CN103454915A - 用于执行位置发送器的调整装置的自适应位置调节的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于执行位置发送器的调整装置的自适应位置调节的方法和装置。本发明涉及一种用于运行位置发送器系统、尤其是具有内燃机的电机系统中的节流阀位置发送器的调节的方法，其中执行所述调节，以便获得用于操控位置发送器系统的伺服驱动的调整参量，其中所述调节通过如下方式执行：首先给调节偏差施加传递函数，以便获得经适配的调节偏差，并且接着给经适配的调节偏差施加传输函数，以便获得所述调整参量，其中传递函数是如下的函数：该函数说明具有预先给定的标称参数的标称位置发送器系统的模型与要调节的位置发送器系统的模型的偏差，其中对所述调节的适配通过匹配传递函数来执行，其方式是尤其是实时地匹配要调节的位置发送器系统的模型的参数。

Description

用于执行位置发送器的调整装置的自适应位置调节的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于位置发送器（Stellgeber）的调节方法、尤其是用于对位置发送器进行位置调节的自适应调节方法。

背景技术

内燃机中的位置发送器系统中的调整装置的位置通常借助于调节方法根据一个或多个内部或外部的预先给定的额定参量来确定。但是由制造引起的公差以及环境和老化影响导致，调整装置或位置发送器系统的行为偏离预期的行为或者该行为改变。因此，要调节的位置发送器系统根据其运行条件而改变。

一般而言，调节方法应当实现调整装置的所有可能的状态之间的折衷，使得该调节在每个运行状态下都在带宽、稳定性、精度和鲁棒性方面实现良好的行为。但是当公差和环境或老化影响对调整装置变得过大并且由此位置发送器的特性过大地偏离于调节方法及其调节参数与之相匹配的位置发送器时，调节方法及其调节参数与具有特定特性的位置发送器的匹配导致不希望的系统行为。因此需要对调节进行相应地匹配，以便在位置发送器的整个寿命中实现最优的系统行为。

从文献WO 2007/096327A1中公知了一种用于节流阀的自适应调节方法，其中根据所测量的运行条件——例如温度、空气质量流和节流阀上的压力降——来匹配预控制。

文献US 6,668 214公开了一种利用在线参数识别进行的自适应调节方法。所识别的参数被用于补偿调节回路中的不工作时间以及匹配滑动模式控制器（Sliding-Mode-Controller）。

发明内容

根据本发明规定了一种根据权利要求1所述的用于运行位置发送器系统、尤其是具有内燃机的电机系统中的节流阀位置发送器的调节的方法、以及一种根据并列权利要求所述的调节设备和一种计算机程序产品。

本发明的另外的有利构型在从属权利要求中予以说明。

根据第一方面，规定一种用于运行位置发送器系统的调节的方法，其中执行所述调节，以便获得用于操控位置发送器系统的伺服驱动的调整参量，其中所述调节通过如下方式执行：首先给调节偏差施加传递函数，以便获得经适配的调节偏差，并且接着给经适配的调节偏差施加传输函数，以便获得所述调整参量，其中传递函数是如下的函数：该函数说明具有预先给定的标称参数的标称位置发送器系统的模型与要调节的位置发送器系统的模型的偏差，其中对所述调节的适配通过匹配传递函数来执行，其方式是匹配要调节的位置发送器系统的模型的参数。

上述方法的思想在于，将位置发送器系统的调节构造为使得通过如下方式执行适配：在调节偏差被通过传输函数施加以前对调节偏差进行适配。为此，将传输函数与用于适配调节偏差的传递函数相匹配，使得经适配的调节偏差仅仅考虑物理位置发送器系统的行为与参考位置发送器系统或标称位置发送器系统的偏差，而调节的传输函数相应地是根据参考位置发送器系统或标称位置发送器系统来设计的。那里使用的调节参数应当优选地在对调节进行适配时不被考虑。这所有具有的优点是，可以快速地和在不干预调节的情况下执行对调节的适配，其方式是可以仅仅利用位置发送器系统的由于位置发送器系统的物理行为的改变而改变的模型参数来匹配传递函数。

此外，传输函数可以是具有恒定的预先给定的调节参数的调节函数，所述调节参数关于标称位置发送器系统被确定并且对于调节的适配是不变的。

尤其是可以规定，作为标称位置发送器系统的模型以及作为要调节的位置发送器系统的模型仅仅考虑线性分量。

此外，根据一个实施方式，传输函数可以考虑预控制参量，该预控制参量根据要调节的位置发送器系统的逆模型以及在线确定和匹配的模型参数来确定。

此外，在预控制中可以考虑要调节的位置发送器系统的模型的非线性分量，以便补偿位置发送器系统的非线性。

可以规定，借助于Tustin方法将传递函数实现为离散递归关系。

根据另一方面，规定一种用于运行位置发送器系统的调节的调节系统，其中执行所述调节以便获得用于操控位置发送器系统的伺服驱动的调整参量，所述调节系统包括：

－自适应滤波器，用于给调节偏差施加传递函数，以便获得经适配的调节偏差，其中传递函数是如下的函数：该函数说明具有预先给定的标称参数的标称位置发送器系统的所提供的模型与要调节的位置发送器系统的所提供的模型的偏差，

－调节块，用于给经适配的调节偏差施加传输函数，以便获得调整参量，

其中所述自适应滤波器被构造用于根据可提供的模型参数来匹配要调节的位置发送器系统的模型。

根据另一方面，规定一种具有程序代码装置的计算机程序，用于在该计算机程序在计算机或相应的计算单元上、尤其是在上面的调节系统中实施时执行上面的方法的所有步骤。

根据另一方面，规定一种包含程序代码的计算机程序产品，该程序代码存储在计算机可读数据载体上并且在该程序代码在数据处理设备上实施时执行上述方法。

附图说明

下面根据附图进一步阐述本发明的优选实施方式。其中：

图1以节流阀位置发送器为例示出了位置发送器系统的示意图；

图2示出了用于说明图1的位置发送器的位置调节的功能图；

图3示出了用于说明图2的位置调节的调整参量的产生的功能图；

图4示出了用于图解产生图2的位置调节的调整参量的前置滤波器和预控制的功能图；

图5示出了用于图解产生调整参量的调节单元的功能图；

图6示出了用于说明产生前置滤波信号和预控制信号的行为的流程图；

图7示出了用于图解产生调整参量的方法的流程图，所述调整参量用于通过根据图1的节流阀位置发送器来调节位置发送器系统；以及

图8示出了用于说明图1的位置发送器系统的复位弹簧的弹簧特征曲线的图。

具体实施方式

图1以节流阀位置发送器系统为例示出了位置发送器系统1的示意图。位置发送器系统1作为调整装置2具有节流阀，该节流阀布置在气体输送管道3中。调整装置是可移动的，并且可以被调整以便在气体输送管道3中提供可调整的流动阻力。也就是说，流经气体输送管道3的气体量的量可以通过调整装置2的位置来确定。

调整装置2与伺服驱动6耦合，该伺服驱动例如可以被构造为机电伺服驱动。伺服驱动6可以通过电驱动信号来操控，以便向调整装置2施加调整扭矩或调整力，使得该调整装置2移动。伺服驱动6例如可以构造成直流电机、电子换向电机或步进电机，其可以分别通过合适的脉宽调制的操控信号来操控。通过可由具有一个或多个H桥电路的驱动电路生成的操控信号，伺服驱动6可以提供调整扭矩。

调整装置2的实际位置可以通过与调整装置2耦合的位置传感器4来检测，并且作为实际位置说明y被提供。借助于与伺服驱动6连接的另一传感器12，可以检测位置发送器系统1的另外的状态参量，例如被接受以用于由伺服驱动6提供调整扭矩的电机电流等等。

位置发送器系统1受到在应用领域中常见的环境和老化影响。此外，各个器件在其制造时是包含公差的。这可能导致，位置发送器系统1的系统行为可能偏离于所期望的标称系统行为。由于针对位置发送器系统1的调节通常必须与位置发送器的标称系统行为相匹配，因此这可能导致使调节的品质变差的错误匹配。

图2从原理上示意性地示出了用于调节位置发送器系统1的伺服驱动6的调节系统13。为此设置有调节设备5，其从位置传感器4获得实际位置说明y并且此外包括模块14，该模块14向调节设备5提供额定位置说明r和另外的所测量或所建模的状态参量z。例如，所提供的状态参量z之一可以对应于电池电压U_bat。

此外，调节设备5从位置发送器系统1获得测量参量x，例如电机电流等等。调节设备5从所获得的信息中生成调整参量u，该调整参量用于操控位置发送器系统1的伺服驱动6。调整参量u例如可以说明伺服驱动6的驱动电路的脉宽调制操控的占空比，该占空比对应于施加在伺服驱动6处的电压的有效高度。占空比可以确定电机电流流经伺服驱动6期间的时长与循环时长的比例，其中循环时长对应于伺服驱动6的循环操控的周期时长。

图3详细示出了调节设备5的结构。调节设备5包括前置滤波器和预控制块7、参数识别块9和调节单元8。参数识别块9规律地、循环地或在预定时刻计算位置发送器系统1的计算模型的模型参数                                               

，也就是说，在有效调节期间，可以确定位置发送器系统1的计算模型的模型参数。位置发送器系统1的计算模型的模型参数

基于调整装置2的实际位置说明y的调整参量u、以及可选地基于附加地测量和建模的状态x和z（例如电机电流和/或电池电压U_bat等等）来确定。参数识别块9例如可以通过应用递归方法（递归最小二乘法或梯度法）确定模型参数

。

在前置滤波器和预控制块7中对经滤波的额定位置说明r_p中的额定位置说明r进行滤波，并且为调整参量u生成预控制变量u_r。为此，需要位置发送器系统1的计算模型的当前确定的参数

和一些附加的所测量和建模的状态x和z、以及调整装置2的当前的实际位置说明y。

在调节单元8中，借助于预控制参量u_r、经滤波的额定位置r_p、调整装置2的当前的实际位置说明y、位置发送器系统1的计算模型G的重复确定的模型参数

、以及可选地总系统的一些附加的所测量和所建模的状态变量z、以及位置发送器系统1的一个或多个状态变量x产生伺服驱动6的调整参量u。

图4详细示出了前置滤波器和预控制块7的结构。前置滤波器和预控制块7具有前置滤波器块10和预控制块11。前置滤波器块10充当状态可变的滤波器。前置滤波器块10的阶数对应于系统的阶数n。在该实施例中，选择三阶（n＝3）的前置滤波器。在其他实施例中，前置滤波器10的阶数可以不同于该阶数。

前置滤波器块10被实现为使得其对额定位置说明r进行低通滤波，以便提供经滤波的额定位置说明r_p，并且在经滤波的额定位置说明r_p的情况下提供矢量

，其中k为1至n。矢量

是r_p的直至阶数n的导数。对于n＝3，矢量可以由作为r_p的一阶时间导数的d₁r_p、作为r_p的二阶时间导数的d₂r_p、以及作为r_p的三阶时间导数的d₃r_p组成。当预控制参量u_r达到其电压极限时，前置滤波器块10使用预控制参量u_r和总系统的一些另外的所测量和建模的状态参量z，例如电池电压U_bat等等来重新计算其输出变量，其中所述电压极限是附加的所测量和建模的状态变量z的函数。前置滤波器块10主要实现为了实现可用导数所需的低通功能，因为额定位置说明r_p可能消逝。

预控制块11被构造成基于平坦的预控制块。预控制块11借助于当前确定的模型参数和经滤波的额定位置说明r_p的导数来实施对位置发送器系统1的计算模型G的反函数G^-1的计算。此外，预控制块11可以考虑附加地测量和建模的状态参量x和z，以便执行适配。

图5示出了调节单元8的结构。调节单元8包括差分块17、自适应滤波器15和调节块16。差分块17将调节偏差确定为调整装置2的经滤波的额定位置说明r_p和当前的实际位置说明y之间的差ε：

。

自适应滤波器15将调节偏差ε适配成经适配的调节偏差

，使得调节块16总是调节类似的系统。调整装置2的线性计算模型G可以对应于由当前确定的模型参数

来表征的n阶传递函数H。

调节块16对应于传输函数C，该传输函数C可以借助于用于离散化的Tustin方法被实现为离散递归关系。根据调节的类型，可以为比例分量、积分分量或差分分量实现调节参数K_p、K_i、K_d中的至少一个，这些调节参数被设置为恒定的不可适配的调节参数。原则上可以设想每种类型的调节。

可以替换地规定，替代于利用固定的调节参数K_p、K_i、K_d而是利用可变的调节参数来构造调节块16，其中对自适应滤波器15的适配也可以在调节块16中实施。

传输函数C被针对标称位置发送器系统1的计算模型G_nom创建，以便获得开环调节回路的所期望的行为

。标称位置发送器系统1的计算模型G_nom基于标称参数，使得计算模型G_nom反映标称位置发送器系统1。标称位置发送器系统1的计算模型G_nom优选地仅仅考虑线性分量，使得一般性地对于n＝3，计算模型以如下形式存在：

，

其中a_nom、b_nom、c_nom、d_nom对应于标称位置发送器系统1的模型参数

。

此外，要调节的位置发送器系统1的计算模型G优选地仅仅考虑线性分量，使得一般性地对于n＝3，计算模型以如下形式存在：

，

其中a、b、c对应于要调节的位置发送器系统1的模型参数

。

自适应滤波器15实施具有调节偏差ε的传递函数：

，

使得开环调节回路的行为

总是回到开环调节回路的所期望的行为

。自适应滤波器15的传递函数H借助于用于离散化的Tustin方法被实现为离散递归关系。从该离散递归关系中得出经适配的调节偏差

。

调节块16根据调节的所实现的传输函数C的离散递归关系以及根据预控制参量u_r计算调整参量u。调节块16包括反积分饱和机制，以便在调整参量u的绝对值超过电压极限时重新计算其输出以及内部状态，其中所述电压极限是附加地测量和建模的状态参量z的函数，如电池电压U_bat等等。

图6示出了用于说明在前置滤波器和预控制块7中执行的功能的功能图。前置滤波器10实施下列传输函数：

该传输函数可以借助于Tustin变换来离散化。由此得到的差分方程得出经滤波的额定位置说明r_p的当前值、根据矢量

的其导数及其过去值之间的关系：

尽管在上面提出的Tustin方法的情况下仅仅使用第k-1个值，但是原则上可以使用第k－i个值，其中

。

在图6中，在初始化块18中利用预先给定的初始化值来初始化经滤波的额定位置说明r_p及其导数

的预先给定的值。初始化值借助于初始化参量的矢量来提供。初始化块18的函数仅被调用一次、即在调节开始时被调用，以便初始化先前的值的值矢量。然后将先前的值在其重新计算以后复制到值矢量

中。

在读入块19中，读入为了计算前置滤波器和预控制块7所需的参量、尤其是（位置发送器系统的）所测量和建模的状态参量x和（总系统的）z、先前的值r_p和的值矢量p_mem以及瞬态有效的参数Θ的参数矢量。

在计算块20中计算差分方程：

以便计算经滤波的额定位置说明r_p及其导数

。

在补偿块21中，补偿位置发送器系统1的非线性以及在将未受限的预控制参量u_{r_unlim}限制到预控制参量u_r以前计算该未受限的预控制参量u_{r_unlim}。要补偿的非线性例如对应于调整装置2的紧急运行和/或摩擦行为。补偿块21的补偿用于通过预控制保证：非线性不负面地影响调节。例如在图8示出了图解调整装置2在不同操控电压U下的行为或位置y的图。在图8的图中，U_max对应于最大可能的电压，U_min对应于最小可能的电压，y_max对应于最大位置，U_LHmin确定位置y_LHmin处的电压，并且U_LHmax确定位置y_LHmax处的电压，其中在U_LHmin与U_LHmax之间，弹簧特征曲线具有提高的斜度。

在例如在操控系统发生故障时可能出现的0V的操控电压下，调整装置2应当取位置y₀，该位置y₀允许特定的气体质量流经过位置发送器系统1，以便保证紧急运行。在调整装置2的位置y₀附近的范围中，具有提高的弹簧常数的复位弹簧作用于调整装置2。处于

范围中的提高的弹簧常数尤其是作用于调整装置2，而在该范围之外，较小的弹簧常数作用于调整装置2。

在限制块22中，将未受限的预控制参量u_{r_unlim}与电池电压U_bat比较。如果电池电压U_bat按照绝对值未被超过，则预控制参量u_r被调整到未受限的预控制参量u_{r_unlim}的值。如果电池电压U_bat按照绝对值被超过，则未受限的预控制参量u_{r_unlim}被限制为电池电压U_bat的值，并且经滤波的额定位置说明r_p及其导数

被重新计算，其中考虑预控制参量u_r被限制到电池电压U_bat。

在传输块23中，预控制参量u_r和经滤波的额定位置说明r_p被传输给调节块8。

在存储块24中存储矢量p _mem 的当前值，以便可提供用于前置滤波器和预控制块7的下次计算。

图7示出了用于图解在调节块16中生成调整参量u的方法的流程图。调节块16根据预先给定的传输函数C实施计算，所述传输函数C例如可以对应于PIDT1调节的传输函数。在这种情况下，所执行的传输函数：

与具有针对调节的比例分量、积分分量或差分分量的恒定调节参数K_p、K_i、K_d以及时间常数τ_d相对应。调节参数在对调节进行匹配时也保持不变，并且是最优的或之前关于参考位置发送器系统所确定的调节参数。

该传输函数C可以借助于Tustin变换来离散化。使用用于离散化的Tustin方法所具有的优点是，由此获得的差分方程仅仅具有简单的计算运算，其也可以在小功率的控制设备中实时地实施。由此得到的差分方程确定经适配的调节偏差

的当前值与其先前的值之间的关系。此外，调整参量u对应于差分方程和预控制参量u_r的结果的函数：

在图7中，在初始化块25中用预先给定的初始化值来初始化经适配的调节偏差

，

的先前的值。初始化值借助于初始化参量c _mem0 的矢量来提供。初始化块25的函数仅被调用一次、即在调节开始时被调用，以便初始化先前的值c _mem 的值矢量。然后将先前的值

在其重新计算以后复制到值矢量c _mem 中。

在提供快26中，读入为了调节块16中的计算所需的参量、即所测量和建模的状态参量z、先前的值的值矢量c _mem 、经适配的调整偏差ε_a、以及预控制变量u_r。

在计算块27中计算差分方程：

以便确定未受限的调整参量u_unlim。

在限制块28中考虑反积分饱和函数，以便在未受限的调整参量u_unlim达到预先给定的电压极限时执行重新计算。预先给定的电压极限可以根据附加地测量和建模的状态变量z（例如电池电压U_bat等等）的预先给定的函数来计算。常规的反积分饱和函数在于，必要时冻结调节的积分部分，以便积分分量不发散。未受限的调整参量u_unlim为此可以与电池电压U_bat相比较。如果电池电压U_bat未被超过，则调整参量u被设置到未受限的调整参量u_unlim的值。如果电池电压U_bat被超过，则调整参量u被设置到电池电压U_bat的值，并且调节的积分部分被冻结。

在传输块29中，调整参量u被传输给位置发送器系统1的伺服驱动6。如上所述，调整参量可以对应于占空比T。

在存储块30中，值矢量c _mem 的当前值被存储以用于调节块16的下次计算。

Claims (9)

1.用于运行位置发送器系统（1）、尤其是具有内燃机的电机系统中的节流阀位置发送器的调节的方法，其中执行所述调节，以便获得用于操控位置发送器系统（1）的伺服驱动（6）的调整参量，

其中所述调节通过如下方式执行：首先给调节偏差施加传递函数（H），以便获得经适配的调节偏差，并且接着给经适配的调节偏差施加传输函数（C），以便获得所述调整参量，

其中传递函数（H）是如下的函数：该函数说明具有预先给定的标称参数（

）的标称位置发送器系统的模型（

）与要调节的位置发送器系统（1）的模型（G）的偏差，

其中对所述调节的适配通过匹配传递函数（H）来执行，其方式是尤其是实时地匹配要调节的位置发送器系统（1）的模型的参数（

）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中传输函数（C）是具有恒定的预先给定的调节参数的调节函数，所述调节参数关于标称位置发送器系统（1）被确定并且对于所述调节的适配是不变的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中作为标称位置发送器系统（1）的模型以及作为要调节的位置发送器系统（1）的模型仅仅考虑线性分量。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中传输函数（C）还考虑预控制参量，所述预控制参量根据要调节的位置发送器系统（1）的逆模型尤其是实时地被确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在预控制中考虑要调节的位置发送器系统（1）的模型（G）的非线性分量，以便补偿位置发送器系统（1）的非线性。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中借助于Tustin方法将传递函数（H）实现为离散递归关系。

7.用于运行位置发送器系统（1）的调节的调节系统（13），其中执行所述调节以便获得用于操控位置发送器系统（1）的伺服驱动（6）的调整参量（u），所述调节系统包括：

－自适应滤波器（15），用于给调节偏差施加传递函数（H），以便获得经适配的调节偏差，其中传递函数（H）是如下的函数：该函数说明具有预先给定的标称参数（

）的标称位置发送器系统（1）的所提供的模型（）与要调节的位置发送器系统（1）的所提供的模型（G）的偏差，

－调节块（15），用于给经适配的调节偏差施加传输函数（C），以便获得调整参量（u），

其中所述自适应滤波器（15）被构造用于尤其是实时地根据可提供的模型参数（）来匹配要调节的位置发送器系统（1）的模型（G）。

8.具有程序代码装置的计算机程序，用于在该计算机程序在计算机或相应的计算单元上、尤其是在根据权利要求7所述的调节系统中实施时执行根据权利要求1至6之一所述的方法的所有步骤。

9.包含程序代码的计算机程序产品，该程序代码存储在计算机可读的数据载体上并且当该程序代码在数据处理设备上实施时执行根据权利要求1至6之一所述的方法。

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