IT201800004003A1 - Metodo di controllo di velocita' di un motore a combustione interna - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“METODO DI CONTROLLO DI VELOCITA' DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”
Campo di applicazione dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei metodi di controllo del punto di funzionamento di motori a combustione interna.
Stato della tecnica
E’ noto che il pedale di acceleratore consente al conducente di causare una variazione della velocità di rotazione del motore a combustione interna.
Ciò evidentemente è conseguenza di una variazione di una coppia erogata da parte del motore a combustione interna. Il pedale dell’acceleratore pertanto può relazionarsi con il punto motore, vale a dire velocità motore/coppia, di funzionamento del motore a combustione interna rappresentando, con una relativa inclinazione, un valore di coppia richiesta oppure una velocità obiettivo del motore.
Velocità del motore e coppia sono grandezze evidentemente interrelate, ciononostante, un controllo sulla velocità implica reazioni molto rapide dal motore a combustione interna.
Il controllo di velocità sul motore a combustione interna è particolarmente delicato a causa del ritardo intrinseco di risposta del motore dovuto a diversi fattori, tra cui l’effetto capacitivo del collettore di aspirazione, che presenta una dinamica lenta.
Durante un cambio marcia o una manovra, oppure l’inserimento repentino di un carico, quale una pompa oppure un compressore veicolare, oppure una repentina variazione della pendenza della strada è necessaria la massima rapidità e precisione di risposta del controllo di velocità.
Uno schema di controllo di velocità si basa sul fatto di calcolare un errore di velocità rispetto ad un valore di riferimento e di calcolare conseguentemente la variabile di comando necessaria (la coppia) del sistema controllato, così da variare la risposta del motore a combustione interna, per ridurre o annullare detto errore. Si tratta evidentemente di un controllo in retroazione.
Il tipico controllore utilizzato dall’arte nota per controllare la velocità del motore è di tipo PI (proporzionale, integrale). In altre parole si corregge l’errore, tra un valore di riferimento ed il valore misurato o stimato dell’uscita del sistema, attraverso un controllore proporzionale ed un controllore integrale, i quali, sulla base di detto errore, generano rispettivi segnali di controllo. La somma delle rispettive uscite, cioè dei rispettivi segnali di controllo generati, è applicata all’ingresso del sistema per far convergere l’uscita del sistema al valore di riferimento, che nel caso di specie è un riferimento di velocità del motore.
Sarebbe estremamente vantaggioso utilizzare anche un contributo Derivativo, realizzando un PID competo, in quanto il contributo derivativo consente una reazione più pronta alle rapide variazioni del carico ed in generale ai disturbi esterni.
Uno controllore PID completo prevede che le uscite dei controllori P, I e D si sommano ed il risultato è applicato all’ingresso del sistema da controllare.
Il termine Derivativo è una componente di controllo anticipativa che tipicamente introduce dinamiche ad alta frequenza nel sistema, rendendo il controllore instabile. Per tale ragione, il contributo derivativo è generalmente non adoperato.
Secondo un primo schema di controllo che mira a limitare le sovra e sotto elongazioni del sistema, tipicamente dovute al termine Integrale, chiamato in gergo tecnico “antiwindup”, si satura la risposta del contributo integrale. Secondo un secondo schema di controllo che mira a limitare le sovra e sotto elongazioni si può azzerare (resettare) il termine integrale in funzione del cambiamento del segno dell’errore con il risultato che il motore a combustione interna assume un comportamento nervoso ed impredicibile. Sommario dell’invenzione
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di controllo di un motore a combustione interna che consente di implementare un controllo di velocità rapido ma al tempo stesso stabile e fluido.
L’idea di base della presente invenzione è quella di realizzare un controllo di velocità in retroazione mediante un controllore PI, in cui il contributo derivativo non è sommato con gli altri contributi, ma interviene per modificare un parametro di funzionamento del controllore integrale.
In particolare, il controllore integrale comprende un saturatore che satura il segnale di comando verso il motore a combustione interna, sulla base di un errore di velocità e sulla base della derivata della velocità dello stesso motore a combustione interna.
In relazione all’interrelazione tra il controllo integrale ed il controllore derivativo, si può dire che il primo è funzione del secondo, oltre che dell’errore di velocità.
Il contributo derivativo risponde molto più rapidamente degli altri contributi proporzionale ed integrale, ma il suo contributo è adoperato per intervenire sul contributo integrativo minimizzando le sovra e sotto elongazioni della risposta del motore a combustione interna, senza pregiudicarne la stabilità.
Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nella figura 1 è mostrato un esempio di schema di controllo basato sulla presente invenzione;
nella figura 2 mostra in dettaglio un blocco dello schema di controllo di figura 1.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.
Nell’ambito della presente descrizione il termine “secondo” componente non implica la presenza di un “primo” componente. Tali termini sono infatti adoperati soltanto per chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
La figura 1 mostra un esempio di un esempio di controllo con uno schema a blocchi.
Il controllo è eseguito ricorsivamente a tempo discreto, secondo la frequenza di funzionamento della unità di elaborazione che controlla il motore a combustione interna. Il motore a combustione interna è rappresentato mediante in figura 1 con il blocco “Engine”.
Un sensore di giri, per esempio una ruota fonica applicata all’albero motore, consente di ottenere una misura della velocità “Speed” del motore a combustione interna.
Inoltre, il pedale dell’acceleratore o qualsiasi dispositivo veicolare idoneo ad impartire una velocità di riferimento, quale ad esempio un cambio robotizzato o una presa di forza genera il segnale di riferimento Ref in termini di velocità obiettivo del motore.
La velocità misurata Speed è sottratta alla velocità obiettivo Ref generando un errore Err mediante il primo nodo sommatore S1 a sinistra della figura 1.
Il medesimo valore di errore è portato in ingresso ai blocchi, P, I, realizzando un controllo PI.
Le uscite dei controllori P ed I convergono nel nodo sommatore S2 a destra della figura 1 per controllare direttamente l’ingresso del motore a combustione interna Engine. Generalmente i controllori ricevono in ingresso segnali di velocità e generano segnali di comando relativi alla percentuale di coppia che il motore deve erogare, rispetto alla relativa coppia nominale.
Il controllore D riceve come ingresso la velocità misurata Speed e la relativa uscita, vale a dire la derivata ΔSpeed della velocità misurata è portata in ingresso al blocco rappresentativo del controllo integrale I.
Secondo la presente invenzione, il controllore derivativo D contribuisce a controllare un saturatore Sat_1 con riferimento a figura 2, che limita il contributo del controllore integrale.
Pertanto, il contributo integrativo è saturato secondo una funzione F(Err, ΔSpeed) dell’errore di velocità Err e della derivata della velocità.
Un controllore integrale I (a tempo discreto), secondo una variante preferita della presente invenzione, può essere schematizzato come una memoria “Memory” che contiene un valore Int-1 generato dallo stesso controllore integrale I al passo precedente (dunque “Int-1” indica che è generato al passo “-1”), a cui viene sommato, iterativamente, mediante il nodo sommatore S3, il valore corrente dell ́errore Err di velocità, opportunamente moltiplicato per il coefficiente integrativo KI, mediante il nodo moltiplicatore M1. Il risultato della somma, realizzata dal nodo sommatore S3, rappresenta l’uscita del controllore integrativo I, cioè il suddetto segnale di comando, e contemporaneamente l’ingresso Int-0 della memoria Memory (cioè al passo corrente “0”) che lo memorizza per il passo successivo di integrazione.
Il saturatore Sat_1, secondo la presente invenzione, è disposto tra il nodo sommatore S3 e l’uscita del controllore integrativo, cosicché la limitazione non è operata solo sull’uscita del controllore integrativo, ma anche sul blocco “Memory” in esso contenuto.
Secondo una variante preferita della presente invenzione, il saturatore Sat_1 realizza una saturazione simmetrica rispetto allo zero ed il modulo della saturazione è dato dalla seguente formula:
|Saturazione| = |K * RadQ { [ exp ( - |Err| / A) ] * [ exp ( - |ΔSpeed| / B ) ] }|
Dove:
- RadQ rappresenta l’operatore radice quadrata
- Exp rappresenta l’esponenziale
- |Errore| rappresenta il modulo dell’errore Err descritto sopra
- |ΔSpeed| rappresenta il modulo della derivata della velocità del motore ΔSpeed.
- K, A e B rappresentano valori costanti.
La derivata della velocità del motore può essere espressa mediante l’equazione di Newton:
ΔSpeed = Cost * [(Coppia erogata dal motore) – (Coppia resistente dovuta ai carichi esterni)]
Dove Cost è generalmente il reciproco del momento di inerzia J del motore a combustione interna.
I carichi esterni includono, ad esempio, la pendenza della strada percorsa dal veicolo guidato dal motore a combustione interna oppure la coppia resistente offerta da un generatore elettrico, un compressore, una pompa.
Il blocco CALC sulla base degli ingressi
- Errore di velocità Err
- Derivata della velocità ΔSpeed
Applica la suddetta formula calcolando il modulo della saturazione |Saturazione|.
Il blocco CALC ha due uscite, ciascuna indirizzata ai due ingressi: alto e basso del saturatore Sat_1.
Una saturazione positiva o negativa è applicata soltanto quando i segni di Err e ΔSpeed sono concordi positivi o negativi, altrimenti passa il /- 100% del segnale generato dal nodo sommatore S3.
Un secondo saturazione Sat_2 è preferibilmente disposto tra il nodo moltiplicatore M1 ed il nodo sommatore S3 allo scopo di limitare il segnale di comando al 100% e -100% della cosiddetta “autorità dell’attuatore”. Le ragioni dell’implementazione del secondo saturatore Sat_2 sono note al tecnico del ramo e sostanzialmente hanno lo scopo di evitare di richiedere inutilmente una prestazione all’attuatore (Engine) eccedente le relative caratteristiche nominali. Nel presente caso l’attuatore è il motore a combustione interna Engine che non può erogare più della relativa coppia nominale nella relativa mappa velocità/coppia nominale.
Secondo una variante preferita dell’invenzione, la suddetta formula è implementata nel blocco CALC mediante una Look up Table, con il vantaggio di una maggiore flessibilità perché consente di modificare i coefficienti della tabella stessa, introducendo scostamenti dall’output della suddetta formula, che meglio calzano sullo specifico motore a combustione interna. Inoltre, la look up Table consente di ridurre l’onere computazionale.
Di seguito viene mostrato un esempio di Look up Table avente come ingressi |ΔSpeed| ed |Err|.
I valori riportati nella matrice, ad esempio 5 x 5, riportata nella precedente tabella sono quelli ritenuti ottimali per una implementazione della presente invenzione. Ciononostante essi possono essere opportunamente variati. Tali valori sono positivi quando Err e ΔSpeed hanno entrambi segno positivo, altrimenti, quando Err e ΔSpeed hanno entrambi segno negativo, ciascuno dei valori mostrati nella tabella è moltiplicato per “-1”.
In altri termini, il saturatore Sat_1 è simmetrico rispetto allo zero e quando i segni sono positivi, ciò indica che si sta manipolando la porzione alta (positiva) del saturatore (limitazione superiore), viceversa quando i segni sono negativi, ciò indica che si sta manipolando la porzione bassa (negativa) del saturatore (limitazione inferiore). Il presente metodo può essere vantaggiosamente implementato mediante una unità di elaborazione ECU (Engine control Unit) di controllo del motore a combustione interna, che elabora le informazioni di velocità del motore e di pressione sul pedale dell’acceleratore o di richieste di giri da altri dispositivi e controlla di conseguenza il motore a combustione interna secondo quanto descritto sopra.
La presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma è eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l’ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma è eseguito su di un computer.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda. Quanto descritto nel capitolo relativo allo stato della tecnica occorre solo ad una migliore comprensione dell’invenzione e non rappresenta una dichiarazione di esistenza di quanto descritto. Inoltre, se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio, quanto descritto nel capitolo stato della tecnica è da considerarsi come parti integrante della descrizione di dettaglio.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di un motore a combustione interna mediante un controllo in retroazione della velocità del motore stesso, basato su un errore (Err) di detta velocità del motore, calcolato tra un valore di riferimento (Ref) ed un valore misurato (Speed) della velocità, in cui detto controllo comprende un contributo proporzionale (P) ed un contributo integrale (I), il metodo comprendendo un passo di saturare detto contributo integrale in funzione (F(Err, ΔSpeed)) di: - una derivata (ΔSpeed) di detto valore misurato della velocità (Speed) del motore e di - detto errore di velocità (Err).
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto passo di saturare è applicato quando un primo segno di detta derivata ed un secondo segno di detto errore di velocità sono concordi: positivo/positivo oppure negativo/negativo.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detto contributo integrativo (I) consiste nella somma (S3) di - una valore di errore (Err) calcolato al passo corrente, moltiplicato per un coefficiente integrativo (KI) e - un valore del contributo integrativo (Int-1) generato al passo immediatamente precedente, ed in cui detto saturatore (Sat_1) è applicato a detta somma.
  4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1 - 3, in cui un valore assoluto di detta saturazione è dato dalla seguente formula: |Saturazione| = |K * RadQ { [ exp ( - |Err| / A) ] * [ exp ( - |ΔSpeed| / B ) ] }| Dove: - RadQ rappresenta l’operatore radice quadrata - Exp rappresenta l’operatore esponenziale - |Err| rappresenta il modulo dell’errore di velocità Err descritto sopra - |ΔSpeed| rappresenta il modulo della derivata della velocità del motore ΔSpeed. - K, A e B rappresentano valori costanti.
  5. 5. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto valore assoluto di detta saturazione è dato da una Look up table, In cui relativi valori sono compresi, in valore assoluto, tra 0 e 100% di una coppia nominale del motore a combustione interna.
  6. 6. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma è fatto girare su di un computer.
  7. 7. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma è fatto girare su di un computer.
  8. 8. Motore a combustione interna comprendente - un dispositivo per misurare una relativa velocità, - una unità di elaborazione (ECU) configurata per controllare detto motore a combustione interna sulla base di un segnale di riferimento (Ref) di velocità, detta unità di elaborazione essendo configurata per eseguire il metodo di controllo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti da 1 a 5.
  9. 9. Veicolo o installazione fissa comprendente il motore a combustione interna secondo la rivendicazione 8.
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