Автоматизированная система управления или Работа двигателя и управление его работой в понимании обыкновенного автомобильного Диагноста,- статья из г. Белгорода, часть 2

30.05.2009

Автоматизированная система управления
Часть 2

Как механические состояния становятся электрическими сигналами.

Начнем с того, что механизм ДВС сфазирован. Есть точки, которые определяют начальную установку механизма двигателя. Эти точки всем известны и на практике с ними сталкиваешься постоянно. А теперь, следуя вышесказанному, мы привяжем нашу систему управления к этим точкам. И, исходя из этой привязки, обеспечим работу системы. В механической части согласованная работа механизмов двигателя, достигается постоянной связью между ними, это может быть ремень ГРМ, цепь, шестеренчатый механизм. Но смысл сводится к одному- установленное начальное положение коленчатого вала и соответственно поршней в цилиндрах, должны точно соответствовать определенному положению распределительного вала, которое в свою очередь определяет положение клапанов на каждом цилиндре. Это условие должно выполняться при работе двигателя в любых режимах.

Вот один из вариантов, как в двигателе сделано

именноисходяизэтогостроитсяработадругихсистемнапримерзажиганияивпрыска.

Это я написал умышленно - это не ошибка. А теперь представьте, что я написал бы весь текст так. Но в данном случае человек, проанализировав, может по смыслу определить, где начинается и кончается слово. Система это сделать не сможет. Она должна четко знать - где начало и где конец цикла работы двигателя, где в цикле двигателя начинается и заканчивается цикл каждого из цилиндров. А следовательно последовательность импульсов датчиков коленвала и распредвала не могут быть произвольными. Именно по ним система и получает информацию о том, о чем я сказал. Эти датчики привязаны к определенным точкам положения механизмов двигателя. И имеют «маркер». Именно от него и начинается отсчет. Не важно, с чего датчик считывает информацию - с шестерни или с пластины, или с диска, в котором сделаны прорези. Важно – где начало и где конец, а желательно и в промежутке между ними, какую либо отметку (точнее будет).

На этом в механической части остановимся и перейдем в электронную часть системы.

Поэтому для начала об общих понятиях и терминах.

Система получает информацию о состояниях объекта управления в виде различных сигналов (неверно).

Система управляет объектом, используя различные сигналы (тоже не верно).

Сигнал - это оповещение о наступлении события или определенного состояния.

Видов сигналов множество. Удары в бубен или в рельс, для системы ничего означать не будут, равно как и пинок сапога по колесу автомобиля, даже со «звуковым сопровождением» действия.

В системе управления используются электрические сигналы, причем определенного вида и типа.

Электрический импульс - кратковременный выброс (изменение амплитуды, тока или напряжения), ограниченный во времени.

Импульсная последовательность - это последовательность импульсов определенного вида, ограниченная во времени.

Существуют сложные виды импульсных сигналов, имеющих множество различных составляющих.

Импульсы бывают различной формы, но при этом они имеют одни и те же параметры. Наиболее простой – прямоугольный импульс. С него и начнем.

  • Импульс имеет передний и задний фронт (точка начала и конца импульса).

При этом форма импульса значения не имеет.

  • Мощность (величина) импульса характеризуется его амплитудой U(I).
  • Время между точками переднего и заднего фронтов одиночного импульса называют длительностью импульса.

  • Время между точками переднего фронта первого импульса и точкой переднего фронта следующего импульса называется периодом повторения.
  • Время между точкой заднего фронта первого импульса и точкой переднего фронта следующего импульса - частотой повторения (ничего общего с частотой электрического сигнала не имеет).

Теперь посмотрим, какие преобразования можно выполнить при этом и сохранить информацию, заложенную в основных параметрах импульса.

Имеем импульсный сигнал рис.1.

Имеем генератор импульсов. Рис.2.

В системе это генератор тактовой частоты. Это высокостабильный генератор, вырабатывающий непрерывный сигнал с определенной амплитудой и очень малым периодом повторения импульсов (высокой частотой повторения). Тактовые частоты, а их несколько, получают путем преобразования синусоидального сигнала задающего генератора. На рис.1 показаны точки – места, где максимальное значение амплитуды генератора тактовой частоты совпадают с определенными значениями параметров импульсов. Сложим эти сигналы. Там где импульса нет - там дискретное значение амплитуды в рассматриваемой в точке, будет равно амплитуде импульса генератора тактовой частоты. Точка переднего фронта импульса, значение амплитуды уже составит: амплитуда генератора тактовой частоты плюс амплитуда импульса. На рис.3 проводим амплитудное ограничение по нижнему уровню суммированного сигнала. Это и будет как раз амплитуда импульсов генератора тактовой частоты. Рис.3 я нарисовал для понимания процесса. А реально импульсная последовательность от датчика подается на вход преобразующего устройства, туда же поступают импульсы генератора тактовой частоты, там же производится ограничение, и на выходе получаем то, что на рис.4. Схематично можно показать так:

И что же мы получили в итоге. См. рис.4 выше: - амплитудные значения сохранены и соответствуют амплитуде сигнала до преобразования; точки переднего и заднего фронтов импульса остались там же где и были до преобразования, а, следовательно, длительность импульса сохранена; период повторения сохранен; информация о форме импульса сохранена.

Таким образом, выполнив «просечку» импульса (импульсной последовательности), импульсами генератора тактовой частоты мы получили дискретный импульсный сигнал (импульсную последовательность), в которых полностью сохранены его параметры первоначального сигнала. Собственно, что и требовалось.

Но, что еще получили мы в результате преобразования, и это важно! Видите, даже там, где нет импульса на рис.4 остались точки. Это такты. В данном случае мы можем рассматривать два условных состояния: «токовое» и «бестоковое» (есть импульс - нет импульса). Но расстояние между точками будет равно тактовой частоте повторения импульсов. А все процессы в системе происходят именно с тактовой частотой. Все, абсолютно все: запись, продвижение, перезапись, сложение, сравнение, анализ…

Следовательно, мы не только преобразовали импульсную последовательность в дискретный сигнал, мы осуществили привязку системы управления к объекту. И не в общем, а к дискретным значениям состояния его механизмов, в любой момент времени, независимо от режима работы. Механизмы самого двигателя согласованы (см. ранее приведенную схему ). Датчики стоят по месту, «маркеры»датчиков соответствуют положению начальных установок механизма. А «маркер» и есть прорезь или отсутствующий зуб на шестерне. Но «маркер» промежуточный, если таковой (таковые) имеются, будет отличаться от установочного. А, следовательно, количество тактов для каждого маркера будет различно. Промежуточные маркеры одинаковы между собой, поэтому и система рассматривает их всегда в промежутке, между установочными. Если система видит установочный маркер, а через некоторое время он повторяется - это и есть начло и конец цикла. Все что в промежутке – для поправки «на ветер».

На этих рисунках (справа), два сигнала. Сигналы на верхних картинках не преобразованы. Идут от датчиков. Амплитуда импульсов изменяется по отношению к величине опорного напряжения. Это напряжение стабильно. Это сделано для того, чтобы электрические сигналы уже от датчиков привести к некоторому стандарту. Повысить помехозащищенность. Искажения импульсного сигнала наиболее вероятны в начале и в конце амплитудных значений. Пример - если мы будем для формирования импульсов использовать напряжение бортовой сети, то при плохих контактах искажения наиболее вероятны в начале и конце амплитуды. В импульсном сигнале это может вызвать дробление импульса и искажения в точках переднего и заднего фронтов импульса. А, следовательно и искажение информации от датчика. Средний же участок менее подвержен искажениям. Следовательно выбран примерно средний уровень.

Мы рассматривали выше подробно преобразование импульсной последовательности. Там, для простоты, я амплитудные значения показал от «0». Это проще для понимания (и рисовать проще).

С сигналами, изображенными на двух верхних рисунках можно производить любые операции, и не важно, что амплитуды начинаются не с «0». Мы их также суммируем, затем выполняем «просечку» полученного сигнала импульсами тактовой частоты, выполняем ограничение по уровню опорного напряжения, получаем сигнал на нижнем рисунке. Этот сигнал готов для преобразования в последовательность «1»и «0».

Теперь на конкретных деталях ДВС покажу то, о чем сказал выше.

Вот шестерня распределительного вала. Вверху установочная точка. По этой точке производится начальная установка. А есть точка (зуб шестерни), находящийся напротив (180 град). А это уже точка положения поршня другого цилиндра. Оставшиеся две точки для цилиндров находим так же. А теперь просто представьте: основной маркер, остальные вспомогательные. Удалив зубья на шестерне в промежуточных точках (допустим по одному), но сохранив обязательно одинаковое их количество в каждом секторе. В районе установочной метки, маркер не будет иметь трех зубьев.

Вот все. Можно в установочную точку ставить датчик. И он будет считывать дискретные состояния распределительного вала . Причем всегда будет начало и конец цикла. А вот все что между ними – состояния клапанного механизма. Установленная маркерная пластина или шестерня на противоположном конце распредвала или непосредственно за шестерней, и выполняет эту задачу. Импульсная последовательность с датчика будет содержать всю необходимую информацию о положениях механизма.

Теперь коленвал.

Я специально взял пластину. На ней, как нельзя, кстати, отпечатались места зубьев шестерни коленчатого вала. Каждый зуб - это дискретное положение коленчатого вала. Теперь обратите внимание на выступы пластины. Видите, где они совпадают с зубьями? А теперь представьте, что это импульс. Это совпадение по фронту. Посчитайте количество зубьев в секторах. Оно одинаково. А теперь вы сами сможете в масштабе нарисовать импульсную комбинацию и датчика коленчатого вала и датчика положения распределительного вала. Можете выполнить все те же операции с ними, что мы делали с импульсами, и увидите, что получится. Вот и привязка системы фактически «чистому железу». Но для системы этого мало. Это механизмы двигателя можно по зубьям согласовать. А системе управлять объектом нужно.

Поэтому преобразуем импульсные сигналы дальше.

На первый взгляд, одно и тоже. Но это не совсем так. На первом рисунке дискретный сигнал.

Это я нарисовал импульсы большой длительности А на самом деле это уже импульсы, которые получились у нас после преобразования сигнала датчиков. И это как раз те два импульса в последовательности, по которым определяется начало и конец самой информационной точки.

Так вот, этот дискретный сигнал, преобразуется в логическую последовательность «1» и «0». Точно также выполняется «просечка» импульса (импульсов) но уже генератором «1» (рис.2.), который выдает на выходе «1» с частотой повторения равной тактовой частоте. Вот и полная синхронизация процессов и механических и электрических и всего остального. Теперь только нужно отслеживать процесс, так как, при изменении режимов работы происходят и некоторые и другие изменения. Просто и в общем, - рассмотрим.

Рис. 1. Разным цветом и пунктиром я дорисовал кое – что еще. Представим себе, что в какое-то мгновение произошло увеличение оборотов двигателя (на рис. красным). Что происходит с импульсной последовательностью. Что изменится в ней? Амплитуда – нет; Длительность импульса – нет (ни зубья шестерни, ни пластину никто напильником не стачивал.) Я знаю, что многие скажут «частота» но если употребите это слово, то только в словосочетании « частота повторения импульсов». Скважность - вот что изменится. Отношение периода повторения и длительности импульса. В нашем случае, это будет влиять на достоверность. Сократится количество тактов в промежуток времени, когда система определяет: начало – конец комбинации, начало - конец импульса. Следовательно, вероятность ошибки возрастает. Скважность импульсов учитывается также и при конструировании радиоэлектронных устройств. Допустим форсунки: - они есть с различным сопротивлением, если на форсунки с малым сопротивлением подать импульсы управления не соответствующей для них скважностью - они перегреются и сгорят.

Теперь о том, как система сохраняет синхронность при различных режимах работы (общий принцип, частности рассматривает каждый самостоятельно.)

На рис.1 и рис.3 Показаны импульсные сигналы, на разной стадии преобразования. На рис.2-Импульс синхронизации. При изменении периода повторения – скважности, изменяется и положение импульсов, по отношению к синхронизирующему. Пока он находится между точками фронтов импульса - работа будет считаться синхронной. Как только он выйдет за нее - синхронизация нарушена. Вот поэтому иногда «нормально» работает двигатель на ХХ, а при резком ускорении - система дает ошибку – «неправильные показания датчика…..», а обороты сбросил - опять нормально.

И делается это давно известными способами, известными устройствами. Конструктивные решения могут отличаться, способы разнится. Но в любом случае нужно запомнить: Всегда стремятся к тому, чтобы сигналы от датчиков представляли собой электрические сигналы одного вида. Это не всегда удается. Все электрические сигналы всегда преобразуют в один вид сигнала - дискретный. Именно этот сигнал несет информацию в виде мгновенных значений и состояний, именно на них система и ориентируется. Чем больше мы сможем получить при преобразованиях с первичных импульсных последовательностей или других аналоговых сигналов мгновенных значений, тем точнее и эффективнее система будет осуществлять управление. Вот на эти мгновенные значения система и ориентируется. Преобразование в дискретный сигнал необходимо еще и потому, что ни какой другой сразу преобразовать цифровой не получается.

Давайте попробуем другой вид сигнала преобразовать.

Очевидно, что в таком сигнале, информация содержится в изменениях амплитуды. И ничего страшного. Мы уже знаем, что мы должны получить и как. Рис.1 - вот этот сигнал. Рис.2 Импульсы генератора, которым осуществляем «просечку» аналогового сигнала, для получения дискретных значений. Рис.3 ,- а здесь то, что получили. Это не просто импульсная последовательность, нас не интересует длительность импульса, нас не интересует частота повторения их (период повторения). Нам интересно как сохранилась информация, заложенная в первоначальном сигнале после преобразования. А прекрасно сохранилась, в виде приращения уровня амплитуд мгновенных значений. А на рис.4 - уже последовательность «1» и «0». И каждому уровню мгновенного значения соответствует определенное количество «1». И на рис.3 я нарисовал сигнал как бы поверх мгновенных значений. Если вы внимательно посмотрите то заметите , что между тактами (точки на рис.) существуют значения, которые отличаются от тех дискретных значений, между которыми они заключены. Все правильно. Соедините все точки прямыми линиями, и вы получите реальную картинку в виде ломаной линии. Чем больше дискретных значений с такого сигнала снимается – тем точнее информация. Ну вот, теперь никакие сигналы с реальных датчиков вам не страшны. Вы сможете их проанализировать. Ибо теперь вы понимаете, где нужно смотреть. Смотреть нужно в точках, где информация - если там не нормально, то неисправность вычисляется уже проще (но на практике не всегда).

  • Теперь обратите внимание, что мы читаем на форумах.

    «…Сбросьте осциллограммы ДПКВ И ДПРВ….»

    Сбрасывает… Иногда думаешь, лучше бы не просил, лучше бы у него осциллографа не было. Потому что понять невозможно. Рассмотреть - глаза «вывихнешь», да к тому же и очки с восьмикратным усилением для рассмотрения нужны.

Скрины справа. Не идеально, конечно, но видно, откуда начинать смотреть (начало маркером отмечено) и понятно, и информационные точки видны. А теперь к этому всему, желательна эталонная осциллограмма. А если нет ее, тогда в нескольких режимах делается запись (момент появления ошибки, например, ХХ, средние обороты..) и дальше смотрите результат.

(взято с форума, автор pennkill)

А вот это уже грамотно. Это сигнал MAF.

Теперь еще хочу подчеркнуть один очень важный момент. Я уже не раз упомянул опорные напряжения. Да и на рисунках их обозначал. Важные для системы напряжения. Почти все датчики от их значений работают. Это делается для того, чтобы вынести сигналы датчиков из зоны, где по питанию могут и наиболее вероятны помехи. Источником этого могут быть контакты разъемов, реле и т. д. Вообще места соединений цепей, где даже при нормальном контакте, всегда будет «неоднородность». И она будет проявляться в виде искажений. Поэтому представьте,- если бы все датчики работали от бортовой сети. И все импульсные комбинации, их амплитуды, начинались бы с нуля, а заканчивались максимальным значением. Мало того, что, при возникновении импульса искажалась бы его амплитудное значение, мы вообще поставили бы работу всей системы от аккумулятора (его состояния) и генератора. Второе: все импульсы формируются от определенного стабильного значения (5В плюс - минус 0,25В). Следовательно, в импульс (в импульсную последовательность или сигнал датчика), уже изначально закладываются условия «стабильности» и устойчивости к некоторым воздействиям на них. Что в дальнейшем облегчает обработку сигналов. Ведь все импульсы и сигналы датчиков привязанны к значению опорного напряжения. Значит, ни каких «отрицательных импульсов» в системе быть не может. Теперь посмотрите на осциллограмму MAF. Что мы видим на ней. Прямая линия - опорное напряжение, далее импульс.

Передний фронт:- нарастание амплитуды, выброс (U,I) по переднему фронту, далее различные амплитудные значения на всем протяжении длительности импульса, с тенденцией роста, по мере приближения к точке заднего фронта и далее ее снижение, до значения опорного напряжения. Импульс имеет определенную форму и в принципе мы его, описав, классифицировали.

«Зачем это нужно, опять классификация»?. Если хотите увязать процессы и понять причину - нужно. А если хотите метаться, меняя то один то другой датчик и, когда получится «вдруг», занести в список неисправностей, который вы ведете,- тогда не нужно.

Ниже привожу пример, а каждый уже сам решит…

Продолжение в части №3


МАРКИН Александр Васильевич

г. Белгород

Таврово мкр 2, пер. Парковый 29Б

(4722) 300-709


Обсуждение на форуме: http://forum.autodata.ru/7/13212/
Информацию по обслуживанию и ремонту автомобилей вы найдете в книге (книгах):
наверх