Modeling and control of diesel engine air systems

Abstract

Die vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Modellierung, Steuerung und Regelung ein- und zwei-stufig aufgeladener Luftsysteme mit Abgasrückführung (AGR). Für beide werden die zugehörigen nichtlinearen Mehrgrößenregelungsprobleme hergeleitet und mit Hilfe eines neuen priorisierenden IMC-Ansatzes gelöst, der für die Luftsystemregelung wichtige Stellgrößenbeschränkungen berücksichtigt. Zunächst werden hochdimensionale Luftsystemmodelle auf der Basis physikalischer Gesetze bestimmt, die in dieser Arbeit auf zwei Arten zum Einsatz kommen. Zum Einen dienen sie als Referenz für die Überprüfung vereinfachter Entwurfsmodelle und entwickelter Steuerungen und Regelungen. Zum Anderen stellen sie den Ausgangspunkt für die modellbasierte Regelung dar. Unter Verwendung der Störtheorie werden für den modellbasierten Entwurf geeignete reduzierte Modelle von den Referenzmodellen abgeleitet. Dabei sorgen vereinfachende Annahmen dafür, dass die Entwurfsmodelle differenziell flach sind. Im nächsten Schritt werden unter Ausnutzung der Flachheit der Entwurfsmodelle modellbasierte Vorsteuerungen für die Luftsysteme bestimmt. Stellgrößenbeschränkungen stellen eine wichtige Einschränkung für die modellbasierte Luftsystemregelung dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese mit Hilfe einer neuartigen priorisierenden Trajektorienplanung berücksichtigt, welche die Einhaltung der Beschränkungen garantiert. Durch geeignete Verschaltung der Vorsteuerung und der Trajektorienplanung werden schlieÿlich IMC-Regler für das ein- und zweistufige Luftsystem bestimmt. Diese Regler erweisen sich in Simulationsstudien als besonders geeignet für die Luftsystemregelung, da sie sowohl dynamisch als auch stationär eine hohe Regelgüte erreichen und gleichzeitig sicher gestellt ist, dass die Stellgrößenbeschränkungen eingehalten werden. Diese Arbeit leistet zunächst verschiedene Beiträge zur Modellierung und Regelung aufgeladener Luftsysteme mit AGR. Darüber hinaus werden mit der beschränkten Trajektorienplanung und dem priorisierenden IMC-Regler zwei neue Entwurfsverfahren vorgestellt, die Stellgröÿenbeschränkungen berücksichtigen.

The present thesis deals with the control of one- and two-stage turbocharged Diesel engine air systems with exhaust-gas recirculation (EGR). It succeeds in solving the nonlinear multivariable control problems associated with the turbocharged air systems. The solution consists of a novel prioritizing internal model control (IMC) scheme that systematically accounts for input constraints stemming from the physical limitations of the available air system control valves. The control design basically follows the classical design procedure: First, highorder models of the one- and two-stage air system are derived based on first principles. These full-order models (FOMs) are used as a reference for the evaluation of reduced-order models (ROMs) and controllers, and serve as a starting point for the control design. ROMs suitable for model-based control design are deduced from the FOMs by employing the singular perturbation theory, where a number of simplifying assumptions are made to render the resulting ROMs differentially that. The flatness property of the ROMs is exploited for the design of feedforward (FF) controllers for the one- and two-stage air system. Furthermore, in order to account for input constraints, a novel constrained trajectory planning is proposed. It guarantees that the input constraints are respected and further allows for the prioritization of certain controlled variables. The prioritizing IMC scheme is finally obtained by appropriately interconnecting a flatness-based FF controller and a constrained trajectory planning. This controller guarantees to respect the input constraints and implements a user-defined prioritization of the controlled variables. Simulation studies show that an excellent closed-loop performance can be achieved for both the one- and the two-stage case. The main contribution of this thesis is twofold: First, the state of the art in modeling and control of turbocharged air systems with EGR is advanced in several respects. Second, a novel prioritization-based constrained trajectory planning and a prioritizing IMC scheme, which explicitly take input constraints into account, are developed for static state feedback (FB) linearizable nonlinear systems.