FR2812032A1 - Procede et dispositif pour compenser le comportement non-lineaire du systeme d'alimentation en air d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

On compense les influences produites pendant le fonctionnement du moteur et se r epercutant sur le comportement non-lin eaire du système d'alimentation en air. Pour cela, à partir d'au moins une grandeur d' etat (x) du système d'air (LS) et de la grandeur d'actionnement (v) fournie par le r egulateur (RG) on d eduit une nouvelle grandeur d'actionnement (u) dont la relation non-lin eaire avec les grandeurs d'actionnement (v) du r egulateur (RG) sont l'inverse de la relation lin eaire de la grandeur r eelle (y) par rapport au système d'alimentation en air (LS) repr esentant le chemin de r egulation, par rapport à la nouvelle grandeur d'actionnement (u).

Description

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé et un
dispositif de compensation du comportement non-linéaire du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne selon lequel on modifie une grandeur d'actionnement (v), provenant d'un régulateur (RG) à partir de la déviation (e) entre une grandeur de consigne et une grandeur réelle (y) du système d'alimentation en air, pour un actionneur du système
d'alimentation en air pour qu'entre la grandeur d'actionnement et la gran-
deur réelle existe une relation linéaire.
Le système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne désigne toutes les installations qui influencent la quantité d'air aspiré. Ces installations comprennent par exemple le volet d'étranglement, le turbocompresseur ou la réinjection des gaz d'échappement et un ou plusieurs seulement de ces moyens peuvent être prévus. Usuellement, chaque système d'alimentation en air de moteur à combustion interne comporte un actionneur et un régulateur (par exemple un régulateur P
(proportionnel ou PI proportionnel-intégral ou PID proportionnel-intégral-
différentiel). Ce régulateur déduit de la différence entre une grandeur de consigne et une grandeur réelle, une valeur de réglage pour l'actionneur du dispositif intégré dans le système d'alimentation en air. Le chemin de régulation formé du dispositif du système d'alimentation en air et de l'actionneur correspondant présente un comportement non- linéaire. Cela signifie que la relation entre la grandeur réelle du système d'alimentation
en air et la grandeur de réglage (grandeur de consigne) n'est pas une rela-
tion linéaire. Cette non-linéarité nécessite une conception particulière du
régulateur qui le cas échéant peut être très longue.
Le document DE 198 12 843 A1 décrit le problème de la non-linéarité du système d'alimentation en air dans le cas de l'exemple de la régulation de la pression d'alimentation. Comme actionneur pour un turbocompresseur on utilise soit une installation modifiant la géométrie de la turbine soit une vanne de dérivation. Dans tous ces organes d'actionnement il y a une relation non-linéaire entre la pression d'alimentation générée par le turbocompresseur et la grandeur d'actionnement de l'organe de réglage ou d'actionnement envisagée. Cette relation non-linéaire serait négligeable aussi longtemps que le point de fonctionnement du régulateur de pression d'alimentation ne se déplace que dans des limites très étroites. Mais si la plage de fonctionnement du régulateur de pression d'alimentation n'était pas limitée à une plage de fonctionnement très étroite mais à une plage étendue c'est-à-dire s'il y a une plage de variation importante pour les grandeurs d'actionnement, par
exemple pour un déplacement relativement important du point de fonc-
tionnement, l'opération de régulation devient trop lente et d'autre part on
s arrive à des sur-oscillations de la régulation.
Selon le document DE 198 12 843 A1 déjà cité, pour élimi-
ner les problèmes ci-dessus on transforme la grandeur d'actionnement de l'actionneur du turbocompresseur ou une ou plusieurs autres grandeurs formant la grandeur d'actionnement dans un champ de caractéristiques pour leur attribuer des valeurs telles qu'après transformation, il y a une relation au moins approximativement linéaire entre la grandeur de réglage et la grandeur régulée (pression d'alimentation). Ce moyen aboutit à une
caractéristique de régulation linéaire par laquelle en fonction de la posi-
tion du point de fonctionnement, on peut assurer une régulation rapide et
stable de la pression d'alimentation. Les valeurs de transformation enre-
gistrées dans le champ de caractéristiques pour la linéarisation de la grandeur d'actionnement sont des grandeurs fixes prédéterminées qui ne permettent pas de compenser une éventuelle influence actuelle sur le
chemin de régulation.
La présente invention a ainsi pour but de développer un
procédé et un dispositif correspondant au type défini ci-dessus, permet-
tant de compenser toutes les influences produites pendant chaque fonc-
tionnement du moteur et qui se répercutent sur un comportement non-
linéaire du chemin de régulation (système d'alimentation en air).
Avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un procédé de compensation du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'à partir d'au moins une grandeur d'état du système d'alimentation en air et de la grandeur d'actionnement fournie par le régulateur, on déduit une nouvelle grandeur de régulation dont la relation non-linéaire par rapport à la grandeur d'actionnement du régulateur est l'inverse de la relation nonlinéaire entre
la grandeur réelle et la nouvelle grandeur d'actionnement.
L'invention concerne également un dispositif pour la com-
pensation du comportement non-linéaire du système d'alimentation en air, du type indiqué ci-dessus, caractérisé en ce que les moyens forment, à partir d'au moins une grandeur d'état du système d'alimentation en air et de la grandeur d'actionnement fournie par le régulateur, une
nouvelle grandeur d'actionnement dont la relation non-linéaire par rap-
port à la grandeur d'état du régulateur est l'inverse de la relation non-
linéaire de la grandeur réelle et de la nouvelle grandeur d'actionnement.
Ainsi l'avantage de ce procédé et de ce dispositif est que la compensation de la non-linéarité du chemin de régulation se fait en temps réel en tenant compte de l'état actuel du chemin de régulation. On peut ainsi tenir compte de la dynamique du système d'alimentation en air et
des influences éventuelles d'autres systèmes.
Selon d'autres développements avantageux de l'invention, on détermine au moins une grandeur d'état du système d'alimentation en
air d'o l'on déduit la nouvelle grandeur de réglage en procédant de préfé-
rence par un calcul sur modèle. Grâce à la formation du modèle on peut
renoncer à la mesure de différentes grandeurs d'état.
Comme grandeurs d'état on peut envisager par exemple la pression d'alimentation, le régime du compresseur, le taux de réinjection des gaz d'échappement, la masse d'air accumulée dans la tubulure
d'aspiration, la température des gaz dans la tubulure d'aspiration, la po-
sition du volet d'étranglement, la position de la soupape de réinjection des gaz d'échappement, la position de la soupape de dérivation ou la géométrie variable de la turbine du turbocompresseur ou une ou plusieurs autres
grandeurs déduites pour linéariser le chemin de régulation.
Pour linéariser on peut utiliser une nouvelle grandeur de
régulation soit pour la géométrie variable de la turbine soit pour une sou-
pape de dérivation d'un turbocompresseur ou pour une soupape de réin-
jection des gaz d'échappement ou pour un actionneur de volet
d'étranglement.
Pour avoir une plus grande précision lors de la modélisation de la grandeur d'état il est intéressant que la différence entre la grandeur d'état obtenue par le calcul sur le modèle et la grandeur d'état obtenue de façon correspondante par mesure, soit ainsi formée et qu'à partir de la différence on forme un coefficient de correction pour la grandeur d'état modélisée. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne à plusieurs dispositifs d'alimentation en air,
- la figure 2 est un schéma par blocs d'un circuit de régulation avec linéa-
risation du système d'alimentation en air.
Description d'un exemple de réalisation
La figure 1 montre un moteur à combustion interne 1 équi-
pé d'un canal d'aspiration 2 et d'un canal d'échappement 3. Le canal
d'échappement 3 (ou canal des gaz d'échappement) est équipé de la tur-
bine 4; le canal d'aspiration 2 est équipé du compresseur 5 du turbocom-
presseur de gaz d'échappement. Le moteur à combustion interne peut
également comporter un canal de réinjection des gaz d'échappement 6 re-
liant le canal d'échappement 3 au canal d'admission ou tubulure d'admission 2. Le canal de réinjection des gaz d'échappement 6 est équipé d'une soupape commandée 7 de réinjection des gaz d'échappement. La tubulure d'aspiration 2 comporte un capteur de pression 8 pour mesurer
la pression d'alimentation pld et un capteur de masse d'air 9 pour mesu-
rer la masse d'air aspirée lm. De plus dans la tubulure d'aspiration on a un volet d'étranglement 10. Dans l'exemple de réalisation représenté d'un moteur à combustion interne on a ainsi trois dispositifs du système
d'alimentation en air qui influencent la masse d'air aspirée à savoir le tur-
bocompresseur 4, 5, le dispositif de réinjection des gaz d'échappement 6, 7
et le volet d'étranglement 10.
La figure 1 montre deux actionneurs possibles pour le tur-
bocompresseur. Un premier actionneur 1 est une vanne dans la dérivation 12 court-circuitant la turbine 4. En variante il est prévu un actionneur 13
qui agit sur la géométrie de la turbine c'est-à-dire qui règle les aubes di-
rectrices de la turbine. L'actionneur 1 1 de la soupape de dérivation reçoit une grandeur de réglage bpv et l'actionneur 13 pour la géométrie variable
de la turbine reçoit une grandeur de réglage vtg. Pour la soupape de réin-
jection des gaz d'échappement 7 on fournit une grandeur de réglage arf et pour le volet d'étranglement 10 une grandeur de réglage ou d'actionnement dk. Toutes les grandeurs d'actionnement bpv, vtg, arf et
dk citées ci-dessus sont fournies par un appareil de commande 14.
L'appareil de commande 14 reçoit une série de grandeurs d'état du moteur à combustion interne parmi lesquelles à titre d'exemple il y a la pression d'alimentation pld mesurée par le capteur de pression d'alimentation et la
masse d'air aspirée lm mesurée par un capteur massique d'air 9 repré-
senté à la figure 1. Comme autres grandeurs d'état on peut fournir à l'appareil de commande 14 également le régime du compresseur, le taux de réinjection des gaz d'échappement, la masse d'air accumulée dans la tubulure d'aspiration, la température du gaz dans la tubulure d'aspiration, la position du volet d'étranglement, la position de la vanne de réinjection des gaz d'échappement, la position de la vanne de dérivation ou la position de la géométrie de turbine variable du turbocompresseur ou une ou plusieurs grandeurs qui ont été déduites.
Dans le préambule le problème du comportement non-
linéaire des différents dispositifs du système d'alimentation d'air à savoir le turbocompresseur 4, 5, la réinjection des gaz d'échappement 6, 7, le volet d'étranglement 10 a été décrit. L'appareil de commande 14 fournit
des grandeurs de réglage ou d'actionnement bpv, vtg, arf, dk dont la rela-
tion avec la grandeur réelle fournie par chaque dispositif du système d'alimentation est linéaire. La réalisation de cette linéarisation sera décrite
ci-après à l'aide du schéma par blocs de la figure 2.
La figure 2 montre un circuit de régulation dans lequel le chemin de régulation est formé d'un système d'alimentation en air LS, d'un moteur thermique et d'un actionneur ou organe d'actionnement ST correspondant. Comme déjà décrit ci-dessus, le système d'alimentation en air LS peut se composer d'un ou plusieurs dispositifs comme par exemple le turbocompresseur 5, 6 ou le moyen de réinjection des gaz d'échappement 6, 7 ou encore le volet d'étranglement 10. Le bloc portant
la référence LS à la figure 2, représente ainsi à titre d'exemple un ou plu-
sieurs de tels dispositifs du système d'alimentation en air.
A la sortie du système d'alimentation en air LS on a une grandeur réelle (y) qui représente l'état réel du système d'alimentation en air. Cet état réel est par exemple la pression d'alimentation pld mesurée par un capteur 8 dans un turbocompresseur. La grandeur réelle (y) est comparée au point de combinaison VK à une grandeur de consigne (w) et on forme la différence (e) entre la grandeur de consigne (w) et la grandeur réelle (y) . La grandeur de consigne (w) est par exemple la pression d'alimentation de consigne obtenue à partir du régime du moteur, de la position du volet d'étranglement et du souhait du conducteur ainsi qu'éventuellement d'autres grandeurs de fonctionnement du moteur. La déviation de régulation (e) est appliquée à un régulateur RG qui est par
exemple un régulateur P ou PI ou PID à la sortie de ce régulateur RG ap-
paraît la grandeur d'actionnement (w).
Etant donné le comportement non-linéaire du chemin de régulation formé du système d'alimentation en air LS et de l'actionneur correspondant ST, la relation entre la grandeur réelle (y) et la grandeur de
régulation (v) n'est pas linéaire. L'objectif est d'étendre le circuit de régu-
lation pour avoir une relation linéaire entre la grandeur réelle (y) du sys-
tème d'alimentation en air LS et la grandeur de réglage ou d'actionnement (v). Pour cela, entre le régulateur RG et l'actionneur ST on a inséré un bloc de commutation LI fournissant une nouvelle grandeur d'actionnement (u) pour linéariser à partir de la grandeur d'actionnement (v). Dans le bloc de linéarisation LI, pour la nouvelle grandeur d'actionnement (u) on génère une relation dépendant de la grandeur d'actionnement (v) du régulateur RG et qui est l'inverse de la relation non-linéaire entre la grandeur réelle (y) du système d'alimentation en air LS et de la nouvelle grandeur
d'actionnement (u). Le comportement non-linéaire du chemin de régula-
tion ST, LS est ainsi compensé par la relation non-linéaire de la nouvelle grandeur d'actionnement (u) par rapport à la grandeur d'actionnement (v)
du régulateur RG. En d'autres termes, on crée une distorsion de la gran-
deur d'actionnement de l'actionneur ST pour compenser ainsi la caracté-
ristique non-linéaire du chemin de régulation formé du système d'alimentation en air LS et de l'actionneur ST correspondant. Finalement, le montage en série formé du bloc de linéarisation LI, de l'actionneur ST et du système d'alimentation en air LS a le même comportement qu'une
chaîne d'intégrateur.
La description suivante concerne la détermination dans le
bloc de commutation LI de linéarisation, la nouvelle grandeur d'actionnement (u) obtenue à partir de la grandeur d'actionnement (v) du régulateur RG et d'une grandeur d'état (x) du système d'alimentation en air. La grandeur d'état (x) peut être par exemple la pression d'alimentation pld, la vitesse de rotation du compresseur, le taux de réinjection des gaz d'échappement, la masse d'air accumulée dans la tubulure d'aspiration, la température des gaz dans la tubulure d'aspiration, la position du volet d'étranglement 10, la position de la soupape de dérivation 1l ou de la
géométrie variable 13 de la turbine du turbocompresseur 4 ou une gran-
deur qui en est déduite. Dans un but de simplification, on ne considérera
ci-après qu'une grandeur d'état (x). Mais on peut avoir plusieurs gran-
deurs d'état. Le système d'alimentation en air peut se décrire de manière très simplifiée par l'équation (1) x = (u- x) (1) T
Cette équation (1) donne la variation de temps de la gran-
deur d'état (x). Elle montre un simple comportement PT1 du système d'alimentation en air. Le comportement non-linéaire du système d'alimentation en air se décrit par l'équation (2) suivante Y = ao (t) + al (t) (clx + C2 x2) (2) L'équation (2) montre la relation entre la grandeur réelle (y)
et la grandeur d'état (x) sous la forme d'une parabole. Les paramètres dé-
pendant du temps a (t), ai (t) ainsi que les constantes ci, c2 définissent la
position et la forme de la parabole dans le temps.
Au moins une autre grandeur d'état (x) est calculée à partir d'une mesure faite par un capteur ou dans le schéma par blocs MD avec
d'autres grandeurs de fonctionnement du moteur à combustion interne.
De tels calculs sur modèle sont connus en soi et c'est pourquoi il ne sera fait mention de manière explicite. Pour rapprocher aussi précisément que possible la grandeur d'état modélisée (x) de la grandeur d'état réelle, il est
avantageux de tenir compte d'un coefficient de correction Ax éventuelle-
ment d'aide au calcul du modèle. Ce coefficient de correction Ax peut alors être généré par un observateur BB. Cet observateur BB représente une
déviation entre la grandeur d'état modélisée (x) et la grandeur d'état mesu-
rée, qui donne un coefficient de correction Ax influençant la grandeur
d'état (x) dans le calcul du modèle.
Dans l'équation (3) suivante, on a la dérivée en fonction du temps de la grandeur réelle (y) donnée par l'équation (2) = aO(t) + à1(t)(clx + c2x2) + al(t)(c1 + 2c2x)-(u - x) (3) T Si comme demandé on veut une relation linéaire entre la grandeur (y) et la grandeur d'actionnement (v) du régulateur RG, selon un intégrateur il faut avoir: v=y (4) Les équations (3) et (4) donnent finalement pour la nouvelle grandeur d'actionnement (u) la formule suivante: v - ao(t) - al(t)(clx + c2x2) + (5) u = + x(5 al(t) (cl + 2c2x) T
Cette équation (5) décrit la relation entre la nouvelle gran-
deur d'actionnement (u) et la grandeur d'état (x) ou la grandeur d'actionnement (v) du régulateur RG. La relation de la nouvelle grandeur d'actionnement (u) par rapport à la grandeur d'actionnement (v) est ainsi exactement l'inverse de la relation non-linéaire entre la grandeur réelle (y)
et la nouvelle grandeur d'actionnement (u). Ainsi il y a une relation li-
néaire entre la grandeur réelle (y) et la grandeur d'actionnement (v) du ré-
gulateur RG.
Comme régulateur il faut utiliser un régulateur solide par exemple un régulateur de commutation qui ne peut toujours prendre que
l'une des deux valeurs extrêmes. Un tel régulateur, robuste, réagit de ma-
nière insensible aux variations de paramètres du circuit de régulation.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de compensation du comportement non-linéaire du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne selon lequel on modifie une grandeur d'actionnement (v), provenant d'un régulateur (RG) à partir de la déviation (e) entre une grandeur de consigne (w) et une
grandeur réelle (y) du système d'alimentation en air (LS), pour un action-
neur (ST) du système d'alimentation en air (LS) pour qu'entre la grandeur d'actionnement (v) et la grandeur réelle (y) existe une relation linéaire, caractérisé en ce qu' à partir d'au moins une grandeur d'état (x) du système d'alimentation en air (LS) et de la grandeur d'actionnement (v) fournie par le régulateur (RG),
on déduit une nouvelle grandeur de régulation (u) dont la relation non-
linéaire par rapport à la grandeur d'actionnement (v) du régulateur (RG) est l'inverse de la relation non-linéaire entre la grandeur réelle (y) et la
nouvelle grandeur d'actionnement (u).
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'
on déduit une nouvelle grandeur d'actionnement (vtg, bpv) pour la géo-
métrie variable de la turbine (13) ou pour une soupape de dérivation (1 1)
d'un turbocompresseur (4, 5).
3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fournit une nouvelle grandeur d'actionnement (arf) pour la soupape de
réinjection des gaz d'échappement (7).
4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on déduit une nouvelle grandeur d'actionnement (dk) pour un actionneur
de volet d'étranglement (10).
) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine par un calcul sur modèle (MD) au moins une grandeur d'état
(x) du système d'air (LS).
6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 5,
caractérisé en ce que
comme grandeur d'état (x) on utilise l'une ou plusieurs des grandeurs sui-
vantes:
pression d'alimentation, vitesse de rotation d'alimentation, taux de réin-
jection des gaz d'échappement, masse d'air accumulée dans la tubulure d'aspiration, température des gaz dans la tubulure d'aspiration, position du volet d'étranglement, position de la soupape de réinjection des gaz d'échappement, position de la soupape de dérivation ou de la géométrie variable de la turbine du turbocompresseur ou une ou plusieurs des
grandeurs ainsi déduites.
7 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on forme la différence entre la grandeur d'état (x) obtenue par le calcul sur modèle (MD) et la grandeur d'état déterminée de façon correspondante par
une mesure et à partir de la différence on forme un coefficient de correc-
tion Ax pour la grandeur d'état modélisée (x).
8 ) Dispositif de compensation du comportement non-linéaire du système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne, avec des moyens(LI) qui modifient une grandeur d'actionnement (v), provenant d'un régulateur (RG) à partir de la déviation (e) entre une grandeur de consigne (w) et une grandeur réelle (y) du système d'alimentation en air (LS), pour un actionneur (ST) du système d'alimentation en air (LS), pour qu'entre la grandeur d'actionnement (v) et la grandeur réelle (y), existe une relation linéaire, caractérisé en ce que les moyens (LI) forment, à partir d'au moins une grandeur d'état (x) du système d'alimentation en air (LS) et de la grandeur d'actionnement (v) fournie par le régulateur (RG), une nouvelle grandeur d'actionnement (u)
dont la relation non-linéaire par rapport à la grandeur d'état (v) du régu-
lateur (RG) est l'inverse de la relation non-linéaire de la grandeur réelle (y)
et de la nouvelle grandeur d'actionnement (u).
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