Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 11 Drivlina Reglering. Drivlinemodellering. Drivlina - Modellering

Transkript

1 Engine Transmission Clutch Wheel Driveshaft Final drive Propellershaft Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 11 Drivlina Reglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se December 5, 18 Drivlinemodellering Repetition Summering av modellerna Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment / 47 3 / 47 Drivlinemodellering Drivlina - Modellering Dynamiska effekter i drivlinan. Olika modeller av olika komplexitetsgrad. Stel drivlina - Körcykelsimulering, acceleration Flexibel drivlina - Reglerdesign för körbarhet Linjäriserad modell - analys, linjär observatörs- och reglerdesign Olinjär modell: Validering, reglerdesign,... Flexibilitet/glapp i kopplingen - Reglerdesign och validering Sensordynamik Vad skall modellen användas till? Exempel: Slag och såg. Shunt and shuffle. Klonk. Projekt 3: Såg/Shuffle/Jerk. 4 / 47 5 / 47

2 Drivlina - Modellering Modell (Jm + Jt/it + Jf /it if ) θm = Mm Mfr:m (bt/it + bf /it if ) θm k(θm/itif θw )/itif c( θm/itif θw )/itif (Jw + mrw ) θw = k(θm/itif θw ) + c( θm/itif θw ) (bw + mcrrw ) θw 1 cw Aaρar w 3 θ w rw m (cr1 + gsin(α)) Mätsignal Olika sensorer y = Cx + e Cm = ( 1 ) Cw = ( 1) Prestanda variabel z Tillstånd z = Mx + Du x1 = θm/itif θw, x = θm, x3 = θw 6 / 47 7 / 47 Innehållsförteckning Drivlinemodellering Repetition Reglera rotationshastigheter och moment Wheel Drivlina reglering Engine Clutch Driveshaft Drivlinereglering Allmänna kommentarer Motiverande exempel Tillståndsform Överföringsfunktioner Rotort Motiverande exempel med P-regulator Final drive Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Transmission Propellershaft Drivlinereglering - Moment 8 / 47 9 / 47

3 Varför är det inte enkelt? Mätningar illustrerar svårigheter Engine torque Engine speed Wheel speed Viktiga tillämpningar driveline speed control (farthållning) driveline control for gear shifting ( automatväxling med motorstyrning) driveline control for driveability in transients (drivline reglering for körbarhet i transienter) [Nm] / Stegsvar t=3 s: motorvarvtal dämpat, hjulvarvtal svängigt / 47 En annan mätning Shift at 14 RPM Från växelläge till neutralläge Shift at 1 RPM Olika typer av modeller Tillståndsform - implementera i Simulink Överföringsfunktion - finna insikt om reglerproblemet Insignal: Tillstånd: Utsignaler u = Mm Mfr:m 1 x1 i x = x = x3 θw y = θe Md θm θw θm θw 1 / / 47

4 Modellen på tillståndsform 1 i 1 ẋ = i α c i x + α u α c i β k β c i β (c + γ) där { α = 1 Jm β = 1 Jw +m rw 1 y = 1 x k c i c Förluster: c Dämpning i fjädern. γ Den förenklade fordonsmodellen (luft- & rullmotstånd). Transformation från tillståndsform till överföringsfunktion {ẋ = Ax + Bu y = Cx G(s) = C(sI A) 1 B Överföringsfunktioner i α β c(s+ k c G u, θw (s) ) n(s) G u, (s) i = α (s +s β (c+γ)+k β) θm Gu,Md (s) n(s) α c(s+ k ) (s+β γ) c n(s) n(s) = (k + c s) α (s + β γ) + i s (s + k β + s β (c + γ)) Nämnarpolynomet är svårt att faktorisera Förenkla modellen litet. 14 / / 47 Förenkling Förlustfritt system Rotort, P-regl. bränsle motor- och hjul-varvtal 6 Gear 1 and θe-feedback 6 Gear 1 and θw-feedback Förlustfritt system γ = och c = ger insikt i strukturen α β k 1 G u, (s) i s (s θw +k ( α i +β)) G u, (s) = s θm Gu,Md (s) α +k β s (s +k ( α i +β)) α k 1 i s +k ( α i +β) Komplexa poler i ±j k (β + α i ) Nollställen för G u, θm (s) i ±j k β (innanför polerna) Låg växel ger stort utväxlingsförhållande i. Reglerdesign med P-regulator Rotort för det förenklade systemet. Rotort för det dämpade systemet. 16 / Gear 8 and θe-feedback 1 Real Gear 8 and θw-feedback 1 Real över växel 1, under växel 8. Kryss öppna systemets poler. P-reglering av hjulvarvtalet kan ge instabilt system. 17 / 47

5 P-Reglering resultat Amplitude Wheel speed, θw-feedback Innehållsförteckning Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Amplitude Amplitude Engine speed, θe-feedback Wheel speed, θe-feedback Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment Stegsvar för system reglerade med P-regulator olika återkopplings signaler. 18 / / 47 Drivlina - Modellering Litet om reglersyntes Motoregenskaper som är viktiga i ett verkligt fall Maxmomentsbegränsning Motorns utmoment är begränsat. Rökbegränsare Om turbotrycket är lågt och högt moment är begärt så blir momentet begränsat för att undvika rök. Överföringsfunktion från begärt till verkställt moment Motorfriktion I momentbegäran behöver man även ta hänsyn till motorfriktionen kall och varm motor, varvtalsberoende, etc. Automatiskt i den momentbaserade arkitekturen. Tillståndsrekonstruktion (observatör) Begränsad styrsignal Återkoppling från rekonstruerade tillstånd Framkoppling från störning (känd transient) / 47 1 / 47

6 Modellbaserad Reglering Innehållsförteckning Drivlinemodellering Repetition uf v Load disturbance Drivlina reglering r H 1 (s) + xref e L + u uc + H(s) y Drivlinereglering Allmänna kommentarer Filter and inverse model Process model Control Law Process + + w Reglersyntes Controller ˆx Observer Measurement disturbance Drivlinereglering Hastighetsreglering Tillståndsåterkoppling Aktiv dämpning Stationärt fel Experiment Drivlinereglering - Moment / 47 3 / 47 Reglera rotationshastigheter och moment Tillämpningar: -hastighetsreglering -växlingsreglering Wheel Använd torsionsmodellen θe θw Engine Clutch Driveshaft k Final drive Me rwmg(f +sin(α)) c Je +Jt/i t +Jf/i ti f Jw +mr w Transmission Propellershaft 4 / 47 5 / 47

7 Hur var det nu man gjorde mer anvancerad reglering än P-reglering? Tillståndsåterkoppling Kc är tillståndsåterkopplingsmatrisen u = lr Kc ˆx (1) Q: Men hela tillståndet x mäts inte... A: Rekonstruera tillståndet ˆx med en observatör. Observatör Kalman-filter Repetition av Reglerteknik Man kan placera polerna Placera polerna så att dynamiken blir väl dämpad Regulatorn sköter då detta Aktiv dämpning Kf är Kalmanförstärkningsmatrisen. ˆx = Aˆx + Bu + Kf (y C ˆx) () 6 / 47 7 / 47 Fungerar Aktiv dämpning? I så fall: Hur? Jämför med klassisk RQV u = u + Kp(ri θm) (3) Ja, det fungerar Speed, Engine speed, θe Wheel speed, θw (performance output).3..1 Speed, Control signal, u Jämförelse vid ungefär samma snabbhet. 8 / 47 9 / 47

8 Man kan trimma stationära felet.35 Fältförsök The real thing [Nm] Engine torque.3.5 Engine speed Speed, Wheel speed Stationära felet skiljt från noll kan vara viktigt för körkänsla. Fordon i uppförsbacke. Aktiv dämpning (heldragen) Traditional RQV (streckad). 3 / / 47 Innehållsförteckning Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Reglera moment Driveline control for gear shifting Engine Clutch Wheel Driveshaft Final drive Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment Växlingsförlopp Avslutande kommentarer Transmission Propellershaft 3 / / 47

9 Automatic Gear Shifting in Heavy Trucks Automatic transmission This approach is seldom used for the heaviest trucks, due to expensive transmissions and problems with short life time. Another drawback is the efficiency loss compared to manual transmissions. Manual transmission and automatic clutch A quite common approach, which needs an automatic clutch system. This system has to be made robust against clutch wear. Gear shifting by engine control With this approach the automatic clutch is replaced by engine control, realizing a virtual clutch. The only addition needed to a standard manual transmission is an actuator to move the gear lever. Lower cost and higher efficiency characterize this solution. Växlingsförlopp a1 a torque noll1 noll fas11 fas1 b1 b fas1 fas c1 c d1 d 34 / / 47 Transmission Jt1 Control Criterion bt1 Mt θc Utskrivet lim T T z + η(u ushift) (4) θt Mp Input shaft Jt bt Output shaft Simplified model of the transmission with two cogwheels with conversion ratio it. The torque transmitted between the cogwheels is the transmission torque, z. Jämför Enkelt exempel lim T = lim T Vad betyder de två termerna? T z + η(u ushift( θw, l)) (5) T (Mx + Du) + η(u µx θw µll) 36 / / 47

10 Transmission torque, z Engine torque,u Transmission torque, z Engine torque,u 6 Vad betyder första termen? Unconstrained Active Damping z = is guaranteed. u = D 1 Mx (6) Engine speed, θe Wheel speed, θw Unconstrained active damping. Oscillationerna dämpas med orealistisk styrsignal. Hastigheten minskar. 38 / / 47 Vad betyder andra termen? (u ushift) Gear-Shift Condition z = ur stelkroppsantagande u = ushift (7) Engine speed, θe Wheel speed, θw Control the gear-shift condition. Styrsignalen får ned momentet men oscillationer i drivlinan. Måste vänta. 4 / / 47

11 Kombinationen lim T = lim T Hur väljer man η? T z + η(u ushift( θw, l)) (8) T (Mx + Du) + η(u µx θw µll) Transmission torque,z Engine speed, θe Engine torque, u Wheel speed, θw Transmission-torque controller, solving the gear-shift criterion. Uppnåbar styrsignal, och aktiv dämpning av oscillationerna. 4 / / 47 Verifiering - I [rad] [Nm] Drive-shaft torsion,x1 Control signal, u Fältförsök med aktiv dämpning. Verifiering - II [rad] [Nm] Drive-shaft torsion,x1 Start of gear-shift controller at 13. s Control signal, u Fältförsök Exciterar dynamiken och kopplar sedan in regulatorn. Oscillationerna dämpas ut. 44 / / 47

12 Drivlina - Modellering Följetongen fortsätter Enkelt exempel Illustrerar följande viktiga idéer: likhet mellan olika utsignaler skillnad mellan olika utsignaler förenklat principstudium av poler och nollställen momentmodellering möjliga förkortningar Förstår ni nu denna figur? Gear 1 and θe-feedback Gear 8 and θe-feedback Gear 1 and θw-feedback Gear 8 and θw-feedback 15 1 Real 15 1 Real 46 / / 47