Diplomová práce je zaměřena na výběr pohonné jednotky pro Formuli Student, sestavení spolehlivého výpočtového modelu za využití pokročilého testování. Dále se zaměřuje na přípravu vhodných podmínek pro testování, samotné testování a následnou kalibraci řídicí jednotky pro validaci simulací a také pro efektivní a spolehlivé řízení motoru v náročných závodních podmínkách. Je zároveň součástí komplexního projektu, který se zabývá celkovým vývojem přeplňovaného jednoválcového motoru pro tým TU Brno Racing.

Begränsad processor- och minneskapacitet är en stor utmaning för loggning avsensorsignaler i motorstyrenheter. För att kunna lagra större mängder data i dessakan komprimering användas. För att kunna implementera komprimering imotorstyrenheter krävs det att algoritmerna klarar de begränsningar som finnsgällande processorkapaciteten och ändå kan producera en godtagbarkomprimeringsgrad.Denna avhandling jämför komprimeringsalgoritmer och undersöker vilken ellervilka algoritmer som är bäst lämpade för detta ändamål. Detta i syfte att förbättraloggning och därmed effektivisera felsökning. Detta gjordes genom att utveckla ettsystem som kör olika komprimeringsalgoritmer på samplad sensordata frånmotorstyrenheter och beräknar komprimeringstid och komprimeringsgrad.Resultaten visade att delta-på-delta-komprimering presterade bättre än xorkomprimering för dessa data. Delta-på-delta presterade betydligt bättre gällandekomprimeringsgrad medan skillnaderna i komprimeringstid mellan algoritmernavar marginella. Delta-på-delta-komprimering bedöms ha god potential förimplementering i loggningssystem för motorstyrenheter. Algoritmen bedöms somväl lämpad för loggning av mindre tidsserier vid viktiga händelser, för merkontinuerlig loggning föreslås fortsatta studier för att undersöka hurkomprimeringsgraden kan förbättras ytterligare. / Limited processor and memory capacity is a major challenge for logging sensorsignals in engine control units. In order to be able to store larger amounts of data,compression can be used. To successfully implement compression algorithms inmotor control units, it is essential that the algorithms can effectively handle thelimitations associated with processor capacity while achieving an acceptable level ofcompression.This thesis compares compression algorithms on sensor data from motor controlunits in order to investigate which algorithm(s) are best suited to implement forthis application. The work aims to improve the possibilities of logging sensor dataand thus make the troubleshooting of the engine control units more efficient. Thiswas done by developing a system that performs compression on sampled sensorsignals and calculates the compression time and ratio.The results indicated that delta-of-delta compression performed better than xorcompression for the tested data sets. Delta-of-delta had a significantly bettercompression ratio while the differences between the algorithms regardingcompression time were minor. Delta-of-delta compression was judged to have goodpotential for implementation in engine control unit logging systems. The algorithmis deemed to be well suited for logging smaller time series during important events.For continuous logging of larger time series, further research is suggested in orderto investigate the possibility of improving the compression ratio further.

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The amount of data handled by real-time and embedded applications is increasing. This calls for data-centric approaches when designing embedded systems, where data and its metainformation (e.g., temporal correctness requirements) are stored centrally. The focus of this thesis is on efficient data management, especially maintaining data freshness and guaranteeing correct age on data. The contributions of our research are updating algorithms and concurrency control algorithms using data similarity. The updating algorithms keep data items up-to-date and can adapt the number of updates of data items to state changes in the external environment. Further, the updating algorithms can be extended with a relevance check allowing for skipping of unnecessary calculations. The adaptability and skipping of updates have positive effects on the CPU utilization, and freed CPU resources can be reallocated to, e.g., more extensive diagnosis of the system. The proposed multiversion concurrency control algorithms guarantee calculations reading data that is correlated in time. Performance evaluations show that updating algorithms with a relevance check give significantly better performance compared to well-established updating approaches, i.e., the applications use more fresh data and are able to complete more tasks in time. The proposed multiversion concurrency control algorithms perform better than HP2PL and OCC and can at the same time guarantee correct age on data items, which HP2PL and OCC cannot guarantee. Thus, from the perspective of the application, more precise data is used to achieve a higher data quality overall, while the number of updates is reduced. / <p>Report code: LiU-Tek-Lic-2004:67.</p>

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L’éco-conduite a été identifié comme l’un des moyens efficaces pour l’économie d’énergie dans le domaine des véhicules terrestres. Le gain potentiel en consommation ainsi que sa facilité de mise en œuvre, rendent cette solution très recherchée dans le milieu industriel pour à la fois améliorer la consommation des véhicules mais aussi satisfaire les utilisateurs. Cette thèse contribue au développement d’un système actif d’aide à l’éco-conduite pour assister le conducteur dans son économie d’énergie. Ce système s’appuie sur une optimisation énergétique et tient compte de l’interaction du conducteur avec le véhicule et son usage (la route). Nous avons tout d’abord développé un modèle multi-variable de style de conduite pour représenter le conducteur humain par un modèle virtuel. L’identification des paramètres de ce modèle a permis de caractériser trois styles de conduite sur plusieurs cas d’usage et de reproduire de manière assez fidèle les trois niveaux de consommation de carburant. Considérant les cas d’usage péri-urbains et autoroutiers, le problème d’optimisation de la trajectoire sur des critères énergétiques a été reformulé afin de déterminer un profil de vitesse constant par morceaux minimisant la consommation d’énergie, tout en respectant la durée de trajet désirée et les limitations de vitesse. Le profil de vitesse optimal fournit des vitesses cibles, informations du premier ordre pour réduire la consommation. Plusieurs extensions ont été ensuite introduites dans la trajectoire optimale afin d’y intégrer l’anticipation des phases de décélération et les phases d’accélération. L’originalité principale de cette approche est le temps de calcul extrêmement faible, tout en obtenant des résultats très proches des résultats optimaux issus de méthodes classiques d’optimisation (ex. programmation dynamique). Afin d’aller encore plus loin dans l’éco-conduite, nous avons étudié la possibilité de réduire la consommation d’énergie en intégrant des stratégies de conduite telle que le ''swaying'' qui consiste en une oscillation de la vitesse du véhicule autour d’une vitesse moyenne. Nous avons alors pu montrer que, « en théorie », il existe bien des paramètres permettant de réduire la consommation de cette manière. Le système actif d’aide à l’éco-conduite a donc été développé en conjuguant les deux aspects précédents. Il se base sur le partage de la commande moteur entre le conducteur humain et un contrôleur optimal. Des niveaux de partage variables ont été établis afin de représenter différents niveaux d’économie d’énergie et d’intervention sur la conduite du conducteur. Enfin, ce système d’aide actif a été testé expérimentalement sur un simulateur de conduite. / Eco-driving has been identified as one of the most effective ways to save energy in the field of ground vehicles. The potential gain in fuel consumption reduction as well as its easy implementation, make this solution very sought after in the industrial environment for improving both the fuel consumption of vehicles and the user satisfaction. This thesis contributes to the development of an active eco-driving support system for assisting the driver to improve his fuel economy. This system is based on energy optimization and takes into account the driver's interaction with the vehicle and its use (the road). For this purpose, first of all a multi-variable driving style model is developed to represent the human driver by a virtual model. The identification of the parameters of this model made it possible to characterize three driving styles in several use cases and to reproduce the three levels of fuel consumption fairly accurately. Considering the suburban and motorway use cases, the trajectory optimization problem based on energy criteria has been reformulated in order to determine a piecewise constant velocity profile minimizing energy consumption, while respecting constraints on trip duration and velocity limitations. The optimal velocity profile provides target cruising velocity, which is the first order information to reduce fuel consumption. Several extensions were then introduced in the optimal trajectory in order to incorporate the anticipation of the deceleration phases and the acceleration phases. The main originality of this approach is the extremely low computation time, while obtaining results very close to the optimal solution, achieved by classical optimization methods (e.g. dynamic programming). In order to investigate even further in eco-driving, we have studied the possibility of reducing energy consumption by integrating driving strategies such as ''swaying'', which consists of an oscillation of the vehicle's speed around an average speed. We were then able to show that, "theoretically", this problem can be parametrized so that the energy consumption is reduced. The active eco-driving support system was therefore developed by combining the two previous aspects. It is based on the shared control of the engine between the human driver and an optimal controller. Variable sharing laws have been established to represent different levels of optimal controller intervention on human driver driving, which results to different levels of fuel economy. Finally, this active support system has been tested experimentally on a driving simulator.

Depuis la création des moteurs à combustion interne, les recherches sur les moteurs essence et diesel se sont développées indépendamment. Afin de réduire les temps et les coûts de développement d’un moteur, une approche unifiée de conception serait intéressante. Dans ce cadre, le contrôle et la mise au point des moteurs à combustion interne pourrait être elle aussi unifiée. Bien évidemment, ce contrôle doit être stable, robuste vis-à-vis des disparités de fabrication, comme de fonctionnement. Cette thèse porte alors sur une démarche unifiée, pour les moteurs essence comme pour les moteurs diesel, afin d’obtenir un contrôle robuste de la chaîne d’air du moteur. La chaîne d’air du moteur contient les éléments permettant de contrôler la quantité et les proportions d’air et de gaz neutres dans le cylindre (Recirculation des gaz d’échappement, papillon d’admission, turbocompresseur). Cette démarche unifiée de commande, permettant de contrôler les systèmes monovariables, tout comme multivariables non carrés (nombre d’entrées différent du nombre de sorties), contient plusieurs étapes : identification d’un modèle du système, analyse du système permettant d’en déduire une structure de contrôle, synthèse d’un contrôleur autour d’un nominal, vérification de la robustesse en stabilité, tests du contrôle. Le couplage des entrées vers les sorties, les non linéarités sont pris en compte lors de la synthèse du contrôleur. Cette méthode de conception a été validée sur plusieurs applications dont un moteur essence et un moteur diesel. Des résultats expérimentaux sur un banc moteur diesel haute dynamique ont montrés que la commande multivariable permettait de réduire les émissions d’oxydes d’azote. / Since the creation of internal combustion engines, research on gasoline and diesel engines were developed independently. To reduce the time and cost of developing an engine, a unified design approach would be interesting. In this context, control and development of internal combustion engines could also be unified. Obviously, this control must be stable, robust with respect to manufacturing disparities and operating points. This thesis then focuses on a unified approach for gasoline engines as well as diesel engines, to achieve a robust of the air path. The engine air path contains the information needed to control the amount and proportions of air and neutral gases in the cylinder (exhaust gas recirculation, throttle valve, turbocharger). This unified approach to control monovariable systems, as well as non-square multivariable systems (number of inputs different from the number of outputs), consists of several steps: identification of a model of the system, system analysis to deduce a control structure, synthesis of a controller around a nominal model, check robust stability, control tests. The coupling inputs to outputs and nonlinearities are taken into account during the synthesis of the controller. This design method has been validated in several applications including a gasoline engine and a diesel engine. Experimental results on a diesel engine high dynamics test bench have shown that the multivariable control results in lower emissions of nitrogen oxides.

Cette thèse étudie la compensation robuste d'un retard de commande affectant un système dynamique. Pour répondre aux besoins du domaine applicatif du contrôle moteur, nous étudions d'un point de vue théorique des lois de contrôle par prédiction, dans les cas de retards incertains et de retards variables, et présentons des résultats de convergence asymptotique. Dans une première partie, nous proposons une méthodologie générale d'adaptation du retard, à même de traiter également d'autres incertitudes par une analyse de Lyapunov-Krasovskii. Cette analyse est obtenue grâce à une technique d'ajout de dérivateur récemment proposée dans la littérature et exploitant une modélisation du retard sous forme d'une équation à paramètres distribués. Dans une seconde partie, nous établissons des conditions sur les variations admissibles du retard assurant la stabilité du système boucle fermée. Nous nous intéressons tout particulièrement à une famille de retards dépendant de la commande (retard de transport). Des résultats de stabilité inspirés de l'ingalité Halanay sont utilisés pour formuler une condition de petit gain permettant une compensation robuste. Des exemples illustratifs ainsi que des résultats expérimentaux au banc moteur soulignent la compatibilité de ces lois de contrôle avec les impératifs du temps réel ainsi que les mérites de cette approche. / This thesis addresses the general problem of robust compensation of input delays. Motivated by engine applications, we theoretically study prediction-based control laws for uncertain delays and time-varying delays. Results of asymptotic convergence are obtained. In a first part, a general delay-adaptive scheme is proposed to handle uncertainties, through a Lyapunov-Krasovskii analysis induced by a backstepping transformation (applied to a transport equation) recently introduced in the literature.In a second part, conditions to handle delay variability are established. A particular class of input-dependent delay is considered (transport). Halanay-like stability results serve to formulate a small-gain condition guaranteeing robust compensation. Illustrative examples and experimental results obtained on a test bench assess the implementability of the proposed control laws and highlight the merits of the approach.

L'intérêt pour les énergies renouvelables et pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre a conduit au développement de l'éthanol comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Les moteurs dits Flexfuel, en particulier, peuvent fonctionner avec un mélange quelconque d'essence et d'éthanol. Ces deux carburants ont des propriétés physico-chimiques différentes, qui influent sur le fonctionnement du moteur et, partant, sur son contrôle. Les systèmes de contrôle moteur habituels ne prennent pas en compte ces propriétés variables. Sur un moteur Flexfuel, les réglages doivent être adaptés à chaque carburant, afin de maintenir le niveau des émissions polluantes et l'agrément. Cependant, ces adaptations ne doivent pas se faire au prix d'un accroissement excessif du travail de calibration. Cette thèse traite de ces questions. Les effets des différentes propriétés du carburant sur le moteur et son contrôle sont tout d'abord analysés afin de définir les besoins en termes de contrôle. Un modèle moyen de moteur, adapté aux variations de propriétés du carburant, est alors développé pour reproduire ces effets et permettre l'évaluation de stratégies de contrôle. Dans ce travail, celles-ci incluent une méthode d'estimation de la composition du carburant pendant le fonctionnement du moteur, et son utilisation dans le contrôle de la richesse. / The interest in renewable energies and in the reduction of greenhouse gas emissions has led to the development of ethanol as a fuel for internal combustion engines. In particular, so-called Flexfuel engines can run on any mixture of gasoline and ethanol. These two fuels have different physico-chemical properties. These influence engine operation, and in turn, its control. These variable properties are not taken into account in conventional engine management systems. In a Flexfuel engine, the engine settings must be adapted to each fuel used, in order to maintain the pollutant emissions and the drivability levels, andto take advantage of the performance and efficiency improvements allowed by ethanol. However, these adaptations should not result in a cumbersome increase in the calibration work. This thesis addresses these issues. The effects of the different fuel properties on the engine and its control are first analyzed, for defining the control requirements. A mean-value, fuel-flexible, engine model reproducing these effects is then developed for the evaluation of control strategies. These include in this work a method for estimating the fuel composition during engine operation, and its use in the equivalence ratio control.

<div>Efficient engine operation is a fundamental control problem in automotive applications. Robust control algorithms are necessary to achieve satisfactory, safe engine performance</div><div>at all operating conditions while reducing emissions. This thesis develops a framework for control architecture design to enable robust air handling system management.</div><div><br></div><div>The first work in the thesis derives a simple physics-based, control-oriented model for turbocharged lean burn engines which is able to capture the critical engine dynamics that are</div><div>needed to design the controller. The control-oriented model is amenable for control algorithm development and includes the impacts of modulation to any combination of four actuators: throttle valve, bypass valve, fuel rate, and wastegate valve. The controlled outputs: engine speed, differential pressure across throttle and air-to-fuel ratio are modeled as functions of selected states and inputs. Two validation strategies, open-loop and closed-loop are used to validate the accuracy of both nonlinear and linear versions of the control-oriented model. The relative gain array is applied to the linearized engine model to understand the degree of interactions between plant inputs and outputs as well as the best input-output pairing as a function of frequency. With strong evidence of high degree of coupling between inputs and outputs, a coordinated multiple-input multiple-output (MIMO) controller is hypothesized to perform better than a single-input single-output (SISO) controller. A framework to design robust model-based H1 MIMO controllers for any given linear plant, while considering state and output multiplicative uncertainties as well as actuator bandwidths is developed. The framework also computes the singular structure value, μ for the uncertain closed-loop system to quantify robustness, both in terms of stability and performance. The multi-tracking control problem targets engine speed, differential pressure across throttle as well as air-to-fuel ratio to achieve satisfactory engine performance while also preventing compressor surge and reducing engine emissions. A controller switching methodology using slow-fast controller decomposition and hysteresis at switching points is proposed to smoothly switch control authority between several MIMO controllers. The control design approach is applied to a truth-reference GT-Power engine model to evaluate the closed-loop controller performance. The engine response obtained using the robust MIMO controller is compared with that obtained using a state-of-the-art benchmark controller to evaluate the additional benefits of the MIMO controller.</div><div><br></div><div><div>In the second study, a robust 2-degree of freedom controller that commands eBooster speed to control air-to-fuel ratio, and a robust MIMO coordinated controller to control gas</div><div>exchange process in a diesel engine with electrified air handling architecture are developed. The MIMO controller simultaneously controls engine speed, mass fraction of the recirculated exhaust gas as well as air-to-fuel ratio. The actuators available for control in the engine include the exhaust gas recirculation valve, exhaust throttle valve, fuel injection rate, eBooster speed, eBooster bypass valve. To design the robust eBooster controller, the input-output relationship between eBooster speed and air-to-fuel ratio is estimated using system identification techniques. The robust MIMO controller is synthesized using a physics-based mean value control-oriented engine model that accurately represents the high-fidelity GT-Power model. In the first control strategy, the robust eBooster controller is added to an already existing stock engine control unit while in the second control strategy, the stock engine control unit is replaced with the multiple-input multiple-output controller. The two control architectures are tested under different operating conditions to evaluate the controller performance. Simulation results with the control architectures developed in the thesis are compared to a baseline engine configuration, where the engine operates without eBooster. Although it is observed that both these control algorithms significantly improve engine performance as compared to the baseline configuration, MIMO controller provides the best engine performance overall.</div></div>