Pavković, D.

Identifikacija i regulacija pogona zaklopke motora s unutarnjim izgaranjem

Master's thesis, Faculty of Electrical Engineering and Computing, University of Zagreb, Croatia, 2003.
Sažetak. Automobilska elektronički upravljana zaklopka (engl. electronic throttle, throttle-by-wire) je istosmjerni elektromotorni pogon koji regulira dotok zraka u razvodnik ulazne grane motora s unutrašnjim izgaranjem. U ovom se radu projektira adaptivni digitalni regulator položaja automobilske elektronički upravljane zaklopke motora s unutrašnjim izgaranjem. Predložena upravljačka strategija implementirana je i ispitana simulacijom na računalu i eksperimentalno na laboratorijskom modelu sustava upravljanja elektroničkom zaklopkom. Detaljna eksperimentalna identifikacija elektronički upravljane zaklopke provodi se s ciljem određivanja parametara matematičkog modela procesa, te da se omogući projektiranje kvalitetnog regulatora elektronički upravljane zaklopke. Identifikacija je obavljena na prethodno snimljenim podacima. Linearni i nelinearni dio modela procesa elektronički upravljane zaklopke pogodno je identificirati odvojeno. Identifikacija linearnog dijela modela elektronički upravljane zaklopke uključuje estimaciju parametera linearnog dijela fizikalnog modela u više koraka, te postupke identifikacije zasnovane na modelima tipa ''crne kutije'' (engl. black box): vremenski kontinuiranom integralnom modelu s aperiodskim članom prvog reda (IT1 model), te vremenski diskretnom ARX modelu procesa. Nelinearni učinci koji se identificiraju uključuju statičke i dinamičke učinke trenja, izraženi učinak nelinearnosti povratne opruge u blizini pozicije zaklopke u koju je vraća povratna opruga nakon nestanka napajanja (engl. limp-home position). Linearni PID regulator pozicije algebarski se optimira prema optimumu dvostrukog odnosa (engl. damping optimum). PID regulator se ugađa tako da omogući granično prigušeno aperiodsko vladanje zatvorenog regulacijskog kruga pozicije. Predloženi PID regulator pozicije proširuje se pretkompenzatorom (engl. feed-forward controller) u grani referentne vrijednosti pozicije elektroničke zaklopke s ciljem da se ubrza odziv regulacijskog kruga na promjenu reference pozicije. Kako bi se uzele u obzir različite vrijednosti parametera linearnog modela procesa ispod i iznad ''limp-home'' pozicije zaklopke, uvodi se prepodešavanje parametara PID regulatora (engl. gain scheduling). Trenje u prijenosnom mehanizmu i nelinearna karakteristika povratne opruge negativno utječu na karakteristike slijednog sustava pozicije elektronički upravljane zaklopke. Utjecaj ovih učinaka analizira se simulacijom na računalu i eksperimentalno. Razvijen je novi model trenja kako bi se adekvatno obuhvatili eksperimentalno uočeni učinci laganog gibanja zaklopke u režimu statičkog trenja (engl. presliding displacement effect) te pada trenja nakon odvajanja (engl. breakaway effect). Da bi se kompenzirali neželjeni učinci trenja i nelinearne karakteristike povratne opruge, linearni regulator s pretkompenzatorom proširuje se nelinearnim kompenzatorima trenja i nelinearnosti opruge koji djeluju po signalu regulacijskog odstupanja. Parametri matematičkog modela elektroničke zaklopke mogu značajnije varirati zbog odstupanja (tolerancija) u proizvodnji, promjena nekih vanjskih čimbenika (npr. temperature), te starenja komponente. Da bi se izbjegao utjecaj ovih relativno polaganih promjena parametera matematičkog modela zaklopke na karakteristike regulacijskog sustava, uvedeno je automatsko podešenje parametara nelinearne strategije upravljanja zaklopkom (engl. auto-tuning). Algoritam automatskog podešenja parametara regulatora zasnovan je na identifikaciji parametera linearnog i nelinearnog dijela procesa u realnom vremenu. Predloženi algoritam automatskog podešenja regulatora zaklopke karakterizira točnost, kratko vrijeme izvođenja (oko 1.5 sekundi), te jednostavna implementacija. Osim toga, predloženi algoritam ne zahtijeva nikakva prethodna znanja o bilo kojem parametru matematičkog modela zaklopke. Predloženi algoritam automatskog podešenja regulatora može se izvršiti u tijeku proizvodnje vozila, ali i tijekom njegove eksploatacije (npr. nakon isključenja motora s unutrašnjim izgaranjem). Da bi se kompenzirao utjecaj promjene otpora armature DC motora, napona baterije, te ''limp-home'' pozicije elektroničke zaklopke unutar jednog ciklusa rada motora s unutrašnjim izgaranjem, u radu se predlaže samopodešavajući regulator elektronički upravljane zaklopke. Samopodešavajući regulator zasnovan je na estimaciji parametera procesa u realnom vremenu. Razvijeni su različiti samopodešavajući algoritmi ovisno o dostupnosti mjerenja struje armature DC motora i inicijalnog automatskog podešenja regulatora. Razvijeni samopodešavajući regulator odlikuje točnost i jednostavna struktura, što ga čini pogodnim za primjenu na relativno jeftinom mikroprocesorskom sustavu. U svrhu eksperimentalne provjere samopodešavajućeg regulatora razvijen je simulator promjena parametara procesa koji se izvodi u realnom vremenu.