Identifikation und Entkopplungsregelung des Luftsystems von Pkw-Dieselmotoren auf Basis von Polynom-und Hammerstein-Modellen

Reß, Johannes

Die Entwicklung neuer Hard- und Software ist für die stetige Verbesserung des Dieselmotors essentiell. So wird vor allem im Bereich der Emissionsreduzierung nach neuartigen Lösungen gesucht, den Schadstoffausstoß zu minimieren und die strenger werdenden Abgasgesetzgebungen zu erfüllen. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an. Ziel ist es, eine Regelung zur Regeneration von Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator zu entwickeln. Beide Komponenten dienen der Abgasreinigung und müssen in regelmäßigen Zeitabständen von ihren eingespeicherten Schadstoffen regeneriert werden. Durch den Eingriff in das Luftsystem mittels Drosselklappe und variabler Turbinengeometrie entstehen die geforderten Betriebsbedingungen zur Regeneration. Es wird eine neuartige lineare Mehrgrößenregelung zur teilweisen Entkopplung der Regelkreise für Lade- und Saugrohrdruck auf Basis von betriebspunktabhängigen Hammerstein-Modellen entworfen. Der Identifikation des linearen Zustandsraummodells der Hammerstein-Modellstruktur liegt die Methode der Subspace Identifikation zugrunde. Die nichtlinearen Eingangskennlinien werden betriebspunktabhängig durch APRBSSignalanregung (Amplitude modulated Pseudo Random Binary Sequence) und Multisinus- Signalanregung der Stellglieder identifiziert. Neben der Verknüpfung der invertierten nichtlinearen Kennlinien gehören sowohl eine zusätzliche Sollwertformung als auch ein linearer PIDT1-Regler pro Regelgröße zur erweiterten Struktur des Regelkreises. Die Funktionalität der neuen Regelstruktur wird sowohl am Prüfstand als auch am Simulationsmodell nachgewiesen. Die am Prüfstand erreichte realitätsnahe Erprobung via Rapid-Prototyping zeigt die möglichen Einsatzszenarien der neuen Regelstruktur in realen Fahrsituationen. Zur seriennahen Beurteilung wird ebenfalls der Vergleich mit der Serienregelung herangezogen. Das zugehörige nichtlineare Simulationsmodell für einen dieselmotorischen Luftpfad mit Hochund Niederdruckabgasrückführung wird in dieser Arbeit auf Grundlage physikalischer Zusammenhänge entwickelt. Zur Anpassung der physikalischen Zusammenhänge an den realen Motor werden weitestgehend Polynomfunktionen mit linearen Parameterabhängigkeiten verwendet. Dies ermöglicht die Identifikation der Parameter durch einen Algorithmus für lineare Abhängigkeiten. Die Eingangsgrößen des nichtlinearen Modells sind die Stellglieder Drosselklappe, variable Turbinengeometrie, HDAGR-Ventil, NDAGR-Klappe und Abgasklappe. Das Modell bildet den Luftpfad sowohl statisch als auch dynamisch mit einer hohen Genauigkeit ab und spiegelt alle charakteristischen Eigenschaften des Motors wider.

The development of new hardware and software is essential for the continuous improvement of Diesel engines. This is especially true in the field of emission reduction. In this context, an optimal interaction between functions and components is required. This is important to match with the continuously decreasing emission limits. Thus the aim of this work is to develop a control system for the regeneration of the particulate filter and the NOx-catalyst. Actuators of the multivariable control are the intake throttle and the variable geometry turbocharger. A linear control system for partial decoupling of the boost pressure and the intake manifold pressure is designed using operating point dependent Hammerstein models. The linear model of the Hammerstein structure is generated by subspace algorithm. The corresponding nonlinear input characteristic curves are identified by APRBS (Amplitude modulated Pseudo Random Binary Sequence) and multisine excitation signals. The additional linear PIDT1 controller ensures accurate control in case of model inaccuracies and disturbances. For easy calibration of the developed control system a model for influencing the setpoint is introduced. The new control system is tested on a test bench as well as by simulation. The test via rapid prototyping shows the good performance of the new module. The simulation model is mostly based on physical equations. A mean value model of a Diesel engine with intake throttle, variable geometry turbocharger, high pressure exhaust gas recirculation valve, low pressure exhaust gas recirculation throttle and exhaust flap has been developed. The submodels were optimized by polynomial functions. The linear coefficients are identified by a linear least squares algorithm. The results of the validation of the model show the good static and dynamic behavior. The model matches the real system very well.

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Reß, Johannes: Identifikation und Entkopplungsregelung des Luftsystems von Pkw-Dieselmotoren auf Basis von Polynom-und Hammerstein-Modellen. 2017.

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