Controllo del regime di minimo per sistemi ''Torque Based'': Un approccio polinomiale

Introduzione 
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Si sono ottenuti miglioramenti significativi in termini di  reiezione ai disturbi, di 
fluttuazione di velocità al minimo e di consumo di combustibile rispetto ai regolatori 
standard  PID o LQ, adottati tradizionalmente nell'industria automobilistica. 
1.1 Struttura della tesi 
Nel capitolo 2 (Sistemi “Torque-Based”) è presentata la nuova struttura di 
controllo motore entrata in uso in questi ultimi anni: novità che ha costretto un 
ripensamento delle tecniche di controllo del minimo. 
Nel capitolo 3 (Descrizione del modello del minimo) è descritto il modello 
utilizzato per la sintesi del controllore. In 3.1 è mostrato il modello fisico, in 3.2 
viene analizzato l’aspetto ibrido ed infine in 3.3 si ottiene un modello semplificato 
lineare multifrequenza di tipo “torque based” da utilizzare nella sintesi del controllo. 
Nel capitolo 4 (Sintesi del controllo) è descritta la struttura di controllo adottata, 
costituita da due regolatori SISO. Per entrambi i regolatori è esposta la tecnica di 
sintesi utilizzata, con particolare attenzione al primo regolatore di tipo deadbeat. 
Segue infine un’attenta analisi di robustezza della stabilità per la corretta scelta dei 
parametri di entrambi i regolatori. 
Nel capitolo 5 (Implementazione software e simulazioni) è descritta 
l’implementazione dell’algoritmo e l’integrazione con il resto del sistema all’interno 
della centralina di controllo motore. Vengono affrontati i problemi dovuti alla 
all’aritmetica finita e le opportune tecniche utilizzate nel campo dell’elaborazione 
numerica dei segnali. In particolare l’utilizzo di strutture a celle (Second Order 
Sections) per l’implementazione di funzioni di trasferimento razionali fratte. 
Vengono inoltre esposti gli algoritmi anti-windup utilizzati per entrambi i 
regolatori. Segue infine una fase di simulazione in ambiente Matlab – Simulink per 
la verifica dei risultati. 
Nel capitolo 6 (Risultati sperimentali) sono riportate le descrizioni di tutte le 
prove effettuate per la validazione dell’algoritmo di controllo  ed i corrispondenti 
grafici delle variabili di interesse.  
L’analisi dei dati acquisiti durante le prove è risultata di particolare importanza 
durante la fase di sviluppo per poter apportare ulteriori miglioramenti funzionali e 
ottimizzazioni. 
Introduzione 
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1.2 Ambiente di sviluppo 
L’algoritmo di controllo è stato sviluppato interamente in ambiente Matlab® 
(prodotto da Mathworks). In particolare sono stati utilizzati i seguenti toolbox: 
Control System Toolbox, Optimization Toolbox, per la tecniche di sintesi adottate e  
Signal Processing Toolbox per l’implementazione di esse. 
Le simulazioni sono state effettuate con l’ausilio di Simulink® e Stateflow®, 
costruendo modelli che seguono regole dettate dalla generazione automatica del 
codice. Infatti lo stesso modello Simulink utilizzato per le  simulazioni durante la 
fase di sviluppo, è stato trattato dal toolbox Target Link® (prodotto da DSpace) per 
generare in modo automatico codice sorgente C. Nella Figura 1-1 è mostrato il 
pannello principale di questo ambiente.   
 
Figura 1-1 Target-Link Main Dialog 
L’ambiente Target Link permette inoltre di poter simulare i modelli in più 
modalità, in particolare:  
• Model in the Loop: Simulazione in Floating-Point (coincidente con le 
simulazioni standard Simulink). 
Introduzione 
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• Software in the loop: Simulazione in Fixed-Point, viene simulato 
direttamente il codice generato in linguaggio C. 
 
Grazie a questa caratteristica è stato possibile verificare direttamente in fase di 
sviluppo la corretta implementazione in aritmetica finita, attività che nel passato, o in 
assenza di Target-Link, veniva effettuata nella fase di validazione sperimentale.   
1.3 Ambiente di validazione sperimentale 
L’algoritmo di controllo realizzato è stato inserito direttamente all’interno della 
centralina di sviluppo mostrata in Figura 1-2, per poter essere testato sulle vetture a 
disposizione. In particolare la maggior parte delle prove è stata effettuata sulla 
vettura Volkswagen Polo 1.4 mostrata in Figura 1-3 fornita direttamente dal 
produttore. 
La vettura e la centralina sono allestite con strumenti di calibrazione e 
acquisizioni dati forniti da ETAS. Un personal computer portatile è utilizzato per 
modificare i parametri durante le prove. 
Tutte le prove sono state effettuate in collaborazione di collaudatori esperti 
dell’azienda Magneti Marelli, sottoponendo l’algoritmo alle prove ritenute più 
critiche dai clienti. 
 
Figura 1-2 Centralina di sviluppo Magneti Marelli 
 
Introduzione 
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Figura 1-3 Volkswagen Polo 1.4  
 
1.4 Post elaborazione dati 
I dati sperimentali raccolti durante le prove sono stati acquisiti tramite il software 
INCA® prodotto da ETAS ed importati in ambiente Matlab® tramite un tool di 
“data Import” da me sviluppato:  
• LoadMDF (MDF Measured Data Format Reader), 
raggiungibile al seguente percorso web: 
http://www.gambelli.org/matlab/loadmdf. 
 
Una volta importati, i dati, sono stati analizzati  tramite un ulteriore tool grafico, 
anch’esso da me sviluppato: 
• Hplot (Signal Data Visualization & Processing Tool for Matlab), 
raggiungibile al seguente percorso web: 
http://www.gambelli.org/matlab/hplot/index.html. 
  
Hplot  è stato inoltre utilizzato per generare tutti i grafici presenti nella sezione  
Risultati sperimentali. 
 
Sistemi “Torque-Based” 
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2 Sistemi “Torque-Based” 
Un sistema Torque-Based, ossia basato sulla coppia, è il modo più naturale di 
caratterizzare le prestazioni di un motore, dato che la coppia dell'albero è l'uscita 
principale del motore. 
Negli ultimi anni si è assistito ad un aumento della complessità dei sistemi di 
controllo motore dovuto all’aumento di contenuti software . Tale aumento è dovuto 
essenzialmente a due motivi: alla richiesta di nuove funzionalità e al fatto che 
l’elettronica ha assolto funzioni in passato svolte da componenti meccanici. 
L’approccio Torque-Based ha dato la possibilità di inserire un maggior numero di 
contenuti funzionali per il controllo motore ed ha reso necessario riorganizzare anche 
la struttura di controllo del minimo.  
Questo approccio consiste essenzialmente nell’esprimere tutti i requisiti del 
controllo in termini di coppia. Questo oltre a creare una struttura gerarchica del 
controllo consente di astrarsi dalle caratteristiche fisiche del motore oggetto di studio 
e di poter considerare, al livello più elevato della gerarchia, il motore come un’entità 
virtuale. 
Normalmente le richieste di coppia provengono dall’utente, che richiede una 
coppia alle ruote del veicolo per accelerare, rallentare o stabilizzare la velocità del 
veicolo. Per ottenere la quantità desiderata di coppia alle ruote, il pilota può anche 
agire selezionando un rapporto corretto della trasmissione tramite il cambio, nel caso 
di cambio manuale. Nel caso di una cambio automatico il rapporto corretto della 
trasmissione è (o può essere) scelto  automaticamente. 
Nel caso di cambio automatico, il sistema che gestisce la trasmissione chiede al 
“motore virtuale” una determinata coppia durante la commutazione del rapporto per 
cui assume una priorità più alta rispetto alla richiesta dell’utente. Così, una 
trasmissione automatica può essere vista come altro utente della coppia del motore. 
La richiesta di una determinata quantità di coppia non sempre però è l’obiettivo di 
controllo di un motore. Per esempio, quando il veicolo è fermo ed il motore sta 
funzionando, si chiede implicitamente una velocità del motore costante, cioè la 
minima velocità possibile, ogni volta che il pedale del gas è rilasciato. Questo è 
proprio il caso di controllo del minimo. 
Sistemi “Torque-Based” 
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Ad ogni modo la velocità del motore è l'effetto della coppia applicata all’albero 
motore, per cui  un controllore di giri del motore può fornire comunque come 
comando un segnale di coppia per realizzare la funzionalità di controllo di velocità 
motore. 
In altri casi, il driver può chiedere al sistema di inseguire una data velocità del 
veicolo come nel caso della presenza di cruise control, anche in questo caso il 
dispositivo di controllo velocità veicolo può dare una richiesta di coppia. 
Altri utenti particolari che possono fare una richiesta di coppia sono il controllo 
della trazione del veicolo (richieste di ASR/MSR) ed il controllo di stabilità del 
veicolo (ESP o VDC). 
L’ASR (Acceleration Slip Regulation) ha l'obiettivo di garantire la trazione 
ottimale in termini di aderenza, insieme a l’ABS (Antilock Braking System) fa in 
modo che le ruote non slittino durante le accelerazioni. 
L’ESP (Electronic Stability Program) ha l'obiettivo di garantire la stabilità della 
traiettoria, regolando la potenza del motore e frenando le singole ruote, 
eventualmente con differente intensità. Tale dispositivo, è efficace nel correggere 
eventuali situazioni di sovrasterzo o sottosterzo, evitando lo sbandamento del 
veicolo. 
Entrambi questi sistemi fanno richieste al sistema frenante ed al motore per 
realizzare i loro obiettivi. Durante gli interventi del controllo della trazione o di 
stabilità il sistema di controllo del motore viene escluso assumendo così un ruolo 
secondario. 
In un sistema classico, non Torque-Based, ogni funzionalità di controllo gestisce 
direttamente gli attuatori, ed il meccanismo di priorità non è definito in modo 
strutturato, ma ogni funzionalità ha le necessità di conoscere lo stato delle altre per 
poter o meno intervenire. Per cui la complessità di questi sistemi risulta alquanto 
elevata e soprattutto non strutturata. 
Nella Figura 2-1 è schematizzato un esempio di struttura non Torque-Based, come 
si può osservare ogni funzionalità è interconnessa con le altre ed ogni volta che una 
nuova funzionalità è aggiunta, aumentano le interconnessioni  e di conseguenza la 
complessità.