Brevet FR2867230A1 — publié le 20050909

PROCEDE DE CONTROLE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un procédé de régulation en boucle fermée permettant une prise en compte efficace du temps de transfert. La présente application concerne plus particulièrement l'application d'un tel procédé au contrôle d'un moteur à combustion interne. La réduction de la consommation des moteurs à combustion interne et la réduction des émissions de polluants a conduit à généraliser le io contrôle électronique du fonctionnement des moteurs à combustion interne. Un tel contrôle utilise un calculateur qui pilote les différents paramètres de fonctionnement du moteur, tels que la quantité d'air admis, la quantité de carburant injectée, l'instant d'allumage dans le cas des moteurs à allumage commandé, le taux de gaz brûlés re-circulés. Le dispositif de contrôle opère en particulier sur le contrôle de la richesse du mélange air-carburant qui est destiné à être brûlés dans les cylindres du moteur. Cette richesse doit, en effet, être ajustée très précisément à une valeur de consigne prédéterminée suivant le point de fonctionnement pour satisfaire les contraintes en matière d'émission de polluants ou de consommation. Le problème de la régulation opérée par le système électronique de contrôle moteur est rendu difficile suite à la présence de retards variables qui apparaissent entre la modification effective de la grandeur contrôlée et la modification du signal le commandant. Ces retards sont dus au temps de réponse des actionneurs et des capteurs. Ils viennent également du temps de calcul nécessaire pour l'élaboration du signal de commande. Mais le retard le plus important est introduit par le fonctionnement même du moteur. Il est basé sur le cycle à 4 temps pour lequel l'allumage du mélange air/essence se fait pour chaque cylindre à des instants distincts dans le temps. Cet espacement dans le temps varie en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre moteur. Cette variation de retard peut être la source de divergences et d'instabilités. L'autre difficulté importante pour la commande du moteur à combustion interne est la variation des paramètres suite au vieillissement et la présence de perturbations extérieures. Ces perturbations sont aléatoires et viennent modifier le bon fonctionnement du moteur. Elles correspondent à des frottements, des vibrations, des perturbations électriques. Afin de s'affranchir de ces problèmes de retard variable dans le temps, l'idée qui consiste à surévaluer le retard réel en retardant artificiellement le procédé va être exploitée. Le principe de fonctionnement du moteur thermique à 4 temps est basé sur les 4 phases que sont l'admission d'air dans le cylindre, la compression de l'air, la détente du cylindre et l'échappement de l'air brûlé. A chacune de ces étapes correspond une montée ou une descente du piston dans le cylindre. Il faut donc 4 demi tours moteur pour effectuer le cycle complet. Les moyens d'action sur le moteur sont possibles uniquement à la fin du temps compression du cycle. Mais, étant donné qu'un moteur est composé de 4 cylindres (dont les temps sont décalés), il est possible de commander le moteur à chaque demi tour du vilebrequin. Le temps séparant chacun de ces instants correspond au temps qu'il faut au vilebrequin pour effectuer un demi tour. Cette valeur Temmi en seconde 7; est obtenue à partir de l'expression 7r N(t)dt = 7c où N(t) est le régime 0 30 moteur en tr/mn. Si on considère que le régime est constant sur la durée du demi tour, l'expression se simplifie comme suit: Tciem, = 30 N(t) Cette expression va servir pour évaluer le temps de retard qui existe à l'instant t. I o Le choix a porté sur l'anticipation du retard car il est possible de retarder artificiellement un signal dans un calcul alors qu'il est impossible d'appliquer un signal plus tôt qu'à l'instant où il a été calculé. La méthode consiste donc à se placer dans le pire cas de retard (retard le plus grand constaté sur le procédé) et à prendre en compte ce retard dès la conception du régulateur. Comme les lois de commande sont plus robustes à des variations de retard et non d'avance, la robustesse est assurée et ce, malgré les incertitudes qui existent sur l'estimation du retard. Un modèle simplifié linéaire du moteur est généralement utilisé pour élaborer les lois de commande de la régulation. Il possède des sorties pour chaque grandeur dont on souhaite avoir la mesure ainsi qu'une entrée correspondant au signal de commande. Un régulateur est placé dans la boucle directe de la boucle de régulation, il élabore le signal de consigne. L'entrée du régulateur est un signal d'erreur correspondant à la différence entre le signal de mesure reflétant l'état réel du moteur et le signal de consigne correspondant à l'état souhaité. Les perturbations peuvent être représentées par une incertitude de type multiplicative en entrée du modèle du moteur. Une façon, répandue dans le domaine de l'automatique, de prendre en compte le retard dans la boucle de commande est d'utiliser un prédicteur de Smith. La fonction du prédicteur est d'estimer le retard introduit par le procédé que l'on souhaite commander. Il retourne pour le régulateur une valeur de sortie prédite qui correspond à la valeur réelle de mesure mais sans retard. Si les paramètres du modèle du Io moteur et le retard estimé correspondent exactement au système réel, il n'y a pas d'erreur introduite. Le retard est alors parfaitement compensé. Mais, dans la réalité, le moteur est sujet à de nombreuses perturbations et incertitudes qui rendent l'utilisation du prédicteur de Smith délicate. Le régulateur ne réussira pas à faire converger les paramètres du moteur vers la valeur désirée. La méthode d'estimation du retard à partir de la formule Tdemr = 30 N(t) peut être utilisée pour la mise en forme d'un régulateur avec un prédicteur de Smith. Par contre, un régulateur mis en forme avec cette méthode est calculé sans retard. Pour prendre en compte ce retard, il faudrait estimer le plus petit retard admissible introduit par le procédé. Ceci ne permet pas d'améliorer la valeur du retard réellement estimé. Il se posera toujours le problème de la robustesse de la loi de commande par rapport à des variations d'avance de retard (dues à la mauvaise estimation et au fait que l'on se place à retard minimum). L'objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de régulation qui permet de commander le moteur malgré les incertitudes sur les paramètres et malgré le retard variant dans le temps et ce, sans modifier la complexité pour permettre une implantation sur les calculateurs existant dans les véhicules. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est un bloc diagramme d'un système de régulation 1 o standard; - la figure 2 est un bloc diagramme d'un système de régulation selon un mode de réalisation particulier appliqué à un moteur à combustion interne; - la figure 3 est un bloc diagramme d'un système de contrôle moteur 15 introduisant une anticipation du retard selon le procédé objet de l'invention; - la figure 4 précise la formule retenue pour l'anticipation du retard - la figure 5 détaille un procédé de calcul de la formule d'anticipation du retard selon la figure 4. En se reportant à la figure 1, on a schématisé de façon classique une boucle de régulation d'un système selon l'art antérieur. Une telle boucle de régulation, référencée 1, comprend un système réglé représenté par le bloc 2. Ce système réglé 2 est contrôlé par l'intermédiaire d'un régulateur 3 à partir d'au moins une grandeur d'entrée 4 (grandeur réglante ou consigne) de la boucle de régulation et d'au moins une grandeur de sortie 5 (grandeur réglée). Le régulateur 3 commande le système réglé 2 à partir de l'écart existant e(t) (signal d'erreur) entre la grandeur de sortie 5 et la grandeur d'entrée 4. En se reportant à la figure 2, on a illustré une boucle de régulation dite d'agrément utilisée dans le contrôle d'un moteur à combustion interne destiné à entraîner la chaîne de transmission 6 d'un véhicule automobile. Cette régulation a pour objectif de réduire les oscillations de la chaîne de transmission du véhicule en commandant uniquement le moteur thermique en couple. Le système réglé 2 est alors constitué du moteur à combustion interne 15 et de ses paramètres de commande destinés à être contrôlés. La consigne de régulation est alors initialement exprimée en couple moteur (N.m) et le signal de sortie en régime moteur (tr/mn). Un bloc de traitement 7 disposé en amont de la boucle de régulation opère donc la conversion de la consigne exprimée en couple sous la forme d'une consigne exprimée en régime moteur. L'erreur qui est la valeur d'entrée du régulateur 3 est également exprimée en régime moteur. Il est à noter que le contrôle d'un moteur à partir d'une consigne en couple est connu en soi et ne sera donc pas détaillé plus avant. On citera par exemple le document EP1279821 qui décrit un tel contrôle basé sur une consigne de couple. La grandeur qui est mesurée est le régime de rotation du moteur 30 thermique, mais la grandeur de commande est un couple moteur. En se reportant aux figures 3 et suivantes on va maintenant détailler le procédé de régulation selon l'invention appliqué, à titre d'exemple non limitatif au régulateur d'agrément décrit ci-dessus. Afin de pouvoir être appliqué sans modification importante du procédé réel, le régime moteur est un signal mesuré qui est utilisé pour la rétroaction. Le procédé est élaboré pour commander un moteur thermique avec des retards de valeur non constante dans le temps. Le moteur possède une t o entrée de commande et un vecteur de signaux à contrôler. Le régulateur est composé d'une entrée sur l'erreur e(t) et d'une sortie destinée à la commande du moteur. Un bloc d'anticipation du retard est placé entre le régulateur et le moteur. Il est présent uniquement pour retarder le signal de commande du régulateur. La méthode repose donc sur un régulateur qui est calculé comme si le retard du moteur était constant de valeur Rr aX, retard maximum constaté dans la réalité. Ce choix est fait car il est plus aisé de retarder numériquement un signal d'un temps donné plutôt que d'avancer son application. En effet, il peut être délicat de se placer à retard moyen par rapport au procédé. Lors de forts retards, la régulation ne pourra pas compenser totalement le retard existant puisqu'il est calculé pour des retards moyens. Le résultat s'en trouvera faussé. Enfin, les outils de l'automatique linéaire sont plus à même de produire une loi de commande avec un retard constant plutôt qu'un retard variable qui est difficilement modélisable. Un bloc d'anticipation est introduit pour que le retard vu par le régulateur soit constant égal à R.), . Pour se faire, il évalue à l'instant tk, le retard réel introduit r(t) par le moteur. Comme expliqué en début de texte, la formule fournissant le retard du moteur est donnée par r(t) = (t m, où N(t) est le régime de rotation du vilebrequin en tour par minute et m un entier non nul calibré représentant le nombre de demi tours vilebrequin de retard (couramment m est égal à 1, 2 ou 3). L'anticipation est donc la différence entre le retard maximum R,,,aX et le retard instantané évalué r(t) = ot 1 m. Cette valeur s'écrit Or(t = R,, ,aX -(t) m, elle est toujours positive. Sur la figure 3, on a schématisé une boucle de régulation selon l'invention. Entre le régulateur 3 et le système régulé 2 est interposé un module 8 destiné à opérer une anticipation du retard venant affecté le signal de sortie par rapport au signal d'entrée de la boucle de régulation. Le signal provenant du régulateur 3 est donc retardé avant d'être envoyé au moteur thermique 2. Le retard introduit a pour objectif de conserver un retard global constant dans la boucle de rétroaction. Ainsi, le régulateur 3 n'est pas déstabilisé et la robustesse de la commande du procédé est garantie. La figure 4 montre comment s'opère une anticipation du retard selon l'invention. Le régulateur est représenté sous une forme d'état. Il a pour entrée un signal d'erreur e(t). Le signal de sortie y(t) est retardé de la Rmax valeur Ar(t) = - N(t)m. Cette valeur est positive. La figure 4 précise la prise en compte de l'anticipation du retard dans les lois de commande de la régulation. Il s'agit là d'une loi de commande obtenue à partir des outils de to l'automatique linéaire continue intégrant la prise en compte d'un retard fixe La mise sous forme représentation d'état est choisie pour sa simplicité d'écriture, elle amène aux équations suivantes: (t)=A,,,axx(t)+B,, e(t) ly(t - Ar(t)) = c. x(t - Ar(t))+D.xe(t - Ar(t)) Les matrices d'état (Arnax, Bmax, Crnax, Dmax) sont indicées avec le terme max pour signifier que le régulateur est calculé en tenant compte d'un retard maximum du procédé. Amax est la matrice d'état qui lie le vecteur d'état x(t) à sa dérivée z(t) . Bmax représente le lien entre les entrées du système e(t) et le vecteur d'état x(t). La sortie y(t) est constituée à partir de la matrice C. et du gain direct Dmax. Le retard introduit par l'anticipation est écrit directement dans l'équation de sortie à travers l'écriture y(t - Ar(t)) . La figure 5 présente l'algorithme de calcul de transformation du régulateur pour passer d'une forme continue à une forme discrète à pas variable en tenant compte de l'anticipation variable. La figure 5 explique donc comment l'anticipation variable peut être mise en oeuvre sur un calculateur dont la capacité de calcul est limitée. Le paramètre e est présent pour régler le volume de calcul nécessaire. C'est un paramètre de réglage qui est introduit pour faciliter l'implantation de l'algorithme sur un calculateur pour la personne qui doit le manipuler. Les règles simples suivantes ont été établies: plus e est grand et plus le calcul est précis mais plus il faut de temps de calcul et inversement, plus e est proche de 1 plus le calcul sera rapide mais au 1 o détriment de la précision. Le retard mentionné rk est défini par rk = r(tk) = N(0) m. Il correspond à k l'évaluation de la valeur du retard à l'instant tk. Les différences de retard sont spécifiées à des instants échantillonnés différents mais successifs: Ark = Al (tk) = R. m et Ark_1 = Ar(tk-1) = Rmax N(tk_l) M. N(tk) L'entier N est la partie entière du retard qui doit être introduit à l'instant k normalisé par rapport au paramètre de réglage e. Plus e est important et plus il y aura d'itérations à faire. Il correspond au nombre de calculs qu'il faut exécuter pour calculer le signal de commande de l'instant tk+1 à partir des signaux mesurés à. l'instant tk. E Les matrices Aix (e) = cAmax et B, x (e) = J eAm zB, xdr sont les matrices de la représentation d'état du régulateur synthétisées en continu et précalculées avant d'être codées sur le calculateur électronique pour obtenir la représentation d'état discrète du même régulateur. Ces formules découlent de la transformation habituelle d'un système qui est effectuée lorsque l'on passe d'une représentation d'état continue à une représentation d'état discrète de période e. Ce pré-calcul permet de faire l'économie du calcul des matrices A.X (tk) = eAmaxtk et B ax (tk) à chaque instant tk, opérations qui seraient trop coûteuses en temps de calcul. Enfin l'algorithme qui est présenté lors de la dernière étape du processus permet, en peu de pas de calcul, d'intégrer l'équation différentielle qui a pour variable l'état du régulateur. Le calcul repose sur une intégration entre deux instants de calcul (tic-1 et tic) à partir 1 o d'une approximation par la méthodes des rectangles dont le pas est réglé par le paramètre de réglage e à travers l'entier N. Une fois que l'équation différentielle est résolue, il reste à calculer la variable y(tk) de sortie qui peut alors être appliquée au moteur thermique. Cette méthode a l'avantage de pouvoir fonctionner à la fois lorsque le pas d'échantillonnage est constant dans le temps. Mais elle s'adapte également à des plates-formes électroniques dont la période d'échantillonnage est dictée par le contrôle du moteur thermique à des instants non constants dans le temps (à chaque fois que le vilebrequin fait un demi tour par exemple). Le régulateur ainsi mis en forme fonctionne à une période d'échantillonnage variable dans le temps et prend en compte les variations de retard introduites par le moteur grâce à l'anticipation variable. 12 REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle d'un système formé d'un moteur à combustion interne utilisant une régulation en boucle fermée dont les lois de commande exploitent les valeurs d'une grandeur d'entrée et d'une grandeur de sortie du système, ladite régulation prenant en compte l'existence d'un retard entre la grandeur de sortie et la grandeur d'entrée, caractérisé en ce que la prise en compte du retard est exprimée dans les lois de commande du régulateur sous la forme d'une 1 o constante et d'un terme variable fonction du régime moteur. 2 Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit terme constant est obtenu par calibration et correspondant au retard maximum observé. 3 Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit terme variable est inversement proportionnel au régime moteur. 4 Procédé de contrôle selon la revendication 3 caractérisé en ce que 20 ledit terme variable est donné par la formule: (r(t) = Nt) m, où N(t) est le régime de rotation du vilebrequin en tour par minute et m un entier non nul calibré représentant le nombre de demi tours vilebrequin de retard. 5 Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites lois de commandes utilisent un modèle linéaire. 6 Procédé de contrôle selon la revendication 1 caractérisé en ce que la méthode de discrétisation permet d'implanter un régulateur calculé en continu avec un retard fixe et prenant en compte un retard du système commandé différent entre chaque calcul. 7 Procédé de contrôle selon la revendication 6 caractérisé en ce que la méthode fonctionne sur un procédé dont la période d'application du signal de commande varie dans le temps. 8 Procédé de contrôle selon la revendication 6 caractérisé en ce que la méthode fonctionne sur un procédé dont la mesure des signaux est effectuée à des instants variant dans le temps. 9 Procédé de contrôle selon la revendication 6 caractérisé en ce que la méthode de discrétisation s'adapte au temps de calcul disponible entre deux mesures effectuées. Ce temps peut être variable entre deux calculs. Procédé de contrôle selon la revendication 6 caractérisé en ce que la 20 méthode est réglée par un paramètre qui donne la possibilité d'adapter le volume de calcul à la capacité électronique dédiée.