Modélisation et commande des systèmes d'air des moteurs suralimentés

par Philippe Moulin

Thèse de doctorat en Mathématiques et automatique

Sous la direction de Pierre Rouchon.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Les performances des moteurs à combustion interne sont limitées par la quantité de gaz que leur système d'air peut apporter dans le cylindre. Les turbocompresseurs permettent d'augmenter cette quantité et c'est donc pour cette raison qu'ils sont maintenant couram- ment utilisés, parfois en combinaison avec d'autres composants. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'entraîner une dynamique lente sur le moteur. Les stratégies de commande associées doivent donc exploiter au maximum la dynamique d'un système complexe. Cette thèse examine les problèmes de commande des systèmes d'air suralimentés à travers trois études de cas : un turbocompresseur à géométrie fixe sur un moteur essence, une turbine à géométrie variable sur un moteur Diesel avec deux circuits de recirculation des gaz brûlés, et un turbocompresseur à deux étages sur un moteur Diesel. La démarche proposée consiste à réduire un modèle physique du système et à synthétiser des stratégies de commande simples basées sur l'analyse de ce modèle. Grâce à la simplicité du modèle réduit et de la loi de commande, on peut prouver des propriétés du système en boucle fermée telles que la convergence, la stabilité et le respect des contraintes. Des résultats expérimentaux sont fournis dans chaque cas pour démontrer la pertinence de la démarche. Le premier problème considéré est à simple entrée simple sortie (SISO) avec des contraintes sur l'actionneur. Le système est non linéaire du premier ordre. La stratégie de commande développée consiste en une linéarisation par retour d'état avec planification de trajectoire sous contrainte. Elle se base sur l'inversion dynamique d'une représentation physique du système. Des problèmes pratiques tels que les contraintes sur l'actionneur et l'anti emballement de l'intégrateur sont pris en compte à la fois dans les parties de prépositionnement et de bouclage du contrôleur. La démarche et les développements sont ensuite étendus à des applications plus complexes. Le second système d'air considéré contient plusieurs sous systèmes avec de nombreuses interactions : turbocompresseur et circuits de recirculation des gaz brûlés. Un niveau de modélisation similaire à celui du premier cas est utilisé pour l'analyse du système. On montre que les dynamiques des circuits de recirculation des gaz brûlés sont plus rapides que celles du turbocompresseur et peuvent donc être négligées. Cependant, les interactions statiques entre les deux systèmes imposent des contraintes sur la commande du turbocom- presseur. La structure de commande développée pour le premier exemple est adaptée à ce nouveau problème de commande. La dernière application est la plus complexe. Le problème de commande peut être réduit à un problème à simple entrée et simple sortie (SISO), mais le système est du second ordre et des contraintes doivent être respectées sur l'un des états. Un modèle physique mais réduit du second ordre permet d'étudier les trajectoires du système en boucle fermée dans le plan des phases. Des stratégies de commande sont ainsi synthétisées pour forcer le système sur les trajectoires désirées tout en satisfaisant les contraintes. La thèse montre donc que différents problèmes de commande de sytèmes d'air peuvent être traités avec des solutions similaires et cohérentes. La démarche globale et le niveau de modélisation retenu sont génériques. Ils pourront ainsi être étendus à de futurs problèmes de commandes de systèmes d'air, mais également à des problèmes de diagnostic pour lesquels ils sont bien adaptés.

  • Titre traduit

    Air systems modeling and control for turbocharged engines


  • Résumé

    The performances of internal combustion engines are limited by the quantity of fresh air and burned gas that can be brought into the cylinder by their air system. Turbochagers enable to increase this quantity and this is the reason why they are now used commonly, often combined with other complex components. These systems generate a slow dynamics on the engine. The associated control strategies are therefore complex because they must utilize the full dynamics of a complex system. This thesis investigates the control problems of turbocharged air systems through three case studies : a fixed geometry turbocharger on a gasoline engine, a variable geometry turbine on a Diesel engine fitted with two exhaust gas recirculation circuits, and a two stage turbocharger on a Diesel engine. The proposed approach consists in the reduction of a physical model of the system and in the design of simple control strategies based on the analysis this model. Thanks to the simplicity of both the reduced model and the control law, it is possible to prove properties of the closed loop system such as the convergence, the stability and the satisfaction of constraints. Experimental results are provided for each case study in order to demonstrate the relevance of the approach. The first problem considered is single input single output (SISO) with constraints on the actuator. The system is non linear and first order. The control strategy is based on feedback linearization and constrained motion planning. It consists in a dynamic inversion of a physical representation of the system. Practical issues such as actuator constraints and integrator anti wind up are taken into account in both feedforward and feedback terms of the controller. The approach and the developments are then extended to more complex applications. The second air system considered contains several subsystems with many interactions : turbocharger and exhaust gas recirculation circuits. A similar level of representation as for the first case is used for the system analysis. It is shown that the dynamics of the exhaust gas recirculation circuits are faster than that of turbochargers and can therefore be neglected. However the static interactions between the two systems impose constraints on the turbocharger control. The control structure developed for the first example is adapted to this new control problem. The last application is the most complex one. The control problem can be reduced to a single input single output (SISO) problem, but the system is second order and constraints must be respected on one of the states. A reduced physical second order model allows to study the trajectories of the closed loop system in the phase plane. Control strategies are thus designed to force the system to the desired trajectory while satisfying the constraints. The thesis thus shows that different air systems control problems can be addressed with similar coherent solutions. The global approach and the chosen modeling level are generic. They can therefore be extended to future air systems control problems, but also to diagnostic problems for which they are well adapted.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (161 p.)
  • Annexes : Bibliographie 93 réf.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.301 CCL TH 1271
  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible sous forme de reproduction pour le PEB
  • Cote : EMP 160.302 CCL TH 1271
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.