ES2210923T3 - Procedimiento para el accionamiento de un motor de combustion interna. - Google Patents
Procedimiento para el accionamiento de un motor de combustion interna.Info
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Abstract
Un sistema de control para un motor de combustión interna incluye el uso de un modelo de línea de guía para obtener variables de salida estimadas, la representación de un vector de desviación que se trata utilizando una matriz de corrección para obtener un conjunto de comandos de control. El sistema incluye la formación la formación de un conjunto de comandos iniciales con el modelo directo del motor, y la comparación de la estimación de las variables de salida formadas por el modelo de línea de guía y la representación de un vector de desviación, y el tratamiento de este vector mediante una matriz de corrección para dibujar un vector de corrección de comandos. El siguiente paso incluye la adición del vector de corrección con el conjunto de comandos iniciales para obtener el conjunto de comandos para su aplicación a la unidad de control. El sistema incluye la determinación de un conjunto de datos de línea de guía (ysp) de variables de salida (y) del motor y la aplicación de estos datos a unmodelo inverso (M{sup,-1} del motor que se deriva del uso de un bucle iterativo que tiene por una parte, un modelo directo (M) del motor, y por otra parte, una matriz de corrección (J{sup,-1}) de la entrada del modelo directo como función de estas salidas, y la obtención de un conjunto de comandos (U) para su aplicación a los miembros de control (11) del motor.
Description
Procedimiento para el accionamiento de un motor
de combustión interna.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para el accionamiento de un motor de combustión
interna, y se refiere, de una manera más particular, a un
procedimiento que explota un modelo del motor para definir las
órdenes a ser aplicadas con vistas a la obtención de un resultado
previsto.
Las técnicas modernas para el accionamiento de
los motores de combustión interna utilizan, cada vez más, el
modelizado matemático de los motores con el fin de realizar
procedimientos de accionamiento más robustos, propios para tener en
cuenta de una manera más precisa las exigencias de los conductores
de vehículos automóviles que están equipados con las mismas y las
exigencias de las reglamentaciones relativas a la contaminación.
Estos modelos, como el que se ha representado en la figura 1,
permiten, a partir de un juego de órdenes u tal como el conjunto
formado por el ángulo de apertura TPS de la mariposa del gas, el
ángulo de apertura EGRV de una válvula de recirculación del gas de
escape, el ángulo de avance en el encendido IGA, la cantidad INJ de
carburante inyectado, etc, estimar variables de salida y del motor,
tales como el par TQ proporcionado, la cantidad de aspirada MAF, la
riqueza LAM del gas de escape y su grado de recirculación EGR,
variables que no siempre son medibles directamente y de manera
económica sobre el motor real.
Se conoce por ejemplo por la solicitud de patente
francesa FR-A-2 758 590, un
procedimiento para el accionamiento de un motor de combustión
interna, representado de manera simplificada en la figura 2, en el
que se determina, a partir del hundimiento de un pedal de
acelerador 3, un par de consigna TQ_SP que se aplica a un modelo
inverso M^{-1} del motor (así como otras consignas eventuales
LAM_SP y EGR_SP), para obtener un juego de accionamientos u a ser
aplicado a medios de reglaje 11 del motor 1. Sin embargo, un modelo
inverso de este tipo debe ser obtenido mediante la inversión
analítica del modelo directo M de la figura 1, lo que, en el caso
de modelos multivariables (múltiples entradas y múltiples salidas)
es una operación extremadamente compleja. Además, los diversos
coeficientes y ecuaciones analíticas, que forman el modelo directo,
se obtienen generalmente de manera experimental por identificación
del modelo con el motor real y son memorizados en múltiples tablas
cartográficas. En el caso de una inversión del modelo directo,
estas tablas deben ser invertidas lo que, teniendo en cuenta la
falta de linealidad de los coeficientes, entraña, frecuentemente,
indeterminaciones o imprecisiones perjudiciales a la eficacia del
procedimiento de accionamiento. Además, cualquier modificación del
modelo directo, aunque únicamente sea sobre un solo coeficiente,
debe entrañar una nueva inversión completa del modelo, haciendo así
que el desarrollo y la puesta a punto sean extremadamente
prolongados y costosos.
Así pues, la presente invención tiene por objeto
proponer un procedimiento de control de un motor de combustión
interna que, al mismo tiempo que conserve las ventajas de los
procedimientos de la técnica anterior, no presente las dificultades
relacionadas con la inversión de los modelos utilizados.
Estos objetivos de la invención, así otros, que
se pondrán de manifiesto a continuación en la presente descripción,
se alcanzan mediante un procedimiento de accionamiento del motor de
combustión interna, en el que se determina un juego de consignas de
variables de salida del motor, se aplican estas consignas a un
modelo inverso del motor y se obtiene un juego de órdenes a ser
aplicado a medios de reglaje del motor, caracterizado porque se
elabora el modelo inverso del motor a partir de unan explotación
iterativa de un bucle, que comprende, por una parte, un modelo
directo del motor y, por otra parte, una matriz de corrección de
las entradas del modelo directo en función de sus salidas.
Según el procedimiento que constituye el objeto
de la invención, su proporción hará un juego de órdenes iniciales
al modelo directo del motor, se compara la estimación de las
variables de salida proporcionada por el modelo con el juego de
consignas y se obtiene un vector de desviación, se trata este vector
de desviación con la matriz de corrección para obtener un vector de
corrección de las órdenes y se suma el vector de corrección con el
juego de órdenes iniciales para obtener el juego de órdenes a ser
aplicado a los medios de reglaje.
Según un primer modo de realización del
procedimiento, las etapas anteriores se repiten con una recurrencia
temporal predeterminada, utilizándose en cada iteración el juego de
órdenes obtenido durante la iteración precedente, a modo de juego
de órdenes iniciales. En un segundo modo de realización del
procedimiento, se inicia una serie de iteraciones con cada punto
muerto alto del motor, se integran los vectores de corrección
sucesivos, y el juego de órdenes no se aplica a los medios de
reglaje más que cuando el vector de desviación relativo sea menor
que un umbral predeterminado. En este último modo se utiliza en
cada punto muerto alto del motor, el juego de órdenes aplicado al
punto muerto alto precedente, a modo de juego de órdenes
iniciales.
Según una característica importante de la
presente invención, la matriz de corrección se obtiene por
inversión o seudoinversión de la matriz jacobina de las derivadas
parciales de las variables de salida y motor con relación a las
órdenes. Ventajosamente, la influencia de los parámetros con
variación lenta se desprecia en el cálculo de los coeficientes de
la matriz jacobina y el modelo directo reciben vector de estado
representativo de las condiciones de funcionamiento actual del
motor, que comprende una medida de estos párametros.
Según una primera variante, la matriz de
corrección se determina experimentalmente durante ensayos de puesta
a punto del motor y sus coeficientes son memorizados en una tabla
en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Según
una segunda variante, la matriz jacobina se determina, en cada
iteración, a partir de una estimación de las derivadas parciales
obtenida del cálculo de la variación de las salidas del modelo
directo en función de una variación unitaria de una de sus entradas
alrededor de un punto de funcionamiento corriente.
Otras características y ventajas del
procedimiento según la invención se pondrán de manifiesto por la
lectura de la descripción que sigue y por el examen de los dibujos
adjuntos, en los que:
- la figura 1 representa un modelo de motor
corrientemente empleado en la técnica anterior,
- la figura 2 representa un ejemplo de un
procedimiento de accionamiento de la técnica anterior,
- la figura 3 representa un diagrama funcional
del procedimiento de accionamiento según la invención y
- las figuras 4 a 6 representan organigramas de
funcionamiento del procedimiento de accionamiento según la
invención.
Como se ha visto en el preámbulo, en relación con
la figura 1, un modelo M de motor de combustión interna es
un conjunto de ecuaciones, en general no lineal, al que se
proporciona, en la entrada, un juego de órdenes u, que
representan las órdenes aplicadas a diferentes accionadores tales
como una mariposa del gas o un inyector de carburante. A partir de
este juego de órdenes, el modelo calcula y hace evolucionar
variables de estado internas (no representadas) tales como el
régimen motor o la presión en el colector de admisión, y propone, a
la salida, una estimación y_m de variables de salida tales
como el par suministrado TQ, la cantidad de aire aspirada MAF, la
riqueza de combustión LAM o el grado de recirculación del gas de
escape EGR. Estas estimaciones se utilizan, por ejemplo, para
evaluar variables de salida no directamente medibles. Igualmente se
utiliza este modelo en su forma inversa M^{-1} (figura 2)
para determinar el juego de accionamiento u a ser aplicado a los
medios de reglaje 11 para obtener variables de salida del motor 1,
correspondientes a un juego de consignas y_sp de estas
variables de salida.
Ahora se hará referencia a la figura 3, en la que
se ha representado en forma de esquema de bloques, el procedimiento
de accionamiento según la invención. Se proporciona un juego de
consignas y_sp, que comprende por ejemplo, las consignas de
par (TQ_SP), de riqueza (LAM_SP) y de grados de recirculación del
gas de escape (EGR_SP), a un bloque 2 de aplicación del modelo
inverso M^{-1}, representado en el cuadro de trazos
discontinuos. Este bloque 2 comprende un bloque 20 de aplicación de
un modelo directo M del motor 1, que recibe, por una parte,
un vector de estado z representativo de las condiciones de
funcionamiento actuales del motor 1. Este vector de estado está
constituido, por ejemplo, por las medidas efectuadas en tiempo real
sobre el motor, como la presión colector MAP, el régimen de
rotación N, la temperatura del líquido de refrigeración \theta,
etc. La utilización de este vector de estado permite,
ventajosamente, emplear un modelo M simplificado y/o limitar
su divergencia. El bloque 20 recibe, por otra parte, un juego de
órdenes u, elaborado por un bloque integrador 22, que será
detallado más adelante. Sobre la base del juego de órdenes u
y del vector de estado z, el modelo directo M del
bloque 20 proporciona una estimación y_m de las variables de
salida del motor 1. Esta estimación es comparada con el juego de
consigna y_sp en un sumador 23, para formar un vector de
desviación \Deltay. Este vector de desviación es
suministrado entonces a un bloque 21 de cálculo y de aplicación de
una matriz de corrección J^{-1}, cuyo funcionamiento
detallado será explicado más adelante con relación a las figuras 5
y 6. El bloque 21 proporciona, a su vez, al bloque integrador 22 un
vector de corrección \Deltau a ser aplicado al juego de
órdenes u. Los vectores de corrección \Deltau
sucesivos son integrados por el bloque integrador 22 partiendo de
juego de órdenes iniciales u_{0} para obtener un juego de
órdenes u propio para minimizar el vector de desviación
\Deltay. De este modo se ha realizado un bucle, cuya
explotación iterativa permite, a partir de un juego de consignas
y_sp definir un juego de órdenes u aplicable a los
medios de reglaje 11 del motor 1, sin tener necesidad de invertir,
de manera analítica, el modelo M del motor. Igualmente se ha
representado en la figura 3 un bloque comparador 24, que recibe el
vector de desviación \Deltay y que acciona un conmutador
25, que permite así transmitir únicamente bajo ciertas condiciones
el juego de accionamiento u a los medios de reglaje 11.
Estos dos elementos son opcionales y no son utilizados más que en
un segundo modo de realización del procedimiento, que será
detallado ulteriormente.
En un primer modo de realización del
procedimiento, el bucle descrito anteriormente, es ejecutado con
una recurrencia temporal predeterminada, de forma asíncrona con
relación al ciclo de funcionamiento del motor 1, y el juego de
accionamiento u, a la salida del bloque integrador 22, es
transmitido permanentemente a los medios de reglaje 11. En el
momento del arranque del motor 1, se procede a una fase de
iniciación del procedimiento según el proceso descrito en la figura
4. Efectivamente se ha señalado, que las condiciones de arranque
del motor dependían esencialmente de la temperatura de éste, medida
ventajosamente por la temperatura del líquido de refrigeración
\theta. En el momento de la puesta bajo tensión de un calculador,
adaptado para aplicar el procedimiento de la invención, el
calculador mide la temperatura \theta y determina, en una tabla,
definida mediante ensayos previos y memorizada en el calculador, un
juego de órdenes U_{inic}(\theta), que comprende,
por ejemplo, un ángulo de apertura de la mariposa del gas, una
cantidad de carburante a ser inyectado, un ángulo de encendido,
etc. Este juego de órdenes es aplicado a los medios de reglaje 11 y
es considerado juego de órdenes iniciales u_{0}. Se
procede entonces a la etapa S101 de la figura 5A, en la que se lee
el juego de consignas y_sp y el vector de estado z. En
la etapa S102 se afecta al juego de órdenes u corrientes, el valor
del juego de órdenes iniciales u_{0} y en la etapa S103,
se calcula la estimación de las variables de salida y_m
aplicándose el juego de órdenes u al modelo M.
Igualmente se forma el vector de desviación \Deltay
efectuándose la diferencia entre el juego de consignas y_sp
y la estimación y_m obtenida. Durante la etapa S104, se
comprueba si el vector de desviación relativo \Deltay/y_sp
es menor que un conjunto de valores predeterminado \varepsilon
con el fin de verificar si el juego de órdenes u es adecuado
para proporcionar el resultado esperado. Se observará, sin embargo,
que este ensayo es opcional y que únicamente tiene por efecto
evitar las etapas S105 y S106 si el resultado es positivo para
economizar el tiempo de cálculo. Si este ensayo no es efectuado o
si el resultado del ensayo es negativo, se procede a la
determinación de la matriz de corrección en la etapa S105.
La matriz de corrección J^{-1} está
constituida por coeficientes, que determinan el sentido y la
intensidad de la variación que es preciso aplicar a cada elemento
del juego de accionamiento u, para obtener una variación
predeterminada de cada una de las variables de salida y, y esto en
cada punto de funcionamiento del motor. Para determinar estos
coeficientes, se comienza por determinar la matriz jacobina
J o matriz de las derivadas parciales del sistema
constituido por el motor 1 y los medios de reglaje 11, aplicándose a
cada orden u_{i} del juego de accionamiento u, una
variación unitaria y observándose la variación inducida de las
variables de salida y. Cuando representa un proceso físico,
esta matriz jacobina es regular y puede ser invertida (cuando la
matriz sea cuadrada, es decir cuando el número de órdenes a la
entrada sea igual al número de variables de salida observadas) o
"seudoinversa", según una de las fórmulas:
J^{-1} = J^{T}. [J.
J^{T}]^{-1} (número de entradas > número de
salidas)
J^{-1} = [J^{T}. J] ^{-1}.
J^{T} (número de entradas > número de
salidas)
en función del número respectivo de órdenes a la
entrada y de variables a la salida del modelo directo considerado,
fórmulas en las que J^{T} es la matriz transpuesta de
J. De este modo se obtiene la matriz de corrección
J^{-1}.
Según una primera variante del procedimiento, los
coeficientes de la matriz de corrección se obtienen
experimentalmente durante ensayos de puestas a punto del motor.
Estos coeficientes se memorizan a continuación en tablas en función
de las condiciones de funcionamiento del motor, por ejemplo en
función de la presión en el colector de admisión MAP y del régimen
de rotación N, elementos esenciales del vector de estado z.
Según esta variante, durante la etapa S105, se extraen de las
tablas los coeficientes de la matriz de corrección J^{-1}
en función de los valores del vector de estado.
Según otra variante, representada en la figura 6
como un subprograma denominado por la etapa S105, se utiliza una
estimación de las derivadas parciales tomadas del modelo directo
M, para determinar, mediante cálculo, la matriz de
corrección. Con esta finalidad, se comienza por verificar si las
condiciones de funcionamiento del motor representadas por el vector
de estado z han cambiado. Si esto no ocurre, la matriz de
corrección, precedentemente calculada, es todavía aplicable, y se
sale del subprograma. Si se ha producido un cambio de estado desde
el paso precedente, se entra en un bucle en el que se aplica, con
cada accionamiento, una variación inicial \Deltau_{i} y
se calcula mediante el modelo directo M, en las condiciones
fijadas por el vector de estado z, una variación
\Deltay_m de la estimación de las variables de salida.
Entonces se construye la matriz jacobina J a partir de las
variaciones relativas \Deltay_m/\Deltau_{i}, que se
invierte por medio de una de las fórmulas vistas precedentemente
para obtener la matriz de corrección J^{-1}.
Ventajosamente, para reducir la cantidad de
memoria necesaria en la primera variante, o el tiempo de cálculo en
la segunda, se limita, durante la determinación de los coeficientes
de la matriz de corrección, a los modos gobernables esenciales, es
decir que tengan una influencia primordial sobre las variables de
salida. Igualmente, se despreciará la influencia, sobre estos
coeficientes, de los parámetros con variación lenta, tales como la
temperatura \theta del motor por ejemplo. La toma en
consideración de estos parámetros se hace entonces por intermedio
del vector de estado z, proporcionado al modelo directo.
Volviendo a la figura 5A, en la que se utiliza,
en la etapa S106, el vector de corrección \Deltay
calculado en la etapa S103 y la matriz de corrección
J^{-1} de la etapa S105, para determinar un vector de
corrección \Deltau, que es sumado por intermedio del bloque
integrador 22 de la figura 3, al juego de accionamiento actual,
para obtener un nuevo juego de órdenes u. Este juego de
órdenes se aplica, entonces, a los medios de reglaje 11 del motor
en la etapa S107 y se memoriza para servir como juego de órdenes
iniciales u_{0} durante la próxima iteración. Como se ha
visto precedentemente, en este modo de realización del
procedimiento, estas iteraciones son iniciadas con una recurrencia
temporal predeterminada y de manera asíncrona con relación al ciclo
de combustión del motor.
En un segundo modo de realización del
procedimiento, se inicia, en cada punto muerto alto del motor, un
cálculo iterativo del juego de órdenes u a ser aplicado.
Haciendo referencia a la figura 5B, que representa un diagrama
lógico de este modo de realización. Se señala que únicamente el
encadenamiento de las etapas del procedimiento difiere con respecto
a la figura 5A, permaneciendo esencialmente idénticas las etapas
propiamente dichas con relación a las de la figura 5A y, por lo
tanto, se marcarán de manera idéntica. Tras un inicio en el
arranque del motor, que se efectúa de acuerdo con la figura 4 ya
descrita, cada unto muerto alto (PMH) del motor inicia la lectura
del juego de consigna y_sp y del vector de estado z
(S101), de inicio del juego de órdenes corriente por el juego de
órdenes iniciales determinado durante el precedente PMH (S102) y la
determinación de la matriz de corrección J^{-1} (S105),
que se efectúa según cualquiera de las variantes descritas en
relación con el primer modo de realización. Entonces se procede a
la etapa S103, en la que se determina la estimación y_m de
las variables de salida a partir de la aplicación del juego de
accionamiento u corriente al modelo M y un vector de
desviación \Deltay. A continuación se compara el vector de
desviación relativo \Deltay/y_sp con un conjunto de
valores de umbral \varepsilon predeterminado. Si el vector de
desviación relativo \Deltay/y_sp no es menor que el
conjunto de valores de umbral \varepsilon, se calcula en la etapa
S106 un vector de corrección \Deltau del juego de
accionamiento, mediante aplicación del vector de desviación
\Deltay a la matriz de corrección J^{-1} y se
integra este vector de corrección con el juego de órdenes para
obtener un nuevo juego de órdenes u, que será enviado a la
etapa S103. De este modo se procede, por iteración e integraciones
sucesivas de los vectores de corrección hasta que el ensayo de la
etapa S104 sea positivo. En este caso, se pasa a la etapa S107, en
la que el juego de accionamiento u, obtenido, es aplicado a
los medios de reglaje 11 y memorizado para servir como juego de
órdenes iniciales u_{0} durante el ciclo iniciado por el
próximo PMH.
Evidentemente, la invención no está limitada a
los modos de realización anteriormente descritos que únicamente han
sido dados a título de ejemplos. Del mismo modo podrán combinarse
los dos modos en función del tiempo de cálculo disponible,
utilizándose el segundo a bajo régimen, cuando el intervalo temporal
entre los PMH sea largo y el primero a alto régimen. Igualmente, la
determinación de la matriz de corrección puede hacerse en un primer
tiempo sobre la base de ensayos del motor, afinándose a
continuación por medio de un procedimiento de aprendizaje para los
valores calculados a partir del modelo.
Claims (10)
1. Procedimiento para el accionamiento de un
motor de combustión interna (1), según el cual se determina un
juego de consignas (y_sp) de variables de salida (y) del motor, se
aplican estas consignas a un modelo inverso (M^{-1}) del motor y
se obtiene un juego de órdenes (u) a ser aplicado a medios de
reglaje (11) del motor, caracterizado porque se elabora el
modelo inverso del motor a parir de una explotación iterativa de un
bucle, que comprende, por una parte, un modelo directo (M) del
motor y, por otra parte, una matriz de corrección (J^{-1}) de las
entradas del modelo directo en función de sus salidas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
- a)
- se proporciona un juego de órdenes iniciales (u_{0}) al modelo directo (M) del motor,
- b)
- se compara la estimación (y_m) de las variables de salida, suministradas por el modelo, con el juego de consignas (y_sp) y se obtiene un vector de desviación (\Deltay),
- c)
- se trata este vector de desviación con la matriz de corrección (J^{-1}) para obtener un vector de corrección (\Deltau) de las órdenes y
- d)
- se suma el vector de corrección con el juego de órdenes iniciales para obtener el juego de órdenes (u) a ser aplicado a los medios de reglaje (11).
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque las operaciones a) hasta d) se repiten
con una recurrencia temporal predeterminada y porque el juego de
órdenes (u) de la etapa d) sirve como juego de órdenes iniciales
(u_{0}) en la etapa a) de la iteración siguiente.
4. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se inicia una serie de iteraciones de
las operaciones a) hasta d) en cada punto muerto alto del motor,
porque en la etapa d) se integran los vectores de corrección
(\Deltau) sucesivos, y porque el juego de órdenes (u) de la etapa
d) únicamente se aplica a los medios de reglaje cuando el vector de
desviación relativo (\Deltay/y_sp) de la etapa b) sea menor que
un umbral predeterminado.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque en cada punto muerto alto del motor, el
juego de órdenes iniciales (u_{0}) de la etapa a) es el juego de
accionamiento (u) aplicado al punto muerto alto precedente.
6. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la matriz de corrección (J^{-1}) se
obtiene por inversión o seudoinversión de la matriz jacobina (J)
de las derivadas parciales de las variables de salida (y) del motor
con relación a las órdenes.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la influencia de los parámetros de
variación lenta (\theta) se desprecia en el cálculo de los
coeficientes de la matriz jacobina y porque el modelo directo
recibe un vector de estado (z) representativo de las condiciones de
funcionamiento (MAP, N, \theta) actuales del motor, que comprende
una medida de estos parámetros.
8. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la matriz de corrección se determina
experimentalmente durante ensayos de puesta a punto del motor, y
porque sus coeficientes son memorizados en una tabla en función de
las condiciones de funcionamiento (MAP, N) del motor.
9. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la matriz jacobina se determina en cada
iteración a partir de una estimación de las derivadas parciales,
obtenidas del cálculo de la variación de las salidas del modelo
directo en función de una variación unitaria de una de sus entradas
alrededor del punto de funcionamiento corriente.
10. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque durante el arranque del motor, el juego
de órdenes iniciales (u_{0}) se determinas en función de la
temperatura (\theta) del motor.
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