Kravspecifikation. LIPs. LiTH Reglering av Avgaser, Trottel och Turbo Niclas Lerede Version 1.2. Status. Reglerteknisk Projektkurs

Transkript

1 Niclas Lerede Version.2 Status Granskad PA Godkänd

2 PROJEKTIDENTITET VT 2008, -Gruppen Linköpings tekniska högskola, ISY- Fordonssystem Namn Ansvar Telefon E-post Daniel Ahlberg ansvarig delsystem Patrik Axelsson projektmedlem Andreas Hall leveransansvarig Niclas Lerede dokumentansvarig Tobias Lindell projektmedlem Andreas Myklebust kvalitets-/testansvarig Fredrik Petersson projektledare (PL) Andreas Thomasson ansvarig delsystem andth243@student.liu.se Peter Wallebäck ansvarig delsystem petwa67@student.liu.se E-postlista för hela gruppen: Hemsida: Kund: General Motors Powertrain Sweden AB Kontaktperson hos kund: Richard Backman Kursansvarig: Daniel Axehill Beställare: Lars Eriksson Handledare: Oskar Leufvén 2

3 Innehåll INLEDNING PARTER SYFTE OCH MÅL ANVÄNDNING BAKGRUNDSINFORMATION ÖVERSIKT AV SYSTEMET GROV BESKRIVNING AV PRODUKTEN PRODUKTKOMPONENTER BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM BEGRÄNSNINGAR OCH RESTRIKTIONER INGÅENDE DELSYSTEM GENERELLA KRAV PÅ HELA SYSTEMET Krav på funktion och dokumentation hos modeller Krav på funktion och dokumentation hos regulatorer DELSYSTEM : TROTTELREGULATOR DELSYSTEM 2 : BRÄNSLESTYRNING... 5 DELSYSTEM 3 : TOMGÅNGSREGULATOR DELSYSTEM 4: TURBOREGLERING FÖRARMODELL PRESTANDAKRAV KRAV PÅ VIDAREUTVECKLING EKONOMI... 5 LEVERANSKRAV OCH DELLEVERANSER DOKUMENTATION KVALITETSKRAV... 6 REFERENSER

4 Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av granskad Kravnivåer för krav 8 och krav 42 är ändrade och krav 52 är NL PA struket Kravnivå på krav 33 ändrad och krav 25 flyttat från delsystem 2 till delsystem Första versionen NL AM Justeringar i enlighet med beställarens kommentarer FP AT Justeringar i enlighet med beställarens kommentarer NL, AT FP Justeringar i enlighet med beställarens kommentarer Gruppen DA Första versionen Gruppen DA 4

5 Inledning Kraven kommer presenteras enligt tabellen nedan. Ett krav ersätts aldrig av något annat. Andra kolumnen anger statusen på kravet om det är original, reviderat eller utgånget. Sista kolumnen anger prioritet i tre steg, för baskrav som ska uppfyllas, 2 och 3 är krav som behandlas i mån av tid. Krav nr x Förändring Kravtext för krav nr X prioritet. Parter Parter involverade i projektet är följande. Kund är General Motors Powertrain Sweden, GMPT-S, med kontaktperson Richard Backman. Beställare är Lars Eriksson och handledare är Oskar Leufvén båda på ISY-Fordonssystem, LiU. Producent är projektgruppen bestående av studenter vid Y-programmet på LiTH..2 Syfte och Mål Projektets syfte är att i ett öppet styrsystem utveckla modeller samt modulbaserade regulatorer för användning på en ny turbomotorfamilj. Under projektet kommer både motorer i motortestlaboratorium så väl som i avancerade prototypbilar att användas i utvecklingsarbetet. Eftersom arbetet sker i verkliga miljöer med riktiga motorer/bilar är säkerhetsaspekter av högsta vikt. Målsättningen är att förbättra nuvarande reglering och de framtagna modellerna och regulatorerna ska kunna användas i framtidens produktionsbilar. Funktionaliteten hos reglersystemet ska demonstreras i olika steg, först simulering, sedan i motorlaboratorium, samt slutligen i en prototypbil..3 Användning Resultat i projektet kommer att användas av GMPT-S i sin fortsatta utveckling av motorer. 5

6 .4 Bakgrundsinformation Projektmotorn är en direktinsprutad (inte portinsprutad) bensinmotor med twinscroll turboaggregat, laddluftkylare samt variabla kamtider. Motorn har 2L slagvolym fördelat på fyra cylindrar. Effektuttaget i produktionsmotorer ligger på 260hk men utvecklingspotentialen är hög på denna nya motorkonstruktion. Pga den höga specifika effekten är kolvarnas undersidor kylda av olja. Att skapa modeller och reglerstukturer för fordonsmotorer är något som samtliga fordonstillverkare berörs av. Målsättningen är att skapa en, för slutkund och miljö, så bra motorreglering som möjligt inom givna ekonomiska och produktionstekniska ramar. Modeller samt regleralgoritmer ska inte bara fungera under referensförhållande utan även klara av att, på ett korrekt sätt, hantera de tänkbara störningar och systemförändringar som verklig användning kan utsätta dem för. 6

7 2 Översikt av systemet Motorns styrsystem består av en simulinkmodell av motorn. Vi kommer i denna att utveckla och lägga till i de block som motsvarar våra delsystem. Reg. Planta Motor Drivlina Förarmodell 2. Grov beskrivning av produkten Figur. Överblick av systemet Produkten är en modifierad modell och regulatorer till motorn som tillhandahållits projektgruppen av GMPT-S. 2.2 Produktkomponenter Pruduktkomponenter är en modell av motorn och regulatorer implementerade i Simulink och Matlab. 2.3 Beroenden till andra system Produkten är beroende av programpaketen Matlab och Simulink, samt om regulatorerna implementeras i ett fysikalist system krävs dspace Rapid Pro och motor som tillhandahålls av ISY-FS. 7

8 2.4 Begränsningar och restriktioner Endast realtidsimplementerbara block i dspace RapidPro får användas i regulatorkomponenter. 2.5 Ingående delsystem Ett framdrivningssystem hos ett fordon består av massor av delsystem, men i detta projekt är följande delsystem de som kommer att prioriteras.. Trottelregulator 2. Bränslestyrning 3. Tomgångsregulator 4. Turboreglering 2.6 Generella krav på hela systemet Här följer generella krav för alla modeller och regulatorer som tas fram samt dokumentation på dessa Krav på funktion och dokumentation hos modeller Krav nr Original Modell av motor ska implementeras i Simulink Krav nr 2 Original Modell av chassi och drivlina ska implementeras i Simulink Krav nr 3 Original Modell av en förare ska implementeras i Simulink Krav nr 4 Original Modeller ska uppfylla de krav som är uppställda i testplanen Krav nr 5 Original Validering av modeller ska dokumenteras Krav nr 6 Original Modellens noggrannhet och giltighetsområde ska dokumenteras 8

9 2.6.2 Krav på funktion och dokumentation hos regulatorer Krav nr 7 Original Regulatorer ska simuleras och valideras i Simulink innan test i motorlabb och testbil Krav nr 8 Reviderat Övergångar mellan reglermoder ska vara stötfria 2 Krav nr 9 Original Regulatorer ska ta hänsyn till aktuatorgränser för att undvika intergratoruppvridning i regulatorerna Krav nr 0 Original Regulatorerna ska vara robusta inom arbetsområdet Krav nr Original Krav nr 2 Original Krav nr 3 Original Regulatorerna ska klara regleruppgifterna med de sensorer som finns i RapidPro Regulatorerna ska klara regleruppgifterna med de sensorer som finns i produktionsmotorn Regulatorernas begränsningar och stabilitetsområden ska dokumenteras 2 Krav nr 4 Original Regulatorer ska uppfylla de krav som är uppställda i testplanen Krav nr 5 Original Validering av regulatorer ska dokumenteras Krav nr 6 Original Metod för framtagning av regulatorparametrar ska tas fram 3 9

10 3 Delsystem : Trottelregulator Trottelservot som styr spjället för luftflödet till cylindrarna behöver en regulator som tillser god referensföljning, att spjället inte slår i ändlägena och att den dödzon som existerar hanteras på ett bra sätt. Trottel α Spänning u Spjällvinkel Begärd spjällvinkel Figur 2. Skiss över trottelns dödzon Krav nr 7 Original En modell för trottel ska tas fram Krav nr 8 Original En regulator för trottelservot ska tas fram Krav nr 9 Original Regulatorn ska ta hänsyn till ändlägena så att de ej slås i och riskerar att skada trotteln Krav nr 20 Original Regulatorn ska ta hänsyn till dödzonen i trotteln Krav nr 2 Original Krav nr 25 Flyttat från delsystem 2 Trottelregulatorn ska vidareutvecklas och dess prestanda ska optimeras En regulator för luftmassestyrning m.h.a. trottelservot ska tas fram 2 0

11 4 Delsystem 2 : Bränslestyrning Samlat i detta delsystem är regulatorer som styr bränsleflödet till motorn. Luftmassflöde Önskat Lambda Bränsleinsprutning Cylinder Mätt Lambda Mätt Lambda RPM Figur 3. Skiss över bränslestyrning Krav nr 22 Original Modell för lambda ska tas fram Krav nr 23 Original En inre loop för lambdaregulator ska tas fram Krav nr 24 Original En yttre loop för lambdaregulator ska tas fram 2 Krav nr 25 Flyttat till delsystem En regulator för luftmassestyrning mha trottelservot ska tas fram Utgått Krav nr 26 Original En regulator för maxlastbegränsning i motorn ska tas fram 2 Krav nr 27 Original En regulator för övervarvningsskydd av motorn ska tas fram 2 Krav nr 28 Original En regulator för motorbromsning ska tas fram 2 Krav nr 29 Original En regulator för högtrycksinjektion av bränsle ska tas fram 2 Krav nr 30 Original Krav nr 3 Original En regulator för katalysatorstart efter motorbromsning ska tas fram En regulator för temperaturskydd av turbo och katalysator ska tas fram 3 3

12 5 Delsystem 3 : Tomgångsregulator Tomgångsregulatorn ska se till att motorn går jämnt på tomgång M Tomgångs regulator Motormodell RPM Figur 4. Skiss av tomgångsregulatorsystemet Krav nr 32 Original Motormodell för tomgångsreglering ska tas fram Krav nr 33 Reviderat En tomgångsregulator för motorn ska tas fram Krav nr 34 Original Tomgångsregulatorn ska hålla varvalet inom givna gränser 2 2

13 6 Delsystem 4: Turboreglering För effektivt utnyttjande och skydd av turbon behövs ett antal olika regulatorer. Avgaser Luft WG Turbin Kompressor Surge Motor Figur 5. Skiss över turbosystemet Krav nr 35 Original En modell för turbosystemet ska tas fram Krav nr 36 Original En regulator för surgeventilen ska tas fram 2 Krav nr 37 Original Krav nr 38 Original En wastegateregulator för maxlastbegränsning av turbomotorn ska tas fram En wastegateregulator för maxlastbegränsning och övervarvningsskydd av turbon ska tas fram 2 2 3

14 7 Förarmodell En modell av en förare och några olika tänkbara scenarier som en förare kan skapa ska modelleras. Verklig hastighet Önskad hastighet Förarmodell Gas Växel Koppling Broms Figur 6. Skiss över förarmodellen Krav nr 39 Original Modell för tip-in/tip-out ska tas fram Krav nr 40 Original Modell för ETC cykel ska tas fram 2 Krav nr 4 Original Modell för FTP cykel ska tas fram 3 8 Prestandakrav Från GMPT-S förutbestämmda restriktioner har vi följande prestandakrav. Krav nr 42 Reviderat Regulatorerna ska gå att köras i RapidPro 2 Krav nr 43 Original Regulatorerna ska ej använda mer än 0 % av processorkapaciteten hos RapidPro-systemet vid körning 2 Krav nr 44 Original Regulatorer och Plantmodell ska gå att simulera i nära realtid 3 4

15 9 Krav på vidareutveckling Detta är första delen av ett långtida projekt, så krav på uppföljning återanvändbarhet är av stor vikt. Krav nr 45 Original All dokumentation, inklusive källkod, ska lämnas i elektronisk form 0 Ekonomi Det finns följande begränsningar på arbetstiden hos projektet. Krav nr 46 Original Varje person ska maximalt lägga 200 timmar på projektet Krav nr 47 Original Projektet tilldelas 5 timmar handledning i motorlabb Krav nr 48 Original Projektet tilldelas 25 timmar övrig handledning Leveranskrav och delleveranser Dessa delleveranser, inklusive slutleverans, är de som gäller för projektet och de ska levereras senast de angivna datumen. Krav nr 49 BP2 Krav nr 50 BP5 Krav nr 5 BP6, projektplan, tidsplan och systemskiss ska levereras 0802 Slutleverans till kund. Samtliga krav till minst nivå ska vara uppfyllda i enlighet med kravspecifikationen. Projektkonferens med teknisk rapport. En efterstudie där uppföljning av resultat och tid, poster, hemsida och demobil redovisas. 5

16 2 Dokumentation LiTH Projektet ska dokumenteras för att underlätta för framtida projekt och vidareutveckling av systemet. Dokument Språk Syfte Målgrupp Format Teknisk Engelska Systembeskrivning Tekniskt Pdf-dokument dokumentation ansvarig Användarhandledning Engelska Manual för användaren av systemet Användare Pdf-dokument Hemsida Svenska Presentation av projektet och projektgruppen i reklamsyfte Studenter och övriga intresserade www-sida Film Svenska Reklamsyfte Studenter och övriga intresserade Digital film Poster Svenska Presentation av projektet och projektgruppen i reklamsyfte Studenter och övriga intresserade Poster Krav nr 52 Reviderat Samtliga dokument ska skrivas på svenska Utgått Krav nr 53 Original Samtliga dokument ska granskas av minst en person 3 Kvalitetskrav Dessa krav är för att produkten ska fungera enligt uppställda specifikationer. Krav nr 54 Original Produkten ska testas enligt testplan Referenser Tomas Svensson, Christian Krysander (2007), Projektmodellen LIPS Version.3 6