Idle speed control- A benchmark for hybrid system research

הטכניון - מכון טכנולוגי לישראלTECHNION - ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

הפקולטה להנדסת חשמלהמעבדה לבקרה ורובוטיקה

Idle speed control- A benchmark for hybrid

system research

מבצעים:גפני 025745027ערן

ורטה 032554578אדיר:מנחה

מולין" מרק ר ד

מבוא

עוד משחר המצאת המנועים היוותה בעיית הבקרה שלהם אתגר .בעיית הבקרה המרכזית הייתה שליטה במהירות הסיבוב ואספקת הכוח ממנו

והתאמתם לצרכי ניצולו .

בשנים האחרונות עקב משבר האנרגיה והמודעות הגוברת לאיכות הסביבה עולה הצורך לחסכון באנרגיה.

מטרת הפרוייקת שלנו הנה מציאת פתרון בקרה למנוע בטורי סרקכאשר תיבת ההילוכים נמצאת בהילוך סרק בהוצאת מינימום אנרגיה.

מצב זה מדמה עמידה ברמזור אשר מהווה מקור בזבוז דלק וזיהום אווירמשמעותי בחיי היום יום.

מודל המערכת

פנימית שריפה מנוע ופעולת מבנה הצגת

הארכובה גל

שסתומים

בוכנה

מצתצילינדר :בודד

טלטל

מנוע בעירה פנימית מתרגם אנרגיה כימיתלתנועה קוית .

לאחר מכן מתורגמת התנועה הקוית לתנועהסיבובית.

כל אלו מתבצעים בעזרת הצילינדר, הבוכנה,השסתומים ,המצת )במנוע בנזין( וגל הארכובה.

מנוע הנו כיום ביותר הנפוץ .הפעימות 4המנוע

ל נחלקת זה מנוע (4פעולת פעימות ) שלבים

. הבא לשלב מכינה הנה פעימה כל

דרך: יניקה. 1 הצילינדר לחלל ודלק אויר תערובת שאיבת. היניקה שסתום

השריפה: .דחיסה. 2 לחלל התערובת דחיסת

" עבודה.3 הבוכנה: ודחיפת המצת י ע התערובת הצתת. האויר התחממות עקב למטה

.פליטה.4 הפליטה: שסתום דרך השרופה התערובת פינוי

השאר בעוד אנרגיה מייצרת העבודה פעימת שרק כמובן. אנרגיה, מייצרת המנוע מתנועת רבע רק ולכן צורכות

צילינדרים4מנוע

ע"מ להתגבר על אספקת האנרגיה הלא רציפה צילינדרים,4נבנים רוב המנועים כיום בתצורת

כאשר ע"מ להתגבר על בעיית האיזון הבוכנות (0נעות בזוגות )תנע קוי משותף=

כשכל בוכנה מבצעת פעימה שונה בכל זמן נתון.

כך אנו מקבלים פעימת עבודה בכל חצי סיבוב מנוע.

מתייחס רק לפעימת במודל אותו נבקר נעשה שימוש בעובדה זאת ע"י כך שהוא בעוד את השאר הוא ממדל כהתנגדות העבודה המתבצעת בכל חצי סיבוב

לסיבוב.

(POWER TRAINמערכת העברת הכוח )

ע"מ לתרגם את התנועה הקוית לסיבובית נעשה שימוש בגל הארכובה.

אל גל הארוכבה מתחבר המצמד )ניתן לחיבור וניתוק( אשר מחובר מצידוהשני לתיבת ההילוכים.

תיבת ההילוכים מורכבת משני גלים ,כאשר הראשון מחובר קבוע אל המצמד והשני מתחבר לראשון כאשר משולב הילוך.

במודל שלנו כאמור תיבת ההילוכים אינה משולבת ולכן השפעת חיבור המצמד הנה הנעת הגל הראשון בלבד )מאסת המתכת(.

העומסים

במודל נעסוק בשני סוגי עומסים:

(– הגה כוח/מזגן.ON OFF. עומס בעל פרופיל מדרגה )1

. עומס משתלב – חיבור וניתוק המצמד.2

'. עומס מדרגה ימודל בפשטות כהחסרת כוח מהכוח המיוצר ע"י המנוע.1

'. עומס משתלב הנו מודל מורכב יותר מכיון שבחיבור המצמד מתווספת 2 למעשה מאסה נוספת למאסת המנוע,לכן ברגע החיבור נוסף עומס

עצום אולם כאשר המאסה מתחילה להסתובב וצוברת אינרציה סיבובית העומס יורד לדרגה נמוכה ושולית )ואף מסייע למנוע ברובסטיות כנגד עומס מדרגה כיוון שהאינרציה הסיבובית גדולה יותר -"גלגל תנופה"( .

כתוצאה מכך לניתוק המצמד כמעט ולא יהיו תופעות לוואי על המנוע.

מודל המערכת

SIMULINKמודל המנוע ב

4

theta

3

p

2

alpha

1

nclutch

T_crsh

n

theta

DC

Powertrainn

alpha_gal

q

alpha

p

Intake Manifold

trigger

phi_gal

theta

spark

Ignition Actuators

T_l

Goto

spark

theta

q

dc

T

4-cylinder Engine

5

T_l

4

clutch

3

alpha_gal

2

phi_gal

1

trigger

n

n

Theta

Theta

DC

ההצתה מערכת

סעפת היניקה

המנוע

מערכת העברת הכוח

מידול עומסים

SIMULINKמודל המנוע ב

באופן טבעי ,עקב החלוקה לפעימות שונות ממודלת אספקת האנרגיה אשר הנו מודל דאגרמת מצבים.STATE FLOWבמודל איתו אנו עובדים ע"י

מודל זה הנו "ליבת המערכת" ומשתמש בנתונים המסופקים לו ע"י מערכות "רציפים" כגון סעפת SIMULINK העזר של המנוע הממודלות ע"י מודלי

".היברידיהיניקה עומסים וכו.. לכן נקרא מודל זה "

כמו כן ממודלות באופן דומה מערכת העברת הכוח וההצתה.

Engine_Model_Inputs_Scopes/Idle Speed Control Hybrid Engine Model/4-cylinder Engine/4-cylinder Engine Chart

S_minusS = -1;

SS = 0;

Ge = G_e( m )

function

etav = eta( phiv )

function

Gn = G_n( m ) function

S_plusS = 1;

sparkdc / { T = G_e( mc ) * eta( 0 ); me = mc; mc = q; phi = 0; }

1dc / { T = G_e( mc ) * eta( phi ); me = mc; mc = q; }dc / { T = G_n( mc ); me = mc; mc = q; }

3

spark / { phi = 180 - theta; }

2spark / { T = G_e( me ) * eta( - theta ); phi = - theta; }

אתגר ואמצעי הבקרה

אתגר הבקרה:

סל"ד( ובהילוך סרק ,תוך הפעלת עומסים 800שמירת המנוע בטורי סרק )שונים וכל זאת ע"י שימוש בכמות דלק מינימלית.

יש לציין שבסביבת סל"ד זאת המנוע נמצא במצב רגיש ביותר במבחינת עמידות לעומסים כיון שזהו תחום בו יכולת אספקת הכוח נמוכה ביותר והוא

נוטה לכבות.

לכן באופן טבעי דרוש בקר בעל רובסטיות טובה.

אמצעי הבקרה:

ע"מ לבקר את המנוע נשתמש בשני אמצעים:

אשר קובעת למעשה את כמות התערובת הנכנסת שליטה בזווית המשנק1. למנוע ולכן את משטר האנרגיה.

אשר שולטת בתזמון אספקת הניצוץ שליטה בזווית קידום ההצתה. 2להדלקת התערובת ולכן הנה פונקציית נצילות.

השימוש באמצעי הבקרה:

הנכנסת האנרגיה הפוטנציאלית משנה כאמור את כמות זווית המשנק השליטה בלמנוע

ולכן כמובן את הכמות המופקת ממנו, אולם כיוון שהתערובת נעה דרך סעפת )יניקה( ארוכה ומונעת ע"י תת לחץ המגיע מהצילינדר )איננו לינארי(

יחסית בין שינוי הזווית והשפעתו על המנוע.ישנו פער זמן גדול

)יחסית למיקום הבוכנה בזווית קידום ההצתהלעומת זאת השליטה

במעלות( משנה את תזמון הניצוץ ולכן משפיעה על ניצול שריפת התערובת כפונקציית יעילות להפקת האנרגיה מהמנוע,לכן אנו מתחשבים בשינוי זה

.בעלת תגובה מהירה

:מסקנות

כאשר נוסף עומס למנוע נרצה להביא את פונקציית הנצילות למקסימוםוהוסיף אנרגיה פוטנציאלית.

במצב בו יורד עומס מהמנוע נרצה להקטין את פונקציית היעילות )תגובה מהירה( ולהקטין את האנרגיה הפוטנציאלית וכך למנוע טיפוס

מהיר בסל"ד.

הפתרון

בקר , בניית היה הצענו אותו הפתרון המערכת ואופי צרכי הבנת לאחר) " המנוע ) סיבובי מהירות גזירת י עפ המופעל העומס סוג את המזהה משתלב

: הקיימים המצבים מן אחד לכל מותאמת תגובה והפעלת.1. / - מתנתק משתלב מדרגה עומס.2. / – " מתנתק " משתלב משתלב עומס

. העומסים משילובי הנובעות האופציות את וכן

משתני המצב:

כאשר:p,n,m- למשתני המצבלאור נתוני המאמר בחרנו להתייחס p.לחץ האויר בסעפת היניקה -

m.מאסת האויר בצילינדר בסוף פעימת היניקה -n.)מהירות סיבובי המנוע )מסופק כיציאת המנוע -

המערכת ויציאות כניסות

: המערכת כניסות

. ההצתה - קידום זווית. המשנק - פתיחת זווית

: המערכת יציאת

n. המנוע - סיבובי מהירות

משוואות המודל

מודל המנוע נשען על מספר משוואות המייצגות אותו ואת תלות משתני המצבבכניסות ובעצמן.

ln

1 ( )

[ ( ) ( , )]

thr

airthr cyl

p

RTp f f p n

V

�

20 1 2

0 1 2 3

( )

( , )thr

cyl n pn

f s s s

q f p n c c p c c

α זוית וסת האוויר בתערובת -Intake Manifold - לחץ ה p

fthr(α) כניסת שטף האוויר דרך הוסת - q=ftcyl(p,n) זרימת שטף האוויר דרך הצילינדרים -

R קבוע הגז -Intake Manifold- טמפרטורת האוויר של ה Tair

Vpln -הנפח

:כאשר

20 1 2( ) ( ) 0i i i i

nT G m g g m g m 2

0 1 2

2 30 1 2 3

( ) ( )

( ) ( ) ( )

i i ie

i i i

G m h hm h m

v v m v m v m

( ) ( )i i ieT G m

T – תנע הצילינדרm - מסת האוויר בצילינדר

η(φ) - יעילות ההנעה ביחס לזוית התקדמות ההצתה Ge, Gn פונקציות יצירת התנע במצבים השונים -

:כאשר

התכן שלבי

למודל המנוע תחת כל אחת מאופציות העומס.לינאריזציהא. ביצוע

לכל אחת מאופציות אלו.תכנון בקר ב.

. nמשתני המצב מתוך תכנון משחזר ג.

אשר יקבע איזה מן הבקרים לשלב.תכנון בורר ד.

.חיבור הבקרים המשחזר והבורר למודל המנועה.

פרוט התהליך שבוצע עבור מנוע תחת עומס מדרגה

לינאריזציה

: בשלב ראשון נבודד את המשוואות הרלוונטיות למשתניAמציאת מטריצה המצב כפי שנבחרו:

20 1 2 1 3 2 0 1

ln

1 3 2 0 2

2 3 20 1 2 3 0 1 2 3[ ]

air

p

o o o o o

RTp s s s c p c np c n c f

V

m c p c np c n c f

n a n e v v v v b h b hm b h m f

כעת לפי:

:נקבל 1 3

ln

1 33 1,2,31,2,3

1,2,34 1,2,3 2 30 1 2 3 1 2

3 2ln

1,2,35 1,2,3

0

0

0

[ ][ 2 ]

aireq

p

i ieq

ii

i i

iieq eq eq o o eq

aireq

p

i i

ii

RTc c n

Vf f

c c nx p

f f

x mv v v v b h b h m

RTc p c

Vf f

x n

3 2

0

eqc p c

a

1

2

3

p x

m x

n x

מתוך העמודות:Aמטריצה נרכיב את

01 3 3 2

ln ln

01 3 3 2

2 30 [ ][ 2 ]

0 1 2 3 1 2 0

RT RTair airc c n c p c

eq eqV Vp p

c c n c p ceq eq

v v v v b h b h m aeq eq eq o o eq

מתוך העמודות:Bמטריצה נרכיב את

1 2ln

1,2,3

1,2,3 2 20 1 2 1 2 3

( 2 )

0

0

0

0

2 3

air

p

i

i

i

i

o o o

RTs s

Vf

B

fB

b h b hm b h m v v v

ונקבל:

1 2ln

2 20 1 2 1 2 3

( 2 )0

0 0

0 2 3

air

p

o o o

RTs s

V

B

b h b hm b h m v v v

:D ו Cקבלת

0 0 1

0i

gC

x

D

כעת ע"מ לקבל את הערכים הנומינלים נשווה את : 1

2

3

0

0

0

f

f

f

ונקבל:

3800, 3.4, 5.85, 185.21, 0.1008 10eq eq eq eq eqn p m

ערכים אלו נציב במטריצות שהתקבלו לקבלת לינאריזציית מערכת המצב.

-1.04092240000000 0 -0.107669940000000

4.83700000000000e-06 0 5.00325000000000e-07

0 29102299.1159661 -0.625000000000000

168.510208000000 0

0 0

0 29.2240235936226

A

B

שיפגע ביכולת הבקרה–דבר אינן מאוזנות : ניתן להבחין כי המטריצות הערה

הבקר סוג בחירת

עקב אובזרבביליות המערכת החלטנו לתכנן בשלב ראשון בקרמצב שהנו פשוט לתכנון ורובסטי יחסית.

תוך שאנו בוחריםPLACEאת תכנון הבקר בצענו בעזרת פונקציית וממקמים אותם באופטימיזציה ידנית.2מיקום קטבים המדמים מערכת מסדר

ביצועי המערכת הלינארית עם בקר המצב

( )t

( )t

( )p t

( )m t

( )n t

תכנון משחזר המצב

משחזר המצב היה פשוט לתכנון מכיוון שמשוואותיו זהות למשוואות שניתנו לנו במאמר ושעליהן נשען המודל..

20 1 2 1 3 2 0

ln

air

p

RTp s s s c p c np c n c

V

1 3 2 0 2m c p c np c n c f

:תכנון בורר

בורר מכיון שכפי שאציג ,לא הצלחנו להשלים לא תוכנן את בניית הבקר הראשון.

חיבור הבקר והמשחזר למודל המנוע הלא לינארי

:ביצועי המנוע המבוקר

נכבהמהירות סיבובי המנוע: ניתן לראות כי המנוע

בניסיון לנתח את חוסר התאמת הבקר למודל הבחנו כי קיימת בעייה בפרמטר מסת האויר ,בעוד הבקר דוגם את מסת האויר כל הזמן,

המודל דוגם אותה רק לפני קיום הניצוץ.לכן קריאת הבקר את המצב הנה כאילו המנוע נכבה בין הניצוצות

ומכאן נובעת חוסר התאמה הרסנית. אשר "מחזיק"sample and holdע"מ להתגבר על הבעיה הוספנו

את הערך האחרון שהתקבל לפני הניצוץ.בגרפים המוצגים ניתן לראות את המשמעות של מסת האויר לפני

ואחרי הרכיב.

יציאות הבקר

ניתן לראות את חוסר הרציפות הנכפת על הבקר.

:בעיות נוספות שנבדקו

מידול הגבלת הזוית של המשנק וקידום ההצתה: נוסה פתרון של 1. הכנסת רכיב רוויה אולם הוא גרם לבידור המערכת עקב הגברת מאמץ

הבקר כאשר היה תחת הגבלה )שאינה תורמת למצב המערכת ולכן גורמת להגברה נוספת....(.

. חוסר דיוק במודל הלינארי לעומת המודל הלא לינארי: להערכתנו 2 זאת אינה הבעיה.

. מרחק גדול מדי בין נקודת הלינאריזציה ומצב המנוע: ייתכן אולם איננו 3 מעריכים כי זאת הבעיה.

. בעיית שיחזור: כפי שנאמר –המשחזר בנוי לפי משוואות המודל ולכן4 לא קיימת סטיה בינהם )נבדק בפועל כדי לסתור מרווחי תזמון חישובם(.

דיון בתוצאות

נראה כי מודל המנוע כשלעצמו הנו מודל טוב אולם חסרה בו התייחסות 1.לעולם האמיתי בו הוא נכבה לדוגמא.

קשה לשליטה וטוב SIMULINK וה STATE FLOW. ממשק העבודה בין 2למודלים מוגבלים . לצערנו לא הצלחנו להתגבר על בעיות ממשק זה

ולכן השקענו זמן רב בבעיה שאיננה בעיית בקרה וחבל ,מכיון שבעיית בקרה זאת הנה מעניינת ובעלת אפליקציות רבות .

.אין ספק שבקרה המשלבת זווית משנק וקידום הצתה הנה גישה טובה3ומאפשרת שימוש בשני העולמות על יתרונותיהם כפי שהוצגו.

:סיכום

מטרת העל של הפרוייקט בו עסקנו הנה בדיקת כדאיות השימוש במודל היברידי של מנוע שריפה פנימית לתכנון בקרים.

במהלך הפרוייקט שלנו נתקלנו בקשיים רבים דווקא בתחום זה בו הקושי הנו בשילוב מרכיבי המערכת הרציפים והבדידים והבקר

הרציף.

עקב כך אנו מסיקים כי שימוש במודל זה באם לא יימצא פתרוןמניח את הדעת לממשק לא רק שיקשה אלא שלעיתים )כמו במקרה

שלנו( אף לא יאפשר תכנון בקר ישים למנועים אמיתיים.