Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/15492
Title: Model Predictive Control Of A Turbocharged Diesel Engine With Exhaust Gas Recirculation
Other Titles: Aşırı Doldurmalı Ve Egzoz Gaz Çevrimli Dizel Motorda Model Öngürülü Kontrol
Authors: Gökaşan, Metin
Yavaş, Muharrem Uğur
10067752
Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği
Control and Otomation Engineering
Keywords: Dizel Motor
Asiri Doldurma Sistemleri
Model Ongorulu Kontrol
Diesel Engine
Turbocharger
Model Predictive Control
Issue Date: 9-Mar-2015
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Günümüzde içten yanmalı motorların tekonolojisi son derece ilerlemiş ve elektronik kontrol uygulamalarının bir çok örneği içten yanmalı motorlarda uygulanır hale gelmiştir. 21. Yüzyıl ile birlikte otomotiv endüstrisi aşırı doldurma teknolojisini kullanarak motorların hacminde küçülmeye gitmiştir. Böylelikle birim hacimden üretilen motor gücü yükselmiştir. Öte yandan emisyon regülasyonları giderek sıkılaşmakta ve içten yanmalı motorlarda farklı ekipmanların emisyonları düşürmesi için kullanılması gerekmektedir. Egzoz gaz çevrimi sistemi Nox emisyonlarını azaltması için yanmış egzoz gazının bir bölümünü tekrardan emme manifoldu vasıtası ile silindirlere yöneltir. Bunun sonucu ise hava yakıt karışımında daha az oksijen bulunması ve NOx oluşmunun en büyük sebebi olan silindir için yanma sıcaklığının düşürülmesidir.Sonuçta aşırı doldurma ve egzoz gaz çevrimi bugun her dizel motorda bulunan birer teknoloji haline gelmiştir. Modern bir dizel motorda otomatik kontrol sistemleri fazlasıyla kullanılmaktadır. Mekanik motordan elektronik motora geçilmesi ile kontrol algoritmaları karmaşıklaşmış ve kalibrason süreci uzamıştır. Günümüzde otomotiv üreticilerinin en çok araştırma yaptığı konulardan bir tanesi içten yanmalı motorlarda bulunan bu kontrol sistemlerinin en isabetli şekilde kontrol edilmesi ve bunun da en kısa sürede yapılmasıdır. Bu durum şüphesiz ki dinamometrelerden sanal test merkezlerine geçilmesinde ve içten yanmalı motorların bilgisayar ortamında modellenmesine ve benzetiminin yapılmasına sebep olmuştur. Aşırı doldurma sistemi, egzoz gazına bağlanan bir türbine ile emme hattına bağlanan bir kompressor ve bunları birbirine bağlayan bir şafttan oluşur. Egzoz gazı türbini çevirerek mekanik bir enerji yaratır ve bu enerji şaft ile kompressöre aktarılarak, kompressörün emme manifolduna sıkıştırılmış hava göndermesini sağlar. Havanın yoğunluğu ne kadar artarsa volumetrik verim o kadar artacak ve böylelikle daha küçük hacimdeki motorlardan daha çok güç elde edilebilecektir. Öte yandan, egzoz gaz sistemi egzoz akışının bir kısmını tekrardan bir soğutucudan geçirdikten sonra emme manilfolduna aktarır. İki sistemin de hem egzoz ve emme manifoldu ile olan ilişkisi, çok girişli çok çıkışlı bir sistemin oluşmasına sebep olur. Öte yandan endüstride dizel motor hava yolu problemi iki ayrı tek giriş tek çıkış sistem olarak ele alınır. Bu durum beraberinde bir çok sorunu ve ek çalışmayı getirir. Zira, egzoz gaz çevrimi doğrudan egzoz ile emme manifoldu arasındaki basınç farkı ile sürülmektedir ve bu hat doğrudan aşırı doldurma sistemine bağlıdır. Çalışmada standart kontrolör yapılarının sisteme tek giriş tek çıkış iki ayrı sistem gibi yaklaşıldığında nasıl kötü sonuçlar verdiği irdelenmiştir.  Bu durumdan kurtulmak için açık çevrim ileri besleme sisteme eklenmiş ve daha isabetli sonuçlar alınmıştır. Son yıllarda, motor modellenmesine verilen önem giderek artkmaktadır. Bunun en önemli sebebi şüphesiz giderlerin azaltılması ve zamandan elde edilen kazançtır. Bu çalışmada yüksek modelleme kapasitesine sahip AVL Boost RT programı ile aşırı doldurmalı  ve egzoz gaz çevrimli dizel motor modeli elde edilmiştir. Boost RT çalışma prensibi ve denklemleri ayrıca açıklanmıştır. Programın kullanılmasının şüphesiz en büyük avantajı, modelleme fazının daha kolaylıkla geçilerek kontrol uygulamaları kısmına daha çok zaman ayırabilmesi ve diğer araştırma alanlarından insanların da içten yanmalı motorlar üzerinde benzetim yapabilmesidir. Bu çalışmada elde edilen dizel motor modelinin hava yolu üzerinde standart PID kontrolörün performansı Ziegler Nichols ve genetik algoritma metodları ile kalibre edilerek incelenmiştir. Ardından, otomotıv sektöründeki popüler kontrol uygulaması, açık çevrim ileri besleme sisteme eklenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Hava yolu sisteminin iki ayrı çevrimi türbin kanat pozisyonu girişi ve emme manifoldu basıncı bir sistem, egzoz gaz çevrim valfi pozisyonu girişi ve emme manifoldu hava akışı çıkışı olacak şekilde iki ayrı tek giriş çıkış sistem halinde incelenmiştir. AVL Boost RT yazılımı ile gerçek zamanlı çalışan ve dolayısı ile çevrim dışı test sistemlerinde kullanılması mümkün karmaşık modeller elde edilebilir. Boost RT ile yapılan model rahatlıkla Simulink ortamına veya test merkezine aktarılarak benzetim imkanı sağlanır. Boost RT ile modelleme yapılırken dikkat edilmesi gereken önemli hususlar motorun silindir çapı, hacmi, kran mili uzunluğu ve daha niceleri gibi önemli parametrelerin bilinmesi gerekliliğidir. Çünkü, blok tabanlı bir modelleme programı olan yazılım, benzetimi yapılacak her element için gereken karakteristik bilgiyi soracaktır. Aşırı doldurma sistemi modellenirken örneğin, eğer tedarikçiden elde edilen kompresör ve türbin haritaları mevcutsa bu haritalar ilgili blokların içerisine yerleştirilmelidir. Aksi takdirde aşırdı doldurma sisteminde daha basit bir modelleme yaklaşımı olarak sabit verim kullanılabilir. Egzoz gazı çevrim modellemesi ise biraz daha karmaşıktır. Doğru akışın yakalanması için kompressör çıkış basıncı ve egzoz basıncının isabetli şekilde modellenmesi gerekir. Çalışmada emisyonlar açısından bir bakış doğrudan bulunmadığı için egzoz manifoldundan sonra türbine yer verilmiş sistemin geri kalanı modellenmemiştir. Fakat bu noktada isabetli egzoz basıncı modellenmesi için egzoz hattında bulunan emisyon düşürücü sistemleri temsil edecek bir ters basınç yaratılmıştır. Çalışmanın önerdiği diğer bir kontrol uygulaması ise, standart PID kontrolör yerine, sistem üzerinde çok giriş çok çıkış yapısının uygulanabileceği model öngörülü kontroldür. Model öngörülü kontrol, sistemin modelini kullanarak gelecekteki çıkışlarını öngörererk belirlenen optimizasyon problemini çözer. Bu çalışmada kullanılan sistem modeli giriş – çıkış verilerine dayanarak 4. dereceden bir durum uzay denklemidir. Model öngörülü kontrolör de doğrusaldır ve kısıtlar eyleyici pozisyonlarına göre belirlenmiştir. Model öngörülü kontrol yapısı gereği çok giriş çok çıkış sistemlerle başa çıkabilir. Yapılan işlemler temel olarak belirli bir ufuk boyunca ki ufuk sistemin geleceği anlamına gelir, sistemin gelecekteki davranışları hesaplanarak bir sonraki kontrolör çıkışı için quadratik bir optimizasyon problemi çözülür. Bu noktada sistemin çok giriş ve çok çıkışlı olması sadece işlem karmaşasını artırıken sistemin kısıtları da hesaplamalara eklendiğinde, kontrolörün bir sonraki yanıtı ortaya çıkan kısıtlı optimizasyon probleminin çözümüdür. Model öngörülü kontrol günümüzde, proses endüstirisinde sıklıkla kullanılmaktadır. Buradaki sistemlerin çok giriş ve çok çıkışlı lineer olmayan sistemler olduğu düşünülürse, PID kontrolör bu gibi sistemler karşısında yeterli performansı gösterememektedir. Öte yandan proses endüstirsindeki sistemlerin dinamiği oldukça yavaştır ve model öngörülü kontrolör için gerekli hesaplamaların yapılması için gereken zaman vardır. Son on sene içerisinde, motorlu taşıtlardaki motor kontrol modüllerinin tamamen elektronik hale gelmesi ve hesap kapasitelerinin yükselmesi ile model öngrörülü kontrolün otomotiv sektöründe de uygulamaları başlamıştır. Çalışmada kullanılan diğer önemli bir metod, şüphesiz ki genetik algoritma ile yapılan PID kalibrasyon işlemidir. Genetik algoritma ile PID kontrolörün kalibrasyonun yapılması yeni bir şey olmamakla beraber, otomotiv alanında hava yolu hattı için daha önce kullanılmamıştır. Bu noktaya gelinmesini sağlayan en önemli gelişme bilgisayar ortamında yapılan gerçekci içten yanmalı motor modelleri ile yapılan benzetimlerdir. Bir kez becerikli bir model ve benzetim ortamı kurulduğunda, gerçek hayatta saatler sürecek ve ekonomik açıdan handikap yaratacak testler otomatik olarak bilgisayar ortamında sürdürülebilir. Böylece günümüzde otomotiv sektöründeki en büyük mücadelelerden biri haline gelen en kısa zaman içerisinde en uygun fiyata en başarılı ürün fikri gerçeklenebilir.    Bu araştırmanın sonucunda model öngörülü kontrolörün standart PID kontrolörlere göre daha başarılı bir kontrolör performansı sergilediği görülmüştür. PID yapısının kalibrasyonu için ise Ziegler Nichols yerine genetik algoritmanın kullanılması yine kontrolör performansını arttıracaktır. Model öngörülü kontrolör tasarlanırken henüz genel geçer bir metoda ulaşılamamıştır. Bu bir nevi dezavantaj olmakla beraber kontolör tasarımını doğrudan etkliyen kısıtlar ve kısıt kazançlarının sistem yanıtını nasıl değiştireceğine dair çalışmalar yapılmıştır. Neticede, iki farklı model öngörülü kontrolör yapısı önerilmiştir ki bunlardan bir tanesi agresif ve hızlı bir cevba sahipken diğeri daha yumuşak ve aşımsız bir  performans sergiler. Bu kontrolörlerden hangisinin kullanılacağı sistemden sisteme farklılılk gösterecektir. Öte yandan, otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılan açık çevrim ileri besleme kontrol yapısının standard kontrolör yapılarına olan katkısı doğrulanmıştır. Model öngörülü kontrolörün normal kontrölör yapılarına karşı olan en büyük avantajı sistemin kalibrasyonunun basitliği ve çok daha az değişkene sahip olmasıdır. Kısaca model öngörülü kontrol yapısı kullanıldığında eforların büyük çoğunluğu model tanılamada harcanıcak ve arkasından kontrolör tasarımı kolaylıkla gerçekleştirilecektir.
In the 21th century, despite the research in electric and hybrid cars, internal combustion engines still have the domination. However, todays’s combustion engines differ a lot from their old ancestors due to stringent emission regulations which forces automotive industry to design green engines. Tighter emission regulations caused the downsizing trend which made the turbocharger is a must in the new engine familes. On the other hand, diesel engines with turbochargers has been drawn a lot attention due to its great fuel economy, strong low end torque and better compression ratio. In order to deal with famous emission phenomena, NOx – PM trade off, of the diesel engines, exhaust gas recirculation systems has been designed reduce NOx emissions. Therefore, the diesel engine to be focussed on this study, have the two fundamental technology: turbocharger and exhaust gas recirculation, which projects the almost all diesel engines currently in the automotive industry. Turbocharger system works with a compressor in the intake and a turbine in the exhaust port which are coupled to each other via shaft. When the energy due the exhaust flow throught the turbine is transferred to the compressor via shaft and this provides the power for the compression of intake air by just using waste exhaust gases. Moreover, compression of intake air incresases the air density for the same volume so incresas the volumetric efficiency of the combustion chamber. This is the key element which initites downsizing era in the internal combustion engines. On the other hand, reason of the exhuast gas recirculation system is completely to reduce NOx emissions. Exhaust gas recirculation system returns the some part of exhaust flow before turbine, then cools it down and blows it to the intake manifold. Mixture of fresh air with the burned air results less oxygen in the air to be combusted. Thus, peak combustion temperature, which is strictly depends on oxygen concentration and the main reason of NOx production, is reduced. In summary, modern diesel engine has a complex air path structure due to turbocharger and exhaust gas recurculation. As a result, control of the flow and pressure of intake air mass which will be sucked into combustion chamber, becomes complicated. This study investigates different approaches to the control of air path as model predictive control and compares it with the control algorithm currently being used. Developing control oriented diesel engine  models is not a new topic and under investigation for the last twenty years. Mean value engine modeling is one of the most popular and accepted method to do so. However, creation of diesel engine model is a longlasting and diffuclt process due to its complex, non-linear equations and the differential equations. This study offers an easier method for the modeling which is the use of AVL Boost RT. The software works as component based modeling logic and each possible transfer is handled differently as mechnanical, heat or flow. To reach a accurate diesel engine model, it is only necessary to parametrize each component to be modeled. Then Boost RT handles all the solution of differantial equations and the physical phenomenas. The use of modeling software gives the great advantage of work with complex systems rather easier to the control society. Another big advantage is that once the diesel engine model is ready, it can be imported to Matlab Simulink to design and simulation of the controllers. The diesel engine models desingned in Boost RT, is quite flexible and model is easy to convert or adapt to the different engines or different designs. Diesel engine air path as a system itself should have two inputs, which are turbocharger vane position and exhaus gas recirculation valve position, and two outputs,  which are manifold absolute pressure (MAP) and mass air flow (MAF). So, this is a multi input multi output system which is strongly coupled. For example, openin further of the exhaust gas recirculation will cause reduction in fresh air so mass air flow plus it will also reduce the manifold absolute pressure by diverting some of the exhaust gases which drives the turbine. However, in the automotive industry, the general control approach the diesel engine air path is using two seperate single input single output systems despite the explained coupled behaviour. In order to get good set point tracking and disturbance rejection, there are too many parameters to be calibrated for each PID controller of the air path. For example, P, I and D term have all different 2D interpolation maps which depends on the error and engine operating point in terms of engine speed and load. Additionaly, open loop feedforward structure has 2D interpolation look up tables to be filled. On top of that in order to cope with system non-linearites, there are some special functions to be calibrated as rata limitation, dynamic response, output hysteresiz. Finally, despite all the calibration efforts, overall controller response of diesel engine air path has a lot of overhsoots, undershoots and short term instabilities. Calibration of the PID controllers for the air path system, Ziegler Nichols osscilation method is being used. Controllers without feedforward control would give a poor performance. This has been proved by the addition of feedforward term to the main controllers. In addition to that, new calibration method for the air path controllers are suggested as the use of genetic algorithm. Tuning controllers may take too much time with genetic algorithm but the output is much more succesfull than the ones tuned by Ziegler Nichols. On the other hand, feedforward approach does not give much to the controller tuned by genetic algorithm. Hence, this raise a new approach by removing feedforward terms which would reduce system complexity and  reduced time.  At last, model predictive controller was designed to control diesel engine air path. Model predictive control has a natural advantage to cope with multi input multi output system due to its quadratic problem solving method. Besides, it handles with system constraints very well and once the plant model is designed, rest of the calibration action is just adjusting scaling factors to prioriteze outputs. On the other hand, plant  model may be created with various methods but it needs to be linear. In this work. Matlab system identification  toolbox was used. Direct two input two output state spce model of the system was used. The plant model is imported to the model predictive control block in Simulink. Then the controller is tuned in terms of prediction horizon, constraints and scaling factors. Prediction horizon is the number of samples that the plant model simulated to get future plant responses. System constraints are the maximum and mimum position of the actuators, actuators controller step rates and physical limits of mass air flow and manifold absolute pressure. In short, model predictive controller gave a better performance than the any other controllers which is a promising result. During this work, for the engine model Boost Rt and the rest of the calculations Matlab Simulink and its system identification, model predictive control and parameter estimation toolbox were being used. The algorithms work behind this elements were shared to provide theoretical background. In the last chapter possible further steps were disscussed.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
URI: http://hdl.handle.net/11527/15492
Appears in Collections:Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10067752.pdf2.28 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.