www.unizg.hr www.fsb.hr/acg Neizrazito i digitalno upravljanje (NDU) www.fsb.hr Samopodesivi regulator položaja elektroničke zaklopke Ottovog motora 3. PREDAVANJE Završne radionice prof. dr. sc. Joško Deur josko.deur@fsb.hr Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje 28. studenog 2017. Ovi nastavni materijali izrađeni su isključivo za potrebe studenata navedenog kolegija. 1
Sadržaj O elektroničkoj zaklopki Ottovog motora Dinamički model procesa Sinteza regulacijskog sustava Eksperimentalni rezultati regulacije Samopodesivi regulator (engl. auto-tuning ctrl.) Eksperimentalno ispitivanje sampodesivog regulatora 2
Literatura 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 3
O elektroničkoj zaklopki Ottovog motora Zaklopka Upravlja protokom zraka kroz usisni kanal, čime posredno određuje masu ubrizganog goriva te moment Ottovog motora Predstavlja električnu servoosovinu za slijeđenje komande kuta zaklopke zadane preko pedale akceleratora (engl. driveby-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 4
- Opći koncept sustava upravljanja zaklopkom [Lit] [Ovdje] [ESP, AMS] 5
Dinamički model procesa (tijela zaklopke) - Puni nelinearni model Čoper Istosmjerni motor Inercija Reduktor Armatura Trenje Dvostruka opruga 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 6
- Statička karakteristika procesa Histereza zbog trenja Skok zbog nelinearnosti dvostruke opruge u LH poziciji Nezanemariv utjecaj povratne opruge za < LH Teorijska statička karakteristika (U S,C = M S,C / ch a t ) Eksperimentalno snimljena karakteristika 7
- Linearni dio modela i njegovo pojednostavljenje u ch u a + v u emf - + a 1 1 T s t Js b a i a PT3 model m m - m s s m 1 s l m l Zanemarivo viskozno trenje (b << a v t ) Zanemariva armaturna vremenska konstanta (T a 0.5 ms) u u ch ch u a u a a a i a i a t PT2 model t m m Napomena: PT3 model ako se a zamijeni s a /(T a s+1) m m + + - - m s - a a v 1 Js s v 1 Js t t m m l 1 s 1 s m IT1 model m l l Zanemariv utjecaj povratne opruge van LH zone (posebno za > LH ) Napomena: Uvjet za ovo zanemarenje: d a v t l 2 s J 8
- Prijenosne funkcije procesa IT1 model PT2 model a v t a v t u ch u a a i a t m m + - 1 Js m 1 s m l u ch u a a i a t m m + - - 1 Js m 1 s m l m s s l T em je oko 15 ms 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 9
Sinteza sustava upravljanja LH R + - LH + - FFC Rff + Pretkompenzator - U LHc U Sc I R /T I P R D 2 LH LHc + + fc ompenzator LH HOLD - + u LHc HOLD u fc upid nelinearnosti + + ompenzator trenja + u c + u 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) T a 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) Gain scheduling R T D Modificirani PID regulator Planiranje pojačanja PID regulatora (ovisno je li 0 > LH ili < LH ) 10
- Linearni regulator Primjena optimuma dvostrukog odnosa analitičke izraze za optimalne parametre regulator (povoljno za adaptaciju reg.) IT1 model Ekvivalentna parazitna vremenska konstanta otvorenog kruga (armatura + proces uzorkovanja + diferenciranje pozicije kod D djelovanja) PID regulator PT2/PT3 model Napomena: od IT1 sinteze, T e je slobodan kao posljedica zanemarenja VF dinamike, ali ne smije biti niži od onog dobivenog PT3 sintezom. <Nastavak na sljedećoj stranici> 11
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 Pretkompenzator Pozicionira nulu u blizini pola koji odgovara vremenskoj konstanti T e /2 Rff (z) D2 0.37, D3 T (3...6) ms, 0.4, zfff ( 0... 0. 35z ff ) Izbor dizajnerskih parametara (za kvaziaperiodski odziv i primjenu pretkompenzatora) Ovdje: T = 4 ms 12
Eksperimentalni rezultati regulacije Ilustracija kompenzacije trenja 13
w/o friction comp. w/ friction comp. 30.4 30.2 [deg] R 30.0 t[s] 29.8 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 30.6 [deg] 30.4 R 30.2 30.0 29.8 t[s] 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 31.5 [deg] 31.0 R 30.5 30.0 t[s] 29.5 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 [deg] 32.0 31.0 R 30.0 t[s] 29.0 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Ilustracija kompenzacije trenja - nastavak 14
Ilustracija kompenzacije LH nelinearnosti 15
Pozicioniranje u režimu velikih signala Slijeđenje (sporo promjenjive) reference položaja 16
Samopodesiv regulator - oncept 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 17
- 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. 18
- 1. faza: Odvajanje iz LH pozicije a) b) Detekcija odvajanja: ; Traži se da zbroj brzina zaklopke u tri uzastopna intervala bude dovoljno velika a) Upravljački signal u diže se po rampi dok se ne generira odvajanje iz LH pozicije (engl. Breakaway, BA). Pozicija u BA3 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 u BA3. Time se zaklopka postavlja na rub odvajanja za linearni režim identifikacije u 3. fazi } Ovdje: T = 4 ms, = T =0.106 o 19
- 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 ; Aperiodski signal brzine preferira se u odnosu na integralni odziv pozicije ; T fin T em 20
- 3. faza: Zatvaranje regulacijskog kruga Estimirani parametri IT1 procesa p i T em koriste se za podešavanje parametara PID regulatora (i pretkompenzatora) za aktualno područje > LH (indeks + ), pri čemu se primjenjuju prethodno prikazani rezultati sinteze regulatora: T T e e min 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 21
- 4. faza: Estimacija parametara statičke krivulje 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) 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> 22
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 ) 23
- 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): S 1, 1 LH 24
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 25