TURBO Kravspecifikation

TURBO Kravspecifikation 8 december 009 Status Granskad 009--07 SL Godkänd

Projektidentitet Beställare: Lars Eriksson, Linköping University Telefon: +46 3 84409, E-post: larer@isy.liu.se Köpare: Per Andersson Telefon: +46 5 085334, E-post: per.andersson@gm.com Kursansvarig: David Törnqvist, Linköping University Telefon: +46 3 888, E-post: tornqvist@isy.liu.se Projektledare: Sebastian Ljungberg Telefon: +46 73 76355, E-post: seblj8@student.liu.se Handledare: Andreas Thomasson, Linköping University Telefon: +46 3 8573, E-post: andreast@isy.liu.se Oskar Leufvén, Linköping University Telefon: +46 3 8994, E-post: oleufven@isy.liu.se Projektmedlemmar Namn Ansvar Telefon E-post Sebastian Ljungberg Projektledare 07376355 seblj8 Anders Karlsson Dokumentansvarig 0730664850 andka096 Anders Olofsson Informationsansvarig 0709690 andol5 Adrian Eilertsen Ansvarig för regulator 07377397 adrei94 Kenny Jönsson Testansvarig 073048360 kenjo746 Magnus Selldén Designansvarig 070403060 magse3 Pontus Skoog Ansvarig för modell 070496537 ponsk637

Innehåll Dokumenthistorik 4 Introduktion 5. Syfte och mål............................. 5. Användning.............................. 5.3 Bakgrund............................... 5.4 Definitioner.............................. 5 3 Översikt 6 3. Grov beskrivning av produkten................... 6 3. Komponenter............................. 7 3.3 Beroenden till andra system..................... 7 3.4 Delsystem............................... 7 3.5 Avgränsningar............................ 7 3.6 Designfilosofi............................. 8 3.7 Generella krav på hela systemet................... 8 4 Regulator 9 4. Beskrivning.............................. 9 4. Gränssnitt............................... 9 4.3 Designkrav.............................. 9 4.4 Funktionella krav........................... 9 5 Observatörer 0 5. Beskrivning.............................. 0 5. Gränssnitt............................... 0 5.3 Designkrav.............................. 5.4 Funktionella krav........................... 5.5 Övriga krav.............................. 6 Modeller 6. Beskrivning.............................. 6. Gränssnitt............................... 6.3 Designkrav.............................. 6.4 Funktionella krav........................... 7 Ekonomi 3 7. Ekonomiska krav........................... 3 8 Leveranser 4 8. Leveranskrav............................. 4 9 Dokumentation 5 9. Dokumentationskrav......................... 5

Kravspecifikation 4 Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utförda Av Granskad 0. 009-09- Utkast AK AO 0. 009-09-0 Leverans- och dokumentationskrav KJ, AO AK inlagt samt ändrat enligt beställarens kommentarer..0 009-09- Ändrad enligt beställarens kommentarer. AK SL. 009--6 Ändrad efter PS SL omförhandling med beställaren.. 009--0 Ändrad efter PS SL omförhandling med beställaren..3 009--07 Ändrad efter PS SL omförhandling med beställaren. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 5 Introduktion I detta projekt ska en regulator konstrueras för att reglera en sekventiell dubbelturbo så att växlingen mellan aggregaten sker utan momentstörning. Dubbelturbon har ett mindre aggregat som ger bättre respons på låga motorvarvtal och ett större som ger bra respons vid högre motorvarvtal. Regulatorns uppgift är alltså att se till att rätt laddtryck levereras i hela arbetsområdet och att växlingen mellan aggregaten sker utan att detta uppfattas av föraren. Givetvisärdetocksåviktigtatthållaprisetlågtochdärförskasåmångasom möjligt av de extra sensorer som kan tänkas behövas ersättas med observatörer.. Syfte och mål Syftet med projektet är att utveckla en modell för och regulator till en motor med dubbelturbo. Detta för att ersätta en stor motor med en mindre utan att påverka körupplevelsen och samtidigt få en lägre bränsleförbrukning. Det är även meningen att antalet sensorer som behövs ska reduceras för att hålla priset nere.. Användning Modell och regulatorprototyp kommer att användas i utvecklingsmiljö. En lyckad regulator kommer eventuellt att användas av svensk fordonsindustri i realtidssytem för reglering av dubbelturbo..3 Bakgrund De senaste decennierna har biltillverkare lyckats allt bättre med reglering av turboaggregat. Detta har lett till att bilmotorer med enkelturbo är ganska vanligt i dagens bilar. När man använder en turbo vill man att den ska öka trycket i insugsröret för att man ska få mer luft till cylindrarna och då kunna spruta in mer bränsle. Gör man det så får man ut högre moment och effekt från motorn. Problemet med att använda en turbo är att den bara kan leverera lämpligt tryck i vissa delar av motorns arbetsområde. Använder man två turboaggregat av olika storlek så kommer de att kunna leverera lämpligt laddtryck i olika delar av motorns varvtalsområde och motorn kan då lämna en jämnare effekt- och momentkurva..4 Definitioner Kravenbenämnsmedprioritetetttillochmedtre.Kravsomharprioritetettska vara uppfyllda vid leverans. två innebär att kravet med stor sannolikhet kommeratt varauppfyllt vid leveransmen att det inte ärnödvändigt. Kravmed prioritet tre kommer bara att behandlas när samtliga krav med prioritet ett och två är uppfyllda och det fortfarande finns resurser att tillgå. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 6 3 Översikt Engine C T C T Figur : Principskiss över turbomotorn som ska regleras. Till vänster ses hur insugsluften principiellt flödar och till höger hur avgaserna påverkar turboaggregaten. 3. Grov beskrivning av produkten Den huvudsakliga komponenten utgörs av en regulator som framgångsrikt ska kunna reglera en motor med dubbelturbo. Med framgångsrik reglering menas bl.a. en jämn övergång vid växlingen mellan de båda aggregaten. För att lyckas med regleringen så behövs ett antal mätvärden. I serieproduktion av motorn är det inte ekonomiskt att ha sensorer för samtliga mätvärden. Flera av värdena behöver därför skattas med hjälp av observatörer. Exempel på värden som kommer att skattas är varvtal hos de båda turboaggregaten. Regulatorer och observatörer kommer att implementeras i Simulink. Från Simulink kan sedan koden kompileras till ett format som passar styrsystemet för motorn. Styrsystemet i det aktuella fallet heter Rapid Pro. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 7 3. Komponenter Systemet består av två turboaggregat där luftmassflödet ut från motorn driver turbinen som i sin tur driver kompressorn på insugssidan. Det finns en givare för luftmassflöde, en för tryck och en för temperatur i insugsröret innan trotteln och en lambdasensor efter motorn. På insugssidan finns en bypass-ventil som kan leda luften förbi det mindre turboaggregatets kompressor och en trottel för finjustering av luftflödet. På avgassidan finns två wastegate-ventiler som kan leda avgaserna förbi de båda turbinerna. Aktuatorerna tillhörande de tre ventilerna och trotteln är det som reglersystemet kan påverka. 3.3 Beroenden till andra system Systemet kommer att samverka med övriga delsystem i Simulink. Eventuella befintliga mätsignaler och observatörer kommer att utnyttnjas om möjligt. Det skall även gå att använda regulatorn utan observatörer om dessa ersätts med mätsignaler. Ref Konverterare Regulator Observatörer Aktuatorer Givare Figur : Principskiss över de olika delsystemen. De delsystem inom den streckade rutan är de system projektgruppen ska konstruera. 3.4 Delsystem Delsystemen består av observatörer som ersätter mätsignaler från sensorer med skattade värden, en regulator som utnyttjar dessa till reglering av systemet och ett system som omsätter begärt moment till ett önskat tryck efter intercoolern P ic, se figur 3. Regulatorblocket kan bestå av flera anpassade regulatorer som reglerar olika delar av systemet. 3.5 Avgränsningar Arbetet omfattar endast regleringen av de två turboaggregaten utifrån ett önskat tryck efter intercoolern. Om tid finns ska ett delsystem tas fram som omsätter önskat moment till önskat tryck efter intercoolern. Regulatorn har fyra tillgängliga aktuatorer tillhörande de två wastegate-ventilerna, bypass-ventilen samt trotteln. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 8 3.6 Designfilosofi Samtliga delar i systemet implementeras i Simulink. De olika delsystemen testas genom att först köra simuleringar på dator. Dessa datorsimuleringar ska verifiera att funktionaliteten är korrekt och att samtliga säkerhetskrav är uppfyllda. Vid lyckade simuleringar kan programmet därefter kompileras och köras på den riktiga motorn. 3.7 Generella krav på hela systemet Vid projekts slut ska en dokumentation finnas innehållande vilka ekvationer som beskriver modeller- na, vilka delsystem som finns och hur dessa fungerar samt hur regulatorerna fungerar och vilka ekvationer som beskriver dessa. Robustheten för systemet ska undersökas och dokumenteras. 3 Begränsningar och stabilitetsområde för regulatorer och observatörer ska dokumenteras. 4 Hela systemet ska regleras enbart med sensorer som finns i dagens produktionsbilar. Mätvärden som finns tillgängliga är luftmassflöde, insugstryck, tryck innan trottel samt lambda. 5 Systemet ska tillse att inga tryck, temperaturer eller varvtal för de två turboaggregaten överskrider tillåtna värden. 6 Systemet måste tillse att det reglerade systemets tillstånd inte lämnar regulatorns stabilitetsområde. 7 Alla implementeringar av regulatorer och observatörer måste testas i simuleringsmiljö innan dessa testas i motortestcellen. 8 Under projektet ska en film som presenterar projektet tas fram. 9 Det ska finnas en hemsida som presenterar projektet. 0 Projektgruppen ska varje vecka lämna en tids- och statusrapport till beställaren. När det färdiga systemet körs ska det inte använda 3 mer än 0 % av Rapid-Pro systemets processorkapacitet. Projektgruppen ska ta fram ett delsystem som omsätter det önskade momentet till ett önskat tryck efter intercoolern. 3 Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 9 4 Regulator 4. Beskrivning Regulatorn är den mjukvara som ska styra ventiler så att turboaggregaten levererar önskat laddtryck. Regulatorn ska också tillse att de maximala varvtalen för turboaggregaten inte överskrids. Det laddtryck som ställs ut ska svara mot det moment som föraren önskar få när denne trycker ner gaspedalen. 4. Gränssnitt 3 Regulatorn ska implementeras i det redan befintliga simulinkschemat. 4 Regulatorn ska vara fristående från observatörerna. 5 Regulatorn ska reglera efter det önskade trycket efter intercoolern P ic. 4.3 Designkrav 6 När något av turboaggregaten ger laddtryck och luftflödet är stationärt ska trotteln vara 90-00% öppen. 7 Reglering ska ske på begärt moment. 4.4 Funktionella krav 8 Det maximala vartalet får inte överskridas på något av turboaggregaten. 9 Momentregleringen får endast ha 0 % översläng vid stegsvar då ett av aggregaten används. 0 Alla tryck och temperaturer ska hållas inom tillåtna gränser. Vid aggregatväxling får endast små momentstörningar uppstå. Motorns momentkurva ska sakna tydliga momentpucklar. 3 Vid steg i begärt moment, där steget är mindre än hälften av maximala momentet, ska momentet ha stigit till 63 % av slutvärdet efter 0.5 sekunder oavsett varvtal. 4 Regulatorn ska klara av skillnader i omgivningstryck, t.ex. beroende på höjdskillnader. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 0 5 Observatörer Tic, Pic Engine T3,P3 T4,P4 C N T T,P T5,P5 C N T T,P T6,P6 Figur 3: Mätvärden som om möjligt ska observeras. Till vänster ses hur insugsluften flödar och till till höger hur avgaserna påverkar turboaggregaten. De tryck, temperaturer och varvtal som ska skattas är markerade i figuren. 5. Beskrivning Då en mätsignal är observerbar kan den skattas med hjälp av en observatör. Signalens sensor blir därför överflödig om observatören ger en god skattning av signalens värde. Sex tillstånd för tryck respektive temperatur önskas här skattas, tre värden före motorn och tre efter. Två viktiga tillstånd som behöver skattas är de båda aggregatens varvtal. Med hjälp av dessa skattade varvtal ska turboaggregaten regleras så att systemet håller sig inom förbestämda intervall för att uppfylla givna säkerhetsföreskrifter. 5. Gränssnitt 5 Observatörerna ska implementeras i det redan befintliga simulinkschemat. 6 Observatörerna ska vara fristående från regulatorn. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 5.3 Designkrav 7 Observatören ska passa i den befintliga regulatorstrukturen. 8 Simulinkmodellen ska implementeras på funktionell form för att underlätta linjärisering kring olika arbetspunkter. 5.4 Funktionella krav 9 Observatören ska ge tillförlitliga skattningar av systemets tillstånd. För de viktiga skattningarna av varvtal önskas en maximal avvikelse mellan skattat och verkligt värde om högst 5%. 30 De observerade värdena ska konvergera tillräckligt snabbt för att inga säkerhetsrisker ska uppstå. 5.5 Övriga krav 3 Projektgruppen ska studera och dokumentera observerbarheten för systemet och för olika delar av systemet. 3 I de fall då ett delsystemet inte är observerbart ska gruppen studera vilka moder som är observerbara. 33 Observatörsåterkopplingsmatrisens beroende av olika tillstånd ska studeras och dokumenteras. 34 Möjligheten att skatta wastegate-ventilernas styrsignaler ska undersökas och om möjligt införas. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 6 Modeller 6. Beskrivning Att bygga tillförlitliga modeller av motor och fordon är mycket viktigt. Dessa utgör grunden för regulatorer, observatörer och simuleringar. Med en metodisk arbetsgång där varje system bryts ner i delsystem, fås en ökad förståelse för de ingående komponenterna. I slutändan erhålls ett kraftfullt verktyg som är en förutsättning för ett lyckat slutresultat. Modelleringsarbetet bjuder emellertid på en hel del svårigheter. Okända tidskonstanter och systemparametrar ska skattas, approximationer och idealiseringar leder till begränsningar i modellens giltighetsområde m.m. Nedan listas de krav som ställs på modellerna. 6. Gränssnitt 35 En medelvärdesmodell för dubbelturbomotorn skall konstrueras och implementeras i Simulink. 36 En modell som inkluderar motorfordonets egenskaper (Plant Model) skall konstrueras och implementeras i Simulink. 6.3 Designkrav 37 Samtliga modeller skall valideras mot det verkliga systemet. 38 Varje turbomodell skall genomgå en godkänd validering innan den integreras med andra modeller. 39 Modellernas noggrannhet ska vägas mot dess komplexitet och simuleringstid. 40 Simuleringstiden för regulator samt sammanslagna motor- och fordonsmodellen ska vara snabbare än realtid. 6.4 Funktionella krav 4 Avvikelser hos temperatur, tryck samt varvtal för punkter,där existerande mätdata finns, mellan modell och motsvarande mätsignaler får ej överskrida 0%. 4 Stigtiden för temperaturer, tryck samt varvtal i en modell får ej avvika med mer än 0 % från motsvarande mätsignaler. 43 Alla modeller skall valideras kvantitativt om möjligt, annars kvalitativt. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 3 7 Ekonomi Projektet har en begränsad resurstilldelning som inte får överskridas. Under detta avsnitt listas krav som har med projektets ekonomi att göra. 7. Ekonomiska krav 44 Varje projektmedlem ska avsätta totalt 40 timmar för projektet. 45 För körning på motor i testcell finns 0 timmar avsatt för projektet. 46 Totalt har projektgruppen 5 tilldelade handledartimmar att utnyttja. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 4 8 Leveranser Under projektets gång ska följande leveranser genomföras. Nedan listas de med information om vad som ska levereras och när de ska genomföras. 8. Leveranskrav Krav Leveransbeskrivning Datum 47 Vid beslutspunkt ska projektgruppen 009-09-7 leverera kravspecifika- tion, systemskiss, projektplan och en tidsplanering. 48 Vid beslutspunkt 3 ska projektgruppen 009-0-09 leverera en designspeci- fikation och testplan. 49 Vid beslutspunkt 5 ska programvaran levereras innehållande regulator, modeller och observatörer med all funktionalitet. Testprotokoll, 009--07 användarhandledning, presentation som visar att kraven är uppfyllda ska också leveras. 50 Vid beslutspunkt 6 ska efterstudien, den tekniska dokumentation, postern, hemsida och projektfilm levereras. 009--08 Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson

Kravspecifikation 5 9 Dokumentation Här presenteras den dokumentation som ska göras av projektgruppen. Alla dokument ska skrivas på svenska och ska leveras enligt leveranskraven i avsnitt 8.. 9. Dokumentationskrav Samtliga dokument levereras i PDF-format via e-post eller efter överenskommelse. Dokument Syfte Målgrupp Kravspecifikation I kravspecifikationen ska Beställaren de krav som projektet ska leva upp till finnas presenterade. Projektplan En plan för hur projektet ska genomföras. Projektgruppen och beställaren. Systemskiss Systemskissen används för att diskutera projektplanen Projektgruppen och beställaren och kravspecifikatio- nen. Tidsplan En plan när olika ak- Projektgruppen. Designplan Testplan tiviteter ska genomföras. Designplanen ska projektgruppen kunna följa för att implementera sina lösningar. Plan för hur projektgruppen ska testasåatt kraven i kravspecifikationen är uppfyllda. Användarhandledning Förklaring till hur systemet används Teknisk dokumentation Den tekniska dokumentationen ska innehålla information om hur kraven uppfyllts och hur produkten är konstruerad. Poster Ska användas för att presentera projektet på en konferens. Projektgruppen och beställaren. Projektgruppen Användare och beställare Besällaren in- Diverse tressenter. Kursnamn: Reglerteknisk projektkurs E-post: seblj8@student.liu.se Kurskod: TSRT0 Dokumentansvarig: Anders Karlsson