POLITECHNIKA OPOLSKA

POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI INSTYTUT AUTOMATYKI I INFORMATYKI Autoreferat rozrawy doktorskiej mgr in. Jacek Korniak Racjonalizacja racy układu energetycznego samochodu osobowego z wykorzystaniem logiki rozmytej Promotor: dr hab. in. Ryszard Rojek rof. Politechniki Oolskiej Oole, 25

Prac zrealizowano w ramach rojektu badawczego Nr 5 T2D 36 25, finansowanego rzez KBN

Sis treci. Wrowadzenie... 4 2. Przedmiot, cel, teza i zakres rozrawy... 5 3. Układ nadowy (UN) samochodu osobowego jako obiekt sterowania... 5 4. Wieloetaowy roces rzetwarzania energii w UN... 8 5. Charakterystyka układu nadowego samochodu osobowego... 6. Synteza algorytmu sterowania układem nadowym samochodu osobowego... 5 7. Badania symulacyjne algorytmów sterowania układem nadowym... 24 8. Podsumowanie... 29 Literatura... 3 Wykaz waniejszych oznacze F 4 - sumaryczna siła ooru ruchu, N, i g - rzełoenie rzekładni głównej, i - rzełoenie rzekładni bezstoniowej, J - zredukowany moment bezwładnoci silnika, kg m 2, J 2 - zredukowany moment bezwładnoci mas zwizanych ze srzgłem, kg m 2, J 3 - zredukowany moment bezwładnoci kół nadzanych, kg m 2, J b - moment bezwładnoci w kole biernym rzekładni bezstoniowej, kg m 2, J c - moment bezwładnoci w kole czynnym rzekładni bezstoniowej, kg m 2, M - moment obrotowy silnika w stanie dynamicznym, Nm, M 3 - moment na kołach samochodu, Nm, M 4 - moment oorów ruchu samochodu zredukowany na o kół, Nm, - quasi-statyczny moment obrotowy silnika, Nm, M o m - strumie masowy aliwa, g s -, r d - romie dynamiczny koła samochodu, m, v - rdko liniowa samochodu, m s -, - wychylenie edału rzysieszenia, %, - uchylenie rzeustnicy w kolektorze dolotowym silnika, %, d - wymagane uchylenie rzeustnicy w kolektorze dolotowym silnika, %, d - iloraz sił naoru w kołach rzekładni wymagany do ustalenia si rzełoenia o wartoci i d, - kt obrotu wału korbowego silnika oraz czci srzgła, rad, 2b - kt obrotu wałka biernego rzekładni bezstoniowej, rad, 2c - kt obrotu wałka czynnego rzekładni bezstoniowej, rad, - kt obrotu kół nadzanych, rad, 3 4 - rzemieszczenie samochodu zredukowane na o kół, rad, - rdko ktowa silnika, rad s -, 2b - rdko ktowa wałka biernego rzekładni bezstoniowej, rad s -, 2c - rdko ktowa wałka czynnego rzekładni bezstoniowej, rad s -, 3 - rdko ktowa kół, rad s -, d - wymagana rdko ktowa wału korbowego silnika, rad s -. Wykaz waniejszych skrótów CVT DI ESR ETSC ETSFC EUDC FTP UDC UN UPN - rzekładnia bezstoniowa o rzełoeniu zmiennym w sosób cigły (ang. Continuously Variable Transmission), - wskanik własnoci dynamicznych (jezdnych, trakcyjnych) (ang. Drivability Index), - regulacja rdkoci silnika (ang. Engine Seed Regulation), - zintegrowane sterowanie momentem obrotowym i rdkoci ktow silnika (ang. Engine Torque and Seed Control), - zintegrowane sterowanie rozmyte momentem obrotowym i rdkoci ktow silnika (ang. Engine Torque and Seed Fuzzy Control), - dodatkowy cykl jezdny miejski (ang. Extra Urban Driving Cycle), - standardowy federalny cykl jezdny stosowany w USA (ang. Federal Test Procedure), - cykl jezdny miejski (ang. Urban Driving Cycle), - układ nadowy, - układ rzeniesienia nadu, 3

. Wrowadzenie Rosnce koszty energii w obecnych czasach wymuszaj nieuchronn konieczno rozoczcia intensywnych działa w kierunku rzebudowy i modernizacji wsółczesnych systemów energetycznych. Ich racjonalna raca jest moliwa dziki nowoczesnym rozwizaniom konstrukcyjnym, metodom zarzdzania oraz technikom sterowania tymi systemami, uwzgldniajc ograniczenia eksloatacyjne i konstrukcyjne oraz kryteria o charakterze energetyczno-ekologicznym. W odniesieniu do nadu samochodowego, traktowanego jako złoony układ energetyczny, oszukiwania nowych rozwiza rowadzone s w zakresie: oleszania jakoci aliwa, testowania alternatywnych ródeł energii, zastosowania nowoczesnych konstrukcji oraz algorytmów sterowania [BoGi_98, BrVa_99, Jant_98], jak równie wykorzystania w układach nadowych ródeł o dwukierunkowym rzeływie energii (tzw. nady hybrydowe). Obecne rodukowane samochody cechuj si wyrafinowanymi rozwizaniami, tak od wzgldem konstrukcyjnym (bezstoniowe rzekładnie o rzełoeniu cigłym CVT), jak i w zakresie sterowania tymi układami [BoVo_94, ChSu_, DrTi_]. W efekcie uzyskuje si oraw jakoci racy, olegajc m.in. na oleszeniu własnoci dynamicznych, komfortu jazdy [WiBr_99, KuRe_94, Jant_, JaKoSi_3], zmniejszeniu zuycia aliwa i emisji salin [Gilm_98, Jant_3, JaKo_3]. Innym, istotnym zagadnieniem w rocesie sterowania układem energetycznym wsółczenie rodukowanych samochodów osobowych, jest zmiana roli człowieka-kierowcy, która olega na deniu do wyeliminowania go z bezoredniego oddziaływania na arametry racy jednostki nadowej (silnika, elementów nastawczych) oraz układu rzeniesienia nadu (UPN). Algorytmy sterowania układem energetycznym samochodu samochodowego, ze wzgldu na nieliniowo i niestacjonarno charakterystyk silnika, oónienia (generowania momentu obrotowego silnika), wewntrzne oddziaływania (silnik układ rzeniesienia nadu koła nadzane) oraz losowe zakłócenia (zmieniajce si otoczenie, warunki drogowe, zachowanie kierowcy) s niezwykle trudne do analizy i syntezy metodami klasycznymi. Z tego wzgldu odjto w rozrawie rób okrelenia algorytmu sterowania rac układu nadowego (UN), oartego na metodach logiki rozmytej. Oracowany algorytm sterowania rozmytego UN, zawierajcego elektromechaniczne, elektrohydrauliczne oraz mechaniczne odzesoły samochodowe, ma za zadanie oddziaływa w sosób zintegrowany na stoie zasilania silnika oraz rzełoenie rzekładni bezstoniowej. Takie rozwizanie ma oleszy srawno energetyczn UN, orzez ograniczenie zuycia aliwa oraz emisji salin, nie ogarszajc rzy tym własnoci dynamicznych samochodu. Zaroonowany algorytm cechuje rzyczynowo-skutkowy sosób działania, oarty o system eksertowy (na odstawie wiedzy dowiadczonego kierowcy) [Piec_3]. Oceny sosobu działania UN, z zaroonowanym algorytmem sterowania dokonano w orównaniu z działaniem UN z tradycyjnymi algorytmami regulacji nadnej (PI/PID). Szczegółowo oddano analizie bilans energetyczny rocesu rzetwarzania energii w UN oraz dokonano oceny działania UN, z uwzgldnieniem wybranych wskaników energetycznoekologicznych, charakteryzujcych jako rzetwarzania energii. Wskaniki te to: zuycie aliwa, srawno energetyczna, moc, moment obrotowy, rdko ktowa silnika, oziom emisji substancji szkodliwych [Merk_98, Merk_99, AbCl_94], a take zaroonowany w rozrawie wskanik, charakteryzujcy własnoci dynamiczne ojazdu oraz komfort jazdy. Model samochodowego UN zrealizowano w oarciu o omiary oraz identyfikacj rzerowadzone na stanowisku laboratoryjnym, Jako rzeczywisty obiekt osłuył samochod Fiat Punto II SeedGear, bdcy na wyosaeniu Katedry Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Oolskiej. Narzdzie wsomagajce roces modelowania oraz badanie UN, metod symulacji komuterowej rzyjtej jako odstawowa metoda badawcza, osłuył akiet rogramowy MATLAB firmy The MathWorks, Inc., wraz z nakładk Simulink [MrMr_4]. Do rojektowania regulatorów rozmytych i analizy ich działania uyto rzybornika Fuzzy Logic Toolbox v2. [GuJa_94, KoPe_97, RBKo_]. Problematyka dotyczca zastosowania logiki rozmytej w syntezie i analizie układów sterowania była oruszana wczeniej rzez autora w nastujcych racach [KoPe_97, KoPe2_97, Korn_97, Korn_, AuKo2_2, KoRo_5, KoRo2_5]. Uzyskane rezultaty oraz nabyte dowiadczenia stały si odstaw do szerszego ujcia zagadnienia syntezy algorytmu sterowania rozmytego w samochodowych UN oraz oracowania niniejszej rozrawy doktorskiej. 4

2. Przedmiot, cel, teza i zakres rozrawy Przedmiotem rozrawy jest rzedstawienie koncecji sterowania rozmytego układem nadowym samochodu osobowego, w sosób zaewniajcy oraw jakoci rocesu rzetwarzania energii w tym układzie. W szczególnoci rozatruje si układ nadowy w asekcie jego racjonalnej racy. W tym rozumieniu, zastosowane sterowanie w UN, ma na celu zmniejszenie zuycia aliwa oraz emisji substancji szkodliwych, bez jednoczesnego ogorszenia właciwoci jezdnych (dynamicznych) samochodu. W oarciu o wiedz eksertow o sosobie sterowania UN dokonuje si syntezy algorytmu sterowania rozmytego stoniem zasilania silnika o załonie iskrowym (ZI) oraz mechaniczn rzekładni bezstoniow o rzełoeniu zmiennym w sosób cigły (CVT). Celem rozrawy jest oracowanie metody syntezy algorytmu sterowania rozmytego układem nadowym samochodu osobowego, który oddziaływujc w sosób zintegrowany na stoie zasilania silnika oraz rzełoenie rzekładni bezstoniowej, ozwoli oleszy srawno energetyczn UN. Takie rozwizanie ma w szczególnoci zaewni ograniczenie zuycia aliwa oraz emisji salin, nie ogarszajc rzy tym zdolnoci rzysieszania samochodu. Oceny wływu oddziaływania oracowanego algorytmu sterowania UN dokonuje si rzy uwzgldnieniu wybranych wskaników energetyczno-ekologicznych. Dodatkowo, w załoeniach syntezy algorytmu sterowania UN, roonuje si czciowe ograniczenie oddziaływania kierowcy na elementy wykonawcze UN, zyskujc tym samym du elastyczno w sosobie sterowania UN, orzez swobodny dobór unktu racy. Uwzgldniajc owysze wymagania, stawiane algorytmowi sterowania rozmytego, majcego na celu racjonalizacj racy układu energetycznego samochodu osobowego, sformułowano nastujc tez rozrawy: Moliwa jest racjonalizacja racy układu energetycznego samochodu osobowego rzez zastosowanie algorytmu sterowania rozmytego UN, który oddziałujc w sosób zintegrowany na stoie zasilania silnika i rzełoenie UPN, zaewni korzystne własnoci dynamiczne samochodu, ograniczajc zuycie dostarczanej energii oraz emisj substancji szkodliwych. Dla osignicia zamierzonego celu oraz udowodnienia ostawionej tezy niezbdna staje si realizacja wieloetaowego zakresu rozrawy, dla którego sformułowano i rozwizano nastujce zadania badawcze: oracowano komuterowy model układu nadowego samochodu osobowego, w oarciu o arametry rzeczywistego obiektu (Fiat Punto II SeedGear), rzerowadzono syntez algorytmu zintegrowanego sterowania rozmytego stoniem zasilania silnika o załonie iskrowym oraz mechaniczn rzekładni bezstoniow o rzełoeniu zmiennym w sosób cigły, z wykorzystaniem rzybornika Fuzzy Logic Toolbox v2. akietu MATLAB, dokonano, z wykorzystaniem algorytmu genetycznego, wyboru otymalnych arametrów algorytmów sterowania UN, rzy szczególnym uwzgldnieniu właciwoci jezdnych samochodu, rzerowadzono analiz orównawcz własnoci jezdnych samochodu z zastosowaniem tradycyjnej regulacji w UN oraz samochodu z wykorzystaniem zintegrowanego sterowania rozmytego, w oarciu o zaroonowany rzez autora wskanik własnoci dynamicznych DI (ang. Drivability Index), bdcy ocen zdolnoci rzysieszania samochodu w okrelonych warunkach oraz komfortu jazdy, dokonano, metod symulacji komuterowej, oceny wybranych wskaników energetycznoekologicznych dla samochodu z zastosowaniem tradycyjnej regulacji w UN oraz samochodu z wykorzystaniem zintegrowanego sterowania rozmytego, w oarciu o standardowe cykle jezdne UDC, EUDC oraz FTP, stosowane owszechnie w badaniach homologacyjnych ojazdów, rzerowadzono analiz wyników bada symulacyjnych. 3. Układ nadowy (UN) samochodu osobowego jako obiekt sterowania Przedstawiane w rozrawie rozwizane zadania racjonalizacji racy układu energetycznego samochodu osobowego wymaga uwzgldnienia wielu owiza funkcjonalnych omidzy elementami 5

UN, które, jak wykazuj dowiadczenia, najkorzystniej jest traktowa jako jeden system [Jant_98, Szcz_99, Rens_]. Składaj si na niego: roces mylowy kierowcy, bdcego dysonentem danej mocy na kołach samochodu oraz UPN, oddziałujcy z okrelon srawnoci na jako rzetwarzania energii w UN. ródłem energii w systemie jest silnik, charakteryzujcy si okrelonymi stratami w rocesie rzemiany strumienia energii chemicznej (dostarczanej z aliwem) w moc mechaniczn. O wielkoci tych strat decyduje włanie UPN, determinujcy rzełoenie kinematyczne omidzy silnikiem a kołami samochodu oraz doasowujcy charakterystyki silnika do otrzeb zwizanych z ruchem samochodu w obecnoci zakłóce z otoczenia. Sosób efektywnego sterowania takim systemem olega na jednoczesnym oddziaływaniu (w sosób zintegrowany) na te elementy, które maj istotny wływ na oleszenie srawnoci energetycznej (ogólnej) UN. W rozwaanym systemie elementami tymi s: rzeustnica, okrelajca stoie zasilania silnika oraz rzekładnia o rzełoeniu w sosób cigły, determinujca rzełoenie w UPN. Oznaczenia: F 3 siła nadowa, N, F 4 sumaryczna siła ooru ruchu, N, i rzełoenie rzekładni, M moment obr. silnika w stanie dynam., Nm, M 2 moment oorowy na srzgle, Nm, v rdko liniowa samochodu, m s -, wychylenie edału rzysieszenia, %, rdko ktowa silnika, rad s - Rys.3.. Układ: kierowca samochód - otoczenie w ujciu systemowym Analizowane w ten sosób zjawiska zwizane z ruchem samochodu oraz rzetwarzaniem energii mona najkorzystniej rzedstawi za omoc zwizków rzyczynowo-skutkowych, wystujcych omidzy oszczególnymi elementami UN. Za takim rozwizaniem w sterowaniu rzemawiaj dodatkowo: wystujca w układzie nieliniowo elementów (zwłaszcza silnika, srzgła oraz rzekładni CVT), niestacjonarno (charakterystyk silnika), liczne, trudne do analizy zakłócenia, srzenia omidzy silnikiem, UPN a kołami samochodu, bdce główn rzyczyn zastosowania niestandardowych metod do syntezy sterowania UN. Std wskazuje si w rozrawie na otrzeb wykorzystania algorytmów oartych na metodach logiki rozmytej, których działanie bazuje na zwizkach rzyczynowo-skutkowych, a dodatkowo wykazuj one ewien brak wraliwoci na nieznaczne zmiany arametrów obiektu sterowania [KKKC_2]. Na rysunku 3.2 rzedstawiono charakterystyk ogóln silnika dowiadczalnego, na której ara odstawowych wsółrzdnych: moment obrotowy i rdko ktowa silnika wyznacza jednoznacznie ołoenie unktu racy. Warto momentu obrotowego ograniczona jest charakterystyk zewntrzn. Kademu unktowi racy rzyisany jest wektor wskaników, charakteryzujcy róne asekty działania silnika. Ustalenie wielkoci kryterialnej ozwala na wyznaczenie najkorzystniejszego unktu racy, rzy okrelonym zaotrzebowaniu mocy silnika. Moment obrotowy, N. m 8 6 4 2 % krzywa E krzywa D Punkt racy: W = f(,m o ), (3.) W wektor wskaników (m.in. moc silnika, srawno energetyczna, zuycie aliwa, emisja substancji szkodliwych) 2 3 4 5 Prdko ktowa, rad/s Rys.3.2. Charakterystyka ogólna silnika dowiadczalnego 6

35 3 25 2 5 5 8 7 6 5 4 3 2 2 4 6 8 2 8 7 6 5 4 3 2 6 5 4 3 2 2 4 6 8 2 Rozatrujc cały rzedział mocy uytecznej silnika uzyskuje si zbiór unktów racy najkorzystniejszych ze wzgldu na rzyjte kryterium, wyznaczajc tzw. krzyw racy. Krzyw racy E (maksymalnej srawnoci energetycznej), zwan te efektywn, ekonomiczn lub krzyw E, wyznaczono z warunku racy silnika z najwiksz srawnoci uyteczn, rzy danym zaotrzebowaniu mocy [Mits_87]. Rónica wartoci momentu obrotowego midzy charakterystyk zewntrzn oraz krzyw E jest miar tzw. zaasu momentu obrotowego silnika. Strategia sterowania silnikiem oartym o krzyw E jest rzyczyn ewnych niedomaga, m.in. niekorzystnych własnoci ruchowych, waha rdkoci ktowej silnika w układach z CVT, nadmiernej liczby zmian biegów w układach z automatyczn skrzyni [BrVa_99, BoGi_98, Jant_3]. Natomiast krzyw racy D (maksymalnej mocy), zwan te dynamiczn lub krzyw D, wyznaczono ze wzgldu na najwikszy zaas momentu obrotowego silnika rzy okrelonej hierboli mocy [PoSC_99, Jant_3]. Krzyw D charakteryzuj korzystne własnoci ruchowe samochodu, jednak rzebiega ona rzez obszary charakterystyki silnika odznaczajce si zwikszonym jednostkowym zuyciem aliwa. Porównanie rzebiegu krzywej E z rzebiegiem krzywej D wskazuje na znaczce rónice uzyskiwanych wskaników racy, n. rzy okrelonym zaotrzebowaniu mocy srawno energetyczna dla krzywej E ma wartoci znaczco wysze ni wartoci uzyskane na krzywej D. Przyjcie innego zbioru unktów racy (rys.3.2), ze wzgldu na kryterium ekologiczne, ozwala na ocen oziomu emisji salin, w tym m.in.: tlenków wgla, wglowodorów oraz tlenków azotu. Wyniki oziomu emisji uzyskane w wyniku bada laboratoryjnych silnika dowiadczalnego zrealizowano w oarciu o standardowe cykle jezdne (rys.3.3), stosowane w badaniach homologacyjnych ojazdów. 2 4 6 8 2 4 6 8 5 5 2 25 3 35 4 Rys.3.3. Prezentacja cykli jezdnych UDC, EUDC, NUDC oraz FTP Na rysunku 3.4 rzedstawiono orównanie wskaników energetycznych uzyskanych odczas symulacji stanowiskowej w oarciu o cykle jezdne (rys.3.3) oraz o charakterystyki emisji jednostkowej substancji szkodliwych. Q 2 L, [dm 3 /km] 5 5 HC, [g/km].4.3.2 UDC EUDC FTP startegia E strategia D CO, [g/km] 4 3 2 UDC EUDC FTP NO.8 x, [g/km].6.4. UDC EUDC FTP.2 UDC EUDC FTP Rys.3.4. Porównanie wskaników eksloatacyjnego zuycia aliwa oraz emisji substancji szkodliwych 7

Z orównywania rozatrywanych wskaników wynika, e zastosowanie efektywnego sterowania w UN daje w rezultacie zmniejszenie zuycia aliwa (Q L ) o onad 3 % w stosunku do jazdy ze strategi dynamiczn. Tym samym emisja CO zmniejsza si o onad ołow na korzy ierwszego z układów. Natomiast oziom emisji HC i NO x jest zbliony dla obu strategii sterowania. 4. Wieloetaowy roces rzetwarzania energii w UN Racjonalizacja racy układu energetycznego samochodu osobowego oraz efektywno rocesu rzetwarzania energii w UN zaley od wielu czynników o charakterze konstrukcyjnym i eksloatacyjnym. W rozrawie szczególn uwag zwrócono na te czynniki, które istotnie wływaj na sosób sterowania rozwaanym układem. W tym rzyadku moc mechaniczna jest uzyskiwana w wieloetaowym rocesie rzetwarzania strumienia energii chemicznej (rys.4.), dorowadzonego do silnika w strumieniu energii ierwotnej (aliwa). Rys.4..Wieloetaowy roces rzetwarzania energii w UN Przetwarzanie energii zawsze wie si z jej stratami, które w ierwszym etaie rzemian, tj. zmiany energii chemicznej aliwa na entali salin, s stosunkowo niewielkie (wynosz ok. %) [Merk_98, Merk_99]. Mimo tak małego, w tym rzyadku, udziału strat energetycznych, sterowanie ich rzebiegiem jest bardzo wane ze wzgldu na towarzyszc tam emisj substancji szkodliwych. Klasyczne odejcie w sosobie sterowania, zaewniajce zmniejszenie emisji substancji szkodliwych tylko w tym etaie rzemian, moe okaza si niekorzystne ze wzgldu na dynamik samochodu. Aby zminimalizowa oziom emisji, naley uwzgldni obiekt sterowania globalnie (systemowo) oraz zastosowa sterowanie oddziaływujce jednoczenie na wszystkie etay, zwizane z rzetwarzaniem energii w UN. W racy roonuje si jakociowo nowe odejcie w sterowaniu UN, wływajc jednoczenie na oraw własnoci dynamicznych samochodu, jak i ograniczajc emisj substancji szkodliwych. Znacznie wiksze straty towarzysz drugiemu etaowi rzetwarzania energii, w którym strumie entalii salin zamieniany jest na moc mechaniczn. Srawno cielna (η c ) rzemian termodynamicznych zachodzcych w silniku salinowym siga bowiem w najkorzystniejszych warunkach jedynie 6% [Merk_98, Merk_99]. W tym etaie rzemian najwiksze s straty wylotowe (strumienia entalii gazów wylotowych) oraz straty chłodzenia, ozostałe - to straty mechaniczne w silniku i układzie rzeniesienia nadu. Straty energii w silniku mona oszacowa za omoc srawnoci energetycznej [Mits_87] gdzie η e srawno energetyczna silnika, η c srawno cielna silnika, η m srawno mechaniczna silnika. η e = η c η m, (4.) 8

W rozwaanym UN, szczegółowej analizie oddano straty mechaniczne, bowiem układ generuje niewielk moc mechaniczn co srawia, e udział strat jest w tym rzyadku znaczco duy. Na ich wielko wływa raca UPN, determinujcego rzełoenie kinematyczne omidzy silnikiem a kołami nadzanymi samochodu. Bilans energetyczny w UN samochodu zamykaj straty w UPN, rzede wszystkim w srzgle i rzekładniach, ujmowane najczciej za omoc srawnoci η UPN. Proces generowania mocy na kołach nadzanych ( E 3 ) jest w duym stoniu uwarunkowany zjawiskami akumulacji energii, zwłaszcza energii mechanicznej rozatrywanego UN. Zjawisko to stanowi szczególny roblem w zadaniu syntezy algorytmu sterowania, którego działanie ma na celu zaewni odowiedni rzebieg siły nadowej w rocesie rzejciowym (n. w fazie nagłego rzysieszenia). W rozatrywanym w racy algorytmie sterowania UN samochodu osobowego naley take uwzgldni rol kierowcy, bdcego integraln czci tego układu. Ma on decydujcy wływ na warto siły nadowej na kołach samochodu [Rens_]. W rozrawie działanie kierowcy interretowane jest jednak jako ogólny zamiar zwikszenia lub zmniejszenia rdkoci samochodu. Zamiar ten jest artykułowany rzez zmian wychylenia edału rzysieszenia, wzgldnie orzez hamowanie. W takim ujciu rofil rdkoci samochodu nie jest cile zdeterminowany, a jest raczej stochastyczny, co jest wynikiem wzajemnego oddziaływania omidzy otoczeniem, samochodem, kierowc oraz układem sterowania nadu. Z unktu widzenia syntezy algorytmu sterowania UN istotne jest znalezienie zalenoci omidzy rzysieszeniem samochodu, a strumieniem energii dostarczanej do kół w okrelonym rzedziale czasu (t,t k ). W wyniku rzerowadzonych w racy rozwaa oraz zakładajc omijalnie mały olizg kół samochodu mona rzyj, e = tk v t E M r dt 3 (4.2) 3 Przy tak rzyjtych załoeniach znaczc wielkoci, która ma wływ na strumie energii dostarczany do kół jest, zgodnie z (4.2), moment na kołach M 3, jednak wływ ten jest oredni, co wykazano oniej. W celu okrelenia zwizku omidzy odstawowymi wielkociami, determinujcymi stan UN, rozatrzono jego uroszczony model (rys.4.2), który, rzy zblokowanym srzgle ( = 2c ), oisano równaniem M o ( J + J + J ) 2 c ω i J b ω d 2b i i g J 3 3 = M 3 ω η UPN i i g, (4.3) W wyniku rzekształcenia równania (4.3) uzyskano zaleno na moment obrotowy kół i i ω ω M = η M J 3 UPN o ω J i i. (4.4) 3 3 2 g i i g η UPN M o J J c 2c J 2 J 3 i J b 2b i g M 3 3 M 4 W stanie ustalonym, gdy = Rys.4.2. Uroszczony model układu nadowego i = ω oraz z równania (4.4) otrzymuje si M = η M i. (4.5) i 3 UPN o g Stan taki, w szczególnoci w rozatrywanym układzie nadowym, wymagajcym cigłej zmiany rzełoenia, raktycznie nie wystuje. Zatem, zadanie sterowania UN staje si złoone, gdy wielko M 3 moe by modyfikowana wyłcznie orednio, oniewa jest funkcj wielu 9

zmiennych, a dodatkowo w samej jednostce nadowej wystuje zjawisko akumulacji energii w masach wirujcych czci silnika, std M = f M, ω,i,. (4.6) Analizujc owysze rozwaania naley stwierdzi, e nie jest moliwe cile zdeterminowane sterowanie momentem M 3. i 3 o Jako rozatrywanego rocesu rzetwarzania energii w UN naley ocenia wieloasektowo, uwzgldniajc jednoczenie: dynamik ruchu samochodu, zuycie aliwa, emisj substancji szkodliwych, czy komfort jazdy. Zasadniczym jednak kryterium jest ilociowe kryterium całkowe, wyraone w okrelonym rzedziale czasu zalenoci Q L t k V dt (4.7) = min tk νdt gdzie Q L eksloatacyjne zuycie aliwa, dm 3 /km, V strumie objtociowy zuytego aliwa, dm 3 s -. Powysze kryterium nie daje jednak moliwoci oceny jakoci rozatrywanego rocesu w stanie rzejciowym. Do oceny jakociowej, zaroonowano w rozrawie, analiz energetyczn UN, z wykorzystaniem bilansu strumieni energii oisanego wzorem d = E w + E ch + E m + E a + E k, (4.8) E gdzie E a strumie energii akumulowanej w UN, kj s -, E ch strumie strat chłodzenia, kj s -, E d strumie energii dorowadzonej z aliwem, kj s -, E k moc mechaniczna dorowadzona do kół samochodu, kw, E m strumie strat mechanicznych UN, kw, E w strumie entalii gazów wylotowych, kj s -. Na rysunku 4.3 rzedstawiono diagram Sankeya, umoliwiajcy analiz bilansu energetycznego (4.8) w stanach dynamicznych. E d E a E k E w E ch E m Diagram Sankeya Rys.4.3. Diagram Sankeya dla układu energetycznego samochodu osobowego

Strumie energii skumulowanej oraz moc na kołach nadzanych rzyjmuj wartoci mniejsze bd wiksze od zera, zalenie od chwilowego stanu układu. Pozostałe składowe bilansu rzyjmuj zawsze wartoci dodatnie. Strumie energii dostarczonej z aliwem mona rzekształci do warunku, bdcego jednoczenie kryterium jakoci rocesu rzetwarzania energii, równego V t k = E ρ W gdzie W d - warto oałowa aliwa, kj/dm 3, V - jako objto dostarczonego aliwa, dm 3, ρ - gsto aliwa, [g/dm 3 ]. d w + Ech + E m + Ea + E kdt min, (4.9) Energia (E k ) dostarczana do kół zaley od arametrów UN samochodu, otoczenia oraz rofilu rdkoci i nie odlega bezoredniemu sterowaniu. Zadanie sterowania UN srowadza si właciwie do minimalizacji sumy strat energii (E ss =E w +E ch +E m ), rzy okrelonej wartoci energii dorowadzonej do kół (E d ). Przy takim załoeniu wynika, e Ess E k =. (4.) E E d d Jeli dodatkowo załoy, e Ek = η (4.) o Ed to z owyszych równa wynika, i wzgldna strata energii rzyjmuje najmniejsz warto w rzyadku, gdy srawno ogólna (energetyczna) UN bdzie najwiksza. Poniewa srawno ogóln (energetyczn) UN zdefiniowano jako η o = ηe η, (4.2) UPN (gdzie η e << η ), zatem na ogół rozwaania ogranicza si do wielkoci UPN η, wyraonej wzorem e E η =, (4.3) e E 2 η t a ta jednoczenie zalena jest od chwilowych wartoci ( ) e t k e ( t) dt max e η = η. (4.4) Przy okrelonym strumieniu energii E, wynikajcym z rofilu rdkoci i braku akumulacji energii w masach czci ruchomych silnika, warto wyraenia (4.4) osignie warto maksymaln wtedy η t bd wartociami maksymalnymi. i tylko wtedy, gdy chwilowe wartoci ( ) 5. Charakterystyka układu nadowego samochodu osobowego e Rozwizanie zadania racjonalizacji działania UN zaley od jego arametrów konstrukcyjnych i eksloatacyjnych oraz zastosowanego algorytmu sterowania układem. Podjty w racy roblem rozatrzono na rzykładzie rzeczywistego samochodu: Fiat Punto II SeedGear (tab.5.), bdcego na wyosaeniu Katedry Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Oolskiej. Realizacj modelu symulacyjnego UN rzeczywistego obiektu dokonano m.in. w oarciu o wyniki bada identyfikacyjnych, rzerowadzonych w laboratorium Katedry Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Oolskiej. Oracowany model stał si niezbdnym narzdziem do rzerowadzenia wielowariantowych bada symulacyjnych, weryfikujcych efektywno formułowanego algorytmu sterowania UN. Dla otrzeb realizacji rozrawy oracowano autorskie orogramowanie, w ostaci nowego rzybornika Automobile Toolbox., wsółracujcego z rogramem MATLAB/Simulink. W rzyborniku umieszczono dynamiczne i statyczne modele elementów UN samochodu: silnika ZI,

rzekładni CVT, UPN, jak równie modelu kierowcy, oddziaływania otoczenia, warunków ruchu (cyklów jezdnych) oraz elektromechanicznych, elektrohydraulicznych odzesołów samochodowych. Tab.5.. Zestawienie odstawowych danych technicznych samochodu dowiadczalnego [FIAT_] L. Cecha Warto, ois. Całkowita masa samochodu 2 kg 2. Powierzchnia czołowa 2,2 m 2 3. Ty i rodzaj silnika ZI MPI 4. Moc maksymalna / rzy rdkoci silnika 59 kw / 5 obr min - 6. Moment maksymalny / rzy rdkoci silnika 4 N m / 4 obr min - 8. Wsółczynnik kształtu nadwozia,32 9. Ty i rodzaj rzekładni Fuji HyerM6. Promie dynamiczny koła,29 m. Rozito rzełoenia rzekładni CVT,442-2,432 2. Sosób sterowania rzekładni Elektroniczno-hydrauliczny 3. Przełoenie rzekładni głównej 4,647 4. System sterowania silnika Bosch MPI ME7.3 5. Pojemno skokowa silnika,242 dm 3 W niniejszym oracowaniu realizacj model symulacyjnego UN dokonano oierajc si schematem z rys.5.. Przekładnia hydrokinetyczna Poma oleju Zesół DNR Silnik ZI Koło czynne Cigno rzekładni Koło bierne Przekładnia główna Koła nadzane Mechanizm rónicowy Rys.5.. Schemat układu nadowego z rzekładni bezstoniow (DNR - zesół rzekładni, ang. Drive-Neutral-Reverse) Dynamik rocesu generowania momentu obrotowego w silniku ZI rzedstawiono za omoc modelu inercyjnego z oónieniem, który oisano układem równa róniczkowych gdzie M ω M o - moment oorowy silnika, N m, M - stała czasowa, s, o - czas oónienia, s. [ ] ( t) = M ( t) M ( t ) o J [ ] ( t) = M ( t) M ( t) o M Ze wzgldu na złoono zjawisk towarzyszcych racy silnika i wicych si z tym trudnoci teoretycznego ujcia stałych czasowych, do ich oszacowania wykorzystano wyniki dowiadczalne. Badania te olegały na omiarze i rejestracji uchylenia rzeustnicy, rdkoci ktowej silnika oraz momentu obrotowego, skrcajcego wał dny, łczcy silnik z hamulcem stanowiska, rzy nagłej zmianie stonia zasilania silnika. Jak wynika z bada wartoci oónienia jest ona w rzyblieniu równa czasowi trwania jednego ełnego cyklu racy (dwóch obrotów wału (5.) 2

korbowego silnika). Natomiast dla stałej czasowej M rzyjto warto redni ( M =,9s), któr wyznaczono w oarciu o charakterystyki rzejciowe momentu obrotowego, zarejestrowane w rónych warunkach bada silnika dowiadczalnego. Odowiedzialn za rzenoszony moment kinematyczny jest, w rozatrywanym modelu UN, bezstoniowa rzekładnia mechaniczna (CVT) tyu ciernego. Moment obrotowy jest w tej rzekładniach rzenoszony rzez as metalowy (tzw. as chany, cigno). Przekładnia taka składa si z dwóch kół stokowych o rzesuwnych tarczach (rys.5.2a). a) b) Rys.5.2. Przekładnia bezstoniowa CVT: a) ogólna budowa, b) rzekrój stokowego koła rzekładni z osiow sił zaciskajc Moment obrotowy jest rzenoszony dziki sile tarcia wystujcej omidzy bocznymi owierzchniami cigna i kół stokowych. Niezbdn sił normaln uzyskuje si ciskajc osiowo rzesuwne tarcze koła sił A wywołujc odowiednie naicie cigna (rys.5.2b). Siły A ciskajce tarcze kół asowych s wykorzystywane take do sterowania rzełoeniem rzekładni. Znaczna warto tych sił srawia, e s one na ogół wymuszane układem hydraulicznym. Sterowanie rzełoeniem samochodowej rzekładni cignowej olega na zrónicowaniu siły osiowego naoru w jej kole czynnym i biernym. Siły naoru w stokowych kołach rzekładni s generowane w sosób hydrauliczny rzez oddziaływanie cinienia na owierzchnie naoru kół czynnego (cinienia c ) i biernego (cinienia b ). Przy oracowywaniu modelu rzekładni oarto si o zalenoci [Jant_3] - ilorazu sił naoru w funkcji rzełoenia i rzekładni bezstoniowej κi + =, i + κ - rdkoci zmian rzełoenia rzekładni (równanie emiryczne) di dt =,3 δ ξ - wymaganego cinienia bd w obwodzie koła biernego rzekładni bezstoniowej ω M ( ) ( κ i + ) i + ( i + κ) ξ, d (5.2) (5.3) = γ M ( i + ), bd (5.4) gdzie δ wsółczynnik dynamiki rzekładni, k s iloraz owierzchni naoru w kole czynnym i biernym, k s =.25, r d romie dynamiczny koła samochodu, r d =.29 m, wsółczynnik eksloatacyjny rzekładni, =745.5-6 m -3, wsółczynnik konstrukcyjny rzekładni bezstoniowej, =.423, d iloraz sił naoru w kołach rzekładni wymagany do ustalenia si rzełoenia o wartoci i d, iloraz sił naoru w kołach rzekładni cignowej, rzy którym jej rzełoenie jest równe i. 3

W modelu kół nadzanych uwzgldniono moment obrotowy na tych kołach równowaony sił obwodow, działajc w obszarze styku koła z nawierzchni drogi, ta kolei jest równowaona sił rzyczenoci, zalen od wsółczynnika rzyczenoci koła oraz ionowej reakcji samochodu i nawierzchni. Warto wsółczynnika rzyczenoci jest zalena od olizgu wzdłunego, rónego od warunków jazdy. Zadanie srzgła głównego sełnia w rozatrywanym UN rzekładnia hydrokinetyczna, dla której wyznacza si moment reakcyjny, zaleny od rzełoenia teje rzekładni oraz wielu wsółczynników o charakterze konstrukcyjnym. Przyjty zastczy model fizyczny bryły samochodu realizuje zaleno ionowej reakcji nawierzchni od arametrów fizycznych samochodu, dla którego załoono ruch o gładkiej drodze oziomej i symetri w rzekroju wzdłunym. Wystujce w rozwaaniach rozrawy oory ruchu samochodu uzaleniono od sumy sił oorów: owietrza oraz toczenia, rzy zerowym kcie wzdłunego ochylenia drogi. Na model zachowanie kierowcy i sosób odejmowania rzez niego decyzji wływa bardzo wiele czynników, które nie odlegaj ilociowej ocenie (m.in. temerament, samooczucie, niewystarczajce umiejtnoci, koncentracja, zmczenie, itd.). Std ois rocesu działania kierowcy za omoc liniowej teorii sterowania moe okaza si niewystarczajcy i mało skuteczny. Dlatego coraz owszechniejsze staje si wykorzystanie w tym rzyadku sztucznych sieci neuronowych [NgWi_9, JüRW_94, RuPi_97, JBBC_2, LTZY_5] oraz teorii zbiorów rozmytych, charakteryzujcych si właciwociami odwzorowujcymi roces mylowy człowieka [JüWW_94, YaFi_94, ChWu_95, JüWW_96, JüWW_97, RuPi_97, Rens_, RBKo_, AuKo_2, AuKo2_2, KoRo_5, KoRo2_5]. Oddziaływanie kierowcy na UN oisano w funkcji rónicy omidzy rdkoci zadan v d a rdkoci chwilow samochodu v. Moment hamujcy M h generowany jest za omoc regulatora tyu P, którego wzmocnienie dobrano według zalenoci [Mits_87] M h = k h (v d - v), (5.5) gdzie k h - wsółczynnik wzmocnienia, N - s -. Maksymaln warto momentu hamujcego okrelono z warunku wymaganej wartoci siły hamujcej [Mits_87], a rzewidujce działanie kierowcy z,5-sekundowym wyrzedzeniem rofilu rdkoci zadanej [Rens_]. W celu odwzorowania sosobu oddziaływania kierowcy na rdko samochodu, zbudowano regulator rozmyty [YaFi_94, AuKo2_2]. Do budowy regulatora rozmytego osłuył rzybornik Fuzzy Logic Toolbox rogramu MATLAB, w którym dokonano wyboru zmiennych wejciowych: uchybu rdkoci (rónicy omidzy rdkoci zadan v d a rdkoci chwilow samochodu v) oraz jego zmiany. Jako zmienn wyjciow rzyjto zmian wartoci wychylenia edału rzysieszenia. W oarciu o tak dobrane zmienne we/wy zrealizowano rozmyty rzyrostowy algorytm sterowania tyu PI, zaewniajcy zerow warto uchybu w stanie ustalonym. Prawo sterowania regulatora rozmytego, bdce oisem relacji midzy wejciem a wyjciem, zrealizowano za omoc bazy reguł tyu IF...THEN.... Punktem wyjcia rzy oracowywaniu bazy reguł regulatora rozmytego, modelujcego zachowanie kierowcy, były wyniki rac [KoPe2_97, RBKo_] oraz zalecenia w oracowaniach [DrHeRe_93, YaFi_94, ChWu_95, JüWW_97]. Do regulatora rozmytego zastosowano metod wnioskowania tyu Mamdaniego, w której orzedniki, jak i nastniki wyraono w ostaci rozmytej, a wyjciowy zbiór rozmyty z ojedynczej reguły wyznaczono jako iloczyn logiczny (obcicie) oziomu załonu reguły oraz zbioru rozmytego nastnika [YaFi_94]. Poszczególne wyjcia reguł agregowano za omoc sójnika alternatywnego uzyskujc komletne wyjcie rozmyte [YaFi_94]. W rzyadku wyostrzania (defuzyfikacji) zastosowano metod rodka obszaru (COA ang. Center of Area) [YaFi_94, Pieg_99]. W celu orawy jakoci działania regulatora rozmytego zastosowano na wejciach oraz na wyjciu regulatora wzmacniacze skalujce, które maj istotny wływ na modyfikacj rzestrzeni sterowa regulatora (czuło regulatora). Wartoci wsółczynników wzmocnienia dobrano dowiadczalnie, jednak zgodnie z zasadami roonowanymi w racach [YaFi_94, KoPe2_97, RBKo_]. Istotnym z unktu widzenia bada symulacyjnych oraz syntezy algorytmu sterowania UN jest jego 4-masowy model fizyczny, który oisano nastujcymi równaniami róniczkowymi Lagrange a: 4

J J 2 3 4 ϕ = M J ϕ 3 ϕ 2c J ϕ 4 = M = k = M i = i i g M M sign ϕ ϕ ( ϕ ϕ ) 3 2 = F r 4 4 d 2b 2 M sign ϕ ϕ 4 ϕ2b + d 3 i 2c k 2c i ( ϕ ϕ ) 2b ϕ 3 M 3 d ϕ2b 3 i i ϕ 3 M sm (5.6) (5.7) (5.8) Na otrzeb realizacji zada badawczych, rzedstawionych w zakresie rozrawy, niezbdne stało si zbudowanie komletnego modelu UN. W zrealizowanym w ramach racy autorskim rzyborniku Automobile Toolbox., wsółracujcym z rogramem MATLAB/Simulink, zawarto nastujce modele-elementy układu nadowego samochodu: silnik ZI (wraz z elektromechanicznym zesołem sterowania rzeustnic), bezstoniow rzekładni mechaniczn (ze sterowaniem elektrohydraulicznym), srzgło mechaniczne, model bryły samochodu, oorów ruchu, kół oraz kierowcy, równania ruchu UN, rzykłady wybranych warunków ruchu (cykli jezdnych UDC, EUDC, NUDC i FTP). Dodatkowo rzybornik wyosaono w charakterystyki wskaników energetyczno-ekologicznych: emisji jednostkowej tlenku wgla, emisji jednostkowej emisji jednostkowej tlenków azotu, oraz strumienia masowego aliwa. 6. Synteza algorytmu sterowania układem nadowym samochodu osobowego W tradycyjnym układzie regulacji UN (rys.6.) wychylenie edału rzysieszenia jest wrost owizane ze stoniem zasilania silnika (uchyleniem rzeustnicy). Rys.6.. Układ regulacji rdkoci ktowej silnika z wykorzystaniem regulatora tyu PID i rzekładni CVT Zadaniem tego układu jest regulacja wyłcznie rdkoci ktowej silnika według funkcji =f(θ), wynikajcej z rzebiegu wybranej krzywej racy w obszarze charakterystyki ogólnej silnika 5

(rys.3.2). Zadanie regulacji, w oarciu o t charakterystyk, jest realizowane najczciej za omoc regulatora tyu PI bd PID [SeVe_, Wick_, SSSV_, Möll_4]. W ustalonych i quasiustalonych warunkach racy jako działania takiego układu regulacji jest zadowalajca. Jednak w rzyadku szybkich zmian zaotrzebowania mocy działanie układu staje si nieefektywne. W tym rzyadku, moment obrotowy, dorowadzony do kół nadzanych, zgodnie z równaniem E a M = η i i M (6.) 3 UPN g o ω jest omniejszony wskutek akumulacji energii mechanicznej ( E ), która jest owodem niedoboru a strumienia energii na kołach w ocztkowej fazie rocesu rzejciowego (I na rys.6.2) i niestabilnej racy układu w jego fazie kocowej (II - na rys.6.2). E k II I t Rys.6.2. Fazy rocesu rzejciowego rzy róbie rozdzania samochodu (rzebieg jakociowy) O ile roblemy wystujce w fazie II mona ograniczy stosujc innego rodzaju regulatory lub człony tyu anti-windu, o tyle roblemy w fazie ocztkowej s wci stosunkowo trudnie do rozwizania. Najczciej, roblem w fazie ocztkowej (I) jest rozwizywany rzez zmian charakterystyki regulatorowej. Bardziej stroma charakterystyka (o nachyleniu w kierunku krzywej D rys.3.2) ozwala na rozwizanie roblemów zwizanych z rocesem rzejciowym (dynamicznym), jednak jednoczenie ogarsza energetyczn srawno UN. Mimo tego, takie rozwizanie regulacji UN, wsarte adatacyjnymi algorytmami doboru charakterystyki regulatorowej, s nadal szeroko stosowane [Möll_4]. Proonowany w rozrawie zintegrowany algorytm sterowania układem nadowym olega na wykorzystaniu rzekładni CVT w celu uniezalenienia rdkoci ktowej silnika od rdkoci ruchu samochodu oraz wykorzystaniu nadu elektrycznego do sterowania rzeustnic, (czyli stoniem zasilania silnika) niezalenie od stonia wychylenia edału rzysieszenia. Takie rozwizanie ozwala na swobodny wybór unktu racy w obszarze charakterystyki ogólnej silnika. W roonowanym algorytmie sterowania zintegrowanego decyzje, zarówno o stoniu zasilania silnika, jak i o rzełoeniu w układzie rzeniesienia nadu odejmowane s w sosób automatyczny za omoc bloku/bloków rozmytych (rys.6.3). Prezentowana idea sterowania UN musi onadto uwzgldnia asekt energetyczny, dynamiczny oraz ekologiczny. Układ nadowy jest de facto elementem złoonego układu energetycznego, a sosób jego sterowania wywiera znaczcy wływ na własnoci ruchowe (dynamiczne) samochodu, srawno energetyczn i oziom emisji substancji szkodliwych. Zwykle, odowiednio rzygotowany kierowca, zadanie sterowania UN rozwizuje bardzo dobrze (w rzyadku manualnego oddziaływania na układ nadowy), std idea, by wrowadzi do algorytmu sterowania wiedz ekserta w ostaci reguł heurystycznych [SGuJ_, JaKoSi_3, JaKo_3, NaMN_4, YBHH_4, JKMS_4, KoRo_5]. Narzdziem umoliwiajcym ujcie w algorytmie niejednoznacznych informacji w ostaci zmiennych lingwistycznych moe by, zdaniem autora, logika rozmyta. 6

Rys.6.3. Idea zintegrowanego sterowania samochodowym układem nadowym Poniewa algorytmy oarte na logice rozmytej umoliwiaj modelowanie rocesu mylowego człowieka, mog by one wykorzystane do automatyzacji systemów, w których odrywa on wan rol, jak na rzykład oddziaływanie kierowcy na UN samochodu osobowego. W tym rozumieniu zintegrowany algorytm sterowania owinien bazowa na zwizkach rzyczynowoskutkowych, wystujcych omidzy ogniwami układu nadowego, kierujcym samochodem oraz otoczeniem. W racy zatem roonuje si wrowadzenie do systemu sterowania UN bloków/regulatorów rozmytych, zastujcych zachowanie i oddziaływanie kierowcy na elementy wykonawcze UN. Dziki takiemu rozwizaniu, roonowany system sterowania cechuje si du autonomi w sosobie działania, jednoczenie odciajc kierowc od nieustannego, zbyt absorbujcego analizowania i natychmiastowego reagowania na warunki drogowe, wystujce w trakcie jazdy. Zadanie kierowcy w takim rzyadku ogranicza si, uwzgldniajc jedynie dynamik samochodu, do kontrolowania rdkoci (wzgldnie rzysieszenia), jak i utrzymywania odowiedniego kierunku jazdy. W roonowanym systemie sterowania zintegrowanego UN odstawow niezalen wielkoci wejciow jest wychylenie edału rzysieszenia. Nie rzekłada si ono bezorednio na stan i działanie układów wykonawczych, ani te na warto okrelonych wielkoci, charakteryzujcych rac układu nadowego (n. wskaników energetycznych, mocy na kołach, strumienia dostarczonego aliwa, itd.), co mogłoby ograniczy otencjalne moliwoci wykorzystania rzekładni CVT oraz niezalenego sterowania (dziki rzeustnicy) stoniem zasilania silnika. Rozatrujc system sterowania zintegrowanego UN mona wykaza analogie do struktury warstwowej sterowania, w której obiekt odlegajcy sterowaniu jest ewn wyodrbnion czci systemu, odlegajc kontrolowanym bd niekontrolowanym rzez jednostk sterujc (komuter, człowieka) wływom otoczenia. Istot warstwowej struktury sterowania jest dekomozycja odstawowego zadania (celu) sterowania na szereg zada czstkowych, mniej złoonych, rzetwarzajcych mniejsz liczb informacji i wzajemnie ze sob owizanych w strukturze ionowej (hierarchicznej) [Tatj_2]. W rozwaanym rzykładzie sterowania (rys.6.4) rol warstwy nadrzdnej (A) stanowi człowiek kierujcy samochodem, który zadajc wychylenie edału rzysieszenia, oczekuje odowiedniej mocy na kołach. Wielko wyjciowa () warstwy nadrzdnej nie jest (zgodnie z załoeniem autonomii) bezoredni wielkoci sterujc układu nadowego, lecz stanowi wielko wejciow dla algorytmów oredniej warstwy regulacji (B), w tym rzyadku sterownika układu nadowego PTC (ang. Powertrain Controller). W PTC sygnał wychylenia edału rzysieszenia rzetwarzany jest na sygnał wymaganego uchylenia rzeustnicy θ d oraz sygnał wymaganej rdkoci ktowej silnika d. Podstaw działania PTC jest algorytm ETSC (ang. Engine Torque and Seed Control) okrelajcy odstawowe wsółrzdne stanu silnika, na który składaj si z dwie wzajemnie wsółdziałajce (zintegrowane) rocedury. Zadaniem ierwszej z nich ESC (ang. Engine Seed Control) jest wygenerowanie sygnału wyjciowego, okrelajcego wymagan rdko ktow silnika, bdc z kolei wielkoci wejciow bezoredniej warstwy sterowania sterownika UPN TCU (ang. Transmission Control Unit). Natomiast sygnał wyjciowy drugiej z rocedur ETC (ang. Engine Torque Control) okrelajcej wymagany stoie zasilania silnika, jest w wyej wsomnianej warstwie, wielkoci wejciow sterownika silnika ECU (ang. Engine Control 7

Unit). Warstwa bezoredniej regulacji (C) odowiada w systemie za jako rzebiegów dynamicznych obiektu (D), w tym rzyadku układu nadowego obiektu. Rys.6.4. Warstwowa struktura zintegrowanego sterowania UN W oarciu o rzedstawion struktur sterowania UN, zrealizowano w rodowisku MATLAB/Simulink system sterowania zintegrowanego UN, bazujcy na metodach logiki rozmytej, nazwany ETSFC (ang. Engine Torque and Seed Fuzzy Control) w ostaci owizanych ze sob modułów, którym rzyisano okrelone zadania. W systemie sterowania ETSFC wyodrbniono moduły: OX obliczeniowy, MX mechaniczny, EX elektryczny, HX hydrauliczny. Na sosób oisu oraz rzyorzdkowania modułom okrelonego zadania wływały: rodzaj realizowanego zadania oraz rodzaj sygnału wyjciowego z modułu. Porównanie sosobu działania UN rzy rónych koncecjach sterowania W stanie ustalonym wsółrzdne unktu racy s jednoznacznie okrelone rzez stoie zasilania i rdko ktow silnika. W klasycznym rozwizaniu na stoie zasilania silnika wływa kierujcy samochodem orzez wychylenie edału rzysieszenia. Odowiedni układ wykonawczy (silnik elektryczny rdu stałego), rzekłada t wielko na uchylenie rzeustnicy. Do okrelonego w ten sosób stonia zasilania silnika układ sterowania tak dobiera rzełoenie UPN, aby rdko ktowa wału korbowego rzyjmowała wartoci wynikajce z rzyjtej zalenoci funkcyjnej =f(). Praktyczna realizacja na ogół oiera si o regulator tyu PI bd PID [SeVe_, Wick_, SSSV_]. Jednoznaczne rzyorzdkowanie stonia zasilania (uchylenia rzeustnicy) i rdkoci ktowej silnika skutkuje korekt rzełoenia UPN nawet rzy stosunkowo niewielkiej zmianie wychylenia edału rzysieszenia. Małe nachylenie krzywej racy (rys. 6.5Aa) M, jak wynika ze wzoru E ω, (6.2) = M ω + M ω + M wzmacnia rzy tym nieodany efekt olizgu scharakteryzowany znaczn zmian rdkoci ktowej, równie rzy niewielkiej zmianie zaotrzebowania mocy 8

A) B) Rys.6.5. Przebieg zmian momentu obrotowego w układzie regulacji: A) klasycznej, B) ETSFC, a) moment obrotowy silnika w funkcji jego rdkoci ktowej, b) moment obrotowy na kołach w funkcji rdkoci ktowej silnika, c) moment obrotowy na kołach w funkcji rdkoci ktowej kół Z równania (6.2), e wymagany rzyrost mocy mona uzyska w rezultacie zwikszenia momentu obrotowego i rdkoci ktowej silnika. W stanie dynamicznym naley uwzgldni dodatkowo zjawisko akumulacji energii, wystujce w rozatrywanym sosobie sterowania UN. Przy szybkiej zmianie zaotrzebowania mocy od wartoci P A do wartoci P B (odowiednie hierbole na rys. 6.5Aa) i odowiadajcej zmianie ołoenia unktu racy z kt. A do kt. B, rzebieg momentu obrotowego rzekazywanego do kół nadowych (rys.6.5ab) znaczco odbiega od rzebiegu wynikajcego z charakterystyki statycznej silnika. Jak wida, w ocztkowej fazie rozatrywanego rocesu, zmniejszenie wartoci rzekazywanego momentu obrotowego moe by tak głbokie, e moc mechaniczna na kołach sada oniej wartoci P A. Ta rzejciowa strata mocy (moc akumulowana w układzie) skutkuje niekorzystnym czasowym rzebiegiem wzdłunego rzysieszenia samochodu. W konsekwencji, w fazie ocztkowej rozatrywanego rocesu, zarówno rdko ktowa kół ( k ), jak i liniowa samochodu - malej (rys.6.5c). Przyrost rdkoci ktowej silnika i wzrost jego mocy niweluje straty wynikajce z bezwładnoci układu. Po zakreleniu charakterystycznej tli moment obrotowy (moc nadowa siła nadowa) ronie onad warto okrelon stanem ocztkowym układu. Warto zauway równie to, e wymaganemu rzyrostowi mocy odowiada mały rzyrost rdkoci ktowej kół (liniowej) samochodu (rys.6.5c). Po osigniciu wartoci wymaganej (P B ) moc na kołach sada wzdłu krzywej hierbolicznej, co jest jednym z owaniejszych niedostatków omawianego układu sterowania. Przedstawione niedomagania sosobu działania układu regulacji rdkoci ktowej silnika rozwizywano za omoc koncecji zintegrowanego sterowania UN, w którym niezalene sterowanie stoniem zasilania silnika i rzełoeniem UPN ozwala na elastyczne kształtowanie rzebiegu rocesu rzejciowego. Dla tego sosobu sterowania UN załoono: wykorzystanie zaasu momentu obrotowego, zmniejszenie zakresu zmiany wartoci rzełoenia UPN, sterowanie rdkoci zmiany rzełoenia, 9

owizanie rzyrostu rdkoci ktowej silnika z wzrostem rdkoci liniowej samochodu, ograniczenie efektu szarnicia samochodem, sowodowanego ujemnym rzysieszeniem. Obiektywne rzesłanki dla syntezy algorytmu sterowania zintegrowanego okrelono w oarciu o rzebiegi momentu obrotowego w układzie nadowym schematycznie rzedstawione na rys.6.5b. Faz ocztkow (I) charakteryzuje rzyrost wartoci rzełoenia UPN jednak zakres jego zmiany owinien by znaczco mniejszy w orównaniu z wystujcym w układzie z regulacj rdkoci ktowej silnika. Std faza I owinna zakoczy si w unkcie B, w którym rdko zmiany rzełoenia, z załoenia, maleje niemal do zera. Pomniejszenie mocy mechanicznej wskutek zjawiska akumulacji mona skomensowa zwikszajc stoie zasilania silnika wływajcy na oda momentu obrotowego. Celowe rzesuniecie unktów racy w kierunku charakterystyki zewntrznej silnika owinno by krótkotrwałe i zwizane wyłcznie ze zmian wartoci rzełoenia UPN. Od unktu B wyznaczajcego koniec I fazy rozatrywanego rocesu, stoie zasilania i rdko ktowa silnika owinny by wzajemnie owizane wg funkcji wynikajcej z rzebiegu krzywej racy. Aby takie owizanie nie oznaczało hierbolicznego sadku momentu obrotowego na kołach (jak w rzyadku wyej oisanego układu regulacji rdkoci ktowej silnika) konieczne jest uzalenienie stonia zasilania silnika od rdkoci ruchu samochodu (nie tylko od ołoenia edału rzysieszenia). Podany rzebieg momentu obrotowego na kołach nadzanych schematycznie rzedstawiono na rys.6.5bc. Przedstawiony ois odanego sosobu działania układu nadowego mona traktowa jako zbiór metareguł stanowicych baz dla formułowania algorytmów zintegrowanego sterowania rozmytego. Podstawowe rónice w sosobie działania układu nadowego z regulacj rdkoci ktowej i sterowanego wg oisanej koncecji sterowania zintegrowanego wynikaj ju z orównania rzebiegów na rysunkach 6.5A i 6.5B. Jak wynika z analizy działania zintegrowanego algorytmu sterowania UN szybki wzrost mocy owinien by osigany rzede wszystkim wskutek wzrostu stonia zasilania silnika (jego momentu obrotowego), a doiero w rzyadku niewystarczajcego zaasu momentu obrotowego, zgodnie z równaniem (6.2) moe by uzuełniany rzyrostem rdkoci ktowej silnika. Wobec niejednoznacznie okrelonego, wymaganego rzyrostu mocy, rdko ktowa silnika i jego moment obrotowy równie nie s jednoznacznie zdeterminowane. Ze wzgldu na to, e moment obrotowy jest kontrolowany uchyleniem rzeustnicy w silniku, a jego rdko ktowa okrelana za omoc rzełoenia układu rzeniesienia nadu, zaroonowano w tym rzyadku metod oart na logice rozmytej do wygenerowania odowiednich owierzchni sterowania UN. Wsółrzdne unktu racy silnika, najkorzystniejsze ze wzgldu na srawno energetyczn, rzy okrelonym zaotrzebowaniu mocy, s jednoznacznie zdeterminowane. Jednak wymagana moc na kołach jest cile okrelona wyłcznie w rzyadku ledzenia zadanego rofilu rdkoci. Jest to rzyadek wyjtkowy, zwizany z badaniami homologacyjnymi. W ruchu rzeczywistym realizowany rofil rdkoci jest wynikiem wzajemnego oddziaływania wielu czynników. Std wniosek, e zaotrzebowanie mocy na kołach samochodu nie jest jednoznacznie okrelone i nie musi, w sosób zdeterminowany, wynika z ołoenia edału rzysieszenia. To sostrzeenie legło u odstaw interretacji sterujcego działania kierowcy w nowy, odmienny sosób. Wychylenie edału rzysieszenia jest traktowane jako danie zmiany wartoci mocy, rzy czym wymagany jej rzyrost moe by zarówno dodatni, jak i ujemny. Dodatkowo warto mocy nie jest jednoznacznie uzaleniona od wartoci rdkoci samochodu. Stoie zasilania silnika. Uchylenie rzeustnicy, determinujce stoie zasilania silnika, a wic równie dorowadzona do kół moc, jest w samochodowym układzie nadowym wan wielkoci sterujc. W oarciu o rzedstawiony wyej ois sosobu działania układu nadowego i rzyjte załoenia, sformułowano nastujce metareguły [YaFi_94], okrelajce wymagan zmian stonia zasilania silnika:. zwikszeniu wychylenia edału rzysieszenia winno odowiada zwikszenie uchylenia rzeustnicy, 2. wzrost rdkoci liniowej samochodu owinien by owizany ze wzrostem uchylenia rzeustnicy, 3. szybka zmiana wartoci rzełoenia owinna by owizana z korekt stonia zasilania silnika ze wzgldu na akumulacj energii kinetycznej w ruchomych elementach UN, 4. rzyrost uchylenia rzeustnicy, wynikajcy ze zmiany wartoci rzełoenia UPN, owinien by tym wikszy, im mniejsza jest rdko ktowa silnika. 2

Wymagany stoie zasilania silnika realizowany jest w rocedurze ETC (rys.6.4). Zawiera on dwa bloki rozmyte, które wykorzystano do okrelenia statycznego (Θ x ) i dynamicznego ( Θ) stonia zasilania silnika, a te z kolei okrelaj wymagane uchylenie rzeustnicy (Θ d ) według zalenoci ( v α) x Θ = f,, (6.3) di ω 2c =, dt ω2b (6.4) di Θ = f, ω, 2c dt (6.5) x Θ = Θ + Θ. d (6.6) Bloki rozmyte, okrelajce statyczny (Θ x ) i dynamiczny ( Θ) stoie zasilania silnika, zarojektowano wykorzystujc sosób wnioskowania tyu Sugeno (w tym rzyadku nastniki s tyu funkcyjnego) oraz rocedur ANFIS (ang. Adative Network-based Fuzzy Inference System), adatacyjnie dobierajc arametry bloku rozmytego, zarówno dla rzesłanek, jak i wniosków, na odstawie danych uczcych [Jang_93, GuJa_94, TsUh_97]. Procedura ANFIS, wraz z interfejsem GUI (ang. Grahical User Interface), umoliwiajcym tworzenie bloku rozmytego tyu Sugeno, jest elementem rzybornika Fuzzy Logic Toolbox v2. rodowiska MATLAB/Simulink [GuJa_94]. Bazy reguł bloków rozmytych zrealizowano w oarciu o odane, rzez dowiadczonego ekserta, unkty racy dane uczce, wynikajce z rzyjtych załoe oraz metareguł [Pili_96, RuPi_97, Rutk_97, Korn_, RBKo_]. Powyszy ois relacji midzy wejciem a wyjciem (z wnioskowaniem tyu Sugeno) daje moliwo realizacji systemu rozmytego w ostaci wielowarstwowej sieci neuronowej oraz zastosowania skutecznych metod uczenia jej arametrów, w oarciu o zbiór danych uczcych. W racy do tego celu wykorzystano metody: wstecznej roagacji błdu (do strojenia wag warstwy wejciowej) oraz najmniejszych kwadratów (do strojenia wsółczynników funkcji nastnika). Obydwie metody (zintegrowane jako metoda hybrydowa) zawarto w rocedurze ANFIS biblioteki Fuzzy Logic Toolbox v2. rogramu MATLAB. Ois działania tych metod szczegółowo oisano w racach [Jang_93, DrHeRe_93, YaFi_94, GuJa_94, Pili_96, RuPi_97, Rutk_97, TsUh_97, Pieg_99]. W wyniku zastosowania rocedury ANFIS uzyskano nastujce owierzchnie rzetwarzania dla oszczególnych bloków rozmytych (rys.6.6). a) b) Rys.6.6. Powierzchnie rzetwarzania bloków stonia zasilania silnika: a) statycznego, b) dynamicznego Ze wzgldu na zastosowan normalizacj dziedzin zmiennych lingwistycznych w obydwu blokach rozmytych, na wejciach oraz wyjciach tyche bloków uwzgldniono elementy skalujce (rys.6.7), umoliwiajce modyfikacje owierzchni rzetwarzania [YaFi_94, KoPe_97, RBKo_]. Sosób doboru wartoci tych elementów rzedstawiono w rozdziale 7. rozrawy. 2