1.5. Алгоритми керування двигуном
Першим і найбільш важливим етапом на шляху побудови автоматичної системи керування двигуном є отримання математичних моделей, що описують поведінку двигуна, тобто зміни його керованих параметрів залежно від змін керуючих і збурюючих дій. Від того, наскільки повні і достовірні математичні моделі залежить вибір алгоритмів керування, їх складність, точність і швидкодія. Слід тільки мати на увазі, що сучасні методи керування, наприклад, з самонавчанням, можуть забезпечити бажану якість керування навіть при повній початковій відсутності математичних моделей об'єктів керування. В цьому випадку аналітично–математичні моделі замінюються таблицями (матрицями) значень керуючих дій, що задаються або навчаються, тобто модель задається у вигляді матричного полінома.
Головною характеристикою будь–якого керуючого пристрою є алгоритми керування. Алгоритм керування показує, яка інформація і як використовується в мікропроцесорі або, узагальнено, – в мікроконтролері для формування керуючих дій. Алгоритми керування реалізуються в програмних блоках мікропроцесора.
Багатовимірність, багатопараметричність двигуна і численність завдань керування ним вимагають застосування широкого набору різноманітних алгоритмів керування в мікроконтролері. Очевидно, що залежно від призначення вимоги до алгоритмів зміняються, тому можна говорити про необхідність цілого їх набору для створення повної системи керування. Створення такого комплексу алгоритмів керування двигуна, так само як і розробка самих систем керування, є складним і трудомістким процесом.
Алгоритми керування можуть бути представлені як у вигляді функціональних або структурних схем, так і у вигляді блок–схем програм функціонування мікропроцесорів.
Кожній з окремих систем керування при її створенні задається початкова версія свого алгоритму керування. В більшості випадків вона залишається незмінною на весь період експлуатації двигуна, але вона може покращуватися в процесі функціонування системи.
До основних функціональних алгоритмів, що забезпечують роботу МПСК, відносяться:
диспетчер часу, що регулює послідовність виконання всіх операцій і їх прив'язку до часу і/або до кута повороту колінчатого валу;
програми збору, обробки і розподілу інформації;
диспетчер режимів, що визначає режим роботи двигуна і, відповідно, гілку програми, за якою повинне будуватися керування;
алгоритми формування керування за всіма керувальними діями;
алгоритми перетворення і виведення керуючих команд на виконавчі пристрої;
алгоритми, що забезпечують діагностування роботи системи керування і її елементів, а також запам'ятовування і виведення відповідної інформації;
алгоритми, що забезпечують працездатність МПСК при відмові окремих її елементів;
алгоритми бортового діагностування роботи двигуна засобами МПСК і виведення відповідної інформації;
алгоритми оптимізації, адаптації і самонавчання.
Алгоритм керування вибирається, спираючись на задані вимоги до якості керування кожним двигуном і з урахуванням його конкретного призначення. В першу чергу алгоритми залежать від принципової структури системи керування, яка може бути замкнутою, розімкненою і комбінованою.
У всіх системах керування і кожному з її елементів обов'язково присутній прямий зв'язок – дія вхідного сигналу на вихідний. Зворотний зв'язок – дія вихідного сигналу на вхідний може бути обумовлена природними властивостями системи або цілеспрямовано організована в ній штучно. Зворотні зв'язки можуть охоплювати як всю систему керування, так і будь–яку її частину. Зворотні зв'язки можуть мати місце, наприклад, у виконавчих пристроях. У них зворотні зв'язки можуть бути як від’ємними, такими, що зменшують невідповідність значень вихідного сигналу значенням вхідного сигналу, так і додатними, такими, що збільшують цю невідповідність до технічно максимально можливої межі. Додатні зворотні зв'язки можуть бути тільки місцевими, такими, що охоплюють окремі частини системи. Якщо вони охоплюють всю систему (з виходу на вхід), тоді вона взагалі позбавляється можливості виконувати своє призначення.
Замкнуті системи. У цих системах реалізується принцип керування по відхиленню. Функціональна схема замкнутої системи з керуванням по відхиленню представлена на рис. 1.5 а.
Рис.1.5. Функціональні схеми систем керування:
а) замкнута система з керуванням за відхиленням; б. – розімкнена система з керуванням за завданням; в) – розімкнена система з керуванням за збуренням; г) – комбінована система з керуванням за відхиленням і збуренням
Відхиленням або похибкою керування називають різницю Е між заданим G і дійсним значеннями керованого параметра (Е = G–Y). Замкнутою така система називається тому, що в ній інформація, що виражається такими, що змінюються за своєю природою або виглядом сигналами, передається по замкнутому контуру – від мікроконтролера до двигуна – прямий зв'язок і від двигуна до мікроконтролера – зворотний. Цей зворотний зв'язок від’ємний, оскільки він призначений для зменшення відхилення Е.
Мікроконтролер, відповідно запрограмованому в ньому алгоритму керування, формує за величиною і знаком відхилення Е керувальну дію U, яка усуне або, принаймні, зменшить відхилення Е, що виникло з будь–якої причини (від будь–якого навіть неконтрольованого збурення, неточностей математичного опису, змін і нелінійностей характеристик об'єкту або зміни завдання).
Замкнуті системи можуть забезпечити будь–яку високу точність. Але може бути необхідна корекція – вводу спеціальних ланок і зв'язків для забезпечення стійкості і необхідної якості перехідних процесів.
На жаль, для двигунів не всі системи керування можуть бути виконані замкнутими. Це пов'язано з трудністю вимірювання в експлуатаційних умовах таких найважливіших керованих параметрів, як вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах, потужностні і економічні показники двигуна тощо, тобто організації зворотного зв'язку.
В розімкнених системах реалізується принцип керування за завданням. Схему такої системи показано на рис. 1.5 б. Алгоритм її керування використовує інформацію тільки про завдання G. Сформована на її основі керуюча дія U поступає по прямому зв'язку до двигуна. Зворотного зв'язку в системі немає. Тому такі системи мають необмежену швидкодію. Але їх точність обмежена, оскільки вона визначається достовірністю інформації про перетворення двигуном U в Y і точністю перетворення мікроконтролером G в необхідне U.
Основним недоліком розімкнених систем є те, що вони не дозволяють враховувати фактичну зміну керованих параметрів двигуна. Так, наприклад, якщо із–за фактично зниженого октанового числа палива або в результаті підвищеного відкладення нагару в камері згорання виникне детонаційне згорання, система як і раніше підтримуватиме те ж значення кута випередження запалення. Аналогічно при збідненні суміші із–за закоксовування форсунок тривалість імпульсу, що керує відкриттям форсунок, не зміниться для підтримки необхідного складу суміші, а кут випередження запалення не буде збільшений для компенсації уповільнення згорання, необхідної при збідненні суміші.
Як наголошувалося, двигун є об'єктом зв'язаного багатопараметричного керування, і зміна однієї з керуючих дій, як правило, вимагає зміни інших дій. Так, зміна складу суміші, що подається, або кількості рециркульованих газів вимагає зміни кута випередження запалення і/або інтенсивності вихрового руху заряду. Зв'язаними виявляються значення частоти обертання, випередження запалення, складу суміші і кількості додаткового повітря в режимі холостого ходу тощо.
Розімкнені системи є простим варіантом програмних систем керування, оскільки їх дії на об'єкт формуються за програмами, введеними в мікроконтролер. Команди по кожній керуючій дії формуються у відповідних контурах майже незалежно. Ці програми можуть бути однозначно жорсткими або коректуватися у функції всього комплексу завдань і контрольованих збурень.
Для здійснення зв'язаного керування в цьому випадку необхідно, на початковій стадії визначення і вводу в систему конкретних програм, проводити сумісний їх вибір одночасно по всіх пов'язаних один з одним керуючих діях.
У розімкнених системах реалізується і принцип керування по збуренню, представлений на рис. 1.5 в. U формується мікроконтролером за інформацією про збурення F. Перетворення F в Y відбувається по двох паралельних каналах: природне перетворення в двигуні і керуюче перетворення, здійснюване в мікроконтролері. Зворотного зв'язку також немає. І в цій схемі швидкодія не обмежена, але точність невелика. Розімкнена система не може взагалі усувати вплив неконтрольованих збурень, неточностей математичного опису, змін характеристик об'єкту керування.
Приклад такої системи – керування обмеженням подачі палива по тиску наддуву пневмокорректором в механічному регуляторі частоти обертання двигуна. Точність такої корекції обмежена похибками механізмів пневмокорректора і тим, що вона не враховує інших (неконтрольованих) збурень, наприклад, змін температури повітря і теплофізичних параметрів палива.
Доцільно поєднання керування за завданням і збуренням. У керування бензиновими двигунами практично повсюдно використовують саме таке поєднання принципів розімкненого керування по комплексу завдань і збурень.
Основні властивості всіх розімкнених систем однакові – висока швидкодія і обмежена точність.
Комбіновані системи. Якнайкраща якість керування досягається при поєднанні розімкнених і замкнутих систем. На рис. 1.5 г подано схему комбінованого керування за відхиленням і збуренням. Цей принцип дозволяє досягти великої точності при високій швидкодії. Прикладом такої системи служить система керування частотою обертання двигуна з використанням дії (імпульсу) по головному збуренню – навантаженню.