DE10034789A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Es sollen jegliche während des Motorbetriebs auftretende Einflüsse kompensiert werden, welche sich auf das nichtlineare Verhalten des Luftsystems auswirken. Dazu wird aus mindestens einer Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) und der von einem Regler (RG) gelieferten Stellgröße (v) eine neue Stellgröße (u) hergeleitet, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße (v) aus dem Regler (RG) invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe (y) des die Regelstrecke darstellenen Luftsystems (LS) von der neuen Stellgröße (u).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens
des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei eine von
einem Regler aus der Abweichung zwischen einer Soll-Größe
und einer Ist-Größe des Luftsystems abgeleitete Stellgröße
für einen Steller des Luftsystems so verändert wird, dass
zwischen der Stellgröße und der Ist-Größe ein linearer
Zusammenhang besteht.
Mit dem Luftsystem einer Brennkraftmaschine sind alle
diejenigen Einrichtungen gemeint, welche einen Einfluß auf
die angesaugte Luftmenge haben. Zu diesen Einrichtungen
gehören beispielsweise eine Drosselklappe, ein Turbolader
oder eine Abgasrückführung, wobei nur einzelne oder mehrere
dieser Vorrichtungen vorhanden sein können. Üblicherweise
gehört zu jeder das Luftsystem der Brennkraftmaschine
bildenden Vorrichtungen ein Steller und ein Regler (z. B.
P- oder PI- oder PID-Regler) der aus der Abweichung zwischen
einer Soll-Größe und einer Ist-Größe eine Stellgröße für den
Steller der Luftsystem-Vorrichtung ableitet. Die
Regelstrecke, bestehend aus der Luftsystem-Vorrichtung und
dem zugehörigen Steller, zeigt ein nichtlineares Verhalten,
d. h. die Abhängigkeit der vom Luftsystem erzeugten Ist-
Größe von der Stellgröße ist nicht linear. Diese
Nichtlinearität erfordert eine besondere Auslegung des
Reglers, die unter Umständen sehr zeitaufwendig sein kann.
Die DE 198 12 843 A1 beschreibt das Problem der
Nichtlinearität des Luftsystems am Beispiel der
Ladedruckregelung. Als Stellglied für einen Turbolader wird
entweder eine Einrichtung zur Veränderung der Turbinen-
Geometrie oder ein Bypass-Ventil eingesetzt. Bei all diesen
Stellgliedern besteht ein nichtlinearer Zusammenhang
zwischen dem vom Turbolader erzeugten Ladedruck und der
Stellgröße für das besagte Stellglied. Dieser nichtlineare
Zusammenhang wäre zu vernachlässigen, solange der
Arbeitspunkt des Ladedruckreglers sich nur in sehr engen
Grenzen verschiebt. Sollte sich aber der Arbeitsbereich des
Ladedruckreglers nicht nur auf einen sehr schmalen
Arbeitsbereich beschränken, sondern ein weiter
Arbeitsbereich, d. h ein großer Variationsbereich der
Stellgröße, gefordert werden, so wird bei einer größeren
Arbeitspunktverlagerung der Regelvorgang einerseits zu
langsam, und andererseits kommt es zu Überschwingungen bei
der Regelung. Gemäß der genannten DE 198 12 843 A1 wird zur
Behebung des genannten Problems die Stellgröße für ein
Stellglied des Turboladers oder eine oder mehrere die
Stellgröße bildende, anderen Größen in einem Kennfeld auf
solche Werte transformiert, dass nach der Transformation
zwischen der Stellgröße und der Regelgröße (Ladedruck) ein
zumindest annähernd linearer Zusammenhang besteht. Mit
dieser Maßnahme wird eine lineare Regelkennlinie gebildet,
durch welche unabhängig von der Lage des Arbeitspunktes eine
schnelle und stabile Ladedruckregelung möglich ist. Die im
Kennfeld für die Linearisierung abgelegten
Transformationswerte für die Stellgröße sind einmal fest
vorgegebene Größen, mit denen eventuell aktuell auftretende
Einflüsse auf die Regelstrecke nicht kompensiert werden
können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
anzugeben, womit jegliche, während des Motorbetriebs
auftretenden Einflüsse kompensiert werden können, welche
sich auf ein nichtlineares Verhalten der Regelstrecke
(Luftsystem) auswirken.
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. des Anspruchs 8 dadurch gelöst, dass aus mindestens
einer Zustandsgröße des Luftsystems und der vom Regler
gelieferten Stellgröße eine neue Stellgröße hergeleitet
wird, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße aus
dem Regler invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der
Ist-Größe von der neuen Stellgröße. Der Vorteil dieses
Verfahrens bzw. dieser Vorrichtung besteht darin, dass die
Kompensation für die Nichtlinearität der Regelstrecke in
Echtzeit unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandes der
Regelstrecke erfolgt. Die Dynamik des Luftsystems und
eventuelle Einflüsse von anderen Systemen können hierbei
berücksichtigt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Die mindestens eine Zustandsgröße des Luftsystems, aus der
die neue Stellgröße hergeleitet wird, wird vorzugsweise
durch eine Modellberechnung ermittelt. Durch die
Modellbildung kann auf eine Messung verschiedener
Zustandsgrößen verzichtet werden.
Als Zustandsgrößen können z. B. Ladedruck, Laderdrehzahl,
Abgasrückführrate, im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse,
Gastemperatur im Ansaugrohr, Stellung der Drosselklappe,
Stellung des Abgasrückführventils, Stellung des Bypass-
Ventils oder der variablen Turbinen-Geometrie des
Turboladers oder ein oder mehrere daraus abgeleitete Größen
bei der Linearisierung der Regelstrecke berücksichtigt
werden.
Zum Zweck der Linearisierung kann eine neue Stellgröße
entweder für die variable Turbinen-Geometrie oder für ein
Bypass-Ventil eines Turboladers oder für ein
Abgasrückführventil oder für einen Drosselklappensteller
hergeleitet werden.
Um bei der Modellierung der Zustandsgröße eine höhere
Genauigkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, dass die
Differenz zwischen der durch Modellrechnung ermittelten
Zustandsgröße und der entsprechenden durch Messung
ermittelten Zustandsgröße gebildet wird und dass dann aus
der Differenz ein Korrekturfaktor für die modellierte
Zustandsgröße ermittelt wird.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Brennkraftmaschine mit mehreren Luftsystem-Vorrichtungen und
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises mit
Linearisierung für ein Luftsystem.
In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem
Ansaugkanal 2 und einem Abgaskanal 3 dargestellt. Im
Abgaskanal 3 ist die Turbine 4 und im Ansaugkanal 2 der
Verdichter 5 eines Abgasturboladers angeordnet. Desweiteren
kann die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführkanal 6
ausgestattet sein, der den Abgaskanal 3 mit dem Saugrohr 2
verbindet. Im Abgasrückführkanal 6 befindet sich ein
steuerbares Abgasrückführventil 7. Im Saugrohr 2 sind ein
Drucksensor 8 zur Messung des Ladedrucks pld und ein
Luftmassensensor 9 zur Messung der angesaugten Luftmasse lm
angeordnet. Außerdem befindet sich im Saugrohr eine
Drosselklappe 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einer Brennkraftmaschine sind also drei, die angesaugte
Luftmasse beeinflussende Luftsystem-Vorrichtungen vorhanden,
nämlich der Turbolader 4, 5, die Abgasrückführung 6, 7 und
die Drosselklappe 10.
In der Fig. 1 sind zwei mögliche Stellglieder für den
Turbolader vorhanden. Ein erstes Stellglied 11 ist ein
Ventil in einem die Turbine 4 überbrückenden Bypass 12.
Alternativ dazu ist noch ein Steller 13 vorhanden, der auf
die Turbinen-Geometrie einwirkt, d. h. eine Verstellung der
Turbinenleitschaufeln vornimmt. Der Steller 11, das Bypass-
Ventil, erhält eine Stellgröße bpv, und der Steller 13, die
variable Turbinen-Geometrie, erhält eine Stellgröße vtg. Für
das Abgasrückführventil 7 wird eine Stellgröße arf und für
die Drosselklappe 10 eine Stellgröße dk bereitgestellt. Alle
die genannten Stellgrößen bpv, vtg, arf und dk werden von
einem Steuergerät 14 zur Verfügung gestellt. Dem Steuergerät
14 werden eine Reihe von Zustandsgrößen der
Brennkraftmaschine zugeführt, von denen beispielhaft der vom
Ladedrucksensor 8 gemessene Ladedruck pld und die vom
Luftmassensensor 9 gemessene, angesaugte Luftmasse lm in der
Fig. 1 eingezeichnet ist. Als weitere Zustandsgrößen können
dem Steuergerät 14 auch noch die Laderdrehzahl, die
Abgasrückführrate, die im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse,
die Gastemperatur im Ansaugrohr, die Stellung der
Drosselklappe, die Stellung des Abgasrückführventils, die
Stellung des Bypass-Ventils oder die Stellung der variablen
Turbinen-Geometrie des Turboladers oder eine oder mehrere
daraus abgeleitete Größen zugeführt werden.
Einleitend wurde bereits die Problematik des nichtlinearen
Verhaltens der einzelnen Luftsystem-Vorrichtungen -
Turbolader 4, 5, Abgasrückführung 6, 7, Drosselklappe 10 -
beschrieben. Vom Steuergerät 14 werden solche Stellgrößen
bpv, vtg, arf und dk ermittelt, deren Zusammenhang mit der
von der jeweiligen Luftsystem-Vorrichtung gelieferten Ist-
Größe linear ist. Wie diese Linearisierung erfolgt, wird
anhand des in der Fig. 2 dargestellten Blockdiagramms
erläutert.
In der Fig. 2 ist ein Regelkreis dargestellt, in dem die
Regelstrecke aus einem Luftsystem LS einer
Brennkraftmaschine und einem zugehörigen Stellglied ST
besteht. Wie bereits vorangehend beschrieben, kann das
Luftsystem LS aus einer oder mehreren Vorrichtungen, wie z. B.
Turbolader 5, 6 oder Abgasrückführung 6, 7 oder
Drosselklappe 10, bestehen. Der in der Fig. 2 mit dem
Bezugszeichen LS versehene Block steht also für eines oder
mehrere dieser Luftsystem-Vorrichtungen.
Am Ausgang des Luftsystems LS steht eine Ist-Größe y, welche
den Ist-Zustand des Luftsystems wiedergibt. Dieser Ist-
Zustand ist z. B. bei einem Turbolader der vom Sensor 8
meßbare Ladedruck pld. Die Ist-Größe y wird im
Verknüpfungspunkt VK mit einer Soll-Größe w verglichen und
die Abweichung e zwischen der Soll-Größe w und der Ist-Größe
y gebildet. Die Soll-Größe w ist beispielsweise ein Soll-
Ladedruck, der aus der Motordrehzahl, der
Drosselklappenstellung und dem Fahrerwunsch und eventuell
noch anderen Betriebsgrößen des Motors hergeleitet werden
kann. Die Regelgrößenabweichung e wird einem Regler RG
zugeführt, der beispielsweise ein P- oder PI- oder PID-
Regler ist. Am Ausgang dieses Reglers RG erscheint die
Stellgröße v.
Wegen des nichtlinearen Verhaltens der Regelstrecke,
bestehend aus dem Luftsystem LS und dem zugehörigen Steller
ST, ist der Zusammenhang zwischen der Ist-Größe y und der
Stellgröße v nicht linear. Es ist das Ziel, den Regelkreis
so zu erweitern, dass zwischen der Ist-Größe y, des
Luftsystems LS und der Stellgröße v ein linearer
Zusammenhang besteht. Zu diesem Zweck ist zwischen dem
Regler RG und dem Steller ST ein Schaltblock LI eingefügt,
welcher zur Linearisierung aus der Stellgröße v eine neue
Stellgröße u ableitet. In dem Linearisierungs-Schaltblock LI
wird für die neue Stellgröße u eine Abhängigkeit von der
Stellgröße v aus dem Regler RG erzeugt, welche invers zu der
nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe y des Luftsystems
LS von der neuen Stellgröße u ist. Damit wird das
nichtlineare Verhalten der Regelstrecke ST, LS durch die
nichtlineare Abhängigkeit der neuen Stellgröße u von der
Stellgröße v des Reglers RG kompensiert. Mit anderen Worten,
es wird die Stellgröße für den Steller ST in der Weise
vorverzerrt, dass dadurch die nichtlineare Kennlinie der
Regelstrecke, bestehend aus den Luftsystemen LS und dem
zugehörigen Steller ST, kompensiert wird. Letztendlich hat
dann die Reihenschaltung aus dem Liniearisierungs-
Schaltblock LI, dem Steller ST und dem Luftsystem LS
dasselbe Verhalten wie eine Integratorenkette.
Nachfolgend wird erläutert, wie in dem Linearisierungs-
Schaltblock LI die neue Stellgröße u aus der Stellgröße v
des Reglers RG und einer Zustandsgröße x des Luftsystems
ermittelt wird. Die Zustandsgröße x kann z. B. der Ladedruck
pld, die Laderdrehzahl, die Abgasrückführrate, die im
Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse, die Gastemeperatur im
Ansaugrohr, die Stellung der Drosselklappe 10, die Stellung
des Bypass-Ventils 11 oder der variablen Turbinen-Geometrie
13 des Turboladers 4 oder eine daraus abgeleitete Größe
sein. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur eine
Zustandsgröße x betrachtet. Es können aber auch mehrere der
vorangehend genannten Größen sein. Stark vereinfacht läßt
sich das Luftsystem mit der Gleichung (1) beschreiben:
Diese Gleichung (1) gibt die zeitliche Veränderung der
Zustandsgröße x wieder. Sie zeigt ein einfaches PT1-
Verhalten des Luftsystems. Das nichtlineare Verhalten des
Luftsystems läßt sich mit der Gleichung (2) beschreiben:
y = a0(t) + a1(t)(c1x + c2x2) (2).
Diese Gleichung (2) zeigt den Zusammenhang zwischen der Ist-
Größe y und der Zustandsgröße x in Form einer Parabel. Die
zeitabhängigen Parameter a0(t), a1(t) sowie die Konstanten
c1, c2 definieren die zeitabhängige Lage und Form der
Parabel.
Die mindestens eine Zustandsgröße x wird entweder von einem
Sensor gemessen oder sie wird in dem Schaltblock MD aus
anderen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine berechnet.
Solche Modellberechnungen sind an sich bekannt, weshalb hier
nicht explizit darauf eingegangen wird. Um die modellierte
Zustandsgröße x möglichst genau der realen Zustandsgröße
anzunähern, ist es zweckmäßig, eventuell bei der
Modellberechnung einen Korrekturfaktor Δx zu
berücksichtigen. Dieser Korrekturfaktor Δx kann von einem
Beobachter BB erzeugt werden. Dieser Beobachter BB stellt
eine Abweichung zwischen der modellierten Zustandsgröße x
und einer gemessenen Zustandsgröße dar und erzeugt
entsprechend dieser Abweichung einen Korrekturfaktor Ax, der
in die Modellberechnung der Zustandsgröße x einfließt.
In der folgenden Gleichung (3) ist die zeitliche Ableitung
der Ist-Größe y gemäß der Gleichung (2) wiedergegeben.
Wenn, wie gefordert, zwischen der Ist-Größe y und der
Stellgröße v des Reglers RG ein linearer Zusammenhang
entsprechend einem Integrator bestehen soll, muß gelten:
v = y (4).
Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich schließlich für
die neue Stellgröße u:
Diese Gleichung (5) beschreibt die Abhängigkeit der neuen
Stellgröße u von der Zustandsgröße x und der Stellgröße v
des Reglers RG. Die Abhängigkeit der neuen Stellgröße u von
der Stellgröße v ist damit genau invers zu der nichtlinearen
Abhängigkeit der Ist-Größe y von der neuen Stellgröße u.
Somit besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Ist-
Größe y und der Stellgröße v des Reglers RG.
Als Regler sollte ein robuster Regler, z. B. ein schaltender
Regler, der immer nur einen von zwei Extremwerten annehmen
kann, eingesetzt werden. Ein solcher, robuster Regler
reagiert unempfindlich auf Parameterschwankungen im
Regelkreis.
Claims (8)
1. Verfahren zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens
des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei eine von
einem Regler (RG) aus der Abweichung (e) zwischen einer
Soll-Größe (w) und einer Ist-Größe (y) des Luftsystems (LS)
abgeleitete Stellgröße (v) für einen Steller (ST) des
Luftsystems (LS) so verändert wird, dass zwischen der
Stellgröße (v) und der Ist-Größe (y) ein linearer
Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, dass aus
mindestens einer Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) und
der vom Regler (RG) gelieferten Stellgröße (v) eine neue
Stellgröße (u) hergeleitet wird, deren nichtlineare
Abhängigkeit von der Stellgröße (v) aus dem Regler (RG)
invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe
(y) von der neuen Stellgröße (u).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine neue Stellgröße (vtg, bpv) für die variable
Turbinengeometrie (13) oder für ein Bypass-Ventil (11) eines
Turboladers (4, 5) hergeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine neue Stellgröße (arf) für ein Abgasrückführventil (7)
hergeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine neue Stellgröße (dk) für einen Drosselklappensteller
(10) hergeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS)
durch eine Modellberechnung (MD) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass als Zustandsgröße(n) (x) eine oder mehrere folgender
Größen berücksichtigt werden: Ladedruck, Laderdrehzahl,
Abgasrückführrate, im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse,
Gastemperatur im Ansaugrohr, Stellung der Drosselklappe,
Stellung des Abgasrückführventils, Stellung des Bypass-
Ventils oder der variablen Turbinengeometrie des Turboladers
oder eine oder mehrere daraus abgeleitete Größen.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Differenz zwischen der durch Modellrechnung (MD)
ermittelten Zustandsgröße (x) und der entsprechenden, durch
Messung ermittelten Zustandsgröße gebildet wird und dass aus
der Differenz ein Korrekturfaktor (Δx) für die modellierte
Zustandsgröße (x) gebildet wird.
8. Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens
des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei Mittel (LI)
vorhanden sind, die eine von einem Regler (RG) aus der
Abweichung (e) zwischen einer Soll-Größe (w) und einer Ist-
Größe (y) des Luftsystems (LS) abgeleitete Stellgröße (v)
für einen Steller (ST) des Luftsystems (LS) so verändern,
dass zwischen der Stellgröße (v) und der Ist-Größe (y) ein
linearer Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (LI) aus mindestens einer Zustandsgröße (x) des
Luftsystems (LS) und der vom Regler (RG) gelieferten
Stellgröße (v) eine neue Stellgröße (u) herleiten, deren
nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße (v) aus dem
Regler (RG) invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der
Ist-Größe (y) von der neuen Stellgröße (u).
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