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Datum: 15.11.2007
Dymola-Infotag, IRT RWTH Aachen
Institut fürRegelungstechnik
EngineLib:Modellbildung des Luftpfads eines Dieselmotors
für HIL-Anwendungen
Frank Heßeler (RWTH Aachen, IRT)
Folie 2Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Inhalt
Einführung
Ziele in ZAMOMO
Motor-Modell
HIL-Testumgebung
1
2
3
4
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Zusammenfassung5
Folie 3Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Einführung
� Entwicklungsanforderungen:
� Abgasemissionen:
• NOx
• Partikel
� Leistung / Verbrauch
� NOx-Reduzierung mit Hilfe von AGR
� Reduzierung der Brennraum Temperaturen
� Senkung von NOx-Emissionen
� Erhöhung der Partikel-Emissionen
� Leistungssteigerung durch Aufladung bzw. Verbrauchsreduzierung durch downsizing
� Gekoppeltes Problem
� Entkoppelnde Regelstrukturen sinnvoll
� Test der Regler im HIL-Test
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 4Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Struktur Motor / Regelaufgabe
Luftfilter
ATL
VTG
AGR
Q&
Q& Q&
λ
LLK
Frischluft
Ab
gas
Bm&
CR-Pumpe
AGR
Ladedruck
Stellgrößen
� VTG
� AGR-Ventil
Regelgrößen
� Ladedruck
� Frischluft bzw. AGR-Rate
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 5Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
ZAMOMO: Einordnung des HIL-Modells
Modellbildung Regelung
CAD-Daten,Kenndaten
Motor
C1 C2 C3
C4 C5C6
SB1
J1 J2 J31 2
SB2
3
J4
J5
J64 5 6
PL1
PL2
PL37
8
9
J7
J8
10
11
R1
CO1
12
1314
CO2
1516R2
17
18 19 20 21
22
23
2425 26 27 28 29
3031 3233 3435
3637 3839 4041
CO3
42
R3
43
44TC1
CL1
4546
MP1
MP2MP3
MP4
MP5
MP6
MP7 MP8
MP9 MP10
MP11
MP12
MP13
MP14
MP15
MP16
MP17
MP18
MP19
MP20
MP21
CFD-Modell
Vereinfachungen,Daten
Vereinfachungen
HIL-Test
QV,&
auseinmm
dt
dm&& −=
auseinmm
dt
dm&& −=
Schluckm&
T ,mges&
LAGRmm && +
Beobachter-Modell
HIL-Modell
Steuergerät
Prädiktion
Umsetzung am
Prüfstand
Modellgestützte prädiktive Regelung
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 6Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Aufbau einer Motorbibliothek
� Ziel:
� Alle Komponenten des Luftpfads eines Motors sollen in verschiedenen Detaillierungsstufen vorhanden sein
• Volumina
• Kühler
• Turbolader
• Drosseln
� Motormodelle:
• Mittelwertmodell
• Kurbelwinkelaufgelöste Modelle
– Brennverlauf
– Wärmeübergang
– Füllung
• Diesel- bzw. Ottomotoren
� Einsatz als Basis für die Entwicklung von Streckenmodellen für die Reglerentwicklung und HIL-Test
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 7Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Modellreduktion
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 8Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Modellreduktion
QV, &
QV, &
LLK
V
ATL
AGR-K
auseinmm
dt
dm&& −=
auseinmm
dt
dm&& −=
Schluckm&
T ,mges
&
Drossel
LAGRmm && +
:ηηηη Kennfeld
:,m Π& ATL-Gleichungen
AGR-Ventil
VTG
ωJ,
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 9Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
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Gesamtmodell in Dymola
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 10Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
ThermoPower-Bibliothek
� ThermoPower-Bibliothek 2.0 von Francesco Casella
� Basismodelle
• Quellen / Senken (Druck bzw.
Massenstrom)
• Volumen
• Kompressor
• Single-Turbine
� Nutzt die Media-Bibliothek von Modelica
• Stoffmodelle für Gase und Flüssigkeiten
• NASA-Stoffdatenbank für Stoffgrößen als
Funktion von T und p
• Hier: Ideales Gas (N2),
Mehrstoffkomponenten möglich
� Frei verfügbar ���� erweiterbar z.B. Kühler
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 11Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
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Modellierungsbeispiel: Kompressor
� Basisgleichungen für Turbomaschinen werden vererbt
� Code-Ausschnitt:
partial model CompressorBase "Gas compressor"
…
equation
w = inlet.w;
assert(w >= 0,"The compressor model does not support flow reversal");
inlet.w + outlet.w = 0 "Mass balance";
w*(hout - gas_in.h)*eta_mech = tau*omega "Energy balance";
hout-gas_in.h= 1/eta*(hout_iso-gas_in.h);
PR=pout/gas_in.p "Pressure ratio";
shaft_a.tau + shaft_b.tau = tau;
der(phi) = omega;
� Für alle Kompressorentypen gleich
� Charakteristik über Kennfelder für phic, eta und PR
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 12Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
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VTG-Turbolader
� Charakteristik über Kennfelder
� Kompressor verwendet die Methode mit Beta-Linien für die Verknüpfung der Kennfelder (phic, eta und PR)
� Turbine verwendet KF für phic und eta
� Keine VTG-Funktionalität � Erweiterung der Kennfelder um 3D-Lookuptables für die VTG-Stellung
� Integration zum Turbolader
� Drallsatz mit Massenträgheitsmoment
� Konsistente Parametrierung über Record-Struktur
� Startwerte
� Unbekannte Startwerte für die Initialisierung:
• Drehzahl
• Drehmoment
� Erstellung der Kennfelder mit Hilfe von Messdaten und Matlab-Skripten (Polynome)
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Folie 13Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Parametrierung des Turboladers
� Record-Strukturen für:
� Parameter des Turboladers
� Startwerte für Simulation
� Manuelle Startwerte:
� Drehzahl
� Drehmoment
� Beide sind nicht bekannt
� Quellen für Daten:
� Mat-Dateien können in
Dymola eingelesen werden
� Auswahl von Recod-
Elementen innerhalb des
Modell einfach möglich
Dies ermöglicht die konsistente Parametrierung der Modelle
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 14Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Motormodell
� Mittelwertmodell
� Physikalische Beschreibung von:
� Temperatur nach Motor
� Luftmassenstrom
� Drehmoment
� Seiliger-Vergleichsprozess
� Stoffmodell aus Media-
Bibliothek
� Einspritzzeitpunkte
� Vollständige Stoffumsetzung
� Polynom für Reibung
� Drallsatz für Dynamik
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 15Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
w_Setpoints
Setpoints
y_Strecke
w_Setpoint
Scopes
y_Strecke
u_k
A_k
B_k
C_k
z_Beobachter
delta_ x_Beobachter
y_Beobachter
Observer
Dymola
u_m
y_Strecke
delta_x_Beobachter
w_Setpoints
A_k
B_k
c_k
u_n
Controller
un0
K*u
Reglerentwicklung in Matlab/Simulink
� Dymola – Simulink Interface
� Dymola-Modelle bleiben
erhalten, Parametrierung
möglich
� Standardentwicklungsum-
gebung Simulink kann
weiter verwendet werden
� Verwendung von
Echtzeithardware durch
Realtime-Workshop möglich
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 16Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
HIL-Simulation dSpace – dSpace
� Code-Generierung mit Hilfe von Dymola Simulink- Interface und Realtime Workshop
� Test der Regler-Algorithmen auf HIL-Prüfstand
� Danach direkt am Prüfstand einsetzbar
� Typische Hardware im Automotive-Bereich
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Folie 17Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
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Zusammenfassung
� Modelica vereinfacht die Erstellung von Simulationsmodellen
� Objektorientierung
� Physikalische Modellierung
� Freie Bibliotheken erhältlich
� Aufbau einer „Motor-Bibliothek“
� Luftpfad
� Motormodelle
� Matlab/Simulink für Reglerentwicklung kann weiterhin verwendet werden (Simulink-Interface)
� Gute C-Code Generierung
� Einsatz auf Echtzeithardware (dSpace) möglich
Einführung – ZAMOMO – Motor-Modell – HIL-Testumgebung – Zusammenfassung
Folie 18Dymola-Infotag, IRT RWTH AachenDatum:
15.11.2007
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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