39140

Адаптивная система автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей

Автореферат

Логистика и транспорт

Поэтому в диссертации решается научнотехническая задача призванная обеспечить повышение техникоэксплуатационных защитных и потребительских свойств электромеханических систем вспомогательного электрооборудования автомобилей обеспечивающих комфортабельность активную и пассивную безопасность автомобиля за счет улучшения свойств системы управления. Решение данной задачи осуществляется при неопределенных значениях внутренних параметров объекта управления таких как конструктивный параметр магнитной системы сопротивление якорной цепи...

Русский

2013-10-01

165.5 KB

7 чел.

На правах рукописи

Краснов Сергей Владимирович

Адаптивная система автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей

Направление 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии

Профиль 140607.68 – Электрические и электронные системы наземных транспортных средств

АВТОРЕФЕРАТ

магистерской диссертации на соискание академической

степени магистра техники и технологии

Тольятти 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тольяттинском государственном университете на кафедре «Электрооборудование автомобилей и электромеханика».

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ермаков Виктор Васильевич

Защита состоится 8 июня 2012 г. в 9 часов на заседании ГАК в «Тольяттинском государственном университете» по адресу: 445020, Тольятти, ул. Ушакова 57, в ауд. Э–702.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Автомобильная промышленность является одной из важнейших отраслей народного хозяйства, обеспечивающей развитие экономики Российской Федерации. Развитие мировых требований и стандартов по безопасности и экологичности современных автомобилей неукоснительно возростает. Важным показателем развития и качества автомобильного транспорта является его комфортабельность и пассивная безопасность и большая часть систем, отвечающие за данные свойства автомобиля относятся к вспомогательному электрооборудованию. Наиболее часто, в электромеханических системах вспомогательного электрооборудования автомобилей, применяются в качестве приводов двигатели постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения от постоянных магнитов.

Поэтому в диссертации решается научно-техническая задача, призванная обеспечить повышение технико-эксплуатационных, защитных и потребительских свойств электромеханических систем вспомогательного электрооборудования автомобилей, обеспечивающих комфортабельность, активную и пассивную безопасность автомобиля, за счет улучшения свойств системы управления. Решение данной задачи осуществляется при неопределенных значениях внутренних параметров объекта управления таких как конструктивный параметр магнитной системы, сопротивление якорной цепи, индуктивность якорной цепи и момент инерции системы, внешних параметров питания системы, таких как напряжение в бортовой сети автомобиля и внешних возмущающих воздействий, таких как момент сопротивления, влияющих на выходные параметры объекта регулирования.

Анализ современных систем управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей показывает, что управление объектом регулирования осуществляется с максимальным управлением выходными параметрами двигателя, при обеспечении защит от заклинивания объекта управления, автоматической разблокировки и самодиагностики системы, чем обеспечивается достаточно высокая надежность системы управления, обеспечиваются потребительские и защитные свойства системы, однако, технико-эксплуатационные свойства достаточно низкие, за счет применения программных алгоритмов управления двигателем и упрощенного адаптивного управления на основе аналоговой электроники и жесткой логики.

Лучшими технико-эксплуатационными свойствами обладают адаптивные системы управления, в части поддержания постоянной оптимальной скорости объекта регулирования, поэтому именно они, считаются наиболее перспективными для дальнейшего развития, однако, данные системы имеют малую скорость выхода на оптимальный режим.

Таким образом, вышесказанное позволяет утверждать, что исследование и разработка адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей, способной отвечать всем современным требованиям безопасности и комфортабельности, технико-экспуатационным и потребительским свойствам - актуально и необходимо.

 Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании универсальной адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобиля с ускорением поиска оптимального режима работы двигателя и высокими показателями взаимозаменяемости элементов системы.

 Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

  1.  проведен анализ и установлены параметры, определяющие эффективность работы АСАУЭПВЭО автомобилей;
  2.  проведен анализ принципов построения АСАУ и практических разработок оптимальных систем автоматического управления;
  3.  исследованы статические и динамические характеристики ДПТ как объекта регулирования;
  4.  определены пути и способы ускорения процесса поиска оптимального режима работы объекта регулирования, в системе оптимального управления;
  5.  разработаны принцип построения, функциональная схема и алгоритм работы АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ;
  6.  разработаны принципиальные электрические схемы адаптивной системы автоматического управления ДПТ;
  7.  разработано прикладное программное обеспечение системы;       

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы различные методы теоретических и экспериментальных исследований. Анализ ДПТ, как объекта регулирования проводился с помощью статистических методов и численных методов математического анализа, данных имитационного эксперимента, включающего в себя как детерминированную, так и вероятностную части, подтверждение которого проводилось на двух ДПТ, с различными конструкционными параметрами, внутренними и внешними характеристиками. Экспериментальные данные были получены методом активного эксперимента с использованием центрально-композиционного ротатабельного планирования в близи зоны оптимума. Выбор оптимального варианта системы осуществлялся методом экспертных оценок. Минимизация принципиальной схемы выполнялась с применением булевой алгебры и метода поразрядной обработки данных. Разработка прикладного программного обеспечения системы проводилась с использованием метода декомпозиции и компиляционного метода программного моделирования логических схем.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты и положения:

  1.  разработана новая методика проведения имитационного эксперимента, с учетом, как детерминированных, так и вероятностных частей расчетных математических моделей, отличная от известных использованием вероятностной части по каждому из факторов участвующих в модели и позволяющая учитывать как технологический разброс характеристик ДПТ, так и погрешности средств измерения;
  2.  разработан универсальный метод адаптивно-корреляционного поиска установившихся значения при исследовании сложных динамических систем, позволяющий исследовать многоуровневые переходные процессы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

  •  разработана методика проведения имитационного эксперимента, с учетом, как детерминированных, так и вероятностных частей расчетных математических моделей, отличная от известных использованием вероятностной части по каждому из факторов участвующих в модели и позволяющая учитывать как технологический разброс характеристик ДПТ, так и погрешности средств измерения;

-  разработан универсальный метод адаптивно-корреляционного поиска установившихся значения при исследовании сложных динамических систем, позволяющий исследовать многоуровневые переходные процессы.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

  •  повышены технико-эксплуатационные свойства, улучшены комфортабельность, потребительские и защитные свойства систем вспомогательного электрооборудования автомобилей.
  •  определены граничные значения приращений показателей ДПТ, как объекта регулирования, в пределах которых целесообразно использовать управление скважностью, амплитудой и частотой по адаптивному алгоритму.
  •  Разработаны и исследованы принципы двунаправленной адаптации по напряжению питания, в результате чего получены показатели взаимозаменяемости элементов систем.
  •  рекомендованы принципы построения адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ.
  •  разработана экстремальная система, обеспечивающая многомерную оптимизацию объекта управления с переменной скоростью, с двунаправленной адаптацией по напряжению питанию  и удовлетворяющая противоречивым требованиям безопасности и универсальности оборудования.

-    разработано прикладное программное обеспечение системы, позволяющее      осуществлять регулирование базового напряжения питания, амплитуды, скважности и частоты импульсов сигнала управления, в соответствии с алгоритмом программно-адаптивного регулирования частоты вращения и полезной мощности двигателя, а также тестировать узлы системы.

Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 2 наименования общим объемом

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (__ наименований). Работа содержит ___ страницы, в том числе ___ страницы машинописного текста, ___ таблиц и ___ иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор современных АСАУ, показаны основные причины появления электронных систем управления приводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с адаптивными законами регулирования, проанализированы принципы построения систем оптимального регулирования,

рассмотрены технические решения известных адаптивных систем управления, и обоснован выбор адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей, построенной на основе принципа запоминания оптимума.

Задача осуществления оптимального регулирования может быть решена с помощью адаптивных систем автоматического управления, в частности систем оптимального регулирования. Принцип функционирования этих систем основан на получении информации от ОР в виде реакции на искусственно вводимые пробные поисковые воздействия. В АСАУ осуществляется непрерывный поиск оптимума по заданному параметру оптимизации.

При анализе существующих типов АСАУ, работа которых основана на различных способах поиска оптимума, сравнительная оценка систем проводилась по их чувствительности, помехоустойчивости и качеству регулирования. На основе проведенного анализа было установлено, что АСАУ с запоминанием оптимума является наиболее предпочтительной при создании автомата оптимизации параметров ДПТ. Данная система обладает хорошей работоспособностью при любой кривизне характеристики объекта регулирования и, что особо важно, высокой помехозащищенностью.

В конце главы приводится обзор технических решений и разработок адаптивных систем автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей. Вопросы возможностей использования АСАУ для оптимизации выходных параметров ДПТ и эффективности регулирования требуют дальнейших исследований. Для решения данных вопросов необходимо более полное изучение ДПТ как объекта регулирования.

Вторая глава посвящена исследованию ДПТ как объекта регулирования, в частности, анализу его основных характеристик, разработке математической модели двигателя в статическом режиме работы, исследованию динамических свойств ДПТ как ОР при управляющих воздействиях амплитуды, скважности и частоты импульсного сигнала управления.

Были сняты и проанализированы различные характеристики работы двигателей и в результате анализа, было установлен в качестве параметра оптимизации частота вращения двигателя постоянного тока, а в качестве критерия оптимизации максимальное значение полезной мощности.

Также были проанализированы частные случаи переходных процессов в расчетном и реальных двигателях, таких как пуск двигателя из неподвижного состояния, реверсирование двигателя и торможение двигателя. Был разработан метод оптимизации переходных процессов в двигателях, по минимальному времени протекания переходных процессов с поэтапным разделением процесса.

В соответствии с поставленной целью и задачами в рамках данной работы было проведено исследование возможности ускорения процесса поиска оптимального режима работы объекта регулирования в адаптивной системе автоматического управления.

Разработан алгоритм функционирования системы, обеспечивающий на первом этапе вывод системы из зоны сверхкритических в зону докритических начальных отклонений выхода, а на втором этапе поиск оптимального режима работы с постоянной скоростью изменения входного воздействия.

Алгоритм реализуется на принципе грубо-точного регулирования. На первом этапе вывод системы осуществляется следящим автоматом с разомкнутым контуром регулирования. На втором этапе система работает по принципу адаптивного регулирования с запоминанием оптимума.

 Третья глава посвящена разработке микропроцессорного контроллера адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы. Описывается алгоритм управления параметрами сигнала управления, функциональная и принципиальная схемы, а также программное обеспечение системы.

Структура АСАУЭПВЭО автомобилей включает в себя анализатор состояния ОР, основной и дополнительный контуры регулирования. Автомат оптимизации и объект регулирования (ДПТ) образуют основной контур системы. В дополнительный контур входит дискретно-непрерывный регулятор с жесткими законами регулирования параметров сигнала управления. Функционирование основного контура системы основано на шагоимпульсном принципе действия. Автомат оптимизации работает периодически, а изменение параметров сигнала управления производится один раз в течении шага. Первым действием происходит изменение скважности импульсов сигнала управления, далее скважность в течение времени шага остается постоянной, вторым действием осуществляется изменение амплитуды импульсного сигнала, далее амплитуда в течение времени шага остается постоянной, третьим действием осуществляется изменение частоты импульсного сигнала управления, далее частота в течение времени шага остается постоянной.

Такой принцип изменения параметров сигнала управления обеспечивается коммутатором сигнала управления, в результате чего осуществляется трехпараметрическое управление двигателем постоянного тока за время одного шага, причем управление в один момент времени осуществляется только по одному

контуру. Кроме выбора закона управления скважностью и амплитудой импульсов питания анализатор осуществляет контроль состояния двигателя на присутствие перерегулирования и заклинивания конечного объекта регулирования. При возникновении перерегулирования увеличивается скважность и амплитуда пропорционально интенсивности перерегулирования с уменьшением частоты вращения и уменьшается при ее увеличении. При возникновении заклинивания конечного объекта регулирования осуществляется реверсирование двигателя на минимальное смещение для освобождения от заклинивания, и обратное реверсирование двигателя на прямое движение объекта регулирования. При трех неудачных попытках освобождения от заклинивания анализатор заблокирует двигатель и выдаст сообщение об ошибке.

Выбор закона управления для анализатора определяется из условий:

где: интервал времени определения приращения полезной мощности;

интервал времени определения момента на валу ротора;

предельное приращение полезной мощности на заданном интервале времени;

предельное приращение момента на заданном интервале времени.

Рисунок 1 - Структурная схема АСАУЭПВЭО автомобилей

Реализация двунаправленной адаптации системы по напряжению питания осуществляется в автоматическом режиме, по данным полученным и записанным в память. Прямая адаптация осуществляется по преобразованию напряжения в бортовой сети Uбс автомобиля со значениями от 8 до 48 В, в напряжение питания двигателя, при изменении напряжения в бортовой сети в любую сторону. Обратная адаптация осуществляется по требованию анализатора, для установки параметра амплитуды импульсного сигнала управления. Закон грубого регулирования параметров сигнала управления получен на основе анализа статических характеристик двигателя и его идентификационной модели.

В основу функционирования дискретно-непрерывного регулятора положен принцип управления параметрами сигнала управления двигателем с интерполяцией значений функции внутри интервалов. Предложен способ предвычисления значений параметров сигнала управления с использованием метода «делителей», позволяющий минимизировать как объем используемой программной памяти системы, так и аппаратурные затраты.

Алгоритм функционирования САУЭПВЭО с ускорением поиска оптимального режима, основные положения которого сводятся к следующему:

  •  управляющим воздействием в системе является скважность и амплитуда импульсов питания, с частотной коррекцией;
  •  система работает по принципу грубо-точного (программно-адаптивного) регулирования;
  •  система имеет постоянную чувствительность;
  •  система работает с ограничением диапазона изменения скважности и амплитуды сигнала управления;
  •  система имеет постоянную скорость изменения управляющего воздействия;
  •  в режиме пуска и реверса ДПТ система обеспечивает поэтапное разделение способов питания двигателя;

-    в режиме торможения ДПТ система обеспечивает режим торможения                 двигателя противовключением сигнала управления;

-       система имеет оптический датчик полезной мощности и обладает обратной связью по полезной мощности двигателя;

-       вспомогательным входом системы является частота вращения двигателя;

-      система позволяет управлять несколькими приводами вспомогательного электрооборудования автомобилей;

-   система осуществляет двунаправленную адаптацию по напряжению питания от 8 до 48 В;

-      система имеет цифровую индикацию текущего значения момента на валу электродвигателя, амплитуды и скважности импульсов управления, частоты вращения и вывод сигналов на регистрирующую аппаратуру через последовательный порт с асинхронной передачей данных, протоколы связи RS-232 и CAN.

Рисунок 2 - Функциональная схема АСАУЭПВЭО автомобилей

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1.  Обоснована целесообразность разработки адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей с ускорением вывода ДПТ в зону оптимального режима.
  2.  Разработана методика совмещения детерминированных и вероятностных частей математических моделей, отличная от известных наличием вероятностной части по каждому из факторов на уровне 5%, участвующих в модели, и позволяющая учитывать как технологический разброс характеристик 11%.
  3.  Разработан универсальный метод адаптивно-корреляционного поиска установившихся значения при исследовании сложных динамических систем, позволяющий исследовать многоуровневые переходные процессы.
  4.  Исследовано влияние скорости изменения входного воздействия и величины начального отклонения выхода АСАУ на время выхода объекта   регулирования в зону оптимального режима и установлена возможность ускорения поиска оптимального режима путем уменьшения начального отклонения выхода системы от оптимума на первом этапе (от 2% до 5% от зоны оптимального режима работы ДПТ), и использования системы оптимизации с постоянной скоростью изменения входного воздействия на втором этапе управления.
  5.  Разработаны принципы построения системы питания с двунаправленной адаптацией к параметрам бортовой сети автомобиля (от 8 до 48 В) и к параметрам питания ДПТ (от 12 до 60 В), позволяющие обеспечивать высокую степень взаимозаменяемости элементов систем.
  6.  Разработана принципиальная схема системы и прикладное программное обеспечение АСАУЭПВЭО автомобилей с ускорением поиска оптимального режима работы ДПТ.
  7.  Оптимизированы динамические процессы пуска, реверса и торможения ДПТ, с применением поэтапного разделения процессов, что позволяет снизить пиковые значения тока в цепи якоря до 57-63% от максимальных значений при пуске ДПТ постоянным током, при увеличении времени трогания на 12% (0,013с) и увеличении времени пуска на 18% (0,17с).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80449. Шлях до незалежності 38 KB
  Головна мета: ознайомлення учнів з основними державотворчими подіями становлення незалежної України,вмвчення основних засад демократичного та суспільного ладу України,її досягнень за останні роки; закріплення знань про державну символіку (Герб, Прапор, Гімн, Основний Закон України-Конституцію)...
80450. Гілка сакури та кетяг калини. Діалог японської та української культур 484.5 KB
  Мета. Показати зарубіжну країну через її народ, прослідкувати своєрідні риси національної культури та літератури, провести паралель між японською та українською культурами. Виховна мета. Прищеплювати інтерес до культури народів світу,прагнення до пізнання життя, повагу до самобутності...
80451. Складання казки «Барвінок». Розвиток зв’язного мовлення 51.5 KB
  Мета: вчити учнів висловлювати свої думки в логічній послідовності; збагачувати активний словник учнів; розвивати творчі здібності, спостережливість; виховувати любов до природи, вміння відчувати красу рідного слова. Обладнання: ілюстрації та малюнки дітей із зображенням барвінка, аудіозапис «Пори року» П.Чайковського.
80452. Урок Доброти 4.2 MB
  Обладнання: комп’ютер дві презентації Казка про краплинку Твори Добро свічки картки для роботи в групах. Що на вашу думку може статися далі впасти зникнути або трапитись чудо Як хотіла жити Краплинка спокійно спати ні про що не думати байдужість безтурботність...
80453. Как правильно переходить дорогу (практическое занятие); разбор конкретных ситуаций 41 KB
  Как правильно переходить дорогу практическое занятие; разбор конкретных ситуаций. Кто-то норовит перебежать дорогу прямо перед вами рискуя попасть под ваши колеса. Вспомните как правильно нужно переходить дорогу. Где ж второй участник спора Он достиг конца пути И стоит у светофора...
80454. Герої мультфільмів. Теперішній тривалий час 1.62 MB
  Освітня мета: навчати порівнювати явища іноземної й мови рідної; формувати уявлення про мовну будову англійської мови; поглибити знання учнів про найвідоміші мультфільми світу; формувати усвідомлення важливості оволодіння іноземною мовою і потребою користуватися нею як засобом спілкування.
80455. Learn About the World Around 73 KB
  What season is it now? What month is it now? What are the four seasons of the year? What’s your favourite season? Why? What are the spring month? What’s your favourite spring month? Why? What is the weather like in March May?
80456. Спортивні ігри. Баскетбол 178 KB
  Завдання уроку: Освітні Ознайомлення із засобами загартування; Закріплення техніки ведення м’яча правою лівою рукою в високій та низькій стійках; Повторення різновидів передач м’яча однією та двома руками Ознайомлення з технікою виконання подвійного кроку.
80457. Звуки (с), (с’), позначення їх буквами Сс 155 KB
  Навчити читати склади, слова з новими буквами. Розвивати уміння читати анаграми. Виховувати бережливе ставлення до природи. Обладнання. Фішки звуків; демонстраційні картки з великою і малою буквами Сс...