Teste dinâmico do controle de lambda com sensor EGO

Foi realizado também um teste para verificar a resposta dinâmica do controlador realimentado com sensor EGO, através da perturbação do atuador de marcha lenta na malha de lambda. Para a realização de um teste mais próximo das condições reais, foi utilizada a perturbação gerada pelo próprio controlador de marcha lenta durante a variação de carga no eixo do motor. Esta opção se justifica pelo fato de que os dois controladores exercem influência entre si, o que pode levar a instabilidade. Deste modo, não faz sentido ajustar o controlador de lambda com a marcha lenta em malha aberta, pois posteriormente será necessário reajustá lo. O controlador de marcha lenta será abordado em detalhes na seção 4.2.5.

Como foi visto na seção 3.3.6.6, variações no lambda em torno da região estequiométrica causam oscilações na rotação. Do mesmo modo, a seção 3.3.6.2 mostra que variações na posição do motor de passo causam perturbação de vazão de ar na malha de lambda. Na prática, esta interação implica em limitações ao ajuste dos controladores. Foi observado que o comportamento estável do sistema é obtido apenas quando se configura uma região de tolerância para o controle de rotação, de modo que o atuador de marcha lenta se move apenas quando a rotação excede esta região. Esta estratégia foi implementada no sistema e está descrita na seção 3.3.7.5. Testes mostraram que o valor de tolerância de rotação igual a 50 rpm é necessário para que o motor atinja um regime permanente de controle. Foi necessário também reduzir os ganhos do controlador PI de lambda, já que os melhores resultados foram obtidos quando o lambda oscila com pequena amplitude, mesmo que a freqüência seja baixa. No entanto, a redução exagerada do ganho integral prejudica o desempenho dinâmico da malha de realimentação na correção da mistura. Portanto uma relação de compromisso deve ser adotada.

Com base nas considerações feitas, foi adotada a referência de 900 rpm com tolerância de 50 rpm, e os ganhos adotados anteriormente para o controle de lambda foram reduzidos para Kp = 0,005 e Ki = 0,12. A necessidade de redução dos ganhos dos controladores era esperada, devido à abordagem multimalhas adotada na análise do sistema (ver seção 3.3.7.6). Este primeiro teste dinâmico envolveu apenas a redução de carga no eixo do motor. A situação de aumento de carga no eixo é mais complicada e será usada na seção 4.2.5 para avaliar a dinâmica do sistema completo. A Tabela 4 5 mostra os valores dos parâmetros relevantes, enquanto a Figura 4 2 mostra o resultado obtido.

Tabela 425 – Parâmetros relevantes ao teste dinâmico do controlador de lambda com EGO.

Parâmetro Valor usado

Tempo Base de Injeção 10 ms Tempo de Ignição 3,5 ms Tempo duração passo do MP 5 ms Referência rotação marcha lenta 900 rpm

Tolerância de rotação 50 rpm Ganho Kp controlador PI de lambda 0,005 Ganho Ki controlador PI de lambda 0,12

Posição padrão do motor de passo 140 Ganho Compensação da posição MP 0,03 ms

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Figura 422 – Controle de lambda com sensor EGO e perturbação gerada pelo motor de passo, devido ao controlador de marcha lenta.

Inicialmente o sistema está em regime permanente, com a rotação dentro da faixa de tolerância, como mostra o gráfico A, e o lambda próximo da região estequiométrica, como mostra o gráfico D. No instante de tempo igual a 8 segundos o eletro ventilador é desligado, o que causa uma redução na carga aplicada no eixo do motor e consequentemente a rotação aumenta. Ao perceber o aumento na rotação, o controlador de marcha lenta faz com que o motor de passo reduza a vazão mássica de ar que chega ao coletor de admissão, como pode ser visto no gráfico B. Esta ação causa uma perturbação na malha de lambda, já que a mistura tende a ficar rica. As ações diretas de controle atuam imediatamente para minimizar e corrigir esta perturbação. Através da ação direta do mapa de injeção, o aumento da rotação faz com que o tempo de injeção diminua. Ao mesmo tempo, o fechamento do atuador de marcha lenta também reduz o tempo de injeção, devido à compensação da posição do motor de passo. Estas duas ações diminuem o efeito de

enriquecimento da mistura, porém, mesmo após a correção da rotação e da estabilização do atuador de marcha lenta no instante igual a 11 segundos, a mistura permanece ligeiramente rica. Através da realimentação do lambda via sensor EGO o controlador PI percebe que a mistura está rica e reduz lentamente sua ação de controle até que a condição estequiométrica seja atingida, como pode ser visto no gráfico E. Os baixos ganhos do controlador PI fazem com que sua contribuição dinâmica seja muito pequena, de modo que a sua principal função é corrigir o erro estacionário, o que foi previsto na seção 3.3.6.1. O sistema de controle leva aproximadamente 4 segundos para corrigir a perturbação causada pelo atuador de marcha lenta.

A redução dos ganhos do controlador PI de lambda em relação ao primeiro teste pode ser confirmada pela menor taxa de variação da ação de controle calculada, apesar de que a menor rotação também contribui para a redução da inclinação da correção gerada pelo PI. Esta estratégia de redução dos ganhos proporciona uma menor amplitude de oscilação do lambda, no entanto, a freqüência também fica reduzida, como mostra o sinal do sensor EGO apresentado no gráfico C. Os gráficos mostram que, no intervalo de 17 até 30 segundos, a baixa freqüência de oscilação do lambda faz com que a rotação varie da mesma maneira. No entanto, como a amplitude de oscilação do lambda é limitada, as perturbações na rotação não chegam a instabilizar o sistema.

O tempo de injeção final aplicado aos bicos injetores está apresentado no gráfico F. Observa se que inicialmente o tempo de injeção é de aproximadamente 1,65 ms, e após a redução da vazão de ar este tempo é reduzido para aproximadamente 1,5 ms, o que mostra a ação do sistema para manter a mistura estequiométrica. O controlador PI é responsável por menos de 15% da variação total de 0,15 ms do tempo de injeção final. Todo o restante da correção fica a cargo da compensação da posição do motor de passo. A ação de controle baseada no mapa de injeção não tem nenhum efeito se forem consideradas apenas as condições estacionárias deste teste, o que se deve ao fato de a rotação ser aproximadamente a mesma antes e depois da perturbação. Ou seja, esta ação direta através do mapa tem efeito apenas durante o transitório, quando ocorre variação na rotação. Pode se concluir que a compensação da posição do motor de passo é de fundamental importância na rejeição à perturbação, pois corrige diretamente o tempo de injeção, deixando o próximo do valor estequiométrico. A estratégia de controle se completa com o controlador PI que utiliza a medição da variável controlada para fazer a correção mais precisa da mistura, de forma que o erro estacionário seja sempre pequeno.

Outras situações de rejeição à perturbação no controle de lambda podem ser observadas nos instantes de tempo iguais a 18, 20 e 25 segundos, nos quais a rotação sai da região de tolerância, fazendo com que o motor de passo se mova para corrigi la. Nestes casos observa se a correção realizada no tempo de injeção para evitar que a mistura se afaste da região estequiométrica. A partir de 30 segundos o sistema volta à condição de regime permanente, na qual o lambda se mantém próximo da região de tolerância de 1% e a rotação permanece dentro da faixa de 50 rpm em torno da referência de marcha lenta.

Os resultados apresentados permitem concluir que o desempenho do controlador de lambda com realimentação via EGO é satisfatório, pois é capaz de manter a mistura em média 2% em torno da região estequiométrica, e rejeitar as perturbações aplicadas. O bom desempenho dinâmico é garantido pelas ações diretas do mapa de injeção e da compensação da posição do motor de passo, que minimizam os efeitos das perturbações e mantém o lambda próximo da referência. A malha de realimentação do lambda via sensor EGO garante o desempenho estacionário, corrigindo eventuais erros na relação ar/combustível.