Brevet FR2872282A1 — publié le 20051230

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UN SIGNAL DE PRESSION L'invention se rapporte à un procédé de traitement d'un signal de mesure de pression d'une chambre de combustion d'un moteur automobile. Dans le domaine des moteurs automobiles, il est important de pouvoir commander de manière précise la phase de combustion du cycle thermodynamique de ces moteurs. Pour cela il est usuel de mesurer la pression régnant dans la chambre de combustion et de déterminer à partir de cette mesure un certain nombre de grandeurs caractéristiques, notamment des grandeurs utilisables pour la commande par asservissement du moteur. Ces grandeurs sont par exemple la date de début de combustion, la puissance d'émission sonore du moteur, ou la puissance fournie par le moteur. Cependant le signal de pression qui est obtenu par mesure dans une chambre de combustion n'est pas exploitable sans traitement préalable car il présente des bruits de mesure sous forme d'oscillations parasites. Un exemple de tel signal p(t) de pression brute mesuré dans une chambre de combustion d'un moteur automobile est représenté en trait foncé en fonction du temps sur la figure 1A, le trait foncé de la figure 1B étant un détail grossi du signal représenté à la figure 1A correspondant au début de la combustion. Les oscillations que présente un tel signal ne correspondent pas à des variations de la pression dans la chambre de combustion mais sont dues à des oscillations mécaniques parasites. Le signal de mesure de pression doit donc être filtré avant de pouvoir être utilisé pour la détermination des grandeurs utiles pour un asservissement. Des solutions simples par filtrage linéaire permettent de réduire les composantes oscillatoires indésirables dans le signal de pression. Toutefois ce type de filtrage a l'inconvénient d'atténuer également la composante fréquentielle, située aux environs de 10kHz, qui correspond à une brusque augmentation de la pression au début de la combustion. Sur la figure 1A ou 1B, cette brusque augmentation se produit vers t=0,01805. Une détection précise du début de la combustion n'est donc notamment pas possible avec une telle méthode. D'autres solutions connues reposent sur l'emploi de transformées en ondelettes. Ainsi la demande de brevet US 2003 / 0 145 829 Al décrit un procédé permettant de détecter le début de la combustion dans une chambre de combustion à partir de la mesure de la pression régnant dans cette chambre. Le signal de pression est filtré par application d'une transformée en ondelettes. Le début de la combustion est détecté par analyse des coefficients d'ondelettes ainsi obtenus, en ce qu'elle se traduit par un saut brusque de la valeur absolue des coefficients d'ondelettes. Par ailleurs la demande de brevet EP 1 209 458 Al décrit un procédé de détermination du niveau de bruit relatif au bruit de combustion d'un moteur à combustion interne. Le signal de pression mesuré est également filtré par transformée en ondelettes. L'énergie du signal temporel de départ, peut, sur la base du théorème de Parseval, être estimée à partir des coefficients d'ondelettes obtenus et il est possible d'en déduire le niveau de bruit. Ce niveau de bruit peut être utilisé en tant que grandeur d'asservissement pour un module de commande de la combustion du moteur. Toutefois ces procédés n'apportent que des solutions partielles au problème de la détermination des grandeurs nécessaire à la commande de la combustion. Ces procédés ne permettent notamment pas de calculer directement et précisément le dégagement d'énergie apparent, tel qu'il est défini par la relation suivante dQ dt 1 V(t) dp y-1 dt+ y P(t) dV y- 1 dt (1) où y est le rapport des chaleurs spécifiques des gaz de combustion (rapport de la chaleur spécifique à pression constante et de la chaleur spécifique à volume constant), V(t) le volume de la chambre de combustion, p(t) la pression régnant dans la chambre de combustion et t le temps. Dans ce but il est donc nécessaire, le volume de la chambre de combustion étant connu, de pouvoir déterminer la pression instantanée régnant effectivement dans la chambre de combustion ainsi que la dérivée par rapport au temps de cette pression et donc de réduire fortement ou supprimer les oscillations parasites contenues dans le signal de mesure de pression usuellement disponible. L'invention a donc pour but de fournir un procédé de traitement d'un signal de mesure de pression d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, permettant, quel que soit le type de moteur ou de combustion, de déterminer de manière précise la pression instantanée régnant effectivement dans la chambre de combustion et la dérivée par rapport au temps de cette pression, ainsi qu'une pluralité de paramètres qui en découlent, tel que le dégagement apparent d'énergie ou la date de début de combustion. Dans ce but l'invention a pour objet un procédé de traitement d'un signal de mesure de pression d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprend les étapes successives consistant à - appliquer une première transformée en ondelettes audit signal de mesure de pression pour obtenir une décomposition dudit signal de mesure de pression en une première pluralité de signaux transformés, - appliquer une fonction non linéaire de seuillage à chacun desdits signaux transformés de la première pluralité de signaux transformés pour obtenir une deuxième pluralité de signaux transformés, - appliquer une deuxième transformée en ondelettes, inverse de ladite première transformée à chacun desdits signaux transformés de la deuxième pluralité de signaux transformés pour obtenir par reconstruction un signal de pression filtré. Le procédé selon l'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le procédé comprend en outre une étape consistant à déterminer la dérivée dudit signal de pression filtré, - le procédé comprend en outre une étape consistant à déterminer à partir dudit signal de pression filtré et/ou de la dérivée dudit signal de pression filtré l'une au moins des grandeurs du groupe comprenant: la date de début de la combustion, la puissance fournie par le moteur, la puissance d'émission sonore du moteur, - le procédé comprend en outre une étape consistant à déterminer le dégagement d'énergie apparent par la relation suivante, dQ dt 1 V(t) dq y-1 dt+ y q(t) dV y-1 dt où y est le rapport des chaleurs spécifiques des gaz de combustion, V(t) le volume de la chambre de combustion, q(t) ledit signal de pression filtré et t le temps. La séparation entre les signaux pertinents utiles et les signaux parasites 25 s'effectue de manière appropriée dans le domaine fréquentiel. La fonction non linéaire qui est appliquée selon l'invention sur la pluralité de signaux de pression transformés a pour but d'opérer un filtrage des composantes fréquentielles indésirables du signal de pression de départ. Du fait qu'on utilise de surcroît une décomposition du signal de pression par transformée en ondelettes et donc une 30 décomposition en une pluralité de bandes de fréquences, le filtrage non linéaire peut être adapté à chaque bande de fréquence obtenue par la décomposition en ondelettes. II est donc possible de filtrer de manière appropriée les bandes de fréquences tout en conservant chaque fois la partie du signal de pression qui est représentative de l'information de pression proprement dite. On peut ainsi conserver le front de signal correspondant au début de la combustion tout en supprimant les oscillations parasites du signal. En outre, le fait de revenir dans le domaine temporel permet de disposer un signal de pression "propre", c'est-à-dire débarrassé des oscillations parasites, sur la base duquel un certain nombres de paramètres peuvent être déterminés précisément, notamment la dérivée de ce signal de pression ainsi que le dégagement d'énergie apparent tel que défini par la relation (2). De plus, les signaux de commande du moteur travaillant dans le domaine temporel, le signal de pression filtré ainsi généré est adapté pour une détermination précise et fiable des grandeurs d'asservissement pour un procédé de commande de moteur. Enfin, le fait de passer dans le domaine fréquentiel permet de séparer aisément les signaux pertinents des signaux parasites. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la fonction non linéaire appliquée est une fonction de seuillage, soit une fonction de seuillage doux soit une fonction de seuillage dur. Ce type de fonction non linéaire permet de supprimer les composantes de faible amplitude d'un signal tout en gardant intactes les autres composantes. Ceci a pour effet, lorsqu'on applique une telle fonction non linéaire dans le domaine fréquentiel, de permettre une suppression d'oscillations parasites de faible amplitude comme celles que présente le signal de pression tel que mesuré dans une chambre de combustion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui va suivre. Dans les dessins auxquels il est fait référence: la figure 1A, déjà décrite, représente un exemple de signal de pression mesuré dans une chambre de combustion, la figure 1B représente un détail du signal représenté en figure 1A, la figure 1C représente la dérivée du signal de pression de la figure 1A, la figure 1 D représente un détail du signal représenté en figure 1 C, la figure 1E représente le dégagement d'énergie déterminé à partir du signal de pression de la figure 1A, la figure IF représente un détail du signal représenté en figure 1 D, 35 - la figure 2 représente un schéma-bloc d'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la figure 3 représente un exemple de fonctions non linéaires utilisables pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la figure 4 représente un schéma-bloc de l'application de l'invention à une commande de moteur par asservissement. La figure 2 représente un schéma-bloc d'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Chacun des blocs qui y est représenté est réalisé par exemple sous forme de sous-programme ou fonction de programme au sein du programme de commande moteur implémenté dans le calculateur dédié à la commande moteur. Au signal de pression p, sous forme de signal de mesure de pression issu d'au moins un capteur placé dans une chambre de combustion du moteur, est appliqué une transformée en ondelettes qui dans cet exemple de réalisation présente trois niveaux successifs de décomposition: le premier niveau réalisé par la paire de filtres HF1, BF1 correspondant respectivement aux domaines haute et basse fréquence, le deuxième niveau réalisé par la paire de filtres HF2, BF2, et le troisième niveau réalisé par la paire de filtres HF3, BF3. Ces trois niveaux de filtres permettent de générer une succession de signaux transformés qui sont: - phl(t) et pbl (t) en sortie respectivement des filtres HF1 et BF1, - ph2(t) et pb2(t) en sortie respectivement des filtres HF2 et BF2, et - ph3(t) et pb3(t) en sortie respectivement des filtres HF3 et BF3. On obtient, après une telle décomposition à trois niveaux, une pluralité de signaux transformés finaux phl(t), ph2(t), ph3(t) et pb3(t). Les autres signaux transformés pbl (t) et pb2(t) sont qualifiés ici de signaux transformés intermédiaires. Le nombre de signaux transformés obtenu est fonction de manière connue du nombre de niveaux de décomposition. A chacun des signaux de la pluralité de signaux transformés finaux est appliquée une fonction non linéaire nommée respectivement: - NL1 pour le signal phl(t), - NL2 pour le signal ph2(t), - NL3 pour le signal ph3(t) et - NL4 pour le signal pb3(t). Les signaux transformés filtrés ainsi générés sont nommés respectivement gh1(t) en sortie de la fonction non linéaire NL1, - qh2(t) en sortie de la fonction non linéaire NL2, - qh3(t) en sortie de la fonction non linéaire NL3 et - qb3(t) en sortie de la fonction non linéaire NL4. Le signal de pression est ensuite reconstitué par transformée en ondelettes inverse comprenant un nombre de niveaux identique à celui de la transformée directe. Les trois niveaux de reconstruction sont réalisés respectivement par: - les filtres S3 et R3 pour le niveau 3 de reconstruction, niveau de reconstruction qui est inverse du niveau 3 de décomposition réalisé par la paire de filtres HF3 et BF3, - les filtres S2 et R2 pour le niveau 2 de reconstruction, niveau de reconstruction qui est inverse du niveau 2 de décomposition réalisé par la paire de filtres HF2 et BF2, et - les filtres SI et R1 pour le niveau 1 de reconstruction, niveau de reconstruction qui est inverse du niveau 1 de décomposition réalisé par la paire de filtres HF1 et BF1. On obtient, après une telle reconstruction un signal de pression filtré q(t) reconstitué à partir de la sortie des filtres SI et R1, ainsi qu'une pluralité de signaux transformés filtrés qui sont respectivement: - qb2(t) reconstitué à partir des filtres S3 et R3 et - gb1(t) reconstitué à partir des filtres S2 et R2. Chacun des signaux transformés phl(t), pbl(t), ph2(t), pb2(t), ph3(t), pb3(t) ou gh1(t), gb1(t), qh2(t), qb2(t), qh3(t), qb3(t) correspond à une bande de fréquences du spectre du signal d'origine p(t). La plage de fréquences dépend de manière connue des filtres de décomposition HF1, BF1, HF2, BF2, HF3, BF3 utilisés. Selon un mode de réalisation préféré, ces filtres sont réalisés sous forme de filtres à réponse impulsionnelle finie suivis de systèmes de sous échantillonnage. Différents filtres à réponse impulsionnelle finie peuvent être utilisés. Un filtre appelé classiquement "Daubechies 4" s'est avéré être un exemple de bon compromis entre rapidité de calcul et qualité de filtrage. La profondeur de décomposition ou nombre de niveaux de décomposition et de reconstruction dépend des performances que l'on veut obtenir. Plus le nombre de niveaux de décomposition est important, meilleure est la qualité du signal obtenu par reconstruction, mais plus important sera le temps de calcul. Un compromis doit donc être fait entre ces deux facteurs. Les fonctions non linéaires NL1, NL2, NL3, NL4 sont de préférence réalisées sont forme de fonction de seuillage, soit une fonction dite de seuillage doux , soit une fonction dite de seuillage dur . Ces fonctions sont représentées en figure 3, la fonction de seuillage doux étant représentée en trait pointillé et la fonction de seuillage dur en trait plein. La fonction de seuillage doux NL(x) est définie mathématiquement par: NL(x)=x 6 six>o NL(x)=0 si -6 6 NL(x)=0 si a Les fonctions non linéaires peuvent être différentes d'une bande de fréquences à l'autre, ou d'un niveau de décomposition à l'autre. On peut au contraire, pour des raisons d'optimisation des temps de calcul, exploiter la corrélation existant entre les différents signaux transformés représentatifs de différentes bandes de fréquences et utiliser des fonctions non linéaires identiques en cas de corrélation entre deux signaux transformés. Des exemples de détection et d'exploitation de telles corrélations entre bandes de fréquence sont donnés dans le document de J.M. Shapiro intitulé "Embedded image coding using zerotrees of wavelets coefficients", IEEE Transactions on Signal Processing 41(12), pages 3445-3462, décembre 1993. Par exemple, lorsqu'une certaine condition est vérifiée sur l'amplitude du signal ph3(t) en sortie du filtre HF3, alors les coefficients d'ondelettes des bandes HF3 sont mis à zéro, ainsi que les coefficients correspondants des bandes HF2 et HF1. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, lorsque l'énergie d'un signal transformé est faible ou nulle, on ne poursuit pas la décomposition de ce signal, ou on ne lui applique pas de fonction non linéaire ou encore on n'effectue pas de reconstruction à partir de ce signal. Un gain en temps de calcul sera ainsi obtenu sans pour autant abaisser de façon significative la qualité du signal de pression filtré obtenu au final. Par exemple, si l'énergie du signal pb2(t) en sortie du filtre BF2 présente une énergie faible, en dessous d'un seuil prédéterminé, on ne soumet pas le signal pb2(t) à une décomposition par les filtres HF3 et BF3. Dans ce cas on omet également d'appliquer une fonction non linéaire au signal pb2(t) et la reconstruction par les filtres R3 et S3 s'avère également inutile, le signal qb2(t) étant dans ce cas identique au signal pb2(t). De sorte que la reconstruction du signal de pression s'effectue à partir des signaux qhl(t), qh2(t) et qb2(t)=pb2(t). Si, selon un autre exemple, c'est le signal ph3(t) qui présente une énergie faible, on fait l'économie de la fonction non linéaire NL3 uniquement, le signal qh3(t) étant dans ce cas identique au signal ph3(t). Le signal de pression filtré q(t) est utilisé pour déterminer la dérivée du signal de pression. Cette détermination peut se faire simplement par approximation de la dérivée selon l'une des formules bien connues suivantes: dq q(t) q(t At) dt t At ou bien, dq q(t) q(t 2*zt) où : dt t At 2 * At At est un intervalle de temps pour lequel se fait la détermination de la dérivée, correspondant par exemple à la période d'échantillonnage du signal de pression q(t). On peut en outre appliquer un algorithme direct de calcul de la dérivée ou un algorithme récursif qui calcule une valeur de dérivée par mise à jour de la valeur de dérivée précédemment calculée. A partir de cette dérivée et/ou du signal de pression q(t) filtré, on peut déterminer un ou plusieurs paramètres caractéristiques de la combustion, notamment des paramètres utiles pour l'asservissement de la commande de combustion du moteur. Par exemple le dégagement d'énergie apparent est déterminé selon la relation dQ dt 1 q - y(t) d t y-1 dt + y dV q(t) y-1 dt (2) t déjà décrite. La date t0 de début de combustion est par exemple donnée par la formule: t0 tel que dQ > St0 dt où St0 est un seuil prédéterminé. La puissance d'émission sonore du moteur est elle déterminée en fonction de la dérivée du signal de pression filtré dq/dt. Les figures 1A et 1B représentent en trait gris clair le signal de pression q(t) obtenu à partir du procédé selon l'invention. On y observe une forte diminution des oscillations parasites, par rapport au signal p(t) représenté en trait foncé, qui correspond au signal de pression brut, en l'absence de filtrage. Les figures 1C et 1D représentent en trait gris clair le signal de la dérivée de la pression obtenu à partir du signal de pression filtré représenté à la figure 1A et traité par le procédé selon l'invention. En trait foncé, on a représenté le signal de dérivée de pression obtenu en l'absence de filtrage du signal de pression p(t). Les figures 1E et IF représentent en trait gris clair le signal correspondant au dégagement d'énergie instantané dQ/dt, obtenu par application de la relation (1) au signal de pression filtré par le procédé selon l'invention et à la dérivée de ce signal. En trait foncé, on a représenté le dégagement d'énergie instantané obtenu en l'absence de filtrage du signal de pression p(t). La figure 4 est un exemple d'application du procédé selon l'invention à un dispositif d'asservissement du moteur. Un tel dispositif comprend un moteur 2 commandé par un bloc 1 correspondant à des moyens de commande du moteur générant un signal com de commande. La pression pm régnant dans la chambre de combustion du moteur est mesurée par un capteur 3. Le signal analogique pm ainsi obtenu est numérisé par les moyens 4 de numérisation avant d'être traité par le procédé selon l'invention par les moyens de traitement 5 du signal de pression. Les moyens 1 et 5 sont typiquement mis en oeuvre en tant que moyens de calcul d'un calculateur du véhicule automobile destiné à la commande de la combustion du moteur du véhicule. En entrée du bloc de commande 1 se présentent à la fois un signal ou vecteur de consigne xc et un signal ou vecteur d'asservissement ya généré par le procédé to selon l'invention. Le vecteur de consigne xc comprend par exemple une valeur de consigne de la puissance du moteur et une valeur de consigne de la puissance d'émission sonore. Les valeurs de consigne sont de préférence des valeurs moyennes établies pour un cycle thermodynamique ou établies sur plusieurs cycles. Le vecteur d'asservissement ya comprend par exemple la valeur instantanée de la pression filtrée par le procédé selon l'invention ainsi que la dérivée de cette valeur de pression, données à partir desquelles une valeur réelle de la puissance du moteur et une valeur réelle de la puissance d'émission sonore peuvent être déterminées en vue de leur comparaison aux valeurs correspondantes du vecteur de consigne. Sur la base de cette comparaison, le bloc 1 détermine alors la commande à générer pour le moteur. Par le procédé selon l'invention permettant le filtrage du signal de mesure de pression de la chambre de combustion, il devient ainsi possible de commander de manière précise la phase de combustion du cycle thermodynamique d'un moteur. Lorsqu'on ne dispose que d'un seul capteur de pression pour le moteur, l'asservissement sera effectué à partir du signal de mesure de pression qu'il fournit. Dans le cas d'un moteur multicylindre, et si l'on dispose de plusieurs capteurs pour détecter la pression dans plusieurs des cylindres, l'asservissement pourra être effectué en tenant compte des différents signaux de mesure de pressions filtrés chacun par le procédé selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un signal de mesure de pression d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant les étapes successives consistant à, - appliquer une première transformée en ondelettes audit signal de mesure de pression pour obtenir une décomposition dudit signal de mesure de pression en une première pluralité de signaux transformés (phi (t), ph2(t) , ph3(t), pb3(t)), - appliquer une fonction non linéaire de seuillage à chacun desdits signaux transformés de la première pluralité de signaux transformés pour obtenir une deuxième pluralité de signaux transformés (qhl(t), qh2(t), qh3(t), gb3(t)), appliquer une deuxième transformée en ondelettes, inverse de ladite première transformée à chacun desdits signaux transformés de la deuxième pluralité de signaux transformés pour obtenir par reconstruction un signal de pression filtré (q(t)). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à déterminer à partir dudit signal de pression filtré et/ou de la dérivée dudit signal de pression filtré l'une au moins des grandeurs du groupe comprenant: la date de début de la combustion, la puissance fournie par le moteur, la puissance d'émission sonore du moteur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à déterminer le dégagement d'énergie apparent par la relation suivante, dQ dt t __ q y -1 V (t) dt+ y q(t) dV y -1 dt où y est le rapport des chaleurs spécifiques des gaz de combustion, V(t) le volume de la chambre de combustion, q(t) ledit signal de pression filtré et t le temps. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé qu'il comprend en outre une étape consistant à générer un signal de consigne en vue de l'asservissement dudit moteur à partir dudit signal de pression filtré et/ou de la dérivée temporelle dudit signal de pression filtré. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite fonction non linéaire est une fonction de seuillage doux ou une fonction de seuillage dur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite fonction non linéaire est déterminée indépendamment pour chacun desdits signaux transformés de la première pluralité de signaux transformés. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lors qu'un desdits signaux transformés de la première pluralité de signaux transformés présente une énergie nulle ou inférieure à un seuil prédéterminé, il ne subit pas de décomposition ou il ne lui est pas appliqué de fonction non linéaire ou il n'est pas pris en compte dans la reconstruction dudit signal de pression. 8. Procédé d'asservissement d'un moteur à combustion interne comprenant une étape consistant à générer un signal (com) de commande d'asservissement à partir d'un signal (xc) de consigne et d'un signal (q(t)) de pression filtré obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.