Modeling, simulation and robust control of an electro-pneumatic actuator for a variable geometry ...

175 Pages·2013·8.16 MB·English

Thèse de Doctorat
école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques
UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE BELFORT-MONTBÉLIARD
Modeling, simulation and robust
control of an electro-pneumatic
actuator for a variable geometry
turbocharger
■
Adeel MEHMOOD

Thèse de Doctorat
école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques
UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE BELFORT-MONTBÉLIARD
N˚ 1 8 8
THE`SE pre´sente´e par
Adeel MEHMOOD
pour obtenir le
Grade de Docteur de
l’Universite´ de Technologie de Belfort-Montbe´liard
Spe´cialite´ : Automatique
Modeling, simulation and robust control of an
electro-pneumatic actuator for a variable geometry
turbocharger
Soutenue le 22 Novembre 2012 devant le Jury :
Xavier BRUN Rapporteur Professeur a` l’Universite´ de Lyon 1
INSA-Lyon
Houcine CHAFOUK Rapporteur Professeur a` ESIGELEC de Rouen
Abdellah EL MOUDNI Examinateur Professeur a` l’Universite´ de Technologie
de Belfort-Montbe´liard
Michel BASSET Examinateur Professeur a` l’Universite´ de Haute
Alsace
Mohammed EL BAGROURI Directeur de the`se Professeur a` l’Universite´ de Technologie
de Belfort-Montbe´liard
Salah LAGHROUCHE Co-Directeur Maitre de Conferences a` l’Universite´ de
Technologie de Belfort-Montbe´liard

Contents
CONTENTS I
ACKNOWLEDGEMENT V
NOMENCLATURE VII
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 STATE OF THE ART 7
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Dieselengineairpath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Pressureboosting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1.1 Supercharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1.2 Turbocharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2 ExhaustGasRecirculation(EGR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 AirPathactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Turbochargers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 VGTactuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 EGRactuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 Doubleairmixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.5 Inletswirlactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 VGT ACTUATOR SYSTEM MODELING 19
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Systemdescriptionandmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Electro-pneumaticpressureconvertermodeling . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1.1 Magneticforceidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1.2 Identificationoftheplunger’sparameters . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Airmassflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
i
ii CONTENTS
2.2.2.1 Effectiveflowarea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Pneumaticactuatormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.3.1 Springconstantidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3.2 MassandDampingconstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.3.3 Actuatorpressuremodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.3.4 Volumeoftheactuatorchamber . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.3.5 Temperatureintheactuatorchamber . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 SimulationandExperimentalValidationoftheModel . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 MODELING WITH NONLINEARITIES 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 NonlinearitiesintheSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 FrictionModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 StaticFrictionModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 DynamicFrictionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2.1 DahlFrictionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2.2 DahlModelIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.2.3 TheLuGreModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2.4 LuGreModelIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 AerodynamicForce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Method1: Aerodynamicforceestimationusingforcesensor . . . . . 55
3.4.2 Method2: Aerodynamicforceestimationfromhysteresis. . . . . . . 57
3.4.2.1 AdaptiveLuGreModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Method3: OnedimensionalCFDmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.1 HypothesisandproblemformulationwithNavier-Stokesequation . 61
3.5.2 Modelderivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.3 Sourceterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5.3.1 Geometryoftheflow-path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.3.2 Bladesourceterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.3.3 Frictionsourceterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.3.4 Pressurelosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5.4 Equationsolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6 CompleteModelValidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4 SENSITIVITY ANALYSIS OF PARAMETERS 81
CONTENTS iii
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.1 Sensitivityanalysisofparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.2 Actuatorparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.3 Frictionmodelparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Toleranceanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5 ROBUST CONTROL DESIGN 93
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 ModelSimplificationforcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.1 Airflowasfunctionofactuatorpressureandplungerposition . . . . 94
5.2.2 Air flow as function of applied signal and PWM dependent equi-
libriumpressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.3 ExperimentalValidationofSimplifiedModels . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3 Conventionalfeedbackcontrolwithfrictioncompensation . . . . . . . . . . . 101
5.3.1 Knocker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3.2 Observerbasedfrictioncompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.3 Validationwithfrictioncompensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4 AdvancedControlDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4.1 ControlDesignwithPressureObservation . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.1.1 Slidingmodeobserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.1.2 Backsteppingcontroldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1.3 LyapunovAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4.1.4 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.2 ControlDesignwithAdaptivefrictioncompensation. . . . . . . . . . 121
5.4.2.1 Statespacemodelformulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2.2 Frictionobserver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.3 ControldesignwithBackstepping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.3.1 StabilityanalysiswithLyapunovfunction . . . . . . . . . . . 124
5.4.3.2 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
CONCLUSION AND PERSPECTIVES 131
BIBLIOGRAPHY 135
A APPENDIX 147
A.1 MassFlowEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
A.1.1 CriticalPressureRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
iv CONTENTS
A.1.2 Assumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
B APPENDIX 151
B.1 ActuatorParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
B.2 DV6modelParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
B.2.1 Engineinternalgeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
LIST OF FIGURES 155
INDEX 159
ABSTRACT 161
Acknowledgements
ThisworkhasbeenperformedattheSystemandTransports(SeT)laboratory, underthe
supervision of Prof. M. El Bagdouri and Dr. S. Laghrouche. This work would not have
been possible without their motivation, enthusiasm and immense knowledge. First, I
would like to thank both of my supervisors for all the support and encouragement they
have provided during this work. I would also like to thank them for providing me an
opportunity to work with project partners of SIMBA (SIMulation de la Boucle d’Air)
fromindustry.
I would like to thank the jury members: Prof. X. Brun and Prof. H. Chafouk for
reviewing my thesis and giving me very useful remarks on the report. I am also very
thankful to Prof. A. El Moudni and Prof. M. Basset for their participation as examiners
inthejury.
ThisprojectwasrealizedwithcollaborationofFaureciaEmissionsControlTechnolo-
gies,HoneywellTurboTechnologiesandMarkIV.IamalsogratefultoMr. D.Ragotfrom
Faurecia,Mr. D.GuyonfromMarkIVandMr. J.S.RouxfromHoneywellfortheirguid-
anceandtechnicalsupportwhichhelpedmetosolvetechnicalissuesrelatedtomythesis.
My colleagues certainly deserve a mention since they have significantly contributed
notonlytomyworkbutalsotomysociallife. SpecialthankstoMr. F.S.Ahmedforhis
helpforconductingexperimentsonthetestbench,Mr. M.Harmoucheforhelpingmeto
sort out bugs in control theory, Mr. I. Matraji, A. El Amroui and K. Dar for their moral
support and organizing the outdoor activities which made my stay very memorable in
Belfort.
Lastbutnottheleast,Iwouldliketosayspecialthankstomyparentsandotherfam-
ilymembersfortheircontinuessupportandlovethroughoutmylife. Theywerealways
v
vi CONTENTS
theretocelebratemysuccessandtoovercomethefearoffailuresinmylife. Theiruncon-
ditionalsupporthelpedmetoaccomplishthisobjectivewithcourageandenthusiasm.