ES2210923T3 - Procedimiento para el accionamiento de un motor de combustion interna. - Google Patents

Procedimiento para el accionamiento de un motor de combustion interna.

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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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