Комп'ютерна система програмного керування процесами подачі паливно-повітряної суміші силових агрегатів за умов неповної інформації

Abstract

Дисертація 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.Dissertation for the Doctor of Philosophy degree in specialty 151 "Automation and computer-integrated technologies" (015 - Automation and instrument engineering). –National Technical University «KhPI», Kharkiv, 2022. The dissertation is devoted to the development of theoretical principles and practice of building computer systems for controlling fuel-air mixture supply processes based on the processing of indirect measurement data under the conditions of random disturbances, the study of uncertainties and speed of hardware and information technology for monitoring cylinder capacities, as well as the development of methods for reducing uncertainties and increasing the speed of application software. As a source of input information, the computer system uses a frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft. Solving this scientific and applied problem will ensure fuel economy, reduce the probability of overloading individual cylinders, increase the life of the power unit and reduce the costs of prevention, maintenance and repair. The most common method of monitoring the cylinder capacities of the power unit is the measurement of cylinder pressure using the L-Card E14-140 analog-to-digital converter (L-783 system board), the AVL primary converter 8QP505CS, and the Power Graph software. As a result, we will get corresponding indicator diagrams, the further comparison of which allows us to establish their identity. If there is a need, at the engine tuning stage, the phases of the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders are adjusted. The use of manual labor, the presence of several cylinders in the engine and excessive hardware costs significantly limit the use of this method. The use of modern injectors, which have means of electrohydraulic or piezoelectric control of the fuel-air mixture supply processes, the development of conceptual principles of software movements of the hardware in order to achieve the identity of the cylinder capacities of the power units. Methods of the theory of measurements, probabilities and mathematical statistics were used when processing experimental data in the form of a series of measurements with multiple observations. Uncertainties of hardware and application software, which belong to category A, have been established. The theoretical principles and methodology of the synthesis of hardware means for processing indirect measurement data using the quadratic quality criterion and reference mathematical models of components whose delay is known have been developed. Based on the methods of similarity theory and signal graph theory, the transfer functions of individual components of the computer system for processing indirect measurement data were obtained. The work uses computer modeling methods to determine the speed of software. The impact on hardware of an environment with an increased level of random interference is also taken into account. New methods of measuring the parameters of the frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft, algorithmic and applied software for monitoring the cylinder capacities under the condition of random disturbances have been developed. A computer system for software control of the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders with specified uncertainty and processing speed of indirect measurement data was built. The object of research is the process of building the hardware and software of a computer system for controlling the supply of a fuel-air mixture with feedback based on the state of the cylinder capacities of the power unit based on the processing of indirect measurement data in the form of a frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft, and also under the conditions of accidental interference with its components. The subject of research is mathematical models, measurement methods, algorithmic and application software, hardware structures and components. As theoretical foundations, the methods used in the work are: system analysis and the theory of automatic control under conditions of incomplete information; collection, processing, encoding and decoding of information; similarity theory and signal graph theory; theories of probability, mathematical statistics and theories of random processes; theory of measurements, in particular, the informational approach. Computer modeling methods were used in studies of speed and uncertainty of signal conversion hardware. The analysis of known methods and hardware and software for controlling the phases of fuel-air mixture supply processes based on the processing of frequency-modulated signals of the speed of rotation of the crankshafts of internal combustion engines made it possible to establish the perspective of the research. It has also been established that it is fundamentally possible to organize software movements of the computer system for controlling the phases of the fuel-air mixture supply processes of the power unit under conditions of incomplete information. The aim of the research is formulated, which consists in reducing the uncertainty and increasing the speed of the hardware of the computer system for processing the data of indirect measurements when controlling the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders of the power unit under the conditions of random interference by developing methodological principles for their construction. On the basis of the method of direct digital control and the principle of closed-loop control using feedback from the state of the crankshaft rotation speed fluctuation signal, the conceptual principles of the software movements of the hardware for controlling the fuel-air mixture supply processes have been developed. Synchronization of the computer system with the crankshaft rotation phase is provided by the top dead center signal of the first cylinder. The architecture of the computer system was developed and algorithmic support for monitoring the distribution of cylinder capacities of the power unit was proposed. By their very nature, the hardware of the computer system for controlling the phases of fuel-air mixture supply processes based on the processing of indirect measurement data are cyclic devices and operate with sequences of pulse signals, which in their mathematical representation are considered as a sum of individual pulses. As a mathematical model of disturbances, a linear random process was proposed and investigated, algorithmic and applied software for computer simulation of discrete random variables was developed. A mechanical model of the torque circuit of the 3TD-1 diesel generator was developed and all its parameters were set. The movements of the masses of the model, provided that friction is taken into account, are described by a system of linear differential equations. Among the possible numerical methods for its solution, preference is given to using the Laplace transform. The structural diagram of the computer system for software control of the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders of the 3TD-1 diesel generator has one input and three outputs. A mechanical system with four degrees of freedom is proposed as a mathematical model of the kinematic scheme of the 3TD-1 diesel generator. The dynamics of the movements of the masses of the deterministic mathematical model, taking into account friction, is described by a system of linear differential equations of the second order, the parameters of which are normalized using theorems of similarity theory. Statistical processing of experimental data of the pressure of the first cylinder was performed and an indicator diagram was constructed. The torque of the first cylinder is given by a limited Fourier series. The approximation of other torques is performed taking into account the phase delay of the cylinder relative to the first. It has been proven that the distribution of cylinder capacities of the power unit can be presented in the form of weighting coefficients. Algorithmic support for monitoring the distribution of cylinder capacities of the power unit involves searching for these coefficients. As a result of mathematical transformations of the system of differential equations, transfer functions were obtained that establish information links between cylinder torques and the signal of fluctuations in the speed of rotation of the first mass of the crankshaft. It has been established that the use of determinant methods or the theory of signal graphs in obtaining transfer functions gives practically the same results. Algorithmic support for monitoring the distribution of cylinder capacities is developed on the basis of time and frequency representation of the measurement information signal. When comparing them, it was established that they provide sufficiently close calculation speed. However, if the signal of the instantaneous speed of rotation of the first mass of the crankshaft is affected by random disturbances, preference should be given to the algorithm for obtaining estimates of the maximum likelihood of the weight coefficients of the cylinders. A method of computer simulation of additive and multiplicative random disturbances of different physical nature has been developed. A computer simulation of the computational procedure for calculating the weighting coefficients of cylinders under the condition of the action of random disturbances on the left and right parts of the system of algebraic equations was carried out. The analysis of the results of the calculations made it possible to establish the requirements for the uncertainty of the measuring transducers of the frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft. Discretization by time of periods of the frequency-modulated speed signal was chosen as the method of obtaining input information. Several options for the construction of measuring transducers are proposed, and on their basis, devices for express analysis of the fluctuation signal are developed. As a result of statistical processing of experimental data in the form of series of measurements with multiple observations based on the use of methods of measurement theory and, in particular, the information approach, the uncertainties of the developed converters were investigated. It has been established that the devices meet the requirements of the computer system regarding the uncertainty of input information processing. Mathematical modeling of the hardware components of fuel-air mixture supply control processes was carried out. Based on the methods of structural transformations, the transfer function of the piezoelectric nozzle control hardware was obtained. The frequency characteristics of the hardware were obtained by computer simulation in the Matlab environment, and the closed-loop control system of the fuel-air mixture supply process was investigated using the root hodograph method. The analysis of frequency characteristics made it possible to establish that the hardware and software meet the requirements for the speed of conversion of input information. By minimizing the quadratic quality criterion, a device for processing the frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft was synthesized based on the use of reference models of components that have a known delay. A scheme for computer simulation of the fluctuation signal was built and, using the method of a learning model, the procedure for identifying its parameters was performed. As a result of the analysis of the output signal of the scheme, it was established that the developed hardware meets the requirements of the computer system for controlling the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders of the power unit in terms of uncertainty and speed. The scientific novelty of the obtained results lies in the development of the theoretical foundations of the construction of hardware and software tools of a computer system of closed-loop control of the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders of a diesel generator based on the processing of indirect measurement data in the form of a frequency-modulated signal of the speed of rotation of the crankshaft under operating conditions accidental interference: - for the first time, the concept of program movements of the computer system for controlling the fuel-air mixture supply processes under conditions of incomplete information was proposed and scientifically substantiated for the first time, the distinguishing feature of which is the use of the signal of the instantaneous speed of rotation of the crankshaft of the power unit when monitoring the distribution of cylinder capacities; - the theoretical foundations of the construction of hardware means for processing the frequency-modulated rotation speed signal using the quadratic quality criterion and mathematical models of components whose delay is known, under the conditions of interference in the form of a linear random process, were further developed, which made it possible to improve their speed; - as a deterministic mathematical model of the torque circuit of the power unit, a mechanical system with four degrees of freedom was proposed for the first time under the conditions of taking into account friction, a distinctive feature of which is the establishment of information links between the torques of individual cylinders and the signal of measurement information in the form of fluctuations in the speed of rotation of the first mass of the crankshaft based on the Laplace transform under zero initial conditions, methods of similarity theory and signal graph theory; - the methods of approximation of cylinder torques, mathematical modeling of the components of the computer system for controlling the phases of fuel-air mixture supply processes on the basis of the processing of indirect measurement data, structural transformations of hardware, presentation of disturbances in the form of a linear random process, summation of random components of disturbances during determination of component uncertainty; - for the first time, it is proposed to use the method of random sampling of discrete readings of the signal of the instantaneous speed of rotation of the crankshaft to modernize the architecture of the measuring transducer based on the compensation of the kinematic uncertainty of the primary transducer, the distinguishing feature of which is an increase in research time with a significant reduction in hardware costs for the construction of a device for measuring the parameters of a frequency-modulated signal . Practical significance of the obtained results: - on the basis of a database of optimal phases of gas distribution and modern information technologies, hardware and software tools for closed-loop control of the processes of supplying the fuel-air mixture to the cylinders of a diesel generator have been developed, the practical use of which will ensure fuel savings of up to 5%; - methods were developed: collection and processing of input information, approximation of torques, structural transformation of computer system hardware, identification of parameters of mathematical models, analysis of frequency and metrological characteristics of hardware and software, computer modeling of processes of transformation of input signals by hardware; - algorithmic support was developed: estimation of the distribution of cylinder powers, digital processing of the signal of the instantaneous speed of rotation of the crankshaft, computer modeling of random failures. Implemented application software.