Optimization of the Control of Electromagnetic Brakes in the Stand for Tuning Internal Combustion Engines Using ID Regulators of Fractional Order
Loading...
Files
Date
2022
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
MPDI
Abstract
ENG: This work is aimed at developing a stand for tuning the fuel system of an internal combustion engine based on two electromagnetic retarders connected to the driving wheels of a car to simulate a load, and a microprocessor-based torque control system for each brake. In accordance with the terms of reference from the specialists of the automotive service center, such a stand should provide two main modes of operation: (1) stabilization of the speed of the drive wheels in the entire range of loads (fuel supply); (2) engine acceleration and deceleration according to linear tachograms in the range from minimum to maximum speed to determine the dependence of engine power and torque on speed. The purpose of this research is the synthesis of controllers, testing, the choice of the structural scheme, and the parameters of the control and data processing system in the stand for the precision tuning of internal combustion engines. Based on a preliminary analysis of the system, taking into account the mechanical connection of the wheels through the main gear and the car differential, the nonlinear dependence of the electromagnetic torque on the current and retarder speed, and subsequent experimental results, we obtained two types of controller—a third-order aperiodic transfer function and a fractional aperiodic transfer function of order 1.6. This made it possible to synthesize a family of controllers that ensure the operation of the stand in the required modes: synchronization of wheel speeds during engine acceleration; stabilization of the reference speed when the engine torque is changed from minimum to maximum due to fuel supply; measurement of the maximum power and torque of the internal combustion engine during the formation of a triangular tachogram with a given acceleration to compensate for the dynamic component of the torque due to mechanical inertia. The system with the PID controller configured in MATLAB in the “Tune” package has the best performance, but the smallest overshoot and the best dynamic accuracy are ensured by the PIDII_ fractional–integral controller, where the system is characterized by a fractional order of astaticism 1.6. Such a controller for each electromagnetic retarder serves as the basis of the microprocessor-based control, data acquisition, processing, graphical display system, and will also be used to develop a similar bench for tuning four-wheel-drive vehicles.
UKR: Метою даної роботи є розробка стенду налаштування паливної системи двигуна внутрішнього згоряння на основі двох електромагнітних сповільнювачів, підключених до ведучих коліс автомобіля для імітації навантаження, та мікропроцесорної системи контролю крутного моменту кожного гальма. Відповідно до технічного завдання від спеціалістів автосервісу, такий стенд повинен забезпечувати два основних режими роботи: (1) стабілізація швидкості ведучих коліс у всьому діапазоні навантажень (подача палива); (2) розгін і уповільнення двигуна за лінійними тахограмами в діапазоні від мінімальної до максимальної швидкості для визначення залежності потужності двигуна і моменту від швидкості. Метою даного дослідження є синтез регуляторів, проведення випробувань, вибір конструктивної схеми та параметрів системи керування та обробки даних у стенді прецизійного налаштування двигунів внутрішнього згоряння. На основі попереднього аналізу системи з урахуванням механічного зв’язку коліс через головну передачу та диференціал автомобіля, нелінійної залежності електромагнітного моменту від струму та швидкості сповільнювача та подальших експериментальних результатів отримано два види регулятора — аперіодична передатна функція третього порядку та дробова аперіодична передатна функція порядку 1,6. Це дозволило синтезувати сімейство контролерів, що забезпечують роботу стенду в необхідних режимах: синхронізація обертів коліс при розгоні двигуна; стабілізація вихідної швидкості при зміні крутного моменту двигуна від мінімального до максимального за рахунок подачі палива; вимірювання максимальної потужності та крутного моменту двигуна внутрішнього згоряння під час формування трикутної тахограми із заданим прискоренням для компенсації динамічної складової крутного моменту за рахунок механічної інерції. Система з ПІД-регулятором, налаштованим у MATLAB у пакеті «Tune», має найкращу продуктивність, але найменше перерегулювання та найкращу динамічну точність забезпечує дробово-інтегральний регулятор PIDIγIµ, де система характеризується дробовим порядком астатизму. 1.6. Такий контролер для кожного електромагнітного сповільнювача служить основою мікропроцесорної системи керування, збору, обробки даних, графічної індикації, а також буде використовуватися для розробки аналогічного стенду для тюнінгу повнопривідних автомобілів.
UKR: Метою даної роботи є розробка стенду налаштування паливної системи двигуна внутрішнього згоряння на основі двох електромагнітних сповільнювачів, підключених до ведучих коліс автомобіля для імітації навантаження, та мікропроцесорної системи контролю крутного моменту кожного гальма. Відповідно до технічного завдання від спеціалістів автосервісу, такий стенд повинен забезпечувати два основних режими роботи: (1) стабілізація швидкості ведучих коліс у всьому діапазоні навантажень (подача палива); (2) розгін і уповільнення двигуна за лінійними тахограмами в діапазоні від мінімальної до максимальної швидкості для визначення залежності потужності двигуна і моменту від швидкості. Метою даного дослідження є синтез регуляторів, проведення випробувань, вибір конструктивної схеми та параметрів системи керування та обробки даних у стенді прецизійного налаштування двигунів внутрішнього згоряння. На основі попереднього аналізу системи з урахуванням механічного зв’язку коліс через головну передачу та диференціал автомобіля, нелінійної залежності електромагнітного моменту від струму та швидкості сповільнювача та подальших експериментальних результатів отримано два види регулятора — аперіодична передатна функція третього порядку та дробова аперіодична передатна функція порядку 1,6. Це дозволило синтезувати сімейство контролерів, що забезпечують роботу стенду в необхідних режимах: синхронізація обертів коліс при розгоні двигуна; стабілізація вихідної швидкості при зміні крутного моменту двигуна від мінімального до максимального за рахунок подачі палива; вимірювання максимальної потужності та крутного моменту двигуна внутрішнього згоряння під час формування трикутної тахограми із заданим прискоренням для компенсації динамічної складової крутного моменту за рахунок механічної інерції. Система з ПІД-регулятором, налаштованим у MATLAB у пакеті «Tune», має найкращу продуктивність, але найменше перерегулювання та найкращу динамічну точність забезпечує дробово-інтегральний регулятор PIDIγIµ, де система характеризується дробовим порядком астатизму. 1.6. Такий контролер для кожного електромагнітного сповільнювача служить основою мікропроцесорної системи керування, збору, обробки даних, графічної індикації, а також буде використовуватися для розробки аналогічного стенду для тюнінгу повнопривідних автомобілів.
Description
Vit. Kuznetsov: ORCID 0000-0002-8169-4598
Keywords
dual electromagnetic retarders, PID controller, fractional order controller, internal combustion engine, microprocessor control system, здвоєні електромагнітні сповільнювачі, контролер дробового порядку, двигун внутрішнього згоряння, мікропроцесорна система керування, ПІД контролер, КЕЛІ
Citation
Busher V., Zakharchenko V., Shestaka A., Kuznetsov Val., Kuznetsov Vit., Nader S. Optimization of the Control of Electromagnetic Brakes in the Stand for Tuning Internal Combustion Engines Using ID Regulators of Fractional Order. Energies. 2022. Vol. 15, Iss. 24. 9378. DOI: https://doi.org/10.3390/en15249378.