего усиления (5, 6, 7) поступают на исполни­тельно-приводные устройства узлов шасси.

Рассмотрим функциональные свойства стабилизирующей системы. Сопоставление целей управления с тяговой характерис­тикой АТС (рис. 5.15, а) показывает, что стабилизация скорости не всегда возможна. Так, в частности, если ограничение значе­ния скорости сверху (v_i < v_n + A) осуществляется за счет недоис­пользования мощности двигателя и (или) перехода на низшую передачу (предполагается, что изменение скорости v₁ не настоль­ко значительно, что требует интенсивного торможения), то ус­ловие v_i > v_n + А не обеспечивается располагаемой мощностью двигателя, если:

(5.2)

где f_c — суммарное сопротивление движению; D — динамический фактор (удельная сила тяги) при движении со скоростью v. и работе двигателя на внешней характеристике.

Аналогичная ситуация может быть и при торможении, т. е. за счет стабилизации в условиях реальных АТС можно получить некоторое уменьшение диапазона изменения скорости в про­цессе движения, однако на отдельных режимах и при некоторых внешних условиях задача стабилизации скорости не решается и АТС требует относительно условий движения адаптивного уп­равления. Кроме того, следует отметить, что при ограничении (v_i < v_n + A) в том случае, если v_i > v_n + А не превосходит пределов безопасной в данных условиях скорости движения, эффект ре­гулирования может быть отрицательным, так как недоиспользу­ется мощность двигателя и снижается средняя скорость движе­ния АТС (рис. 5.15, б). Поэтому на практике при создании систем,

Рис. 5.15. Тяговые характеристики

стабилизирующих скорость движения, одновременно встает воп­рос оптимизации работы моторно-трансмиссионных систем АТС, т. е. выбора режима работы двигателя, тормозов и трансмиссии, в совокупности обеспечивающих заданную скорость.

Наилучшим решением здесь была бы работа двигателя на постоянных, фиксированных режимах (например, максималь­ной мощности или минимального расхода топлива) и плавное, бесступенчатое регулирование скорости движения АТС. Это мож­но было бы получить при использовании фрикционных вариа­торов, а также гидромеханических, гидрообъемных и электри­ческих трансмиссий. Однако экономические и производственные ограничения, а также ряд нерешенных научно-технических про­блем пока препятствуют широкому распространению подобных трансмиссий на АТС.

Проанализированные вопросы являются общими для ста­билизирующих и оптимизирующих систем.

При постоянных условиях движения поддержание скорости может осуществляться с помощью только следящей стабилизи­рующей системы (рис. 5.16) управления двигателем механизма топливоподачи. В сравнивающем устройстве вырабатывается на­пряжение ДU, равное разности заданной v_n и измеренной v. скоростей. Полярность этого напряжения зависит от знака их

Рис. 5.16. Структурная схема системы стабилизации скорости движения механизмом топливоподачи

разности. Это напряжение усиливается и воздействует на привод­ное устройство механизма управления топливоподачей, что при­водит к изменению скорости АТС.

Для выбора основных блоков такой системы управления необходимо прежде всего подобрать двигатель и оценить дина­мические свойства объекта управления (ОУ).

Положим, что сила трения равна примерно

где к_т— коэффициент трения (сцепление с дорогой), m — мас­са транспортного средства, g— ускорение свободного падения.

Если транспортное средство снабдить колесами радиусом R = 0,5 м, тогда их максимальная скорость будет

Коэффициент редукции определим из следующего соотно­шения:

где Wдвтах — максимальная угловая скорость ротора двигателя.

Положим, что выбираемый двигатель будет иметь число обо­ротов вала п = 1500 об/мин. Тогда

Зная коэффициент редукции, радиус колеса и силу трения можно найти момент, который должен развивать двигатель, и его мощность.

Этому условию удовлетворяет дизельный двигатель мощно­стью 500 л.с., характеристики которого приведены на рис. 5.17.

Для оценки динамических свойств ОУ будем использовать его линейную модель, которая получается следующим способом.

В двигателе в зависимости от положения рейки механизма топливоподачи изменяется вращающий момент M_e. В установив­шемся режиме величина M_e равна моменту сопротивления дви­жения АТС, приведенного к коленчатому валу М_к,

M_e = M_k

При M_e M_k происходит замедление (ускорение) движения до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия. В этом случае уравнение движения АТС записывается в виде

где M_e — вращающий момент; M_k- момент сопротивления, при­веденный к коленчатому валу; J — момент инерции всех враща­ющих масс, приведенный к коленчатому валу двигателя; со — угловая скорость вращения вала; — сопротивление движению.

М[Нм]

Рис. 5.17. Зависимость момента сопротивления M от ш и скоростные (статические) характеристики дизельного двигателя

Величины M_k и M_e определяются из скоростных характерис­тик, M_e зависит от положения механизма топливоподачи и определяется по скоростным характеристикам, a M_k зависит

от частоты вращения со при разных значениях сопротивления дви­жению (см. рис. 5.17).

Величина M_k1 соответствует большому сопротивлению дви­жения, что имеет место, например, при движении на подъем с большим грузом, M_k2 — малому сопротивлению. Так как фун­кции M_e = f(ю) и M_k - f( ) изменяются плавно и не имеют разрывов, допустима их линеаризация.