Regulacija elektroničke zaklopke

Elektronički upravljana zaklopka benzinskog motora predstavlja istosmjerni pogon koji pozicionira pločicu zaklopke benzinskog motora, te tako upravlja dotokom zraka u usisni kolektor motora. Elektronička zaklopka sve više zamjenjuje standardnu mehaničku zaklopku, kako bi se omogućilo upravljanje dinamikom vozila pomoću upravljačkog djelovanja motora, te smanjenje ispuha štetnih plinova i potrošnje goriva. U usporedbi sa standardnim istosmjernim elektromotornim pogonima, elektronički upravljana zaklopka uključuje neke specifične izvedbene karakteristike, kao što su nepostojanje unutarnje regulacijske petlje struje armature, korištenje potenciometra kao senzora pozicije i prisustvo izrazito nelinearne povratne opruge koja sputava gibanje zaklopke.

U okviru naše istraživačke grupe provedeno je intenzivno istraživanje identifikacije i regulacije elektroničke zaklopke. Detaljna eksperimentalna identifikacija elektronički upravljane zaklopke izvršena je s ciljem određivanja strukture i parametara odgovarajućeg matematičkog modela kao potpore razvoju efikasne upravljačke strategije. Linearni i nelinearni dio modela procesa elektronički upravljane zaklopke pogodno je identificirati odvojeno. Identifikacija linearnog dijela modela procesa uključuje pojedinačnu estimaciju fizikalnih parametera modela, te postupke identifikacije zasnovane na modelima tipa ''crne kutije'' (engl. black box): vremenski kontinuiranom IT1modelu, te vremenski diskretnom ARX modelu procesa. Identificirani nelinearni učinci uključuju statičke i dinamičke učinke trenja, te izraženi učinak nelinearnosti povratne opruge u njenom ravnotežnom položaju (engl. limp-home position).

Razvijena strategija upravljanja elektroničkom zaklopkom može se podijeliti u četiri razine (vidi sliku). Osnovna razina upravljanja uključuje PID regulator, te pretkompenzator koji ubrzava odziv regulacijskog kruga na promjenu referentne vrijednosti položaja zaklopke. Parametri PID regulatora prepodešavaju se u realnom vremenu kako bi se uzele u obzir različite vrijednosti krutosti povratne opruge ispod i iznad ravnotežnog položaja. Druga razina upravljanja sadrži nelinearne kompenzatore trenja i nelinearnog učinka povratne opruge. Ove dvije razine upravljanja, predstavljaju jezgru strategije upravljanja elektroničkom zaklopkom.

Sl. 1. Principna shema sustava regulacije položaja zaklopke benzinskog motora.

 

Treća razina strategije upravljanja zaklopkom sadrži algoritam za automatsko podešenje (auto-tuning) regulatora. Algoritam za automatsko podešenje proračunava parametre strategije upravljanja u realnom vremenu bez ikakvog prethodnog znanja o parametrima procesa. Može se izvršiti za svaku pojedinu zaklopku u fazi njene proizvodnje, kao i tijekom eksploatacije vozila (na primjer, nakon svakog isključivanja motora). Time se omogućuje postizanje optimalnog vladanja sustava upravljanja zaklopkom bez obzira na odstupanja u proizvodnji, promjene vanjskih čimbenika, te starenje komponente. Značajke auto-tuning algoritma su: visoka točnost, brzo izvršavanje (oko 1.5 sekundi), te jednostavnost (potrebna je samo cjelobrojna aritmetika).

Algoritam samopodešavanja regulatora uključen je u četvrtu razinu strategije upravljanja, kao prirodno proširenje auto-tuning algoritma. Različiti algoritmi samopodešavanja razvijeni su ovisno o dostupnosti senzora struje armature, te postojanju inicijalnog automatskog podešenja regulatora. Algoritmi samopodešavanja regulatora provode adaptaciju strategije upravljanja u realnom vremenu s obzirom na promjene parametara procesa, koje mogu nastati unutar jednog ciklusa rada benzinskog motora (na primjer promjena otpora armature DC motora i "limp-home" položaja zaklopke).

Razvijena strategija upravljanja elektroničkom zaklopkom motora ispitana je eksperimentalno na laboratorijskom modelu elektroničke zaklopke. Također je ispitana na stvarnom motoru s unutarnjim izgaranjem u sklopu regulacije brzine vrtnje motora u praznom hodu (engl. idle speed control). Očekuje se da bi se predložena strategija upravljanja mogla primjeniti i na druge elektronički upravljane izvršne članove u sustavima upravljanja dinamikom vozila.

Dolje navedene slike ilustriraju uspješnost predložene strategije upravljanja zaklopkom, te adaptacije sustava upravljanja na promjene parametara procesa.

Odzivi sustava regulacije u režimu "velikih signala" (linearni režim rada) za različite
vrijednosti ekvivalantne vremenske konstante zatvorenog kruga Te sa i bez pretkompenzatora.

 

Sl. 2. Odzivi sustava pozicioniranja u režimu malih signala,
sa i bez kompenzacije nelinearnih učinaka.

 

Sl. 3. Odzivi sustava pozicioniranja za prolazak kroz "limp-home"
položaj zaklopke, sa i bez kompenzacije nelinearnih učinaka.

 

Sl. 4. Odzivi slijednog sustava zaklopke sa i bez
kompenzacije nelinearnih učinaka.

 

Sl. 5. Adaptacija sustava regulacije zaklopke na 50-postotnu promjenu otpora armature DC motora
(a), te detalji slijeđenja referentnog položaja zaklopke sa i bez adaptacije (b).

 


Publikacije


  • D. Pavković, J. Deur, M. Jansz, N. Perić

    Adaptive Control of Automotive Electronic Throttle

    Control Engineering Practice, Vol. 14, pp. 121-136, 2006
  • J. Deur, V. Ivanović, D. Pavković, M. Jansz

    Identification and Speed Control of SI Engine for Idle Operating Mode

    SAE paper #2004-01-0898, 2004 SAE World Congress, Detroit, MI, 2004
  • J. Deur, D. Pavković, M. Jansz, N. Perić, D. Hrovat

    An Adaptive Nonlinear Strategy of Electronic Throttle Control

    SAE paper #2004-01-0897, 2004 SAE World Congress, Detroit, MI, 2004
  • 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
  • D. Pavković, J. Deur

    Self-tuning Control of an Electronic Throttle

    Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications (CCA 2003), Istanbul, Turkey, 2003
  • 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), Rhodes, Greece, 2003
  • J. Deur, D. Pavković, N. Perić, M. Jansz

    An Electronic Throttle Control Strategy Including Compensation of Friction and Limp-Home Effects

    Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC 2003), Madison, WI, 2003
  • D. Pavković, J. Deur, M. Jansz, N. Perić

    Experimental Identification of an Electronic Throttle Body

    Proceedings of 10th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2003), Toulouse, France, 2003
  • J. Deur, D. Pavković, N. Perić, M. Jansz

    Analysis and Optimization of an Electronic Throttle for Linear Operating Modes

    10th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC 2002), Dubrovnik-Cavtat, Croatia, 2002