 |
IV. Классификация и принцип действия
|
|
|
|
систем управления двигателем
По признакам обработки информации ЭСУД разделяются на 4 группы
(рис. 1.2.14) [3].
Рис. 1.2.14. Классификация систем управления двигателем
по информационному признаку
Системы с программным управлением
Основными отличительными особенностями этих систем и входящих в них приборов являются:
– постоянная, жесткая программа действий;
– отсутствие обратной связи.
Такими свойствами обладают обычные карбюраторы, системы зажигания с автоматами опережения зажигания, ЭСАУД имеющие перечисленные выше особенности.
Основным показателем качества систем этой группы является стабильность заложенных их программ. Она обеспечивается статичностью системы и постоянства технических параметров подсистем и приборов.
Следует отметить, что разработчики смогли добиться очень высокой стабильности программных систем. При ресурсе более 100 тыс. км пробега дрейф программы в серийных системах не превышает + 3%. [3]
На работу ЭСАУД оказывают влияние большое количество факторов
(система «ВАМС»), в том числе и эксплуатационных: износ сопряжений, нарушение регулировок, изменение свойств материалов и др. В результате имеет место рассогласование заложенной при изготовлении программы с требуемой, непрерывно меняющейся вследствие действия эксплуатационных факторов.
Некоторые зарубежные фирмы применяли ручное переключение программ через определенный пробег автомобиля (например, через 20 тыс. км.). Но это лишь частично решало проблему рассогласование программ.
Тем не менее, массовое производство систем с программным управлением с 1960-по 1990г. сыграло свою положительную роль. За это время за счет усовершенствования конструкции технологии узлы и элементы системы были доведены до высокой степени надежности и функционирования, а системы управления ДВС максимально статизированы.
|
|
|
Обычный карбюратор, как автоматическая система, представляет собой систему с программным управлением. Для главной дозирующей системы командным параметром является давление воздуха в диффузоре, для экономайзера с механическим приводом – положение дроссельной заслонки, для экономайзера с пневматическим приводом – давление во впускном трубопроводе и т.п. Разумеется, рассогласование выше описанных программ в карбюраторе имеет место. Он не обеспечивает наивыгоднейшие режимы даже при оптимальной программе дозирования.
Системы впрыскивания топлива с механическим регулированием также относится к системам с программным управлением. Командным параметром в них являются давление во впускном трубопроводе или расход воздуха, а программа задается настройкой (подбором) пружин, механизмов регулятора состава смеси.
Структурная схема ЭСУД программного типа представлена на рис. 1.2.15.
Рис. 1.2.15. Структурная схема электронной системы управления
впрыском топлива бензинового двигателя:
1 – тактовый генератор; 2 – дроссельная заслонка; 3, 5 – аналого-цифровые пре-
образователи; 4 – распределитель; 6 – постоянно-запоминающее устройство;
7 – преобразователь интервала времени; 8 – усилитель мощности электросигнала; 8 – усилитель мощности электросигнала; 9 – устройство синхронизации;
10 – электромагнитные форсунки; 11,12,13 – датчики соответственно: температуры охлаждающей жидкости, абсолютного давления и температуры всасываемого воздуха.
Работает система следующим образом. Электронная система управляет включением и выключением форсунок 10, то есть длительностью импульса, в течение которого происходит впрыск топлива в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, частоты вращения к.в., абсолютного давления во впускном трубопроводе и температуры охлаждающей жидкости. ПЗУ хранит информацию о необходимом количестве впрыскиваемого топлива в виде кодовых комбинаций. Эта кодовая комбинация соответствует определённому углу открытия дроссельной заслонки и на частоте вращения к.в. В соответствии с кодовой комбинацией ПЗУ система впрыскивает в зону впускного клапана определённое количество топлива. Выбор кодовой комбинации осуществляется на основе информации имеющихся датчиков. Синхронизация работы системы обеспечивается с помощью датчика к. в.
|
|
|
Распределитель 4 с помощью дополнительных контактов формирует информацию о частоте вращения к. в. в виде импульсного сигнала, который поступает на АЦП (5), с помощью которого сигнал преобразуется в двоичный код для обращения к ПЗУ (6). Другой АЦП (3) используется для преобразования аналогового напряжения, снимаемого с угла открытия дроссельной заслонки 2. После чего тактовый генератор 1 формирует импульсы постоянной частоты, необходимые для работы АЦП. Преобразованные сигналы в двоичном коде, один из которых характеризует частоту вращения к.в., а второй – угол открытия дроссельной заслонки, подаются на адресные входы ПЗУ.
В зависимости от угла открытия дроссельной заслонки и частоты вращения к.в. ПЗУ выдает сигнал в виде двоичного кода, который в устройстве 7 преобразуется в интервал времени. Этот интервал времени соответствует пропорции впрыскиваемого топлива. Затем устройства синхронизации 9 обеспечивает впрыск топлива в соответствующий момент рабочего цикла двигателя. Информация от датчиков абсолютного давления 12, температуры охлаждающей жидкости 11, температуры всасываемого воздуха подается на входы преобразователя 7 для коррекции интервала времени. Затем этот сигнал усиливается в усилителе мощности 8 и подается на электромагнитные форсунки 10.
Вариант системы впрыска с программным управлением показан на рис. 1.2.16.
Рис. 1.2.16. Система впрыскивания с программным управлением:
1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3 – топливный бак; 4 – форсунка с
электромагнитным управлением; 5 – впускной клапан; 6 – впускной
|
|
|
трубопровод; 7 – форсунка; 8 – стабилизатор давления топлива; 9, 13 – датчики температуры соответственно воздуха и охлаждающей жидкости; 10 – перепускной клапан регулирования подачей воздуха при пуске и прогреве двигателя;
11 – датчик положения и скорости открытия дроссельной заслонки;
12, 14 – датчики абсолютного давления и частоты вращения вала
Электронные системы впрыска с программным управлением управляют впрыском по сложной программе. Характеристика этой программы представлена на рис. 1.2.17.
Рис. 1.2.17. Обобщённая регулировочная характеристика
двигателя по составу смеси
ПОДАЧА ТОПЛИВА
При непрерывном дозировании топлива требуемый диапазон измерения расхода топлива очень широк (Gтmax/Gтmin ≈ 40). То есть, если регулировать расход топлива изменением пропускной способности дозирующего отверстия, то, при постоянном давлении топлива его сечение необходимо изменять в 40 раз. Если же регулировать расход изменением давления, (при постоянном сечении дозирующего топлива) то это давление необходимо изменять в 1600 раз. Практически реализовать указанные два способа дозирования очень трудно.
В случае дискретного дозирования топлива диапазон изменения цикловой подачи сокращается до 4. В качестве дозирующего элемента удобно применять форсунки с быстродействующими клапанами, управляемыми электромагнитами. При этом при постоянном перепаде давления перед форсункой и пространством, куда топливо подается, цикловой расход топлива зависит только от длительности открытия клапана форсунки. Тогда все управление впрыском сводится к формированию командного импульса определенной длительности.
Системы с программно-адаптивным управлением
Ужесточение требований к токсичности отработавших газов обусловило установку в выпускных трубах трехкомпонентных нейтрализаторов. Эти нейтрализаторы эффективны только при стехиометрический состав горючей смеси. В эксплуатационных условиях обеспечить стехиометрический состав горючей смеси возможно только при введении обратной связи с помощью датчика кислорода, установленного в выпускном трубопроводе.
|
|
|
Другой причиной создания программно-адаптивных систем явилось необходимость предохранить двигатель от разрушительного действия детонации. Установка датчиков детонации и формирование на основе их сигналов управляющих импульсов по изменению состава горючей смеси и угла опережения зажигания сделали программно-адаптивные системы более эффективными и позволили шире применять неэтилированные бензины.
Схема прохождения информации в программно-адаптивной системе управления дозированием топлива по критерию стехиометрического состава горючей смеси представлена на рис. 1.2.18.
Рис. 1.2.18. Схема прохождении информации в программно-адаптивной
системе управления дозированием топлива по критерию стехиометрического
состава горючей смеси: 1 – каталитический нейтрализатор отработавших газов;
2 – выпускной коллектор отработавших газов; 3 – двигатель; 4 – измеритель расхода воздуха; 5 – форсунки, дозирующие топливо; 6 – блок синтеза информации;
7 – λ – зонд; —– – информация датчиков и командных импульсов, подаваемых на форсунки; 
– информация обратной связи (λ – зонд)
Аналогичным образом происходит прохождение информации в системах управления по признаку детонации.
Результат действия программно-адаптивной системы управления углом опережения зажигания по критерию детонации показан на рис. 1.2.19.
Рис. 1.2.19. Результат действия программно-адаптивной системы
управления углом опережения зажигания по критерию детонации: а – система включена; б – система выключена; р – амплитуда ударных волн в камере сгорания; φ – угол поворота коленчатого вала
Вариант программно-адаптивной электронной ЭСАУД представлен на рис. 1.2.20.
Рис. 1.2.20. Вариант программно-адаптивной электронной системы управления:
1 – замок зажигания; 2 – разъём для подключения внешних средств диагностики;
3 – сигнал включения нейтральной передачи; 4 – сигнал включения кондиционе-
ра; 5 – сигнал скорости автомобиля; 6 – реле включения; 7 – распределитель за-
жигания; 8 – катушка зажигания; 9 – датчик аварийного падения давления масла;
10 – реле; 11 – ЭБУ; 12 – шаговый двигатель системы управления частотой вра-
щения коленчатого вала на холостом ходу; 13 – датчик расхода воздуха; 14 – дат-
чик температуры поступающего в двигатель воздуха; 15 – регулятор давления;
16 – датчик угла открытия дроссельной заслонки; 17 – клапан холостого хода;
18 – форсунка холодного пуска; 19 – редукционный клапан; 20 – форсунка;
|
|
|
21 – таймер прогрева; 22 – датчик температуры охлаждающей жидкости;
23 – датчик детонации; 24 – топливный фильтр; 25 – топливный насос; 26 – бак
для топлива; 27 – датчик кислорода
Итак, программно-адаптивные системы позволяют эффективно применять трехкомпонентные нейтрализаторы отработавших газов и повысить детонационную стойкость топлива, или при той же детонационной стойкости топлива почти на 1 увеличить степень сжатия. Это позволяет улучшить энергетические и экономические показатели двигателя.
Системы с адаптивным управлением
Автомобиль функционирует в системе «вамс», состояние и действия факторов в которой непрерывно меняются. Следовательно, режимы работы его агрегатов, механизмов и приборов должны быть полнее согласованы с условиями их работы. Большинство механизмов автомобиля следует рассматривать как системы с программным управлением, то есть без обратной связи. Они лишены возможности адаптации. Программа их действия закладывается при проектировании, уточняется в процессе их доводки и должна сохраняться в неизменном виде в течение всего эксплуатации.
Интеллектуальные системы управления двигателем
Одной из основных особенностей интеллектуальных систем является наличие блоков ассоциативной памяти. Запоминающие устройства, построенные ассоциативному признаку, отличаются тем, что поиск информации производится по признаку самой информации [16].
Искусственный интеллект означает не только способность современных компьютеров производить миллионы вычислительных операций в доли, секунды, но и выбирать в качестве цели осмысленные решения в многовариантной ситуации.
Интеллектуальные системы должны содержать в своей конструкции особые датчики – перцептроны (перцепция – восприятие), предназначенные для восприятия и опознания зрительных образов, акустических воздействий, запахов, тактильных ощущений.
Кибернетические системы, снабженные перцептонами, представляют собой модели биологических систем. Эти системы должны иметь все основные достижимые качества биологических систем и, по возможности, не повторять их естественные недостатки. Кроме того, информация перцептрона не должна выходить из поля разрешающей способности системы при изменении, например мимики лица (независимо от того, хмурится оно или улыбается).
Рассмотрим модель нейрона (рис. 1.2.21).
Рис. 1.2.21. Модель нейрона
Это по сути ждущий мультивибратор (одновибратор) на двух транзисторах VT2 и VT3 (типа n-p-n). В устойчивом состоянии одновибратора транзистор VT2 закрыт отрицательным напряжением, подаваемым на его базу (транзистор VT3 открыт). Временный интервал импульса определяется при пространственном (от нескольких входов) и временном накоплении информации в виде импульсов на конденсаторе С. При срабатывании одновибратора формируется на выходе импульс определенной длительности и амплитуды от емкости конденсатора Сm и сопротивления резистора Rm. В результате на выходе возбуждения появляется положительный импульс, а на выходе торможения отрицательный. Невольно возникает аналогия с каскадом БСИ в системах дозирования топлива [4].
В настоящее время разработаны модели нейронов и на других принципах
(на магнитных элементах, электрохимических, термических, пневмонике и др.) В дальнейшем под искусственным интеллектом будем понимать очень ограниченную часть естественного биологического интеллекта, свойственного живым существам и, прежде всего, представителю высшего уровня их развития – человеку. Степень ограничения столь высока, что в ряде случаев интеллектуальные и неинтеллектуальные системы будут практически сливаться. По уровню интеллекта системы управления, в том числе системы управления автомобильными двигателями, можно разделить на низкий, средний и высокий.
К системам с низким уровнем интеллекта относятся системы, имеющие логические элементы низкого уровня: Да, Нет, ИЛИ-ИЛИ, И, системы, имеющие оперативную и долговременную память. Такие системы имеют жесткие программы действия, или, в крайнем случае, к ним относятся программно-адаптивные системы.
Адаптивные, в основном многомерные системы, обладающие способностью распознавания сложных фонобразов (речи, музыкальные мелодии), а не только звуки определенного тона и обязательно способные распознавать сложные видеообразы относятся к системам со средним уровнем интеллекта. Такие системы должны распознавать дорогу, а не дорожные знаки, лицо, контролируемого человека, а не вообще человеческое лицо.
Системы высокого интеллекта, кроме обязательного и точного распознавания образов, должны обладать способностью общения с человеком на разговорном языке с помощью синтеза речи.
Пока большинство всех систем управления двигателем относятся к системам с низким уровнем интеллекта. Уже создана (Япония) система среднего уровня для управления автомобильным двигателем. Это многомерная, адаптированная система, обеспечивающая без вмешательства водителя наивыгоднейшие в данной реальной обстановке работы двигателя и его наивысшие энергетические, экономические и экологические параметры.
Система высокого интеллекта при таких же условиях тоже должна выполнять указанные функции, но в отличие от среднего уровня должна понимать речевые команды водителя, оценивать их критически и с помощью синтезатора речи вести с ним интеллектуальный диалог и объяснять свои действия, если они противоречат командам водителя. Если водитель настаивает на исполнении команд, то система обязана предупредить его о результатах и последствиях их исполнения, кроме тех случаев, когда выполнение команд водителя приведет к аварии. Тогда система должна срабатывать независимо от действий водителя.
Кроме того, система должна безошибочно узнавать своего владельца (по образу или голосу), быть с ним предельно корректной и исполнительной. По своему усмотрению или его просьбе информировать о техническом состоянии автомобиля. Современные автомобильные компьютеры выполняются часть перечисленных функций, но, пока диалоговое общение отсутствует.
В основе систем высокого интеллекта будут находится микроЭВМ с несколькими микропроцессорами, большим объемом долговременной и оперативной памяти, а также сложные системы синтеза речи, восприятие и запоминание видео-информации и другие устройства высокого уровня.
Дальнейшее развитие интеллектуальных систем управления связано с успехами в разработке и практическом освоении нейрокомпьютеров, способных к самообучению и беспрограммной реализации поставленной задачи. Принцип действия таких систем основан на быстром накоплении и оперативном использовании банка данных и выбора оптимального варианта решения поставленной задачи при строгом соблюдении заданных условий и критерия оптимизации. Система не должна требовать предварительной математической формализации задачи и составления программы ее решения. Таким образом, система должна работать по принципу биологического мышления.
Развитие систем управления происходит в последовательности программные-программно-адаптированные и, наконец, адаптировано-интеллектуальные [3].
|
|
|
