Управление системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания на основе нечеткого логического вывода

Машонский Вячеслав Александрович - аспирант кафедры «Управление качеством и сертификация» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основные направле-

ние научной деятельности - системы автоматизации проектирования подъемно-транспортных машин. Общее количество публикаций 4.

УДК 621.43.629

УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОГО ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА

В. П. Денисов, И. И. Матяш, О. О. Мироничева

Аннотация. Предложен метод автоматического управления температурой теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания на основе нечеткого логического вывода. Результаты разработки системы управления проверены математическим моделированием в среде MATLAB /Simulink/Fuzzy Logic Toolbox.

Ключевые слова: система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, частота вращения электропривода, автоматическое управление, математическая модель, нечеткая логика.

Введение

Одним из главных условий, определяющих нормальную работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС), является обеспечение его оптимального теплового состояния [1]. Под оптимальным тепловым состоянием понимается такое температурное состояние деталей цилиндровой и поршневой групп, которое отвечает наиболее выгодному сочетанию теплового процесса, высокой надежности и износоустойчивости деталей двигателя, при этом предполагаются минимальные энергетические затраты на поддержание процесса охлаждения.

Система охлаждения ДВС включает в себя два контура управления: жидкостный и воздушный. Регулирование температуры охлаждающей жидкости в рубашке блока цилиндров осуществляется изменением массового расхода теплоносителей, циркулирующих в жидкостных и воздушных контурах радиатора.

В работе предлагается метод управления системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, базирующийся на использовании математического аппарата нечеткой логики [2] при построении регуляторов жидкостного и воздушного контуров.

Система охлаждения ДВС как объект управления. В системах охлаждения теплота, отводимая в единицу времени охлаждающей

жидкостью, проходящей через насос, определяется следующим образом:

Qdn = GC (Tdn - Trad X где G - расход жидкости через двигатель в единицу времени; C - теплоемкость жидкости; Tdn и Trad- температура выходящей и входящей в двигатель жидкости.

Постоянство теплового состояния двигателя выполняется при условии:

Qdn - Qrad = 0,

где Qrad- количество теплоты, поступившее

от радиатора в двигатель в единицу времени.

Система охлаждения должна быть спроектирована таким образом, чтобы при любой нагрузке двигателя температурный режим его был оптимальным, что в традиционных системах охлаждения осуществить не представлялось возможным. Для решения этой проблемы в системах охлаждения ДВС начал применяться электропривод сначала вентилятора, а потом и насоса. Например, в работе [3] вопрос поддержания оптимальной температуры двигателя решался использованием электропривода насоса.

При применении электроприводов представляется возможным осуществить частотное управление двигателем для поддержания оптимального температурного режима ДВС. Изменение расхода жидкости (G) определяется изменением частоты вращения ротора на-

соса a: G = f (а) . Применение электропривода насоса позволяет существенно повысить КПД ДВС. Так как мощность двигателя пропорциональна кубу частоты вращения, при традиционном приводе насоса от коленчатого вала двигателя достичь повышения КПД затруднительно. В работе предлагается система управления, позволяющая решить эту проблему.

Нарушение теплового баланса (1) в системе охлаждения двигателя приводит к изменению температуры охлаждающей жидкости:

C Qdn Qrad

dt

cdatn = áqdn -aq

dt

rad '

Количество теплоты, передаваемое двигателем в единицу времени в систему охлаждения, определяется функциональной зависимостью, которая после разложения ее в ряд Тейлора и последующей линеаризации записывается в виде

aQdn =

fdqdnл dtr

dn J

AT +

V dh ,

ah,

где ДА - подача топлива в единицу времени.

Количество теплоты, передаваемое радиатором в окружающую среду, зависит от температуры охлаждающей жидкости на входе в радиатор, расхода жидкости О в единицу времени через зарубашечный объем и температуры охлаждающей жидкости после радиатора. После разложения этой зависимости в ряд Тейлора и линеаризации имеем

AQrad =

dQrad W J^raL IAG + ldQra!£ |ATr

3Td„ J V 3G J [dTrad

AG +

Так как при наличии управления температура на входе в двигатель изменяется незначительно, то в модели принимается ДТ ш= 0.

Изменение расхода охлаждающей жидкости определяется изменением частоты вращения ротора насоса. Если ротор насоса кинематически жестко связан с ротором электрического двигателя, то О = /(а), где а -частота вращения ротора двигателя, и тогда

aG =

да,

ас.

Подстановка полученного выражения в разложение (5) дает уравнение

AQrad =

dQ,

rad

v dTdn J

AT +

'dQ,

rad

da

ас

На основе выражений (3), (4) и (6) получим

dt

+ F AT =

dQ,

где ft =

dh

fdqrad л

V dTdn J

da

v dTdn J

Так как при неравномерном режиме работы двигателя тйп = ТйП0 + дтёп;

= оапо + Д&п; яш = яш* + дягаС, то с учетом условия (1) уравнение (2) принимает вид

После перехода к безразмерным координатам: ср = ДТ/Т0, х = ДА/А0, а = Да/а0 ,

и деления всех членов уравнения (7) на коэффициент при % , получим

trv гкД? = Х-вд01,

где постоянная времени системы охлаждения Тд, коэффициент самовыравнивания системы охлаждения кд и коэффициент усиления вд по нагрузке определяются выражениями:

CTn

к = FT0

в = (р&а*/ да)0

Д \dQdn/ЩК • Таким образом, дифференциальное уравнение двигателя как регулируемого объекта по температуре в терминах теории автоматического регулирования представляет собой апериодическое звено первого порядка.

В предлагаемой системе регулирование температуры осуществляется циркулированием охлаждающей жидкости и воздуха с помощью насоса и вентилятора, оба механизма приводятся в действие электрическими двигателями. На обоих двигателях реализовано регулирование частоты вращения ротора. Количество теплоты, поступающей в систему, определяется удельным расходом топлива. Поэтому величину этого расхода необходимо учитывать при регулировании частоты вращения электродвигателя насоса

Количество теплоты, поступающей в систему охлаждения, должно учитываться входным сигналом для регулятора частоты вращения вентилятора. Если количество тепло-

ты, отводимое системой жидкостного охлаждения двигателя, при изменении температуры окружающего воздуха, например, от -20°С до +30°С, не изменится, то есть Q1 = Q2, то объем воздуха, необходимый для охлаждения жидкости должен быть другим [4]. Покажем это

GBI • СВ1 • aTJ = GB2 • СЪ2 • AT2 или Wj р •CBJ •aTI = WB2 • Рг • Св2 •AT,, где Wb1(2) и Gb1(2) - объем и вес воздуха, проходящего через радиатор в единицу времени при температуре -20°С (+30°С); Св1(2), р1(2) и

aTJ(2) - теплоемкость, плотность и температурный перепад при указанной температуре. Тогда получим

пад - ДТ2=80°С-30°С=50°С Подставив значения плотности и теплоемкости, соответствующие указанным состояниям окружающего воздуха, получим

Wb1

W,

в2

1.16-0.242-50 1.36-0.241-100

= 0.43.

W,

P C -ATI

ш о С АГ

" в2 У2 ^в2 1Л12

Если в качестве охлаждающей жидкости используется вода, а ее средняя температура в радиаторе равна 80°С, то при температуре воздуха -20°С температурный перепад составляет Д71=80°С-(-20°с)= 100°С а при температуре воздуха +30°С температурный пере-

Следовательно, при снижении температуры окружающего воздуха с +30°С до -20°С количество воздуха, проходящего через радиатор, должно быть уменьшено более чем в два раза, поэтому входным параметром для регулятора вентилятора должна служить температура охлаждающей жидкости на входе в двигатель.

Система нечеткого управления температурой ДВС. Система охлаждения ДВС содержит жидкостный и воздушный контуры, реализованные на базе нечетких регуляторов, управляющих частотой вращения электроприводов насоса и вентилятора. Математическая модель системы охлаждения (рис. 1) реализована в интерактивной среде для выполнения научных и инженерных расчетов MATLAB с входящими в его состав пакетами расширения Simulink и Fuzzy Logic Toolbox [5].

Cooling System Simulation

Рис. 1. Модель системы регулирования в среде MATLAB / Simulink/ Fuzzy Logic Toolbox

Управление электроприводом насоса осуществляется на основе измерений температуры охлаждающей жидкости на выходе из ДВС и температуры нагрева двигателя, соответствующей теплоте сгорания топлива. На нечеткий регулятор Fuzzy Controller поступает информация о рассогласовании e требуемого Tzad и фактического Ten значений температуры

охлаждающей жидкости, и величина температуры нагрева, соответствующей теплоте сгорания топлива H. Выходной сигнал нечеткого регулятора Fuzzy Controller управляет частотой вращения электродвигателя насоса (pump), подающего теплоноситель на ДВС.

На нечеткий регулятор Fuzzy Controllerl, управляющий вентилятором, так же поступает

информация о рассогласовании e требуемого Tzad и фактического Ten значений температуры после ДВС, и, кроме того, величина скорости изменения этой температуры dT/dt.

Нечеткий регулятор Fuzzy Controller 1 формирует управляющие воздействия, изменяя частоту вращения электродвигателя вентилятора (vent). Предусмотрено отключение вентилятора для независимого моделирования канала охлаждения ДВС при работе насоса.

Модель двигателя (intemal-

combustor engine) описывает его инерционные свойства в соответствии с выражением (8), также учитывается нагрев при сгорании топлива (combustion heat).

В нечетких регуляторах входные сигналы: рассогласования e, производной dT/dt (для канала управления вентилятором) и температуры нагрева, соответствующей теплоте сгорания топлива H (для канала управления насосом) переводятся в значения нечетких лингвистических переменных, которые использу-

ются процедурой нечеткого логического вывода.

В реализуемых нечетких базах знаний как посылки: рассогласование е и температура Н (при управлении насосом), производная dT/dt (при управлении вентилятором), так и заключения правил (частота вращения электродвигателя ш) заданы нечеткими множествами.

Процесс приведения к нечеткости (фаззи-фикация) заключается в следующем. Диапазоны изменения переменных разбиваются на множества (термы), в пределах каждого из которых строится функция принадлежности переменной каждому из множеств. Функции принадлежности контуров нечеткого управления насосом и вентилятором системы охлаждения приведены на рисунке 2 и рисунке 3 , соответственно.

Рис. 2. Функции принадлежности нечеткого управления насосом системы охлаждения

Функции принадлежности термов входной переменной е

___ 1

0.5 0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

е,%

Функции принадлежности термов входной переменной с!Т/(Й

|_0.5 0

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

___ 1

з

^ 0.5 О

О 500 1 000 1 500 2000 2500 3000 3500 4000

ю,мин~1

Рис. 3. Функции принадлежности нечеткого управления вентилятором системы охлаждения

п - -1-1-1- - D

.........SJ\Y........

i X i X [

dT/dt, гр ад С/с

Функции принадлежности термов выходной переменной ш

Для нечеткого управления насосом диапазон изменения переменной e (сигнал рассогласования) разбивается на пять термов. При этом использована общепринятая система обозначений: n - отрицательный (negative), z - нулевой (zero), p - положительный (positive); s (small - малый). Например, ns - отрицательный малый. Диапазон изменения переменной H разбивается на термы S (Small - малый), M (Medium - средний), L (Large - большой).

Функции принадлежности выходной переменной w (частота вращения электродвигателя), задающей заключение каждого правила, построены в пределах термов: z - нулевой (zero), very-low - очень низкий, low -низкий, high - высокий, very-high - очень высокий.

При фаззификации контура управления вентилятором диапазон изменения переменной dT/dt разбивается на термы п, г и р. Терму г соответствуют малые значения скорости изменения температуры dT/dt, которые принимаются, как характеризующие установившийся процесс. Диапазоны изменения входной переменной е и выходной переменной ш разбиты на меньшее количество термов, по сравнению с нечеткой системой управления насосом, в связи меньшей важностью контура управления вентилятором для охлаждения ДВС.

Нечеткие регуляторы насоса и вентилятора работают на основе базы знаний, содержащей правила, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Базы продукционных правил нечетких регуляторов

Нечеткий регулятор насоса Нечеткий регулятор вентилятора

ЕСЛИ e=p, ТО ra=Z; ЕСЛИ e=z, ТО ra=low; ЕСЛИ e=ps, ТО ю= very-low; ЕСЛИ e=n, ТО ю= very-high; ЕСЛИ e=ns И H=S, ТО ю= high; ЕСЛИ e=ns И H=M, ТО ю= high; ЕСЛИ e=ns И H=L, ТО ю= very-high ЕСЛИ e=p, ТО ra=Z; ЕСЛИ e=n, ТО ю= very-high; ЕСЛИ e=z И dT/dt=n, ТО ю= z; ЕСЛИ e=z И dT/dt =z, ТО ю= low; ЕСЛИ e=z И dT/dt =p ТО ю= high.

Далее выполняется операция дефаззифи-кации - обратного преобразования нечетких переменных в четкие. При этом четкий вывод осуществляется нахождением взвешенного среднего для получения выходной переменной по формуле

М = Ъ^ЛМ М /МЛЛ ) .

1=\,т I

где ш - четкое значение выходной переменной; ш, - значение выходной переменной для /-го терма с единичным значением степени принадлежности; иш(ш,) - степень принадлежности к этому терму; т - число термов.

Таким образом, значение частоты вращения ш как электродвигателя насоса, так и вентилятора является результатом нечеткого логического вывода, выполненного на основе совокупности нечетких правил и нечетких переменных. На рисунке 4 показаны поверхности «входы - выход» для нечетких регуляторов системы охлаждения.

Приведем результаты исследований процессов охлаждения ДВС, полученные с помощью математической модели предлагаемой системы с нечеткими регуляторами в среде MATLAB / Simulink/ Fuzzy Logic Toolbox. Переходные процессы в системе рассмотрены при скачкообразном изменении температуры на 20 % в начальный момент и на 30 % на 300-й секунде модельного времени.

На рисунке 5 показаны процессы в системе охлаждения с насосом и отключенным вентилятором, на рисунке 6 - в системе охлаждения при одновременной работе насоса и вентилятора. Как видно из графиков, система регулирования во втором случае позволяет быстрее отработать возмущающее воздействие и установить требуемую температуру двигателя. Кроме того, наличие воздушного охлаждения при подключении вентилятора позволяет повысить точность поддержания заданной температуры.

Рис. 4. Поверхности «входы - выход» для нечетких регуляторов: а) - насоса системы охлаждения; б) - вентилятора

Рис. 5. Переходные процессы в системе охлаждения с насосом и отключенным вентилятором

Рис. 6. Переходные процессы в системе охлаждения с насосом и вентилятором

Заключение

В результате проведенного исследования получено, что предлагаемая система охлаждения ДВС, содержащая в своем составе жидкостный и воздушный контуры, реализованные на базе нечетких регуляторов, управляющих частотой вращения электроприводов насоса и вентилятора, работоспособна. Кроме того, следует отметить, что так как управление работой вентилятора и насоса осуществляется регуляторами, изменяющими частоту вращения электродвигателей, то этим достигается повышение КПД приводов.

Таким образом, система управления охлаждением ДВС, построенная на основе нечеткого логического вывода обладает высокой точностью поддержания рабочей температуры двигателя и, стабилизируя тепловое состояние двигателя, тем самым, обеспечивает достижение высоких экономических и экологических показателей его работы.

Библиографический список

1. Крутов В. И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1989. 416с.

2. Макаров И. М.и др. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления. Москва Наука. 2006. 334с.

3. Драгомиров С. Г. и др. Математическая модель системы автоматического регулирования температуры двигателя. // Электроника и электрооборудование транспорта. № 2-3. 2010. с. 2-5.

4. Гаврилов А. К. Системы жидкостного охлаждения автотракторных двигателей. М. Машиностроение 1966. 164 с.

5. Штовба, С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. - М.: Горячая линия -Телеком, 2007. 288 с.

THE FUZZY LOGIC-BASED CONTROL OF

THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE COOLING SYSTEM

V. P. Denisov., I. I. Matyash, O. O. Mironitsheva

The fuzzy logic-based automatic control technique is offered for of the combustion engine coolant temperature. The results of system synthesis are tested in MATLAB / Simulink/ Fuzzy Logic Toolbox

Денисов Владимир Петрович - д.т.н., доцент, зав. Каф. Электротехника и автотракторное электрооборудование, СибАДИ. Основное направление научных исследований: управление в технических и экономических системах на основе интеллектуальных технологий, общее количество публикаций 69, e-mail: vpdenisov@mail333.com.

Матяш Иван Иванович - к.т.н., доцент, генеральный директор ОАО «Мостовое ремонтно-строительное управление. Основное направление научных исследований- совершенствование конструкций и оптимизация режимов работы дорожно-строительных машин.Общее количество публикаций 20, e-mail: mrsu_omsk@mail.ru

Мироничева Ольга Олеговна - аспирант, Си-бАДИ. Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Общее количество публикаций 1,е- mail: ol-ga.mironicheva@mail.ru.