Nonlinear Internal Model Control of Diesel Air Systems

Modèle interne non-linéaire pour le contrôle des systémes d'air dans les moteurs Diesel

Abstract
As a result of the increased complexity of today's power trains, the traditional ways of designing engine control systems essentially through ad hoc methods and experimental tuning will no longer provide the desired level of performance. In this paper, a novel model-based controller is described which accommodatesmany of today's demands on controller development of the automotive industry. The control problem treated here is a boost pressure control of a turbocharged diesel engine with a variable nozzle turbine (VNT). Since the system is essentially nonlinear, a robust nonlinear controller is used. The tracking problem is treated by a control method which combines the Internal Model Control (IMC) structure with the flatness-based approach to design feedforward controllers. The main idea of IMC is to include the model of the plant into the feedback controller. If the model perfectly represents the plant and no disturbances occur, the IMC structure degenerates to a pure feedforward control. Flat systems are characterized by the fact that their input can be expressed explicitly in terms of internal system dynamics which results in a simple method for designing a feedforward controller. In order to extend this concept to nonlinear systems, a flatness-based feedforward controller is proposed as IMC controller. Furthermore, the introduced method allows to explicitly consider input constraints. It is shown that this new concept provides an efficient controller design for certain nonlinear systems and ensures robustness and offset-free tracking. Simulation and testbed results of a controlled air system of a turbocharged diesel engine demonstrate the feasibility of this control scheme which results in impressive control performance.

Résumé
Avec la complexité croissante des groupes de moto propulsion, les méthodes heuristiques de synthèse de systèmes de régulation à calibration expérimentale ne permettent plus d'assurer un niveau de performance satisfaisant. Cet article introduit un nouveau type de régulateur basé sur un modèle et permettant de répondre aux demandes industrielles du domaine automobile. Le problème traité concerne la régulation de pression de suralimentation d'un moteur diesel équipé d'une turbine à géométrie variable. Le système étant essentiellement non linéaire, une approche robuste non linéaire est utilisée. La commande est fondée sur une structure combinant une structure de commande à modèle interne et l'approche par platitude pour le calcul d'une commande en boucle ouverte. L'idée principale de la commande à modèle interne réside dans l'utilisation d'un modèle du procédé dans la boucle de rétroaction. Si le modèle représente parfaitement le procédé et en l'absence de perturbations, la commande à modèle interne génère une commande en boucle ouverte. D'autre part, les systèmes plats sont caractérisés par le fait que leur entrée peut être exprimée explicitement à l'aide de variables d'états internes du système, facilitant la synthèse de commandes en boucle ouverte. Dans cet article, une commande en boucle ouverte par platitude est employée dans une structure de commande à modèle interne. De plus, la méthode proposée permet de prendre en compte explicitement des contraintes sur le signal de commande généré. Il est montré que cette nouvelle approche constitue une méthode efficace de synthèse de commande pour une classe de systèmes non linéaires et assure des propriétés de robustesse et de suivi de trajectoire à erreur statique nulle. Des résultats de simulation et d'expérimentation en banc d'essai démontrent la faisabilité de cette nouvelle approche affichant des performances très prometteuses.