Impedance based control for engine-in-the-loop test-beds

Abstract

Die vorliegende Dissertation ist das Ergebnis einer Forschungskooperation zwischen dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugbau (IVK) und der Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (ARPA) am Institut für Mechanik und Mechatronik der Technischen Universität Wien. Es wird in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Prüfständen für Verbrennungskraftmaschinen (VKM) und Fahrzeug- Antriebssträngen vorgestellt. Zum effektiven und hochdynamischen Betrieb von Motorprüfständen sind im wesentlichen drei Komponenten notwendig. Zum einen ein der Problemstellung angepasstes im Allgemeinen nichtlineares Modell eines Fahrzeug-Antriebsstranges oder einer einzelnen Antriebsstrangkomponente und zum anderen eine hochgenaues und hochdynamisches Regelverfahren. Weiters kann durch Einbeziehung eines auf einem Kalmannfilter basierenden Verbrennungsmomentschätzers der Einfluss des schwankenden Verbrennungsmoments berücksichtigt werden. Im Gegensatz zu den bisher angewandten klassischen Regelverfahren, welche entweder Drehzahl und/oder Drehmoment einregeln, wird die Soll-Drehzahl- Drehmomentrajektorie des Prüflings im neuen Regelverfahren durch ein sogenanntes Impedanzmodell erzeugt. Dieses leitet unter anderem aus der Drehbewegung des Motors eine Solldrehmomentbelastung für den Motor ab. Dieses in der Literatur als 'Impedance-Torque-Control' beschriebene Konzept wird für den Einsatz am Motorprüfstand dahingehend adaptiert, dass für die Regelung des Wellendrehmoments eine auf dem Linear- Quadratic-Regulator(LQR)-Entwurf basierende Regelschleife aufgebaut wird, die ihren Sollwert aus dem Impedanzmodell erhält. Dadurch ist es mit dem neuen Regelverfahren möglich, bei der Reglerparametrierung Performancegrößen wie beispielsweise die in der Prüfstandswelle dissipierte Leistung im Sinne des LQR-Entwurfs stärker oder schwächer zu gewichten und damit die thermische Belastung derselben unter Inkaufnahme einer reduzierten Regelgenauigkeit des Wellenmoments selektiv zu beeinflussen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der präsentierten Lösung ist der Umstand, dass im Unterschied zu bisher publizierten Ansätzen kein Modell des im Allgemeinen nichtlinearen Systems 'Verbrennungsmotor' erstellt werden muss. Die von den klassischen Regelverfahren bekannten Betriebsmodi wie 'Drehzahlregelung' und 'Drehmomentregelung' gehen als Sonderfälle aus der Impedanzregelung hervor. Die oben beschriebene und im allgemeinen Fall dreidimensionale Drehzahl-Drehmomentrajektorie degeneriert in diesem Fall zu einer Trajektorie in einer Ebene. Weiters lässt sich das Regelkonzept relativ einfach auf Powertrain-Prüfstände erweitern. Hierbei wird im Grunde die Schnittstelle zwischen Simulation und Prüfstand von der Schwungscheibe der VKM hin zu den Radnaben des Fahrzeugs verschoben, wodurch jedoch eine Adaption des Impedanzmodells notwendig wird. Die erarbeiteten Lösungen wurden anhand eines Simulationsmodells eines Motorprüfstands in MATLAB/Simulink und Tests am Laborversuch 'Multi-Torsion-System' von Quanser im Hinblick auf ihre Robustheit und Effektivität getestet und validiert. Der Nachweis der Funktionalität des neuen Regelkonzepts am Laborversuch zeigt, dass mit dem gewählten Ansatz ein effizientes und robustes Regelsystem geschaffen wurde.

This dissertation is the result of a research cooperation between the Institute for Internal Combustion Engines and Automotive Engineering and the Division of Control and Process Automation at the Institute of Mechanics and Mechatronics of the Vienna University of Technology. In this work, a novel and highly dynamic control scheme for internal combustion engine (ICE) test-beds and powertrain test-beds is presented. To perform highly effective and highly dynamic tests on an ICE test-bed, three essential components are necessary. On the one hand, a linear or non-linear model of the vehicle power train or power train component under consideration is indispensable. Here, the accuracy of the model and the complexity of the modeling process depend on the problem under consideration. On the other hand, a highly accurate and dynamic control system, based on a robust control scheme is essential. By incorporating a Kalman-filter based torque estimator, the influence of the fluctuating combustion torque can be accounted for by the closed- loop system. Compared to recently presented and established control methods which basically control the speed or the torque of the ICE, the new method obtains a desired speed-torque-trajectory for the deviceunder test from a so called impedance model. The latter computes a load torque from the circular motion of the ICE and other inputs to the impedance model. The new control scheme is educed from a well-known method, referred to as 'Impedance-Torque-Control' in the literature. The impedance control scheme at the test-bed actuating system is therefor based on a cascade structure. The desired shaft torque, generated by the impedance model due to the rotational angle and speed of the ICE is the input to a secondary torque control loop. The design of the torque control loop is based on the LQR (Linear Quadratic Regulator) approach. Hereby the parametrization of the controller parameters is oriented explicitly towards critical performance variables of the test-bed hardware such as bandwidth of the load machine and the parameters of the test-bed shaft, which allows to balance both the control error and the thermal stress of test-bed shaft, in the latter case by accepting a decreased control performance. Another major advantage of the presented approach is the fact, that compared to other control methods a specific model of the generally non-linear system 'internal combustion engine' is not necessary. Additionally, the usual control modes 'Speed Control' and 'Torque Control' are special cases of the impedance control scheme. The generally three-dimensional speed-torque-trajectory degenerates into a trajectory on a plane. The control scheme can also be adapted for powertrain test-beds. Thereby, the interface between simulation and test-bed is shifted from the flywheel of the ICE to the hub of the wheel. Therewith, an adaptation of the impedance model is necessary. The presented solution is tested and validated by means of a simulation model of an ICE test-bed, MATLAB/Simulink and the laboratory experiment 'Multi-Torsion-System' from Quanser with respect to the robustness and efficiency of the method. The experimental test results prove the functionality of the new, efficient and robust control scheme.