STUDIO ED IMPLEMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI GESTIONE DA BANCO DELL INIEZIONE COMMON RAIL BOSCH

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1 STUDIO ED IMPLEMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI GESTIONE DA BANCO DELL INIEZIONE COMMON Tesi di Laurea di: Michela Brunori RAIL BOSCH RELATORE: Prof. Ing.. Luca Piancastelli CORRELATORI: Prof.Ing.Gianni Caligiana Prof. Ing.. Alfredo Liverani Dott.Ing.Bonifacio Grisolia 16 Marzo 2005 Anno Accademico

2 OBIETTIVI DELLA TESI La presente tesi si inserisce all interno di un progetto che si prefigge la realizzazione di un sistema di controllo per motori Diesel common rail ACQUISIZIONE DEL SEGNALE DI PRESSIONE E CONTROLLO IN RETROAZIONE DEL SISTEMA IMPLEMENTAZIONE DI UN CONTROLLO PID E DI UN FUZZY E LORO COMPARAZIONE IMPLEMENTAZIONE DI UN OTTIMIZZATORE FUZZY 16 Marzo 2005 Anno Accademico

3 Schema generale del Common Rail Al posto della centralina ECU si acquisiscono i segnali tramite la scheda della National PXI 7831R e la gestione avviene tramite PC con l ausilio del software Labview 16 Marzo 2005 Anno Accademico

4 La parte meccanica: il banco Sono stati realizzati in precedenti tesi di laurea un banco prova per la sperimentazione e l acquisizione dei segnali di fase e di giri MOTORE FIAT 1900 JTD BANCO PROVA 16 Marzo 2005 Anno Accademico

5 Realizzazione del banco sperimentale Componenti utilizzati: elettroniettori rail pompa di alta pressione con regolatore collegato a flangia cablaggio completo per collegamento sensori puleggia albero a camme ruota fonica e puleggia albero motore cinghia dentata 16 Marzo 2005 Anno Accademico

6 Sensori e attuatori L elettronica da noi utilizzata è ridotta al minimo indispensabile Sensore di pressione rail e regolatore di pressione. Queste due unità collegate alla centralina consentono una regolazione della pressione in closed-loop loop. Sensore del numero di giri e sensore di fase. Questi due sensori forniscono alla centralina le informazioni necessarie per decidere in che cilindro iniettare e la durata. La mancanza di tutti gli altri sensori non consente l ottimizzazione dell iniezione, per il nostro scopo ciò non crea alcun problema. 16 Marzo 2005 Anno Accademico

7 Parte Hardware: la scheda e i collegamenti La scheda utilizza la tecnologia FPGA ( field programmatic gate arrays) e utilizzata per effettuare alcune funzioni logiche su hardware frequenza di campionamento fino a 40 MHz Terminaliera a 90 canali analogici- digitali di comunicazione Scheda- Plant 16 Marzo 2005 Anno Accademico

8 Sensore di pressione Tramite la filettatura di fissaggio 5 il sensore è collegato al rail in cui è presente un foro per avere l alta pressione in 4 La membrana 3 su cui è montato l elemento sensoriale si deforma di 1 mm/1500 bar cui corrisponde una variazione da 0 a 70 mv della resistenza, valore amplificato dal circuito 2 da 0,5 a 4,5 V e mandato tramite i collegamenti 1 alla scheda. Tolleranze 2% val fin (30 bar). 16 Marzo 2005 Anno Accademico

9 Regolatore di pressione PWM FREQUENZA 1 KHZ L otturatore sferico 1 è mantenuto sulla sua sede da un asta 2 premuta dalla molla (precarico 150 bar/1000giri/min) e dalla forza generata dall elettromagnete 3 quando viene mandata corrente attraverso i collegamenti 5; per motivi di sicurezza si fa corrispondere ad un aumento di corrente una maggiore chiusura della valvola e quindi un aumento di pressione nel rail. La frequenza del segnale rimane invariata, ciò che cambia è il tempo di salita e discesa del fronte d onda 16 Marzo 2005 Anno Accademico

10 FLUSSO DI LAVORO DEFINIZIONE DEL PROBLEMA DEFINIZIONE DEL MODELLO SVILUPPO...SOFTWARE SIMULAZIONE MODIFICHE SPERIMENTAZIONE MODIFICHE 16 Marzo 2005 Anno Accademico

11 Prima soluzione: regolatore PID CONTROLLORE ERRORE K p 1/T i e dt OUTPUT Si vuole applicare una regolazione T d de/dt in retroazione tramite azione proporzionale, integrale e derivativa PID OUT(t)= K p E(t)+K i e(τ)dτ+k d de(t)/dt dove: K(s)=PID OUT(s)/E(s)=(K p +K i /s+ K d *s) con K p = K K i =K/ T i K d = KT d 16 Marzo 2005 Anno Accademico

12 PID per Host PC Visualizzazione SP, PV, OUT Parametri d ingresso in funzione del tempo Lettura variabile controllata Uscita del PID 16 Marzo 2005 Anno Accademico

13 Seconda soluzione: la logica Fuzzy applicata al controllo pressione Setpoint Pv dp/dt Fuzzificazione + - Inferenza If and...then... If and...then... If and...then..... If and...then... ddutycycle/dt Defuzzificazione 16 Marzo 2005 Anno Accademico

14 Host per controllore Fuzzy Nel programma per host PC è presente il controllore Fuzzy: : nel pannello frontale sono visibili l indicatore l del rail il controllo del set point, l indicatore di duty cycle,, il grafico di SP e PV in funzione del tempo. 16 Marzo 2005 Anno Accademico

15 Impieghi della logica fuzzy nel FADEC (Full Authority Digital Control) Funzionamento attuale del FADEC Ottimizzazione del controllo Sono state eliminate le strategie di recovery, il pilota legge la temperatura allo scarico e parzializza la potenza, se non è necessario staccare l aeroplano dal suolo o effettuare una salita ripida. In questi ultimi casi il pilota mantiene la posizione dell acceleratore sperando nella sopravvivenza del motore. Logica Fuzzy come controllo preventivo Molto prima che il problema insorga in maniera significativa, il FADEC interviene cercando di mantenere la potenza al valore massimo possibile. Ad esempio, quando la temperatura del gasolio sta salendo, molto prima che raggiunga il valore massimo consentito di 110 C, il FADEC può ridurre la pressione del rail ed aumentare il tempo di iniezione. La potenza erogata rimane inalterata e la dissipazione di energia del sistema di regolazione della pressione diminuisce. 16 Marzo 2005 Anno Accademico

16 OTTIMIZZATORE FUZZY Per utilizzare come ulteriore parametro di controllo la temperatura del combustibile si può pensare di utilizzare due controllori Fuzzy in cascata, in cui il primo utilizza in ingresso i valori di temperatura corrente e desiderata per modificare icare l input l del successivo controllo Fuzzy,ovvero il set point di pressione. Setpoint temperatura Pv temp dt/dt dt - + Fuzzificazione Inferenza If and...then... If and...then... If and...then..... Defuzzificazione ddutycycle/dt dt If and...then... If and...then... If and...then... If and...then Setpoint pressione Pv.. dp/dt dt If and...then Marzo 2005 Anno Accademico

17 Conclusioni e sviluppi futuri Entrambe le soluzioni sia PID che FUZZY sono state testate sperimentalmente sul banco prova. Il controllore PID ha dimostrato un elevata prontezza di risposta, stabilità e precisione in tutto il range di funzionamento. Il controllore Fuzzy ha riportato risultati analoghi anche se non abbiamo riscontrato la medesima precisione e stabilità del controllo precedente. Solo dopo aver affinato in via sperimentale tutte le variabili manipolabili dall utente si è riusciti ad ottenere un risultato soddisfacente. L applicazione L si contraddistingue per uno sviluppo semplice e intuitivo del problema ma in questo contesto non apporta alcun miglioramento rispetto al controllo PID. In virtù delle precedenti considerazioni il controllore Fuzzy potrà essere implementato come strumento di ottimizzazione dei parametri di un motore coadiuvando le attuali look-up tables (mappe) permettendo un controllo dinamico e preventivo. Si avrebbe così la possibilità di ottenere l optimum l della potenza del motore in tutti i regimi di funzionamento. 16 Marzo 2005 Anno Accademico

18 Alcuni componenti-foto del sistema PWM 16 Marzo 2005 Anno Accademico

19 Seconda soluzione: la logica Fuzzy Consente un controllo più flessibile e definibile dall operatore in modo intuitivo senza perdere in prontezza di risposta del sistema CHE COS E LA LOGICA FUZZY E un metodo che si pone in contrasto con la tradizionale logica booleana a 2 valori Un ipotesi può non essere completamente vera o falsa, le si attribuisce allora un grado di verità da cui dipenderà la misura in cui verrà attuata la relativa risposta Un insieme Fuzzy è caratterizzato dal fatto che il grado di appartenenza di ogni elemento all insieme può essere un qualsiasi numero tra 0 e 1. Perciò un insieme Fuzzy è definito da una funzione d appartenenza µ A : X [ 0,1] 16 Marzo 2005 Anno Accademico

20 La logica Fuzzy Definizione della classi per ogni variabile In cosa consiste un controllo fuzzy di ingresso; Definizione della classi per ogni variabile di uscita; Definizione della forma della membership function, ovvero del gda e delle formule per la fuzzificazione e la defuzzificazione Definizione delle regole di base del motore inferenziale 16 Marzo 2005 Anno Accademico