FR2856431A1

FR2856431A1 - Dispositif de commande d'un moteur suralimente comprenant l'utilisation d'un element de logique floue

Info

Publication number: FR2856431A1
Application number: FR0307447A
Authority: FR
Inventors: Laurent Fontvieille
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: FR2856431B1

Abstract

Un régulateur à logique floue est utilisé pour asservir un turbocompresseur d'un moteur à combustion diesel ou à essence. Il est sensible à la différence entre une consigne de pression de suralimentation et une pression de suralimentation effectivement mesurée, et à la dérivée par rapport au temps de la différence entre une consigne de débit d'air et la valeur du débit d'air mesurée par un capteur. Une commande rapide devient possible, sans qu'on ait à craindre des instabilités une fois que la valeur de consigne a été atteinte.

Description

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DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOTEUR SURALIMENTE COMPRENANT L'UTILISATION D'UN ELEMENT DE LOGIQUE FLOUE

DESCRIPTION

Le domaine technique de cette invention est l'automobile, et plus précisément la commande de moteurs suralimentés diesels ou bien à essence.

La commande du moteur est la technique de 10 réglage des performances d'un moteur à combustion interne au moyen de l'ensemble de ses capteurs et actionneurs. L'ensemble des lois de contrôle-commande (stratégie logicielle) et des paramètres de caractérisation (calibration) du moteur sont contenus 15 dans un calculateur appelé UCE ou unité de commande électronique. De plus, les moteurs suralimentés comprennent un turbocompresseur composé d'une turbine et d'un compresseur servant à augmenter la quantité d'air admise dans les cylindres. La turbine est placée 20 à la sortie du collecteur d'échappement et entraînée par les gaz d'échappement. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut être réglée en installant une soupape de décharge ou des ailettes qui influent sur le débit de gaz traversant la turbine ou 25 la section de passage offerte à ces gaz. Le compresseur est monté sur le même axe que la turbine. Il comprime l'air entrant dans le collecteur d'admission. Un échangeur de chaleur peut être placé entre le compresseur et le collecteur d'admission pour refroidir 30 l'air à la sortie du compresseur. Un actionneur est utilisé pour piloter l'ouverture et la fermeture de la soupape ou des ailettes. Le signal de commande de l'actionneur est fourni par l'UCE et permet d'asservir la pression de suralimentation présente au collecteur d'admission. Une consigne de pression au collecteur est calculée par l'UCE. La pression réelle au collecteur est mesurée par un capteur de pression.

L'UCE recalcule sans cesse la consigne de pression de suralimentation, en fonction du régime du moteur et du débit du carburant par exemple (ou bien à partir d'une consigne du débit d'air et de richesse), et elle aide à régler sans cesse le turbocompresseur 10 par l'intermédiaire de régulateurs pour faire coïncider la consigne de pression à la pression réelle régnant dans le collecteur d'admission.

Avec l'augmentation des performances des moteurs suralimentés, le niveau de pression de 15 suralimentation augmente, aussi les turbocompresseurs sont de plus en plus sollicités. Il est donc important de piloter le plus finement possible les turbocompresseurs pour éviter la détérioration du turbocompresseur et pour améliorer la qualité de 20 conduite du véhicule aux accélérations.

Le réglage du turbocompresseur est classiquement réalisé au moyen de signaux provenant de régulateurs PID (proportionnel, intégral, différentiel) d'après l'évolution de la différence entre la consigne 25 de pression et la pression réelle mesurée. De plus, une cartographie de pré-positionnement est généralement ajoutée dans l'UCE pour donner une première valeur estimée de réglage du turbocompresseur en fonction du régime du moteur et du débit et faciliter ainsi le 30 réglage.

On observe toutefois que l'asservissement de la pression de suralimentation est difficile avec les moyens d'asservissement connus jusqu'à présent. La consigne de pression de suralimentation se présente typiquement sous forme d'un échelon de pression qui apparaît quand l'accélérateur a été enfoncé, et la pression réelle n'atteint la hauteur de l'échelon 5 qu'avec un retard. Dans certains systèmes, ce retard est important; dans d'autres, il l'est beaucoup moins, mais un phénomène oscillatoire de la pression réelle au-dessus et au-dessous de la valeur de consigne apparaît ensuite (ce qu'on appelle des overshoots et 10 undershoots), et cette instabilité de réglage nuit à la qualité de la conduite et peut entraîner des dommages.

Le but de l'invention est de fournir une convergence à la fois plus rapide et stable de la pression de suralimentation vers sa valeur de consigne pendant un 15 régime transitoire.

On verra qu'un moyen important est l'utilisation d'un régulateur à logique floue (ou lâche) dans i'UCE. On connaît certes des exemples de commande de moteurs suralimentés exploitant la logique 20 floue. Le brevet français 2 738 287 comprend un tel élément, mais qui est plutôt appliqué à régler la différence de pression entre le collecteur d'admission et le collecteur d'échappement, ce qui impose d'y placer un autre capteur qui enchérit le système et 25 implique une modification assez importante au mode d'asservissement du moteur. Ici, les deux variables exploitées par l'élément à logique floue sont la différence entre la consigne de pression et la pression réelle, c'est-à- dire la variable même qu'il faut 30 réduire, et la dérivée d'après le temps de cette variable. On peut donc supposer que le résultat exigé ci- dessus sera mieux atteint.

Pour résumer, l'invention est relative sous forme la plus générale à un dispositif de commande d'un moteur suralimenté d'automobile, comprenant: un collecteur d'admission d'air menant au moteur; un collecteur d'échappement de gaz quittant le moteur; un turbocompresseur composé d'un compresseur sur le collecteur d'admission d'air et d'une turbine sur le collecteur d'échappement de gaz, le turbocompresseur étant à réglage variable; une unité de commande 10 électronique pour agir sur une pression de suralimentation obtenue dans le collecteur d'admission entre le compresseur et le moteur en réglant le turbocompresseur; l'unité de commande électronique comprenant un module de calcul d'une consigne de 15 pression de suralimentation, un module de calcul d'une différence de pression entre ladite consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation effectivement obtenue, un module de calcul de la différence entre une consigne de débit 20 d'air et la valeur effective du débit d'air, un module de régulation agissant sur le turbocompresseur en calculant un état de réglage de celui-ci, comprenant un différentiateur calculant une dérivée de la différence de débit d'air d'après le temps; caractérisé en ce que 25 le module de régulation comprend un élément à logique floue renseigné par la différence de pression et par la dérivée de la différence de débit d'air et fournissant une sortie exploitée pour agir sur le turbocompresseur.

On passe maintenant aux commentaires des 30 figures suivantes: - la figure 1 illustre un système à moteur suralimenté et UCE; - la figure 2 représente une UCE conforme à l'invention; - la figure 3 représente complètement un module de calcul d'une consigne de débit de carburant 5 la figure 4 illustre une variante d'UCE - la figure 5 représente complètement un élément de régulation à logique floue conforme à l'invention - et la figure 6 illustre les résultats 10 obtenus.

La figure 1 représente d'abord un moteur 1 à explosion alimenté en air frais par une entrée 2 et qui rejette les gaz brûlés par un échappement 3. L'air frais parcourt un collecteur d'admission 8 et passe 15 successivement par un filtre 4 et un débitmètre 5 puis par un compresseur 6 d'un turbocompresseur 7 à régler.

Après avoir été comprimé, il passe par un refroidisseur 9 et une vanne 10 de recirculation des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement s'écoulent par un 20 collecteur d'échappement 11 et traversent une turbine 12 du turbocompresseur 7 et un filtre à particules 13 avant de parvenir à l'échappement 3. Une unité de calcul électronique (UCE) est désignée par 14, une électrovanne par 16, une pompe à vide par 17, et une 25 tige de régulation du turbocompresseur 7 par 18. Un régulateur 1 fait partie de l'UCE 14 et fournit un signal de commande à l'électrovanne 16 qui ouvre ou ferme une conduite 20 d'aspiration entre une chambre 21 située derrière la tige 18 et la pompe à vide 17; 30 l'électrovanne est à ouverture progressive et peut donc faire varier à volonté la pression dans la chambre 21 d'après l'enfoncement de la tige 18. L'UCE 14 exploite une pression du collecteur d'admission 8 que lui fournit un capteur 19 et une consigne de pression qu'elle calcule. On passe maintenant au commentaire de la figure 2, qui illustre plus en détail la constitution de P'UCE 14.

Des valeurs de débit de carburant injecté et de régime du moteur 1 sont fournies à une carte logique 31 qui fournit une consigne de pression de suralimentation à une borne positive d'un soustracteur 36. Le régime du moteur est fourni par un tachymètre 25 10 ou un autre capteur mesurant la vitesse de rotation de l'arbre du moteur. La consigne de débit de carburant est déduite de la sortie d'un capteur 24 mesurant l'enfoncement de la pédale d'accélération. Il est connu qu'en réalité une consigne de débit de carburant est 15 calculée au moyen d'une carte logique 28 (à la figure 3), renseignée par les capteurs 24 et 25, et que cette consigne peut être limitée, normalement pendant les régimes de forte accélération, par les sorties de deux autres cartes logiques 29 et 30 renseignées chacune par 20 le capteur 25, et, respectivement, par des capteurs 26 et 27 indiquant le rapport de boîte de vitesse qui est engagé et le débit d'air frais. Les cartes 29 et 30 donnent des limites de débit de carburant acceptables en fonction du couple du moteur admissible et de la 25 nécessité de ne pas produire de fumées noires. Le signal issu de la carte 28 est donc comparé successivement aux signaux issus des cartes 29 et 30 dans des portes 27 qui choisissent à chaque fois le signal minimum qui leur est appliqué ; et le débit de 30 carburant peut encore être modifié en agissant sur le signal par une carte 32 supplémentaire qui définit une stratégie d'agrément de conduite.

Revenant à la figure 2, le capteur de pression 19 fournit son signal à la borne négative du soustracteur 36, dont le signal de sortie est donc une différence entre la consigne de pression de 5 suralimentation et la pression de suralimentation effectivement mesurée dans le collecteur d'admission 8.Cette différence est fournie habituellement à des régulateurs de calcul de termes proportionnel, dérivé et intégral; Le débit mètre 5 fournit son signal à la borne négative du soustracteur 62, la borne positive du soustracteur recevant la valeur de la consigne de débit d'air dont le signal de sortie est donc une différence entre la consigne de débit d'air et le débit d'air 15 effectivement mesurée dans le collecteur d'admission 8.

La consigne de débit d'air peut être calculée par un carte logique 61 à partir de la consigne de suralimentation par l'intermédiaire de la formule suivante: N20. V_ mot. V(N conscol 'Pconscol 2Qonair 120 cYl7lv t' *iol) Rair Tco avec Q..onsair = Consigne de débit d'air en kg/s, 25 Npot = Régime moteur en tr/min, Vcyl = Cylindré du moteur en m3, i= Rendement de remplissage moteur, PCoscol = Consigne de Pression de suralimentation en Pa, To = Température collecteur en K, Rair = Constante massique de l'air=287.

Dans l'invention, on utilise avant tout un régulateur à logique floue 37 renseigné par la différence de pression et la dérivée temporelle de la différence de débit d'air calculée par un différentiateur 38 à la place des régulateurs de calcul de termes proportionnel, dérivé et intégral. Si la fonction d'asservissement recherchée a un terme proportionnel dominant, on ajoute un régulateur 39 de 5 calcul de terme intégral pour compléter l'asservissement; si la fonction a un terme intégral dominant, il sera calculé directement par le régulateur à logique floue 37 et le régulateur 39 pourra être omis, comme le schématise la figure 4. On s'aperçoit 10 qu'outre une bonne commande du moteur, l'invention autorise une simplification du régulateur de l'UCE 14.

Dans tous les cas, il est avantageux d'utiliser une carte logique de prépositionnement 33, elle aussi renseignée par les capteurs 24 et 25, qui donne une 15 valeur initiale de réglage du turbocompresseur 7 valable pendant de régimes stables et qui permet donc d'aborder les régimes transitoires avec un bon réglage de départ. Les signaux de sortie de la carte 33, du régulateur à logique floue 37 et éventuellement du 20 régulateur 39 sont fournis à un additionneur 40, et leur somme est fournie à un régulateur de sortie 15 qui commande directement la vanne 16.

Voici la constitution du régulateur 37 à logique floue. Les signaux provenant du soustracteur 36 25 et du différentiateur 38 arrivent, après avoir passé par des diviseurs 41 et 42 qui les mettent à la bonne échelle, à un élément 43 de partage des tâches (fuzzification) qui les transforme en variables xsl et xs2. Alors que les variables xel et xe2 d'entrée dans 30 l'élément 43 sont simples, les variables xsl et xs2 sont multiples et résultent de l'application des variables d'entrée xel et xe2 à une pluralité de fonctions d'appartenance contenues dans l'élément 43.

Dans l'exemple proposé, ces fonctions sont au nombre de trois et notées NG (Négatif Grand), EZ (Environ Zéro) et PG (Positif Grand). La première fonction NG a une valeur maximale pour xe inférieur ou égal à -1, nulle 5 pour xe supérieur ou égal à 0 et linéaire entre ces deux valeurs. La fonction EZ est nulle pour xel inférieur ou égal à -0,5 ou xe2 inférieur ou égal à -1, maximale pour xel ou xe2 égal à 0 et de nouveau nulle pour xel supérieur ou égal +0,5 et xe2 supérieur 10 ou égal à +1; elle est linéaire entre -0,5 et 0, puis 0 et +0,5, ou selon le cas entre -1 et 0 puis 0 et +1.

Enfin, la fonction PG est symétrique de NG, c'est-àdire nulle pour xe inférieur ou égal à 0, maximale pour xe supérieur ou égal à +1 et linéaire entre 0 et +1. 15 Pour résumer, chaque variable xl a trois composantes NG (xe), FZ (xe) et PG (xe).

L'élément suivant du régulateur 37 est un élément d'inférence 44 qui combine les variables xsl et xs2 entre elles d'après un tableau. Il en sort un 20 signal xr qui est lui aussi multiple et s'exprime par des valeurs prises dans trois nouvelles fonctions d'appartenance, ici aussi notées NG, EZ et PG. Le tableau illustré dans l'élément d'inférence 44 illustre que la combinaison de deux composantes NG de xel et xe2 25 est une composante NG, de même que la combinaison de composantes NG et EZ; la combinaison de composantes PG et EZ est une composante PG, de même que la combinaison de deux composantes PG; enfin la combinaison de composantes PG et NG est une composante EZ, de même que 30 la combinaison de deux composantes EZ.

Cette section logique du régulateur 37 a donc pour effet de renforcer, pour la variable de sortie xr, les composantes qui représenteront le mieux la différence entre la consigne de pression et la pression réelle dans l'avenir proche, d'après la dérivée de cette différence: les composantes NG et PG de xsl l'emportent, dans les combinaisons avec les 5 composantes EZ et xs2, sur celles-ci; mais les composantes extrêmes NG et PG de xs2 affectent toujours les composantes différentes de xsl quand elles sont combinées à elles. Un effet d'anticipation de l'évaluation de la différence entre la consigne de 10 pression et la pression réelle et donc obtenu.

La variable xr floue à trois composantes est fournie à un élément de départage des tâches (défuzzification) 45 qui la transforme en une variable simple u au moyen des nouvelles fonctions NG, EZ et PG. 15 Ici, NG est maximale pour xr inférieur ou égal à -1, nulle pour xr supérieur ou égal à 0 et linéaire entre -1 et 0; EZ est égale à 0 pour xr égal à -1, maximale pour Xr = 0, nulle pour xr supérieur ou égal à +1, et linéaire entre -1 et 0, et 0 et +1. Enfin, la fonction 20 PG est nulle pour xr inférieur ou égal à 0, maximale pour xr supérieur ou égal à +1 et linéaire entre 0 et +1 f xr fxr. dxr +1. La valeur u est égale à -l+ , o fxr est la +1 ffxr.dxr valeur prise par la fonction d'appartenance résultante composée de NG, EZ et PG; elle est aussi égale à 25 l'abscisse du barycentre de la fonction d'appartenance résultante fxr pondérée par xr entre -1 et +1. Elle passe par un multiplicateur 46 qui corrige le changement d'échelle apporté par les diviseurs 41 et 42 et fournit le signal issu du régulateur 37 à 30 l'électrovanne de commande 16.

La figure 6 permet de comparer la réponse que l'invention apporte à une commande d'accélération par comparaison à un dispositif antérieur. I1 s'agit d'un diagramme gradué en temps et en pression, et la 5 courbe 50 est la consigne de pression, qui a une forme en échelon suivi d'un palier. La courbe de réponse conforme à l'invention a la référence 51 et se caractérise par une montée assez rapide jusqu'à la valeur du palier puis une stabilité assez grande autour 10 d'elle. Avec un régulateur ordinaire comprenant des termes proportionnel et intégral, on pourrait obtenir la courbe 52 après un réglage de l'UCE donnant une montée en pression aussi rapide qu'avec l'invention: les dépassements de consigne (overshoot) sont 15 importants, d'environ 20% de la hauteur du palier, et les oscillations de pression restent ensuite beaucoup plus fortes et sont sensibles pendant plus d'une seconde.

Le mode d'asservissement de l'invention est 20 donc caractérisé à la fois par une faible inertie à la montée et une porte inertie au palier. De plus, la réaction du régulateur à logique floue est améliorée par l'utilisation de l'information débit d'air dans le terme dérivée qui permet de s'affranchir du retard 25 introduit par le volume du circuit d'air (échangeur, tuyaux, collecteur d'admission). En effet, sur un transitoire de charge la consigne de débit d'air est atteinte avant la consigne de pression de suralimentation.

On doit encore ajouter que l'invention permet de saturer facilement le signal du commande, c'est-à-dire de commander facilement un état extrême de l'électrovanne 16 et du turbocompresseur 7, ce qui est évidemment bénéfique pour la rapidité du régime transitoire, mais était difficile à obtenir avec les asservissements antérieurs, au point que la déposante avait proposé de supprimer complètement l'asservissement pendant les régimes transitoires et de le remplacer par un état extrême de commande du turbocompresseur dans une demande de brevet français récente. Cette solution devient inutile ici.

ew X 2856431

Claims

REVENDICATIONS

1) Dispositif de commande d'un moteur suralimenté d'automobile, comprenant un turbocompresseur à réglage variable; une unité de commande électronique (14) pour agir sur une pression de suralimentation en réglant le turbocompresseur; l'unité de commande électronique comprenant un module de calcul d'une consigne de pression de suralimentation 10 (31), un module de calcul d'une différence de pression (36) entre ladite consigne de pression de suralimentation et la pression de suralimentation effectivement obtenue, un module (62) de calcul de la différence entre une consigne de débit d'air et la 15 valeur du débit d'air mesurée par un capteur, un module de régulation (37, 15) agissant sur le turbocompresseur en calculant un état de réglage de celui-ci, comprenant un différentiateur (38) calculant une dérivée de la différence de débit d'air d'après le temps; caractérisé en ce que le module de régulation comprend un élément à logique floue (37) renseigné par la différence de pression et par la dérivée de la différence de débit d'air et fournissant une sortie exploitée pour agir sur le turbocompresseur.

2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de régulation comprend aussi un élément intégrateur (39) de la différence de pression d'après le temps, qui fournit une sortie s'ajoutant à la sortie de l'élément à logique floue 30 pour agir sur le turbocompresseur.

3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le module de régulation comprend aussi une carte de pré- positionnement (33) qui fournit une partie s'ajoutant à la sortie de l'élément à logique floue pour agir sur le turbocompresseur, et qui est renseigné par des indicateurs de régime du moteur et de débit de carburant injecté.

4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément à logique floue comprend une section logique d'inférence (44) qui a pour effet d'anticiper des états futurs de 10 la différence de pression d'après des états présents de la dérivée.

5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la consigne de débit d'air est déterminée à partir de la consigne 15 de pression de suralimentation par la formule: Nmot conscol Pcons,col Qconsair- 120 cyl 1v ? mot R. * Tol R air T avec Qc.ns. air = Consigne de débit d'air en kg/s, Nmot = Régime moteur en tr/min, Vcy = Cylindré du moteur en m3, = Rendement de remplissage moteur, Pcons,col = Consigne de Pression de suralimentation en Pa, 25 ToI = Température collecteur en K, Rair = Constante massique de l'air=287.