Brevet FR2719340A1 — publié le 19951103

La présente invention est relative à un procédé de commande, en phase d'accélération, d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule routier par l'intermédiaire d'un train de roues motrices. Plus particulièrement, la présente invention est relative à un tel procédé dans lequel on élabore un signal représentatif du taux de glissement réel du train de roues motrices, on compare ce signal à un signal représentatif d'un taux de glissement de consigne pour former un signal d'écart entre ces taux, et on tire de ce signal d'écart un signal représentatif d'un taux de réduction du couple délivré par le moteur aux roues motrices et propre à commander celui-ci de manière que le glissement réel du train soit sensiblement égal au glissement de consigne. On connaît du brevet US-A-4 811 808 un tel procédé de commande. Suivant celui-ci, on régule le glissement des roues motrices, en phase d'accélération, par le contrôle de l'angle du papillon des gaz du moteur, le procédé de régulation utilisé étant du type PID. Cette solution présente certains inconvénients. D'une part, les réductions du couple moteur par l'intermédiaire d'une action sur le papillon des gaz sont obtenues assez lentement et, d'autre part, la commande à traitement PID du signal d'écart présente une certaine instabilité dans la zone instable de la caractéristique effort longitudinal/glissement du pneumatique équipant une roue motrice, c'est-à-dire dans la zone qui se situe au-delà du maximum de l'effort longitudinal exercé par le pneumatique sur la route. On s'est rendu compte en outre que le traitement PID du signal d'écart ne permet pas de prendre en compte les retards purs qui existent entre le moment o la décision de réduction de couple est prise et le moment o la réduction de couple est effective, ce qui est très important pour l'obtention d'une loi de régulation robuste et précise. En effet, dans le contexte d'une régulation PID, le retard pur doit être inférieur à la période d'échantillonnage du calculateur, pour que le traitement du signal d'écart soit possible. De plus, si le retard pur est supérieur au retard dû à la constante de temps du dispositif à commander, le traitement PID conduit à des réponses en boucle fermée plus lentes qu'en boucle ouverte. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de commande en phase d'accélération d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule routier, permettant d'atteindre une valeur aussi réduite que possible de l'écart entre le glissement des roues motrices et une consigne de glissement, avec prise en compte des éventuels retards purs qui existent entre le moment o une décision de réduction du couple moteur est prise et le moment o cette réduction de couple est effective. La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé permettant de maintenir la stabilité de la commande aussi bien en zone stable qu'en zone instable de la caractéristique du pneumatique équipant une roue motrice, tout en maintenant une capacité d'accélération correcte du véhicule sans emballement excessif des roues motrices et sans usure prématurée des pneumatiques équipant ces roues. La présente invention a encore pour but de réaliser un véhicule mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de commande du type décrit en préambule de la présente description, remarquable en ce qu'on échantillonne les signaux représentatifs du taux de glissement réel, du taux de glissement de consigne et de l'écart entre ces taux, et on les traite dans des blocs de filtrage numérique R, T et S respectivement, établis à l'aide d'un modèle de comportement dynamique de la roue en phase d'accélération sous l'action du couple moteur. Comme cn le verra dans la suite, grâce à l'adoption d'une commande du type "R-S-T", le procédé suivant l'invention permet avantageusement d'adapter les fonctions des blocs de filtrage numérique au rapport du retard pur à la période d'échantillonnage. Ceci permet d'améliorer la stabilité de la commande, notamment dans la zone d'instabilité de la caractéristique effort longitudinal/glissement du pneumatique, et d'assurer un réglage aisé de la commande. La présente invention a aussi pour but de réaliser un véhicule routier conçu pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, comprenant un dispositif de commande d'une réduction du couple fourni par le moteur du véhicule au train de roues motrices de ce véhicule et un calculateur de commande du fonctionnement du moteur alimenté par un signal (y) représentatif d'un taux de réduction du couple et délivré par le dispositif, celui-ci étant lui-même alimenté par des capteurs délivrant des signaux représentatifs des vitesses des roues du véhicule pour la détermination du taux de glissement du train de roues motrices, par des capteurs délivrant des signaux permettant le calcul du couple de sortie du moteur et par un capteur délivrant un signal représentatif du rapport engagé dans une boîte de vitesses associée au moteur, le dispositif comprenant des moyens d'élaboration d'un signal d'écart (ú) entre le glissement réel (Sx) du train et une valeur de glissement de consigne (Sx), des moyens de traitement dudit signal d'écart (E) pour former le signal (y) de réduction du couple moteur en fonction de l'évolution du glissement du train, lesdits moyens de traitement comprennent des moyens de filtrage numérique (R,S, T) établis à l'aide d'un modèle de comportement dynamique du train de roues motrices en phase d'accélération, ces moyens (R,S,T) traitant respectivement les glissements (Sx), (Sxc) et l'écart (E) de manière à former le signal (y) exploité par le calculateur de commande du fonctionnement du moteur pour assurer une réduction prédéterminée du couple délivré par le moteur au train de roues motrices. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique partielle d'un véhicule routier mettant en oeuvre le procédé de commande d'accélération suivant l'invention, et - la figure 2 est un diagramme fonctionnel d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Le procédé suivant l'invention est appliqué à un véhicule de tourisme représenté schématiquement sur la figure 1, comportant deux roues motrices 1 et 2 et deux roues non motrices 3 et 4 équipées chacune d'un capteur 1' à 4', respectivement, délivrant un signal représentatif de la vitesse de rotation de la roue. Un dispositif de commande 6 mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention comporte une section de calcul Pli prend en compte les quatre signaux de vitesse de roue, un signal issu d'un capteur 6' et représentatif de l'angle d'ouverture d'un papillon de commande des gaz d'un moteur 5 à combustion interne entraînant les roues motrices 1,2, un signal issu d'un capteur 7' et représentatif du rapport engagé dans une boîte de vitesses associée au moteur 5, un signal issu d'un capteur 5' et représentatif du régime N de rotation du moteur, et un signal issu d'un capteur 8' et représentatif de l'état du frein à main (serré ou déserré). Ce même dispositif 6 élabore une grandeur représentative d'un taux de réduction y du couple de sortie du moteur, qui est appliqué à un calculateur 7 générant les commandes d'allumage et d'injection du moteur à combustion interne 5. En phase d'accélération, suivant l'invention, le calculateur prend en compte ce taux de réduction pour assurer la délivrance par le moteur d'un couple réduit propre à limiter le glissement des roues motrices à une valeur prédéterminée. Sur le diagramme fonctionnel de la figure 2, il apparaît que le dispositif 6 comporte un bloc 23 qui élabore un signal représentatif de la vitesse V du véhicule, à partir des signaux délivrés par les capteurs 3' et 4' associés aux roues 3 et 4 non motrices, du rayon r d'une roue, et de la relation suivante: V = Max [Vr3,Vr4].r o Max est l'opérateur "maximum", Vr3 la vitesse angulaire de rotation de la roue 3 Vr4 la vitesse angulaire de rotation de la roue 4 L'utilisation de l'opérateur Max pour le calcul de la vitesse V assure que ce calcul de la vitesse reste exploitable si l'une des deux roues 3 ou 4 n'est plus en contact avec le sol ou si l'un des capteurs 3' ou 4' tombe en panne. Le bloc 22 élabore un signal représentatif du couple moteur CM à partir des informations issues des capteurs 5' et 6', représentatives du régime N du moteur et de l'angle d'ouverture du papillon des gaz apap. Le couple moteur est tiré d'une cartographie faisant intervenir ces paramètres. Le bloc 21 élabore un signal qui est représentatif de l'inertie Ir rapportée à la roue, et qui est déterminé à partir de la connaissance de l'inertie de la roue, de l'inertie du moteur et du rapport de démultiplication de la boîte de vitesses, selon la relation suivante: rap2 Ir = inero + inem. - o inero est l'inertie de la roue inem est l'inertie du moteur rap le rapport de démultiplication de la boîte de vitesses. Le bloc 25 a pour fonction de déterminer les paramètres a1 et b1 d'un modèle numérique H=(z-') (z-1 étant l'opérateur retard) reliant la séquence d'acquisition {Sxi} des valeurs de pseudo-glissement du train moteur à la séquence {Yi} des taux de réduction du couple moteur. Ce modèle numérique est issu de la numérisation, à la période d'échantillonnage Te qui est la période d'acquisition des données, de la fonction de transfert H(s) reliant le pseudo-glissement Sx du train moteur, au taux de réduction du couple moteur y, et qui formalise un modèle de comportement dynamique de ce train moteur en phase d'accélération du véhicule. Suivant l'invention, on choisit une fonction H(s) telle que: Sx CM (N, pap). rap. es r1r H(S) = - = - y Ir.V. s + r.k 2 r o: - CM est le couple moteur, fonction de la vitesse de rotation N du moteur et de l'angle d'ouverture apap du papillon de gaz, - rap est le rapport de démultiplication entre le couple appliqué à la roue et le couple sur l'arbre de sortie du moteur, fonction du rapport enclenché dans la boîte de vitesses du véhicule, - r le rayon d'une roue, - V la vitesse du véhicule, - Ir l'inertie rapportée à une roue, - k la pente de la caractéristique du pneumatique, - Tr le retard pur - s la variable de Laplace, - Sx le glissement du train de roues motrices, - y le taux de réduction du couple moteur, variable entre 0 et 1. Dans la présente application, la numérisation de la fonction de transfert H(s) conduit à la fonction de transfert numérisée H,(z-1) telle que: b1. z- {Sx.} Hn(z-) = = 1 +a1.z-l {y} dans laquelle a, et b1 sont les coefficients de la fonction de transfert numérique et sont déterminés par l'intermédiaire d'un certain nombre de variables intermédiaires qui sont: CM (N, o]pap). rap 1 G = - r.k 2 Ir.V T = r2. k = exp[- Te/T] Les expressions de a, et b1 sont alors: b1 = G(1-a) a1 = -a Comme indiqué dans l'ouvrage intitulé "Identification et commande des systèmes" auteur: Ioan Doré Landau, Edition Hermès, Paris 1980, pages 557 et 558, on peut noter cette fonction de transfert: (zd).B(z) Hn(z- 1) = A(z-) o: Tr d -, rapport du retard pur à la période Te d'échantillonnage Te, arrondi à la partie entière la plus proche, - B(z- 1) = b1.z-1 - A(z-1) = 1 + al.z-l Le bloc 24 élabore une grandeur représentative du taux de glissement Sx, ou de pseudo- glissement, du train moteur à partir des informations issues des capteurs 1' à 4' mesurant les vitesses de rotation des roues. Selon la présente invention, ce taux de glissement est calculé de préférence à l'aide de la relation suivante: Vrl + Vr2 Sx = 1 - 2.Max [Vr3,Vr4] expression dans laquelle Vr et Vr2 sont les vitesses des roues motrices, Vr3 et Vr4 sont les vitesses de rotation des roues non motrices, et Max représente l'opérateur "maximum de" Suivant la présente invention, les taux de glissement sont échantillonnés et sont exploités dans un système de commande numérique connu du spécialiste sous le nom de "R-S- T". On pourra se reporter à l'ouvrage de Landau cité précédemment pour la description et le calcul d'un tel système par la méthode de "poursuite et régulation à objectifs indépendants", pages 112 et 123. Le taux de glissement réel (Sx) du train moteur alimente un bloc R qui exécute une fonction de filtrage numérique pour calculer une grandeur Sx telle que: Sxr = r0 Sx(t) + rl.Sx(t-Te) + r2.Sx(t-2Te) o Te est la période d'échantillonnage des mesures, t l'instant courant. Dans l'application automobile envisagée, Te peut être de l'ordre de 10 ms par exemple. Le taux de glissement de consigne (Sxc) alimente un bloc T, qui exécute une fonction de filtrage numérique pour calculer une grandeur (Sxct) telle que: Sxct = Sxc(t) + tl.Sxc(t-Te) + t2.Sxc(t-2Te) L'écart (E) entre le taux de glissement filtré par le bloc R (Sxr) et le taux de glissement de consigne filtré par le bloc T (Sxct) sort d'un comparateur 41. Un bloc S exécute une fonction de filtrage numérique pour calculer un facteur pondérateur (y), ou taux de réduction du couple moteur, à partir de l'écart (E), selon la loi suivante: y(t) = - (S-S0).y(t-Te) - (S2-Sl). y(t-2Te) - (S3-S2).y(t-3Te) - (0-S3).y(t-4Te) - E(t) On remarquera que les blocs R et S définissent la dynamique de régulation du dispositif alors que le bloc T définit la dynamique de poursuite de la consigne de glissement. Le bloc S. en particulier, aazt en intégrateur de signaux de haute fréquence ou, suivant une autre analogie, en filtre passe-bas. Suivant l'invention, les coefficients r0 r1 et r2 introduits dans le bloc R, les coefficients tz et t2 introduits dans le bloc T ainsi que les coefficients S., Sz, S2 et S3 introduits dans lie bloc S sont calculés dans le bloc 27, à partir des coefficients a, et b1, paramètres du modèle numérique Hn(z-') précédemment décrit, des données d et Te, et deux variables P1 et p., qui sont calculées dans un bloc 26, et qui représentent la dynamique souhaitée en boucle fermée pour le système. Pour plus de renseignements, on pourra se reporter à l'ouvrage cité précédemment. Dans la présente invention, p, et P2 sont issus de la discrétisation d'un système du deuxième ordre caractérisé par sa pulsation naturelle Un et son amortissement à,àla période d'échantillonnage Te, et peuvent être calculés de la façon suivante: P1 = - 2 k1 k2 P2 = k12 o k1 = exp(-$.wn. Te) k2 = Cos(Wn.I 1-[2.Te) A titre d'exemple, on peut choisir Un tel que 0,25 Ces choix correspondent au respect du théorème de Shannon, quant à l'échantillonnage des signaux à traiter. Ces fourchettes indiquent que le choix de la fréquence d'échantillonnage, pour les systèmes de commande-régulation se fait en fonction de la bande passante désirée pour le système en boucle fermée. On pourra se reporter à cet égard à l'ouvrage précité de Ioan Doré Landau, pages 42 à 49. Selon la présente invention, Un permet d'agir sur la rapidité de réponse du système en boucle fermée ou, en d'autres termes, sur la bande passante du système, mais également sur la robustesse de la commande vis- à-vis d'erreurs de modélisation, des valeurs trop importantes de Un conduisant à une dégradation de la robustesse. Le bloc 27 détermine les valeurs des paramètres introduits dans le bloc S (SO,S1,S2 et S3), le bloc R (r0,r, et r2) et le bloc T (t. et t2). Ces paramètres sont déterminés selon une procédure de type "poursuite et régulation à objectifs indépendants" décrite dans l'ouvrage précité de Landau. A titre d'exemple de mise en oeuvre de la présente invention, les coefficients r0,r1,r2,tl,t2,S0,S1,S2,S3 sont déterminés dans le cas o d = 1, c'est-à-dire dans le cas o le retard pur existant entre le moment o la consigne de réduction de couple y est appliquée au moteur, et le moment de l'effet direct sur le couple moteur, est de l'ordre de Te, période d'échantillonnage, et en présence d'un intégrateur numérique dans le bloc de filtrage S, de façon à éliminer les erreurs statiques en phase de régulation. Les coefficients des fonctions de filtrage exécutées dans les blocs R, S et T peuvent être calculés à l'aide des expressions suivantes, dans les cas o Tr = Te (soit d = 1): = al - 1 2 = - ai s'1 = P1 - ( S 2= 0 Les coefficients sont alors donnés par les expressions: o = bl SI = b (s1' - 1) S2= b1 s2' - S') S3 = b (-s2') r0 = P2-c1 S'' I-2 r, = - a2 s' et r2 = 0 t1 = Pl t2 = P2 Le bloc 28 a pour fonction de traiter le taux de réduction du couple moteur y de consigne avant de l'appliquer au calculateur 7 de commande du moteur, avec le signal issu du capteur 8' de détection du serrage du frein à main. Dans la présente invention, la régulation en glissement n'est pas activée lorsque les roues non motrices sont freinées, c'est-à-dire lorsque le capteur 8' délivre un signal indiquant que le frein à main est serré. La désactivation est obtenue en forçant le coefficient y à 1 lorsque le frein à main est serré. En effet, lorsque les roues non motrices sont freinées, le calcul du taux de glissement Sx est biaisé du fait que ces mêmes roues ont elles-mêmes du glissement dû au freinage. Dans ce cas, les capteurs 3' et 4' ne délivrent pas des signaux représentatifs de la vitesse du véhicule. De plus, la valeur de y est astreinte à être comprise entre [0,1]. La valeur 1 correspond au taux minimum de réduction de couple et la valeur 0 correspond au taux maximum de réduction de couple. On effectue donc les deux opérations suivantes: Si y > 1 alors y = 1 Si y air/carburant plutôt que sur l'injection. Suivant une autre variante du procédé de commande selon l'invention, le calculateur pilote l'angle d'ouverture du papillon des gaz pour ajuster le couple moteur à la valeur calculée. Dans ce cas, la fonction de transfert H(s) devient: Sx rap. CM (N, cYap max) / pap max e- s'r 1 H(s) - Cpap (Ir.V.s+r.k) (1+sr) 2 r o apapmax est l'angle d'ouverture maximum du papillon des gaz, et o H(s) tient compte d'une approximation du premier ordre, suffisante en la matière, suivant laquelle la réduction du couple moteur obtenue est fonction linéaire de l'angle d'ouverture du papillon. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que, dans le cas o le retard pur pourrait être assimilé à un multiple du temps d'échantillonnage Te plus5 grand que 1, les coefficients des fonctions exécutées dans les blocs R, S et T et le nombre de termes de ces fonctions, pourraient être adaptés à un tel retard pur, par une procédure de calcul analogue à celle décrite ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande en phase d'accélération d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule routier par l'intermédiaire d'un train de roues motrices, suivant lequel on élabore un signal représentatif du taux de glissement réel (Sx) de ce train de roues, on compare ce signal à un signal représentatif d'un taux de glissement de consigne (Sxc) pour former un signal d'écart (E) entre ces taux, on tire de ce signal d'écart (2) un signal représentatif d'un taux de réduction du couple délivré par le moteur aux roues motrices et propre à commander celui-ci de manière que le glissement réel (Sx) du train soit sensiblement égal au glissement de consigne (Sxc), procédé caractérisé en ce qu'on échantillonne les signaux représentatifs des grandeurs (Sx), (Sxc) et (E) et on les traite dans des blocs de filtrage numérique (R), (T) et (S) respectivement, établis à l'aide d'un modèle de comportement dynamique du train de roues motrices en phase d'accélération sous l'action du couple moteur. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on adapte les blocs de filtrage numérique (R, S, T) au rapport (d) du retard pur (Tr) de la commande à la période d'échantillonnage (Te). 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que, pour établir les fonctions des blocs de filtrage numérique (R,S,T) on utilise un modèle de comportement dynamique défini par une fonction de transfert H(s) telle que: Sx CM (N, cpap). rap.eS Tr 1 H(s) = - = - y Ir.V.s + r.k 2 r o: - CM est le couple moteur, fonction de la vitesse de rotation N du moteur et de l'angle d'ouverture apap du papillon des gaz du moteur, - rap est le rapport de démultiplication entre le couple appliqué à la roue et le couple sur l'arbre de sortie du moteur, fonction du rapport enclenché dans la boîte de vitesses du véhicule, - r le rayon d'une roue, - V la vitesse du véhicule, - I l'inertie rapportée à une roue, - k la pente de la caractéristique du pneumatique, - T. le retard pur, - s la variable de Laplace, - Sx le glissement du train de roues motrices, - y le taux de réduction du couple moteur, variable entre 0 et 1. 4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc (R) délivre un glissement réel filtré (Sxr) tel que: Sxr = r-.Sx(t) + rSx(t-Te) + r-.Sx(t-2Te) o t est l'instant courant, Te la période d'échantillonnage de la mesure (Sx) du glissement, r3, rz, r2 des paramètres. 5. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc T délivre un glissement de consigne filtré (Sxct) tel que: Sxct = Sxc(t) + t-.Sxc(t-Tei + t:.Sxc!t-2Te) o t est l'instant courant, Te la période d'échantillonnage, t:, tz des paramètres. 6. Procédé conforme à 'a revendication 3, caractérisé en ce que le bloc (S) délivre le taux de réduction (y) tel que: y(t) = ú(t) -(Sl-SD).y(tTe) - (S2-SI).y(t-2Te) - (S3-S2).y(t-3Te) - (0-S3).y(t-4Te) t étant l'instant courant, Te la période d'échantillonnage, S-,S:,S:,S;, des paramètres. 7. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'on agit sur le couple moteur par l'intermédiaire de la commande du temps d'ouverture d'injecteurs de carburant dans le moteur. 8. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'on agit sur le couple moteur par l'intermédiaire de la commande de l'avance à l'allumage du mélange air/carburant. 9. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on agit sur le couple moteur en pilotant l'angle d'ouverture du papillon des gaz du moteur. 10. Véhicule routier conçu pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un dispositif de commande (6) d'une réduction du couple fourni par le moteur du véhicule au train de roues motrices de ce véhicule et un calculateur (7) de commande du fonctionnement du moteur alimenté par un signal (y) représentatif d'un taux de réduction du couple et délivré par le dispositif, celui-ci étant lui-même alimenté par des capteurs (1' à 4') délivrant des signaux représentatifs des vitesses des roues du véhicule pour la détermination du taux de glissement du train de roues motrices, par des capteurs (5,6'') délivrant des signaux permettant le calcul du couple de sortie du moteur et par un capteur (7') délivrant un signal représentatif du rapport engagé dans une boîte de vitesses associée au moteur, le dispositif (6) comprenant des moyens d'élaboration d'un signal d'écart (E) entre le glissement réel (Sx) du train et une valeur de glissement de consigne (Sxc), des moyens de traitement dudit signal d'écart (E) pour former le signal (y) de réduction du couple moteur en fonction de l'évolution du glissement du train, lesdits moyens de traitement comprennent des moyens de filtrage numérique (R,S,T) établis à l'aide d'un modèle de comportement dynamique H(s) du train de roues motrices en phase d'accélération, ces moyens (R,S,T) traitant respectivement les glissements (Sx), (Sxc) et l'écart (E) de manière à former le signal (y) exploité par le calculateur (7) de commande du fonctionnement du moteur pour assurer une réduction prédéterminée du couple délivré par le moteur au train de roues motrices.