Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12 Drivlina Reglering. Drivlinemodellering. Drivlina - Modellering

Transkript

1 Engine Transmission Clutch Wheel Drive shaft Final drive Propeller shaft Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 1 Drivlina Reglering Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se December, 14 Drivlinemodellering Repetition Summering av modellerna Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment Drivlinemodellering Drivlina - Modellering Modell (Jm +Jt/i t +Jf/i t i f ) θm = Mm Mfr:m (bt/i t +bf/i t i f ) θm 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? Tillstånd 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 cwaaρar3 θ w w rwm(cr1 +gsin(α)) x1 = θm/itif θw, x = θm, x3 = θw

2 Innehållsförteckning Mätsignal Olika sensorer Prestanda variabel z y = Cx +e Cm = ( 1 ) Cw = ( 1) z = Mx +Du Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Motiverande exempel Tillståndsform Överföringsfunktioner Rotort Motiverande exempel med P-regulator Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment Reglera rotationshastigheter och moment Wheel Engine Clutch Drive shaft Viktiga tillämpningar Final drive driveline speed control (farthållning) driveline control for gear shifting ( automatväxling med motorstyrning) driveline control for driveability in transients (drivline reglering for körbarhet i transienter) Transmission Propeller shaft

3 Varför är det inte enkelt? Mätningar illustrerar svårigheter Engine torque Engine speed Wheel speed 1 En annan mätning 1 Shift at 14 RPM 16 Shift at 1 RPM [Nm] Stegsvar t=3 s: motorvarvtal dämpat, hjulvarvtal svängigt Från växelläge till neutralläge 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 Modellen på tillståndsform 1 i 1 ẋ = i αc i x + α u αc i βk β(c +γ) βc i 1 y = 1 x c k i c Förluster: c Dämpning i fjädern. där γ Den förenklade fordonsmodellen (luft- & rullmotstånd). Transformation från tillståndsform till överföringsfunktion {ẋ = Ax +Bu G(s) = C(sI A) 1 B y = Cx { α = 1 Jm β = 1 Jw+mr w

4 Överföringsfunktioner Förenkling Förlustfritt system i αβc(s+ k c G u, θw (s) ) n(s) G u, θm (s) i = α(s +s β(c+γ)+k β) Gu,Md (s) n(s) αc(s+ k c )(s+βγ) n(s) n(s) = (k +c s)α(s +βγ)+i s(s +k β +sβ(c +γ)) Nämnarpolynomet är svårt att faktorisera Förenkla modellen litet. Förlustfritt system γ = och c = ger insikt i strukturen αβk 1 G u, θw (s) i s (s +k ( α i +β)) G u, θm (s) = s Gu,Md (s) α +k β s (s +k ( α i αk 1 +β)) 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. 6 4 Gear 1 and θm-feedback 6 4 Gear 1 and θw-feedback P-Reglering resultat 1.5 Wheel speed, θw-feedback Amplitude Gear 8 and θm-feedback Gear 8 and θw-feedback 8 6 Engine speed, θm-feedback Amplitude 4 Wheel speed, θm-feedback 15 1 Real 15 1 Real Rotort, P-reglering från motorvarvtal och hjulvarvtal: över växel 1, under växel 8. Kryss öppna systemets poler. P-reglering av hjulvarvtalet kan ge instabilt system. Amplitude Stegsvar för system reglerade med P-regulator olika återkopplings signaler.

5 Innehållsförteckning Drivlina - Modellering Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Drivlinereglering Hastighetsreglering Drivlinereglering - Moment 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. Litet om reglersyntes Modellbaserad Reglering uf v Load Tillståndsrekonstruktion (observatör) Begränsad styrsignal Återkoppling från rekonstruerade tillstånd Framkoppling från störning (känd transient) r H 1 (s) Filter and inverse model + xref Process model + e u uc + L Control Law ˆx Observer disturbance y H(s) Process + + w Measurement disturbance Controller

6 Innehållsförteckning Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglera rotationshastigheter och moment Tillämpningar: -hastighetsreglering -växlingsreglering Wheel Reglersyntes Engine Clutch Drive shaft Final drive Drivlinereglering Hastighetsreglering Tillståndsåterkoppling Aktiv dämpning Stationärt fel Experiment Transmission Propeller shaft Drivlinereglering - Moment Använd torsionsmodellen θm θw Hur var det nu man gjorde mer anvancerad reglering än P-reglering? Tillståndåterkoppling k u = lr Kcˆx (1) Mm Mfr:m c rwm(cr1 +gsin(α)) Kc är tillståndåterkopplingsmatrisen Jm +Jt/i t +Jf/i t i f Jw +mr w Kalman-filter ˆx = Aˆx +Bu +Kf(y Cˆx) () Kf är Kalmanförstärkningsmatrisen.

7 Repetition av Reglerteknik Man kan placera polerna Placera polerna så att dynamiken blir väl dämpad Regulatorn sköter då detta Aktiv dämpning Fungerar Aktiv dämpning? I så fall: Hur? Jämför med klassisk RQV u = u +Kp(ri θm) (3) Ja, det fungerar 15 Engine speed, θm Man kan trimma stationära felet Speed, Speed, Wheel speed, θw (performance output) Control signal, u Jämförelse vid ungefär samma snabbhet. Speed, Stationära felet skiljt från noll kan vara viktigt för körkänsla. Fordon i uppförsbacke.

8 Fältförsök The real thing Engine torque Innehållsförteckning [Nm] Drivlinemodellering Repetition Drivlina reglering Engine speed Drivlinereglering Allmänna kommentarer Reglersyntes Wheel speed Drivlinereglering Hastighetsreglering Aktiv dämpning (heldragen) Traditional RQV (streckad). Drivlinereglering - Moment Växlingsförlopp Avslutande kommentarer Reglera moment Driveline control for gear shifting Engine Transmission Clutch Wheel Drive shaft Final drive Propeller shaft 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.

9 Växlingsförlopp Start of gear shift Neutral gear engaged New gear engaged Control passed to the driver bt1 Transmission Jt1 Engine torque Mt θc θt Mp Jt bt zero transmission torque Torque control phase Speed synchronization phase Input shaft 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 Control Criterion Utskrivet lim T T z +η(u ushift) (4) Vad betyder första termen? Unconstrained Active Damping 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) z = is guaranteed. u = D 1 Mx (6)

10 Transmission torque, z Engine torque, u Vad betyder andra termen? (u ushift) Gear-Shift Condition Engine speed, θm Wheel speed, θw z = ur stelkroppsantagande u = ushift (7) Unconstrained active damping. Oscillationerna dämpas med orealistisk styrsignal. Hastigheten minskar. Transmission torque, z Engine torque, u Kombinationen Engine speed, θm Wheel speed, θw Control the gear-shift condition. Styrsignalen får ned momentet men oscillationer i drivlinan. Måste vänta. lim T = lim T Hur väljer man η? T z +η(u ushift( θw,l)) (8) T (Mx +Du) +η(u µx θw µll)

11 Verifiering - I Transmission torque, z Engine speed, θm Engine torque, u Wheel speed, θw [rad] Drive-shaft torsion, x Control signal, u [Nm] Transmission-torque controller, solving the gear-shift criterion. Uppnåbar styrsignal, och aktiv dämpning av oscillationerna Fältförsök med aktiv dämpning. Verifiering - II Drivlina - Modellering [rad] [Nm] Drive-shaft torsion, x1 Start of gear-shift controller at 13. s Control signal, u 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 Fältförsök Exciterar dynamiken och kopplar sedan in regulatorn. Oscillationerna dämpas ut.

12 Förstår ni nu denna figur? 6 Gear 1 and θm-feedback 6 Gear 1 and θw-feedback Gear 8 and θm-feedback 15 Gear 8 and θw-feedback Real 15 1 Real