Nonlinear EGR and VGT Control with Integral Action for Diesel Engines Régulation de Recirculation des Gaz d’Echappement (RGE) et de Turbine à Géométrie Variable (TGV) non linéaire avec action intégrée pour moteurs Diesel

Abstract

A nonlinear multivariable control design with integral action is proposed and investigated for control of Exhaust Gas Recirculation (EGR) and Variable Geometry Turbine (VGT) in heavy duty Diesel engines. The main control goal is to regulate oxygen/fuel ratio and intake manifold EGR-fraction, and they are specified in an outer loop. These are chosen as main performance variables since they are strongly coupled to the emissions. An existing nonlinear control design based on feedback linearization is extended with integral action. In particular, the control design method utilizes a control Lyapunov function, inverse optimal control, and a nonlinear input transformation. Comparisons between different control structures are performed in simulations showing the following four points. Firstly, integral action is necessary to handle model errors so that the controller can track the performance variables specified in the outer loop. Secondly, the proposed control design handles the nonlinear effects in the Diesel engine that results in less control errors compared to a control structure with PID controllers. Thirdly, it is important to use the input transformation and it is sufficient to use a control structure with PID controllers and input transformation to handle the nonlinear effects. Fourthly, the proposed control design is sensitive to model errors in the input transformation while a control structure with PID controllers and input transformation handles these model errors. Une conception de régulation non linéaire à variables multiples avec action intégrée est proposée et étudiée pour une régulation de la Recirculation des Gaz d’Echappement (RGE) et une Turbine à Géométrie Variable (TGV) au sein de moteurs Diesel à usage industriel. L’objectif principal de la régulation consiste à réguler le rapport oxygène / carburant et la fraction de RGE de tubulure d’admission, qui sont spécifiés au sein d’une boucle extérieure. Ceux-ci sont choisis en tant que variables de performance principales puisqu’ils sont fortement associés aux émissions. Une conception de régulation non linéaire existante basée sur une linéarisation en retour est étendue avec une action intégrée. En particulier, la méthode de conception de régulation utilise une fonction de Lyapunov, une régulation optimale inverse et une transformation de données d’entrée non linéaire. Des comparaisons entre des structures de régulation différentes sont réalisées par des simulations présentant les quatre points suivants. Premièrement, une action intégrée est nécessaire pour gérer les erreurs de modèle, de sorte que le régulateur puisse suivre les variables de performance spécifiées dans la boucle extérieure. Deuxièmement, la conception de régulation proposée gère les effets non linéaires au sein du moteur Diesel, ce qui conduit à des erreurs de régulation moindres par comparaison avec une structure de régulation au moyen de régulateurs PID. Troisièmement, il est important d’utiliser la transformation de données d’entrée et il est suffisant d’utiliser une structure de régulateur dotée de contrôleurs PID et d’une transformation de données d’entrée pour gérer les effets non linéaires. Quatrièmement, la conception de régulation proposée est sensible aux erreurs de modèle au cours de la transformation de données d’entrée tandis qu’une structure de régulation dotée de contrôleurs PID et d’une transformation d’entrée gère ces erreurs de modèle.