Identification and control of electronic throttle drive = Identifikacija i regulacija pogona zaklopke motora s unutarnjim izgaranjem : master thesis = magistarski rad - Pavković, Danijel; Perić, Nedjeljko (Zagreb : D. Pavković ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2003)
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.
Ključne riječi: Elektronički upravljana zaklopka automobilskog motora s unutrašnjim izgaranjem, istosmjerni elektromotorni pogon, dvostruka povratna opruga, trenje, nelinearna karakteristika povratne opruge, identifikacija procesa, analiza, modeliranje, regulacija pozicije, PID regulator, pretkompenzator, optimum dvostrukog odnosa, kompenzacija trenja i nelinearnosti povratne opruge, automatsko podešenje parametera regulatora, samopodešavajuća regulacija
The electronic throttle (or throttle-by-wire) is a DC servo-drive which controls the airflow into the intake manifold of the spark-ignited automotive engine. In this thesis an adaptive digital position control system for an automotive electronic throttle body (ETB) is designed. The proposed control strategy is implemented and examined by computer simulation and experimentally on the experimental setup of the electronic throttle control system. Detailed off-line experimental identification of the electronic throttle body is carried out with the aim to determine the parameters of ETB model and to aid the design of a high performance electronic throttle control strategy. The linear and nonlinear parts of the electronic throttle process model are conveniently identified separately. Identification of linear ETB dynamics includes a multi-step identification method based on physical ETB model form, and single-step methods based on black-box continuous integral+lag (IT1) model and discrete-time ARX process model. The nonlinear effects identified include different static and dynamic friction effects, and distinctive limp-home nonlinearity of the dual return spring. A linear PID feedback throttle position controller is algebraically optimized according to the damping optimum. The PID controller is tuned to provide critically damped (aperiodic) response of the throttle position control loop. In order to deal with different parameters of the linear process model for the regions below and above the limp-home position, a PID controller gain-scheduling algorithm is applied. The proposed feedback controller is extended with a feed-forward controller placed in the position reference path, in order to obtain faster throttle reference response. Transmission friction and return spring limp-home nonlinearity affect the performance of the electronic throttle servosystem. The influence of these effects is analyzed by means of computer simulation and experiment. A novel friction model is developed, in order to adequately capture the experimentally observed characteristics of the presliding displacement and breakaway effects. In order to deal with the undesirable nonlinear effects of friction and limp-home nonlinearities, the linear feedback/feed-forward controller is extended with nonlinear feedback friction and limp-home feedback compensators. The electronic throttle body parameters can significantly vary due to production deviations, variations of external conditions (e.g. temperature), and aging. In order to avoid the influence of these relatively slow ETB parameters variations to the performance of electronic throttle control system, an electronic throttle auto-tuning is introduced. The auto-tuner tunes the parameters of the electronic throttle control strategy based on the results of on-line identification of linear and nonlinear process dynamics. The auto-tuner is accurate, fast, and easy to implement. In addition, it does not require any prior knowledge of ETB process parameters. The proposed auto-tuning algorithm can be executed only once in the stage of vehicle production, or frequently at the end of each engine cycle. A self-tuning strategy for the electronic throttle control system is proposed in order to account for the variations of armature resistance, battery voltage and limp-home position, which may occur within a single engine run. The self-tuning algorithm is based on the on-line estimation of process parameters. Different self-tuning algorithms have been derived depending on the availability of armature current sensor and control strategy auto-tuning procedure. The proposed self-tuning strategy is accurate and has simple structure, which makes it easy to implement on a low-cost microcontroller system. For the purpose of experimental verification, a real-time simulator of process parameters variations is developed.
Keywords: Electronic throttle, DC drive, dual return spring, friction, limp-home nonlinearity, process identification, analysis, modeling, position control, PID controller, feed-forward controller, damping optimum, friction and limp-home compensation, auto-tuning, self-tuning
Bibliografija str. 130-133.