Regulacija brzine vrtnje Ottovog motora u praznom hodu

Cilj je držati brzinu vrtnje Ottovog motora u praznom hodu čim bliže željenoj (referentnoj) vrijednosti neovisno o promjenama momenta tereta uslijed uključivanja raznih podsustava automobilskog pogona kao što je klima-uređaj, alternator ili servoupravljač. Učinkovitije potiskivanje djelovanja momenta tereta (poremećaja) omogućuje primjenu niže referentne vrijednosti brzine vrtnje motora bez opasnosti od zaustavljanja motora, te se tako smanjuje potrošnja goriva i emisije štetnih plinova. U primjenama se regulacija brzine vrtnje Ottovog motora u praznom hodu provodi primjenom proporcionalno-integralnog (PI) regulatora koji djeluje na upravljački signal kuta zaklopke motora. PI regulator može se proširiti predupravljačkim djelovanjem kompenzatora momenta tereta, pri čemu se moment tereta može rekonstruirati izravno mjerenih signala pomoćnih podsustava sutomobolskog pogona kao što je struja alternatora i stanje klima-uređaja u automobilu. Međutim, dodatni senzori pomoćnih veličina često se ne ugrađuju u masovno proizvedenim vozilima, njihova očitanja nisu dovoljno točna ili nisu dostupna upravljačkoj jedinici motora. Stoga se, umjesto PI regulatora proširenog unaprijednim kompenzatorom, za regulaciju većeg broja relevantnih varijabli stanja motora mogu primijeniti regulatori višeg reda kao što su PID ili polinomski regulator. Općenito, glavna ograničenja regulatora višeg reda uključuju osjetljivost na šum mjerenja i pogreške modeliranja motora.

Kako bi se ostvario kompromis između efikasnog potiskivanja poremećaja i male osjetljivosti na šum, projektiran je adaptivni regulator brzine vrtnje motora u praznom hodu. Regulator je zasnovan na PI regulatoru s konstantnim parametrima, proširenom adaptivnim Kalmanovim filtrom za procjenu momenta tereta i njegovu kompenzaciju (vidi sliku 1). Adaptacijski mehanizam temelji se na detekciji naglih promjena momenta tereta. Adaptivni regulator izveden je modularno, što značajno pojednostavnjuje proceduru njegovog podešavanja i provjere. Predloženi adaptivni regulator brzine vrtnje motora u praznom hodu detaljno je ispitan u odnosu na druge konvencionalna strukture regulatora. Eksperimentalna provjera provedena je na eksperimentalnom postavu V2 Ottovog motora snage 14 KS.

Slika 2 prikazuje usporedne odzive sustava regulacije brzine vrtnje u praznom hodu s predloženim adaptivnim regulatorom, te PI, PID i polinomskim regulatorom za slučaj skokovite promjene momenta tereta iznosa 4 Nm (15% nazivnog momenta motora). Za razmatrani slučaj motora male snage, referentna vrijednost brzine vrtnje postavljena je na 1200 min-1 kako bi se postigao ''miran'' rad motora. Detalji odziva na slici 2 koji se odnose na interval aktiviranja momenta tereta pokazuju da je sustav regulacije brzine vrtnje s PI regulatorom karakteriziran dobro prigušenim, ali zato i prilično sporim odzivom na udarno opterećenje uz veliki propad u brzini vrtnje iznosa 320 min-1. Primjenom složenijih regulatora, kao što je PID i polinomski regulator, iznos propada u brzini vrtnje i njegovo trajanje se značajno smanjuju (na približno 200 min-1), no zato razina šuma u upravljačkom signalu (referentnom kutu zaklopke) značajno raste (naročito u slučaju PID regulatora), a u odzivu se može pojaviti i nadvišenje (kada se koristi polinomski regulator). Primjena regulatora s adaptivnim kompenzatorom momenta tereta rezultira učinkovitim smanjenjem propada brzine vrtnje motora. Ovo je rezultat precizne detekcije naglih promjena momenta tereta, te s time povezanog brzog djelovanja upravljačkog signala zaklopke. Pošto je adaptacija Kalmanovog filtra impulsnog karaktera (pojačanja Kalmanovog filtra se brzo vraćaju na niske stacionarne vrijednosti nakon detekcije nagle promjene), procijenjeni moment tereta i referentni kut zaklopke karakterizirani su povoljnijim odnosom signala i šuma u usporedbi s PI regulatorom, te je uspješno prevladan problem nadvišenja u odzivu (i općenito nerobusnosti odziva), koje je karakteriziralo polinomski regulator.

Predloženi adaptivni kompenzator momenta tereta je nadalje uspoređen s unaprijednim kompenzatorom momenta tereta zasnovanom na ''mjerenju'' veličina motora vezanih uz moment tereta (na primjer mjerenje struje alternatora). Rezultati usporedne eksperimentalne analize kompenzatora momenta tereta zasnovanog na adaptivnom Kalmanovom filtru i unaprijednog kompenzatora sa i bez kašnjenja uslijed filtriranja/rekonstrukcije momenta tereta prikazani su na slici 3. Prema očekivanima, primjena izravnog (idealiziranog) kompenzatora momenta tereta bez kašnjenja rekonstrukcije rezultira najboljim performansama regulacijskog sustava. Međutim, važno je uočiti da upravljački signal ima vrlo sličan oblik za sustave s unaprijednim kompenzatorom i adaptivnim Kalmanovim filtrom, a karakteriziran je naglim i znatnim forsiranjem upravljačkog signala nakon promjene momenta tereta. Osnovna razlika je u tome da adaptivni kompenzator reagira na naglu promjenu momenta tereta s neizbježnim kašnjenjem (nužnim da se ostvari robusna detekcija nagle promjene momenta tereta). Usporedba adaptivnog kompenzatora i izravnog unaprijednog kompenzatora s kašnjenjem rekonstrukcije momenta tereta, pokazuje da su njihove performanse podjednake. Ovo ukazuje na to da primjena predloženog adaptivnog kompenzatora rezultira svojevrsnim optimalnim (najboljim mogućim) vladanjem ISC sustava u slučaju kada moment tereta nije moguće rekonstruirati, već ga je potrebno procijeniti.