CN101855436A - 用于稳定控制器的方法和相应的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种稳定控制器的方法以及这种方法在内燃机中的应用，用于使控制器整体稳定。本发明提供，首先确定或排除控制器的稳定性，改变控制器的控制特性，并重新检验稳定性，并且在循环中重复所述步骤。为了在内燃机中进行应用，本发明提出，确定进行稳定的顺序，并且有选择地根据外界参数来执行。

Description

用于稳定控制器的方法和相应的控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于稳定控制器的方法和这种方法的应用，用于稳定内燃机中的控制器整体，以及用于执行该方法的控制装置。
背景技术
已知标准控制回路，用于自动地控制机器和通常不同形式的受控对象，这些控制回路通过不同的策略对受控变量的变化做出反应。为此已知，使用控制器，它们与受控变量相对于控制值的变化成比例地改变控制值，用于借助于控制值补偿外部的干扰变量。在此涉及所谓的P项。此外还已知与实际变量成比例地持续提高其控制值(I项)的控制器，以及与受控变量的时间变化成比例地改变控制变量(D项)的控制器。组合所有三个策略的控制器称为PID控制器，其特征在于特别快速地控制受控变量，而不会出现控制振荡。如果为了控制机器使用不同的控制器，可能会使用相互影响的不同受控变量，因此可能使控制器整体陷入控制振荡。同样可能的是，机器在使用过程中变化或者磨损并由此引起控制振荡或不稳定。
在机器中经常同时控制多个受控变量，如在现代的内燃机里面。在此无法保证，通过不同的控制变量的变化可以相互独立地控制各个受控变量，于是由此可能产生控制振荡，因为有时多于两个控制器相反工作。因此在实际使用中对于内燃机经常出现怠速稳定问题，其中这种不稳定可能导致噪声增大和汽车震动，这通过司机听到或者也感觉到。但是，原因不一定源于控制回路相互间不足够的协调，而是也可能由于机器本身的老化引起的变化而引起，例如由于损坏和/或磨损引起的汽车传动系中的变化或者由于不同发动机部件的不利组合，这些发动机部件在其功能上以接近可接受的公差范围的极限运行。由于各种可能的原因且主要是各种原因组合，在汽车的发展中几乎根本不能使位于汽车中的内燃机的控制回路足够地避免可能的不稳定状态。在内燃机中不稳定的控制状态可能引起发动机运行的不均匀直到不可接受的失调，而且在这种背景下也经常出现，汽车使用者将这种不稳定视为故障并因此对整个汽车不满意。
发明内容
本发明提供一种控制回路，其具有至少一个用于检测控制器不稳定的步骤、至少一个用于改变控制器的特性的步骤和至少一个用于检测控制器的控制行为的变化的步骤，以及用于执行本方法的控制装置。
按照本发明建议，对已知的用于控制受控变量的方法添加另一方法，用于保证控制器的控制行为的持续稳定性。在此规定，在至少第一步骤中确定控制器的不稳定性。例如可以通过统计分析控制行为可以预测控制器的不稳定性。在最好的情况下已经证实有利的是，使所述第一步骤由计算控制器输出变量的标准差组成。在此将确定的标准差与给定的最大标准差进行比较，并且在超过最大标准差时确定不稳定性。在第二步骤中改变控制器的特性。以最简单的方式由此改变特性，即改变控制器的输出值，例如乘以乘数或者除以除数。由此相对于干扰变量加强或削弱控制变量，这导致控制器的特性的改变。按照本发明，接着特性的改变继续进行控制器行为的变化的检测。这种检测在最简单的情况下可以通过重新统计分析控制行为实现。如果例如重新确定控制器的输出变量的标准差，则控制回路可以重新在第一步骤开始并重新确认，控制器的特性、在这里控制器的输出变量的标准差现在是否位于给定的标准差区间里面。但是控制器的特性的一次性改变也可能导致控制器的不稳定性增强，由此例如使标准差变大。在这种情况下，代替乘以乘数，可以通过除以一个值替代控制器输出变量的变化，并由此减小控制器输出变量的有效振幅。但是在统计分析时，使用控制器的实际输出值，并且不使用通过乘数或除数变化的值，用于避免由于相乘或相除带来的误差。
在内燃机中使用时这种形式的控制器稳定性的优点是，例如怠速变得稳定，并且有规律地或周期地围绕一个值波动。通过改善怠速特性(它由于按照本发明的方法稳定控制器而引起)，可以在加工车间质量控制时节省显著的成本，因为可以省去控制器稳定性方面的质量控制，其中还使汽车的排放和车厢噪声最小化并且也可以优化发动机的行驶特性。
为了避免无终止地匹配控制器的特性(其同样表现为控制振荡)，规定要限制控制循环的次数。如果例如通过按照本发明的方法不能达到稳定性，或者尽管采取稳定措施，控制行为也发生振荡，则通常由此得出，发动机部件不正常地运行或者磨损。在这种情况下需要诊断发动机不稳定的原因，并且必要时更换失效的部件。
因为经常必须在不同的外部条件下执行稳定，其中外部条件的参数不能控制，已经证实有利的是，根据外部条件实现稳定性。为此可以引入外部参数大气压力、发动机温度和燃料温度，其中稳定参数分别附属于上述外部条件的组合。在此已经证实有利的是，所有上述外部参数位于预选的控制值以上，同时怠速持续预选的时间，然后执行稳定控制器的功能。由此避免过补偿，它们除了避免持续地改变控制器参数以外也避免出现控制振荡，它们由于太频繁的控制产生过补偿而引起。按照本发明规定，当大气压力、发动机温度和燃料温度和怠速持续时间参数超过预选值时，则中断控制器稳定的功能。
为了不必同时使具有不可预见的受控变量关系的不同控制器进行稳定，已经证实有利的是，如果要使内燃机中的一个以上的控制器同时稳定时，要预定用于使内燃机各个控制器稳定的顺序。在这种形式的内燃机控制器稳定中规定，提供用于使不同的控制器同时稳定的三个标志变量。第一标志变量检测要稳定的控制器的顺序，第二标志变量检测控制器整体的稳定状态，第三标志变量检测最终稳定的控制器包括有效的稳定措施，即例如控制器输出信号的相乘或相除，由此中央单元可以使控制器整体上稳定。
如果第一控制器的第一稳定已经首先使第一控制器稳定，在检测到另一控制器不稳定的另一情况下，可以按照本发明使该控制器以稳定顺序稳定。各个要稳定的控制器通过上面示例地首先确定描述的标志变量。如果多于一个控制器具有不稳定的控制行为时，当然只能遵循稳定顺序。
同样通过标志变量确定控制器整体的稳定状态，其中整个系统状态的数量是二次幂，其中每个控制器通过两个状态、即“稳定”和“不稳定”影响整个系统。
最后的控制回路在第三标志变量中确定。借助于所述信息可以确定用于使最后的控制器稳定的最后措施，并且必要时相同地或改变地重复。
附图说明
借助于附图详细描述本发明。附图中：
图1示出按照本发明的用于稳定控制器的步骤顺序的流程图，
图2示出按照本发明的控制装置的方框图，
图3示出用于多于一个控制器的稳定装置的方框图。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的用于稳定控制器的方法的流程图。在开始1中为了执行本发明，对电子装置或微处理器进行初始化，接着开始1，检测2检测控制器行为的标准差σ1。这一点在最简单的情况下由此实现，及通过相应的输入元件检测控制器输出变量，如电压、最大电流或转换成控制变量前的数字值，并且转换成可以数字检测的值。通过对于固定的时间或者也在控制器输出变量的转折点多次检测控制器输出变量，实现标准差σ1的检测2，由此获得控制器输出变量的相应的最大值。在控制器输入/输出时，相应地检测脉冲占空比。在已经检测到对于统计分析足够多的数值量以后，按照公知的计算方法确定标准差σ1并且将其内部存储，以继续在按照本发明的方法中使用。接着标准差σ1的检测2继续与预选最大标准差σmax的比较3。如果检测的标准差σ1低于给定的值σmax，即位于可接受的范围内，则本方法继续路径3ab并且重新确定控制器的标准差σ1。重复这种在步骤2至3之间的封闭循环，直到控制器输出变量的标准差σ1超过预选的值σmax，由此指示要被稳定的控制器的不可接受的状态。然后，按照本发明的方法继续下一步骤。在位置4首先增大计数器n，它表示，执行控制器的稳定尝试的频率。如果在比较步骤5a中确定所述计数器n超过预选的值nmax，则执行稳定控制器的尝试，因为在超过最大计数器nmax时推断出，整个系统的一部分、在这里是内燃机是有缺陷的或者磨损，因此必需更换。然后，按照本发明的方法继续步骤5ab并且在步骤5b中停止。但是如果计数器n的值小于最大值nmax，则本方法通过路径5aa继续到步骤6，在步骤6中本方法确定改变控制器行为。所述选择通过标志变量、英文“Flag”提供，它或者表示与大于1的值相乘，或者除以大于1的值。对应于所述标志变量“Flag”，使要被稳定的控制器的输出与大于1的值相乘或者除以大于1的值。在已经确定控制器行为变化以后，重新在步骤8中确定控制器行为，并且为了继续使用，中间存储标准差σ2的值。在步骤9中将标准差σ2与开头已经确定的标准差σ1进行比较。如果新的标准差σ2低于第一标准差σ1，则本方法继续路径9aa。然后将标准差σ2作为标准差σ1在步骤10中存储并通过跳跃10-3到步骤3继续本方法，在该步骤中本方法重新跳到步骤2至3之间的封闭循环。但是，如果新的标准差σ2值大于开头确定的标准差σ1，则改变标志变量，它显示用于改变控制器行为的方式，在步骤10中存储标准差σ2作为标准差σ1，然后使本方法再继续跳跃10-3。
一旦控制器整体要被稳定，则确定一个顺序，以该顺序使各个控制器稳定。其优点是，所有控制器不是同时稳定，由此必要时代替加大明显减小整个系统的控制振荡。在第一控制器稳定以后，第二控制器对应于顺序按照在图1中所示的流程图稳定，并且本方法连续用于其它控制器，直到所有控制器都变得稳定。
用于稳定的顺序可以在下面的表格中定义的稳定状况确定，或者也以其它的顺序实现。
表格1：由用于怠速转数、轨压和废气回输的控制器所组成的控制器整体的稳定状况
  怠速控制器   轨压控制器   废气回输控制器   稳定状况   顺序
  稳定   稳定   稳定   0   a
  不稳定   稳定   稳定  1   b
  稳定   不稳定   稳定  2   c
  稳定   稳定   不稳定  3   d
  稳定   不稳定   不稳定  4   e
  不稳定   不稳定   稳定  5   f
  不稳定   稳定   不稳定  6   g
  不稳定   不稳定   不稳定  7   h
在利用上面的稳定状况表格作为用于控制器稳定的顺序的情况下，在检测不稳定的怠速控制器时，首先使该控制器稳定(顺序b)。如果在更新的阶段中确认两个控制器不稳定，例如稳定状况4、5或6，则继续对于所述稳定状况预选的顺序c、f或g，用于使各个控制器稳定，以该顺序使各个控制器稳定，用于避免控制器整体的控制器不稳定振动。
在本发明的改进方案中规定，对于外部的环境参数如大气压力、发动机或燃料温度，分别为各个控制器输出变量提供自身的乘数或除数的参数组，以进行稳定。同样能够对于大气压力、发动机和燃料温度的每个组合预选稳定尝试的最大计数器nmax。
此外也可以将乘数/除数与转数关系存储在表格里面作为特征曲线。由此实现乘数，对于每个记录，通过多次的乘法和/或除法的数值，对于相关控制器在出现当前的运行参数组合时在所述表格中存在数值。一旦检测这些外部的运行参数，则使乘数/除数配属于各个控制器，并且使控制器输出变量与这些乘数/除数相结合，由此避免稳定循环，因为立刻出现正确的值用于稳定。
最后可以将控制器乘数/除数的广泛范围表格作为完整的数据量进行存储，其提供作为用于设定控制器行为和最多可接受的稳定尝试次数的参数组。然后在实际使用中，对于每个发动机状态根据外部条件设定并稳定控制器。一旦表格足够大，各个温度和压力的间隔足够精细，则可以调整许多不同的控制参数，由此使要被控制的内燃机可以在大的压力和温度范围上稳定地控制，其中控制参数匹配于环境参数。
在图2中示出按照本发明的控制装置的方框图，它具有用于控制受控变量400的单元100、用于检测控制装置不稳定性的单元200和用于改变控制装置特性的单元300。按照本发明的控制装置按照在图1中所示的方法运行。一旦用于控制的单元100是稳定的，则单元300不改变控制器的特性。但是一旦通过单元200确认不稳定，则单元300对此发出命令，按照本发明改变控制器100的特性。
在图3中示出控制器组的方框图，它们共同地通过用于检测控制器的不稳定和稳定的单元201按照本发明进行稳定。在所述方框图中示出两个分别用于控制一个受控变量401和402的简化的单元101和102，其中单元201使两个单元101和102按照本发明的方法稳定，在该方法中用于改变控制器特性的单元301和302通过控制器输出值的乘法或除法来改变控制器101和102的特性。

Claims (11)

1.一种利用控制回路稳定控制器的方法，具有至少一个用于检测控制器不稳定性的步骤(2)、至少一个用于改变控制器的特性的步骤(7)和至少一个用于检测控制行为的变化的步骤(8)。
2.如权利要求1所述的方法，其中为了检测不稳定性，检测在给定的时间段上控制器输出信号的标准差(σ1)，并且将所述标准差(σ1)与事先选择的值(σmax)进行比较(3)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中为了改变控制器的特性，使控制器输出信号与可变化的值相乘(7a)，或者除以(7b)可变化的值。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中检测在控制器的特性变化(7a，7b)以后在给定的时间段上控制器输出信号的标准差(σ2)，并且接着与在控制器的特性变化(7a，7b)以前控制器输出信号的标准差(σ1)进行比较(9a)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中当之前执行的使控制器特性变化(7a，7b)的措施造成不稳定性减小(9aa)时，相同地重复(10-3)用于使所述控制器特性变化(7a，7b)的措施，并且当之前执行的使控制器特性变化(7a，7b)的措施造成不稳定性增大(9ab)时，改变地重复(10-3)用于使所述控制器特性变化(7a，7b)的措施。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中对所述重复(10-3)控制回路执行设有给定的和最大的次数(nmax)。
7.如权利要求1至6中任一项所述方法的应用，用于稳定内燃机的怠速。
8.使用如权利要求7所述的应用，其中使用于怠速转数、轨压和输入的空气质量的控制器的控制器特性同时稳定。
9.使用如权利要求8所述的应用，其中设有稳定控制器的预选的顺序。
10.使用如权利要求7至9中任一项所述的应用，其中对于给定的大气压力和/或燃料温度和/或发动机温度分别设有控制回路执行的最大次数(nmax)。
11.控制装置，用于执行如权利要求1至10中任一项所述方法，其具有至少一个用于检测控制器稳定性的单元(200)和至少一个用于改变控制(100)单元特性的单元(300)。
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