The controller design for diesel engine air management system has been developed to improve the engine performances as well as to satisfy emission restrictions. Due to the substitution from map based or rule based controller to the model based controller, the control strategies considering the engine performances design and optimized emission conditions even though in transient engine operating points can be remarkably advanced. However, even if there are well-defined model based control strategies, the practical issues about controller in-put-output compositions and exact calibration works considering model uncertainties have to be analyzed. Most control designs without these practical issues have been reported only focusing on the higher tracking performances. According to the persistent effort to analyze the practical control issues, we ascertain that the exhaust manifold pressure dominantly causes the modeling errors. Most errors or model uncertainties in diesel engine air management system equipped with VGT and EGR actuators are confirmed as valve effective area, VGT and EGR flow errors. These model errors are raised dominantly by exhaust pressure parameters. Moreover, in control design process, the exhaust pressure has to be selected as a control target state because the exhaust pressure is physically a dominant parameter to deal with the supervision between EGR and VGT flow, and guarantees the system stability mathematically. Hence, the exhaust pressure estimation with high reliabilities has to be developed, and configurations of target values of exhaust pressure have to be considered. This paper studies for the controller designs maintaining the optimal engine performances being free from interventions of exhaust pressure errors or dominant model uncertainties related to the exhaust pressure errors.
At first, we study and simulate a variety of controllers using the exhaust pressure as a target value. Finally, we find that there are erroneous control logics which are not able to solve the internal dynamics state errors. There-fore, desired exhaust pressure generator which suggests the method to overcome the internal dynamics steady state errors (in this case, boost pressure error) is designed. Moreover, for the model parameter errors, the adapta-tion schemes are adopted to the controllers. It is an ordinary method to improve the model uncertainties in model based controller. Especially, the effective area error of EGR and VGT flows where inverse equations of EGR and VGT flows are existed, which is important to change from command flows to actuator positions, is mainly focused in this area.
For a fundamental control design to solve problems of the exhaust pressure errors, and considerations of practi-cal issues, the multi surfaces sliding mode controllers are designed. There are two controllers to consider the managements of exhaust pressure and desired exhaust pressure. Moreover, these controllers show the satisfactory performances and the robustness comparing to the exhaust pressure target based controller’s at every operating points of HiLS and bench test. The one based on compressor power of these controllers are extended to the dual-loop EGR system. Finally, control tracking performances of boost pressure and compressor flow as well as emission regulations for NOx and PM are also satisfied.
In additions, for the exact exhaust pressure estimation, new exhaust pressure estimator using the compressor power equation is suggested that is a distinctive method from the other observers unable to robust to the un-measurable VGT and EGR flows. Moreover, the mean value engine modeling methods where the turbocharger and compressor power models are modified as to ensure the robust models in continuous transient conditions are introduced. This mean value engine model is used to design and verify the controller, estimator and adaptation for simulation verifications as a matter of convenience.
According to these modeling and controlling process, we confident that the practical control strategies for reduc-ing the model uncertainties related to the exhaust pressure and for promoting the compatibility between model based controllers and production controllers are available.
Every controller and estimation and adaptation including to the noise tests are validated from HiLS with a transient conditions (NRTC mode) and steady conditions (C1-08 mode), respectively. Ultimately robust control-lers are also validated at bench test with steady conditions including to emission measurements.
최근 커져만 가는 자동차 배기가스 환경 규제에 대응하기 위해 배기가스의 배출을 최소화 하고, 운전자의 조건에 맞는 최상의 성능을 유지하기 위해 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 그 중 연소 및 배기 가스 후처리 장치들에 대한 연구는 지속적인 개발이 진행 및 실용화 되고 있지만, 소프트웨어 측면인 엔진 제어기에 관련한 연구에 있어서는, 자동차의 사용 신뢰성 및 내구성 그리고 안전성 요소들을 고려해 봤을 때, 빠른 발전을 보일 수 가 없었다. 하지만, 90년대 후반에 들어, 컴퓨터 성능의 놀라운 발전 및 데이터 실시간 프로세싱이 가능한 장비들의 개발로 인해서 독자적인 로직을 설계할 수 있는 환경이 제공되었다. 또한, 엔진의 물리적 현상들이 수학적인 방정식들로 표현이 가능해 질 정도로 정밀한 분석이 가능해져서, 기존의 룰 또는 맵 기반의 제어기의 틀을 벗어난 모델 기반의 엔진 제어기의 개발이 가능해졌다. 특히, 엔진의 정밀 제어를 위해, 기하 급수적으로 늘어나고 있는 센서 및 액추에이터들에 대해 기존의 룰 또는 맵 기반으로 제어기를 설계하기에는 더욱 많은 시간과 노력이 필요하다. 모델 기반의 제어기는 기존 제어기에 비해서 예측 제어가 가능하므로, 좀 더 적극적으로 배기가스 규제 대응 가능하고, 엔진의 운전에 있어서도 과도 구간에서의 수학적인 분석이 가능하기 때문에, 기존 제어기 대비 파라메터 튜닝 시간을 효율적으로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 다양한 제어기법들의 적용이 쉬울뿐더러, 수학적으로 모델들간의 통합 및 분리가 가능하므로, 다양한 엔진의 모델링 및 제어기 설계가 확장 가능하다. 이러한 장점들을 가지고 디젤엔진의 에어 시스템 제어 및 모델링에 관련한 다양한 보고서가 많이 등장하게 되었다. 하지만, 이러한 결과들을 자세히 분석해 보면, 실질적으로 측정이 불가능하거나, 모델 특성상 많은 에러를 내포하는 형태의 제어 전략을 제시하는 경우가 있다. 특히, 기존 시스템과의 연계성에 관련한 요소들을 무시한 채, 제어기가 설계되는 경우도 있다. 모델 기반 제어기는 앞 서 말한 다양한 장점들을 보여주기에 앞서, 모델의 정확성이 높아야만 그 성능을 유지할 수 있다. 즉, 모델의 불확실성을 최대한 줄일 수 있는 방법론에 대한 연구가 진행되어야만 한다. 그리고, 기존 시스템과의 연계가 가능하도록 설계되어야만 실질적인 제어기라고 할 수 있다. 본 연구에서는 배기 매니폴드의 압력 파라메터의 에러가 시스템 전체적인 모델의 불확실성을 일으킨다고 제시한다. 대부분 많은 보고서들이 디젤 엔진 에어시스템 제어에 있어서는 밸브 모델의 effective area와 외부 압력 및 온도 변화, 그리고 VGT 및 EGR 의 유량 계측에 있어서 모델의 불확실성이 있다고 보고하고 있다. 제시된 항목들을 살펴 보면, 모두 배기 압력과 관련하여 높은 연관성을 가지고 있는 모델들이고, 이러한 불확실성은 대부분 배기 압력의 에러를 줄이면, 모델 기반 제어기의 성능이 향상될 수 있음을 알 수 있다. 특히, 모델 기반 제어기의 수학적인 분석을 해 보면, 제어기의 주요 목표 파라메터를 배기 압력으로 설정해야만 엔진이 발산하지 않을 수 있다. 이는 수학적으로 검증된 감소 차수 모델을 기반으로 input-output line-arization 기법을 통해 해석이 가능하다. 또한, 배기 매니폴드의 압력은 물리적으로 VGT 와 EGR 유량 형성에 있어서 핵심 역할을 하는 요소이기 때문에, 정밀 제어를 하기 위해서는 배기 압력은 필수적인 목표점이 되어야 한다. 하지만, 실질적인 현장에서는 배기 압력을 실시간 측정하는 것이 불가능하고, 맥동 현상 및 배기의 높은 온도 로 인해서 그 정확성이 매우 떨어진다. 또한, 제어기의 주요 목표점으로 선정하려면, 그에 따른 목표 값을 있어야 하는데, 기존 상용 ECU 에서는 배기 압력 목표 값이 존재하지 않을 뿐더러, VGT 와 EGR flow와의 커플링 효과를 고려하여 목표 값을 만들기가 쉽지 않기 때문에, 현실적으로 배기 압력 기반의 제어기를 제작하는 것은 불가능하다. 하지만, 학계의 많은 보고서들은 이러한 현실 적인 문제점들을 무시한 채, bench 형태에서 배기 압력에 센서를 장착해서 실험하거나, 적은 엔진 운전점에 있어서만 그 제어기의 성능이 좋다고 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 배기 매니 폴드 압력을 기반으로 기존의 설계된 슬라이딩 모드 제어기의 성능을 보정하고자 하여 다양한 연구가 진행되었다. 우선, 기본적으로 배기 매니 폴드를 기존의 컴프레서 유량 값과 부스트 압력 값만을 가지고, 추정하는 알고리즘을 제시하였다. 이는 기존 추정기 대비 좀 더 강인하면서 정확한 값을 계산해 내는 데 유리한 구조를 가지고 있다. 또한, 제시한 추정기를 기반으로 하여, 실질적인 목표 값이 부스트 압력을 맞출 수 있도록 도와주는 배기압력 목표 값 제너레이터를 설계하였다. 이는 현장에서의 배기 압력 목표 값을 설계해야만 하는 부담을 크게 덜어줄 있을 뿐만 아니라, 실질적으로 요구하는 엔진의 주요 목표 값에 가깝게 제어할 수 있도록 해준다.
또한 좀 더 현실적으로, 기존의 존재하는 제어기의 타겟 구조 형태와 동일하면서 모델 기반의 장점을 이용할 수 있는 이중 슬라이딩 모드 제어기를 개발하였다. 특히, 배기 매니폴드의 목표 값 설정을 배제하고, 흡기 매니폴드의 부스트 압력과 유량을 동시에 제어 가능하도록 설계한 것이 특징이다. 또한, EGR 의 유량 제어가 VGT 유량 형성 과정과 분리되고, 흡기 매니 폴드의 유량 형성에 집중하도록 설계함으로써, 기존 배기 압력 기반의 제어기 대비 좀 더 정밀한 EGR 유량 제어가 가능해졌다. 이 제어기는 이중 구조의 EGR 시스템으로까지 확장되어 엔진 성능 및 배출 가스 규제도 만족하는 결과를 보여줬다.
그 외에도, 일반적인 파라메터 불확실성에 대한 보상 개념으로 적응 기법에 대한 연구, 디젤 엔진 에어 시스템 평균화 모델링 기법에 대한 연구가 이루어졌다.
이러한 제어기의 개발 및 연구로 인해서, 현재 진행중인 모델 기반 엔진 제어의 연구가 좀 더 현실적인 요소들을 반영하고, 기존 시스템과의 연계성들을 고려하는데 있어서 작은 도움이 되었으면 한다.
