Nonlinear Modeling and Sliding Mode Control of a Vane-Type Variable Valve Timing System

Abstract

가변밸브타이밍 (Variable valve timing) 시스템은 신 엔진개발에 사용되는 주요 기술이다. 가변밸브타이밍 시스템을 장착한 엔진은 엔진운행조건에 따라 최적의 밸브타이밍을 적용할 수 있어 연비와 출력의 개선과배기가스 저감의 효과가 있다. 이러한 성능개선을 위해서, 밸브타이밍은엔진운행과 동시에 연속적으로 변화해야 하기 때문에 빠르고 정확한 제어가 뒷받침되어야 한다. 이 연구에서는 가변밸브타이밍 기구의 신속성 및정확성뿐만 아니라 생산오차나 노후를 보상할 수 있는 강인성을 얻기 위해서 모델기반제어를 제안한다. 가변밸브타이밍 시스템은 비선형성이 강하고, 모델링 하기 어려운 불확실성과 외란의 요소가 존재한다. 따라서, 이 시스템의 수학적 모델은그것의 비선형 동적 특성을 반영하여 모델링 하였고 3차 비선형 상태 방정식으로 표현할 수 있다. 그리고 이 비선형 모델을 기반으로 하여 가변밸브타이밍 시스템의 위치제어를 위한 제어기를 설계하였으며, 모델 불확실성과 미지의 외란을 극복하기 위해서, 슬라이딩 모드 이론 (Slidingmode theory)을 제어기 설계에 적용하였다. 제안된 슬라이딩 모드 제어기의 성능을 검증하기 위해서, 실험환경을 구성하고 PID제어기와 추종 성능 비교 실험을 수행하였다. 실험결과에서, 슬라이딩 모드 제어기는 PID 제어기 보다 향상된 응답성과 정확성을 보이고 특히 배터리 전압의 외란에 대해서 매우 강건한 특성을 보인다. 따라서, 이 연구는 제안된 슬라이딩 모드 제어기의 가변밸브타이밍 시스템 위치제어에 적용 가능성을 증명 한다.; The Variable Valve Timing (VVT) system for high performance has become a key technology used in newly developed engines. The system has realized higher torque, better fuel economy, and lower emissions by allowing an additional degree of freedom for the valve timing during engine operation. In this study, model-based control is proposed to make a fast and precise VVT control system with robust manufacturing tolerances and aging. The VVT system is modeled by a third-order nonlinear state equation, which in particular accounts for nonlinearities of the system. Based on the model, a controller is designed for position control of the VVT system. The sliding mode theory is applied to controller design in order to overcome model uncertainties and unknown disturbances. The experimental results suggest that the proposed sliding mode controller is capable of improving the tracking performance. In addition, the sliding mode controller is robust to battery voltage disturbance.