testprotokoll - linköping university · 2018. 12. 14. · flervariabla reglerstrategier för...

Flervariabla reglerstrategier för avancerade motorerLIU

2018-12-13

TestprotokollRedaktör: Simon Malmberg

Version 0.1

StatusGranskad 2018-12-13Godkänd Lars Eriksson

TSRT10 Volvo LIPsSida 1


2018-12-13

PROJEKTIDENTITET2018/HT, TSRT10 Volvo

Tekniska Högskolan vid Linköpings Universitet, ISY

GruppdeltagareNamn Ansvar Telefon E-postAmanda Nilsson Projektledare (PL) 0730622479 [email protected] Wetterhag Dokumentansvarig (DOK) 0733160236 [email protected] Malmberg Test- och Kvalitetsansva-

rig0761462787 [email protected]

Emil Eklund Designansvarig (DSN) 0738030446 [email protected] Bärlund Mjukvaruansvarig 0761120772 [email protected] Andersson MPC-ansvarig 0739510094 [email protected] Johansson VVT-modell 0739225780 [email protected] Strandberg Tillståndsansvarig 0761662500 [email protected]

Kund: Volvo Cars CorporationKontaktperson hos kund: Fredrik Wemmert

Beställare: Lars Eriksson, 013-284409, [email protected]: Daniel Axehill, 013-284042, [email protected]

Handledare: Robin Holmbom, 013-281327 , [email protected]



2018-12-13

Innehåll

Dokumenthistorik 4

1 Inledning 5

2 Reglering av VVT 7

2.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Beskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 VVT-modell validering 9

3.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2 Beskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.3 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.4 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Validering av fullständig MPC-regulator i simulink 13

4.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2 Beskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.3 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.4 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5 Undersökning av trasig aktuator i simuleringsmiljö 17

5.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5.2 Beskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5.3 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5.4 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18



2018-12-13

DokumenthistorikVersion Datum Utförda förändringar Utförda av Granskad0.1 13 december 2018 Första utkast. Alla -



2018-12-13

1 Inledning

Detta dokument innehåller protokoll för alla de tester som utförts. I tabell 1 beskrivs vilka testersom validerar respektive krav och i tabell 2 listas kraven.

Tabell 1: Sammanfattning av vilket test som validerar vilket krav.

Testnr Testtitel Validering av krav nr:1 Reglering av VVT. 142 VVT-modell validering 9, 12, 133 Validering av MPC-regulatorn

med samtliga aktuatorer i Simu-link.

1, 2, 3, 7, 8, 16, 20, 21, 22, 23, 25, 26

4 Validering av defekt aktuator iSimulink.

28

Tabell 2: Generella krav på hela systemet.

Nummer Förändring Krav Prioritet1 orginal Utveckla ett multivariabelt modellbaserat

reglersystem för momentstyrning.1

2 orginal Integrera en modell för kamfasning tillbefintlig motormodell.

1

3 orginal Motorn samt reglersystem ska gå att si-mulera i Simulink.

1

4 version 1.2 Det ska gå att utvärdera det flervariablareglersystemet vid motortestcellen.

2

5 orginal Reglersystemet ska optimera bränsleför-brukning givet önskat moment.

2

6 orginal Reglersystemet ska vid användning habättre momentföljning, representerat somt.ex. insugstryck, än det befintliga regler-systemet för motorn.

2

7 orginal Modellen för VVT ska integreras medden befintliga motormodellen.

1

8 Version 0.2 Modeller för wastegate och throttle skatas fram till MPC.

1

9 orginal VVT-modellen ska implementeras i Si-mulink.

1

10 orginal Block och signaler i Simulink ska varakommenterade.

1

11 Version 0.2 Dokumentation och litteraturöversikt förolika modellapproacher över VVT skallutföras.

1

12 orginal Ta fram en modell för kamfasningen. 1



2018-12-13

13 orginal Modellen ska stämma väl överens motmätdata från den fysiska motorn.

1

14 Version 1.1 Implementera regulator för VVT aktuatoratt från referens kamförskjutning kommatill önskad kamförskjutning.

1

15 orginal Reglersystemet ska gå att implementera idSpace styrenhet vid motortestcellen.

2

16 orginal Reglersystemet ska gå att simulera till-sammans med en motormodell i Simu-link.

1

17 orginal All regulatorkod ska vara kommenteradenligt Googles kodstandard.

1

18 orginal Reglersystemet ska vara modellbaseratoch multivariabelt.

1

19 Version 0.2 En sammanställning över olika metodermed motiveringar till de val som gjortsska sammanställas.

1

20 orginal Reglersystemet ska klara av att följa mo-mentkurvan, representerat som t.ex. in-sugstryck.

1

21 orginal Reglersystemet ska hantera styrning avthrottle.

1

22 orginal Reglersystemet ska hantera styrning avwastegate.

1

23 orginal Reglersystemet ska hantera styrning avkamfasning av insugsventiler.

1

24 version 1.2 Reglersystemet ska hantera styrning avkamfasning av avgasventiler.

3

25 version 1.2 Regulatorn ska vara stabil i en närhet tillden punkt motorn är linjäriserad kring.

1

26 orginal Optimeringsproblemet ska vara löst inomden bestämda uppdateringsfrekvensen.

1

27 version 1.2 Det ska vara stötfria övergångar mellanolika tillståndsregioner för motorn.

2

28 version 1.2 Reglersystemet ska kunna hantera att enav aktuatorerna går sönder i simulerings-miljö.

1

29 version 1.2 Reglersystemet ska kunna hantera att enav aktuatorerna går sönder på motorn.

2

30 Version 0.2 En sammanställning där olika reglerstra-tegier jämförs och diskuteras ska göras.

1

31 original Varje projektmedlem ska avsätta en ar-betstid på 240 timmar +- 10%

1

32 original Handledningstid ska inte överstiga 25timmar.

1

33 original Använd tid i motortestcellen ska inteöverstiga 80 timmar.

1



2018-12-13

34 version 1.2 Beslutspunkt 2: Kravspecifikation, Pro-jektplan, Tidplan, utkast till designspeci-fikation, presentation av systemet levere-rat till beställare 8/10

1

35 original Beslutspunkt 3: Designspecifikation ochtestplan ska levereras innan Beslutspunkt5.

1

36 original Beslutspunkt 5: Verifiering av kraven, allfunktionalitet, användarhandledning samttestprotokoll ska levererasinnan Besluts-punkt 6.

1

37 original Beslutspunkt 6: Teknisk dokumentation,efterstudie, posterpresentation, hemsidasamt videopresentation levererat senast17/12

1

38 original Status- och tidsrapport ska lämnas till be-ställare varje vecka.

1

39 original Projektet ska avslutas innan 17/12 140 original Kravspecifikation ska finnas. 141 original Projektplan ska finnas. 142 original Tidplan ska finnas. 143 original Designspecifikation ska finnas. 144 original Testplan ska finnas. 145 original Teknisk dokumentation ska finnas. 146 original Användarhandledning ska finnas. 147 original Samtliga dokument ska utgå från LIPS-

mallar.1

2 Reglering av VVT

2.1 Syfte

Syftet är att utifrån en satt kamförskjutningsreferens se att regulatorn för VVT-aktuatorn lyckasnå den önskade referensen under ett mjukt insvängningsförlopp.

2.2 Beskrivning

Testet utförs i motorcellen hos fordonsystem. Testet utförs under körning och det som måstegöras är att i controldesk sätta önskad referens för insugskammen. Därefter kan en inspelning iINCA göras. Sedan görs ett steg i insugskam från controldesk och det går då att studera hur denbeter sig dynamiskt under steget.



2018-12-13

2.3 Resultat

I figur 1 syns ett stegsvar för insugskammen på motorn.

0 50 100 150 200 250

Time [s]

40

50

60

70

80

90

100

Angle

[deg]

Measured CAM position.

Figur 1: Stegsvar för insugskam på motor.

2.4 Diskussion

Eftersom referenssignalen inte fanns tillgänglig från INCA kunde inte denna loggas samtidigtsom kampositionen och därför visar plotten i figur 1 endast den uppmätta kampositionen. Detobserverades däremot att det statiska felet efter ett steg var mindre än 1 grad. Även om systemetär integrerande blir det en liten avvikelse från referensen, orsakad av t.ex. friktion eller störning-ar. För att uppnå en bättre reglerprestanda skulle det behövts en integrerande del i regulatorn.Det beslutades dock att reglerprestandan var tillräckligt bra utan integrerande del.



2018-12-13

3 VVT-modell validering

I detta avsnitt beskrivs hur den framtagna VVT-modellen har validerats mot mätdata.

3.1 Syfte

Syftet är att validera VVT-modellen genom att jämföra simuleringar i Simulink med mätdatafrån tidigare tester. Luftflödet genom cylindrarna är av intresse då denna fångar återcirkulationav residualgaser.

3.2 Beskrivning

Testen utförs i Simulink och grafer över luftflöde sparas undan för att jämföras med motormät-ningar i samma arbetspunkt och se om modellen fångar verkligheten och dynamiska förloppsom kan testas genom att ta ett steg i VVT.

3.3 Resultat

Två fall testas för att validera att VVT-modellen har önskat beteende. Ett med helt öppen waste-gate och en med halvöppen wastegate. Steg från 0 graders förskjutning till fullt utstyrt (50grader) utförs och insugstryck jämförs med mätdata mot simulerad data. I figur 2 syns hur in-sugstrycket varierar med steg i insugskam med wastegaten öppen och 24 % trottel. Detta kanjämföras med figur 3 där simulerade värden för insugstryck, massflöde och moment syns.

Figur 2: Insugstryck då steg om 5°utförs i motortestcellen med wastegaten öppen och 24 %trottel vid 2000 rpm.



2018-12-13

Figur 3: Insugstryck då steg om 5°utförs i simuleringsmiljö med wastegaten öppen och 24 %trottel vid 2000 rpm.

Även test med wastegate genomförs och kan ses i figur 4 och 5 nedan.

Figur 4: Insugstryck då steg om 5 °görs i motortestcellen med wastegaten 50 % stängd och 30% trottel vid 2000 rpm.



2018-12-13

Figur 5: Insugstryck då steg om 5°utförs i simuleringsmiljö med wastegaten 50 % stängd och30 % trottel vid 2000 rpm.

3.4 Diskussion

Vi ser att modellen stämmer bra överens då turbon inte används, alltså då motorn opererar somsugmotor. Här följer modellen tydligt karakteristiken av hur VVTn påverkar insugstrycket ochman ser att maximalt moment uppnås vid ungefär 30-35 °utställd insugskam. Modellen fångardetta beteende mycket bra.

Då wastegaten används ser vi istället att simuleringsmodellen inte bygger samma laddtrycksom testen i motorlabbet gör. Detta kan bero på flertalet anledningar men i detta fall beror detförmodligen på modellfel i hela motormodellen eller parameterfel. Vi ser dock att modelleninte riktigt fångar rätt beteende här då insugstrycket ökar med ökad utställning av VVT. Härfår man alltså högst tryck vid maximalt utställd VVT. Detta fångar inte modellen men eftersominte laddtrycken är densamma i simulering och mätning så går det inte att säga att modellen ärfelaktig då det inte är samma förutsättningar som ges. Efter lite laboration med inställningenpå wastegaten hittas ett matchande insugstryck vid 88 % stängd wastegate. Detta kan ses i fi-gur 6. Här ser vi att trycket ökar, vilket stämmer överens med mätdatan, dock så ger modellenatt trycket sjunker vid maximal utställd VVT vilket inte är fallet i mätdatan. Detta får ses sommodellfel men kommer inte påverka MPC-regulatorn då insugstrycket är konstant från ungefär30°utställd VVT till max utställd. Alltså är modellen god nog för sitt användningsområde.



2018-12-13

Figur 6: Insugstryck då steg om 5 °görs i simuleringsmiljö med wastegaten 88 % stängd och 30% throttle vid 2000 rpm.



2018-12-13

4 Validering av fullständig MPC-regulator i simulink

4.1 Syfte

Den fullständiga MPC-regulatorn för styrning av alla aktuatorer ska valideras och utvärderas.Regulatorn skall kunna följa referenskurvan för önskat mfc. Syftet med testet är att säkerställaregulatorns funktion innan test utförs i motortestcell.

Testet skall säkerställa att regulatorn är stabil och fungerande och att implementeringen av VVT-modellen lyckades.

4.2 Beskrivning

Referensen sätts till ett steg från motorns linjäriseringspunkt. Testet utförs vid tre olika linjäri-seringspunkter för att testa hela motorns arbetsområde, en vid låg last, en vid mellan last och envid hög last. Alla testpunkter är linjäriserade kring varvtalet 2500 rpm.

4.3 Resultat

I figur 7 syns massflödet mot refernssignalen vid en relativt låg last där motormodellen är linjä-riserad kring THR = 0.1, WG = 1 och V V T = 14.5°. I figur 8 syns de styrsignaler för trottel,wastegate och VVT som ger upphov till figur 7.

Figur 7: I figuren visas följningen av luftmassflödet mot referensen vid en låg last.



2018-12-13

Figur 8: I figuren visas styrsignalerna vid en låg last.

I figur 9 syns massflödet mot refernssignalen vid en mellanhög last där motormodellen är lin-järiserad kring THR = 0.2, WG = 0.7 och V V T = 14.5°. I figur 10 syns de styrsignaler förtrottel, wastegate och VVT som ger upphov till figur 9.

Figur 9: I figuren visas följningen av luftmassflödet mot referensen vid en mellanhög last.



2018-12-13

Figur 10: I figuren visas styrsignalerna vid en mellanhög last.

I figur 11 syns massflödet mot refernssignalen vid en relativt hög last där motormodellen ärlinjäriserad kring THR = 0.4, WG = 0.2 och V V T = 14.5°. I figur 12 syns de styrsignalerför trottel, wastegate och VVT som ger upphov till figur 11.

Figur 11: I figuren visas följningen av luftmassflödet mot referensen vid en hög last.



2018-12-13

Figur 12: I figuren visas styrsignalerna vid en hög last.

4.4 Diskussion

MPC-regulatorn går att implementera i Simulink och kontrollerar samtliga styrsignaler föratt minimera målfunktionerna. Styrsignalerna är begränsade inom sitt tillåtna intervall och ettkvadratiskt straff på förändringshastigheten av styrsignalerna finns implementerat för att för-hindra instabilitet och för snabba förändringar i styrsignaler. Linjäriseringspunkterna skiljersig från varandra eftersom förbränningsmotorn är ett olinjärt system. Detta leder till att allalinjäriseringspunkter har skilda egenskaper. MPC-regulatorn måste alltså trimmas i varje lin-järiseringspunkt för att uppnå ett dugligt resultat. De tre linjäriseringspunkterna presenteradei detta kapitel representerar olika typer av lastpunkter. Stabila stegsvar har uppnåtts kring alladessa lastpunkter med god referensföljning. Detta är en indikator på att stabilitet kan uppnås ihela driftsområdet för motorn. Genom att linjärisera en utökad motormodell skulle möjligtvisbättre resultat och förbättrad referensföljning kunna uppnås. Men en konsekvens kan bli tyngreberäkningar på grund av fler tillstånd.

De tre målfunktionerna som är implementerade är avvikelsen mellan luftmassflödet mfc ochdess referens, tryckkvoten pic

pemsamt kvoten mfc

pic. Syftet med att implementera de två sistnämnda

är för att minska bränsleförbrukningen. Modellen är förenklad till att arbeta med lambda=1.Genom att straffa tryckfall över trottel samt högt tryck efter kompressorn jämfört med massflö-det av luft skall stor strypning över trotteln samt onödigt stora tryckuppbyggnader förhindras.Hur väl detta optimerar bränsleförbrukningen är svårt att bedöma i Simulink, men en linjärise-rad modell som arbetar med ett icke konstant lambdavärde ger större möjligheter att undersökadetta.

Uppdageringsfrekvensen är bestämd till 0,1 sekunder vilket inte verkar vara några problemför optimeringslösaren att hinna med i simuleringsmiljö. Alla krav listade i tabell 1 är alltsåuppfyllda.



2018-12-13

5 Undersökning av trasig aktuator i simuleringsmiljö

5.1 Syfte

Kriteriet att regulatorn ska klara av att en aktuator går sönder skall undersökas och testas i simu-leringsmiljö. Det intressanta här är att se hur regulatorn reagerar och behandlar att en aktuatorär låst i en position. Anledningen till testet är att validera att systemet fungerar som tänkt innandet testas på den riktiga motorn.

5.2 Beskrivning

Testet genomförs genom att sätta bivillkor på styrsignalen för den trasiga aktuatorn som förbju-der MPCn från att ändra styrsignal till den aktuella aktuatorn.

5.3 Resultat

I figur 13 och 14 visas testet då regulatorn simuleras med en motormodell där wastegaten ärtrasig (fixeras). Figur 13 visar hur styrsignalerna arbetar för att få massflödet att följa referenseni figur 14. I testet användes en linjäriseringspunkt kring THR = 0.2, WG = 0.3 och V V T =14.5°.

Figur 13: Styrsignalerna från MPC regulatorn när wastegate är trasig och fixerad vid en position.



2018-12-13

Figur 14: Massflödet mot referensen när wastegate är trasig och fixerad vid en position.

5.4 Diskussion

I figur 13 ses att aktuatorn wastegate ligger still kring 30% vilket motsvarar 20° vilket var det vibestämt. MPCn klarar av att följa referensen på massflödet genom att flytta på när insugsven-tilen öppnas och genom att styra trotteln. Därmed bedöms MPCn klara av att hantera en trasigaktuator.


testprotokoll - linköping university · 2018. 12. 14. · flervariabla reglerstrategier för...

Documents