ADAPTIVE CONTROL OF THE MARINE DIESEL ENGINE’S WORK WHILE CONSUMING WATER FUEL EMULSIONS
Abstract and keywords
Abstract (English):
Influence of the emulsified fuel (water fuel emulsion) onto diesel engine's working process provides with a ground for investigations in the field of engine's work process control. The conducted analysis of possible concepts of control allows considering the most acceptable adaptive control concept as the most difficult by the level of generating controlling actions but also as the most perfect by efficiency of the control. The recommended method of solution of the challenge for searching for an adaptive control has quite effectively been realized in the form of logic, and by creation of a flowchart carrying out the given solution search method. The composite of the main control functions in engines has allowed bringing in a chart of arranging these control functions within the electronic control system. The obtained results allow estimating advantages and disadvantages of the control system resting on the adaptivity concept, as well as to form a general chart of the adaptive control based on this concept.

Keywords:
adaptive control, marine diesel engine, water-fuel emulsion
Text
Введение Влияние эмульгированного топлива на рабочий процесс дизеля оценивали многие исследователи. В исследованиях О. Н. Лебедева, Л. В. Сергеева, И. А. Иванова, В. Ф. Большакова, З. Б. Погребинского, В. Н. Петрова, В. П. Носова получены данные о влиянии воды на максимальное давление цикла, скорость повышения давления, период задержки самовоспламенения, температуру стенок камеры сгорания, продолжительность сгорания топлива и дымность. В [1, 2], на основании результатов исследований по применению водотопливных эмульсий (ВТЭ) в дизелях, сделан следующий вывод: каждому значению нагрузки соответствует значение влагосодержания, изменяющееся в пределах 15-40 %, при котором достигается наибольшая экономичность. Это же, в той или иной степени, отмечают и вышеперечисленные авторы, что даёт основание для исследований в области управления рабочим процессом двигателей, работающих на ВТЭ, путём изменения влагосодержания для различных режимов работы с целью достижения лучших эксплуатационных показателей. Такие исследования описаны, например в [3]. Концептуальные направления в задачах управления В существующей теории горения в дизеле отмечается природа очень сложного процесса ввиду его быстротечности, цикличности, одновременности физических и химических процессов при параллельном со смесеобразованием развитии процессов самовоспламенения и горения, но не рассматривается возможность управления горением. Динамику тепловыделения, а следовательно, и выходные эффективные, экономические, экологические показатели дизелей определяет воспламеняемость топлива. Воспламеняемость топлива оценивается длительностью периода задержки воспламенения - τi, которая состоит из времени по распаду струи на капли, их испарения и смешивания паров с воздухом (физическая составляющая, зависящая от конструкции двигателя) и времени прохождения предпламенных реакций и формирования очагов самовоспламенения (химическая составляющая, зависящая от свойств топлива). Как увеличение, так и уменьшение τi характеризуются и позитивными, и негативными факторами, известными из теории рабочих процессов дизелей. Привлекательными, но практически неосуществимыми до недавнего времени были попытки влияния на рабочий процесс дизеля изменением воспламеняемости в зависимости от режима работы, т. е. возможности адаптации топливной системы к условиям работы дизеля путём управления воспламеняемостью. Ситуация начала изменяться с появлением дизелей с электронным управлением впрыском, так называемых «интеллектуальных» дизелей. Однако, как было отмечено, проблемы управления в судовых двигателях при использовании многокомпонентных топливных составов (в частности, ВТЭ) по-прежнему не автоматизированы в существующих электронных системах управления. Применительно к системам автономного управления в теории управления выделяют три концепции управления (концепции пригодности, оптимизации и адаптивности) [4], обеспечивающие эффективное реагирование и рациональное поведение объекта управления. Для выбора наиболее приемлемой концепции был проведён их детальный анализ. Полноценная реализация концепции адаптивности предполагает наличие механизмов прогнозирования возможных условий функционирования. При этом используется не только априорная (статическая) информация, сформированная на основе анализа прошлого опыта функционирования системы, и (или) текущая (динамическая) информация, полученная в результате сбора данных о текущем состоянии всех параметров, существенных для процесса функционирования системы, но и прогнозная (виртуальная) информация, которая обычно формируется путем анализа моделей, описывающих поведение системы или ее отдельных компонентов. Далее, чем сложнее система, тем, как правило, она менее надежна, менее экономична. Вследствие этого системы управления, реализованные на основе концепции адаптивности, во многих прикладных сферах пока почти не используются. Однако в настоящее время технологический уровень поддержки и организации управления возрос настолько, что позволяет рассматривать вопрос о реализации управления на основе концепции адаптивности в практической плоскости. Это следует, в частности, из приводимого ниже анализа существующих электронных средств адаптивности топливной системы дизельного двигателя. Общая схема управления судовым двигателем на основе концепции адаптивности приведена на рис. 1. Как видно из приведенной схемы, процесс управления на основе концепции адаптивности является достаточно сложным: он должен содержать элементы - накопители данных и средства их обработки о предыдущем опыте управления, достаточно развитую и надежно функционирующую систему датчиковых устройств, предоставляющих информацию о состоянии всех текущих элементов системы, а также средства прогнозирования возможных состояний этих параметров на ближайшее будущее. Рис. 1. Общая схема системы адаптивного управления Концепция адаптивного управления рабочим процессом Нами предлагается вариант усовершенствования концепции по параметрам, связанным с использованием ВТЭ. Для этого рассмотрим методы синтеза адаптивных законов автоматического управления для случаев самонастраивающихся и самоорганизующихся систем. Для описания синтеза адаптивных модальных законов автоматического управления воспользуемся материалом из [5, 6]. Упрощенные схемы синтеза каждого типа управлений приведены на рис. 2. а б в Рис. 2. К синтезу адаптивного модального закона управления: а - исходная система; б - самонастраивающаяся система; в - самообучающаяся система Пусть система автоматического управления (в соответствии с рис. 2) описывается уравнением , (1) где A = (aki) - постоянная матрица n × n; - ее приращение; b, c - вектор-столбцы; Т - знак транспонирования; х - n-мерный вектор координат; - управляющий сигнал; - нелинейная скалярная функция; ; ; ; ; ; Будем полагать, что приращение матрицы объекта может изменяться в процессе эксплуатации, и поставим задачу синтезировать коэффициенты закона управления cTx таким образом, чтобы система была работоспособной и отвечала заданным требованиям при любых изменениях . Для этого применим беспоисковую самонастраивающуюся систему (в соответствии с рис. 2, б), введя контур самонастройки коэффициентов закона управления: с = К х, (2) где К - матрица п×пс неизвестными пока элементами: . Уравнение (1) будет описывать основной контур новой системы. Из уравнений (1) и (2) имеем , где . С помощью неособого преобразования система приводится к эквивалентной форме: , (3) где квадратичные матрицы ; ; , - собственные значения матрицы А + ∆A, т. е. корни уравнения , ; и - корни уравнения , (4) Заметим, что преобразование будет неособым, если числа некратные и рассматриваемый объект полностью управляем, т. е. выполняется неравенство . Будем рассматривать коэффициенты kij (i, j = 1, ..., n) в качестве параметров, образующих n2-мерное пространство . Составим систему n2 алгебраических уравнений , (5) где и - комплексно сопряженные (для λi, λj комплексно сопряженных) или вещественные (для λi, λj вещественных), в остальном произвольные постоянные. Пользуясь методом сечений пространства параметров, определим в пространстве сечение-гиперплоскость G2(s,r) системой (5) при условиях для всех , (6) а сечение G1(s) - той же системой при условиях Ass ≠ 0, остальные Аij = 0. В каждом сечении G2(s,r) система (3) содержит независимую подсистему второго порядка: (7) в каждом сечении G1(s ) - независимую подсистему первого порядка: (8) После исследования систем (7), (8) координаты zi(i≠ s, i≠ r) определяются из квадратур (9) а преобразование позволяет перенести результат исследования на исходную систему. Описанная процедура может быть реализована на основе алгоритма, общая схема которого приведена на рис. 3. В итоге, если есть возможность заранее оценить изменения при синтезе системы в сечениях G2(s,r, G1(s), можно подобрать такие qij(i, j = s, r) и, следовательно, kij (i, j = 1, …, n) и ck (k = 1, …, n), при которых x(t) удовлетворяет заданным требованиям устойчивости и качества при возможных изменениях ∆A. Построенное управление будет адаптивным, т. к. изменение ∆A вызывает изменение х, а последнее - изменение коэффициентов закона управления. Адаптация полученной модели к системе управления в судовых двигателях требует нахождения всех перечисленных выше коэффициентов. Нами основное внимание уделяется топливной системе, и поэтому ниже исследуется задача адаптивного управления топливной системой. При этом следует иметь в виду, что управление топливной системой охватывает две (из 14) функции управления в двигателе: контроль качественного состава топлива (или топливной смеси) и контроль соотношения топливо - воздух. Отметим, что в настоящее время в двигателях все большее распространение получают топливные смеси, включающие не только улучшающие добавки (по температурным, экологическим параметрам), но и непосредственно добавки по базовому составу топлива (спиртовые добавки, смеси различных видов топлива, вода). С позиций данного исследования наибольший интерес представляют добавление воды и создание ВТЭ. Рис. 3. Общая схема алгоритма адаптивного управления при заданном критерии оптимальности Непосредственно процесс функционирования топливной системы состоит из ряда этапов: подготовка многокомпонентной топливной смеси, создание смеси «воздух - топливо», впрыскивание топлива в цилиндр двигателя. С позиции адаптивного управления целесообразно добавить еще один этап как часть топливной системы, связанной с анализом выпускных газов с точки зрения эффективности сжигания топливной смеси в цилиндрах и в дальнейшем - использовании этой информации для корректировки действий в перечисленных трех основных этапах работы топливной системы. Общая схема управления процессом функционирования топливной подсистемы двигателя приведена на рис. 4. Рис. 4. Общая схема функционирования системы управления топливной подсистемой судового двигателя Описанная схема управления должна функционировать в непрерывном режиме, обеспечивая адаптивное регулирование параметров работы топливной системы. Контроль со стороны системы управления осуществляется по двум основным группам параметров: во-первых, используемый входной состав компонентов не должен приводить к нарушению работы цилиндра, к его порче или быстрому износу, и, во-вторых, выходные продукты работы каждого блока не должны приводить к нарушению установленных экологических показателей и ограничений. Внешними по отношению к двигателю являются шесть параметров, которые могут оказать влияние на эффективность сгорания горючего в камере сгорания цилиндра и на работу самого цилиндра: 1) режим работы двигателя (номинальный, максимальный, на малых оборотах и др.); 2) рабочее состояние датчиковой системы двигателя, являющейся одной из основ работы системы управления: при неадекватной работе отдельных датчиковых устройств или их отказе система управления может не только оказаться неспособной выполнять свои функции - она будет выдавать управляющие воздействия, нарушающие работу двигателя; 3) рабочее состояние самого цилиндра, прежде всего степень износа цилиндра и камеры сгорания и связанная с этим степень герметичности камеры при максимальном сжатии топливной смеси и высокая степень износа; система управления будет вынуждена, по возможности, выбирать более щадящий режим работы двигателя и подачи топлива; 4) температура нагрева цилиндра влияет на соотношение «воздух - топливо», на выбор момента подачи топливной смеси в камеру сгорания и ее количество; 5) сгорающее в камере сгорания смазочное масло поступает, во-первых, как смазка на поршне, во-вторых, при неправильно выбранном моменте смазки цилиндра, масло может быть впрыснуто непосредственно в камеру, и, в-третьих, при негерметичном сопряжении поршня с полостью цилиндра масло может просачиваться из внешней полости цилиндра; во всех случаях сгорающее масло ухудшает как технологические, так и экологические показатели цилиндра, и поэтому необходимо стремиться к выбору таких режимов работы камеры сгорания, при которых происходит наиболее эффективное сгорание масла; 6) качественные и количественные характеристики компонентов топливной смеси, что определяет долю каждого компонента в топливной смеси. Отметим, что к внешним параметрам следует отнести также экологические ограничения по выбросам различных веществ, т. к. эти показатели изменяются крайне редко и поэтому могут быть заложены в систему управления двигателем как стационарные (неизменные) ограничения. Приведенная схема может быть использована для формирования математической модели работы топливной системы. Введем обозначения: - заданный критерий оптимальности работы двигателя; t - текущее время, n - число компонентов, используемых при формировании топливной смеси (в случае с ВТЭ в состав топливной смеси обязательно входят два компонента - топливо и вода, т. е. ); - доля i-го компонента в составе топливной смеси; , - вектор, компоненты которого - значения или оценки перечисленных выше шести внешних параметров; e - вектор контролируемых экологических параметров, e - законодательные (нормативные) ограничения по контролируемым показателям; - вектор, описывающий интенсивность выбросов контролируемых экологических параметров в выхлопном газе двигателя; y - долевое количество воздуха при единичном количестве общей смеси «воздух - топливо»; - функция, описывающая зависимость оптимального долевого количества каждого компонента топлива от исходных данных (прежде всего, ) и e; - вектор оценок контролируемых экологических параметров в выхлопных газах компонента, выбрасываемых в результате сгорания смеси единичного веса при заданном составе топливной смеси и значениях внешних параметров; - долевое количество воздуха в составе смеси «воздух - топливо»; - вектор, аналогичный вектору при добавлении использования смеси «воздух - топливо» с долевым количеством воздуха y; - момент оптимального после момента t впрыскивания топливной смеси в цилиндр; - количество впрыскиваемой в цилиндр топливной смеси в момент ; - значение критерия эффективности при заданных параметрах впрыскиваемой смеси и внешних параметрах: - функция, описывающая интенсивность выбросов; - заданный критерий эффективности работы двигателя. Далее, предполагаем, что оптимизация процесса функционирования двигателя осуществляется в течение некоторого интервала времени , который назовем регламентным интервалом времени. Тогда на основе введенных соотношений задача оптимального выбора состава топливной смеси может быть сформулирована следующим образом: исходя из заданного набора внешних параметров , экологических требований , заданных функций , , , , , , , , выбрать состав топливной смеси , долю воздуха y, добавляемого к смеси при впрыскивании в цилиндр, моменты впрыскивания и количество топливной смеси при каждом впрыскивании таким образом, чтобы целевая функция на регламентном интервале времени достигала максимального значения, т. е. , при ограничениях на среднюю величину выбросов за регламентный интервал времени; , , для всех и при заданных соотношениях, связывающих переменные , , , , , , , . Поставленная задача относится к классическим задачам вариационного исчисления, и методы ее решения (в том числе и численные) имеются [7]. Таким образом, для реализации поставленной задачи необходимо прежде всего описать и задать функции , , , , , , , . Последняя проблема представляет и самостоятельный интерес, т. к. связана непосредственно с особенностями работы судовых двигателей конкретного ряда, конкретной модели. В ходе дальнейшей работы по адаптивному управлению рабочим процессом поршневых двигателей внутреннего сгорания с использованием ВТЭ предполагается более детальное рассмотрение методов решения задачи управления. Заключение Таким образом, нами получены следующие результаты. 1. Обоснованы актуальность и необходимость развития систем управления в судовых двигателях - электронных систем управления. В настоящее время имеются не только значительные достижения в решении этой проблемы, но и, как отмечено, ряд важных нерешенных вопросов, в частности связанных с реализацией систем адаптивного управления. 2. Сформирован состав основных функций управления в двигателях. Приведена схема организации функций управления в составе электронной системы управления и обозначено место системы управления топливным составом в рамках всей системы управления в двигателях. 3. Проведен анализ возможных концепций управления и обосновано, что в настоящий момент наиболее приемлемой является концепция адаптивного управления как наиболее сложного по уровню выработки управляющих воздействий, но и наиболее совершенного по эффективности управления. Изложенный материал позволяет оценить достоинства и недостатки системы управления, опирающейся на концепцию адаптивности, а также сформировать общую схему адаптивного управления на основе этой концепции. 4. Проведен анализ свойств наблюдаемости, идентифицируемости, управляемости и адаптируемости применительно к процессам управления в судовых двигателях и отмечено, что выполнение указанных свойств создает благоприятные возможности для реализации концепции адаптивного управления в судовых двигателях. 5. Концепция адаптивности, по своей сути, направлена не столько на выбор оптимального решения, сколько на поиск «лучшего» решения путем последовательного сопоставления по установленному алгоритму всех рассматриваемых альтернатив. Исходя из данного понимания концепции адаптивности выполнена формализация задачи выбора наиболее приемлемого решения, учитывающая возможный разрыв времени между моментом принятия решения и моментом его реализации в форме интервала прогноза. 6. Полученная общая формулировка выбора оптимального решения в рамках концепции адаптивного управления формализуется на основе использования аппарата теории автоматического управления: проведен анализ возможного типа целевой функции, выписаны соответствующие уравнения, связывающие все параметры системы. 7. Предложен метод решения сформулированной задачи нахождения адаптивного управления, который может быть достаточно эффективно реализован в виде алгоритма. Общая блок-схема алгоритма, реализующего предложенный метод поиска решения, приведена в статье. 8. Приведена общая постановка задачи выбора адаптивного решения применительно к задаче управления топливным составом в судовых двигателях. Полученные результаты создают необходимую теоретическую основу для дальнейших исследований по практической реализации и совершенствованию электронных систем управления двигателями.
References

1. Nosov V. P. Effektivnyy sposob szhiganiya tyazhelogo topliva v sudovyh sredneoborotnyh dizelyah: dis. … kand. tehn. nauk / V. P. Nosov. Novosibirsk, 1981. 174 s.

2. Petrov V. N. Primenenie vodotoplivnyh emul'siy i nekotorye voprosy ekonomiki / V. N. Petrov. L.: Izd-vo Leningrad. korablestroit. in-ta, 1976. S. 83-87.

3. Attiya A. M. A. Vliyanie struktury vodotoplivnoy emul'sii na ekologicheskie i ekonomicheskie pokazateli dizelya / A. M. A. Attiya, A. R. Kul'chickiy // Dvigatelestroenie. 2012. № 3. S. 16-20.

4. Voronov A. A. Osnovy teorii avtomaticheskogo upravleniya / A. A. Voronov. M.: Energiya, 1980. 312 s.

5. Il'ichev L. V. Effektivnost' proektiruemyh elementov slozhnyh sistem / L. V. Il'ichev, V. D. Volkov, V. A. Grushanskiy. M.: Vyssh. shk., 1982. 280 s.

6. Klyuev A. S. Proektirovanie sistem avtomatizacii tehnologicheskih processov: sprav. posobie / A. S. Klyuev, B. V. Glazov, A. H. Dubrovskiy, A. A. Klyuev; pod red. A. S. Klyueva. M.: Energoatomizdat, 1990. 464 s.

7. Skveyver A. Teoriya lineynogo i celochislennogo programmirovaniya: v 2 t. / A. M. Skveyver. M.: Mir, 1991. T. 1: 360 s.; t. 2: 342 s.