Brevet FR2749350A1 — publié le 19971205

SYSTEME DE REGULATION DE LA RICHESSE PAR MODE DE GLISSEMENT L'invention concerne un système pour réguler la richesse du mélange air-carburant qui est injecté dans les cylindres d'un moteur à combustion interne de manière que la richesse du mélange air-carburant injecté suive une valeur de consigne. Les moteurs à combustion interne du type à injection fonctionnent avec des rapports air-carburant, appelés richesses, variant de 0,4 pour un mélange dit pauvre à 1,3 pour un mélange dit riche, la valeur 1 correspondant au mélange stoechiométrique pour lequel la quantité d'oxygène contenue dans le mélange aircarburant est exactement égale à celle nécessaire à l'oxydation complète du carburant. Dans de tels moteurs, la régulation de richesse a pour but d'assurer l'asservissement de la richesse du mélange injecté à une richesse de consigne variable en présence d'éventuelles perturbations et de phases transitoires dues, par exemple, à un changement de pression collecteur, un changement de mode de fonctionnement du régime pauvre vers le régime riche et inversement ... En outre, cette régulation de richesse doit prendre en compte d'autres contraintes relatives au confort et à l'agrément de conduite et à des normes concernant les émissions de gaz polluants issus de la combustion du mélange air-carburant. La régulation de richesse est généralement réalisée par un dispositif de commande en boucle fermée du type Proportionnel-Intégral-Dérivé, plus connu sous l'acronyme P.I.D. . Un tel dispositif P.I.D. présente l'inconvénient de ne prendre en compte que certains aspects de fonctionnement du moteur et, en conséquence, de n'être pas satisfaisant sur d'autres aspects tels que le point de fonctionnement, le vieillissement du moteur, la "robustesse", c'est-à-dire le maintien du point de fonctionnement dans des limites déterminées quelles que soient les perturbations, le traitement du retard entre l'instant d'injection et la mesure de la richesse ... Pour remédier aux lacunes des régulateurs P.I.D., il a été proposé d'utiliser des procédés mis en oeuvre dans le domaine de l'automatisme du type commande par modèle interne ou commande adaptative indirecte. Ces procédés font appel à une identification en ligne des paramètres du moteur qui est basée sur l'utilisation d'un observateur du type filtre de Kalman. La mise en oeuvre de ces procédés d'automatisme conduit à effectuer de nombreux calculs et algorithmes qui nécessitent l'utilisation d'un calculateur électronique puissant dont l'industrialisation, le réglage et la maintenance sont difficiles à réaliser dans le domaine de l'automobile. Il a également été proposé de réaliser le dispositif de régulation à l'aide d'un dispositif "prédicteur de Smith11 dont la fonction est par exemple décrite au chapitre 5 du livre intitulé 'XCONTROL OF TIME DELAY SYSTEMS" de J.E. MARSHALL et édité en 1979 par PETER PEREGRINOS LTD et THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS. L'effet essentiel d'un tel dispositif "prédicteur de Smith" est de tenir compte du temps de transfert introduit par le moteur en calculant une richesse prédite retardée qui est comparée à la richesse mesurée à la sortie du moteur pour obtenir une erreur de prédiction sur la valeur de la richesse, erreur de prédiction qui est introduite dans la boucle de réaction du système de régulation à l'entrée du régulateur du système. Un régulateur traditionnel, du type Proportionnel/Intégral, présente des termes correcteurs qui ont un rapport Proportionnel/Intégral constant dans ce type d'application, ce qui ne permet pas de modifier rapidement la durée d'injection lorsqu'on passe d'un point de fonctionnement à un autre, notamment en cas de passage d'un mélange pauvre à un mélange riche et inversement. Il en résulte une instabilité du moteur, d'où vibrations, à-coups, pollution accrue ... Le but de la présente invention est donc de réaliser un système de régulation de la richesse du mélange aircarburant injecté dans un moteur à combustion interne, du type "prédicteur de Smith", qui permet de modifier rapidement la richesse du mélange de manière à revenir à un point de fonctionnement stable du moteur. Un tel but est atteint en mettant en oeuvre un régulateur à modes glissants réalisé par un algorithme. L'invention concerne donc un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne du type à injection de fonction de transfert Gp comprenant - un dispositif de calcul de la valeur de la richesse de consigne RICONS du mélange air-carburant à injecter dans le moteur, - un dispositif de modélisation de la fonction de transfert Gp du moteur qui calcule une valeur de richesse à suivre RISUIV à partir de la valeur de la richesse de consigne RICONS, - une sonde de mesure pour mesurer la valeur RI de la richesse des gaz d'échappement, - un comparateur pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur RI de la richesse mesurée par la sonde de mesure de manière à fournir une valeur d'erreur E = RISUIV - RI, - un dispositif de régulation de fonction de transfert Gc pour calculer la valeur Ud de correction de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur en fonction de la valeur d'erreur E, et - un additionneur pour additionner la valeur calculée Ud de correction de la richesse à la valeur RICONS de la richesse de consigne de manière à fournir une valeur Um de la richesse du mélange air-carburant à injecter dans le moteur, caractérisé en ce que le dispositif de régulation est un dispositif prédicteur de Smith qui comprend - un dispositif de calcul 30 de la valeur de la richesse prédite RICPRED, à partir de la valeur Um, - un dispositif de calcul 32 de la valeur de la richesse prédite retardée RICPREDr à partir de la valeur de la richesse prédite RICPRED, tenant compte du retard de transfert du moteur 10, et - un premier comparateur 34 pour comparer la valeur prédite retardée RICPREDr à la valeur de richesse RI de manière à fournir une valeur d'erreur ERRMODEL, - un comparateur pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur (RICPRED + ERRMODEL) de manière à fournir une valeur d'erreur E = (RISUIV - RICPRED - ERRMODEL), et - un dispositif de régulation du type non-linéaire auquel est appliquée la valeur d'erreur E pour fournir la valeur de correction Ud qui est additionnée à la valeur RICONS = Uf par l'intermédiaire de l'additionneur. Le dispositif de régulation de type non linéaire réalise une fonction de commutation entre deux droites de glissement parallèles à la droite de fonctionnement de manière à fournir la valeur de correction Ud qui est soit proportionnelle à l'écart entre l'une des droites de glissement et la droite de fonctionnement, soit une valeur fixe déterminée selon que le point de fonctionnement est respectivement dans la zone entre les deux droites de glissement ou à l'extérieur de cette zone. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est un schéma fonctionnel classique d'un système de régulation de la richesse du mélange air carburant injecté dans un moteur à combustion interne, - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un système de régulation de la richesse du mélange air-carburant injecté dans un moteur à combustion interne dans lequel le dispositif de régulation, du type "prédicteur de Smith", présente des caractéristiques selon 1' invention, - la figure 3 est un diagramme montrant les droites de glissement de la régulation de richesse selon 1' invention, - la figure 4 est un diagramme montrant la loi de commande du régulateur selon l'invention, et - la figure 5 est un schéma fonctionnel indiquant les fonctions réalisées par le régulateur à modes glissants selon l'invention. Le système de régulation de la richesse du mélange aircarburant injecté dans un moteur à combustion interne 10 (figure 1) de fonction de transfert Gp comprend de manière classique - une sonde de mesure 20 du type proportionnel qui est disposée sur le conduit d'échappement des gaz et qui mesure la richesse RI des gaz d'échappement, - un dispositif de calcul 12 de la valeur de la richesse de consigne RICONS en fonction de paramètres tels que la pression du collecteur d'admission de l'air, le régime du moteur, les températures de l'eau et de l'air, la "loi" régissant la pédale d'accélération appelée "loi pédale", - un dispositif de modélisation 14 de la fonction Gp du moteur et dont la fonction de transfert sera notée Gs, ce dispositif 14 ayant une borne d'entrée qui reçoit la valeur RICONS et une borne de sortie qui fournit une valeur de richesse RISUIV qui est une reproduction calculée de la richesse RI mesurée par la sonde 20, - un comparateur 16 qui compare les valeurs des richesses RISUIV (calculée) et RI (mesurée) appliquées sur ses bornes d'entrée pour fournir une valeur différence E sur sa borne de sortie telle que E = (RISUIV-RI) - un régulateur 18 de fonction de transfert Gc à la borne d'entrée duquel est appliquée la valeur e et qui fournit sur sa borne de sortie une valeur Ud = Gc (e), - un additionneur 22 dont les bornes d'entrée sont connectées respectivement à la borne de sortie du dispositif de calcul 12 et à la borne de sortie du régulateur 18 et qui additionne à la valeur Ud la valeur RICONS = Uf fournie par le dispositif de calcul 12, soit Um = Ud + Uf, et - un convertisseur 24 de la valeur Um en une durée d'injection de carburant Tm. La fonction de régulation qui est réalisée par les éléments 16,18,22,24,10 et 20 est donnée par la relation Gc . gap 1 + Gc.Gp Dans un tel système de régulation selon le schéma de la figure 1, le régulateur 18 est de type classique, ctest-à-dire par exemple du genre Proportionnel Intégral-Dérivé, qui ne tient pas compte du retard existant entre l'instant d'injection du mélange air-carburant et l'instant où l'on mesure la richesse RI correspondant à cette injection. Ce retard est noté d.u, formule dans laquelle u est le temps élémentaire séparant deux Points Morts Hauts consécutifs et d est un nombre entier. Pour tenir compte de ce retard, le régulateur 18 et le comparateur 16 sont remplacés par un dispositif 30 (figure 2) qui réalise une fonction dite prédicteur de Smith". Un telle fonction est par exemple décrite au chapitre 5 du livre intitulé : "CONTROL OF TIME-DELAY SYSTEMS" de J.E.MARSHALL et édité en 1979 par PETER PEREGRINOS LTD et THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS. Le dispositif 30 comprend - un régulateur 26 du type à modes glissants qui sera défini ci-après, et qui fournit la valeur de correction Ud de la richesse, à partir de la valeur d'erreur fournie par un comparateur 40 similaire au comparateur 16 du schéma de la figure 1, - un dispositif 28 de calcul de la richesse prédite RICPRED à partir de la valeur Um fournie par l'additionneur 22, dispositif qui a une fonction de transfert Gp(z1), z-1 étant une variable z retardée d'un temps élémentaire u, - un dispositif 32 de calcul de la richesse prédite retardée RICPREDr à partir de la valeur RICPRED fournie par le dispositif 28, dispositif qui a une fonction de retard z-d de d temps élémentaires u correspondant au retard introduit par le moteur 10, - un comparateur 38 pour comparer la valeur RICPREDr de la richesse prédite retardée à la valeur RI de la richesse mesurée par la sonde 20 de manière à fournir une valeur d'erreur ERRMODEL telle que ERRMODEL = RICPREDr - RI, - le comparateur 40 pour soustraire les valeurs RICPRED et ERRMODEL à la valeur RISUIV de manière à obtenir la valeur d'erreur E qui est appliquée au régulateur 26. Le régulateur 26 est du type non-linéaire à modes glissants comme cela sera expliqué ci-après en relation avec les figures 3, 4 et 5. Sur le diagramme de la figure 3, la droite 46 représente une droite de commutation dans l'espace de phase à deux dimensions E et Se d'équation S = E + r.6E avec SE qui est égale à la dérivée, par rapport au temps de E et r un coefficient qui dépend de la température d'eau de refroidissement du moteur. Au-dessus de cette droite 46, un régulateur de type classique élabore une commande positive pour ramener le point de fonctionnement sur cette droite et, au-dessous de cette droite 46, il élabore une commande négative pour ramener le point de fonctionnement sur cette droite. Sur la droite 46, aucune commande n'est nécessaire et le système gagne l'état d'équilibre tel que E = 0 et ## = 0. Une telle loi de commande, du type tout ou rien, conduit dans certaines circonstances telles que le passage d'un mélange pauvre à un mélange riche et inversement à un mauvais fonctionnement du moteur. Pour pallier cet inconvénient, l'invention propose de réaliser un régulateur qui comporte une zone de glissement dans laquelle la loi de commande est proportionnelle à la distance à la droite de commutation 46. En dehors de cette zone de glissement, la commande est du type tout ou rien. La zone de glissement est par exemple définie par deux droites 42 et 44 parallèles à la droite 46 et séparées de cette dernière par une même distance sur l'axe des abscisses E. La droite 42 a alors pour équation S = E + r # ## = tandis que la droite 44 a pour équation S = E + r.6E = - La figure 4 est un diagramme qui donne la valeur de commande U en fonction de la valeur de S et qui stécrit : U = +SAT si S = E + F.SE > U = S si ILS s | = |# + FUSEL | # | #| U = SAT si S = E + r.## Cette valeur de commande U est déterminée à chaque cycle du moteur et est ensuite intégrée pour obtenir la valeur Ud de régulation telle que Udk = (1 - G)-Udk-l + GU avec G une valeur comprise entre 0 et 1, Udk la valeur de régulation au Point Mort Haut de rang k et Udk~l la valeur de régulation au Point Mort Haut de rang (k-l). La figure 5 est un schéma fonctionnel d'un régulateur 26 qui remplit les fonctions définies ci-dessus et qui comprend - un dispositif de calcul 50 de la valeur S = E + F.SE - un dispositif de calcul 52 de la valeur de commande U en fonction du résultat de la comparaison de la valeur S à des valeurs -, +, et - un intégrateur 54 de la valeur U sur plusieurs cycles du moteur. L'invention a été décrite dans le cas d'un espace (e, SE) à deux dimensions mais elle s'applique aussi à un espace multidimensionnel. Les différents calculs et fonctions qui ont été décrits sont de préférence réalisés par un calculateur de type numérique à l'aide d'algorithmes de calcul adaptés à chaque calcul ou fonction. REVENDICATIONS 1. Système de régulation de la richesse du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne (10) du type à injection de fonction de transfert Gp comprenant - un dispositif de calcul (12) de la valeur de la richesse de consigne RICONS du mélange air-carburant à injecter dans le moteur (10), - un dispositif de modélisation (14) de la fonction de transfert Gp du moteur (10) qui calcule une valeur de richesse à suivre RISUIV à partir de la valeur de la richesse de consigne RICONS, - une sonde de mesure (20) pour mesurer la valeur RI de la richesse des gaz d'échappement, - un comparateur (16) pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur RI de la richesse mesurée par la sonde de mesure (20) de manière à fournir une valeur d'erreur E = RISUIV - RI, - un dispositif de régulation (18) de fonction de transfert Gc pour calculer la valeur Ud de correction de la richesse du mélange air-carburant injecté dans le moteur (10) en fonction de la valeur d'erreur e, et - un additionneur (22) pour additionner la valeur calculée Ud de correction de la richesse à la valeur RICONS de la richesse de consigne de manière à fournir une valeur Um de la richesse du mélange air carburant à injecter dans le moteur (10), caractérisé en ce que le dispositif de régulation (18) est un dispositif prédicteur de Smith (30, 60) qui comprend - un dispositif de calcul 28 de la valeur de la richesse prédite RICPRED à partir de la valeur Um, - un dispositif de calcul 32 de la valeur de la richesse prédite retardée RICPREDr à partir de la richesse prédite RICPRED en tenant compte du retard de transfert du moteur 10, - un premier comparateur 34 pour comparer la valeur prédite retardée RICPRED r à la valeur de richesse RI de manière à fournir une valeur d'erreur ERRMODEL, - un deuxième comparateur (40) pour comparer la valeur RISUIV de la richesse à suivre à la valeur (RICPRED + ERRMODEL) de manière à fournir une valeur d'erreur E = (RISUIV - RICPRED - ERRMODEL), et - un dispositif de régulation (26) du type non-linéaire auquel est appliquée la valeur d'erreur e pour fournir la valeur de correction Ud qui est additionnée à la valeur RICONS = Uf par l'intermédiaire de l'additionneur (22). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de régulation 26 du type non-linéaire comprend - un dispositif de calcul (50) de la valeur S = e + r.SE dans laquelle est un coefficient qui dépend de la température d'eau de refroidissement du moteur, et Se est la dérivée par rapport au temps de la valeur d'erreur e, - un dispositif de comparaison (52) qui fournit . une valeur U telle que U = S = E + r.de si ISI | une valeur U = + SAT si S > +, et une valeur U = - SAT si S # et SAT étant des valeurs déterminées par le système. - un dispositif d'intégration (54) qui fournit une valeur d'erreur Ud telle que Udk = (1 - G).Udk + G.U (k-l) et k étant les rangs de deux Points Morts hauts successifs et G une valeur comprise entre 0 et 1.