DE102004012054B4

DE102004012054B4 - Regler zum Regeln einer Anlage

Info

Publication number: DE102004012054B4
Application number: DE102004012054.4A
Authority: DE
Inventors: Yuji Yasui; Kanako Shimojo; Eiji Hashimoto; Yoshihisa Iwaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: US7305297B2; DE102004064144B4; US7200484B2; US20070100535A1; JP4242182B2; JP2004270656A; DE102004012054A1; US20040236492A1; DE102004064145B4

Abstract

Regler zum Regeln einer als Modell erstellten Regelstrecke (3; 2) einer Anlage, wobei der Regler (23) umfasst: (a) ein Mittel (31; 41) zum Schätzen einer auf die Regelstrecke (3; 2) einwirkenden Störgröße (γ1; δne) aus einer in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) und einer von der Regelstrecke (3; 2) auszugebenden Regelgröße (Gcyl; NE); (b) ein Mittel (32; 42) zum Vorhersagen einer Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) auf der Basis der geschätzten Störgröße (γ1; δne), der in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd), der von der Regelstrecke (3; 2) auszugebenden Regelgröße (Gcyl; NE) und einer in der Regelstrecke (3; 2) enthaltenen Totzeit (dth); und (c) ein Mittel (33; 43) zur Bestimmung der in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) gemäß der vorhergesagten Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) und der geschätzten Störgröße (γ1; δne).

Description

Die Erfindung betrifft einen Regler und ein Verfahren, um eine Anlage gegenüber Störungen robust zu regeln.
Eine in einen Motor eingeführte Luftmenge wird typischerweise so geregelt, um ein gewünschtes Motordrehmoment zu erhalten. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird die in den Motor eingeführte Sollluftmenge in Bezug auf ein Kennfeld auf der Basis eines Betätigungswinkels eines Gaspedals, einer Fahrzeuggeschwindigkeit und eines gewählten Getriebegangverhältnisses bestimmt und wird ein Öffnungswinkel eines Drosselventils entsprechend der in den Motor einzuführenden Sollluftmenge geregelt.
Bei einem anderen Verfahren, das in dem japanischen Patent JP 2780345 B2 offenbart ist, wird ein Solldrehmoment einer Motorausgangswelle entsprechend einem Betätigungswinkel eines Gaspedals und einer Drehzahl der Ausgangswelle eines Drehmomentwandlers bestimmt. Ein Sollöffnungswinkel eines Drosselventils wird in Bezug auf eine vorbestimmte Tabelle auf der Basis einer Istdrehzahl und des Solldrehmoments der Motorausgangswelle bestimmt. Luft wird in den Motor entsprechend dem gewünschten Drosselöffnungswinkel eingeführt.
Diese herkömmliche Regelung berücksichtigt keine in den Ansaugkrümmer hineinwirkende Störung und keine Totzeit von dem Drosselventil bis zu dem Motor. Diese Faktoren reduzieren die Genauigkeit der Regelung der in den Motor einzuführenden Luft, was eine Vibration im Motordrehmoment hervorruft.
Dieses Problem bezüglich der Robustheit gegenüber Störungen gibt es auch in der Drehzahlregelung für den Motor.
Wenn ein Motor leerläuft, wird herkömmlich eine PID-Regelung durchgeführt, um eine Motordrehzahl zu regeln. Wenn bei dieser herkömmlichen Drehzahlregelung eine plötzliche Änderung in der Motorlast während des Leerlaufbetriebs auftritt, besteht die Tendenz, dass der Motor stehen bleibt, weil die Motordrehzahl nicht stabil sein kann. Wenn z. B. ein Fahrzeug mit einem manuellen Schaltgetriebe anfährt und eine Kupplung plötzlich eingerückt wird, besteht die Tendenz, dass der Fahrzeugmotor stehen bleibt.
Das japanische Patent JP 3203602 B2 offenbart ein Schema zum Reduzieren des Stoßes, der für die Fahrzeuginsassen unkomfortabel sein kann, wenn in einem automatischen Getriebe ein Gangwechsel stattfindet. Bei diesem Schema wird ein Solldrehmoment einer Antriebswelle auf der Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit und eines Betätigungswinkels des Gaspedals bestimmt. Ein Sollmotordrehmoment und eine Sollmotordrehzahl, die für das gewünschte Antriebswellendrehmoment sorgen, werden bestimmt. Ein Öffnungswinkel des Drosselventils wird auf der Basis des Sollmotordrehmoments und der Sollmotordrehzahl bestimmt. Das Drosselventil wird entsprechend dem bestimmten Öffnungswinkel geregelt.
Die DE 44 29 763 A1 zeigt eine Steuerungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren. Um durch Modellbildungsfehler auf Regelungsergebnisse wirkende Fehlereffekte optimal zu unterdrücken, welche aus Lastschwankungen oder ähnlichem eines Verbrennungsmotors entstehen, welcher als dynamisches Modell einer Regelungstheorie angenähert ist, werden gegenwärtige und frühere Werte einer Stellgröße und einer Regelgröße, welche jeweils einem Regelungseingangssignal und einem Regelungsausgangssignal des Verbrennungsmotors entsprechen, als Zustandsgrößen verwendet, welche den inneren Zustand des dynamischen Modells des Verbrennungsmotors darstellen. Des weiteren werden der Sollwert und die Differenz bezüglich der Regelgröße akkumuliert. Die Modellbildung des Verbrennungsmotors wird in Realzeit durchgeführt, und es wird eine optimale Rückkopplungsverstärkung periodisch oder unter gewissen bestimmten Bedingungen für einen Regler berechnet, welche auf der Grundlage dieser in Realzeit berechneten Modellkonstanten konstruiert worden ist. Die Regelgröße für den Verbrennungsmotor wird auf der Grundlage dieser berechneten optimalen Rückkopplungsverstärkung, der vorstehenden Zustandsgrößen und des akkumulierten Differenzwerts bestimmt.
Aus Mann; Schiffelgen: Einführung in die Regelungstechnik, Carl Hanser Verlag München Wien, 3. Auflage, 1976, ISBN 3-446-12295-8 ist ein Regler zum Regeln einer Regelgröße bekannt, wobei die Regelstrecke als Modell abgebildet wurde. Der Regler umfasst ein Mittel zum Ermitteln einer Störgröße und ein Mittel zum Ermitteln einer Stellgröße. Die Stellgröße wird dabei durch Multiplikation der ermittelten Störgröße mit einem Verstärkungsfaktor erhalten.
In einem herkömmlichen Fahrzeug, das ein automatisches manuelles Getriebe (automatisches MT) oder ein automatisches Getriebe (AT) aufweist, wird, wenn ein Gangwechsel stattfindet, keine Drehzahlsynchronisationregelung durchgeführt, die zum Erhalten einer schnellen Reaktion in der Lage ist. Somit kann die Drehzahl nicht geeignet sein, ein gewähltes Gangverhältnis schnell einzulegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Regler und ein Regelverfahren anzugeben, die eine hohe Robustheit gegenüber Störungen haben.
Hierzu wird ein Regler zum Regeln einer als Modell erstellten Regelstrecke gemäß Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 10 angegeben. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Regler umfasst ein Schätzglied zum Schätzen einer auf die Regelstrecke einwirkenden Störgröße sowie ein Mittel zum Bestimmen einer in die Regelstrecke einzugebenden Stellgröße (nachfolgend auch Eingabe in die Anlage genannt), sodass eine Regelgröße der Regelstrecke (nachfolgend auch Ausgabe von der Anlage genannt) auf einen Sollwert konvergiert.
Ein Fehler zwischen der Regelgröße der Anlage und einem Sollwert für die Regelgröße der Anlage kann durch eine auf die Anlage einwirkende Störgröße hervorgerufen werden. Erfindungsgemäß kann der Regler schnell bewirken, dass ein solcher Fehler auf null konvergiert, weil die Stellgröße die geschätzte Störgröße beinhaltet.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung wird ein vorausblickender Regelalgorithmus verwendet, um die Stellgröße zu bestimmen. Die vorausblickende Regelung kann eine vernünftige Regelung für die Anlage implementieren, wenn eine Totzeit in der Anlage enthalten ist.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung wird die Stellgröße so bestimmt, dass sie einen Wert enthält, der durch Multiplizieren eines Sollwerts für die Stellgröße mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor erhalten wird. Somit wird die Fähigkeit verbessert, dass die Regelgröße dem Sollwert folgt.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung wird eine Regelung im Sinne einer Störgrößenaufschaltung verwendet, welche das Zeitdomänen-Verhalten der Regelgröße vorbestimmt (nachfolgend auch Reaktionszuweisungsregelung genannt), um die Regelgröße zu bestimmen. Die Reaktionszuweisungsregelung ermöglicht, dass ein Fehler zwischen der Regelgröße und einem Sollwert für die Regelgröße auf null konvergiert, ohne ein Überschießen zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist das Schätzglied ein adaptiver Störungsbeobachter, der die Störung unter Verwendung eines rekursiven Identifikationsalgorithmus identifiziert. Ein solcher rekursiver Identifikationsalgorithmus kann die geschätzte Störgröße schnell und stabil identifizieren. Wenn in der Regelgröße Rauschen enthalten ist, kann in der geschätzten Störgröße aufgrund dieses Rauschens eine Schwankung auftreten. Der Effekt eines statistischen Prozesses des rekursiven Identifikationsalgorithmus kann diese Schwankung in der geschätzten Störgröße beseitigen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst der Regler ferner einen Vorhersager zum Vorhersagen der Regelgröße auf der Basis der geschätzten Störgröße und der in der Anlage enthaltenen Totzeit. Die Steuereinheit bestimmt die Stellgröße derart, dass die vorhergesagte Regelgröße auf einen Sollwert konvergiert. Da die Totzeit durch den Zustandsvorhersager kompensiert wird, wird die Reaktion der Regelstrecke verbessert. Da die vorhergesagte Stellgröße unter Berücksichtigung der geschätzten Störgröße bestimmt wird, wird ein Fehler zwischen der vorhergesagten Regelgröße und der tatsächlichen Regelgröße der Anlage beseitigt.
Eine herkömmliche generalisierte prädiktive Regelung erfordert, dass ein Verstärkungsfaktor gesenkt wird, wenn eine Totzeit der Regelstrecke berücksichtigt wird. Der Vorhersager beseitigt eine solche Verringerung des Verstärkungsfaktors, da die Totzeit durch den Vorhersager kompensiert wird.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die Anlage ein mit einem Motor verbundener Ansaugkrümmer. Von dem Ansaugkrümmer wird ein Modell erstellt, sodass dessen Eingabe ein Sollwert für einen Öffnungswinkel eines Ventils ist, das eine in den Ansaugkrümmer einzuführende Luftmenge regelt, und dessen Ausgabe eine in den Motor eingeführte Luftmenge ist. Somit konvergiert die in den Motor eingeführte Luftmenge mit hoher Genauigkeit auf einen Sollwert, um hierdurch ein Motordrehmoment akkurat zu regeln.
Die Stellgröße kann ein Sollwert für einen Öffnungswinkel eines Drosselventils sein, das in dem Ansaugkrümmer vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführung wird ein Modellparameter für die als Modell erstellte Anlage auf der Basis einer Istmotordrehzahl und eines Istöffnungswinkels des Drosselventils bestimmt. Der so bestimmte Modellparameter sorgt für eine akkurate Regelung des Motordrehmoments unter verschiedenen Motorbetriebszuständen.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die Anlage (Regelstrecke) ein Verbrennungsmotor. Von dem Verbrennungsmotor wird ein Modell erstellt, sodass dessen Eingabe (Stellgröße) ein Sollwert für eine in den Motor eingeführte Luftmenge ist und seine Ausgabe (Regelgröße) eine Drehzahl des Motors ist. Somit wird ein Abwürgen des Motors verhindert, das beim Start des Motors oder eines zugeordneten Fahrzeugs auftreten könnte. Es wird eine Reaktion der Motordrehzahlregelung verbessert, wenn ein Getriebegangwechsel stattfindet.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung bestimmt der Regler einen Modellparameter für die als Modell erstellte Anlage auf der Basis einer erfassten Drehzahl. Die Eingabe (Stellgröße) in die Anlage wird unter Verwendung des Modellparameters bestimmt. Der so bestimmte Modellparameter erreicht eine akkurate Regelung für die Drehzahl unter verschiedenen Motorbetriebszuständen.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung enthält die Eingabe (Stellgröße) in die Anlage einen Wert, der erhalten ist, indem ein vorbestimmter Verstärkungsfaktor mit einem Schätzwert für ein zum Fahren des Fahrzeugs erforderliches Drehmoment multipliziert wird. Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung enthält die Stellgröße einen Wert, der erhalten wird, indem ein vorbestimmter Verstärkungsfaktor mit einem geschätzten Wert für ein Drehmoment, das zum Antrieb von an dem Fahrzeug angebrachten Ausrüstungen erforderlich ist, multipliziert wird. Somit kann ein Fehler zwischen der Ausgabe (Regelgröße) der Anlage und deren Sollwert, der durch das Fahrzeugantriebsdrehmoment und das Ausrüstungsantriebsdrehmoment hervorgerufen wird, konvergiert werden.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung bestimmt der Zustandsvorhersager ferner die vorhergesagte Ausgabe (Regelgröße) auf der Basis des geschätzten Werts für das Fahrzeugantriebsdrehmoment. Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung bestimmt der Zustandsvorhersager die vorhergesagte Ausgabe (Regelgröße) auf der Basis des Schätzwerts für das Ausrüstungsantriebsdrehmoment. Somit kann ein Fehler zwischen der vorhergesagten Ausgabe (Regelgröße) und einem Sollwert für die Regelgröße, der durch das Fahrzeugantriebsdrehmoment und das Ausrüstungsantriebsdrehmoment hervorgerufen wird, konvergiert werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors und dessen Steuereinheit gemäß einer Ausführung;
2 ist ein Blockdiagramm einer Steuereinheit gemäß einer Ausführung;
3 zeigt eine Struktur eines Ansaugluftmengenregelung gemäß einer Ausführung;
4 zeigt ein virtuelles geregeltes Objekt in einer Simulation für eine Ansaugluftrückkopplungsregelung gemäß einer Ausführung;
5 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-1 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
6 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-2 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
7 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-3 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
8 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-4 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
9 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-5 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
10 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-6 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
11 zeigt ein Ergebnis eines Falls G-7 für eine Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
12 zeigt einen Vergleich zwischen dem Fall G-8 und dem Fall G-7 für die Ansaugluftmengenregelsimulation gemäß einer Ausführung;
13 zeigt eine Struktur einer Drehzahlregelung gemäß einer Ausführung;
14 zeigt eine Schaltlinie einer Reaktionszuweisungssteuerung gemäß einer Ausführung;
15 zeigt eine Beziehung zwischen einer Konversionsgeschwindigkeit und dem Wert eines Stellparameters einer Schaltfunktion für eine Reaktionszuweisungssteuerung gemäß einer Ausführung;
16 zeigt ein virtuelles geregeltes Objekt in einer Simulation für eine Drehzahlregelung gemäß einer Ausführung;
17 zeigt das Ergebnis eines Falls N-1 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
18 zeigt das Ergebnis eines Falls N-2 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
19 zeigt das Ergebnis eines Falls N-3 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
20 zeigt das Ergebnis eines Falls N-4 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
21 zeigt das Ergebnis eines Falls N-5 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
22 zeigt das Ergebnis eines Falls N-6 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
23 zeigt das Ergebnis eines Falls N-7 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
24 zeigt das Ergebnis eines Falls N-8 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
25 zeigt das Ergebnis eines Falls N-9 für eine Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung;
26 zeigt einen Vergleich zwischen dem Fall N-8 und dem Fall N-9 für die Drehzahlregelsimulation gemäß einer Ausführung; und
27 zeigt ein Flussdiagramm einer Drehzahlregelung und einer Ansaugluftregelung gemäß einer Ausführung.
Aufbau von Verbrennungsmotor und Steuereinheit
In Bezug auf die Zeichnungen werden bestimmte Ausführungen der Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen Verbrennungsmotor (nachfolgend als Motor bezeichnet) und dessen Steuereinheit gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
Eine elektronische Steuereinheit (nachfolgend als ECU bezeichnet) 1 umfasst eine Eingabeschnittstelle 1a zur Aufnahme von Daten, die von jedem Teil des Fahrzeugs übermittelt werden, eine CPU 1b zur Ausführung von Operationen zum Steuern/Regeln jedes Teils des Fahrzeugs, einen Speicher 1c einschließlich eines Festwertspeichers (ROM) und einem Direktzugriffsspeicher (RAM) sowie eine Ausgabeschnittstelle 1d zum Schicken von Steuersignalen zu jedem Teil des Fahrzeugs. Programme und verschiedene Daten zum Steuern/Regeln jedes Teils des Fahrzeugs sind in dem ROM gespeichert. Das ROM kann ein überschreibbares ROM sein, wie etwa ein EEPROM. Das RAM bietet Arbeitsflächen für Operationen durch die CPU 1b, worin Daten, die von jedem Teil des Fahrzeugs geschickt werden, sowie auch Steuersignale, die zu jedem Teil des Fahrzeugs zu schicken sind, vorübergehend gespeichert werden.
Der Motor 2 ist z. B. ein Vierzylindermotor. Jeder Zylinder umfasst ein Einlassventil 5 zur Verbindung einer Brennkammer 7 mit einem Ansaugkrümmer 3 sowie ein Auslassventil 6 zum Verbinden der Brennkammer 7 mit einem Auslasskrümmer 4.
Ein Drosselventil 8 ist stromauf des Ansaugkrümmers 3 angeordnet. Das Drosselventil 8 ist ein elektronisches Drosselventil. Ein Öffnungswinkel des Drosselventils 8 wird durch ein Steuersignal von der ECU 1 gesteuert. Ein Drosselventilöffnungs(_θTH)-Sensor 9, der mit dem Drosselventil 8 verbunden ist, gibt ein elektrisches Signal entsprechend einem Öffnungswinkel des Drosselventils 8 aus und schickt das elektrische Signal zu der ECU 1.
Ein Luftströmungsmesser (AFM) 10 ist stromauf des Drosselventils 8 vorgesehen. Der Luftströmungsmesser 10 erfasst die Luftmenge Gth, die durch das Drosselventil 8 hindurchtritt, und schickt sie zu der ECU 1. Der Luftströmungsmesser 10 kann ein Luftströmungsmesser vom Flügeltyp sein, ein Luftströmungsmesser vom Karman-Wirbeltyp, ein Luftströmungsmesser vom Heißdrahttyp oder dgl.
Ein Ansaugkrümmerdruck(Pb)-Sensor 11 ist in dem Ansaugkrümmer 3 stromab des Drosselventils 8 vorgesehen. Ein von dem Pb-Sensor 11 erfasster Ansaugkrümmerdruck Pb wird zu der ECU 1 geschickt.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 12 ist für jeden Zylinder in dem Ansaugkrümmer 3 stromauf des Einlassventils 5 installiert. Das Kraftstoffeinspritzventil 12 wird mit Kraftstoff von einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) versorgt und wird entsprechend einem Steuersignal von der ECU 1 angetrieben.
Ein Drehzahl(NE)-Sensor 13 ist am Umfang der Nockenwelle oder dem Umfang der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Motors 2 angebracht und gibt ein CRK-Signal mit einem vorbestimmten Kurbelwinkelzyklus aus (z. B. einem Zyklus von 30 Grad). Die Zykluslänge des CRK-Signals ist kürzer als die Zykluslänge eines OT-Signals, das bei einem Kurbelwinkelzyklus ausgegeben wird, der einer OT-Stellung des Kolbens zugeordnet ist. Impulse des CRK-Signals werden von ECU 1 gezählt, um die Drehzahl Ne des Motors zu bestimmen.
Zu der ECU geschickte Signale werden zu der Eingangsschnittstelle 1a geleitet. Die Eingangsschnittstelle 1a wandelt analoge Signalwerte in digitale Signalwerte um. Die CPU 1b verarbeitet die resultierenden digitalen Signale, führt Operationen entsprechend den in dem ROM 1c gespeicherten Programmen durch und erzeugt Steuersignale. Die Ausgangsschnittstelle 1d schickt diese Steuersignale zu Aktuatoren für das Kraftstoffeinspritzventil 12 und andere Aktuatoren.
Luft, die durch das Drosselventil 8 in den Ansaugkrümmer 3 eingeführt wird, strömt in eine Kammer 14. Wenn das Einlassventil 5 geöffnet wird, wird die Luft in der Kammer 14 der Brennkammer 7 des Motors 2 zugeführt. Kraftstoff wird von dem Kraftstoffeinspritzventil 12 der Brennkammer 7 zugeführt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch eine Zündkerze (nicht gezeigt) in der Brennkammer 7 gezündet.
Blockdiagramm der Steuereinheit
2 zeigt ein Blockdiagramm der Steuereinheit gemäß einer Ausführung. Eine Motordrehmomentsetzeinheit 20, ein Drehzahlrückkopplungs(FB)-Regler 21, ein Schalter 22 und ein Ansaugluftmengenrückkopplungs(FB)-Regler 23 sind typischerweise durch Computerprogramme implementiert, die in dem Speicher 1c gespeichert sind (1). Alternativ können die Funktionen der Blöcke durch Software, Firmware, Hardware oder Kombinationen davon implementiert werden.
Die Drehmomentsetzeinheit 20 bezieht sich auf ein Kennfeld, das in dem Speicher 1c auf der Basis eines Betätigungswinkels des Gaspedals, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, eines Getriebegangverhältnisses oder dgl. vorgespeichert ist, um ein gewünschtes Motordrehmoment zu bestimmen. Die Drehmomentsetzeinheit 20 bestimmt die für das gewünschte Motordrehmoment erforderliche Ansaugluftmenge als eine Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd.
Der Drehzahlregler 21 führt eine rückkoppelnde Regelung für die Motordrehzahl NE durch. Der Motor 2 ist ein Objekt (nachfolgend als ”Anlage” bezeichnet), das durch die Drehzahlregelung zu regeln ist. In der Regelung ist eine Regeleingabe (Stellgröße) eine Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd, und eine Regelausgabe (Regelgröße) ist die Motordrehzahl NE. Der Drehzahlregler 21 bestimmt die Sollansaugluftmenge Gcyl-cmd, sodass die Drehzahl NE auf einen Sollwert konvergiert.
Wenn sich das Fahrzeug in einem normalen Fahrzustand befindet, ist ein Ansaugluftmengenregler 23 mit der Drehmomentsetzeinheit 20 durch einen Schalter 22 verbunden. Der Ansaugluftmengenregler 23 verwendet die Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd, die durch die Drehmomentsetzeinheit 20 bestimmt ist. Wenn der Motor leerläuft oder wenn in dem Getriebe ein Gangwechsel ausgeführt wird, wird der Ansaugluftmengenregler 23 mit dem Drehzahlregler 21 verbunden. Der Ansaugluftmengenregler 23 verwendet die Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd, die durch den Drehzahlregler 21 bestimmt ist.
Der Ansaugluftmengenregler 23 führt eine rückkoppelnde Regelung für die Ansaugluftmenge Gcyl durch, die in die Zylinder des Motors eingeführt wird. Die Anlage der Regelung ist der Ansaugkrümmer 3 In der Regelung ist eine Regeleingabe ein Sollwert THcmd für den Öffnungswinkel des Drosselventils, sodass die Ansaugluftmenge Gcyl auf den Sollwert Gcyl_cmd konvergiert. Das Drosselventil 8 wird durch die ECU 1 entsprechend dem Solldrosselöffnungswinkel THcmd geregelt.
Wenn somit der Motor leerläuft, oder wenn in dem Getriebe ein Gangwechsel erfolgt, wird die Ansaugluftmenge, um die Drehzahl NE auf einen Sollwer zu konvergieren, als Sollansaugluftmenge etabliert. Dementsprechend kann ein Abwürgen des Motors verhindert werden, wenn der Motor leerläuft. Die Drehzahl beim Gangwechsel in dem Getriebe kann stabil und schnell zu einem Sollwert konvergieren.
In dieser Beschreibung wird zuerst die Ansaugluftmengenregelung beschrieben und dann wird die Drehzahlregelung beschrieben.
1. Ansaugluftmengenregelung
1.1 Modellbildung des dynamischen Verhaltens der Ansaugluft
Es wird ein Verfahren zur Modellbildung des dynamischen Verhaltens der Ansaugluft beschrieben. Der Ansaugkrümmer 3 wird durch ein Modell repräsentiert, in dem die Eingabe (Stellgröße) THcmd ist und die Ausgabe (Regelgröße) Gcyl ist.
Die in jeden Zylinder in jedem Zyklus eingeführte Ansaugluftmenge Gcyl' kann durch Gleichung (1) auf der Basis der bekannten idealen Gaszustandsgleichung ausgedrückt werden. In der Gleichung (1) bezeichnet Kηc' einen Ladegrad (%) des Ansaugkrümmers, Pb bezeichnet einen Druck (Pa) des Ansaugkrümmers, Vcyl bezeichnet ein Volumen (m³) des Zylinders, Tcyl bezeichnet eine Temperatur (K) innerhalb des Zylinders, R bezeichnet die Gaskonstante (m³·Pa/g·K) und ”n” bezeichnet einen Identifizierer zum Identifizieren jedes Abtastzyklus. Gcyl'(n) = Kηc·Pb(n) (1) wobei Kηc = Kη'c Vcyl / R·Tcyl
Im Falle eines Vierzylinderreihenmotors wird bei jeder Umdrehung des Motors zwei Mal Luft angesaugt. Die in den Zylinder pro Zeiteinheit eingeführte Luftmenge Gcyl ist in Gleichung (2) angegeben. Hier beizeichnet NE eine Motordrehzahl (Upm) und k bezeichnet einen Identifizierer zum Identifizieren jedes Abtastzyklus. Fcyl ist eine Funktion der Drehzahl NE. Gcyl(k) = Gcyl'(k)·2·NE / 60 = Fcyl·Pb(k) (2) wobei Fcyl = 2·Kηc·NE / 60
Andererseits ist die Ansaugluftmenge ΔGb, die in die Kammer 14 zu füllen ist, mit der Gleichung (3) angegeben. ΔGb(k) = Gth(k) – Gcyl(k) (3)
Was die Kammer 14 betrifft, wird die Gleichung (5) aus der idealen Gaszustandsgleichung (4) abgeleitet. Pb, Vb und Tb bezeichnen einen Druck (Pa), ein Volumen (m³) bzw. eine Temperatur (K) des Ansaugkrümmers. R bezeichnet die Gaskonstante, wie oben beschrieben.
Die Gleichung (6) erhält man, indem man die Gleichung (5) in die Gleichung (3) einsetzt. Die Ansaugluftmenge Gcyl wird ausgedrückt als Funktion des Ansaugkrümmerdrucks Pb, wie in der Gleichung (6) gezeigt. T bezeichnet die Länge des Abtastzyklus.
Um Gcyl zur Angabe von Pb der Gleichung (6) zu verwenden, wird die Gleichung (7) abgeleitet, indem man die Gleichung (2) in die Gleichung (6) einsetzt. Die Gleichung (7) repräsentiert ein Modell des dynamischen Verhaltens der Ansaugluft, worin die Modelleingabe Gth ist.
Andererseits wird die Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge Gth, die durch das Drosselventil hindurchtritt, und dem Öffnungswinkel Th des Drosselventils durch die Gleichung (8) ausgedrückt. Hier bezeichnet Pc einen Druck stromauf des Drosselventils. Fth bezeichnet eine Strömungsrate pro wirksamem Öffnungswinkel des Drosselventils (g/deg), die entsprechend dem Druck Pb stromab des Drosselventils bestimmt ist (d. h. den Ansaugkrümmerdruck) und dem Druck Pc stromauf des Drosselventils. Die Gleichung (9) erhält man, indem man die Gleichung (8) in die Gleichung (7) einsetzt. Die Gleichung (9) repräsentiert ein Modell des dynamischen Verhaltens der Ansaugluft, worin dessen Eingabe der Öffnungswinkel Th des Drosselventils ist. Gth(k) = Fth·TH(k) (8) Gcyl(k) = Vb / Fcyl·R·Tb·T + VbGcyl(k – 1) + Fth·Fcyl·R·Tb·T / Fcyl·R·Tb·T + VbTH(k) (9)
Eine Beziehung zwischen einem Solldrosselöffnungswinkel THcmd und dem Istdrosselöffnungswinkel TH des elektronischen Drosselventils wird durch die Gleichung (10) angegeben. Die Gleichung (10) ist ein Verzögerungssystem erster Ordnung mit einer Totzeit ”dth”. Die Totzeit dth wird hauptsächlich durch elektronische Kommunikation hervorgerufen, die für den Betrieb des Drosselventils erforderlich ist. Die Gleichung (11) erhält man, indem man die Gleichung (10) in die Gleichung (9) einsetzt. TH(k) = Ath·TH(k – 1) + (1 – Ath)·THcmd(k – dth) (10)
Aus der Gleichung (9) ist ersichtlich, dass TH(k – 1) durch Verwendung von Gcyl(k – 1) und Gcyl(k – 2) ausgedrückt werden kann. Die Gleichung (12) erhält man, indem man das TH(k – 1) in die Gleichung (11) einsetzt. Die Gleichung (12) ist eine Modellgleichung des dynamischen Verhaltens der Ansaugluft, worin deren Eingabe der Solldrosselöffnungswinkel THcmd ist und deren Ausgabe die Ansaugluftmenge Gcyl ist.
Die Modellparameter Aair1, Aair2 und Bair1 enthalten Fcyl und Fth, die mit der Drehzahl NE, dem Ansaugkrümmerdruck Pb und dem Druck Pc stromauf des Drosselventils variieren. Die Modellparameter entsprechend der Drehzahl NE und dem Öffnungswinkel TH können in dem Speicher 1c als Kennfeld vorgespeichert sein. Alternativ kann der Regler einen Identifizierer zum Identifizieren dieser Modellparameter aufweisen.
1.2 Problem bei der Anwendung einer generalisierten prädiktiven Regelung (GPC)
Erfindungsgemäß wird die Regelung für die Ansaugluftmenge durch einen vorausblickenden Regelalgorithmus implementiert. Als der vorausblickenden Regelung ähnliches Schema ist eine generalisierte prädiktive Regelung (nachfolgend als GPC bezeichnet) bekannt (in einigen Fällen ist die GPC in der Kategorie der vorausblickenden Regelung enthalten). Jedoch ist es unmöglich, einen plausiblen Ansaugluftmengenregler 23 aufzubauen, indem man nur diese herkömmliche GPC verwendet. Der Grund hierfür ist folgender.
Das in Gleichung (12) gezeigte Modell für das dynamische Verhalten der Ansaugluft kann auch durch die Gleichung (13) ausgedrückt werden. Hier sei angenommen, dass ein Wert der Totzeit dth ”2” ist.
Wenn die Gleichung (13) durch eine Zustandsraumgleichung ausgedrückt wird, erhält man Gleichung (14).
Ein Differenzoperator Δ, der als Δ = 1 – Z^–1 definiert ist, wird eingeführt, um ein vergrößerndes System zu definieren, wie es in der Gleichung (15) gezeigt ist. In dem vergrößernden System wird eine zusätzliche Reihe eingeführt, um einen integralen Term zum Unterdrücken eines Dauerzustandsfehlers abzuleiten.
Die GPC ist eine Technik, um die Regelgröße Gcyl auf den Sollwert Gcyl_cmd in einer Zeitperiode M von einer Zeit (k) bis zu einer Zeit (k + M) zu konvergieren. Gemäß Gleichung (16) wird eine Kostenfunktion JG definiert, wobei H ein Wichtungsparameter (> 0) ist.
Eine Regeleingabe ΔThcmd, die die Kostenfunktion JG minimiert, kann mittels des Optimalitätsprinzips bestimmt werden. Die Regeleingabe ΔThcmd wird gemäß Gleichung (17) ausgedrückt, indem die Lösung P der Riccati-Gleichung (18) verwendet wird. ΔTHcmd(k) = –D(M)·G^T·P(M – 1)ΦX'(k) + D(M)G^T[C^T, ξ^T(M – 2)C^T, ξ^T(M – 2)ξ^T(M – 3)C^T, ... ..., ξ^T(M – 2)ξ^T(M – 3)...ξ^T(0)C^T]Gcyl_cmd(k) wobei Gcyl_cmd(k) = [Gcyl_cmd(c + 1), Gcyl_cmd(k+ 2), Gcyl_cmd(k + 3), ..., Gcyl_cmd(k + M)] (17) P(M – j) = Φ^TP(M –(j + 1))Φ – Φ^TP(M – (j + 1))GD(M)G^TP(M – (j + 1))Φ + C^TC (18) where D(M – j) = [H + G^TP(M – (j + 1))G}^–1 ξ(M – (j + 1)) = Φ – GD(M – 1)G^TP(M – (j + 1))Φ j = M – 1, M – 2, ..., 1
Indem man die Anfangsbedingungen so definiert, wie in Gleichung (19) gezeigt, werden P und D rekursiv erhalten. P(0) = C^TC D(1) = [H + G^TP(0)G]^–1 (19)
Im Falle von M = 1 (wenn ein ein Schritt vorausgehender Sollwert zur Verfügung steht) wird Gleichung (16) gemäß Gleichung (20) ausgedrückt und Gleichung (17) gemäß Gleichung (21) ausgedrückt. J_G = {Gcyl_cmd(k + 1) – Gcyl(k + 1)}² + HΔTHcmd(k)² (20) ΔTHcmd(k) = –D(1)G^TP(0)ΦX'(k) + D(1)G^TC^TGcyl_cmd(k +1) = –[H + G^TP(0)G]^–1G^TP(0)ΦX'(k) + [H + G^TP(0)G]^–1G^TC^TGcyl_cmd(k + 1) (21)
Die Rückkopplungskoeffizienten für X'(k) und Gcyl_cmd(k + 1) in der Gleichung (21) werden berechnet.
Wenn somit Elemente in der ersten Reihe der G- und G'-Vektoren aufgrund der Totzeit null sind, ergibt die Durchführung dieser herkömmlichen GPC keinen vernünftigen Ansaugluftmengenregler 23.
1.3 Struktur des Ansaugluftmengenreglers
3 zeigt eine Struktur des Ansaugluftmengenreglers 23 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Erfindungsgemäß wird ein vernünftiger Ansaugluftmengenregler unter Verwendung einer vorausblickenden Steuerung durch Aufbau des in 3 gezeigten Ansaugluftmengenreglers 23 implementiert.
Der Ansaugluftmengenregler 23 umfasst einen adaptiven Störungsbeobachter 31, einen Vorhersager 32 und eine Steuereinheit 33. Der adaptive Störungsbeobachter 31 identifiziert einen Schätzwert γ1 für die Störgröße, die auf den Ansaugkrümmer einwirkt. Der Vorhersager 32 berechnet einen vorhergesagten Wert Pre_Gcyl für die Ausgabe des Ansaugkrümmers 3, der eine Anlage ist, unter Verwendung der geschätzten Störgröße γ1. Durch einen vorausblickenden Steueralgorithmus unter Verwendung des vorhergesagten Werts Pre_Gcyl berechnet die Steuereinheit 33 einen Solldrosselöffnungswinkel THcmd, der eine Regeleingabe (Stellgröße) in die Anlage ist. Die Regeleingabe THcmd berechnet einen Wert, der durch Multiplizieren der geschätzten Störung γ1 mit einem vorbestimmten Faktor erhalten wird. Die Ausgabe (Regelgröße) Gcyl der Anlage kann auf einen Sollwert konvergieren, indem der vorhergesagte Wert Pre_Gcyl auf einen Sollwert konvergieren gelassen wird.
Das obige Problem, dass die Elemente der ersten Reihe der G- und G'-Vektoren null werden, wird durch das Einführen des Zustandsvorhersagers 32 verhindert. Der Vorhersager 32 wird nachfolgend beschrieben.
Da ein Wert, der zum Kompensieren der durch das elektronisch gesteuerte Drosselventil verursachten Totzeit dth erforderlich ist, Gcyl(k + dth – 1) ist, wird die Modellgleichung (13) für das dynamische Verhalten der Ansaugluft um (dth – 1) Schritte in die Zukunft verschoben. Gcyl(k + dth – 1) = Aair1·Gcyl(k + dth – 2) + Aair2·Gcyl(k + dth – 3) + Bair1·THcmd(k – 1) (23)
Die Gleichung (23) enthält künftige Werte Gcyl(k + dth – 2) und Gcyl(k + dth – 3), die nicht beobachtet werden können. Daher werden diese künftigen Werte gelöscht. Dieses Löschen kann durch rekursive Berechnung erreicht werden wie folgt. Die Gleichung (24) repräsentiert eine Vorhersagegleichung für die Ansaugluftmenge Gcyl.
Obwohl die GPC eine Regeltheorie unter Verwendung des Optimalitätsprinzipis ist, hat die GPC keine ausreichende Robustheit gegenüber Modellbildungsfehlern und Vorhersagefehlern, weil die GPC nicht ausgestaltet ist, um diese Fehler zu berücksichtigen. Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die geschätzte Störgröße γ1 in der Vorhersagegleichung (24) enthalten, um Modellbildungsfehler und Vorhersagefehler zu kompensieren. Der Vorhersager 32 berechnet die Gleichung (25) zur Bestimmung des vorhergesagten Werts Pre_Gcyl. Pre_Gcyl(k) = αair1·Gcyl(k) + αair2·Gcyl(k – 1) + βair1·THcmd(k – 1) + βair2·THcmd(k – 2) +, ..., + βairdth – 1·THcmd(k – dth + 1) + γ1(k) ≅ Gcyl(k + dth – 1) (25)
Die Berechnung des vorhergesagten Werts durch den Vorhersager 32 erlaubt, dass die Totzeit kompensiert wird, um hierdurch eine schnelle Reaktion der Ansaugluftmengenregelung zu verbessern. Da die geschätzte Störgröße γ1 in dem vorhergesagten Wert enthalten ist, kann der Dauerzustandsfehler zwischen der Ausgabe Gcyl des Ansaugkrümmers (der ein zu regelndes Objekt ist) und dem vorhergesagten Wert Pre_Gcyl eliminiert werden.
Die geschätzte Störgröße γ1 wird durch den adaptiven Störungsbeobachter 31 identifiziert. Der adaptive Störungsbeobachter 31 berechnet die Gleichung (26) zur Bestimmung der geschätzten Störgröße γ1.
Wie aus der Gleichung (26) ersichtlich, berechnet der adaptive Störungsbeobachter 31 einen vorhergesagten Wert Gcyl-hat(k) für einen gegenwärtigen Zyklus in ähnlicher Weise wie die Vorhersagegleichung (25). Der adaptive Störungsbeobachter 31 berechnet einen Fehler e_dov zwischen dem vorhergesagten Wert Gcyl_hat(k) und dem momentan erfassten Wert Gcyl(k). Ein rekursiver Identifikationsalgorithmus wird benutzt, um die geschätzte Störgröße γ1 zu berechnen, sodass der Fehler e_dov auf null hin konvergiert. Durch Verwendung des rekursiven Identifikationsalgorithmus kann die geschätzte Störgröße schnell und dauerhaft identifiziert werden. Auch wenn in der Ausgabe des Ansaugkrümmers 3 als geregeltes Objekt Rauschen enthalten ist, können durch dieses Rauschen verursachte Veränderungen in der geschätzten Störgröße durch den Effekt des statistischen Prozesses durch den rekursiven Identifikationsalgorithmus unterdrückt werden.
λ1 und λ2 sind Wichtungsparameter. Der rekursive Identifikationsalgorithmus ist im Falle von λ1 = 1 und λ2 = 1 die Methode des kleinsten Quadrats, ist im Falle von λ1 < 1 und λ2 = 1 die Methode des gewichteten kleinsten Quadrats, ist im Falle von λ1 = 1 und λ2 = 0 die Methode mit festem Verstärkungsfaktor, und ist im Falle von λ = 1 und λ2 < 1 die Methode mit allmählich abnehmendem Verstärkungsfaktor.
Als Nächstes wird die Steuereinheit 33 beschrieben. Die Gleichung (27) erhält man, indem man die Vorhersagegleichung (25) um einen Schritt in die Zukunft verschiebt und sie dann so umwandelt, dass sie künftige Werte enthält. Diese Umwandlung zur Aufnahme der künftigen Werte kann man erreichen, indem man den Umwandlungsprozess von der Gleichung (23) zur Gleichung (24) umkehrt.
Ein Differenzoperator Δ, der definiert ist als Δ = 1 – Z^–1, wird eingeführt, um ein vergrößerndes System zu definieren, wie in Gleichung (28) gezeigt. Egc ist ein Fehler zwischen der Istansaugluftmenge Gcyl und einem Sollwert Gcyl_cmd für die Ansaugluftmenge. In dem vergrößernden System ist eine zusätzliche Reihe spezifiziert, um ein Integralterm abzuleiten, der einen Dauerzustandsfehler unterdrückt. Es sei angenommen, dass eine Veränderung in der Störgröße konstant ist (d. h. Δγ1(k) = Δγ1(k + 1))
Es wird eine Kostenfunktion J_SG definiert. Man nehme an, dass die Anzahl der gewünschten vorausblickenden Stufen durch Nr angegeben wird, und die Anzahl der Störvorausblickstufen mit Nd angegeben wird, und eine Kostenfunktion J_SG unter Verwendung von N = Max(Nr, Nd) definiert ist. Die Anzahl der gewünschten vorausblickenden Stufen Nr ist äquivalent der oben beschriebenen Zeitperiode M, und spezifiziert eine Zeitperiode während der künftige Werte für den Sollwert Gcyl_cmd zu verwenden sind. Die Anzahl der Störvorausblickstufen Nd spezifiziert eine Zeitperiode, während der künftige Werte der geschätzten Störgröße γ1, die durch den adaptiven Störungsbeobachter 31 berechnet wird, zu verwenden sind. In der vorliegenden Ausführung ist Nd gleich null und Nr ist eins. Dementsprechend ist N = 1. Die Kostenfunktion J_SG wird durch die Gleichung (29) ausgedrückt.
wobei Q ein Wichtungsparameter der Zustandsgröße X ist
R ist ein Eingabe-Wichtungsparameter
Eine Regeleingabe ΔTHcmd, die die Kostenfunktion J_SC minimiert, erhält man unter Verwendung des Optimalitätsprinzipis. Wenn die Lösung Π der in Gleichung (31) gezeigten Riccati-Gleichung verwendet wird, wird die Regeleingabe ΔTHcmd so ausgedrückt, wie in der Gleichung (30) gezeigt.
Die Gleichung (30) wird auf der Basis der Anfangsbedingungen der Gleichung (32) aufgelöst. Die Gleichung (33) wird im Falle von N = 1 abgeleitet (d. h. Nr = 1 und Nd = 0). Π(0) = Q Λ(1) = {R + Γ^TΠ(0)Γ]^–1 (32) ΔTHcmd(k) = Fx·X(k) + Fr(1)ΔGcyl_cmd(k + dth) + Fd(0)Δγ1(k) (33) wobei : Fx = –Λ(1)Γ^TΠ(0)Ψ Fr(1) = –Λ(1)Γ^TΠ[(0)Θ Fd(0) = –A(1)Γ^TΠ(0)Ω
Rückkopplungskoeffizienten Fx, Fd und ein vorwärtskoppelnder Koeffizient Fr in der Gleichung (33) werden wie folgt berechnet.
Die Regeleingabe ΔTHcmd im Falle von N = 1 wird auf der Basis der Gleichungen (33) und (34) berechnet.
Die Gleichung (35) ist eine Gleichung zur Berechnung der Differenz ΔTHcmd. Die Regeleingabe THcmd wird durch Integration der Gleichung (35) berechnet.
Unter der Annahme, dass die Anfangswerte von Gcyl(0 + dth – 1) bis Gcyl(0), Gcyl_cmd(0 + dth) bis Gcyl_cmd(0), γ1(0) und THcmd(0) null sind, wird die Gleichung (36) so ausgedrückt, wie mit der Gleichung (37) gezeigt.
Die Gleichung (37) enthält künftige Werte Gcyl(k + dth – 1) und Gcyl(k + dth – 2), die zum gegenwärtigen Zeitpunkt ”k” nicht beobachtet werden können. Anstelle dieser Werte werden vorhergesagte Werte Pre_Gcyl(k) und Pre_Gcyl(k – 1) verwendet, die durch den Vorhersager 32 berechnet werden. Die Gleichung (38) wird von der Steuereinheit (33) ausgeführt. Somit wird die Regeleingabe THcmd(k) von der Steuereinheit 33 erzeugt.
Da ein Rückkopplungsterm des geschätzten Störungswerts γ1 in der Regeleingabe THcmd enthalten ist, kann ein Fehler zwischen der Ansaugluftmenge Gcyl und dem Sollwert Gcyl_cmd, der durch das Einwirken einer Störung hervorgerufen werden kann, schnell konvergiert werden. Da der vorwärtskoppelnde Term Gcyl_cmd(k + dth) für den Sollwert in der Regeleingabe THcmd enthalten ist, wird die Fähigkeit verbessert, dass die Ansaugluftmenge Gcyl dem Sollwert Gcyl-cmd folgt.
1.4 Ergebnis der Simulation der Ansaugluftmengenregelung
4 zeigt ein Modell für ein virtuelles geregeltes Objekt, das in der Simulation der Ansaugluftmengenregelung gemäß einer Ausführung der Erfindung verwendet wird. Das virtuelle geregelte Objekt hat eine derartige Struktur, dass sie auf der Modellgleichung (13) beruht. Eine Regeleingabe ist ein Solldrosselöffnungswinkel THcmd(k – dth), der um eine Zeit ”dth” verzögert ist. Eine Regeleingabe (Stellgröße) ist eine Ansaugluftmenge Gcyl(k). Die Ansaugluftmenge eines Zyklus zuvor Gcyl(k – 1) und die Ansaugluftmenge zwei Zyklen zuvor Gcyl(k – 2) werden rückgekoppelt.
Die Simulation ist strukturiert, um drei Störungen zu dem virtuellen geregelten Objekt zu addieren. Eine Eingabestörung d1, eine Zustandsgrößenstörung d2 und eine Ausgabestörung d3 sind in 4 gezeigt. Die Eingabestörung d1 enthält z. B. eine Veränderung im Verhalten des Drosselventils. Die Zustandsgrößenstörung d2 enthält z. B. einen Modellbildungsfehler. Die Ausgangsstörung d3 enthlt z. B. Rauschen von Sensoren.

Tabelle 1 zeigt die Bedingungen, die in der Simulation von Fall G-1 bis Fall G-5 angewendet werden. Tabelle 1

Fall Nr.	Störung d1, d2, d3	Verwendung des rückkoppelnden Terms für die geschätzte Störgröße γ1 in der Steuereinheit 33	Verwendung der geschätzten Störgröße γ1 in dem Zustandsvorhersager 32	Verwendung des vorwärtskoppelnden Terms für den Sollwert in der Steuereinheit 33
G-1		O	O	O
G-2	O			O
G-3	O		O	O
G-4	O	O	O	O
G-5	O	O	O

Im Falle von G-1 wird keine Störung addiert. In dem Zustandsvorhersager 32 und der Steuereinheit 33 werden der vorhergesagte Wert Pre-Gcyl und der Solldrosselöffnungswinkel THcmd unter Verwendung der geschätzten Störunggröße γ1 berechnet. 5 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-1. Da keine Störung existiert, ist kein Fehler zwischen dem vorhergesagten Wert Pre-Gcyl und der tatsächlichen Ansaugluftmenge Gcyl vorhanden. Die Steuereinheit 33 kann bewirken, dass die Ansaugluftmenge Gcyl dem Sollwert Gcyl_cmd folgt, ohne irgend welches Überschießen hervorzurufen.
Im Falle von G-2 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die geschätzte Störgröße γ1 wird weder in dem Zustandsvorhersager 32 noch der Steuereinheit 33 angewendet. 6 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-2. Es wird ein Dauerzustandsfehler zwischen dem vorhergesagten Wert Pre-Gcyl und der Istansaugluftmenge Gcyl aufgrund der Störung erzeugt. Da die Steuereingabe THcmd auf der Basis des vorhergesagten Werts Pre-Gcyl berechnet wird, kann die Steuereinheit 33 nicht bewirken, dass die Ansaugluftmenge Gcyl auf den Sollwert Gcyl_cmd konvergiert.
Im Falle von G-3 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die geschätzte Störgröße γ1 wird in dem Vorhersager 32 angewendet. Jedoch wird die geschätzte Störgröße γ1 nicht in der Steuereinheit 33 angewendet. 7 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-3. Ein Dauerzustandsfehler zwischen Pre-Gcyl und Gcyl, der durch die Störungen hervorgerufen wird, wird durch den Vorhersager 32 beseitigt. Dementsprechend kann die Steuereinheit 33 bewirken, dass die Ansaugluftmenge Gcyl auf den Sollwert Gcyl_cmd konvergiert. Jedoch ist die Konvergenzgeschwindigkeit relativ langsam, da ein Rückkopplungsterm auf der Basis der geschätzten Störgröße γ1 in der Regeleingabe THcmd nicht enthalten ist.
Im Falle von G-4 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die geschätzte Störgröße γ1 wird sowohl in dem Vorhersager 32 als auch der Steuereinheit 33 angewendet. Der Fall G-4 entspricht einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die oben in Bezug auf 3 beschrieben wurde. 8 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-4. Wie aus dem Vergleich mit 7 ersichtlich, senkt der Fall G-4 signifikant die Zeit, die erforderlich ist, um den Fehler zwischen der Ansaugluftmenge Gcyl und dem Sollwert Gcyl_cmd zu konvergieren.
Im Falle von G-5 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die geschätzte Störgröße γ1 wird sowohl auf den Vorhersager 32 als auch die Steuereinheit 33 angewendet. Jedoch ist der vorwärtskoppelnde Term Gcyl_cmd(k + dth) des Sollwerts in der Regeleingabe THcmd nicht enthalten. 9 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-5. Wie aus dem Vergleich mit 8 ersichtlich, verlangsamt sich eine Geschwindigkeit, mit der die Ansaugluftmenge Gcyl dem Sollwert Gcyl_cmd folgt. Es ist nämlich nur ein Integralterm (d. h. Pre_Egc-Term) vorhanden, den die Regeleingabe THcmd für den Fehler zwischen Gcyl und Gcyl_cmd enthält. Daher kann die Fähigkeit, dass die Ansaugluftmenge Gcyl dem Sollwert Gcyl_cmd folgt, verbessert werden, indem ein vorwärtskoppelnder Term für den Sollwert in der Regeleingabe eingebaut wird.
Hier wird ein Fall untersucht, in dem das Regelmodell keine Totzeit hat. In diesem Fall kann der Vorhersager 32 weggelassen werden. Das Modell für das dynamische Verhalten der Ansaugluft zum Regeln der Ansaugluftmenge Gcyl kann so ausgedrückt, wie mit der Gleichung (39) gezeigt. Gcyl(k + 1) = Aair1·Gcyl(k) + Aair2·Gcyl(k – 1) + Bair1·THcmd(k) (39)
Da keine Totzeit existiert, wird die von dem adaptiven Störungsbeobachter 31 durchgeführte Gleichung (26) durch die Gleichung (40) ausgedrückt.
Da keine Totzeit existiert, wird die von der Steuereinheit 33 durchgeführte Gleichung (38) durch die Gleichung (41) ausgedrückt.

Für einen Fall, der keine Totzeit enthält, ist eine in Tabelle 2 gezeigte Simulation durchgeführt worden. Tabelle 2

Fall Nr.	Störung d1 d2, d3	Verwendung des rückkoppelnden Terms für die geschätzte Störgröße γ1 in der Steuereinheit 33	Verwendung des vorwärtskoppelnden Terms für den Sollwert in der Steuereinheit 33
G-6	O	O	O
G-7	O		O

Im Falle von G-6 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die Steuereinheit 33 berechnet den Solldrosselöffnungswinkel THcmd unter Verwendung der geschätzten Störgröße γ1. Die Regeleingabe THcmd enthält den vorwärtskoppelnden Term Gcyl_cmd(k + dth) des Sollwerts. 10 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-6.
Im Falle von G-7 werden die Störungen d1 bis d3 addiert, und die Steuereinheit 33 berechnet den Solldrosselöffnungswinkel THcmd, ohne die geschätzte Störgröße γ1 anzuwenden. Die Regeleingabe THcmd enthält den vorwärtskoppelnden Term Gcyl_cmd(k + dth) des Sollwerts. 11 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls G-7.
12 zeigt den Vergleich zwischen dem in 10 (Fall G-6) gezeigten Verhalten von Gcyl und dem in 11 (Fall G-7) gezeigten Verhalten von Gcyl. Zu sehen ist, dass, vom Blickpunkt der Konvergenzcharakteristiken, das Erstere besser ist als das Letztere. Somit können die Konvergenzcharakteristiken der Regelgröße Gcyl relativ zu dem Sollwert Gcyl_cmd verbessert werden, indem man die Regeleingabe Thcmd durch die Verwendung der geschätzten Störgröße γ1 in der Steuereinheit 33 berechnet.
In den oben beschriebenen Ausführungen wird der adaptive Störungsbeobachter unter Verwendung des rekursiven Identifikationsalgorithmus angewendet, um die Störung zu schätzen. Alternativ kann auch ein anderes geeignetes Schätzglied verwendet werden, das die Störgröße in Bezug auf ein vorbestimmtes Kennfeld oder dgl. schätzen kann. Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungen das Drosselventil als Ventil zum Regeln der Ansaugluftmenge verwendet. Alternativ kann auch ein anderes Ventil verwendet werden, das in der Lage ist, die Ansaugluftmenge zu regeln, z. B. ein Bypass-Ventil.
2. Drehzahlregelung
2.1 Modellbildung des Motors
Es wird ein Modellschema des Motors 2 beschrieben. Der Motor 2 wird durch ein Modell repräsentiert, worin dessen Eingabe die Ansaugluftmenge Gcyl ist und dessen Ausgabe die Drehzahl NE ist.
Die Bewegungsgleichung eines Trägheitssystems des Motors wird durch Gleichung (42) ausgedrückt. Hier bezeichnet leng ein Trägheitsmoment (kgm²) des Motors, Kne bezeichnet einen Reibungskoeffizienten des Motors, und NE bezeichnet eine Motordrehzahl (rad/sek). Teng bezeichnet ein Drehmoment (Nm) des Motors, Tload bezeichnet ein Ausrüstungsantriebsdrehmoment (Nm) zum Antrieb elektrischer Komponenten, wie etwa Klimaanlage, Stromgenerator und dgl., die an dem Fahrzeug angebracht sind. Tdrv bezeichnet ein Fahrzeugantriebsdrehmoment (Nm) zum Antrieb des Fahrzeugs, das auf ein Antriebssystem des Fahrzeugs verteilt wird. ”t” bezeichnet die Zeit. Teng(t) = Ktrq·Gcyl(t) (43)
Das Motordrehmoment Teng wird so ausgedrückt, wie mit der Gleichung (43) gezeigt. Ktrq bezeichnet einen Drehmomentkoeffizienten, der entsprechend der Motordrehzahl NE, eines Zündzeitpunkts IG des Motors und eines Äquivalenzverhältnisses λ (Kehrwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) bestimmt wird. Gcyl bezeichnet die Luftmenge (g), die in den Motor angesaugt wird.
Die Gleichung (44) erhält man, indem man die Gleichung (43) in die Gleichung (42) einsetzt. Die Gleichung (44) repräsentiert ein Verzögerungssystem erster Ordnung für die Drehzahl NE, worin dessen Eingabe die Ansaugluftmenge Gcyl ist. ”–(Tload + Tdrv)/leng” wird als Störungsterm addiert. N .E(t) = – Kne / Ieng·NE(t) + Ktrq / Ienq·Gcyl(t) + –1 / Ieng(Tload(t) + Tdrv(t)) (44)
Die Gleichung (44) wird ein zeitdiskretes System umgewandelt, um die Gleichung (45) zu erhalten. ”T” bezeichnet die Länge des Abtastzyklus. Jeder Zyklus wird mit ”k” identifiziert. Die Gleichung (45) ist eine Modellgleichung für das Trägheitssystem des Motors. NE(k + 1) = Ane·NB(k) + Bne·Gcyl(k) + Cne·(Tload(k) + Tdrv(k)) (45)
Die Modellparameter Ane, Bne und Cne variieren entsprechend der Drehzahl NE und dem Drosselöffnungswinkel TH. Die Modellparameter, beruhend auf der Drehzahl NE und dem Drosselöffnungswinkel TH, können in dem Speicher 1c als Kennfeld vorgespeichert sein. Alternativ kann ein Identifizierer in der Steuereinheit vorgesehen sein, um diese Modellparameter zu identifizieren.
2.2 Struktur der Drehzahlregeleinheit
13 zeigt ein Blockdiagramm des Drehzahlreglers 21 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Der Drehzahlregler 21 umfasst einen adaptiven Störungsbeobachter 41, einen Zustandsvorhersager 42 und eine Steuereinheit 43. Der adaptive Störungsbeobachter 41 und der Vorhersager 42 haben eine ähnliche Struktur wie jene in 3 für den Ansaugluftmengenregler 21.
Der adaptive Störungsbeobachter 41 identifiziert einen geschätzten Wert δne für die Störung, die auf den Motor 2 einwirkt. Der Zustandsvorhersager 42 berechnet einen vorhergesagten Wert Pre_NE für die Ausgabe (d. h. eine Motordrehzahl) des Motors, der eine Anlage ist, auf der Basis der geschätzten Störung δne. Durch eine Reaktionszuweisungssteuerung unter Verwendung des vorhergesagten Werts Pre_NE berechnet die Steuereinheit 43 eine Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd, die eine Regeleingabe (Stellgröße) in die Anlage ist. Die Regeleingabe Gcyl_cmd enthält einen Wert, der durch Multiplizieren der geschätzten Störung δne mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor erhalten ist. Die Ausgabe (Regelgröße) NE der Anlage kann auf einen Sollwert konvergieren, indem der vorhergesagte Wert Pre_NE auf einen Sollwert konvergiert wird.
Nun wird der Vorhersager 42 beschrieben. Wie oben in Bezug auf 2 beschrieben, ist der Drehzahlregler 21 stromauf des Ansaugluftmengenreglers 23 angeordnet. In dem dynamischen Verhalten der Ansaugluft des Ansaugkrümmers 3 ist eine Totzeit enthalten. Wenn diese Totzeit durch sowohl die Drehzahlregelung als auch die Ansaugluftmengenregelung kompensiert wird, könnte eine gewisse gegenseitige Störung auftreten. Daher wird die in dem Ansaugkrümmer 3 enthaltene Totzeit durch den Ansaugluftmengenregler 23 kompensiert. Der Ansaugkrümmer 3 wird als Totzeitelement von dem Drehzahlregler 21 betrachtet. Im Ergebnis sieht der Drehzahlregler 21 Gcyl_cmd(k – dth) = Gcyl(k). In anderen Worten, die Drehzahlsteuereinheit 21 sieht, dass die Ansaugluftmenge Gcyl in den Motor eingeführt wird, wenn eine Totzeit dth nach der Berechnung Gcyl_cmd abgelaufen ist. Dementsprechend kann die Modellgleichung (45) des Motorträgheitssystems so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (46) gezeigt. Hier bezeichnet eine Störung Td eine Summe von Tload und Tdrv. NB(k + 1) = Ane·Ne(k) + Bne·Gcyl_cmd(k – dth) + Cne·Td(k) (46)
Um die Totzeit dth zu kompensieren, muss eine Regelausgabe NE(k + dth) vorhergesagt werden. Die Gleichung (46) wird um (dth – 1) Schritte in die Zukunft verschoben. NB(k + dth) = Ane·Ne(k + dth – 1) + Bne·Gcyl_cmd(k – 1) + Cne·Td(k + dth – 1) (47)
Da die Gleichung (47) künftige Werte NE(k + dth – 1) und Td(k + dth – 1) enthält, die nicht beobachtet werden können, werden diese künftigen Werte gelöscht. Dieses Löschen kann so ähnlich ausgeführt werden wie das Löschen der künftigen Werte aus der oben beschriebenen Gleichung (23).
Es ist schwierig, Td(k + dth – 1) durch Td(k) in Gleichung (48) vorherzusagen, da sie sich mit der Bedienung durch den Fahrer und/oder durch die Fahrbedingungen verändern. Daher wird angenommen, dass die Störung Td konstant ist, wie mit der Gleichung (49) gezeigt. Gemäß dieser Annahme wird die Gleichung (48) durch die Gleichung (50) ausgedrückt. Td(k + dth – 1) = Td(k + dth – 2) = ··· = Td(k + 1) = Td(k) (49) NE(k + dth) = Ane^dth·NE(k) + Bne·Gcyl_cmd(k – 1) + Ane·Bne·Gcyl_cmd(k – 2) + ··· + Ane^dth-1·Bne·Gcyl_cmd(k – dth) + (1 + Ane + ··· + Ane^dth-1)Cne·Td(k) (50)
Eine geschätzte Störgröße δne wird in die Gleichung (50) eingeführt. Die geschätzte Störgröße δne enthält nicht nur einen Schätzfehler der Störung Td, sondern auch andere auf die Anlage einwirkende Störungen. Die Gleichung (51) wird durch den Vorhersager 42 ausgeführt, um einen vorhergesagten Wert Pre_NE der Drehzahl zu berechnen. NE(k + dth) = αne1·NE(k) + βne1·Gcyl_cmd(k – 1) + βne2·Gcyl_cmd(k – 2) + ··· ··· + βnedth·Gcyl_cmd(k – dth) + γne·(Td(k) + δne(k)) = Pre_NB(k) (51) wobei αne1 = Ane^dth βnej = Ane^j-1Bne j = 1, 2, ..., dth γne = (1 + Ane + ··· + Ane^dth-1)Cne
Durch Bestimmung des vorhergesagten Werts durch den Vorhersager 42 wird die Totzeit kompensiert, und daher kann eine schnelle Reaktion der Drehzahlregelung verbessert werden. Da der vorhergesagte Wert Pre_NE auf der Basis der geschätzten Störgröße δne berechnet wird, wird ein Dauerzustandsfehler zwischen der Ausgabe NE des Motors (der ein geregeltes Objekt ist) und des vorhergesagten Werts Pre_NE eliminiert.
Die geschätzte Störgröße δne wird durch den adaptiven Störungsbeobachter 41 identifizeirt. Der adaptive Störungsbeobachter 41 führt die Gleichung (52) aus, um die geschätzte Störgröße δne zu bestimmen.
Wie aus der Gleichung (52) ersichtlich, berechnet der adaptive Störungsbeobachter 41 einen vorhergesagten Wert NE_hat(k) für den gegenwärtigen Zyklus (dieser wird berechnet, indem die Gleichung (51) um ”dth” Schritte in die Vergangenheit verschoben wird). Hier sei angenommen, dass die geschätzte Störgröße δne konstant ist; d. h. δne(k – dth) = δne(k – 1). Der adaptive Störungsbeobachter 41 berechnet ferner einen Fehler e_dne zwischen dem vorhergesagten Wert NE_hat(k) und dem momentan erfassten Wert NE(k). Danach wird ein rekursiver Identifikationsalgorithmus angewendet, um die geschätzte Störgröße δne zu berechnen, sodass der Fehler e_dne auf null konvergiert.
Durch Verwendung des rekursiven Identifikationsalgorithmus kann die geschätzte Störgröße δne schnell und stabil geschätzt werden. Wie oben beschrieben, sind λ1 und λ2 Wichtungsparameter, die gemäß dem Typ des rekursiven Identifikationsalgorithmus bestimmt werden.
Als Nächstes wird die Steuereinheit 43 beschrieben. Die Gleichung (53) erhält man, indem man den Vorhersageausdruck (51) um einen Schritt in die Zukunft verschiebt und ihn dann so umwandelt, dass er künftige Werte enthält. Diese Umwandlung zur Aufnahme der künftigen Werte kann erreicht werden, indem der Umwandlungsprozess von der Gleichung (47) zur Gleichung (48) umgekehrt wird. Hier sei angenommen, dass Veränderungen in den künftigen Werten der Störgröße Td und der geschätzten Störgröße δne konstant sind, d. h. Td(k + dth) = Td(k) und δne(k + dth) = δne(k).
Eine Schaltfunktion σne ist so definiert, dass sie eine Reaktionszuweisungssteuerung ausführt. Die Schaltfunktion σne erlaubt, dass das Konvergenzverhalten der Istdrehzahl NE auf einen Sollert NE_cmd für die Drehzahl spezifiziert wird. E_ne bezeichnet einen Fehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem Sollwert NE_cmd. σne(k) = E_ne(k) + S_ne·E_ne(k – 1) (54) wobei E_ne(k) = NE(k) – NE_cmd(k)
Eine Regeleingabe wird so bestimmt, dass die Schaltfunktion σne null wird.
Die Gleichung (55) repräsentiert ein Verzögerungssystem erster Ordnung ohne Eingabe. In anderen Worten, die Steuereinheit 43 begrenzt die Regelgröße E_ne auf ein Verzögerungssystem erster Ordnung, wie in Gleichung (55) gezeigt.
14 zeigt eine Phasenebene, worin E_ne(k) die vertikale Achse ist und E_ne(k – 1) die horizontale Achse ist. Eine durch die Gleichung (55) ausgedrückte Schaltlinie 61 ist in der Phasenebene gezeigt. Wenn man annimmt, dass ein Punkt 62 ein Anfangswert einer Zustandsgröße (E_ne(k – 1), E_ne(k)) ist, setzt die Steuereinheit 43 die Zustandsgröße auf die Schaltlinie 61 und begrenzt sie dann auf die Schaltlinie 61. Da die Zustandsgröße auf das Verzögerungssystem erster Ordnung ohne Eingabe beschränkt ist, kann die Zustandsgröße automatisch auf den Ursprung (d. h. E_ne(k), E_ne(k – 1) = 0) der Phasenebene mit der Zeit konvergieren. Indem die Zustandsgröße auf die Schaltlinie 61 beschränkt wird, kann die Zustandsgröße auf den Ursprung konvergieren, ohne dass sie durch Störungen beeinflusst wird.
Ein Stellparameter S_ne der Gleichung (55) ist so eingerichtet, dass er –1 < S_ne < 1 genügt. Bevorzugt genügt der Setzparameter –1 < SW_ne < 0. Der Grund hierfür ist, dass das Verzögerungssystem erster Ordnung der Gleichung (55) ein schwingungsstabiles System werden kann, wenn S_ne einen positiven Wert hat.
Der Stellparameter S_ne ist ein Parameter zum Spezifizieren einer Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers E_ne. In Bezug auf 15 zeigen die Graphen 63, 64 und 65 eine Konvergenzgeschwindigkeit in den Fällen von S_ne = –1, –0,8 bzw. –0,5. Wenn der Absolutwert des Stellparameters S_ne kleiner wird, wird die Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers E-ne schneller.
Die Steuereinheit 43 berechnet eine Regeleingabe Upas gemäß Gleichung (56). Eine äquivalente Regeleingabe Ueq ist eine Eingabe zum Begrenzen der Zustandsgröße auf die Schaltlinie. Eine Reaching- bzw. Annäherungsvorschrift-Eingabe Urch ist eine Eingabe zum Setzen der Zustandsgröße auf die Schaltlinie. Gcyl_cmd(k) = Upas(k) = Ueq(k) + Utch(k) (56)
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bestimmen der äquivalenten Regeleingabe Ueq beschrieben. Die äquivalente Regeleingabe Ueq hat die Funktion, die Zustandsgröße auf einer gegebenen Position in der Phasenebene zu halten. Daher muss die Gleichung (57) erfüllt sein. σne(k + dth + 1) = σne(k + dth) (57)
Auf der Basis der Gleichung (54) wird die Gleichung (57) durch die Gleichung (58) ausgedrückt.
Die Gleichung (59) kann erhalten werden, indem man die Gleichung (53) in die Gleichung (58) einsetzt. Ane·NE(k + dth) + Bne·Gcyl_cmd(k) + Cne·Td(k) + Cne·δne(k) – NB_cmd(k + dth + 1) + S_ne·NE(k + dth) – S_ne·NE_cmd(k + dth) = NB(k + dth) – NE_cmd(k + dth) + S_ne·NB(k + dth – 1) – S_ne·NE_cmd(k + dth – 1) (59)
Die Regeleingabe Ueq(k) wird durch die Gleichung (60) berechnet. Ueq(k) = 1/Bne{(1 – Ane – S_ne)NE(k + dth) + S_ne·NE(k + dth – 1) + NB_cmd(k + dth + 1) + (S_ne – 1)·NE_cmd(k + dth) – S_ne·NE_cmd(k + dth – 1) – Cne·Td(k) – Cne·δne(k)} (60)
Die Gleichung (60) enthält künftige Werte NE(k + dth) und NE(k + dth – 1), die zum gegenwärtigen Zeitpunkt ”k” nicht beobachtet werden können. Anstatt dieser Werte werden vorhergesagte Werte Pre_NE(k) und Pre_NE(k – 1), die durch den Zustandsvorhersager 42 berechnet sind, angewendet. Die Steuereinheit 43 führt die Gleichung (61) aus, um die äquivalente Regeleingabe Ueq(k) zu bestimmen. Ueq(k) = 1/Bne{(1 – Ane – S_ne)Pre_NE(k) + S_ne·Pre_NE(k – 1) + NE_cmd(k + dth + 1) + (S_ne – 1)·NE_cmd(k + dth) – S_ne·NE_cmd(k + dth –1) – Cne·Td(k) – Cne·δne(k)} (61)
Somit enthält die äquivalente Regeleingabe Ueq einen Störungsrückkopplungsterm δne und einen Störungsvorwärtskopplungsterm Td. Dementsprechend kann der Fehler zwischen der Drehzahl NE und dem Sollwert NE_cmd, der durch das Einwirken von Störungen auf den Motor 2 oder das geregelte Objekt hervorgerufen werden kann, schnell konvergiert werden.
Die Steuereinheit 43 führt ferner die Gleichung (62) aus, um die Annäherungsvorschrfiteingabe Urch zu bestimmen. F bezeichnet einen Annäherungsvorschrfit-Verstärkungsfaktor. Urch(k) = –F / Bneσne(k + dth) (62) wobei 0 < F < 2
2.3 Ergebnis der Simulation der Drehzahlregelung
16 zeigt ein Modell eines virtuellen geregelten Objekts, das bei einer Simulation der Drehzahlregelung gemäß einer Ausführung der Erfindung angewendet wird. Das virtuelle geregelte Objekt hat eine solche Struktur, die auf der Basis der Modellgleichung (46) des Motors beruht. Eine Regeleingabe (Stellgröße) ist eine Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd, die durch eine Zeit ”dth” verzögert ist. Eine Regelausgabe (Regelgröße) ist eine Drehzahl NE. Ein Antriebsdrehmoment Td wird auf das geregelte Objekt als Störung ausgeübt. Die Drehzahl NE eines Zyklus zuvor wird rückgekoppelt.

Die Simulation ist so strukturiert, dass drei Störungen zu dem virtuellen geregelten Objekt addiert werden. Es sind drei Positionen gezeigt, an denen eine Eingabestörung L1, eine Zustandsgrößenstörung L2 und eine Ausgabestörung L3 einwirken. Die Eingabestörung L1 enthält z. B. einen Schätzfehler für das Antriebsdrehmoment Td. Die Zustandsgrößenstörung L2 enthält z. B. einen Modellbildungsfehler. Die Ausgabestörung L3 enthält z. B. Rauschen von Sensoren. Tabelle 3 zeigt Bedingungen für die Fälle N-1 bis N-5, die bei der Simulation ausgeführt werden. Tabelle 3

Fall Nr.	Störung L1, L2, L3	Verwendung des rückkoppelnden Terms für die geschätzte Störgröße δne	Verwendung des vorwärtskoppelnden Terms für das Antriebsdrehmoment Td	Verwendung der adaptiven Vorschrift-Eingabe Uadp
N-1	O	O	O
N-2	O
N-3	O		O
N-4	O			O
N-5	O	O	O	O

Im Falle von N-1 werden die Störungen L1 bis L3 addiert. Die geschätzte Störgröße δne und das Antriebsdrehmoment Td werden sowohl in dem Zustandsvorhersager 42 als auch der Steuereinheit 43 angewendet. Der Fall N-1 ist ein bevorzugter Fall auf der Basis der Drehzahlregelung in 13 gemäß einer Ausführung der Erfindung. 17 zeigt das Ergebnis des Simulationsfalls N-1. In dem Zustand, in dem Störungen einwirken, kann die Drehzahl NE auf den Sollwert NE_cmd ohne jeden Dauerzustandsfehler konvergieren. Die Fähigkeit, dass die Drehzahl NE dem Sollwert NE_cmd folgt, wenn sich der Sollwert NE_cmd ändert, ist gut.
Im Falle von N-2 werden der geschätzte Ströungswert δne und das Antriebsdrehmoment Td weder in dem Vorhersager 42 noch der Steuereinheit 43 angewendet. 18 zeigt das Ergebnis des Simulationsfalls N-2. Aufgrund der Störungen tritt ein Dauerzustandsfehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem vorhergesagten Wert Pre_NE auf. Da die Steuereinheit 43 die Reaktionszuweisungssteuerung auf der Basis des vorhergesagten Werts Pre_NE durchführt, kann die Steuereinheit 43 die Istdrehzahl NE nicht auf den Sollwert NE_cmd konvergieren lassen.
Im Falle von N-3 verwenden der Vorhersager 42 und die Steuereinheit 43 das Antriebsdrehmoment Td. Die geschätzte Störgröße δne wird weder in dem Vorhersager 42 noch der Steuereinheit 43 angewendet. 13 zeigt das Ergebnis des Simulationsfalls N-3. Zur Zeit t1 wird ein Schätzfehler Td_error für das Antriebsdrehmoment Td als Stufeneingabe angewendet. In Antwort darauf nimmt der geschätzte Störungswert δne zu. Da der vorwärtskoppelnde Term für das Antriebsdrehmoment Td verwendet wird, bleibt der Fehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem vorhergesagten Pre_NE unverändert.
Zur Zeit t2 ändert sich das Antriebsdrehmoment Td. Die anderen Störungen L2 und L3 wirken immer noch auf die Anlage. Der Fehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem vorhergesagten Wert Pre_NE ändert sich dank des vorwärtskoppelnden Terms für das Antriebsdrehmoment Td nicht. Da jedoch die geschätzte Störgröße δne nicht angewendet wird, kann ein Dauerzustandsfehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem vorhergesagten Wert Pre-NE nicht eliminiert werden, und daher kann die Drehzahl NE nicht auf den Sollwert NE_cmd konvergieren.
Im Falle von N-4 werden die geschätzte Störgröße δne und das Antriebsdrehmoment Td weder in dem Vorhersager 42 noch der Steuereinheit 43 angewendet. Eine adaptive Vorschrifteingabe Uadp wird zu der Regeleingabe in der Steuereinheit 43 addiert. Die adaptive Vorschrifteingabe Uadp wird durch Gleichung (63) ausgedrückt: ”G” bezeichnet einen Verstärkungsfaktor der adaptiven Vorschrifteingabe.
20 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls N-4. Der vorhergesagte Wert Pre_NE konvergiert auf den Sollwert NE_cmd durch die Steuereinheit 43. Da jedoch der vorhergesagte Wert Pre_NE auf der Basis der geschätzten Störgröße δne nicht berechnet wird, kann ein Dauerzustandsfehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem vorhergesagten Wert Pre_NE nicht eliminiert werden, und daher kann die Drehzahl NE nicht auf den Sollwert NE_cmd konvergieren.
Im Falle von N-5 werden das Antriebsdrehmoment Td und die geschätzte Störgröße δne in dem Vorhersager 42 angewendet. In der Steuereinheit 43 wird das Antriebsdrehmoment Td verwendet. Die Steuereinheit 43 verwendet die geschätzte Störgröße δne nicht. Stattdessen wird in der Steuereinheit 43 die adaptive Vorschrifteingabe Uadp zu der Regeleingabe addiert.
21 zeigt das Ergebnis des Simulationsfalls N-5. Die Konversionszeit der Drehzahl NE kann verkürzt werden, indem man den Verstärkungsfaktor G der adaptiven Vorschrifteingabe Uadp vergrößert. Jedoch tritt, wie aus dem Vergleich mit 17 ersichtlich, ein integrales Überschießen auf, wenn die Verstärkung G zunimmt.
Nun wird ein Fall untersucht, der keine Totzeit hat. In diesem Fall kann der Zustandsvorhersager weggelassen werden. Ein Modell für ein Trägheitssystem des Motors zum regeln der Drehzahl NE kann so ausgedrückt werden, wie mit der Gleichung (64) gezeigt. NB(k + 1) = Ane·NE(k) + Bne·Gcyl_cmd(k) + Cne·Td(k) (64)
Da keine Totzeit existiert, wird die Gleichung (52), die durch den adaptiven Störungsbeobachter 51 ausgeführt wird, durch die Gleichung (65) ausgedrückt.
Da keine Totzeit existiert, werden die Gleichungen (61) und (62), die von der Steuereinheit 43 ausgeführt werden, jeweils durch die Gleichungen (66) bzw. (67) ausgedrückt. Ueq(k) = 1/Bne{(1 – Ane – S_ne)NE(k) + S_ne·NE(k – 1) + NE_cmd(k + 1) + (S_ne – 1)·NB_cmd(k) – S_ne·NE_cmd(k – 1) – Cne·Td(k) – Cne·δne(k)} (66) Urch(k) = –F / Bneσne(k) (67) wobei 0 < F < 2

Für die Fälle N-6 bis N-9, die keine Totzeit haben, sind Simulationen ausgeführt worden, wie sie in Tabelle 4 gezeigt sind. Tabelle 4

Fall Nr.	Störung L1, L2, L3	Verwendung des rückkoppelnden Terms für den geschätzten Störgröße δne	Verwendung des vorwärtskoppelnden Terms für das Antriebsdrehmoment Td	Verwendung der adaptiven Vorschrift-Eingabe Uadp
N-6	O	O	O
N-7	O		O
N-8	O		O	O (G: kleiner)
N-9	O		O	O (G: größer)

Im Falle von N-6 werden die Störungen L1 bis L3 addiert. Der geschätzte Störungswert δne und das Antriebsdrehmoment Td werden in der Steuereinheit 43 angewendet. Der Fall N-6 ist ein bevorzugter Fall auf der Basis der Drehzahlregelung gemäß einer Ausführung der Erfindung, wie oben beschrieben. 22 zeigt das Ergebnis des Simulationsfalls N-6. Unter der Bedingung, dass die Störungen einwirken, kann die Drehzahl NE auf den Sollwert NE_cmd konvergieren, ohne irgend einen Dauerzustandsfehler zu erzeugen. Die Fähigkeit, dass die Drehzahl NE dem Sollwert NE_cmd folgt, wenn sich der Sollwert NE_cmd ändert, ist gut.
Im Falle von N-7 wird das Antriebsdrehmoment Td in der Steuereinheit 43 angewendet. Die Steuereinheit 43 verwendet die geschätzten Störgröße δne nicht. 23 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls N-7. Ersichtlich ist, dass der Fehler zwischen der Istdrehzahl NE und dem Sollwert NE_cmd jedes Mal dann zunimmt, wenn die Störung einwirkt. Die Istdrehzahl NE kann nicht auf den Sollwert NE_cmd konvergieren, da die geschätzte Störgröße δne nicht angewendet wird.
Im Falle von N-8 wird die geschätzte Störgröße δne in der Störungseinheit 43 nicht angewendet. Die adaptive Vorschrifteingabe Uadp wird zu der Regeleingabe addiert und im Fall von N-8 wird eine Verstärkung G mit einem relativ kleinen Wert verwendet. 24 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls N-8. Im Fall von N-9 wird eine Verstärkung G mit einem relativ großen Wert in der Steuereinheit 43 angewendet. 25 zeigt ein Ergebnis des Simulationsfalls N-9. 26 zeigt einen Vergleich zwischen dem in 25 gezeigten Verhalten der Drehzahl NE (Fall N-9) und dem in 24 gezeigten Verhalten der Drehzahl NE (Fall N-8). Durch Vergrößern der Verstärkung G der adaptiven Vorschrifteingabe Uadp wird die Konvergenzzeit der Drehzahl NE verkürzt. Jedoch tritt ein integrales Überschießen auf, wenn die Verstärkung G zunimmt. Im Gegensatz hierzu kann durch Verwendung des geschätzten Störungswerts δne entsprechend dem Fall N-6 die Drehzahl NE auf den Sollwert NE_cmd konvergieren, ohne ein integrales Überschießen hervorzurufen.
In den oben beschriebenen Ausführungen wird der adaptive Störungsbeobachter unter Verwendung des rekursiven Identifikationsalgorithmus angewendet, um eine Störgröße zu schätzen. Alternativ kann zur Bestimmung einer Störgröße jedes andere geeignete Schätzglied angewendet werden, das sich auf ein vorbestimmtes Kennfeld oder dgl. bezieht.
3. Betriebsablauf
27 zeigt ein Flussdiagramm der Drehzahlregelung und der Ansaugluftmengenregelung gemäß einer Ausführung der Erfindung, wie in 2 gezeigt. Dieses Flussdiagramm ist auf ein Fahrzeug anwendbar, das ein manuelles Getriebe (MT), ein automatisches manuelles Getriebe (Automatik MT) und ein Automatikgetriebe (AT) hat.
In Schritt Si wird bestimmt, ob der Motor leerläuft oder in dem Getriebe ein Gangwechsel durchgeführt wird. Wenn die Antwort auf Schritt S1 JA ist, geht der Prozess zu Schritt S2 weiter, um die oben beschriebene Drehzahlregelung durchzuführen.
In Schritt S2 wird eine Sollmotordrehzahl NE_cmd bestimmt. Wenn z. B. der Motor leerläuft, wird der Sollwert NE_cmd auf einen Wert gesetzt, der den Fahrzuständen, dem Aufwärmzustand usw. entspricht. Wenn ein Gangwechsel ausgeführt wird, wird der Sollwert NE_cmd auf einen Wert gesetzt, der einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einem gewählten Gangverhältnis entspricht.
In Schritt S3 wird auf ein im Speicher 1c der ECU 1 gespeichertes Kennfeld auf der Basis der erfassten Istdrehzahl NE Bezug genommen, um die Modellparameter Ane, Bne und Cne zu extrahieren. In Schritt S4 werden das Ausrüstungs-Antriebsdrehmoment Tload und das Fahrzeugantriebsdrehmoment Tdrv bestimmt. Das Ausrüstungsantriebsdrehmoment Tload kann z. B. entsprechend einem EIN/AUS-Zustand elektrischer Komponenten, die an dem Fahrzeug angebracht sind, berechnet werden. Das Fahrzeugantriebsdrehmoment Tdrv kann gemäß dem Fahrwiderstand, den Kupplungszuständen usw. berechnet werden. Tload und Tdrv werden addiert, um ein Antriebsdrehmoment Td als Störung zu bestimmen. In Schritt S5 wird die oben beschriebene Drehzahlregelung ausgeführt, um die Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd zu berechnen.
Wenn andererseits das Fahrzeug in einem normalen Fahrzustand ist, geht der Prozess zu Schritt S6 weiter, worin ein Sollmotordrehmoment bestimmt wird. Das Solldrehmoment kann entsprechend einem Betätigungswinkel des Gaspedals, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem gewählten Gangverhältnis, der Fahrumgebung usw. berechnet werden. In Schritt S7 wird die Ansaugluftmenge Gcyl-cmd, die zum Implementieren des Sollmotordrehmoments erforderlich ist, berechnet. Z. B. kann die Sollansaugluftmenge Gcyl_cmd in Bezug auf ein vorbestimmtes Kennfeld auf der Basis des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Zündzeitpunkts bestimmt werden.
In Schritt S8 wird die Ansaugluftmenge Gcyl geschätzt. Die Ansaugluftmenge Gcyl kann auf der Basis der Ausgabe des Luftströmungsmessers 10 und des Pb-Sensors 11 geschätzt werden. In Schritt S9 wird auf ein vorbestimmtes Kennfeld auf der Basis der Drehzahl NE und dem Drosselöffnungswinkel TH Bezug genommen, um die Modellparameter Aair1, Aair2 und Bair1 zu extrahieren. Anstatt eines Öffnungswinkels des Drosselventils kann auch die Luftmenge Gth, die durch das Drosselventil hindurchtritt, oder die in Schritt S8 berechnete Ansaugluftmenge Gcyl angewendet werden.
In Schritt S10 wird die oben beschriebene Ansaugluftmengenregelung ausgeführt, um den Solldrosselöffnungswinkel THcmd zu berechnen.
Anzumerken ist, dass das Regelschema dieser Erfindung auf verschiedene Objekte angewendet werden kann. Eine vorausblickende Regelung der Erfindung kann auf verschiedene Objekte angewendet werden. Eine Reaktionszuweisungssteuerung der Erfindung kann ebenfalls auf verschiedene Objekte angewendet werden.
Die Erfindung ist bei einem Motor anwendbar, der in einer Schiffsantriebsmaschine, wie etwa einem Außenbordmotor, zu verwenden ist, worin die Kurbelwelle in der senkrechten Richtung angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft einen Regler, um eine als Modell erstellte Anlage gegenüber Störungen robust zu regeln. Der Regler umfasst ein Schätzglied und eine Steuereinheit. Das Schätzglied schätzt eine auf die Anlage einwirkende Störgröße. Die Steuereinheit bestimmt eine Störgröße, sodass eine Regelgröße auf einen Sollwert konvergiert. Die Stellgröße wird so bestimmt, dass sie einen Wert enthält, der durch Multiplizieren der geschätzten Störgröße mit einem vorbestimmten Faktor erhalten wird. Da sich die geschätzte Störgröße in der Stellgröße wiederspiegelt, wird eine Regelung implementiert, die gegenüber Störungen robust ist. Der Regler kann einen Vorhersager aufweisen. Der Vorhersager sagt die Regelgröße auf der Basis der geschätzten Störgröße und einer in der Anlage enthaltenen Totzeit voraus. Die Steuereinheit bestimmt die Stellgröße so, dass die vorhergesagte Regelgröße auf einen Sollwert konvergiert. Da der Vorhersager die Totzeit berücksichtigt, wird die Genauigkeit der Regelung verbessert. Die geschätzte Störgröße spiegelt sich in der vorhergesagten Regelgröße wieder, sodass ein Fehler zwischen der vorhergesagten Regelgröße und der tatsächlichen Regelgröße der Anlage beseitigt wird.

Claims

Regler zum Regeln einer als Modell erstellten Regelstrecke (3; 2) einer Anlage, wobei der Regler (23) umfasst: (a) ein Mittel (31; 41) zum Schätzen einer auf die Regelstrecke (3; 2) einwirkenden Störgröße (γ1; δne) aus einer in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) und einer von der Regelstrecke (3; 2) auszugebenden Regelgröße (Gcyl; NE); (b) ein Mittel (32; 42) zum Vorhersagen einer Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) auf der Basis der geschätzten Störgröße (γ1; δne), der in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd), der von der Regelstrecke (3; 2) auszugebenden Regelgröße (Gcyl; NE) und einer in der Regelstrecke (3; 2) enthaltenen Totzeit (dth); und (c) ein Mittel (33; 43) zur Bestimmung der in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) gemäß der vorhergesagten Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) und der geschätzten Störgröße (γ1; δne).
Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (c) ferner ein Mittel zur Anwendung eines vorausblickenden Regelalgorithmus aufweist, um die Stellgröße (THcmd) zu bestimmen.
Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (c) ferner ein Mittel zur Anwendung eines das Konvergenzverhalten von Istwert auf Sollwert der Regelgröße (NE) spezifizierenden Reaktionszuweisungsalgorithmus aufweist, um die Stellgröße (Gcyl_cmd) zu bestimmen.
Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (c) ferner ein Mittel aufweist, um zur Bestimmung der Stellgröße (TH_cmd, Gcyl_cmd) die geschätzte Störgröße (γ1; δne) mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor (Fd; Cne) zu multiplizieren.
Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (a) ferner ein Mittel zum Anwenden eines rekursiven Algorithmus aufweist, um die Störgröße (γ1, δne) aus einem Fehler (e_dov) zwischen der vorhergesagten Regelgröße und einem momentan erfassten Wert (Gcyl(k); NE(k)) der Regelgröße zu schätzen.
Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ein mit einem Motor (2) verbundener Ansaugkrümmer (3) ist, wobei die Stellgröße (THcmd) ein Sollwert für einen Öffnungswinkel (_θTH) eines Ventils (8) ist, das eine Ansaugluftmenge in den Ansaugkrümmer (3) regelt, und die Regelgröße eine Ansaugluftmenge (Gcyl) in den Motor ist.
Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ein Motor (2) ist, worin der Motor (2) als Modell so aufgebaut ist, dass die Stellgröße ein Sollwert (Gcyl_cmd) für eine Ansaugluftmenge in den Motor (2) ist und die Regelgröße eine Drehzahl (NE) des Motors (2) ist.
Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (b) ein Mittel aufweist, um die Regelgröße (Pre_NE) auf der Basis eines geschätzten Werts für ein Drehmoment (Tdrv) vorherzusagen, das zum Antrieb eines Fahrzeugs erforderlich ist, an dem der Motor (2) angebracht ist.
Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (b) ferner ein Mittel aufweist, um die Regelgröße (Pre_NE) auf der Basis eines geschätzten Werts für ein Drehmoment (Tload) vorherzusagen, das zum Antrieb einer Ausrüstung an einem Fahrzeug erforderlich ist, an dem der Motor (2) angebracht ist.
Verfahren zum Regeln einer als Modell erstellten Regelstrecke (3; 2) einer Anlage, welches die Schritte umfasst: (a) Schätzen einer auf die Regelstrecke (3; 2) einwirkenden Störgröße (γ1; δne) aus einer in die Regelstrecke (3; 2) eingegebenen Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) und einer von der Regelstrecke (3; 2) ausgegebenen Regelgröße (Gcyl; NE); (b) Vorhersagen einer Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) auf der Basis der geschätzten Störgröße (γ1; δne), der in die Regelstrecke (3; 2) eingegebenen Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd), der von der Regelstrecke (3; 2) auszugebenden Regelgröße (Gcyl; NE) und einer in der Regelstrecke (3; 2) enthaltenen Totzeit (dth); und (c) Bestimmen der in die Regelstrecke (3; 2) einzugebenden Stellgröße (THcmd; Gcyl_cmd) gemäß der vorhergesagten Regelgröße (Pre_Gcyl; Pre_NE) und der geschätzten Störgröße (γ1; δne).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) ferner den Schritt der Anwendung eines vorausblickenden Regelalgorithmus aufweist, um die Stellgröße (THcmd) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) ferner den Schritt der Anwendung eines das Konvergenzverhalten von Istwert auf Sollwert der Regelgröße (NE) spezifizierenden Reaktionszuweisungsalgorithmus aufweist, um die Stellgröße (Gcyl_cmd) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) ferner den Schritt umfasst, zur Bestimmung der Stellgröße (TH_cmd; Gcyl_cmd) die geschätzte Störgröße (γ1; δne) mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor (Fd; Cne) zu multiplizieren.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a) ferner den Schritt umfasst, einen rekursiven Algorithmus anzuwenden, um die Störgröße (γ1, δne) aus einem Fehler (e_dov) zwischen der vorhergesagten Regelgröße und einem momentan erfassten Wert (Gcyl(k); NE(k)) der Regelgröße zu schätzen.