1

Neizrazito i digitalno upravljanje (NDU)

Samopodesivi regulator položaja elektroničke zaklopke Ottovog motora

3. PREDAVANJE Završne radionice

prof. dr. sc. Joško Deur

josko.deur@fsb.hr

www.unizg.hr www.fsb.hrwww.fsb.hr/acg

Sveučilište u Zagrebu

Fakultet strojarstva i brodogradnje

28. studenog 2017.

Ovi nastavni materijali izrađeni su isključivo za potrebe studenata navedenog kolegija.

222

O elektroničkoj zaklopki Ottovog motora

Dinamički model procesa

Sinteza regulacijskog sustava

Eksperimentalni rezultati regulacije

Samopodesivi regulator (engl. auto-tuning ctrl.)

Eksperimentalno ispitivanje sampodesivog

regulatora

Sadržaj

3

1. J. Deur, D. Pavković, M. Jansz, N. Perić, "Automatic Tuning of Electronic Throttle

Control Strategy ", Proceedings of 2003 Mediterranean Conference on Control &

Automation (MED 2003), June, Rhodes, Greece.

2. J. Deur, D. Pavković, N. Perić, M. Jansz, D. Hrovat, "An Electronic Throttle Control

Strategy Including Compensation of Friction and Limp-Home Effects", IEEE

Transactions on Industry Applications, Vol. 40, No. 3, pp. 821-834, 2004.

3. D. Pavković, J. Deur, M. Jansz, N. Perić, "Adaptive Control of Automotive Electronic

Throttle", Control Engineering Practice, Vol. 14, pp. 121-136, 2006.

4. D. Pavković, J. Deur, "Modeling and Control of Electronic Throttle Drive: A practical

approach – from experimental characterization to adaptive control and application",

Lambert Academic Publishing, Saarbrücken, 2011, ISBN: 978-3-8443-1628-5

Literatura

4

O elektroničkoj zaklopki Ottovog motora

Zaklopka

Upravlja protokom zraka kroz

usisni kanal, čime posredno

određuje masu ubrizganog goriva

te moment Ottovog motora

Predstavlja električnu servo-

osovinu za slijeđenje komande

kuta zaklopke zadane preko

pedale akceleratora (engl. drive-

by-wire; electronic throttle)

Može korigirati komandu s pedale

akceleratora za ekonomičnije i

efikasnije upravljanje motorom i

cijelim pogonom (npr. kod

regulacije vuče)

Predstavlja pozicijski istosmjerni

servo-sustav niske cijene i

relativno visokih performansi

5

- Opći koncept sustava upravljanja zaklopkom

[ESP, AMS]

[Lit]

[Ovdje]

6

Dinamički model procesa (tijela zaklopke)

- Puni nelinearni model

ČoperIstosmjerni motor

Reduktor

Dvostruka opruga

Trenje

Armatura

Inercija

Napomena: Uloga dvostruke opruge je vraćanje zaklopke u inicijalnu poziciju LH (engl. limp-home

position) kod nestanka napajanja ili ispada upravljačke jedinice. U LH Ottov motor ima dovoljno

momenta da se ne ugasi tj. da se vozilo može skloniti sa ceste i pozvati pomoć

7

- Statička karakteristika procesa

Teorijska statička karakteristika

(US,C = MS,C / KchKaKt)

Histereza zbog trenja

Skok zbog nelinearnosti

dvostruke opruge u LH poziciji

Nezanemariv utjecaj povratne opruge za < LH

Eksperimentalno snimljena karakteristika

8

- Linearni dio modela i njegovo pojednostavljenje

Js

1

s

1lK

lKsK

+

-

tva KKK

m m mmautKaK

-

sm

aichK

u

Js

1

s

1lK

+

tva KKK

m m mmautKaK

-ai

chKu

sT

K

a

a

1 bJs

1

s

1lK

lKsK

+

-

vK

+-

mm mm

sm

autK

ai

emfu

chKu

Zanemarivo viskozno

trenje (b << KaKvKt)

Zanemariva armaturna

vremenska konstanta

(Ta 0.5 ms)

Zanemariv utjecaj

povratne opruge van

LH zone (posebno za

> LH)

PT3 model

PT2 model

Napomena: PT3 model ako se Ka zamijeni s Ka/(Tas+1)

IT1 model

Napomena: Uvjet za

ovo zanemarenje:

JKKKKKK sltvad 2

9

- Prijenosne funkcije procesa

IT1 model PT2 model

Js

1

s

1lK

lKsK

+

-

tva KKK

m m mmautKaK

-

sm

aichK

u

Js

1

s

1lK

+

tva KKK

m m mmautKaK

-ai

chKu

Jednostavna prijenosna funkcija sa

samo dva i to fizikalna parametra koje

treba (on-line) identificirati

Točna tj. izravno upotrebljiva za

>LH

Tri, većinom ‘ne-fizikalna’ parametra

za idenitifikaciju

Ali, točnije za područje < LH

Tem je oko 15 ms

10

Sinteza sustava upravljanja

+

-

+

-

+

+

++

LH

R

I

P

D

LHcu

PIDu u

cu

FFC

KR/TI

KR

KRTD

Rff

+-

LH2

LH

+

-+

+

HOLD

fcu

LHc

LHcU

ScU

HOLD

fc

Gain scheduling Modificirani PID regulator

Pretkompenzator

Kompenzator trenja

Kompenzator LH

nelinearnosti

Linearni (PID regulator)

regulira linearni dio procesa

Nelinearnosti trenja i dvostruke

opruge dolaze do izražaja u

režimu malih signala, kada je

djelovanje PID regulatora blago

Stoga se PID regulator proširuje

aditivnim kompenzacijskim

signalima trenja i LH

nelinearnosti, na sličan način

(ali s drugim predznakom) kako

su oni prisutni u modelu procesa

Struja armature se ne regulira

(kompaktan regulator umjesto kaskadnog regulatora) jer: (i) Ta

je vrlo mali (0.5 ms); (ii) mali

DC motor ima mekanu

karakteristiku tj. relativno malu

struju kratkog stroja i ne treba

ga strujno štititi; (iii) nema

potrebe za senzorom struje

(ušteda)

Planiranje pojačanja PID regulatora

(ovisno je li 0 > LH ili < LH)

11

- Linearni regulator

Primjena optimuma dvostrukog odnosa analitičke izraze za optimalne parametre regulator (povoljno za adaptaciju reg.)

Ekvivalentna parazitna vremenska konstanta otvorenog kruga (armatura + proces uzorkovanja + diferenciranje pozicije kod D djelovanja)

IT1 model PT2/PT3 model

Napomena: Kod IT1 sinteze, Te je slobodan kao

posljedica zanemarenja VF dinamike, ali ne smije

biti niži od onog dobivenog PT3 sintezom.

<Nastavak na sljedećoj stranici>

PID regulator

12

Sinteza se pogodno može provesti temeljem IT1 procesa (jednostavnost vezana uz identifikaciju parametara), a onda uz ove egzaktne formula transformirati u parametre PID regulatora dobivene prema PT3 sintezi

Lako se identificira iz statičke

karakteristike procesa

Pozicionira nulu u blizini pola koji odgovara vremenskoj konstanti Te/2

Pretkompenzator

Izbor dizajnerskih parametara (za kvaziaperiodski odziv i primjenu pretkompenzatora)

Ovdje: T = 4 ms

)z....(zT

DD

ffFff 3500 , ms )6...3(

, 4.0 , 37.0 32

Rff(z)

13

Eksperimentalni rezultati regulacije

Ilustracija kompenzacije trenja

14

w/o friction comp. w/ friction comp.

[deg]

]s[t

R

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.829.8

30.0

30.2

30.4

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

30.0

30.4

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.829.5

30.0

30.5

31.0

31.5

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.829.0

30.0

31.0

32.0

]s[t

]s[t

]s[t

[deg]

R

[deg]

R

[deg]

R

30.2

30.6

29.8

Ilustracija kompenzacije trenja - nastavak

15

Ilustracija kompenzacije LH nelinearnosti

16

Pozicioniranje u režimu velikih signala

Slijeđenje (sporo promjenjive) reference položaja

17

Samopodesiv regulator - Koncept

Cijela procedura sampodešenja PID regulatora

traje samo 1.6 s i izvodi se svaki put po gašenju

Ottovog motora

Procedura idenitificira pametre IT1 modela procesa

te parametre nelinearne statičke karakteristike

procesa, te temeljem njih podešava parametre PID

regulatora i nelinearnih kompenzatora

18

- 0. faza: estimacija LH pozicije

Zaklopka je u LH poziciji prije uključenja sampodešavanja. LH pozicija LH se, dakle, jednostavno određuje usrednjavanjem kuta zaklopke za vrijeme prvih nekoliko intervala uzorkovanja.

19

- 1. faza: Odvajanje iz LH pozicije

a) b)a) Upravljački signal u diže se po rampi

dok se ne generira odvajanje iz LH

pozicije (engl. Breakaway, BA).

Pozicija uBA3 se sprema u memoriju i

koristi u 5. fazi.

b) Upravljački signal u vraća se na nulu i

ponovno podiže prema PT1 članu na

nešto manju poziciju od prethodno

dostignute pozicije uBA3. Time se

zaklopka postavlja na rub odvajanja za

linearni režim identifikacije u 3. fazi

Detekcija odvajanja:

;

}

Traži se da zbroj brzina zaklopke u tri uzastopna intervala bude dovoljno velika

Ovdje: T = 4 ms , = T=0.106o

20

- 2. faza: Estimacija parametara IT1 modela

Zaklopki prethodno dovedenoj na desni rub

LH zone, zadaje se dovoljni visoki i dugi

skok upravljačkog signala u, kako bi se

pobudila dinamika procesa i iz odziva

brzine zaklopke identificirali parametri IT1

modela procesa

emfin TT

;

;

Aperiodski signal brzine preferira se u odnosu na integralni odziv pozicije

21

Estimirani parametri IT1 procesa Kp i Tem koriste se za podešavanje parametara PID

regulatora (i pretkompenzatora) za aktualno područje > LH (indeks +), pri čemu se primjenjuju prethodno prikazani rezultati sinteze regulatora:

Potom se zatvara petlja regulacije pozicije po podešenom regulatoru

Referenca pozicije R postavlja se na poziciju blizu LH zone, 0 > LH, te provodi pozicioniranje, kako bi se zaklopka pripremila za identifikaciju nelinearnih parametara procesa u 4. fazi

- 3. faza: Zatvaranje regulacijskog kruga

mineeTT

22

Esimiraju se vrijednosti upravljačkog

signala u u tri karakteristična intervala

klizanja (pred zaustavljanje; S1-S3) i dva

trenutka odvajanja (BA1 i BA2; BA3 je već

identificiran u 1. fazi)

- 4. faza: Estimacija parametara statičke krivulje

Točke klizanja (S1-S3) Točke odvajanja (BA1 i BA2)

Estimiraju se na sličan način kako je to

učinjeno za točku BA3 u 1. fazi)

<Nastavak na sljedećoj stranici>

23

Temeljem identificiranih vrijednosti

upravljačkog signala u točkama

klizanja (S1-S3) i odvajanja (BA1-

BA3), estimiraju se parametri statičke

karakteristike zaklopke:

Parametar kompenzacije trenja

Parametar kompenzacije LH nelinearnosti

Parametar transformacije parametara

regulatora za područje ( < LH)

24

- 5. faza: Računanje preostalih parametara upravljačke

strategije

Nezanemarivi nagib statičke karakteristike u području < LH , u/- koristi se za proračun parametara PID

regulatora za to područje (kao baza za gain scheduling):

Parametri kompenzacije trenja i LH nelinearnosti postavljaju

se nešto manje vrijednosti od identificiranih parametara radi robusnosti kompenzacije (tj. izbjegavanja prekompenzacije u

prisustvu varijacija parametara):

1 , 1 LHS

25

Eksperimentalno ispitivanje samopodesivog regulatora

Brz aperiodski odziv

pozicije na skokovitu

promjenu reference

(vrijeme smirivanja odziva

u režimu malih signala oko

70 ms)

Bez zastoja u prolazu kroz

LH poziciju (efikasna

kompenzacija)

Samopodešenje i

ispitivanje je pokrenuto

stotinjak puta uz vrlo slične

rezultate, što ukazuje na

robusnost podešenja i

regulacijskih performansi