Метод и устройство управления мехатронным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания
На правах рукописи
ГИЛЬМИЯРОВ Константин Ринардович МЕТОД И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫМ ПРИВОДОМ КЛАПАНА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Специальность 05.02.05 – «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск – 2012 г.
Работа выполнена на кафедре «Электрические и электронные аппараты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Павленко Александр Валентинович,
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Глебов Николай Алексеевич,
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, каф.
«Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)» Валюкевич Юрий Анатольевич, кандидат технических наук, профессор, каф.
«Радиоэлектронные системы» ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» (г. Шахты) Федеральное государственное бюджетное
Ведущая организация:
образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (г.
Ростов-на-Дону)
Защита диссертации состоится «05» июля 2012 г. в 09:00 в ауд. №149 главного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г.
Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Автореферат разослан «_» июня 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.304.04, доктор технических наук, профессор В.С. Исаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение энергетических, экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть обеспечено путем совершенствования узлов топливоподачи и воздухогазообмена на основе применения индивидуальных приводов клапанов газораспределительного механизма (ГРМ) ДВС. Наиболее перспективными типами исполнительных механизмов приводов для индивидуального управления клапанами ГРМ, с точки зрения быстродействия и потребляемой при работе мощности, являются резонансные электромагнитные механизмы (ЭМ). Несмотря на достаточно широкое освещение темы в технической и научной литературе существует ряд проблем, возникающих при управлении такими клапанами. Прежде всего это вопросы обеспечения плавности хода при открытии и закрытии клапана, уменьшения скорости посадки клапана в седло практически до нуля и др. Требуемые динамические характеристики резонансных ЭМ (время срабатывания, скорость якоря в конце хода) можно обеспечить путем изменения геометрии магнитной системы и конструкции, однако это не всегда возможно реализовать в связи с жесткими ограничениями, накладываемыми на массогабаритные и другие показатели. Альтернативным путем обеспечения заданных динамических характеристик является применение интеллектуальных систем управления. Аналитический обзор применяемых систем управления резонансными ЭМ показал, что существующие устройства и методы управления не позволяют обеспечить заданные динамические параметры приводных ЭМ. В соответствии с этим вопрос разработки метода и устройства управления резонансными ЭМ, обеспечивающих минимальную скорость посадки якоря при заданном времени срабатывания, является актуальным.
Работа соответствует научным направлениям ЮРГТУ (НПИ) на 2011 – 2015 гг.
«Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденных решением ученого совета от 26 января 2011г. Результаты работы получены при выполнении государственных контрактов: НК-389П «Разработка устройств и алгоритмов управления резонансными электромагнитными приводами», НК-517П «Разработка устройств управления электромагнитными приводами систем воздухообмена и топливоподачи двигателей внутреннего сгорания», №2.1.2/12337 «Мехатронные устройства для систем топливоподачи и воздухогазообмена двигателей внутреннего сгорания».
Целью диссертационной работы является повышение энергетических и экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания путем создания метода и устройства управления мехатронным приводом клапана газораспределительного механизма, обеспечивающих, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ существующих систем управления резонансными ЭМ.
2. Разработка метода реализации режима раскачки якоря мехатронного привода клапана ГРМ ДВС.
3. Разработка метода управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающего, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана.
4. Разработка математической модели мехатронного привода клапана ГРМ ДВС, позволяющей исследовать различные режимы работы привода с учетом влияния внешних воздействующих факторов. Исследование характеристик мехатронного привода клапана ГРМ ДВС в нестационарных режимах работы.
5. Разработка методики проектирования устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.
6. Практическая реализация устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.
7. Экспериментальные исследования устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана в седло, отличающийся от существующих тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря. Предложена структура системы управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, отличающаяся от существующих тем, что для определения величины управляющего воздействия используется аппарат нечеткой логики.
2. Метод реализации режима раскачки якоря мехатронного привода клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий установку клапана в исходное состояние, отличающийся тем, что частота, формируемой в обмотках последовательности импульсов тока, определяется из условия достижения якорем резонансных колебаний низших порядков.
3. Комплексная математическая модель и результаты исследования процессов управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС при воздействии внешних факторов.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теоретической механики, теории электрических и магнитных цепей, теории поля, нечеткой логики, теории цифровых систем управления, прикладного программирования, численные и аналитические методы решения систем алгебраических уравнений. Аналитические исследования проведены на ПК, экспериментальные – на натурных образцах устройств.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложен новый метод управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана в седло, отличающийся от существующих тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря, позволяющий управлять мехатронными приводами с резонансными электромагнитными механизмами различных конструкций. В рамках метода предложена структура построения интеллектуальной системы управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, отличающаяся от существующих тем, что для определения величины управляющего воздействия используется аппарат нечеткой логики.
2. Предложен метод реализации режима раскачки якоря, обеспечивающий установку якоря привода в исходное положение, отличающийся тем, что частота, формируемой в обмотках последовательности импульсов тока определяется из условия достижения якорем резонансных колебаний низших порядков.
3. Созданы математические модели и программное обеспечение, позволяющие сократить время на настройку нечеткого регулятора в реальных условиях, за счет использования параметров настроек, полученных в процессе математического моделирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов управления мехатронными приводами, в состав которых входят резонансные электромагнитные механизмы, позволяющих использовать единый подход к управлению независимо от модификации их конструкций.
Практическая значимость диссертационной работы:
1. Создана методика проектирования устройства управления мехатронными приводами клапана ГРМ ДВС, отличающаяся возможностью определения основных параметров с учетом широкого температурного диапазона работы мехатронного привода и метода реализации режима раскачки якоря.
2. Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, позволяющие исследовать характеристики мехатронных приводов клапана ГРМ ДВС в различных режимах под воздействием внешних факторов.
3. На основании результатов исследований спроектирован и практически реализован опытный образец устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС. Предложена модификация силовой схемы устройства управления, которая позволяет использовать ее для управления приводами, в состав которых входят поляризованные электромагниты, при сохранении возможности снижения потребляемой приводом мощности.
4. Разработан датчик линейной скорости, работающий в условиях действия магнитных полей, возникающих в процессе работы мехатронного привода клапана ГРМ ДВС.
5. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований характеристик и параметров устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС.
Внедрение результатов работы. Результаты работы приняты к внедрению в НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) в виде устройств управления резонансными электромагнитными механизмами и ООО НПП «МагнетикДон» (г. Новочеркасск) при разработке мехатронного привода клапана ГРМ ДВС. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 22040165 - «Мехатроника», специализация «Элементы и устройства мехатронных систем».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на совместных научно-технических семинарах кафедр «Электрические и электронные аппараты» и «Информационные и измерительные системы и технологии», на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна» (г.
Новочеркасск, 2006, 2008 - 2011 г.), Всероссийском смотре-конкурсе научно технического творчества студентов и аспирантов вузов «Эврика-2005» (г.
Новочеркасск, 2005г.), всероссийских научных школах для молодежи: «Мехатроника.
Современное состояние и тенденции развития» (г. Новочеркасск, 2009 г.), «Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники» (г. Новочеркасск, 2011 г.), молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах» (КЧР п. Домбай, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, получены патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 113 наименования и приложений. Общий объем работы 199 страниц, включая 36 страниц приложений и 101 иллюстрацию.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определена цель проведенных исследований, показаны научная новизна и практическая значимость, кратко сформулированы основные положения и защищаемые результаты работы.
В первой главе приводится оценка перспектив применения индивидуальных приводов клапанов ГРМ ДВС. Отмечены преимущества и недостатки пневматических, гидравлических и электромагнитных систем индивидуального управления клапанами ГРМ. Сделано заключение, что приводные ЭМ клапанов ГРМ лишены значительной части недостатков, присущих пневматическим и гидравлическим приводам, и являются наиболее гибкими с точки зрения управления и простоты конструкции. В соответствии с техническими требованиями, привод клапана ГРМ ДВС должен обеспечивать перемещение и фиксирование клапана в двух статичных положениях – клапан полностью открыт или закрыт. При этом время срабатывания привода должно быть достаточно мало (2,5-7мс, для двигателей ВАЗ – 5мс), а скорость посадки клапана в седло должна быть сопоставима со скоростью посадки клапана, приводимого в действие кулачком распределительного вала (чугунное седло – не более 0,3 0,4м/с, стальное седло – не более 0,5-0,6м/с, стальное стеллитированное седло – не более 0,7-0,8м/с).
Проведенный краткий обзор и анализ конструкций ЭМ позволили сделать вывод, что для обеспечения требуемого времени срабатывания наиболее эффективным является применение ЭМ резонансного типа (рис.1), позволяющего существенно улучшить массогабаритные показатели и уменьшить потребляемую мощность. Это обусловлено тем, что резонансный ЭМ представляет собой взаимосвязанную электромеханическую систему, состоящую из двух электромагнитов и общего якоря, подпружиненного с Рис.1. Общий вид обеих сторон, образующего тем самым пружинный конструкции ЭМ маятник. Для удержания клапана в крайних положениях, в обесточенном состоянии, в электромагните применяются постоянные магниты. При этом применение постоянных магнитов практически исключает потребление электромагнитом мощности в этих режимах.
Для управления ЭМ с поляризованной магнитной системой необходимо применять схемотехнические решения устройств управления, позволяющие формировать токи в обмотках управления как в прямом, так и в обратном направлениях, обеспечивающие создание магнитного потока, компенсирующего поток постоянных магнитов. Анализ силовых схем устройств управления позволил установить перспективные схемотехнические решения, позволяющие снизить мощность, потребляемую ЭМ из питающей сети за счет использования индуктивной энергии, накопленной в обмотках электромагнитов. Установлено, что данные силовые схемы требуют модификации в связи с необходимостью формирования в обмотке электромагнита тока обратной полярности.
Подробно рассмотрены существующие методы управления резонансными ЭМ, использующие прямые и косвенные способы определения положения якоря.
Отмечены их преимущества и недостатки. Сделан вывод о том, что вопрос управления резонансными ЭМ с поляризованной магнитной системой практически не рассматривался. Таким образом, остается нерешенным вопрос обеспечения требуемой скорости посадки клапана.
В связи с этим исследования в рассматриваемой предметной области требуют дальнейшего развития путем создания новых методов управления резонансными ЭМ, обеспечивающих переключение с заданным временем срабатывания и минимальной скоростью посадки якоря, позволяющих использовать единый подход к управлению независимо от модификации конструкций электромагнитов. Для решения этой задачи целесообразно рассматривать привод как мехатронное устройство, представляющее собой синергетическое объединение резонансного ЭМ, устройства управления, датчиков и микропроцессорного контроллера, являющихся его важными и неотъемлемыми элементами.
Рассмотренные проблемы и возможные направления их решения научно обосновывают поставленные в диссертационной работе цель и задачи.
Во второй главе предложен метод реализации режима раскачки мехатронного привода (МП). Разработан метод управления МП, позволяющий, при заданном времени срабатывания, обеспечивать минимальную скорость посадки якоря. В рамках метода предложены варианты построения интеллектуальной системы управления МП с применением и без применения специализированных датчиков положения и скорости, отличающиеся тем, что для определения величины управляющего воздействия используется аппарат нечеткой логики. Предложена математическая модель МП. Проведены численные исследования переходных режимов работы МП.
Разработана методика расчета устройства управления МП.
Привод работает в двух режимах: режиме раскачки, обеспечивающем установку якоря в исходное положение (закрытое положение клапана) и основном режиме – режиме переключения, обеспечивающем перемещение якоря и соответственно клапана из одного крайнего положения в другое. В режиме переключения процесс перемещения якоря можно представить в виде двух этапов: этап разгона и этап торможения. На этапе разгона якорь под действием усилия сжатой пружины начинает ускоряться за счет перехода потенциальной энергии пружины в кинетическую энергию якоря. На этапе торможения за счет перехода кинетической энергии в потенциальную энергию пружины происходит торможение якоря. За счет этого обеспечивается плавность разгона и торможения якоря. При этом отсутствие необходимости преодолевать силу упругости пружины на всем пути перемещения якоря позволяет значительно снизить потребляемую ЭМ мощность. Малое время срабатывания привода обеспечивается за счет того, что время движения якоря tдв в ЭМ определяется как m, t дв cэкв где m – суммарная масса перемещающихся частей привода;
сэкв – эквивалентная жесткость пружин.
В свободном состоянии якорь привода находится в среднем положении, так как уравновешивается силами сжатия пружин. Для установки якоря в исходное рабочее положение в обмотках электромагнитов формируется определенная последовательность импульсов тока, создающая вынуждающую силу, обеспечивающую колебания якоря. При достижении амплитуды колебаний якоря одного из крайних положений последний фиксируется, что свидетельствует о завершении режима раскачки. Во второй главе разработан метод реализации режима раскачки якоря, обеспечивающий установку клапана в исходное положение, отличающийся тем, что частота формируемых в обмотках последовательностей импульсов тока определяется из учета достижения якорем резонансных колебаний низших порядков. В рамках этого метода предлагается формировать в обмотках электромагнитов последовательность прямоугольных импульсов тока определенной амплитуды, меняющихся по периодическому закону i 2 1 k i cosk i t, sin i (t ) I ам k 2 k 1 где Iам – амплитуда импульса тока;
– длительностью импульса тока;
i – круговая частота изменения тока;
k – номер гармоники k = 1,2,3.... Ток, в свою очередь, создает электромагнитную силу, представляющую собой периодическую негармоническую функцию времени, так же зависящую и от текущего зазора. Так как, согласно теореме Фурье, любой периодический сигнал можно представить в виде суммы меняющихся по гармоническому закону сигналов с частотами кратными частоте исходного сигнала, то при совпадении частоты любой из гармоник, входящих в состав вынуждающей силы, с резонансной частотой колебаний пружинного маятника F=k р, будет иметь место возникновение явления резонанса k-го порядка.
Таким образом, определяется такая частота изменения тока в обмотках i, чтобы частота одной из низших гармоник электромагнитной силы совпадала бы с частотой резонансных колебаний пружинного маятника и ее амплитуда была максимальной.
Значения амплитуды Iам, длительности и частоты изменения тока i определяются путем проведения итерационного расчета, в ходе которого строится резонансная кривая. Данная кривая показывает зависимость установившейся амплитуды колебаний якоря от частоты повторения импульсов тока в обмотке электромагнита и позволяет определить необходимую частоту повторения импульсов тока для достижения условия возникновения резонанса.
Процесс раскачивания якоря является примером полезного применения резонанса и обеспечивается только в начале работы МП или в нестационарных режимах, а при использовании поляризованных электромагнитов – только в нестационарных режимах.
Во второй главе предложен метод управления МП, обеспечивающий в режиме переключения условие посадки якоря с минимальной скоростью, отличающийся тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря.
На рис. 2 представлена зависимость изменения энергии в реальной механической системе при x.
перемещении якоря Часть Рис.2. Преобразование энергии в механической потенциальной энергии расходуется на системе привода преодоление сил сопротивления, к которым в рассматриваемом случае можно отнести силы трения, давления газов на клапан газораспределительного механизма, вибраций и др.
Если предположить, что в любой момент времени компенсируются затраты энергии на преодоление сил сопротивления Wd, то распределение энергии при перемещении якоря будет соответствовать распределению энергии в идеальной (консервативной) механической системе привода. При этом клапан переместится из одного положения в другое xид с заданным временем движения и нулевой скоростью в момент посадки.
Энергетический баланс механической системы реального ЭМ выглядит следующим образом:
W W p Wk Wd Wэл Wпм, где Wp – потенциальная энергия системы;
Wk – кинетическая энергия;
Wd – энергия, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления;
Wэл и Wпм – энергии, подводимые электромагнитами и постоянными магнитами соответственно и проявляемые в виде работ сил электромагнитного притяжения.
Как видно из уравнения энергетического баланса компенсировать затраты энергии на преодоление сил сопротивления Wd возможно лишь за счет энергий Wэл и Wпм,, преобразуемых в процессе движения якоря в механическую энергию и проявляемых в виде работ сил электромагнитного притяжения. Однако, принимая во внимание тот факт, что действие постоянных магнитов на этапе разгона препятствует движению якоря, то для обеспечения переключения привода с заданным временем срабатывания и минимальной скоростью посадки якоря необходимо выполнить следующее условие:
Wэл Wd Wпм. (1) Таким образом, суть предлагаемого метода управления заключается в обеспечении выполнения равенства (1) путем регулирования величины энергии, подводимой электромагнитами. При этом обеспечивается достижение механической системой свойств, присущих идеальной системе – обеспечение заданного времени срабатывания и нулевой скорости посадки якоря.
Предлагаемый метод управления реализуется в соответствии со следующим алгоритмом:
1. На основании текущих значений скорости v(t) и положения якоря x(t) вычисляются текущие значения потенциальной Wp(t) и кинетической энергий системы Wk(t).
2. По текущему значению Wp(t) и максимальному значению потенциальной энергии Wp_max вычисляется желаемое значение кинетической энергии якоря Wk’(t) = Wp_max - Wp(t).
3. На основе текущих значений реальной Wk(t) и желаемой Wk’(t) величин кинетических энергий якоря определяется ошибка регулирования Wk(t) = Wk’(t) Wk(t). Величина Wk(t) представляет собой разницу между Wk(t) = Wэл(t) – (Wd(t) + Wпм(t)).
4. Основываясь на текущем значении положения якоря x(t) определяется производная энергии Wk(t) по величине воздушного зазора (t), т.е. значение электромагнитной силы Fэл(t).
5. По значению электромагнитной силы Fэл(t), которую необходимо создать для компенсирования Wk(t), определяется величина тока i(t), формируемая в соответствующих обмотках управления.
Значение электромагнитной силы Fэл, помимо величины тока i, так же зависит от величины воздушного зазора, вихревых токов, насыщения и других факторов, поэтому получить аналитическое описание зависимости Fэл достаточно сложно, и, как правило, последняя зависимость определяется приближенно. В связи с этим предложен метод построения системы управления МП, в которой величина управляющего воздействия определяется с помощью аппарата нечеткой логики, хорошо зарекомендовавшего себя в условиях отсутствия точного математического описания объекта управления.
В рамках разработанного метода управления система управления МП представляет собой два контура – внутренний контур регулирования тока в обмотках электромагнитов и внешний контур регулирования кинетической энергии якоря.
Регулирование тока в обмотках электромагнита возможно осуществить применением различных широко известных законов управления. Синтез нечеткой модели блока регулирования кинетической энергии якоря включает два этапа. На первом этапе – этапе структурной идентификации – формируется приближенная модель блока регулирования и осуществляется ее грубая настройка. Нечеткая модель основывается на модели Мамдани, входными переменными которой являются величина силы Fэл и текущего положения якоря x, а выходной переменной величина тока i, который необходимо сформировать в обмотках электромагнитов. В качестве метода дефаззификации используется метод центра тяжести. Далее диапазон входных и выходных переменных разбивается на несколько термов, т.е. значений лингвистических переменных. После этого, в соответствии с грамматикой лингвистических переменных, строится база правил. Завершается этап определением формы функций принадлежности, в качестве которых выбраны функции принадлежности треугольной формы. Исходной информацией для построения базы правил и определения формы функций принадлежностей является функция i = f(Fэл, x).
На втором этапе – параметрической идентификации – для повышения точности нечеткую модель блока регулирования кинетической энергии якоря обучают, т.е.
итерационно изменяют ее параметры с целью минимизации отклонения результатов логического вывода от исходных данных. Обучение нечеткой модели Мамдани представляет собой задачу нелинейной оптимизации, которая может решаться путем использования различных алгоритмов оптимизации. Задачей точной настройки является нахождение параметров нечеткой модели, обеспечивающих минимальное значение критерия среднеквадратической невязки. При этом в качестве метода оптимизации используется метод Хука-Дживса.
Обозначив через P – вектор параметров функций принадлежностей термов входных и выходной переменных нечеткой модели и через V – вектор весовых коэффициентов правил базы знаний сведем точную настройку к следующей задаче: найти такой вектор (P,V), чтобы m i j f c ( P, V, F j, x j ) min, f ( P, V ) m J где ij – значение токов, соответствующих значениям Fj и xj;
fc(P,V,Fj,xj) - значение выхода нечеткой модели при Рис.3. Расчетная значениях векторов P, V и входов Fj и xj.
кинематическая схема В приведенной задаче оптимизации на управляемые P накладываются ограничения, обеспечивающие линейную переменные упорядоченность элементов терм-множеств. Кроме того, ядра нечетких множеств не должны выходить за пределы диапазонов изменения соответствующих переменных, а значения вектора V должны находиться в диапазоне [0, 1].
Разработанная математическая модель МП описывает процессы, протекающие в резонансном ЭМ, устройстве управления и микропроцессорном контроллере, независимой непрерывно меняющейся переменной в которых является время. На рис.3 представлена кинематическая схема, используемая для расчета динамических характеристик резонансного ЭМ.
Система уравнений, описывающая математическую модель резонансного ЭМ:
ma Fэл1 Fпм1 Fэл2 Fпм2 Fпр1 Fпр2 Fтр P Fуд, a dv, v dx, dt dt F f (i, x), F f (i, x), эл1 1 эл2 Fпм1 f (x), Fпм2 f ( x), i1 f (1, x), i2 f (2, x), (U i R )dt, (U i R )dt, 111 222 (2) Fпр1 c1 x, Fпр2 c2 x, Fтр b v, P mg, m vуд k, при x xам Fуд t уд.
0, при - x x x ам ам Здесь: a, v, x – ускорение, скорость и ход якоря соответственно;
Fэл1 и Fэл2 – силы, создаваемые электромагнитами;
Fпм1 и Fпм2 – силы, создаваемые постоянными магнитами;
U, i, R – напряжение питания, активное сопротивление и токи в обмотках электромагнитов соответственно;
1 и 2 – потокосцепления обмоток;
Fпр1 и Fпр2 – силы упругости пружин;
Fтр – сила вязкого трения;
b – коэффициент вязкого трения;
P – сила тяжести;
g – ускорение свободного падения;
Fуд – сила, характеризующая удар;
tуд – длительность удара;
vуд – скорость якоря в момент удара;
k – коэффициент восстановления скорости;
xам – крайнее положение якоря.
=f(i,x) Семейства статических характеристик потокосцепления и электромагнитной силы Fэл=f(i,x) определяются путем решения задачи расчета электромагнитного поля электромагнита методом конечных элементов, для различных значений тока и воздушного зазора. Расчет выполняется в программном комплексе FEMM 4.2 с применением скрипта, написанного на интерпретируемом языке программирования Lua. Для удобства проведения расчетов зависимость потокосцепления от тока и зазора =f(i,x) преобразуется в зависимость тока от потокосцепления и зазора i=f(,x).
При проведении расчетов приняты следующие ограничения и допущения – магнитное поле электромагнита считается плоскомеридианным (осесимметричным) и за пределами расчетной области отсутствует, кривые намагничивания ферромагнитных материалов однозначны, токи равномерно распределены по токонесущим областям, якорь имеет одну степень свободы и может перемещаться вдоль оси х (см. рис.3), вихревые токи отсутствуют, сила вязкого трения пропорциональна скорости якоря, удар якоря о полюс рассматривается как мгновенное изменение скоростей соударяющихся тел и характеризуется некоторой средней силой.
а) б) г) в) Рис.4. Зависимости положения (а), скорости якоря (б), тока в обмотках привода (в) и электромагнитной силы (г) при различных значениях коэффициента вязкого трения b На рис.4 представлены характеристики, полученные в ходе численных исследований разработанной системы управления, реализующей вышеописанный метод управления, при различных значениях коэффициента вязкого трения.
Полученные результаты показывают, что предложенный метод управления позволяет обеспечить требуемую скорость посадки якоря. Однако увеличение значения вязкого трения приводит к увеличению времени движения якоря.
б) a) Рис.5. Структурная схема ПАК(а), где ИП – источник питания, УУ – устройство управления, ДТ – датчик тока, ЭМ – электромагнитный механизм, ПК – персональный компьютер, УС – устройство согласования, ДС – датчик скорости, и интерфейс пользователя FreeMaster(б) Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. При использовании предложенной методики расчета был разработан и изготовлен экспериментальный образец устройства управления МП. Для автоматизации проведения экспериментальных исследований создан программно-аппаратный комплекс (ПАК), структурная схема которого представлена на рис.5а.
Управление экспериментальной установкой осуществляется с помощью прикладной программы, разработанной фирмой Freescale Semiconductor FreeMaster (рис.5б), которая позволяет по интерфейсу RS-232 либо JTAG управлять испытуемым устройством, контролировать и регистрировать переменные процесса как в текстовом, так и в графическом виде. FreeMaster имеет возможность воспроизведения интерфейса пользователя, разработанного на языке HTML, с поддержкой исполняемых скриптов Visual Basic и Java. Внешний вид установки для проведения экспериментальных исследований представлен на рис.6.
При проведении экспериментальных исследований уточнялись характеристики и параметры резонансного ЭМ, определить которые расчетным путем достаточно сложно, но они могут оказывать существенное влияние и результаты могут существенно отличаться от реальных. На рис.7 приведены характеристики затухания колебаний якоря и силы, создаваемой постоянным магнитом, полученные расчетным и экспериментальным путем (значению х = 3.95мм соответствует минимальный воздушный зазор).
Проведённые экспериментальные исследования режима раскачки якоря показали, что экспериментальный диапазон частот повторения импульсов тока раскачки перекрывает расчетный, хотя и расположен на несколько герц выше. Полученные при этом результаты свидетельствуют об адекватности разработанного метода реализации режима раскачки якоря, математических моделей и программ. Это позволяет использовать результаты расчета частоты импульсов раскачки в качестве исходных данных для Рис.6.Установка для проведения первого включения МП, без проведения экспериментальных исследований дополнительных экспериментальных исследований.
a) б) Рис.7. Характеристика затуханий колебаний якоря (а) и зависимость силы постоянных магнитов от положения якоря (б) Задачами экспериментальных исследований режима переключения являлись оценка работоспособности разработанного метода управления и исследование влияния степени компенсации действия постоянных магнитов, точной настройки нечеткого регулятора и изменения напряжения питания на динамические характеристики МП.
Экспериментальные характеристики скорости якоря при работе нечеткого регулятора с параметрами, полученными на этапе грубой настройки, показывают, что якорь достигает полюса электромагнита с требуемой скоростью, не превышающей заданной – 0,4м/с. Это свидетельствует о корректной работе предложенного метода управления и адекватности разработанной базы правил нечеткого регулятора. При этом время движения якоря по сравнению с расчетным выше на 26% и составляет 7.1мс.
Для снижения времени движения якоря были получены и проанализированы зависимости скорости якоря при различных характеристиках тока компенсации.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение степени компенсации действия удерживающего постоянного магнита на этапе разгона до определенного предела снижает время движения якоря (t4 = 7.03 мс, t3 = 6.91 мс, t2 = 6.84 мс, t1 = 6.7 мс), т.е. уменьшается суммарная сила сопротивления движению на этапе разгона. На основе информации, полученной на предыдущих этапах экспериментальных исследований, была уточнена характеристика тока, необходимая для компенсации замедляющего действия постоянных магнитов, и проведена точная настройка нечеткого регулятора. На рис. представлены характеристики тока и скорости якоря, полученные после точной настройки нечеткого регулятора.
Представленные характеристики показывают, что время движения якоря сократилось до 6мс, что лишь на 6% превышает расчетное.
Рис.8. Зависимость тока и скорости якоря, после точной При этом скорость посадки якоря настройки нечеткого регулятора осталась в требуемом диапазоне, не превышающем заданную величину – 0,4 м/с.
Для оценки влияния изменения напряжения питания были получены зависимости тока и скорости якоря при напряжении питания МП 24В и 36В.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение напряжения питания ведет к снижению времени трогания и времени движения, а также к незначительному увеличению скорости посадки якоря. Максимальное время трогания при напряжениях 24В и 36В составило – 0.36мс и 0.22мс, время движения – 6мс и 5.85мс соответственно. Отклонение экспериментального значения времени движения якоря от расчетного при напряжении питания 24В составило 6% и 3.5% при 36В.
Максимальная величина скорости посадки клапана при напряжении питания 24В составила (0.31 ± 0,02)м/с, при напряжении 36В – (0.36 ± 0,02)м/с.
Один из наиболее сложных вопросов, который необходимо решать при вводе в эксплуатацию устройства управления, это оптимизация параметров функций принадлежности при настройке нечеткого регулятора. Проведение оптимизации в реальных условиях требует значительных временных ресурсов. Для оценки возможности применения настроек, полученных при математическом моделировании, при проведении экспериментальных исследований проведено сопоставление соответствующих поверхностей отклика нечеткого регулятора. Оценка совпадения поверхностей отклика нечеткого регулятора выполнялась путем вычисления нормированного скалярного произведения поверхностей, которое составило 0.938, что свидетельствует о хорошем согласовании экспериментальных и расчетных данных.
В четвертой главе проведено исследование влияния внешних воздействующих факторов на динамические характеристики МП клапана ГРМ ДВС.
Экспериментальное исследование влияния внешних воздействующих факторов, таких как давление газов на клапан ГРМ, изменение температуры окружающей среды, вибраций, создаваемых ДВС, на динамические характеристики МП клапана ГРМ ДВС требует значительных финансовых и временных затрат, и не всегда может быть осуществимо. В этом случае применение математического моделирования позволяет существенно снизить эти затраты. Достоверность полученных результатов будет определяться адекватностью разработанных математических моделей.
Результаты, полученные в предыдущей третьей главе, свидетельствуют о хорошем совпадении экспериментальных данных с результатами математического моделирования, что позволяет применить для оценки влияния внешних воздействующих факторов на динамические характеристики МП клапана ГРМ ДВС математическое моделирование. Для этого разработана комплексная математическая модель, позволяющая исследовать переходные процессы при переключении МП клапана ГРМ ДВС в условиях влияния внешних факторов. Уравнение движения якоря с учетом действия внешних воздействующих факторов имеет вид ma Fэл1 Fпм1 Fэл2 Fпм2 Fпр1 Fпр2 Fтр P Fуд Fвиб Fгаз, где Fвиб - сила, создаваемая вибрацией;
Fгаз - сила давления газов.
Так как значение массы движущихся частей привода и коэффициента демпфирования в резонансных ЭМ значительно меньше суммарной жесткости пружин, то перемещение якоря под действием вибрации будет определяться ускорением, действующим на корпус привода. Это позволяет считать силу Fвиб переносной силой инерции, которая прикладывается к центру тяжести якоря.
Система уравнений, описывающая влияние внешних воздействующих факторов, может быть представлена в виде S с E(T ), l a (T T0 ) S b 0 e, hS R1 R0 (1 T T1 ), R2 R0 (1 T T2 ), (3) Fвиб m aвиб, a A sin( t ), виб виб виб виб Fгаз p Sкл, p u, 2,7 0,8 0,14.
x / dкл x / dкл Здесь: R0 – активное сопротивление обмоток при 0С;
T1 и T2 – температура обмоток;
E – модуль упругости;
S0 и l – площадь сечения проволоки и длина пружины соответственно;
и 0 – значения динамического коэффициента вязкости при температуре t и t 0 градусов;
– показатель степени, зависящий от рода жидкости;
aвиб, Aвиб, виб, виб – ускорение, амплитуда, частота и фаза вибрации соответственно;
p – разность давления на клапане;
Sкл – площадь сечения клапана;
– коэффициент местного сопротивления;
– плотность газа;
u – скорость истечения газов в клапане, d кл – диаметр клапана.
Совместное решение систем уравнений (2) и (3) позволяет оценить влияние изменения температуры окружающей среды, вибраций и разности давлений, действующих на клапан ГРМ, на динамические характеристики МП. Оценка влияния вибрации проводилась в условиях действия синусоидальных гармонических колебаний с максимальной амплитудой ускорения 10g и диапазоном частот 0,5 – 500Гц по ГОСТ 30631, согласно методике, изложенной в ГОСТ 30630.1.1. Влияние разности давлений и изменений температуры оценивалось в условиях изменения параметров газообмена, расчет которых выполнялся с помощью программного комплекса «Дизель - РК». При этом учитывалось влияние изменения температуры на параметры привода: активное сопротивление обмоток электромагнита, жесткость пружин, коэффициент вязкого трения. Оценка влияния износа пружин проводилась при относительном уменьшении жесткости со 100 до 75% номинального значения жесткости пружин.
Помимо математического моделирования также проводилась экспериментальная оценка действия вибрации на низких частотах (4-20Гц), и изменения температуры окружающей среды (от -5 до 30 С), которая показала хорошее совпадение с результатами моделирования.
Полученные результаты показали, что действие вибрации в диапазоне от 0.5ц до 250Гц приводит к увеличению времени трогания и движения на 7 и 17% соответственно. При частотах выше 250Гц влияние вибрации несущественно.
Увеличение перепада давления на выпускном клапане, в начале такта выпуска, приводит к росту времени движения на величину до 5-15% превышающую расчетную. На время трогания влияние перепада давления оказывает более существенное влияние (до 110%). Установлено, что величина перепада давления накладывает ограничения на возможность применения МП, так как при достижении соответствующего перепада давления на выпускном клапане характеристики времени трогания и движения устремляются в бесконечность. Изменение температуры оказывает существенное влияние на величину силы вязкого трения, что приводит к увеличению времени движения на 16%. Изменение жесткости пружин и активного сопротивления обмоток в зависимости от температуры не оказывают существенного влияния.
Таким образом, воздействие внешних факторов оказывает несущественное влияние на скорость посадки якоря, что позволяет сделать вывод об эффективности разработанного метода управления. Однако в случае предъявления более жестких требований к времени срабатывания привода приведенные отклонения времени трогания и движения якоря необходимо учитывать на этапе проектирования МП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе решена актуальная научная задача разработки метода и устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающего его переключение с заданной скоростью посадки клапана, и получены следующие основные результаты:
1. Разработан новый метод управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, обеспечивающий, при заданном времени срабатывания, минимальную скорость посадки клапана в седло, отличающийся от существующих тем, что управляющее воздействие формируется в зависимости от изменения текущего значения кинетической энергии якоря. Предложена структура интеллектуальной системы управления на основе методов нечеткой логики с применением и без применения специализированных датчиков скорости и положения.
2. Предложен метод реализации режима раскачки якоря исполнительного электромагнита, обеспечивающий установку клапана в исходное состояние, отличающийся тем, что частота формируемой в обмотках последовательности импульсов тока определяется из условия достижения якорем резонансных колебаний низших порядков.
3. Предложена математическая модель для расчета динамических характеристик электромагнитного механизма мехатронного привода клапана ГРМ ДВС, которая позволяет использовать результаты моделирования в качестве исходной информации при первом включении устройства управления.
4. Разработана методика проектирования устройства управления мехатронным приводом клапана ГРМ ДВС, на основе которой создан опытный образец устройства управления.
5. Разработан программно-аппаратный комплекс для проведения исследований устройства управления. Экспериментально подтверждена эффективность разработанного метода управления.
6. Подтверждена адекватность разработанных математических моделей, что позволяет использовать параметры настроек нечеткого регулятора, полученные в процессе математического моделирования, в реальных условиях.
7. Разработана комплексная математическая модель мехатронного привода клапана ГРМ ДВС с учетом действия внешних возмущающих факторов. Проведены численные исследования режимов, обеспечиваемых при реализации предложенного метода управления. Разработаны рекомендации, которые необходимо учитывать на этапе проектирования и эксплуатации привода.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Гильмияров К.Р. О выборе типа регулятора тока в обмотках быстродействующего резонансного электромагнитного привода // Изв. вузов.
Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2010. №5. – С. 105-107.
2. Гильмияров К.Р. Управление резонансным электромагнитным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания с использованием методов нечеткой логики / А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2011. №4. – С. 55-60.
3. Гильмияров К.Р. Способ управления резонансным электромагнитным приводом клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания / А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2012. №1. – С. 46-50.
4. Гильмияров К.Р. Математическое моделирование мехатронного привода клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания / А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров // Изв. ЮФУ. Технические науки – 2012. №3. – С.
257-263.
5. Гильмияров Электромагнитный привод для клапанов К.Р.
газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания / И.А.
Павленко, К.Р. Гильмияров // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2009. – Спецвып.: Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития: Всеросс.
науч. школа для молодежи (г. Новочеркасск, 2-15 ноября 2009 г.). – С. 5-10.
Статьи, материалы конференций и другие материалы:
6. Гильмияров К.Р. Автоматизированный стенд для исследования распределенных параметров мехатронных систем / А.А. Гуммель, В.С. Пузин, К.Р. Гильмияров // Научно-техническое творчество студентов вузов: материалы Всерос. смотра конкурса научн.-техн. творчества студ. вузов «Эврика-2005»/ Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).– Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. – Ч.
1. – С. 322-327.
7. Гильмияров К.Р. Портативное устройство для сопряжения аналоговых датчиков / А.А. Гуммель, В.С. Пузин, К.Р. Гильмияров, и др.// Студенческая научная Весна – 2006: сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. – C. 253-254.
8. Гильмияров К.Р. Применение микроконтроллеров в системе управления импульсным источником питания / В.С. Пузин, А. А. Постников, К.Р. Гильмияров и др. // Электрика. – № 5. – 2008. – С. 23-25.
9. Гильмияров Анализ схем построения систем управления К.Р.
электромагнитными приводами клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания / А.А. Гуммель, К.Р. Гильмияров // Студенческая научная весна – 2008: материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЛИК, 2008. – С. 390-392.
10. Гильмияров К.Р. Устройство управления резонансным электромагнитным приводом / А.А. Гуммель, К.Р. Гильмияров // Студенческая научная весна – 2009:
материалы докладов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа/ Юж. Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЛИК, 2009. – С. 182.
11. Гильмияров К.Р. Экспериментальные исследования адаптивного устройства управления резонансными электромагнитными приводами // Студенческая научная весна – 2010: материалы докладов региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010. – С. 192-193.
12. Гильмияров К.Р. Силовой модуль устройства управления мехатронным приводом // Студенческая научная весна – 2011: материалы региональной научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн.ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. – С. 232 – 234.
13. Гильмияров К.Р. Способ реализации режима раскачки резонансного электромагнитного привода / А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров // Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы для молодежи, г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЛИК, 2011. – С.102-105.
14. Проектный расчет электромагнитного привода: Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2010615553 Рос. Федерация / И.А. Павленко, К.Р.
Гильмияров, А.В. Павленко, Д.В. Батищев, А.А. Гуммель. – Заявл.30.06.2010;
зарег. в реестре программ для ЭВМ 27.08.2010.
15. Патент на полезную модель № 103228. Рос. Федерация, МПК H01F 7/18.
Устройство управления мехатронным приводом / А.В. Павленко, А.А. Гуммель, К.Р. Гильмиров – № 10140032/07;
заявл. 29.09.2010;
опубл. 27.03.2011, Бюл. № 9.
16. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Индуктивный датчик линейной скорости. / А.В. Павленко, К.Р. Гильмияров – № 2012114985/28(022690);
дата подачи заявки 16.04.2012.
Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве состоит: в разработке метода управления и реализации устройства управления резонансным электромагнитным механизмом [2, 3, 5, 10, 13, 15], в разработке математической модели мехатронного привода и проведении численных исследований [4], в разработке алгоритма работы и реализации программного обеспечения [6, 7, 8], в проведении анализа систем управления поляризованными электромагнитными механизмами [9], в разработке алгоритма расчета силовой схемы устройства управления электромагнитным механизмом [14], в разработке конструкции датчика линейной скорости [16].
ГИЛЬМИЯРОВ Константин Ринардович МЕТОД И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫМ ПРИВОДОМ КЛАПАНА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Автореферат Подписано в печать..2012. Формат 6084 1/16.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж _ экз. Заказ № -.
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)