Simulation der Regelung einer elektronischen Drosselklappe

[alduro]

Servus an alle ,

hoffe das mit hier ein paar Leute weiterhelfen können !

Es geht um die Simulation des Regelkreises einer elektronischen Drosselklappe in Mathlab/Simulink !

Das Gesamtsystem besteht aus:
- Pedalwertgeber(Gaspedal) : Zwei Potentiomter --> P Glied
- Motorsteuergerät : P Glied(Vermutung da genau Funktion nicht bekannt)
- Elektronische Drosselklappe DC Motor)-->PT1 Glied

Diese drei Bauteile sind in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet !
Die gesamt Übertragungsfunktion ergbit also ein Pt1 Verhalten !

Ich soll nun eine Regelung entwerfen .
Habe aber noch nie mit Mathlab Simulink gearbeitet .
Habe mir die Sache so gedacht :

Eingang ( Sollwert der Drehzahl des Motors ) -->Summationsstelle -->Regler ( Bspl PI ) --->Strecke (PT1) ---> Ausgang (Istwert des Drehzahl).

Wenn der Regelkreis steht , dann sollen verschieden Lasten an den Motor gehängt werden und die Simumlation soll mir zeigen , wie gut der Regler die durch die Lastschwankung verurschten Drehzahlabweichungen ausregelt .

Denke ihr wisst so ungefähr was ich meine ...

Ich hoffe das mir jemand ein paar Tips bzgl Simulink geben kann ...

Danke an alle !


Hier noch ein Leckerbissen für alle die mal einen wirklich großen Roboter sehen wollen und für alle die gerne sehen möchten wüfor die Drosselklappe arbeitet .


www.alduro.de

[ranke]

Servus alduro,
ich denke mal, die Drosselklappe gehört zu einem Ottomotor (dessen Drehzahl dann die zu regelnde Grösse ist)?
Dann stecken in der Absicht, die Strecke durch ein PT1 zu simulieren folgende Annahmen:
a. P- Glied: das Drehmoment des Motors ist proportional zum Drosselklappenwinkel.
b. T1-Glied: erfasst den Einfluss der trägen (Schwung)masse.
Annahme a ist sicher unrichtig, wie jeder weiss, der schon einmal Auto gefahren ist (der Unterschied zwischen "kein Gas" und "Halbgas" ist beträchtlich, zwischen "Halbgas" und "Vollgas" ist gering, speziell bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen).

Eingang ( Sollwert der Drehzahl des Motors ) -->Summationsstelle -->Regler ( Bspl PI ) --->Strecke (PT1) ---> Ausgang (Istwert des Drehzahl).

Dazu noch 2 Fragen:
1. Bei der Summationsstelle wird das Drehzahlsignal (entsprechend vorzeichenkorrigiert, so dass sich eine Subtraktion ergibt) zurückgeführt?
2. Wo werden verschiedene Lasten aufgebracht?
Gruss

[alduro]

Servus Ranke ,

danke erstmal für deine Hilfe . Mal sehen , was ich dir noch an Infos geben kann :

Also zunächst einmal , ja die DK sitzt in einem Ottomotor . Und die zu regelnde Größe ist die Drehzahl .
Meine Annahme bzgl eines PT1 Gliedes scheint evtl nicht ganz die richtige zu sein . Aber da bin ich mir nicht sicher .

Wie du schon richtig bemerkt hast , ist der Einfluss des Drosselklappenwinkels alles andere als proportional .
Das hat mit dem sich einenstellenden Querschnitt im Ansaugrohr zu tun .
Ich weiß aber leider nicht , ob das Steuergerät dieses korriegiert .
Wenn es dies tuen würde , wäre das SG auch kein P Glied , wie ich zunächst angenommen hatte . Da es ja nicht die Eingangsspannung nur mit einem Faktor versieht .

Denke das dies nur durch eine Messung herauszufinden ist .
Was denkst du ??

Aber aus meinen Erfahrungen kann ich dir sagen . das das Drehmoment nicht proportional zu der Drehzahl ist .


Zu deinen Fragen :

1.) In die Summationsstelle geht mit einem + Zeichen die SOLL Drehzahl
Und mit einem - Zeichen die zurückgeführte IST Drehzahl .

Sollte eine Div vorhanden sein , soll der Regler dies in ein Spannung umwandeln , die dem Steuergerät zugeführt werden soll .
Diese Spannung würde normalerweise vom Gaspedal kommen (Fahrer tritt das Pedal weiter durch ).

2.) Wir haben im Prinzip 3 Lasten :
- 12 V Lichtmaschine
- 24 V Lichtmaschine
- Hydraulikpumpe

Diese 3 Lasten hängen aber alle direkt an der Ausgangswelle des Motors


Ich hoffe das ich dir weiterhelfen konnte . Und vor allem , das du mir weiterhelfen kannst .

[ranke]

alduro,
dann ist das System eigentlich soweit klar.

Aber aus meinen Erfahrungen kann ich dir sagen . das das Drehmoment nicht proportional zu der Drehzahl ist .

Ja, zur Drehzahl ist das Drehmoment sicher auch nicht proportional!

Ich würde an Deiner Stelle das System von Steuergerät und Motor erstmal als "Black Box" betrachten. Man kann sich überlegen, welche Eingangs- und Ausgangsgrößen die Black Box hat (sofern sie für die Simulation interessant sind). Das sind wahrscheinlich die Reglervorgabe und die Drehzahl als Eingangsgrößen, das Moment als Ausgangsgröße.
Wenn die Sache den Namen "Simulation" verdienen soll, kann man das erforderliche Verhalten der Black Box m.E. nur durch Messung ermitteln, ansonsten kann man ja auch mal plausibel erscheinende Annahmen treffen. Leider ist so eine Messung recht aufwendig, ist aber mindestens beim Motorenhersteller schon mal gemacht worden. Vielleicht gibt es ja eine Chance dort an die entsprechenden Daten ranzukommen? (Das Massenträgheitsmoment der rotierenden Motorteile wäre wohl auch noch notwendig.)
Möglicherweise besteht bei den Lasten auch noch Klärungsbedarf.
Bis man die Daten vom Motor hat, kann man ja mal den Rest des Sytems in Formeln giessen.

[alduro]

Servus Ranke,

schön das wir uns in der sache mit dem Drehmoment einig sind .

ALSO :

Habe gerade mit Bosch telefoniert und der gute Mann am anderen ende sagt mir das man das Verhalten als PT1 annehmen kann .
Er sagte das die verzögerung von Steuergerät + Drosselklappe + Ansaguftrackt ungefähr bei 200 ms liegen .
Proportionanteil konnte er mir nicht sagen . Sollte ich durch Messung heruasfinden .
Sprich den Pedalwinkel in abhängigkeit des Drehmoments feststellen .
Verstehe aber nicht , wieso ich das Drehmoment bestimmen soll .
Für mich ist die Drehzahl doch wichtig ??

Habe die Idee mit dem Black-Box Prinzip auch verfolgt .
Eingang : Spannung vom Steuergerät
Ausgang : Drehzahl des Motors .
Weiß jetzt nicht wie ich die in eine Formel packen soll !

Kennfelde gibs vom Hersteller nicht .
Was wolltest du den über die Lasten noch wissen ??
Und wie soll ich mit den Formeln beginnnen ??
Mir fehlt noch so ein wenig der zündende Gedanke !

Mfg

alduro

[ranke]

Tip:
Stelle das Momentengleichgewicht an der Abtriebswelle auf.

[alduro]

Hmm Gleichgewicht ?
Da befindet dich doch nichts im Gleichgewicht , wenn sich die Welle dreht ?!?
Das würde es doch nur tuen , wenn der Motor stehen würde und quasi eine sec vor losdrehen ist . Wie soll das bei einem Verbrennungsmotor gehen ??
Verwirrung .....

[ranke]

Jaja, die Grundvorlesung "Technische Mechanik 1". Der eine vergisst sowas, der andere verdrängt es...
Also:
Sehen wir uns die Welle an, an der der Motor und die Lastaggregate hängen. Dort geht ein gewisses Drehmoment hinein (vom Motor), außerdem geht ein gewisses Drehmoment hinaus (an die beiden Generatoren und die Pumpe).
Wir wissen auch, dass das hineingehende und das hinausgehende Drehmoment in jedem Augenblick gleich gross sind (das habe ich mit Momentengleichgewicht gemeint, ein fundamentaler Satz der Mechanik).

Machen wir also folgenden Ansatz:

Mmot + Mgen1 + Mgen2 + Mpumpe = 0

Wir wissen allerdings, dass der Motor ein genau definiertes Moment liefert (bei einer gegebenen DK Stellung etc.) und die Generatoren und Pumpe (abhängig von deren Lasten) ein genau definiertes Moment entnehmen.
Damit wird das Gleichheitszeichen in obiger Gleichung fragwürdig, was passiert z.B., wenn der Motor mehr Drehmoment liefert, als die Verbraucher gerade abnehmen?
Offensichtlich muß obiger Ansatz um einen Term ergänzt werden, damit das Gleichheitszeichen in jedem Augenblick gilt. Für diesen Term brauchen wir dann auch das Trägheitsmoment der Welle. Als Ergebnis dürfen wir dann eine Differentialgleichung erwarten, die eine Aussage über die Drehzahl der Welle enthält.

[alduro]

Gesund und munter aus der Wochenende zurück , also ran ans Werk .

Danke erstmal Ranke für die kurze Einführung in TM1.
Das Problem ist nur , das man von seinem Prof eingebleut bekommt . Gleichgewicht = Statik = " Da beweget sich nichts ! !

Aber eigentlich logo , da kann sich was bewegen !
Der noch zu ergänzenden Summand ist das überschüssige Drehmoment .
Dies ist meiner Meinung nach dann auch für die Bewegung verantwortlich !

Wobei bei deinem Momentengleichgewicht meiner Meinung nach die Vorzichen nicht stimmen . Das Motordrehmoment dreht doch anderes herum , als die Momente der Verbraucher !?!

Hmm ... Trägheitsmoment der Welle ,wo soll ich das herzaubern ??
Bzw auch die Momente der Verbraucher ...

Und woher kommt die Abhängigkeit von der Drehzahl ?
Nicht aus dem Motormotment . Das berechnet sich meiner Meinung nach aus Mmot = ( pme * Vh ) / ( 4 * pi ) ...
Da steckt keine Drehzahl drin

[ranke]

Servus alduro,
ich war mal eine Woche offline. Möglicherweise haben sich einige Fragen bereits geklärt.
Der fehlende Summand ist dynamisch. Es geht darum, dass eine Schwungmasse beim Beschleunigen (Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit > 0) Drehmoment aufnimmt, beim Verzögern (Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit < 0) Drehmoment abgibt.
Damit bekommt man die vollständige Gleichung, wobei man gleichzeitig auch eine Aussage über die Änderung der Drehzahl über der Zeit bekommt.
Anschaulich ist das ganze eigentlich klar:
Wenn die antreibende Drehmoment an einer Welle größer ist als das verbrauchte, dann wird die Drehzahl zunehmen (und umgekehrt).
Wie schnell die Welle hochdreht ist vom Trägheitsmoment abhängig, das es zu ermitteln gilt.

Hmm ... Trägheitsmoment der Welle ,wo soll ich das herzaubern ??

Drei Möglichkeiten:
1. Angabe vom Hersteller, 2. Messen oder 3. Rechnen (aus der Geometrie).
Falls 1. nicht zu bekommen ist, ist wahrscheinlich 3. am einfachsten.
Man muß das nicht sehr detailliert machen, interessant sind in erster Linie Massen, die weit von der Achse entfernt sind, oder wenn es noch irgendwo eine Übersetzung ins Schnelle gibt. Der Hauptanteil ist wahrscheinlich das Schwungrad vom Motor.

Wobei bei deinem Momentengleichgewicht meiner Meinung nach die Vorzichen nicht stimmen . Das Motordrehmoment dreht doch anderes herum , als die Momente der Verbraucher !?!

Naja, wenn wir z.B. das antreibende (Motor)drehmoment positiv definieren, und die bremsenden Momente negativ, dann muss die Summe eben Null ergeben. Im Vorzeichen steckt eben die Information, ob antreibend oder bremsend.

Und woher kommt die Abhängigkeit von der Drehzahl ?

Das Moment des Motors ist eine Funktion von diversen Eingangsgrößen (hauptsächlich Drosselklappenwinkel, aber auch von der Drehzahl.
Im allgemeinen wird von der Motorenherstellern eine Kurve veröffentlicht, die das abgegebene Moment (als Funktion der Drehzahl) bei Vollast (also maximal geöffneter Drosselklappe) zeigt.
Bei minimal geöffneter Drosselklappe weiss man, das das abgegebene Moment bei Leerlaufdrehzahl Null ist, bei höheren Drehzahlen negativ, Das maximale Schleppmoment eines Motors wird in der Literatur bei ca. 25 bis 30% des Maximalmoments bei Vollast angegeben (Erfahrungswert).
Was zwischen der geöffneten und der geschlossenen Drosselklappe liegt, wird man wohl versuchen müssen zu interpolieren, linear ist das sicher nicht (das haben wir schon weiter oben diskutiert).
Bei den Verbrauchern wird man das Drehmoment am einfachsten über die entnommene Leistung (hydraulisch, elektrisch) und einem (anzunehmenden) Wirkungsgrad abschätzen. Hydrodynamische Laggerreibung und Lüfter geben natürlich auch eine drehzahlabhängige Verlustleistung, inwieweit Du das Modell detaillieren willst, liegt bei Dir.