Разработка методов и алгоритмов функционирования устройств контроля и диагностирования в системах управления многоцилиндровых двигателей

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы Цель диссертационной работы. Методы и средства исследования. Научная новизна. Основные результаты и положения, выносимые на защиту Практическая значимость. Апробация работы. Достоверность и обоснованность результатов. Структура и объем диссертационной работы. Содержание работы В первой главе Во второй главе В третьей главе N – количество точек в выборке; – i В четвертой главе H – число цилиндров; S В пятой главе Результаты диссертации опубликованы в следующих работах Разработка методов и алгоритмов функционирования устройств контроля и диагностирования

Подобный материал:

• Повышение эффективности диагностирования цилиндропоршневой группы автомобильных двигателей, 268.3kb.
• Рабочей программы дисциплины Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления, 19.08kb.
• Разработка методов и средств лазерного контроля геометрии лопаток газотурбинных двигателей, 249.22kb.
• Методика нечеткой логики позволяет решать задачи управления разнообразным оборудованием, 60.92kb.
• Учебная программа по дисциплине основы теории управления трибунский, 56.3kb.
• «Основы теории автоматического управления», 78.26kb.
• Универсальный электронный модуль управления электродвигателями, 81.96kb.
• Разработка моделей и алгоритмов оптимизации процедур диагностирования на граф-моделях, 272.8kb.
• Программа вступительного испытания (собеседование/устный экзамен) по дисциплинам «Информационная, 30.7kb.
• Методические указания и контрольные задания к внеаудиторной самостоятельной работе, 418.16kb.

На правах рукописи

ТРЮБЕР Сергей Сергеевич


РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЦИЛИНДРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ


Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления


Автореферат


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Саратов 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»


Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

Официальные оппоненты		- доктор технических наук, профессор Игнатьев Александр Анатольевич - кандидат технических наук Горбунов Владимир Владимирович
Ведущая организация		- Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)

Защита состоится 23 июня 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).


Автореферат разослан « 21 » мая 2010 г.


Автореферат размещён на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 21» мая 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Терентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализируется современное состояние, обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи работы, отмечаются научная новизна и практическая значимость, характеризуются методы исследования, приводятся сведения об апробации работы и структуре диссертации, формулируются основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ существующих методов и особенностей диагностирования многоцилиндровых ДВС. Обосновываются причины, по которым в качестве диагностического сигнала выбрана внутрицикловая неравномерность угловой скорости коленчатого вала.

На рис. 1 приведено схематическое изображение многоцилиндрового двигателя (1) и датчиков положения коленчатого (2) и распределительного валов (3) штатной системы управления двигателем. Для предварительной обработки сигналов датчиков предлагается использовать специализированное микропроцессорное устройство (4), которое формирует выборки угловой скорости за один цикл работы четырехтактного двигателя, включающего два оборота коленчатого вала. Оно же выполняет нетребовательные к ресурсам алгоритмы и выдает сигнал об аварийной ситуации на устройство управления (5). Вычислительно-сложные алгоритмы диагностирования и диалог с пользователем производятся на ЭВМ оператора (6).



Рис. 1. Функциональная схема многоцилиндрового ДВС, системы управления и встраиваемого устройства контроля и диагностирования

По наблюдаемой внутрицикловой неравномерности угловой скорости коленчатого вала можно судить о работе отдельных элементов и всего двигателя в целом. В отличие от других методов контроля и диагностирования, анализ внутрицикловой неравномерности угловой скорости не требует вмешательства в конструкцию двигателя.

В многоцилиндровых двигателях, в отличие от малоцилиндровых, наблюдаются существенные особенности динамики работы, которые ограничивают использование известных методов и алгоритмов.

Проведённые эксперименты показали, что неравномерность угловой скорости многоцилиндровых двигателей составляет приблизительно 0,7% для шестнадцатицилиндрового дизеля (16ЧН26/26) против 4% шестицилиндрового двигателя (K6S310DR) и 6% четырехцилиндрового двигателя (4ДМ2). Из-за малой величины неравномерности полезный сигнал, характеризующий работу отдельного цилиндра, теряется среди погрешностей измерения, в большинстве случаев систематических, связанных в основном с неравномерностью расположения зубьев на модуляторе датчика угловой скорости.

В связи с этим для разработки устройства контроля и диагностирования многоцилиндровых ДВС необходимо решить задачи: устранения основных систематических погрешностей в сигнале датчика положения коленчатого вала, разработки методов и алгоритмов обработки информации с целью анализа работоспособности двигателя и реализации их в предлагаемом устройстве и программах для микропроцессора и ЭВМ оператора.

Во второй главе предложена методика измерения угловой скорости коленчатого вала, которая позволяет без больших вычислительных затрат и с минимальным расходом памяти сохранить выборку угловой скорости за рабочий цикл двигателя и передать её на ЭВМ оператора. Рассмотрены возможности исключения импульсных, снижения случайных погрешностей и предложен способ устранения систематической погрешности, вызванной неравномерным расположением зубьев модулятора.

Запись выборки начинается после срабатывания датчика фазы (положения распределительного вала). Такой подход позволяет сопоставить каждый участок выборки конкретному цилиндру. Непрерывный сигнал датчика углового положения коленчатого вала преобразуется в дискретный с помощью микропроцессорного устройства предварительной обработки информации (МУПО). Программа микроконтроллера вычисляет время между фронтами импульсов дискретного сигнала с помощью модуля Захвата/Сравнения/ШИМ (CCP, Capture/Compare/PWM). Далее по найденным значениям формируется выборка угловой скорости, которая сохраняется в памяти МУПО и передаётся на ЭВМ оператора.

Анализ погрешностей в канале измерения позволяет разделить их на импульсные, случайные, систематические. При этом выборки с импульсными (сильно выделяющимися) погрешностями, выявленные на основании критерия Греббса, отбрасываются.

Случайные погрешности можно обрабатывать фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Однако поскольку в спектре сигнала присутствуют информационные высокочастотные составляющие, подавляемые КИХ фильтром, предпочтительнее усреднять по нескольким последовательно измеренным выборкам:

, (1)

где n_i – i-я точка итоговой выборки угловой скорости, об/мин; – i-я точка измеренной k-й выборки; N – число участвующих в усреднении выборок (обычно 10).

Неточности изготовления, либо эксплуатационные деформации (стертости, вмятости, сколы и т.д.) зубчатого венца модулятора датчика положения коленчатого вала приводят к неравномерности распределения зубьев, что вызывает появление систематических погрешностей в канале измерения.

Предложен способ выделения информации об угловой скорости двигателя, лишенной данных систематических погрешностей. Большое количество цилиндров и очень малый момент сопротивления на холостом ходу позволяют считать, что истинная угловая скорость в установившемся режиме 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:

(2)

где и – систематические погрешности при угловых скоростях и .

Поэтому при работе во всем диапазоне скоростей следует использовать формулу:

(3)

где – i-я точка итоговой (очищенной) выборки; – i-я точка измеренной выборки; , – средние значения угловой скорости сохраненной и измеренной выборок; – отклонение i-й точки на холостом ходу от среднего значения.

На рис. 2 приводится график угловой скорости двигателя с отключенным цилиндром.



Рис.2. 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)

Визуально как из исходной (а), так и из отфильтрованной КИХ фильтром (б) выборок нельзя точно определить место провала угловой скорости. Однако устранение систематических погрешностей после их предварительной фиксации в режиме холостого хода дает наглядную информацию. На графике (в) наблюдаемый спад угловой скорости соответствует интервалу работы отключенного цилиндра. Данный способ защищён патентом РФ.

В третьей главе изложены разработанные экономичные алгоритмы контроля работоспособности цилиндров и процесса сгорания топлива, не требующие больших вычислительных затрат и допускающие применение недорогих микроконтроллеров для их реализации, что позволяет создать автономное устройство контроля работоспособности двигателя, вырабатывающее сигнал тревоги, предупреждающий об отклонениях от нормальной работы двигателя.

Спектральный анализ выборок угловой скорости коленчатого вала многоцилиндровых двигателей не даёт такой наглядной информации, как в случае малоцилиндровых. Большое значение при этом имеет высокая зашумлённость сигнала на фоне низкой неравномерности угловой скорости. Однако если один или несколько цилиндров вышли из строя в режиме, когда двигатель работает под нагрузкой, экспериментально установлено, что резко увеличиваются низкочастотные составляющие спектра, что даёт возможность сформировать сигнал аварийной ситуации.

Достоверные результаты для контроля процесса сгорания топлива в цилиндре дало исследование функции дисперсии между несколькими последовательно измеренными выборками. При этом вычисления производятся не «вдоль» одной выборки, а «параллельно» по нескольким выборкам:

, (4)

где i – номер текущей обрабатываемой точки в выборке; θ – количество обрабатываемых выборок; – математическое ожидание i-й точки.

Итоговая функция дисперсии наглядно отображает нестабильное сгорание (флуктуацию процессов сгорания). В этом случае функция дисперсии имеет завышенное значение на участке работы дефектного цилиндра. В случае полного отсутствия процесса сгорания в цилиндре функция дисперсии на этом участке имеет заниженное значение. Это позволяет выявить нарушения в работе топливной системы конкретного цилиндра.

Предложена методика контроля равномерности загрузки цилиндров четырёхтактных двигателей, основанная на вычитании левой и правой частей выборки:

, (5)

где – текущая обрабатываемая точка; N – количество точек в выборке; – i-я точка записанной выборки.

Данной обработкой устраняется систематическая погрешность в разностном сигнале (при условии, что модулятор расположен на коленчатом валу).

Далее от берется первая производная по углу поворота, имеющая смысл разности углового ускорения, пропорционального разности крутящих моментов. Затем производится фильтрация КИХ фильтром. Полученные результаты отображаются на графике (рис. 3). Если считать, что цилиндры на каждом из двух оборотов цикла двигателя срабатывают симметрично, то таким образом можно выявить недогруженные или перегруженные цилиндры. Например, если один из цилиндров на первом обороте недогружен, то итоговая функция на участке его работы будет иметь заниженное значение. Недостатком является то, что по графику нельзя сделать вывод, какой из цилиндров (первого или второго оборотов) вызвал отклонение, так как одно и то же поведение функции может быть вызвано как перегрузкой цилиндра из первого оборота, так и недогрузкой цилиндра из второго.

Сигналом неисправности служит появление ярковыраженных пиков на графике. Пороговая граница, в пределах которой двигатель находится в норме, может быть выставлена вручную, или, например, на основании критерия Грэббса.



Рис. 3. Функция работоспособности цилиндров в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ПКВ)). Вертикальные линии – верхние мёртвые точки (ВМТ) цилиндров двигателя 16ЧН26/26

В четвертой главе рассматривается методика диагностирования на основе идентификации макромодели ДВС. Процесс идентификации осуществляется посредством сравнения измеренной и вычисленной по модели выборок угловой скорости. В результате определяется ряд основных параметров двигателя, характеризующих его работу.

Построена достаточно общая макромодель двигателя, которую легко адаптировать под разные марки двигателей, используя лишь данные из паспорта, такие как количество и диаметр цилиндров, длина шатуна и радиус шатунной шейки, порядок срабатывания цилиндров. При этом, несмотря на приближенный характер, макромодель достаточна для определения работоспособности цилиндров.

Для описания процесса сгорания в цилиндре предложена функция, характеризующая зависимость давления от сгорания топлива в цилиндре от угла положения коленчатого вала (рис. 4), построенная в результате аппроксимации экспериментальных результатов:

(6)

где p – коэффициент, характеризующий интенсивность сгорания топлива; , рад.; α – угол опережения впрыска (зажигания); θ – задержка от начала горения до точки максимального давления; δ –коэффициент, характеризующий длительность горения.

Как отмечалось, часть параметров построенной макромодели берётся из паспортных данных двигателя. Остальные определяются в результате идентификации.



Рис. 4. Моделирование давления от сгорания горючей смеси: а – изменение мощности сгорания; б – изменение длительности сгорания; в – смещение момента начала сгорания

Процесс идентификации осуществляется минимизацией функционала, определяющего невязку вычисленной и измеренной выборок:

(7)

где φ – угол поворота коленчатого вала; M_КР(φ) – вычисленный крутящий момент; М_{КР.СРЕДН} – постоянная составляющая вычисленного момента; ω – измеренная угловая скорость двигателя; k – нормирующий коэффициент.

Входящие в (7) крутящий момент на валу М_КР и давление в камере сгорания P_C цилиндра описываются известными выражениями:



где H – число цилиндров; S – площадь поршня; l – длина шатуна; ; – угол смещения ВМТ i-го цилиндра относительно ВМТ первого цилиндра; ; r – радиус кривошипа; – давление в камере сгорания; i – номер цилиндра;



где ; ; ; Р_а – атмосферное давление; ε – действительная степень сжатия двигателя;

– момент инерции поступательно движущихся масс; m_П – масса поступательно движущихся частей.

Коэффициент k использован для выравнивания уровней вычисленного и измеренного сигналов:

. (8)

В результате идентификации определяются интенсивность сгорания топлива в каждом цилиндре p в условных единицах, угол опережения впрыска (зажигания) α, задержка от начала сгорания до точки максимального давления θ, длительность сгорания δ.

Опыт минимизации функционала (7) показал, что пространство решений имеет множество локальных минимумов, поэтому предложено на начальном этапе использовать генетический алгоритм, чтобы локализовать оптимальную область. После заданного числа поколений используется градиентный метод для уточнения параметров (рис. 5).



Рис. 5. Процесс поиска решения

Из рис. 6 видно, что макромодель достаточно точно описывает зависимость крутящего момента от срабатывания цилиндров, и возможно её использование в целях контроля и диагностирования.

В процессе работы двигателя подсистема диагностирования периодически ищет описанные параметры модели, которые в дальнейшем могут как выводиться на дисплей оператора, так и обрабатываться автоматически.



Рис. 6. Результат моделирования для шестнадцатицилиндрового двигателя 16ЧН26/26 (650 об/мин, нагрузка 50%, один цилиндр отключен)

В пятой главе представлен разработанный программно-аппаратный микропроцессорный комплекс контроля и диагностирования. Рассмотрены возможные для применения типы датчиков угловой скорости и фазы. Показаны их преимущества и недостатки. Разработаны электрическая принципиальная схема и печатная плата устройства с пояснениями принципа работы. Разработан протокол обмена данными между устройством и ЭВМ оператора. Блок-схема МУПО приведена на рис. 7.

Составлена программа микропроцессорного устройства предварительной обработки и приведены примеры работы с разработанной программой диагностирования, выполняющейся на ЭВМ оператора. Блок-схема программы приведена на рис. 8.



Рис. 7. Блок-схема микропроцессорного устройства предварительной обработки информации

Оператору по выбору отображаются выборка угловой скорости, углового ускорения, дисперсия десяти последних выборок, спектр, а также равномерность загрузки цилиндров согласно предложенной методике.

Осуществлён ориентировочный расчёт себестоимости устройства и анализ перспектив его применения на примере железнодорожного транспорта. Внешний вид и плата устройства приведены на рис. 9.



Рис. 8. Блок-схема программы ЭВМ оператора



Рис. 9. Микропроцессорное устройство предварительной обработки информации

Результаты работы внедрены в ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов.


Основные выводы:

1. Предложены и обоснованы схема построения устройства контроля и диагностирования, встраиваемого в систему управления многоцилиндрового двигателя, содержащего штатные датчики угла поворота коленчатого вала и положения распределительного вала и разработанное микропроцессорное устройство предварительной обработки информации и сопряжения с ЭВМ оператора, а также методики, алгоритмы и программы обработки информации, отличающиеся экономичностью и универсальностью применения на различных марках двигателей.

2. Предложен способ устранения систематической погрешности, появляющейся в сигнале угловой скорости коленчатого вала из-за неравномерного расположения зубьев модулятора датчика. Способ основан на том, что уровень систематической погрешности линейно зависит от угловой скорости двигателя, а угловую скорость многоцилиндровых ДВС на холостом ходу можно считать практически равномерной. Сохранив выборку угловой скорости на холостом ходу, можно впоследствии вычислить и устранить систематическую погрешность из выборок на других режимах работы двигателя.

3. Разработаны методики устранения импульсных и снижения случайных погрешностей в сигнале угловой скорости. Выборки с импульсными погрешностями, выявленные на основании критерия Греббса, отбрасываются. Случайные погрешности рекомендовано фильтровать КИХ фильтром, либо усреднять по нескольким последовательно измеренным выборкам.

4. Проведён спектральный анализ выборок угловой скорости на различных режимах работы двигателя. В результате сделаны выводы, что спектральный анализ угловой скорости многоцилиндровых ДВС не даёт такой наглядной информации о работе цилиндров, как в случае малоцилиндровых двигателей. Возможно лишь формирование сигнала предупреждения об аварийной ситуации при выходе из строя одного или нескольких цилиндров в режиме, когда двигатель работает под нагрузкой. В этом случае резко усиливаются низкочастотные составляющие спектра.

5. Проведён анализ дисперсии между различными выборками угловой скорости, измеренными на одном режиме работы двигателя. Итоговая функция дисперсии имеет завышенные значения на участках нестабильного сгорания и заниженные значения на участках с отключенными цилиндрами, что даёт возможность выделить неисправный цилиндр.

6. Разработаны методика и алгоритм оперативного контроля работоспособности цилиндро-поршневой группы четырёхтактных двигателей на основе вычисления разности элементов выборки угловой скорости для первого и второго оборотов коленчатого вала, позволяющие выявить асимметрию в работе цилиндров первого и второго оборотов коленчатого вала. Алгоритм не требует больших вычислительных ресурсов и может быть реализован на общедоступных микроконтроллерах.

7. Предложены методика и алгоритм диагностирования ДВС на основе идентификации предварительно построенной макромодели. В процессе диагностирования производится идентификация параметров макромодели, и по их значениям делается вывод о работоспособности двигателя и возможных неисправностях.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Трюбер, С.С. Диагностика мощных дизельных двигателей по неравномерности частоты вращения /С.С. Трюбер // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2007. – №4(28). – С. 54-71.

2. Трюбер, С.С. Диагностика многоцилиндровых двигателей с помощью моделирования неравномерности частоты вращения / Б.К. Сивяков, С.С. Трюбер // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2010. – №1(44). – С. 76-82.

В других изданиях:

3. Трюбер С.С. Экономичный и простой способ диагностики дизельных двигателей / С.С. Трюбер // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. ХХ Междунар. науч.-техн. конф. Ярославль: ЯГТУ, 2007. С. 117-118.

4. Трюбер С.С. Автоматизированные системы диагностики двигателей внутреннего сгорания по неравномерности частоты вращения / С.С. Трюбер // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2007. С. 338-341.

5. Трюбер С.С. Анализ спектра угловой скорости мощных дизельных двигателей / Б.К. Сивяков, С.С. Трюбер // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. С. 34-39.

6. Трюбер С.С. Методика диагностики многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания / С.С. Трюбер // Современные техника и технологии: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Томск: ТГТУ, 2008. С. 398-399.

7. Трюбер С.С. Методика и алгоритм анализа работоспособности многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания / С.С. Трюбер // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. ХХI Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 51-54.

8. Трюбер С.С. Моделирование неравномерности частоты вращения для диагностики многоцилиндровых двигателей / С.С. Трюбер // Проблемы управления, передачи и обработки информации: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2009. С. 235-239.

9. Трюбер С.С. Моделирование неравномерности частоты вращения многоцилиндровых двигателей / С.С. Трюбер // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. Саратов: СГТУ, 2009. С. 162-166.

Патенты:

10. Решение о выдаче патента на изобретение от 25.09.2009 г. по заявке №2008129616/06(036685) от 17.07.2008 г. Способ получения высокоточной информации о частоте вращения коленчатого вала для систем регулирования и диагностики многоцилиндровых двигателей и устройство для его осуществления / С.С. Трюбер.