Dissertação de Mestrado

A estratégia de gerenciamento do motor à combustão possui três principais subsistemas relacionados às cadeias de atuação: admissão de ar, ignição e combustível. O subsistema de admissão de ar emprega a válvula borboleta eletrônica como principal atuador. Esse subsistema utiliza o controle de posição desse atuador como uma malha interna de controle, manipulando sua posição conforme a demanda de fluxo de ar, determinada pelos coordenadores do sistema de gerenciamento do motor. O atuador apresenta características não-lineares, sobretudo nas regiões de Limp Home e abaixo do Limp Home. Devido a essas não-linearidades, é necessário que o projeto do sistema de controle considere essas características e atenda às necessidades de operação e transição entre as regiões da válvula borboleta, principalmente durante manobras de partida e regime de idle do motor. Este estudo tem como objetivo a aplicação da plataforma FLEX ECU para gerenciamento de um motor à combustão, incluindo a utilização de um controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) com compensador feedforward para controle da válvula borboleta eletrônica automotiva, com intuito de apresentar um método para o projeto do compensador feedforward e analisar seus efeitos em relação às não-linearidades do sistema. Inicialmente, foi realizado um estudo sobre a dinâmica do sistema para compreensão de seu funcionamento e das não-linearidades envolvidas. Um modelo da planta foi obtido utilizando-se um método de identificação de sistemas em malha fechada baseado na resposta ao degrau. O modelo obtido foi validado comparando-se com a resposta real da planta e utilizado para o projeto de um controlador PID. Além disso, experimentos foram conduzidos para obter-se um modelo que represente as não-linearidades do sistema. Este modelo foi aplicado para o projeto do compensador feedforward, em conjunto com o controlador PID, para compensar distúrbios e efeitos não-lineares envolvidos. O compensador feedforward mostrouse fundamental, o sinal dither, aplicado para compensar os atritos, e o esforço de pré-carga, utilizado para mitigar os efeitos da região de Limp Home, apresentaram bons resultados, minimizando os efeitos das não-linearidades presentes no sistema. Em resumo, o estudo aborda a modelagem da planta, com foco nas não-linearidades, e explora o controle PID em conjunto com o compensador feedforward projetado para melhorar o desempenho do controle da válvula borboleta eletrônica.

The combustion engine management strategy has three main subsystems related to actuation chain: air intake, ignition, and fuel. The air intake subsystem employs the electronic throttle valve as its main actuator. It uses the position control of this actuator as an internal control loop, manipulating its position according to the air flow demand, determined by the engine management system coordinators. The actuator presents nonlinear characteristics, especially in the Limp Home and below Limp Home regions. Due to these nonlinearities, a control system project approach that considers these characteristics and meets the operational and transition needs between the throttle valve regions is necessary, particularly during start-up maneuvers and engine idle operation. This study aims the combustion engine management FLEX ECU platform application, including the utilization of a Proportional Integral Derivative (PID) controller with a feedforward compensator to control of an automotive electronic throttle valve, with the goal of presenting a method for designing the feedforward compensator and analyzing its effects concerning the system's nonlinearities. Initially, a study on the system dynamics was conducted to understand its operation and the involved nonlinearities. A plant model was obtained using a closed-loop system identification method based on the step response. The obtained model was validated by comparing it with the actual plant response and used for designing a PID controller. Additionally, experiments were conducted to obtain a model representing the system's nonlinearities. This model was applied to design a feedforward compensator in conjunction with the PID controller to compensate for disturbances and involved nonlinear effects. The feedforward compensator proved to be fundamental, the dither signal, applied to compensate the system frictions, and the preload effort, used to mitigate the Limp Home region effects, presented good results, minimizing the effects of the nonlinearities present in the system. In summary, the study addresses the system modeling, focusing on the nonlinearities, and explores the PID control in conjunction with the designed feedforward compensator to improve the performance of the electronic throttle valve control.