Non-linear model-based predictive control of a low-temperature gasoline combustion engine

• Nicht-lineare Modellbasierte Prädiktive Regelung eines Niedertemperatur-Benzin-Verbrennungsmotors

Hoffmann, Kai; Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen : VDI-Verl. (2010)
Doktorarbeit

In: Fortschrittberichte VDI : Reihe 8, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 1172
Seite(n)/Artikel-Nr.: X, 167 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer nicht-linearen MPC für die Niedertemperatur-Verbrennung von Benzin (CAI) in einem Viertakt- Einzylindermotor. Dieser Prozess muss ohne den Aktuator Zündkerze auskommen, zudem verschieben bereits geringe Abweichungen der Betriebsbedingungen die Selbstzündung zu ungünstigen Zeitpunkten und einer rauen Verbrennung. Als Stellgrößen des Einzylinder-Demonstrators stehen die Steuerzeiten des elektro-mechanischen Ventiltriebs und die Direkteinspritzung zur Verfügung. Regelgrößen sind IMEP und CA50, während der maximale Druckgradient dpmax begrenzt werden soll. Entlang des V-Modells werden verschiedene lineare und nicht-lineare Regler entwickelt. Die nicht-lineare Modellierung des Zustandsraumes als Neuronales Netz erlaubt dessen schnelle Linearisierung und die Einbindung in eine nichtlineare Beobachterstruktur sowie die Erstellung eines linearen Beobachtermodells. Lineare und nicht-lineare Kalmanfilter werden in Kombination mit identifizierten Störgrößenmodellen diskutiert und die für den Anwendungsfall passendste sowohl lineare als auch nicht-lineare Struktur ausgewählt. Verschiedene Methoden für MPC werden vorgestellt und mit den erstellten Beobachtern zu (N)MPCs kombiniert. Wie auch die Beobachter werden diese automatisiert ausgelegt. Geeignete Strukturen werden um die Berücksichtigung der Begrenzung von dpmax erweitert. In einem HIL Test werden sie unter der Annahme starker Störungen der motorischen Betriebsbedingungen bewertet. Das Potential bezüglich Robustheit und Berechnungsgeschwindigkeit auf der Ziel-Hardware wird ermittelt und mit einem PID-Gainscheduling-Ansatz verglichen, wodurch die Notwendigkeit einer nicht-linearen MPC für das Regelungsproblem verdeutlicht wird. Empfehlungen für methodische Ansätze für die Regelung der nicht-linearen CAI-Verbrennung unter Prozessbeschränkungen werden herausgearbeitet. Die Methoden werden exemplarisch in der Reglerapplikation am realen Motor demonstriert. Das Simulationsmodell wird anhand eines Regelungsversuches kreuzvalidiert und der PID-Regler unter den in den Versuchen gemessenen Betriebsbedingungen im HIL simuliert. Somit wird das entwickelte Vorgehen gerechtfertigt, das basierend auf Messungen eine schnelle hochautomatisierte Reglererstellung ermöglicht.