FR3129497A1 - DYNAMIC SYSTEM CONTROL SYSTEM FOR MOTOR VEHICLES, METHOD AND PROGRAM BASED ON SUCH CONTROL SYSTEM - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de commande pour système physique (SP) de véhicule automobile, le système de commande comprenant - un moyen de contrôle prédictif (FFN) du type à modèle,- un modèle embarqué (M) configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique (SP),le moyen de contrôle prédictif (FFN) étant configuré pour déterminer un signal de commande () et un signal de référence () optimaux sur la base d’états prédits () du modèle embarqué (M),- un bloc tampon (BF) configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande () et le signal de référence (),- un régulateur rétroactif robuste (FBR) recevant ledit signal de référence () mis en mémoire tampon et un signal de mesure de capteur en sortie du système physique (SP). L’invention concerne également un procédé et un programme sur la base d’un tel système. Figure 4The invention relates to a control system for a physical system (SP) of a motor vehicle, the control system comprising - a predictive control means (FFN) of the model type, - an on-board model (M) configured to obtain data from prediction of states of the physical system (SP),the predictive control means (FFN) being configured to determine an optimal control signal () and a reference signal () on the basis of predicted states () of the on-board model ( M),- a buffer block (BF) configured to buffer the control signal () and the reference signal (),- a robust feedback regulator (FBR) receiving said buffered reference signal () and a sensor measurement signal at the output of the physical system (SP). The invention also relates to a method and a program based on such a system. Figure 4
Description
L’invention se rapporte au domaine des systèmes de contrôle des systèmes dynamiques pour véhicules automobiles, en particulier pour des contrôles de type prédictif.The invention relates to the field of systems for controlling dynamic systems for motor vehicles, in particular for predictive type controls.
L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cadre du contrôle de la boucle d’air d’un moteur thermique, et est en outre envisagée pour le contrôle de la boucle d’air de la cathode d’une pile à combustible.The invention finds a particularly advantageous application in the context of controlling the air loop of a heat engine, and is also envisaged for controlling the air loop of the cathode of a fuel cell.
La généricité de la solution proposée permet son application à un grand nombre de problèmes de commande optimales robustes rencontrés dans le domaine de l’automobile.The genericity of the proposed solution allows its application to a large number of robust optimal control problems encountered in the automotive field.
Une solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle en chaine directe (ou «feedforward» en langue anglaise) par un modèle inverse MI, du type présenté en
Ce type de loi de commande considère le modèle nominal d’un système piloté et l’utilise pour calculer une commande
Une autre solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle en chaine directe FF et rétroactif FB (ou «feedback» en langue anglaise) des actionneurs du système, du type présenté en
Le contrôle en chaine directe FF permet de mettre en forme une commande
Une autre solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle prédictif basé sur un modèle, de type MPC («L inear Model Predictive Control» en langue anglaise) dit linéaire ou non-linéaire (NMPC – «Nonlinear Model Predictive Control» en langue anglaise), du type présenté en
Ce contrôle prédictif implique une loi de commande optimale en ligne. Son principe de fonctionnement est le suivant :This predictive control implies an optimal online control law. Its operating principle is as follows:
Il utilise le modèle du système MS permettant de calculer l’évolution de ses sorties et états ; un estimateur d’états EE filtre les bruits de mesure et permet d’estimer les états actuels du système ; à chaque pas de temps, une optimisation détermine la commande minimisant une fonction de coût FC sur un horizon de temps fini ; des contraintes sur les commandes et/ou les états sont prises en compte ; et un premier élément E1 de la commande prédite est ensuite appliqué au système.It uses the model of the MS system to calculate the evolution of its outputs and states; an EE state estimator filters measurement noise and makes it possible to estimate the current states of the system; at each time step, an optimization determines the control minimizing a cost function FC over a finite time horizon; constraints on commands and/or states are taken into account; and a first element E1 of the predicted command is then applied to the system.
Malheureusement, les solutions de l’art antérieur ne sont pas pleinement satisfaisantes notamment pour les raisons suivantes :Unfortunately, the solutions of the prior art are not fully satisfactory, in particular for the following reasons:
Les dispersions paramétriques du système ne sont pas prises en compte lors de la conception et/ou du fonctionnement des régulateurs, leurs effets sont constatés tardivement après la construction.The parametric dispersions of the system are not taken into account during the design and/or operation of the regulators, their effects are noticed late after construction.
Les lois de commande linéaires ne permettent pas de prendre en compte explicitement des contraintes sur la commande et/ou sur les états.Linear control laws do not make it possible to explicitly take into account constraints on the control and/or on the states.
Les régulateurs MPC nécessitent la connaissance de l’état du système et donc d’estimateurs d’état qui sont sensibles aux bruits de mesure et aux incertitudes paramétriques du système.MPC controllers require knowledge of the state of the system and therefore of state estimators that are sensitive to measurement noise and parametric uncertainties of the system.
Les régulateurs prédictifs implantés en temps réel demandent un temps de calcul important pour optimiser la commande, notamment pour les systèmes non linéaires et/ou multivariables.Predictive controllers implemented in real time require significant computing time to optimize control, especially for nonlinear and/or multivariable systems.
L’invention vise à pallier les problèmes de l’art antérieur, et notamment à proposer une solution tenant compte des dispersions paramétriques du système, des contraintes sur la commande et/ou sur les états, des bruits de mesure et incertitudes paramétriques du système.The invention aims to overcome the problems of the prior art, and in particular to propose a solution taking into account the parametric dispersions of the system, the constraints on the control and/or on the states, measurement noises and parametric uncertainties of the system.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de commande pour système physique de véhicule automobile, le système de commande comprenant
- un moyen de contrôle prédictif à base de modèle,
- un modèle embarqué configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique,
le moyen de contrôle prédictif étant configuré pour déterminer un signal de commande et un signal de référence optimaux sur la base d’états prédits du modèle embarqué,
- un bloc tampon en sortie dudit moyen de contrôle prédictif, configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande et le signal de référence,
- un régulateur rétroactif robuste en sortie du bloc tampon, et en amont système physique, le régulateur rétroactif robuste recevant ledit signal de référence mis en mémoire tampon qu’il compare au signal de mesure de capteur en sortie du système physique.To achieve this objective, the invention proposes a control system for a motor vehicle physical system, the control system comprising
- a means of predictive control based on a model,
- an embedded model configured to obtain state prediction data from the physical system,
the predictive control means being configured to determine an optimal control signal and a reference signal based on predicted states of the on-board model,
- a buffer block at the output of said predictive control means, configured to buffer the control signal and the reference signal,
a robust feedback regulator at the output of the buffer block, and upstream of the physical system, the robust feedback regulator receiving said buffered reference signal which it compares to the sensor measurement signal at the output of the physical system.
Avantageusement, un estimateur d’état n’est pas nécessaire, le moyen de contrôle prédictif utilisant les états prédits du modèle embarqué qu’il intègre.Advantageously, a state estimator is not necessary, the predictive control means using the predicted states of the on-board model that it integrates.
En outre, la performance de la loi de commande est peu dépendante du temps d’optimisation utilisé par le moyen de contrôle prédictif grâce au bloc tampon.In addition, the performance of the control law is not very dependent on the optimization time used by the predictive control means thanks to the buffer block.
De plus, le moyen de contrôle prédictif peut intégrer la connaissance des signaux futurs de référence grâce au modèle embarqué. L’effet des dispersions paramétriques du système est pris en compte et contré par le régulateur rétroactif robuste.In addition, the predictive control means can integrate the knowledge of the future reference signals thanks to the on-board model. The effect of the parametric dispersions of the system is taken into account and countered by the robust feedback regulator.
Selon une variante, le régulateur rétroactif robuste reçoit en outre un signal de bruit. Cela permet de prendre en outre en compte le bruit de mesure dans la régulation.According to a variant, the robust feedback regulator additionally receives a noise signal. This also allows the measurement noise to be taken into account in the regulation.
Selon une variante, le système de commande comprend en outre un moyen d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules :According to a variant, the control system further comprises a control and reference optimization means on the basis of the formulas:
avec un vecteur de commande
et un vecteur de consigne
en considérantconsidering
un temps
un horizon de prédiction
un temps de calcul
a prediction horizon
a calculation time
Cela permet d’avoir une valeur précise d’optimisation de commande.This makes it possible to have a precise control optimization value.
Selon une variante, le bloc tampon comprend un moyen de stockage configuré pour stocker, lors d’une optimisation courante du moyen de contrôle prédictif, les commandes et références obtenues à une optimisation précédente.According to a variant, the buffer block comprises storage means configured to store, during a current optimization of the predictive control means, the commands and references obtained at a previous optimization.
Cela permet de mettre à profit une optimisation précédente pour une commande suivante.This makes it possible to take advantage of a previous optimization for a following command.
Selon une variante, le bloc tampon comprend en outre un moyen sélecteur configuré pour appliquer successivement les commandes et références issues du moyen de stockage.According to a variant, the buffer block further comprises a selector means configured to successively apply the commands and references coming from the storage means.
Cela permet d’appliquer des commandes optimisées.This makes it possible to apply optimized commands.
L’invention porte en outre sur un procédé de commande pour système physique de véhicule automobile, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes :
- déterminer, par contrôle prédictif du type à modèle, un signal de commande et un signal de référence optimaux sur la base d’états prédits d’un modèle embarqué,
- mettre en mémoire tampon le signal de commande et le signal de référence,
- mettre en œuvre une régulation rétroactive robuste sur la base dudit signal de référence mis en mémoire tampon comparé à un signal de mesure de capteur en sortie du système physique.The invention further relates to a control method for a motor vehicle physical system, the control method comprising the following steps:
- determining, by model-type predictive control, an optimal control signal and a reference signal on the basis of predicted states of an on-board model,
- buffer the control signal and the reference signal,
- implementing robust feedback regulation based on said buffered reference signal compared to a sensor measurement signal at the output of the physical system.
Selon une variante, le procédé de commande comprend en outre une étape d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules :According to a variant, the control method further comprises a control and reference optimization step based on the formulas:
avec un vecteur de commande
et un vecteur de consigne
en considérantconsidering
un temps
un horizon de prédiction
un temps de calcul
a prediction horizon
a calculation time
Selon une variante, l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de stockage pour stocker, lors d’une optimisation courante de l’étape de détermination par contrôle prédictif, les commandes et références obtenues à une optimisation précédente.According to a variant, the buffering step comprises a storage step for storing, during a current optimization of the step of determining by predictive control, the commands and references obtained at a previous optimization.
Selon une variante, l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de filtrage par sélecteur pour appliquer successivement les commandes et références issues de l’étape de stockage.According to a variant, the buffering step comprises a step of filtering by selector to successively apply the commands and references resulting from the storage step.
Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.Another object of the invention relates to a computer program comprising program code instructions for the execution of the steps of a control method according to the invention, when said program is running on a computer.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de commande selon l’invention.The invention further relates to a motor vehicle comprising a control system according to the invention.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, parmi lesquelles :The invention will be further detailed by the description of non-limiting embodiments, and on the basis of the appended figures illustrating variants of the invention, among which:
L’invention concerne un système de commande pouvant inclure un algorithme de commande.A control system may include a control algorithm.
Le problème courant du contrôle prédictif à base de modèle est sa sensibilité aux dispersions paramétriques du système piloté, aux bruits de mesure, et le temps de calcul qu’il nécessite. Contrairement au schéma de commande prédictif non linéaire NMPC classique produisant un signal de commande à la fois de type prédictif («feedforward») et rétroactif («feedback»), le schéma de commande de l’invention propose d’utiliser un algorithme NMPC pour générer une commande de type prédictive et, de l’associer à un régulateur linéaire rétroactif robuste FBR. L’algorithme NMPC détermine une commande optimale à appliquer au système physique SP ainsi que la trajectoire nominale que doit suivre sa sortie.The common problem of model-based predictive control is its sensitivity to parametric dispersions of the controlled system, measurement noise, and the computation time it requires. Unlike the conventional nonlinear NMPC predictive control scheme producing a control signal that is both predictive (" feedforward ") and retroactive (" feedback "), the control scheme of the invention proposes to use an NMPC algorithm to generate a predictive type command and associate it with a robust FBR feedback linear regulator. The NMPC algorithm determines an optimal command to be applied to the physical system SP as well as the nominal trajectory that its output must follow.
La robustesse de la régulation est assurée par le régulateur rétroactif FBR dont la sortie s’ajoute à celle de la commande NMPC. Ce régulateur robuste FBR permet de réagir à l’effet des dispersions paramétriques du système ainsi que des perturbations non mesurées. Le bruit de mesure ainsi que les dispersions paramétriques doivent être pris en compte lors de la synthèse du régulateur rétroactif FBR. Cette synthèse peut être de type
L’algorithme de commande proposé permet de tenir compte du temps de calcul de l’optimisation NMPC. Les signaux de commande et de référence sont actualisés quand chaque nouvelle optimisation se termine. Lors d’une optimisation, les signaux de commande et de référence résultant de l’optimisation précédente sont appliqués.The proposed control algorithm takes into account the computation time of the NMPC optimization. The command and reference signals are updated when each new optimization completes. During an optimization, the control and reference signals resulting from the previous optimization are applied.
L’intérêt de l’invention réside notamment dans la robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques et des bruits ; le temps de calcul de l’optimisation pris en compte ; la prise en compte des contraintes temporelles lors de la détermination de la commande prédictive NMPC optimale ; la prise en compte des contraintes fréquentielles lors de la synthèse du régulateur rétroactif FBR ; l’inversion dynamique du modèle non linéaire nominal du système commandé grâce à la commande NMPC ; l’anticipation possible tenant compte des futurs signaux de consigne et de perturbation.The advantage of the invention lies in particular in the robustness with respect to parametric uncertainties and noise; the optimization calculation time taken into account; taking time constraints into account when determining the optimal NMPC predictive control; taking into account the frequency constraints during the synthesis of the feedback regulator FBR; the dynamic inversion of the nominal nonlinear model of the system controlled using the NMPC command; possible anticipation taking into account future setpoint and disturbance signals.
L’invention proposée consiste à associer un algorithme NMPC générant une commande prédictive et un régulateur linéaire robuste FBR générant une commande rétroactive.The proposed invention consists in associating an NMPC algorithm generating a predictive control and a robust linear regulator FBR generating a feedback control.
Le régulateur rétroactif repose sur :
- un modèle incertain du comportement linéaire du système à commander. Il permet de prendre en compte des points de fonctionnement potentiels, du comportement non linéaire, des variations paramétriques ;
- des contraintes fréquentielles portant sur performances de la boucle fermée relatives aux signaux de consigne, perturbations, commandes et sorties ;
- une optimisation hors ligne d’une fonction de coût sous contraintes pour régler les paramètres du régulateur ;
- un signal de référence compatible avec les performances atteignables du système à commander.The retroactive regulator is based on:
- an uncertain model of the linear behavior of the system to be controlled. It makes it possible to take into account potential operating points, nonlinear behavior, parametric variations;
- frequency constraints relating to the performance of the closed loop relating to the setpoint signals, disturbances, commands and outputs;
- off-line optimization of a constrained cost function to tune the controller parameters;
- a reference signal compatible with the achievable performance of the system to be controlled.
L’algorithme NMPC repose sur :
- un modèle embarqué M (non linéaire, linéaire aux paramètres variants etc.) caractérisant finement le comportement nominal du système à commander ;
- une fonction de coût (quadratique, linéaire, non linéaire) permettant une optimisation des performances ;
- des contraintes portant sur la commande, les états et les sorties à asservir ;
- un pas de temps permettant une bonne discrétisation du modèle embarqué et conforme aux capacités du calculateur ;
- un horizon de prédiction permettant un calcul satisfaisant de la fonction de coût, notamment couvrant la durée des phénomènes transitoires à maitriser ;
- un optimiseur permettant une optimisation en ligne de la commande prédictive avec des temps de calcul raisonnables.The NMPC algorithm is based on:
- an embedded model M (non-linear, linear with varying parameters, etc.) finely characterizing the nominal behavior of the system to be controlled;
- a cost function (quadratic, linear, non-linear) allowing performance optimization;
- constraints relating to the command, the states and the outputs to be controlled;
- a time step allowing a good discretization of the embedded model and in conformity with the capacities of the computer;
- a prediction horizon allowing a satisfactory calculation of the cost function, in particular covering the duration of the transient phenomena to be controlled;
- an optimizer allowing online optimization of the predictive control with reasonable calculation times.
L’association de l’algorithme NMPC et du régulateur linéaire robuste est permise grâce à la logique décrite ci-dessous :
- soit le temps
- soit l’horizon de prédiction de l’algorithme NMPC
- soit le temps de calcul
- either time
- either the prediction horizon of the NMPC algorithm
- either the calculation time
Les résultats de l’optimisation déclenchée à un instant
Pour assurer la continuité de la commande, lors d’une optimisation en cours, les
Ce fonctionnement est permis grâce à différentes sous-parties et notamment à un bloc tampon composé de deux blocs suivants :
- un espace de stockage S1, illustré en
- un sélecteur S2, illustré en
- a storage space S1, illustrated in
- an S2 selector, illustrated in
Le fonctionnement de ces deux blocs est réalisé avec
La figure 6 correspond à
Aux instants
Afin que la contrainte portant sur le signal de commande prédictif utilisée par l’optimisation NMPC soit adaptée, le niveau de la commande réellement appliqué au système (qui dépend également de la commande rétroactive) est régulièrement transmis à l’algorithme NMPC.In order for the constraint on the predictive control signal used by the NMPC optimization to be adapted, the level of the control actually applied to the system (which also depends on the feedback control) is regularly transmitted to the NMPC algorithm.
L’invention porte en outre sur un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande tel que décrit précédemment, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. En particulier, l’invention peut être intégrée dans un ordinateur de commande de véhicule automobile.The invention further relates to a computer program comprising program code instructions for the execution of the steps of a control method as described above, when said program is running on a computer. In particular, the invention can be integrated into a motor vehicle control computer.
L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant un système de commande tel que décrit précédemment.The invention also relates to a motor vehicle comprising a control system as described previously.
L’intérêt de l’invention en utilisation réside notamment dans une optimisation des trajectoires de référence pour un gain en performance ; un maintien des performances grâce à une robustesse vis-à-vis des dispersions paramétriques ; une maitrise de la sensibilité aux bruits de mesure ; une détermination d’une méthodologie générique adaptée aux contraintes d’une classe importante de systèmes à commander (non linéaire, multivariables, à paramètres dispersés, etc.) ; une implantation temps réel qui est compatible avec les performances de calculateurs automobiles série.The advantage of the invention in use lies in particular in an optimization of the reference trajectories for a gain in performance; maintaining performance thanks to robustness with respect to parametric dispersions; mastery of sensitivity to measurement noise; a determination of a generic methodology adapted to the constraints of a large class of systems to be controlled (nonlinear, multivariable, with dispersed parameters, etc.); a real-time implementation that is compatible with the performance of serial automotive computers.
Claims (10)
- un moyen de contrôle prédictif (FFN) à base de modèle,
- un modèle embarqué (M) configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique (SP),
le moyen de contrôle prédictif (FFN) étant configuré pour déterminer un signal de commande (
- un bloc tampon (BF) en sortie dudit moyen de contrôle prédictif (FFN), configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande (
- un régulateur rétroactif robuste (FBR) en sortie du bloc tampon (BF), et en amont système physique (SP), le régulateur rétroactif robuste (FBR) recevant ledit signal de référence (
- a means of predictive control (FFN) based on model,
- an embedded model (M) configured to obtain state prediction data from the physical system (SP),
the predictive control means (FFN) being configured to determine a control signal (
- a buffer block (BF) at the output of said predictive control means (FFN), configured to buffer the control signal (
- a robust feedback regulator (FBR) at the output of the buffer block (BF), and upstream physical system (SP), the robust feedback regulator (FBR) receiving said reference signal (
avec un vecteur de commande
et un vecteur de consigne
en considérant
un temps
un horizon de prédiction
un temps de calcul
with a command vector
and a setpoint vector
considering
a time
a prediction horizon
a calculation time
- déterminer, par contrôle prédictif du type à modèle, un signal de commande (
- mettre en mémoire tampon le signal de commande (
- mettre en œuvre une régulation rétroactive robuste sur la base dudit signal de référence (
- determining, by type-to-model predictive control, a control signal (
- buffer the control signal (
- implementing robust feedback regulation based on said reference signal (
avec un vecteur de commande
et un vecteur de consigne
en considérant
un temps
un horizon de prédiction
un temps de calcul
with a command vector
and a setpoint vector
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a time
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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LIO WAI HOU ET AL: "Modular Model Predictive Control upon an Existing Controller", PROCESSES, vol. 8, no. 7, 16 July 2020 (2020-07-16), pages 855, XP055930007, DOI: 10.3390/pr8070855 * |
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