Testprotokoll. Redaktör: Simon Malmberg. Version 0.1. Status LIU Flervariabla reglerstrategier för avancerade motorer. Granskad

Transkript

1 Testprotokoll Redaktör: Simon Malmberg Version 0. Status Granskad Godkänd Lars Eriksson Sida

2 PROJEKTIDENTITET 208/HT, Tekniska Högskolan vid Linköpings Universitet, ISY Gruppdeltagare Namn Ansvar Telefon E-post Amanda Nilsson Projektledare (PL) Linus Wetterhag Dokumentansvarig (DOK) Simon Malmberg Test- och Kvalitetsansvarig Emil Eklund Designansvarig (DSN) Alexander Bärlund Mjukvaruansvarig Markus Andersson MPC-ansvarig Linus Johansson VVT-modell Gustav Strandberg Tillståndsansvarig Kund: Volvo Cars Corporation Kontaktperson hos kund: Fredrik Wemmert Beställare: Lars Eriksson, , Kursansvarig: Daniel Axehill, , Handledare: Robin Holmbom, , Sida 2

3 Innehåll Dokumenthistorik 4 Inledning 5 2 Reglering av VVT 7 2. Syfte Beskrivning Resultat Diskussion VVT-modell validering 9 3. Syfte Beskrivning Resultat Diskussion Validering av fullständig MPC-regulator i simulink 3 4. Syfte Beskrivning Resultat Diskussion Undersökning av trasig aktuator i simuleringsmiljö 7 5. Syfte Beskrivning Resultat Diskussion Sida 3

4 Dokumenthistorik Version Datum Utförda förändringar Utförda av Granskad 0. 3 december 208 Första utkast. Alla - Sida 4

5 Inledning Detta dokument innehåller protokoll för alla de tester som utförts. I tabell beskrivs vilka tester som validerar respektive krav och i tabell 2 listas kraven. Tabell : Sammanfattning av vilket test som validerar vilket krav. Testnr Testtitel Validering av krav nr: Reglering av VVT. 4 2 VVT-modell validering 9, 2, 3 3 Validering av MPC-regulatorn, 2, 3, 7, 8, 6, 20, 2, 22, 23, 25, 26 med samtliga aktuatorer i Simulink. 4 Validering av defekt aktuator i Simulink. 28 Tabell 2: Generella krav på hela systemet. Nummer Förändring Krav Prioritet orginal Utveckla ett multivariabelt modellbaserat reglersystem för momentstyrning. 2 orginal Integrera en modell för kamfasning till befintlig motormodell. 3 orginal Motorn samt reglersystem ska gå att simulera i Simulink. 4 version.2 Det ska gå att utvärdera det flervariabla 2 reglersystemet vid motortestcellen. 5 orginal Reglersystemet ska optimera bränsleförbrukning 2 givet önskat moment. 6 orginal Reglersystemet ska vid användning ha 2 bättre momentföljning, representerat som t.ex. insugstryck, än det befintliga reglersystemet för motorn. 7 orginal Modellen för VVT ska integreras med den befintliga motormodellen. 8 Version 0.2 Modeller för wastegate och throttle ska tas fram till MPC. 9 orginal VVT-modellen ska implementeras i Simulink. 0 orginal Block och signaler i Simulink ska vara kommenterade. Version 0.2 Dokumentation och litteraturöversikt för olika modellapproacher över VVT skall utföras. 2 orginal Ta fram en modell för kamfasningen. Sida 5

6 3 orginal Modellen ska stämma väl överens mot mätdata från den fysiska motorn. 4 Version. Implementera regulator för VVT aktuator att från referens kamförskjutning komma till önskad kamförskjutning. 5 orginal Reglersystemet ska gå att implementera i dspace styrenhet vid motortestcellen. 6 orginal Reglersystemet ska gå att simulera tillsammans med en motormodell i Simulink. 7 orginal All regulatorkod ska vara kommenterad enligt Googles kodstandard. 8 orginal Reglersystemet ska vara modellbaserat och multivariabelt. 9 Version 0.2 En sammanställning över olika metoder med motiveringar till de val som gjorts ska sammanställas. 20 orginal Reglersystemet ska klara av att följa momentkurvan, representerat som t.ex. insugstryck. 2 orginal Reglersystemet ska hantera styrning av throttle. 22 orginal Reglersystemet ska hantera styrning av wastegate. 23 orginal Reglersystemet ska hantera styrning av kamfasning av insugsventiler. 24 version.2 Reglersystemet ska hantera styrning av kamfasning av avgasventiler. 25 version.2 Regulatorn ska vara stabil i en närhet till den punkt motorn är linjäriserad kring. 26 orginal Optimeringsproblemet ska vara löst inom den bestämda uppdateringsfrekvensen. 27 version.2 Det ska vara stötfria övergångar mellan olika tillståndsregioner för motorn. 28 version.2 Reglersystemet ska kunna hantera att en av aktuatorerna går sönder i simuleringsmiljö. 29 version.2 Reglersystemet ska kunna hantera att en av aktuatorerna går sönder på motorn. 30 Version 0.2 En sammanställning där olika reglerstrategier jämförs och diskuteras ska göras. 3 original Varje projektmedlem ska avsätta en arbetstid på 240 timmar +- 0% 32 original Handledningstid ska inte överstiga 25 timmar. 33 original Använd tid i motortestcellen ska inte överstiga 80 timmar Sida 6

7 34 version.2 Beslutspunkt 2: Kravspecifikation, Projektplan, Tidplan, utkast till designspeci- fikation, presentation av systemet levererat till beställare 8/0 35 original Beslutspunkt 3: Designspecifikation och testplan ska levereras innan Beslutspunkt original Beslutspunkt 5: Verifiering av kraven, all funktionalitet, användarhandledning samt testprotokoll ska levererasinnan Beslutspunkt original Beslutspunkt 6: Teknisk dokumentation, efterstudie, posterpresentation, hemsida samt videopresentation levererat senast 7/2 38 original Status- och tidsrapport ska lämnas till beställare varje vecka. 39 original Projektet ska avslutas innan 7/2 40 original Kravspecifikation ska finnas. 4 original Projektplan ska finnas. 42 original Tidplan ska finnas. 43 original Designspecifikation ska finnas. 44 original Testplan ska finnas. 45 original Teknisk dokumentation ska finnas. 46 original Användarhandledning ska finnas. 47 original Samtliga dokument ska utgå från LIPSmallar. 2 Reglering av VVT 2. Syfte Syftet är att utifrån en satt kamförskjutningsreferens se att regulatorn för VVT-aktuatorn lyckas nå den önskade referensen under ett mjukt insvängningsförlopp. 2.2 Beskrivning Testet utförs i motorcellen hos fordonsystem. Testet utförs under körning och det som måste göras är att i controldesk sätta önskad referens för insugskammen. Därefter kan en inspelning i INCA göras. Sedan görs ett steg i insugskam från controldesk och det går då att studera hur den beter sig dynamiskt under steget. Sida 7

8 2.3 Resultat I figur syns ett stegsvar för insugskammen på motorn. 00 Measured CAM position Angle [deg] Time [s] Figur : Stegsvar för insugskam på motor. 2.4 Diskussion Eftersom referenssignalen inte fanns tillgänglig från INCA kunde inte denna loggas samtidigt som kampositionen och därför visar plotten i figur endast den uppmätta kampositionen. Det observerades däremot att det statiska felet efter ett steg var mindre än grad. Även om systemet är integrerande blir det en liten avvikelse från referensen, orsakad av t.ex. friktion eller störningar. 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. Sida 8

9 3 VVT-modell validering I detta avsnitt beskrivs hur den framtagna VVT-modellen har validerats mot mätdata. 3. Syfte Syftet är att validera VVT-modellen genom att jämföra simuleringar i Simulink med mätdata från tidigare tester. Luftflödet genom cylindrarna är av intresse då denna fångar återcirkulation av residualgaser. 3.2 Beskrivning Testen utförs i Simulink och grafer över luftflöde sparas undan för att jämföras med motormätningar i samma arbetspunkt och se om modellen fångar verkligheten och dynamiska förlopp som 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 wastegate och en med halvöppen wastegate. Steg från 0 graders förskjutning till fullt utstyrt (50 grader) utförs och insugstryck jämförs med mätdata mot simulerad data. I figur 2 syns hur insugstrycket varierar med steg i insugskam med wastegaten öppen och 24 % trottel. Detta kan jämföras 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. Sida 9

10 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. Sida 0

11 Figur 5: Insugstryck då steg om 5 utförs i simuleringsmiljö med wastegaten 50 % stängd och 30 % trottel vid 2000 rpm. 3.4 Diskussion Vi ser att modellen stämmer bra överens då turbon inte används, alltså då motorn opererar som sugmotor. Här följer modellen tydligt karakteristiken av hur VVTn påverkar insugstrycket och man ser att maximalt moment uppnås vid ungefär utställd insugskam. Modellen fångar detta beteende mycket bra. Då wastegaten används ser vi istället att simuleringsmodellen inte bygger samma laddtryck som testen i motorlabbet gör. Detta kan bero på flertalet anledningar men i detta fall beror det förmodligen på modellfel i hela motormodellen eller parameterfel. Vi ser dock att modellen inte riktigt fångar rätt beteende här då insugstrycket ökar med ökad utställning av VVT. Här får man alltså högst tryck vid maximalt utställd VVT. Detta fångar inte modellen men eftersom inte laddtrycken är densamma i simulering och mätning så går det inte att säga att modellen är felaktig då det inte är samma förutsättningar som ges. Efter lite laboration med inställningen på wastegaten hittas ett matchande insugstryck vid 88 % stängd wastegate. Detta kan ses i figur 6. Här ser vi att trycket ökar, vilket stämmer överens med mätdatan, dock så ger modellen att trycket sjunker vid maximal utställd VVT vilket inte är fallet i mätdatan. Detta får ses som modellfel men kommer inte påverka MPC-regulatorn då insugstrycket är konstant från ungefär 30 utställd VVT till max utställd. Alltså är modellen god nog för sitt användningsområde. Sida

12 Figur 6: Insugstryck då steg om 5 görs i simuleringsmiljö med wastegaten 88 % stängd och 30 % throttle vid 2000 rpm. Sida 2

13 4 Validering av fullständig MPC-regulator i simulink 4. Syfte Den fullständiga MPC-regulatorn för styrning av alla aktuatorer ska valideras och utvärderas. Regulatorn skall kunna följa referenskurvan för önskat ṁ fc. Syftet med testet är att säkerställa regulatorns funktion innan test utförs i motortestcell. Testet skall säkerställa att regulatorn är stabil och fungerande och att implementeringen av VVTmodellen lyckades. 4.2 Beskrivning Referensen sätts till ett steg från motorns linjäriseringspunkt. Testet utförs vid tre olika linjäriseringspunkter för att testa hela motorns arbetsområde, en vid låg last, en vid mellan last och en vid 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 linjäriserad kring T HR = 0., W G = och V V T = 4.5. 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. Sida 3

14 Figur 8: I figuren visas styrsignalerna vid en låg last. I figur 9 syns massflödet mot refernssignalen vid en mellanhög last där motormodellen är linjäriserad kring T HR = 0.2, W G = 0.7 och V V T = 4.5. I figur 0 syns de styrsignaler för trottel, wastegate och VVT som ger upphov till figur 9. Figur 9: I figuren visas följningen av luftmassflödet mot referensen vid en mellanhög last. Sida 4

15 Figur 0: I figuren visas styrsignalerna vid en mellanhög last. I figur syns massflödet mot refernssignalen vid en relativt hög last där motormodellen är linjäriserad kring T HR = 0.4, W G = 0.2 och V V T = 4.5. I figur 2 syns de styrsignaler för trottel, wastegate och VVT som ger upphov till figur. Figur : I figuren visas följningen av luftmassflödet mot referensen vid en hög last. Sida 5

16 Figur 2: I figuren visas styrsignalerna vid en hög last. 4.4 Diskussion MPC-regulatorn går att implementera i Simulink och kontrollerar samtliga styrsignaler för att minimera målfunktionerna. Styrsignalerna är begränsade inom sitt tillåtna intervall och ett kvadratiskt straff på förändringshastigheten av styrsignalerna finns implementerat för att förhindra instabilitet och för snabba förändringar i styrsignaler. Linjäriseringspunkterna skiljer sig från varandra eftersom förbränningsmotorn är ett olinjärt system. Detta leder till att alla linjäriseringspunkter har skilda egenskaper. MPC-regulatorn måste alltså trimmas i varje linjäriseringspunkt för att uppnå ett dugligt resultat. De tre linjäriseringspunkterna presenterade i detta kapitel representerar olika typer av lastpunkter. Stabila stegsvar har uppnåtts kring alla dessa lastpunkter med god referensföljning. Detta är en indikator på att stabilitet kan uppnås i hela driftsområdet för motorn. Genom att linjärisera en utökad motormodell skulle möjligtvis bättre resultat och förbättrad referensföljning kunna uppnås. Men en konsekvens kan bli tyngre beräkningar på grund av fler tillstånd. De tre målfunktionerna som är implementerade är avvikelsen mellan luftmassflödet ṁ fc och dess referens, tryckkvoten p ic p em samt kvoten ṁfc p ic. Syftet med att implementera de två sistnämnda är för att minska bränsleförbrukningen. Modellen är förenklad till att arbeta med lambda=. Genom att straffa tryckfall över trottel samt högt tryck efter kompressorn jämfört med massflödet 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 linjäriserad modell som arbetar med ett icke konstant lambdavärde ger större möjligheter att undersöka detta. Uppdageringsfrekvensen är bestämd till 0, sekunder vilket inte verkar vara några problem för optimeringslösaren att hinna med i simuleringsmiljö. Alla krav listade i tabell är alltså uppfyllda. Sida 6

17 5 Undersökning av trasig aktuator i simuleringsmiljö 5. Syfte Kriteriet att regulatorn ska klara av att en aktuator går sönder skall undersökas och testas i simuleringsmiljö. Det intressanta här är att se hur regulatorn reagerar och behandlar att en aktuator är låst i en position. Anledningen till testet är att validera att systemet fungerar som tänkt innan det testas på den riktiga motorn. 5.2 Beskrivning Testet genomförs genom att sätta bivillkor på styrsignalen för den trasiga aktuatorn som förbjuder MPCn från att ändra styrsignal till den aktuella aktuatorn. 5.3 Resultat I figur 3 och 4 visas testet då regulatorn simuleras med en motormodell där wastegaten är trasig (fixeras). Figur 3 visar hur styrsignalerna arbetar för att få massflödet att följa referensen i figur 4. I testet användes en linjäriseringspunkt kring T HR = 0.2, W G = 0.3 och V V T = 4.5. Figur 3: Styrsignalerna från MPC regulatorn när wastegate är trasig och fixerad vid en position. Sida 7

18 Figur 4: Massflödet mot referensen när wastegate är trasig och fixerad vid en position. 5.4 Diskussion I figur 3 ses att aktuatorn wastegate ligger still kring 30% vilket motsvarar 20 vilket var det vi bestämt. MPCn klarar av att följa referensen på massflödet genom att flytta på när insugsventilen öppnas och genom att styra trotteln. Därmed bedöms MPCn klara av att hantera en trasig aktuator. Sida 8