DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE UN BANCO DE POTENCIA PARA MOTOCICLETAS. Lorenzo Lamadrid, Pablo. RESUMEN DEL PROYECTO

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1 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE UN BANCO DE POTENCIA PARA MOTOCICLETAS Autor: Lorenzo Lamadrid, Pablo. Directores: Zamora Macho, Juan Luis Arias Aróstegui, Pablo Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO Objetivo del proyecto: El principal objetivo del presente proyecto consiste en el diseño de un sistema basado en un control predictivo que consiga mantener la velocidad de la moto en un punto de trabajo. Descripción del equipo: Un banco de potencia es un equipo de ensayo que sirve para obtener la curva par-velocidad de un motor de combustión. Una vez diseñado el regulador adecuado se consigue calcular la potencia para ese régimen de velocidad de la moto multiplicando la fuerza que ejerce por la velocidad. Es útil para las competiciones de velocidad y para talleres y fabricantes de motocicletas, ya que permite estudiar como influyen en el rendimiento las variaciones que se hacen en el motor. Este proyecto estudia la posibilidad de controlar un banco de potencia equipado con un freno de fricción (véase figura 1). Este sistema abarataría considerablemente los costes de fabricación, ya que el conjunto rueda-buje-freno (disco y pinza) se encuentra enormemente extendido gracias al mundo del automóvil. No obstante, esto plantea un gran problema al ser el par resistente del freno independiente de la velocidad. Mantener la moto en un punto de trabajo dado implica que el freno realice correcciones constantemente (equilibrio inestable). Figura 1: Prototipo del banco de potencia

2 Se han realizado una serie de ensayos en éste banco de potencia, registrándose las señales de mando, fuerza en la rueda delantera de la motocicleta y velocidad del rodillo. A partir de dichos ensayos, se ha podido identificar el modelo del sistema y diseñar el sistema de control con estos datos. Modelado e identificación: El primer paso consiste en obtener un modelo del conjunto freno + moto que describa su comportamiento teniendo en cuenta la componente determinista y estocástica del sistema y su influencia en la velocidad (salida y variable a controlar en el sistema). El objetivo es obtener un conjunto de ecuaciones matemáticas que aproximen el comportamiento del conjunto freno + moto lo más fielmente posible y siempre considerando al banco como un sistema con una entrada (mando en el freno) y una salida (velocidad de la moto o también del rodillo). Diseño del Control Predictivo Funcional (PFC) La señal de entrada del sistema completo son las referencias futuras para la velocidad de la motocicleta en m/s. En el esquema del control que se ha diseñado (véase figura 2) se aprecian los diferentes bloques involucrados en el cálculo del mando. El mando se calcula multiplicando escalarmente la ganancia vectorial K y el error de predicción obtenido como la diferencia entre la trayectoria deseada y la respuesta libre del sistema. Figura 2: Diagrama del sistema de control

3 Para obtener el sistema de control óptimo, se han probado diferentes juegos de valores de los parámetros del control hasta que se ha conseguido minimizar el efecto de las perturbaciones sobre la velocidad. Una vez que el sistema de control funcionaba correctamente en simulación, lo que se ha hecho, es pasar todas las operaciones que se hacen en Simulink a un fichero.m de Matlab para facilitar así su implantación en el sistema real. Comparación con un control PD: El control desarrollado en este proyecto consigue un mejor rechazo a la fuerte perturbación que ejerce la motocicleta en la velocidad del rodillo. Esto se traduce en menores desviaciones con respecto a la trayectoria deseada Comparación de la respuesta de ambos sistemas Referencia velocidad PD velocidad PFC velocidad muestras Figura 3: Comparación de la mejor respuesta obtenida con el control predictivo y un control PD (esta última procede de un ensayo en el sistema real). Se ha realizado un análisis de robustez ante el ruido y ante errores de modelado. Por consiguiente, cabe esperar que de lograrse la implantación del PFC en el procesador, se mejorará el funcionamiento del sistema físico.

4 DESIGN OF THE CONTROL SYSTEM FOR A BANK OF POWER OF MOTORCYCLES Author: Lorenzo Lamadrid, Pablo. Directors: Zamora Macho, Juan Luis Arias Aróstegui, Pablo Collaborator institution: ICAI-Universidad Pontificia Comillas Objective of the project: The main objective of the present project consists of the design of a system based on a predictive control that is able to maintain the speed of the moto in a working point. Description of the equipment: A power bank is a test equipment that serves to obtain the curved pair-speed of a combustion motor. Once obtained the suitable regulator he is thus able himself to calculate the power for that speed rating of moto by multiplying the force times speed. It is useful for speed competitions and factories and manufacturers of motorcycles, since it allows to study as they influence in the yield the variations that become in the motor. This project studies the possibility of controlllling a bank of power equipped with a friction brake. This system would decrease the price of the manufacturing costs considerably, since the joint wheel-bushing-brake (disc and clamp) is extended thanks to the world of the automobile enormously. However, this raises a great problem to the being the resistant pair of the brake independent of the speed. To maintain the moto in a given working point implies that the brake makes corrections constantly. Figure 1: Prototype of the power bank

5 It exists a prototype of the bank of power in that a series of tests has been made, registering itself the control signals, forces in the front wheel of moto and speed of the roller. The identification of the model of the system and the design of the control had been possible with these data. Modeled and identification: The first step consists of obtaining a model of the set brake + moto that describes to its behavior considering the determinist and estocástica component of the system and its influence in the speed (exit and variable to control in the system). The objective is to obtain a set of mathematical equations that approximate the behavior of the set brake + moto more faithfully possible and always considering to the bank like a system with one input (control in the brake) and one output (speed of the moto or also the speed of the roller). Functional Predictive Control (PFC) The input signal of the system is the future references of the speed in m/s. In the diagram of the control system designed (figure 2), it can be seen the different blocks involved in the calculation of the control signal. The control signal is calculated making the scalar product of the vectorial gain K and the prediction error obtained as the difference between the wanted trayectory and the free response of the system. Figure 2: diagram control system

6 To obtain the optimum control system, different values of the parameters of the control has been checked in order to mimimize the disturbance in the speed. Once the control system run like we expected, all operations made in Simulink were traduced in a M-file of Matlab. Comparison with a PD control: The control developed in this project obtains a better rejection to the strong disturbance that exerts moto in the speed of the roller. This is translated in smaller deviations with respect to the wished trajectory Comparación de la respuesta de ambos sistemas Referencia velocidad PD velocidad PFC velocidad muestras Figure 3: Comparison of the best answer obtained with the predictive control and a PD control (this last one comes from a test in the real system). A robustness analysis has been made before the noise and errors of modeled. Therefore, it is possible to hope that to be obtained the implantation of the PFC in the processor, the operation of the physical system will improve.