הטכניון - מכון טכנולוגי לישראל
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 38

Idle speed control- A benchmark for hybrid system research PowerPoint PPT Presentation


  • 81 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

הטכניון - מכון טכנולוגי לישראל TECHNION - ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGY הפקולטה להנדסת חשמל המעבדה לבקרה ורובוטיקה. Idle speed control- A benchmark for hybrid system research. : מבצעים ערן גפני 025745027 אדיר ורטה 032554578 מנחה : ד"ר מרק מולין. מבוא.

Download Presentation

Idle speed control- A benchmark for hybrid system research

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

הטכניון - מכון טכנולוגי לישראל TECHNION - ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGYהפקולטה להנדסת חשמלהמעבדה לבקרה ורובוטיקה

Idle speed control-

A benchmark for hybrid system research

:מבצעים

ערן גפני 025745027

אדיר ורטה 032554578

מנחה:

ד"ר מרק מולין


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מבוא

עוד משחר המצאת המנועים היוותה בעיית הבקרה שלהם אתגר .

בעיית הבקרה המרכזית הייתה שליטה במהירות הסיבוב ואספקת הכוח ממנו והתאמתם לצרכי ניצולו .

בשנים האחרונות עקב משבר האנרגיה והמודעות הגוברת לאיכות הסביבה עולה הצורך לחסכון באנרגיה.

מטרת הפרוייקת שלנו הנה מציאת פתרון בקרה למנוע בטורי סרק

כאשר תיבת ההילוכים נמצאת בהילוך סרק בהוצאת מינימום אנרגיה.

מצב זה מדמה עמידה ברמזור אשר מהווה מקור בזבוז דלק וזיהום אוויר

משמעותי בחיי היום יום.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מודל המערכת


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

הצגת מבנה ופעולת מנוע שריפה פנימית

מנוע בעירה פנימית מתרגם אנרגיה כימית

לתנועה קוית .

לאחר מכן מתורגמת התנועה הקוית לתנועה

סיבובית.

כל אלו מתבצעים בעזרת הצילינדר, הבוכנה,

השסתומים ,המצת (במנוע בנזין) וגל הארכובה.

שסתומים

מצת

צילינדר בודד:

בוכנה

טלטל

גל הארכובה


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

המנוע הנפוץ ביותר כיום הנו מנוע 4 הפעימות.

פעולת מנוע זה נחלקת ל4 שלבים (פעימות)

כל פעימה הנה מכינה לשלב הבא.

1. יניקה: שאיבת תערובת אויר ודלק לחלל הצילינדר דרך שסתום היניקה.

2. דחיסה: דחיסת התערובת לחלל השריפה .

3.עבודה: הצתת התערובת ע"י המצת ודחיפת הבוכנה

למטה עקב התחממות האויר.

4.פליטה:פינוי התערובת השרופה דרך שסתום הפליטה.

כמובן שרק פעימת העבודה מייצרת אנרגיה בעוד השאר

צורכות,ולכן רק רבע מתנועת המנוע מייצרת אנרגיה.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מנוע 4 צילינדרים

ע"מ להתגבר על אספקת האנרגיה הלא רציפה

נבנים רוב המנועים כיום בתצורת 4 צילינדרים,

כאשר ע"מ להתגבר על בעיית האיזון הבוכנות

נעות בזוגות (תנע קוי משותף=0 )

כשכל בוכנה מבצעת פעימה שונה בכל זמן נתון.

כך אנו מקבלים פעימת עבודה בכל חצי סיבוב מנוע.

במודל אותו נבקר נעשה שימוש בעובדה זאת ע"י כך שהוא מתייחס רק לפעימת

העבודה המתבצעת בכל חצי סיבוב בעוד את השאר הוא ממדל כהתנגדות

לסיבוב.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מערכת העברת הכוח (POWER TRAIN)

ע"מ לתרגם את התנועה הקוית לסיבובית נעשה שימוש בגל הארכובה.

אל גל הארוכבה מתחבר המצמד (ניתן לחיבור וניתוק) אשר מחובר מצידו

השני לתיבת ההילוכים.

תיבת ההילוכים מורכבת משני גלים ,כאשר הראשון מחובר קבוע אל

המצמד והשני מתחבר לראשון כאשר משולב הילוך.

במודל שלנו כאמור תיבת ההילוכים אינה משולבת ולכן השפעת חיבור

המצמד הנה הנעת הגל הראשון בלבד (מאסת המתכת).


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

העומסים

במודל נעסוק בשני סוגי עומסים:

1. עומס בעל פרופיל מדרגה (ON OFF)– הגה כוח/מזגן.

2. עומס משתלב – חיבור וניתוק המצמד.

1'. עומס מדרגה ימודל בפשטות כהחסרת כוח מהכוח המיוצר ע"י המנוע.

2'. עומס משתלב הנו מודל מורכב יותר מכיון שבחיבור המצמד מתווספת

למעשה מאסה נוספת למאסת המנוע,לכן ברגע החיבור נוסף עומס

עצום אולם כאשר המאסה מתחילה להסתובב וצוברת אינרציה סיבובית

העומס יורד לדרגה נמוכה ושולית (ואף מסייע למנוע ברובסטיות כנגד

עומס מדרגה כיוון שהאינרציה הסיבובית גדולה יותר -"גלגל תנופה") .

כתוצאה מכך לניתוק המצמד כמעט ולא יהיו תופעות לוואי על המנוע.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מודל המערכת


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מודל המנוע ב SIMULINK

מערכת ההצתה

מערכת העברת הכוח

המנוע

מידול עומסים

סעפת היניקה


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

מודל המנוע ב SIMULINK

באופן טבעי ,עקב החלוקה לפעימות שונות ממודלת אספקת האנרגיה

במודל איתו אנו עובדים ע"י STATE FLOW אשר הנו מודל דאגרמת מצבים.

מודל זה הנו "ליבת המערכת" ומשתמש בנתונים המסופקים לו ע"י מערכות

העזר של המנוע הממודלות ע"י מודלי SIMULINK "רציפים" כגון סעפת

היניקה עומסים וכו.. לכן נקרא מודל זה "היברידי".

כמו כן ממודלות באופן דומה מערכת העברת הכוח וההצתה.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

אתגר ואמצעי הבקרה

אתגר הבקרה:

שמירת המנוע בטורי סרק (800 סל"ד) ובהילוך סרק ,תוך הפעלת עומסים

שונים וכל זאת ע"י שימוש בכמות דלק מינימלית.

יש לציין שבסביבת סל"ד זאת המנוע נמצא במצב רגיש ביותר במבחינת

עמידות לעומסים כיון שזהו תחום בו יכולת אספקת הכוח נמוכה ביותר והוא

נוטה לכבות.

לכן באופן טבעי דרוש בקר בעל רובסטיות טובה.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

אמצעי הבקרה:

  • ע"מ לבקר את המנוע נשתמש בשני אמצעים:

  • שליטה בזווית המשנקאשר קובעת למעשה את כמות התערובת הנכנסת

  • למנוע ולכן את משטר האנרגיה.

  • 2. שליטה בזווית קידום ההצתהאשר שולטת בתזמון אספקת הניצוץ להדלקת התערובת ולכן הנה פונקציית נצילות.

  • השימוש באמצעי הבקרה:

  • השליטה בזווית המשנק משנה כאמור את כמות האנרגיה הפוטנציאלית הנכנסת למנוע

  • ולכן כמובן את הכמות המופקת ממנו, אולם כיוון שהתערובת נעה דרך

  • סעפת (יניקה) ארוכה ומונעת ע"י תת לחץ המגיע מהצילינדר (איננו לינארי)

  • ישנו פער זמן גדול יחסית בין שינוי הזווית והשפעתו על המנוע.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

לעומת זאת השליטה בזווית קידום ההצתה (יחסית למיקום הבוכנה במעלות) משנה את תזמון הניצוץ ולכן משפיעה על ניצול שריפת התערובת להפקת האנרגיה מהמנוע,לכן אנו מתחשבים בשינוי זה כפונקציית יעילות בעלת תגובה מהירה .

מסקנות:

כאשר נוסף עומס למנוע נרצה להביא את פונקציית הנצילות למקסימום

והוסיף אנרגיה פוטנציאלית.

במצב בו יורד עומס מהמנוע נרצה להקטין את פונקציית היעילות (תגובה מהירה) ולהקטין את האנרגיה הפוטנציאלית וכך למנוע טיפוס

מהיר בסל"ד.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

הפתרון

  • לאחר הבנת צרכי ואופי המערכת , הפתרון אותו הצענו היה בניית בקר

  • משתלב המזהה את סוג העומס המופעל (עפ"י גזירת מהירות סיבובי המנוע)

  • והפעלת תגובה מותאמת לכל אחד מן המצבים הקיימים:

  • עומס מדרגה- משתלב/מתנתק.

  • עומס "משתלב" – משתלב/מתנתק.

  • וכן את האופציות הנובעות משילובי העומסים.

משתני המצב:

לאור נתוני המאמר בחרנו להתייחס למשתני המצב- p,n,m כאשר:

p- לחץ האויר בסעפת היניקה.

m- מאסת האויר בצילינדר בסוף פעימת היניקה.

n- מהירות סיבובי המנוע (מסופק כיציאת המנוע).


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

כניסות ויציאות המערכת

כניסות המערכת:

- זווית קידום ההצתה.

- זווית פתיחת המשנק.

יציאת המערכת:

n - מהירות סיבובי המנוע.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

משוואות המודל

מודל המנוע נשען על מספר משוואות המייצגות אותו ואת תלות משתני המצב

בכניסות ובעצמן.

כאשר:

- זוית וסת האוויר בתערובת α

Intake Manifold - לחץ ה p

- כניסת שטף האוויר דרך הוסת fthr(α)

- זרימת שטף האוויר דרך הצילינדרים q=ftcyl(p,n)

- קבוע הגזR

Intake Manifold- טמפרטורת האוויר של ה Tair

הנפח- Vpln


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

כאשר:

תנע הצילינדר – T

מסת האוויר בצילינדר - m

יעילות ההנעה ביחס לזוית התקדמות ההצתה - η(φ)

- פונקציות יצירת התנע במצבים השונים Ge, Gn


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

שלביהתכן

א. ביצוע לינאריזציה למודל המנוע תחת כל אחת מאופציות העומס.

ב. תכנון בקר לכל אחת מאופציות אלו.

ג. תכנון משחזר משתני המצב מתוך n .

ד. תכנון בורר אשר יקבע איזה מן הבקרים לשלב.

ה. חיבור הבקרים המשחזר והבורר למודל המנוע.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

פרוט התהליך שבוצע עבור מנוע תחת עומס מדרגה

לינאריזציה

מציאת מטריצה A: בשלב ראשון נבודד את המשוואות הרלוונטיות למשתני

המצב כפי שנבחרו:


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

כעת לפי:

נקבל:


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

נרכיב את מטריצה A מתוך העמודות:


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

נרכיב את מטריצה B מתוך העמודות:


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

ונקבל:


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

קבלת C ו D :


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

כעת ע"מ לקבל את הערכים הנומינלים נשווה את :

ונקבל:

ערכים אלו נציב במטריצות שהתקבלו לקבלת לינאריזציית

מערכת המצב.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

הערה: ניתן להבחין כי המטריצות אינן מאוזנות –דבר שיפגע ביכולת הבקרה


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

בחירת סוג הבקר

עקב אובזרבביליות המערכת החלטנו לתכנן בשלב ראשון בקר

מצב שהנו פשוט לתכנון ורובסטי יחסית.

את תכנון הבקר בצענו בעזרת פונקציית PLACE תוך שאנו בוחרים

מיקום קטבים המדמים מערכת מסדר 2 וממקמים אותם באופטימיזציה ידנית.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

ביצועי המערכת הלינארית עם בקר המצב


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

תכנון משחזר המצב

משחזר המצב היה פשוט לתכנון מכיוון שמשוואותיו זהות למשוואות שניתנו

לנו במאמר ושעליהן נשען המודל..


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

תכנון בורר:

לא תוכנן בורר מכיון שכפי שאציג ,לא הצלחנו להשלים

את בניית הבקר הראשון.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

חיבור הבקר והמשחזר למודל המנוע הלא לינארי


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

ביצועי המנוע המבוקר:

מהירות סיבובי המנוע: ניתן לראות כי המנוע נכבה


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

בניסיון לנתח את חוסר התאמת הבקר למודל הבחנו כי קיימת בעייה

בפרמטר מסת האויר ,בעוד הבקר דוגם את מסת האויר כל הזמן,

המודל דוגם אותה רק לפני קיום הניצוץ.

לכן קריאת הבקר את המצב הנה כאילו המנוע נכבה בין הניצוצות

ומכאן נובעת חוסר התאמה הרסנית.

ע"מ להתגבר על הבעיה הוספנו sample and hold אשר "מחזיק"

את הערך האחרון שהתקבל לפני הניצוץ.

בגרפים המוצגים ניתן

לראות את המשמעות

של מסת האויר לפני

ואחרי הרכיב.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

יציאות הבקר

ניתן לראות את חוסר הרציפות הנכפת על הבקר.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

בעיות נוספות שנבדקו:

  • מידול הגבלת הזוית של המשנק וקידום ההצתה: נוסה פתרון של

  • הכנסת רכיב רוויה אולם הוא גרם לבידור המערכת עקב הגברת מאמץ

  • הבקר כאשר היה תחת הגבלה (שאינה תורמת למצב המערכת ולכן גורמת

  • להגברה נוספת....).

  • 2. חוסר דיוק במודל הלינארי לעומת המודל הלא לינארי: להערכתנו

  • זאת אינה הבעיה.

  • 3. מרחק גדול מדי בין נקודת הלינאריזציה ומצב המנוע: ייתכן אולם איננו

  • מעריכים כי זאת הבעיה.

  • 4. בעיית שיחזור: כפי שנאמר –המשחזר בנוי לפי משוואות המודל ולכן

  • לא קיימת סטיה בינהם (נבדק בפועל כדי לסתור מרווחי תזמון חישובם).


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

דיון בתוצאות

  • נראה כי מודל המנוע כשלעצמו הנו מודל טוב אולם חסרה בו התייחסות

  • לעולם האמיתי בו הוא נכבה לדוגמא.

  • 2. ממשק העבודה בין STATE FLOW וה SIMULINK קשה לשליטה וטוב

  • למודלים מוגבלים . לצערנו לא הצלחנו להתגבר על בעיות ממשק זה

  • ולכן השקענו זמן רב בבעיה שאיננה בעיית בקרה וחבל ,מכיון שבעיית בקרה

  • זאת הנה מעניינת ובעלת אפליקציות רבות .

  • 3.אין ספק שבקרה המשלבת זווית משנק וקידום הצתה הנה גישה טובה

  • ומאפשרת שימוש בשני העולמות על יתרונותיהם כפי שהוצגו.


Idle speed control a benchmark for hybrid system research

סיכום:

מטרת העל של הפרוייקט בו עסקנו הנה בדיקת כדאיות השימוש

במודל היברידי של מנוע שריפה פנימית לתכנון בקרים.

במהלך הפרוייקט שלנו נתקלנו בקשיים רבים דווקא בתחום זה בו

הקושי הנו בשילוב מרכיבי המערכת הרציפים והבדידים והבקר

הרציף.

עקב כך אנו מסיקים כי שימוש במודל זה באם לא יימצא פתרון

מניח את הדעת לממשק לא רק שיקשה אלא שלעיתים (כמו במקרה

שלנו) אף לא יאפשר תכנון בקר ישים למנועים אמיתיים.


  • Login