Brevet FR2772427A1 — publié le 19990618

SYSTEXE DE CONTROLE DU MOTEUR D'ION VEHICULE PAR RESEAUX DE NEURONES L'invention se rapporte à un système de contrôle du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Ce contrôle est non linéaire et s'effectue sous plusieurs contraintes en utilisant plusieurs actionneurs, dont au moins un est soumis directement à une contrainte. De plus, ce système de contrôle s'adapte constamment aux évolutions du moteur. Le but d'un système de contrôle du fonctionnement d'un moteur thermique de véhicule automobile est d'une part d'améliorer la combustion du mélange air-carburant injecté dans les cylindres du moteur, pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, amélioration qui passe en particulier par la réduction de la consommation en carburant et des émissions de substances polluantes, et d'autre part d'assurer un confort de conduite. Ce contrôle s'exprime sous la forme d'une fonction ou loi de commande, qui, pour un état donné du moteur, des contraintes à imposer et des objectifs à atteindre, associe des valeurs à appliquer aux actionneurs pilotant le moteur. Ces variables sont notamment le temps d'injection T. ou temps d'ouverture des injecteurs représentant la quantité d'essence injectée dans les cylindres, le rapport cyclique d'ouverture, R.C.O., de la vanne d'air additionnel ou du papillon motorisé correspondant au débit d'air passant par la vanne, commandée électroniquement pour optimiser le mélange air-essence, et l'avance à l'allumage Av correspondant à l'instant d'éclatement de l'étincelle à l'extrémité des bougies au moment le plus judicieux pour obtenir un meilleur rendement mécanique de l'explosion du mélange. Le nombre de paramètres de réglage du moteur augmente, les objectifs sont de plus en plus précis et les marges sur les contraintes sont réduites, en particulier concernant les émissions de polluants. Pour répondre à cette évolution, il est nécessaire de concevoir des lois de commande plus fines et moins linéaires, ce qui augmente le nombre de réglages nécessaires donc celui des calibrations du système de contrôle. Cela implique un contrôle du moteur qui soit non linéaire, multivariable et adaptatif aux évolutions du moteur dans le temps. Actuellement, les systemes de contrôle moteur sont linéaires, utilisant des algorithmes linéaires tels que le P.I.D. (Proportional Integral Derivative) ou le L.Q.I. (Linear Quadratic Integrator), ou bien non linéaires, utilisant une prédiction de leurs actions qui peut être effectuée par des réseaux de neurones. Dans la demande de brevet américain Us-s 493 631 déposée au nom de TOYOTA, est décrit un système de contrôle comprenant un contrôleur linéaire auquel est ajouté un contrôleur à réseau de neurones qui prend en charge une certaine adaptabilité aux évolutions du moteur. Mais les problèmes de réglage et de mise au point du contrôle linéaire ne sont pas résolus. La demande de brevet français FR 96 04744 au nom de RENAULT concerne un système de contrôle du moteur d'un véhicule, destiné à réguler le régime du moteur au ralenti et qui n'est pas adaptatif au vieillissement du moteur. Pour résoudre ces inconvénients, l'invention propose un système de contrôle gérant plusieurs variables de fonctionnement du moteur, de façon non linéaire et adaptative aux évolutions du moteur. Pour cela, l'objet de l'invention est un système de contrôle embarqué du fonctionnement d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, comprenant un calculateur électronique de commande relié à des capteurs de paramètres d'état du moteur, et à des capteurs de paramètres extérieurs, qui délivre les commandes des actionneurs physiques du moteur pour réguler certaines variables de fonctionnement du moteur autour de variables de consigne issues d'un automate, caractérisé en ce que le calculateur électronique comprend de plus - un modèle d'au moins une partie du moteur ; - un dispositif contrôleur constitué d'un réseau de neurones non linéaire, d'une part recevant en entrée plusieurs valeurs de consigne D, des valeurs des paramètres d'état C du moteur et des valeurs des paramètres extérieurs A, et d'autre part relié au modèle du moteur en vue de son adaptation aux évolutions du moteur; - un dispositif comparateur entre les valeurs réelles de fonctionnement du moteur et les valeurs de consigne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation d'un système de contrôle, illustrée par différentes figures qui sont - la figure 1 : le schéma de principe d'un système de contrôle appliqué à un moteur, selon l'invention - la figure 2 : le schéma d'un premier exemple particulier de réalisation d'un système de contrôle à partir d'un réseau de neurones adaptatif, selon l'invention - les figures 3a et 3b : la représentation symbolique d'un neurone et la courbe représentative de son signal de sortie - la figure 4 : le schéma d'un exemple particulier de réalisation d'un modèle partiel adaptatif d'un moteur, selon l'invention - la figure 5 : le schéma d'un second exemple particulier de réalisation d'un système de contrôle adaptatif, selon l'invention. Les éléments portants les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Sur le schéma de principe de la figure 1, le moteur 1 d'un véhicule automobile, dont l'allumage et l'injection sont pilotés électroniquement, est commandé par plusieurs valeurs à appliquer à des actionneurs, par exemple l'avance à l'allumage Av ou l'ouverture du papillon RCO. Son état de fonctionnement est déterminé par un ensemble de plusieurs paramètres d'état, observés directement par des capteurs 2 ou obtenus à partir de calculs réalisés sur les valeurs issues des capteurs. Ces paramètres d'état C sur lesquels le système de contrôle a une influence sont par exemple la pression Pc dans le collecteur d'admission d'air et le régime moteur N qui sont directement issus d'un capteur, ou bien le couple Co qui est calculé. Les valeurs de ces différents parametres issues directement ou indirectement des capteurs 2 sont envoyées dans un dispositif contrôleur 4, qui reçoit par ailleurs les valeurs des paramètres A extérieurs au moteur, c'est-àdire la température Ta et la pression Pa atmosphériques, la température d'eau T e du moteur et la température T c dans le collecteur. Ce contrôleur 4 est destiné à faire suivre une trajectoire de consigne, issue d'un automate 3, à un sous-ensemble de paramètres observés, tels que le couple Co du moteur ou l'avance à l'allumage Av, en déterminant les valeurs B à appliquer à certains actionneurs 7. Selon une caractéristique de l'invention, le contrôleur 4 est constitué d'un modèle 5 au moins partiel du moteur, d'un réseau de neurones 6 et d'un dispositif comparateur 8 destiné à estimer l'écart entre le fonctionnement réel du moteur et les valeurs de consigne. Selon un premier exemple de réalisation d'un système de contrôle selon l'invention, représenté sur la figure 2, le contrôleur 4 comprend un réseau de neurones 6, destiné à calculer les valeurs B à appliquer aux actionneurs 7 en fonction des trajectoires de consigne D fournies par l'automate 3, en fonction de l'état réel de fonctionnement du moteur observé par les capteurs 2 et en fonction des valeurs des paramètres extérieurs A. Ces trois types de valeurs D, C et A entrent dans un module 6a de pré-traitement des données, réalisant leur conversion en un nombre Ne de valeurs qui constituent les entrées E. du réseau de neurones, i étant un nombre entier positif compris entre 1 et Ne. Le réseau de neurones calcule un nombre Ns de valeurs de sortie j étant un nombre entier positif compris entre 1 et Ns, ces valeurs Sj étant ensuite traitées dans un module 6b de post-traitement pour générer des valeurs qui seront appliquées aux actionneurs 7. Le réseau de neurones 6 proprement dit est constitué d'éléments non linéaires, des neurones, liés entre eux par un graphe non récursif et organisés en plusieurs couches. Il comprend une première couche d'entrée recevant les valeurs d'entrée E1 à ENe, au moins une couche cachée C c et une couche de sortie délivrant les valeurs de sortie Sj à SNs. Tous les neurones ont le même comportement, explicité par la figure 3at représentant un neurone Neu dont les entrées E. sont pondérées par des poids Wi, i étant un nombre entier compris entre 1 et n, associés au neurone. Leur somme SWi*Ei est l'activation v du neurone et la sortie S du neurone est une fonction sigmoide e de son activation S = [Wi*Ei] (figure 3b) Les valeurs des e activations des neurones sont mémorisées dans un module 6c, qui sera utilisé pour l'adaptation du contrôleur. Pour réaliser cette adaptation du réseau de neurones au fonctionnement réel du moteur, le calculateur électronique comprend de plus un modèle 5 du moteur, qui peut être partiel, et un module 9 estimant l'erreur F en sortie du réseau de neurones, à partir des valeurs des paramètres extérieurs A et des valeurs B appliquées aux actionneurs 7, à partir de certains paramètres du modèle 5 que sont les dérivées partielles du modèle par rapport aux valeurs de commande, et à partir de l'écart ERN observé, par le comparateur 8, entre la valeur de consigne D et les valeurs réelles C des variables à contrôler issues des capteurs 2, qu'il combine entre eux pour calculer le gradient du modèle du moteur par rapport au contrôle. Ces erreurs F sont envoyées vers la sortie du réseau de neurones 6, pour être combinées, dans un module 6dw aux activations des neurones qui sont stockées dans le module de mémorisation 6c, et fournies au réseau de neurones afin de réajuster ses poids1 selon deux méthodes possibles d'optimisation des poids que sont la rétropropagation du gradient du réseau de neurones ou le recuit simulé. Ce modèle du moteur est soit utilise au cours de la phase d'apprentissage du réseau de neurones, sur un banc à rouleaux, pour ajuster ses poids au type de moteur concerné, soit embarqué dans le véhicule équipé dudit moteur pour assurer l'ajustement des poids des neurones en phase de roulage du véhicule, ce qui apporte un gain de temps par rapport à l'apprentissage précédent. Selon une autre caractéristique de l'invention, le modèle 5 du moteur, qu'il soit partiel ou non, lorsqu'il est embarqué sur le véhicule, doit pouvoir s'adapter aux évolutions du moteur, notamment à son vieillissement dans le temps. Le modèle 5 est donc mis à jour en ligne, pendant le roulage du véhicule, et à mesure de l'observation du comportement réel du moteur par le comparateur 8, comme le montre la figure 4. En fonction des paramètres extérieurs A, la pression a et la température T a atmosphériques par exemple et des valeurs délivrées par les actionneurs 7, l'avance à l'allumage Av et le rapport cyclique d'ouverture RCO par exemple, le modèle du moteur estime l'état partiel du moteur qui est analysé par un simulateur de capteurs 10. Les valeurs C issues des capteurs 2 du véhicule et les valeurs estimées G, issues du simulateur de capteurs 10, le couple Co, le régime N et la pression collecteur Pc notamment, sont comparées par l'observateur 8, qui calcule une erreur E C entre le comportement réel du moteur et le comportement simulé. Cette erreur EC est traitée par un dispositif de calcul 11 de l'erreur pour le modèle, qui intègre les informations sur la structure du modèle 5 et actualise les calibrations de ses paramètres. Cette réactualisation du modèle du moteur permet son adaptation au vieillissement du moteur réel. La figure 5 est le schéma d'un second exemple de réalisation d'un système de contrôle adaptatif selon l'invention, comprenant un modèle 5 du moteur s'adaptant aux évolutions du moteur comme cela décrit pour la figure 4. Dans une première réalisation préférentielle, le modèle physique 5 du moteur est une modélisation simplifiée des lois de la physique, calibrée à l'aide de données moteur, et dont l'adaptation aux évolutions du moteur se fait par l'intermédiaire de paramètres restés libres, qui sont ajustables au moyen d'un algorithme de minimisation de l'erreur de ce modèle. Dans une deuxième réalisation préférentielle, le modèle 5 embarqué du moteur est un réseau de neurones non linéaire adaptatif. Le système de contrôle peut comporter également un modèle 5 de moteur fixé à l'avance, non adaptatif au vieillissement du moteur, et servant pour le calcul de l'erreur de contrôle fRN. Dans ce cas, ce modèle 5 peut être un modèle physique ou bien un réseau de neurones non linéaire, non adaptatif. Dans un exemple particulier non limitatif d'application du système à un moteur de véhicule automobile, le modèle partiel embarqué du moteur modélise le couple Co développé par le moteur, et les commandes des actionneurs permettant le contrôle du couple sont l'avance à l'allumage Av et le rapport cyclique d'ouverture RCO du papillon par exemple, selon des consignes de couple et d'avance à l'allumage. Le système de contrôle moteur selon l'invention, par réseau de neurones, a pour avantages d'offrir un contrôle multi-variables, de pouvoir intégrer dans la conception du contrôleur des contraintes sur les valeurs à appliquer aux actionneurs et de réaliser un contrôle non linéaire du fonctionnement d'un moteur qui est lui-même non linéaire. Il permet de plus de réduire le temps de mise au point et d'assurer l'adaptation au vieillissement par la nature adaptative des réseaux de neurones. REVENDICATIONS 1. Système de contrôle embarqué du fonctionnement d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, comprenant un calculateur électronique de commande relié à des capteurs de paramètres d'état du moteur, et à des capteurs de paramètres extérieurs, qui délivre les commandes des actionneurs physiques du moteur pour réguler certaines variables de fonctionnement du moteur autour de variables de consigne issues d'un automate, caractérisé en ce que le calculateur électronique comprend de plus - un modèle (5) d'au moins une partie du moteur (1); - un dispositif contrôleur (4) constitué d'un réseau de neurones (6) non linéaire, d'une part recevant en entrée plusieurs valeurs de consigne (D), des valeurs des paramètres d'état (C) du moteur et des valeurs des paramètres extérieurs (A), et d'autre part relié au modèle (5) du moteur en vue de son adaptation aux évolutions du moteur; - un dispositif comparateur (8) entre les valeurs réelles de fonctionnement du moteur et les valeurs de consigne. 2. Système de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs des paramètres extérieurs (A) et des paramètres d'état (C) du moteur et les valeurs de consigne (D) entrent dans un module (6a) de pré-traitement des données, réalisant leur conversion en un nombre déterminé (Ne) de valeurs qui constituent les entrées (Ei) du réseau de neurones (6), i étant un nombre entier compris entre 1 et Ne, et en ce que le réseau de neurones (6) calcule un nombre (Ns) de valeurs de sortie (Sj), j étant un nombre entier compris entre 1 et Ns, qui sont traitées dans un module (6c) de post-traitement pour générer des valeurs qui sont appliquées aux actionneurs (7). 3. Système de contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau de neurones (6) est relié au modèle (5) du moteur par un module (9), recevant en entrée les valeurs des paramètres extérieurs (A) et les valeurs appliquées aux actionneurs (7), des paramètres du modèle (5) tels que les dérivées partielles du modèle par rapport aux valeurs des commandes, et l'écart (ers) observé par le dispositif comparateur (8) entre les valeurs de consigne (D) et les valeurs réelles (C) des variables à contrôler issues des capteurs (2), qui les combine entre eux pour calculer l'erreur (F) du modèle du moteur produite par le réseau de neurones. 4. Système de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle embarqué (5) du moteur est constitué par un réseau de neurones non linéaire adaptatif aux évolutions de fonctionnement du moteur. 5. Système de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle embarqué (5) du moteur est constitué par un modèle physique fixé par les caractéristiques du moteur, associé à un algorithme de minimisation de l'erreur de ce modèle assurant l'ajustement de certains paramètres libres du modèle. 6. Système de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle embarqué (5) du moteur est constitué par un réseau de neurones non linéaire. 7. Système de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle embarqué (5) du moteur est constitué par un modèle physique fixé. 8. Système de contrôle selon l'une des revendications 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le modèle partiel embarqué du moteur modélise le couple (Co) développé par le moteur, et les commandes des actionneurs permettant le contrôle du couple sont l'avance à l'allumage (Av) et le rapport cyclique d'ouverture (RCO) du papillon, selon des consignes de couple et d'avance à l'allumage.