151 "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49345
Переглянути
Документ Комп'ютерна система програмного керування процесами подачі паливно-повітряної суміші силових агрегатів за умов неповної інформації(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Захаренков, Дмитро ЮрійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» (015 - Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет «ХПІ», Харків, 2022. Дисертацію присвячено розроблянню теоретичних засад та практики побудови комп’ютерних систем керування процесами подачі паливно-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань в умовах дії випадкових завад, дослідженню невизначеностей та швидкодії апаратних засобів й інформаційної технології моніторингу циліндрових потужностей, а також розроблянню методів зменшення невизначеностей та збільшення швидкодії прикладного програмного забезпечення. В якості джерела вхідної інформації комп’ютерна система використовує частотно-модульований сигнал швидкості обертання колінчастого валу. Розв’язання цієї науково-прикладної задачі забезпечить економію палива, зменшить ймовірність перевантаження окремих циліндрів, збільшить термін використання силового агрегату й скоротить витрати на профілактику, обслуговування та ремонт. Найбільш розповсюдженим методом моніторингу циліндрових потужностей силового агрегату є вимірювання тиску циліндрів за допомогою аналого-цифрового перетворювача Е14-140 фірми L-Card (системна плата L-783), первинний перетворювач 8QP505CS фірми AVL та програмне забезпечення «Power Graph». У результаті отримаємо відповідні індикаторні діаграми, подальше порівняння яких дозволяє встановити їхню ідентичність. Якщо є у тому потреба на етапі доводки двигуна виконується налаштування фаз процесів подачі паливно-повітряної суміші у циліндри. Використання ручної праці, наявність у двигуні декількох циліндрів і завеликі апаратні витрати суттєво обмежують застосування даного методу. Використання сучасних форсунок, які мають засоби електрогідравлічного або п’єзоелектричного керуванням процесами подачі паливо-повітряної суміші, дозволяє розробити концептуальні засади програмних рухів апаратних засобів щодо досягнення ідентичності циліндрових потужностей силових агрегатів. Використано методи теорії вимірювань, ймовірностей і математичної статистики при опрацюванні дослідних даних у вигляді ряду вимірювань із багаторазовими спостереженнями. Встановлено невизначеності апаратних засобів та прикладного програмного забезпечення, які належать до категорії А. Розроблено теоретичні засади та методологію синтезу апаратних засобів опрацювання даних непрямих вимірювань із використанням квадратичного критерію якості та еталонних математичних моделей компонент, запізнення яких відоме. На основі методів теорії подібності та теорії сигнальних графів отримано передавальні функцій окремих компонент комп’ютерної системи опрацювання даних непрямих вимірювань. В роботі використано методи комп’ютерного моделювання при визначенні швидкодії її програмного забезпечення. Також враховано вплив на апаратні засоби навколишнього середовища із підвищеним рівнем випадкових завад. Розроблено нові методи вимірювань параметрів частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу, алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення моніторингу циліндрових потужностей за умови дії випадкових завад. Побудовано комп’ютерну систему програмного керуванням процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри із заданими невизначеністю та швидкодією опрацювання даних непрямих вимірювань. Об’єктом досліджень є процес побудови апаратно-програмних засобів комп’ютерної системи керування подачею паливо-повітряної суміші зі зворотнім зв’язком за станом циліндрових потужностей силового агрегату на основі опрацювання даних непрямих вимірювань у вигляді частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу, а також за умов дії випадкових завад на її компоненти. Предметом досліджень є математичні моделі, методи вимірювань, алгоритмічне та прикладне програмне забезпечення, структури апаратних засобів і компонент. У якості теоретичних засад в роботі використано методи: системного аналізу та теорії автоматичного керування за умов неповної інформації; збору, опрацювання, кодування та декодування інформації; теорії подібності та теорії сигнальних графів; теорії ймовірності, математичної статистики та теорії випадкових процесів; теорії вимірювань, зокрема, інформаційний підхід. Методи комп’ютерного моделювання використано при дослідженнях швидкодії та невизначеності апаратних засобів перетворення сигналів. Аналіз відомих методів та апаратно-програмних засобів керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання частотно-модульованих сигналів швидкості обертання колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння дозволив встановити перспективність досліджень. Також встановлено, що програмні рухи комп’ютерної системи щодо керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші силового агрегату за умов неповної інформації принципово можливо організувати. Сформульовано мету досліджень, яка полягає у зменшенні невизначеності й підвищення швидкодії апаратних засобів комп’ютерної системи опрацювання даних непрямих вимірювань при керуванні процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри силового агрегату за умов дії випадкових завад шляхом розробляння методологічних засад для їхньої побудови. На основі методу безпосереднього цифрового керування та принципу замкненого керування із використанням зворотного зв’язку за станом сигналу флуктуацій швидкості обертання колінчастого валу розроблено концептуальні засади програмних рухів апаратних засобів щодо керування процесами подачі паливо-повітряної суміші. Синхронізацію роботи комп’ютерної системи із фазою обертання колінчастого валу забезпечує сигнал верхньої мертвої точки першого циліндру. Розроблено архітектуру комп’ютерної системи та запропоновано алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей силового агрегату. За своєю сутністю апаратні засоби комп’ютерної системи керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань є пристроями циклічної дії й оперують із послідовностями імпульсних сигналів, котрі при їхньому математичному поданні розглянуто як підсумок поодиноких імпульсів. У якості математичної моделі завад запропоновано та досліджено лінійний випадковий процес, розроблено алгоритмічне й прикладне програмне забезпечення комп’ютерної імітації дискретних випадкових величин. Розроблено механічну модель крутної схеми дизель-генератора 3ТД-1 та встановлено усі її параметри. Рухи мас моделі за умови врахування тертя описано системою лінійних диференційних рівнянь. Поміж можливих чисельних методів для її розв’язування перевагу надано використанню перетворення Лапласу. Структурна схема комп’ютерної системи програмного керування процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри дизель-генератора 3ТД-1 має один вхід та три виходи. Запропоновано механічну систему із чотирма ступенями волі у якості математичної моделі кінематичної схеми дизель-генератора 3ТД-1. Динаміку рухів мас детермінованої математичної моделі із врахуванням тертя описано системою лінійних диференційних рівнянь другого порядку, параметри якої нормалізовано за допомогою теорем теорії подібності. Виконано статистичне опрацювання дослідних даних тиску першого циліндру та побудовано індикаторну діаграму. Подано крутний момент першого циліндру обмеженим рядом Фур’є. Апроксимацію інших крутних моментів виконано із урахуванням фазового запізнення циліндру відносно першого. Доведено, що розподіл циліндрових потужностей силового агрегату можна подати у вигляді вагових коефіцієнтів. Алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей силового агрегату передбачає пошук цих коефіцієнтів. Як наслідок математичних перетворень системи диференційних рівнянь отримано передавальні функції, які встановлюють інформаційні зв’язки між крутними моментами циліндрів і сигналом флуктуацій швидкості обертання першої маси колінчастого валу. Встановлено, що використання методів визначників або теорії сигнальних графів при отриманні передавальних функцій дають практично однакові результати. Алгоритмічне забезпечення моніторингу розподілу циліндрових потужностей розроблено на основі часового та частотного подання сигналу вимірювальної інформації. При їхньому порівнянні встановлено, що вони забезпечують достатньо близьку швидкодію розрахунків. Однак, за умови дії на сигнал миттєвої швидкості обертання першої маси колінчастого валу випадкових завад перевагу слід надати алгоритму отримання оцінок максимальної правдоподібності вагових коефіцієнтів циліндрів. Розроблено методику комп’ютерної імітації адитивних та мультиплікативних випадкових завад різної фізичної природи. Проведено комп’ютерне моделювання обчислювальної процедури розрахунку вагових коефіцієнтів циліндрів за умови дії випадкових завад на ліву та праву частини системи алгебраїчних рівнянь. Аналіз результатів розрахунків дозволив встановити вимоги щодо невизначеності вимірювальних перетворювачів частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу. У якості методу отримання вхідної інформації обрано дискретизацію за часом періодів частотно-модульованого сигналу швидкості. Запропоновано декілька вариантів побудови вимірювальних перетворювачів та на їхній основі розроблено пристрої для експрес аналізу сигналу флуктуацій. У результаті статистичного опрацювання дослідних даних у вигляді рядів вимірювань із багаторазовими спостереженнями на основі використання методів теорії вимірювань й, зокрема, інформаційного підходу досліджено невизначеності розроблених перетворювачів. Встановлено, що пристрої відповідають вимогам комп’ютерної системи щодо невизначеності опрацювання вхідної інформації. Проведено математичне моделювання компонент апаратних засобів керування процесами подачі паливно-повітряної суміші. На основі методів структурних перетворень отримано передавальну функцію апаратних засобів керування п’єзоелектричною форсункою. Комп’ютерним моделюванням у середовищі Matlab отримано частотні характеристики апаратних засобів та методом кореневого годографу досліджено замкнену систему керування процесами подачі паливно-повітряної суміші. Аналіз частотних характеристик дозволив встановити, що апаратно-програмні засоби відповідають вимогам щодо швидкодії перетворення вхідної інформації. Мінімізацією квадратичного критерію якості синтезовано пристрій опрацювання частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу на основі використання еталонних моделей компонент, які мають відоме запізнення. Побудовано схему комп’ютерного моделювання сигналу флуктуацій та використанням методу моделі, яка навчається, виконано процедуру ідентифікації її параметрів. У результаті аналізу вихідного сигналу схеми встановлено, що розроблені апаратні засоби відповідають вимогам комп’ютерної системи керування процесами подачі паливно-повітряної суміші у циліндри силового агрегату щодо невизначеності та швидкодії. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку теоретичних засад побудови апаратно-програмних засобів комп’ютерної системи замкненого керування процесами подачі паливо-повітряної суміші в циліндри дизель-генератора на основі опрацювання даних непрямих вимірювань у вигляді частотно-модульованого сигналу швидкості обертання колінчастого валу за умов дії випадкових завад: - уперше запропоновано та науково обґрунтовано концепцію програмних рухів комп’ютерної системи щодо керування процесами подачі паливо-повітряної суміші за умов неповної інформації, відмінною ознакою якої є використання сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу силового агрегату при моніторингу розподілу циліндрових потужностей; - набули подальшого розвитку теоретичні засади побудови апаратних засобів опрацювання частотно-модульованого сигналу швидкості обертання із використанням квадратичного критерію якості та математичних моделей компонент, запізнення яких відоме, за умов дії завад у вигляді лінійного випадкового процесу, що дозволило покращити їхню швидкодію; - в якості детермінованої математичної моделі крутної схеми силового агрегату уперше запропоновано механічну систему із чотирма ступенями волі за умов врахування тертя, відмінною ознакою якої є встановлення інформаційних зв’язків між крутними моментами окремих циліндрів та сигналом вимірювальної інформації у вигляді флуктуацій швидкості обертання першої маси колінчастого валу на основі перетворення Лапласу за нульових початкових умов, методів теорії подібності та теорії сигнальних графів; - набули подальшого розвитку методи апроксимації крутних моментів циліндрів, математичного моделювання компонент комп’ютерної системи керування фазами процесів подачі паливо-повітряної суміші на основі опрацювання даних непрямих вимірювань, структурних перетворень апаратних засобів, подання завад у вигляді лінійного випадкового процесу, підсумовування випадкових складових завади при встановленні невизначеності компонент; - уперше запропоновано використати метод довільних вибірок дискретних відліків сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу для модернізації архітектури вимірювального перетворювача на основі компенсації кінематичної невизначеності первинного перетворювача, відмінною ознакою якого є збільшення часу досліджень при суттєвому зменшенні апаратних витрат на побудову пристрою для вимірювань параметрів частотно-модульованого сигналу. Практичне значення отриманих результатів: - на основі бази даних оптимальних фаз газорозподілу та сучасних інформаційних технологій розроблено апаратно-програмні засоби замкненого керування процесами подачі паливо-повітряної суміші у циліндри дизель-генератора, практичне використання яких забезпечить економію палива до 5%; - розроблено методики: збору та опрацювання вхідної інформації, апроксимації крутних моментів, структурного перетворення апаратних засобів комп’ютерної системи, ідентифікації параметрів математичних моделей, аналізу частотних та метрологічних характеристик апаратно-програмних засобів, комп’ютерного моделювання процесів перетворення апаратними засобами вхідних сигналів; - розроблено алгоритмічне забезпечення: оцінювання розподілу циліндрових потужностей, цифрового опрацювання сигналу миттєвої швидкості обертання колінчастого валу, комп’ютерного моделювання випадкових завад. Реалізовано прикладне програмне забезпечення.