بخشی از مقاله
برخی از مراجع:
[1] Y. Pan, O. Dagci, U.Ozguner, “Variable Structure Control of Electronic Throttle Valve", Vehicle Electronics Conference 2001, IVEC 2001,Proceedings of the IEEE International, 2001.
[2] J.Ganger, “Adaptive Real Time Technology Control of a Nonlinear Throttle Unit “, M.S.Thesis, Department of Automatic Control Lund Institute of Technology, February 2002.
[3] U. Ozguner, S.Hong, Y.Pan, “Discrete-time Sliding mode Control of Electronic Throttle Valve”, Proceeding of the 40th IEEE Conference on Decision and Control, Orlando, Florida, USA, December 2001.
[4] C.Rossi, A.Tilli, A.Tonielli, “Robust Control of a Throttle Body for Drive-By-Wire Operation of Automotive Engines “, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.8, No.6, December 2000.
[5] L.Erikson, L.Nilsen, “Non-Linear Model-Based Throttle Control”, SAE 2000-01-0261.
[6] P.G.Griffiths “Embedded Software Control Design for an Electronic Throttle Body “, M.S. Mechanical Engineering, University of California, Berkley, 2002.
[7] M.Yokoyama, K.Shimizu, N.Okamoto, “Application of Sliding – Mode Servo Controllers to Electronic Throttle Control “, Proceeding of the 37th IEEE Conference on Decision and Control, Tampa, Florida, USA , December 1998.
مقدمه
در موتورهای افروزش جرقه ای مقدار هوای ورودی به مینولد ورودی و در نتیجه آن، مقدار توان تولید شده به شدت به موقعیت دریچه گاز بستگی دارد، در خودروهای معمولی که در حال حاضر ساخته و تولید می شوند، موقعیت دریچه گاز به کمک یک رابط مکانیکی، که مستقیماً به پدال گاز زیر پای راننده وصل می شود، کنترل می گردد و این رابط، رابطه ای ثابت بین موقعیت دریچه گاز و موقعیت پایی گاز ایجاد می کند. بنابراین به منظور تنظیم خود کار مقدار هوای ورودی به موتور، در حین اجرای راهبردهای کنترل موتور مثل کنترل دور آرام، سرعت خودرو و حداکثر گشتاور موتور، به تجهیزات و عملگرهای اضافی نیاز است. از آنجایی که با دقت بسیار خوب می توان میزان هوای ورودی به موتور را به کمک دریچه گاز برقی تنظیم کرد از این رو می توان از دریچه گاز برقی به عنوان ابزاری برای تنظیم دقیق نسبت هوا به سوخت و تنظیم گشتاور موتور استفاده کرد. به همین دلیل با توجه به تمایل صنایع خودروسازی برای داشتن موتورهایی با آلودگی کم و چابکی مناسب، دریچه گاز برقی مورد توجه اکثر خودروسازان قرار گرفته است. از طرفی با استفاده از دریچه گاز برقی می توان کنترل سرعت آرام و حداکثر سرعت خودرو را بدون افزودن تجهیزات سخت افزاری خاصی انجام داد و پیاده سازی این راهبردها فقط بصورت نرم افزاری قابل دستیابی است و دقت آن هم نسبت به سایر عملگرها بسیار بهتر و قابل تنظیم تر است. دریچه گاز برقی به کمک DC موتوری که از سیستم برقی خاصی فرمان می گیرد تنظیم می شود و همواره بین خواست راننده که توسط حسگر زیر پایی گاز تشخیص داده می شود و نیروی موثر مورد نیاز و قابل دسترس موتور با در نظر گرفتن ایمنی، سطح آلودگی تولید شده و چابکی و سواری خودرو تعادل و همخوانی برقرار می کند و از طرفی ارائه تمام این خدمات، به صورت ارزان، با کارکرد مناسب و با وزن کم و هزینه نگهداری پایین قابل دستیابی خواهد بود. خواص و کاربردهای زیادی برای تنظیم موقعیت دریچه گاز در موتورهای افشانه ای قابل ذکر است که می توان آنها را به شرح زیر خلاصه کرد:
۱- ساماندهی دلخواه و مطلوب به رابطه بین دریچه گاز و پایی گاز بر حسب نوع راه برد اعمال شده در کنترل موتور
۲- تنظیم دور آرام و مدیریت شرایط راه اندازی سرد موتور
۳- تنظیم دقیق نسبت هوا به سوخت طی حالت گذرا
4- محدود کردن سرعت موتور و تنظیم خودکار سرعت خودرو
۵- تنظیم دمای واکنشگر شیمیایی
6- کنترل گشتاور موتور شامل تنظیم گشتاور موثر موتور و تنظیم و کنترل سیستم ضد قفل ترمز (ABS)
۷- حرکت مطلوب تر در طی شتاب تند شونده و کند شونده و بهبود قابلیت رانندگی
۸- به کارگیری همزمان عملگرهای سیستم انتقال قدرت
با توجه به کاربردهای شمرده شده برای دریچه گاز برقی، اولین و اساسی ترین توانایی این سیستم، تنظیم موقعیت دریچه، یا از دیدگاه علم کنترل، ردیابی فرمان ورودی به دریچه گاز است. اگرچه این نوع کنترل ساده است، ولی وقتی بحث تولید انبوه آن و هزینه های دستیابی به این فن آوری و پیاده سازی و اجرای صنعتی آن مطرح باشد، انتخاب نوع کنترلر اعمال شده از اهمیت ویژهای رخوردار خواهد بود و در مقالات مختلف نیز سعی شده است که ساختار کنترلر مناسبی ارائه شود.
با توجه به اینکه در دریچه گاز برقی عوامل غیر خطی شامل اصطکاک، لقی چرخدندهها و فنر غیر خطی وجود دارد و از طرفی مقدار عوامل غیر خطی ساز در این سیستم به سادگی و دقت قابل دستیابی نیست، از این رو در سیستم عدم قطعیت هایی خواهیم داشت که الگوریتم کنترلی خاصی را می طلبد و از الگوریتم های متداول که برای سیستم های خطی و بدون عدم قطعیت استفاده می شوند، نمی توان استفاده کرد. به همین دلیل از کنترل ساختار متغیر با مواد لغزشی و مشاهده گر آن که برای سیستم های غیر خطی و دارای عدم قطعیت ارائه شده است، استفاده خواهیم کرد. Ozguner و همکارانش در دو مقاله [۱و۳] ضمن مدل سازی دریچه گاز برقی، کنترلرهایی در فضای پیوسته و گسسته با استفاده از روش برگشت به عقب و حالت لغزشی طراحی کرده اند و به دنبال آن مشاهده گرهای مورد نظر آن را نیز ارائه کردهاند. Rossi و همکارانش [4] نیز ضمن مدل سازی دریچه گاز از یک کنترلر سه لایه ای استفاده کرده اند که در آن سرعت، موقعیت و شدت جریان دریچه گاز کنترل شده است. همچنین Eriksson و همکارانش]5] ضمن ارائه مدل غیر خطی دریچه گاز بدون در نظر گرفتن رابط چرخ دندهای بین دریچه گاز و DC موتور، از یک کنترلر تطبیقی استفاده کرده اند، همچنین روشی برای برآورد گشتاور ناشی از عبور جریان هوا از دریچه گاز که بر روی پروانه گاز اعمال می شود ارائه کرده اند. Yokoyama و همکارانش نیز [۷] برای مدل غیر خطی ارائه شده، فنر مورد استفاده را با یک فنر خطی بعلاوه آشفتگی مدل کرده اند و اتصال چرخ دنده ای دریچه گاز در مدل آنها آورده نشده است. در این مقاله با تغییر تعریف متغیرهای حالت، سه ساختار کنترلی ارائه شده است.
Griffiths [6] نیز مدل دریچه گاز را بدون در نظر گرفتن اتصال چرخ دنده ای آن ارائه داده است و الگوریتمی برای شناسایی پارامترهای مدل دریچه گاز ارائه کرده و با استفاده از کنترلر حالت لغزشی، کنترلری برای آن طراحی کرده است. Gagner [۲] نیز در کار خود یک کنترلر برای مدل خطی شده دریچه گاز ارائه داده و نهایتاً ضمن به کار بردن الگوریتم های تخمین پارامترهای دریچه گاز، یک کنترلر تطبیقی برای آن طراحی و رفتار آنها را با هم مقایسه کرده است. در این کار الگوی دریچه گاز با در نظر گرفتن عوامل غیرخطی در مدلی واقعی یعنی دریچه گاز Bosch مورد استفاده در خودروی پژو 206 با موتور TU5، مدل سازی شده و کنترلر ساختار متغیر به روش برگشت به عقب ارائه می شود، ضمن اینکه کنترلر PID معمولی نیز ارائه و با نتایج قسمت اول مقایسه می شود، همچنین مشاهده گر حالت لغزشی برای کنترل کننده حالتلغزشی ارائه و نتایج شبیه سازی در پایان ارائه خواهد شد.
مدل دریچه گاز برقی
همانطور که در شکل (۱و۲) دیده می شود، دریچه گاز برقی مورد نظر شامل موتور DC، چرخدنده راننده، چرخ دنده واسطه، چرخ دنده رانده شده، پروانه دریچه گاز و یک فنر غیر خطی و اصطکاک است. در جدول (۱)، نام تمام پارامترهای مورد نیاز مدل و تعریف آنها ارائه شده است. نسبت تبدیل نسبت چرخدنده واسطه و چرخدنده راننده بصورت و نسبت تبدیل چرخدنده رانده شده به راننده به صورت تعریف می گردد، بطور کلی دریچه گاز برقی سه غیر خطی ساز عمده دارد که عبارتند از: اصطکاک چسبنده - لغزشی، فنر غیر خطی و لقی چرخدندهها که اصطکاک چسبنده - لغزشی بصورت گشتاور استهلاکی و غیر خطی گری فنر بصورت گشتاور و لقی چرخدندهها نیز بصورت نشان داده می شود.
عوامل غیر خطی
۱- اصطکاکت چسبنده - لغزشی
نیروهای اصطکاکی ایجاد شده بین دو جسم در حال حرکت به دو صورت دینامیکی و استاتیکی مدل سازی می شود. همانطور که می دانیم نیروی اصطکاک به جهت حرکت بستگی دارد، بنابراین اصطکاک دریچه گاز به جهت حرکت پروانه گاز بستگی دارد.
در حالت کلی نیروی اصطکاک برای دو جسم در حال حرکت بصورت زیر نشان داده می شود:
که در آن F نیروی خارجی بکار گرفته شده و E و F و E مقادیری ثابت هستند. به منظور ساده کردن طراحی کنترلر و مشاهده گر، مدل اصطکاک کولنی به صورت زیر برای دریچه گاز در نظر گرفته می شود.
که در آن Fs ثابت و مثبت می باشد.
۲- فنر غیر خطی همانطور که در شکل (۲) مربوط به دریچه گاز برقی شرکت BOSch دیده می شود، پروانه گاز در حالتی که دریچه گاز، کار نمی کند، بطور کامل بسته نیست. این موقعیت اولیه دریچه گاز که به Limphome معروف است باعث میشود در صورتی که حتی موتور DC نتواند دریچه گاز را بچرخاند خودرو با سرعت کم حرکت کند. در ساخت دریچه گاز دو فنر پیچشی برای برگرداندن دریچه گاز به موقعیت اولیه اش مورد استفاده قرار می گیرد که این دو فنر در جهت خلاف هم عمل می کنند و نهایتاً برآیند کاری آنها برگرداندن پروانه گاز به موقعیت اولیه خود است. بنابراین برای غلبه بر پیچش اولیه ایجاد شده در فنر، موتور باید اندکی گشتاور وارد کند تا فنر رفتار واقعی اش را نشان دهد. چنین حالتی ناحیه مرده ای در کار فترها ایجاد می کند که در شکل (۳) نشان داده است. با توجه به اینکه در دو انتهای محدوده چرخشی پروانه گاز محدودیت حرکت ایجاد می شود، در دو انتها فنر با فنر دارای ثابت فنریت بینهایت مدل سازی شده است.
