DE102004033615B3 - Smoothing sensor signals input to control circuit for internal combustion engine, using high-pass filter connected to function generator connected to low-pass filter in parallel with high-pass filter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glättung eines Sensorsignals, insbesondere eines Eingangssignals eines Steuergerätes einer Brennkraftmaschine, mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung.The Invention relates to a method for smoothing a sensor signal, in particular an input signal of a control unit of a Internal combustion engine, with a low-pass filter of the first order.
Die
Die
Der
Bei der Steuerung und Regelung von Brennkraftmaschinen werden elektronische Motorsteuergeräte eingesetzt, die verschiedenste Sensorsignale einlesen und verarbeiten und daraus die Steuersignale zur Einstellung der Kraftstoffeinspritzmenge und, sofern keine selbstzündende Maschine vorliegt, des Zündzeitpunktes berechnen. Die Verarbeitung der Sensorsignale kann dabei in analoger Form mittels elektronischer Auswerteschaltungen oder auch in digitaler Form durch eine auf einer Recheneinheit ausgeführte Berechnungssoftware erfolgen. Da die Sensorsignale mit hochfrequenten Störungen behaftet sein können, welche bei direkter Weiterverarbeitung und Umrechnung in die Steuersignale zu falschen bzw. unerwünscht heftigen Reaktionen im Motorverhalten führen würden, werden die Sensorsignale im allgemeinen mittels Gradientenbegrenzern und/oder Filtern geglättet, wobei als Filter bevorzugt Tiefpassfilter erster oder auch höherer Ordnung verwendet werden.at the control and regulation of internal combustion engines are electronic Used engine control units, read in and process the various sensor signals and from it the control signals for adjusting the fuel injection amount and, provided no self-igniting Machine present, the ignition to calculate. The processing of the sensor signals can be in analog Form by electronic evaluation circuits or in digital Form done by running on a computer calculation software. Since the sensor signals may be subject to high-frequency noise, which with direct further processing and conversion into the control signals too wrong or undesirable violent reactions in engine behavior, the sensor signals smoothed generally by Gradientenbegrenzern and / or filters, wherein as filter preferred low-pass filter first or higher order used become.
Bei der Auslegung eines Filters zur Glättung von Sensorsignalen müssen verschiedene, teilweise einander widersprechende Anforderungen berücksichtigt werden, um zum einen ein ruhiges Motorverhalten zu gewährleisten und zum anderen schnell genug auf Änderungen des Fahrerwunsches bzw. der Umgebungsbedingungen zu reagieren. Des Weiteren ist es zur Erleichterung des Aufwandes zur Abstimmung des Motorverhaltens im Prüfungstands- bzw. Fahrversuch wünschenswert, dass das Filter möglichst einfach parametrierbar ist.at The design of a filter for smoothing sensor signals must be different, partially taking into account conflicting requirements on the one hand to ensure a quiet engine behavior and on the other fast enough to change the driver's request or the environmental conditions to react. Furthermore it is to facilitate the effort to tune the engine behavior in the test or driving test desirable, that the filter as possible is easy to parameterize.
Zusammengefasst werden an ein solches Glättungsfilter folgende Anforderungen gestellt:
- – Das Filter soll Tiefpassverhalten aufweisen und dabei einen guten Kompromiss bieten zwischen der Dämpfung von Störungen und einer geringen Verzögerung des eigentlichen Sensorsignalverlaufs.
- – Das Filter darf unter keinen Umständen überschwingen.
- – Das Filter soll möglichst keine Totzeit enthalten.
- – Das Filter soll auch mit einer Gradientenbegrenzung kombinierbar sein.
- – Das Filter soll einfach parametrierbar sein.
- - The filter should have low-pass behavior and thereby offer a good compromise between the attenuation of interference and a small delay of the actual sensor waveform.
- - Under no circumstances should the filter overshoot.
- - The filter should contain no dead time if possible.
- - The filter should also be combined with a Gradientenbegrenzung.
- - The filter should be easy to parameterize.
Eine
bekannte Ausgestaltung eines Tiefpassfilters, welche fast alle dieser
Anforderungen erfüllt,
ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben unter Berücksichtigung sämtlicher genannter Anforderungen und unter Vermeidung der bei der bekannten Ausführung beobachteten Unstetigkeiten.task The present invention is a method of the aforementioned To specify type, taking into account all said requirements and while avoiding the known execution observed discontinuities.
Diese Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Verfahren mit den Schritten nach Anspruch 1 gelöst.These Task is with a generic method with the steps solved according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird das zu glättende Sensorsignal mit einem Hochpassfilter gefiltert, anschließend wird mit dem aktuellen Wert des Ausgangssignal des Hochpassfilters die Zeitkonstante des Tiefpassfilters erster Ordnung bestimmt und danach wird das Sensorsignal mit dem Tiefpassfilter, welches nun mit der neu bestimmten Zeitkonstante arbeitet, gefiltert.According to the invention to be smoothed Sensor signal filtered with a high-pass filter, then becomes with the current value of the output signal of the high-pass filter the Time constant of the low-pass filter first order determined and after is the sensor signal with the low-pass filter, which now with the newly determined time constant works, filtered.
Durch die Wahl eines Tiefpassfilters erster Ordnung werden bereits fast alle der Anforderungen erfüllt. So schwingt ein Tiefpassfilter erster Ordnung nicht über, es weist des weiteren keine Totzeit auf und es ist ohne Probleme mit einem Gradientenbegrenzer kombinierbar. Die Verwendung des hochpassgefilterten Sensorsignals zur Berechnung der Zeitkonstante des Tiefpassfilters bietet den weiteren Vorteil, dass die gesamte Filteranordnung auf ein sprungförmiges Sensorsignal mit einem einstellbaren Anfangs- und einem einstellbaren Endverhalten reagiert. Mit anderen Worten können sowohl die Anfangsstei gung und deren zeitlicher Übergang in die Phase der maximalen Steigung als auch der zeitliche Übergang in die Endsteigung durch entsprechende Wahl der Parameter des Hochpassfilters sowie der Berechnungsformel für die Zeitkonstante des Tiefpassfilters festgelegt werden. Der Hochpassfilter bestimmt dabei besonders das Anfangsverhalten der Sprungantwort, da je nach Wahl seiner systembedingten Verzögerung entsprechend schnell oder verlangsamt auf hohe Änderungsraten des Sensorsignals reagiert wird. Das Endverhalten wird wiederum besonders durch die Wahl der Zeitkonstanten-Berechnungsformel bestimmt, da eine hohe Zeitkonstante zu einem stark verzögerten Tiefpass- und damit einem langsamen allmählichen Übergang in den Endwert der Sprungantwort führt, während eine kleine Zeitkonstante einen schnellen Übergang in den Endwert bedeutet.By the choice of a low-pass filter of first order is already almost meets all the requirements. So a first order lowpass filter does not overshoot it has further no dead time and it is without problems with a Gradientenbegrenzer combinable. The use of the high-pass filtered Sensor signal for calculating the time constant of the low-pass filter offers the further advantage that the entire filter assembly on a jump Sensor signal with an adjustable start and an adjustable end behavior responding. In other words, you can Both the Anfangsstei movement and its temporal transition to the phase of the maximum Slope as well as the temporal transition in the final slope by appropriate selection of the parameters of the high-pass filter as well as the calculation formula for the time constant of the low pass filter are set. The high pass filter determines especially the initial behavior of the step response, depending on the choice of systemic delay accordingly fast or slowed down to high rates of change the sensor signal is reacted. The final behavior will turn especially determined by the choice of the time constant calculation formula, because a high time constant to a strongly delayed low-pass and thus a slow gradual transition into the final value of the step response, while a small time constant a quick transition in the final value means.
Des Weiteren kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Verhalten der Filteranordnung an die Störanteile im Sensorsignal angepasst werden. Über den Hochpassfilter werden die niederfrequenten Anteile des Sensorsignals herausgefiltert, d.h. man erhält eine Aussage über den Anteil der dem eigentlichen Sensorsignal überlagerten Störungen. Je nach dem gewählten Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Hochpassfilters und der Zeitkonstante kann nun der frequenzabhängige Verlauf der Verstärkung des Tiefpassfilters festgelegt werden, wodurch die Dämpfung der jeweiligen Frequenzanteile im Sensorsignal bestimmt ist.Of Further, in the method according to the invention, the behavior the filter assembly to the interference components be adjusted in the sensor signal. Beyond the high pass filter filtered out the low-frequency components of the sensor signal, i.e. you get a statement about the proportion of interference superimposed on the actual sensor signal. Depending on the chosen Relationship between the output of the high pass filter and The time constant can now be the frequency - dependent course of the gain of the Low-pass filter are set, reducing the attenuation of the respective frequency components determined in the sensor signal.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht der aktuelle Wert des Ausgangssignals des Hochpassfilters linear in die Zeitkonstante des Tiefpassfilters ein, wobei die Zeitkonstante des Tiefpassfilters durch Multiplikation des aktuellen Wertes des Ausgangssignals des Hochpassfilters mit einem ersten Parameter bestimmt wird oder durch Addition des aktuellen Wertes des Ausgangssignals des Hochpassfilters mit einem zweiten Parameter oder durch eine Überlagerung der Multiplikation und der Addition. Jede der möglichen linearen Verknüpfungen bedeutet, dass bei Vorhandensein von höheren Frequenzen und damit Störungen im Sensorsignal die Zeitkonstante des Tiefpassfilters vergrößert wird, was zur Folge hat, dass höhere Frequenzen stärker gedämpft werden. Im Gegenzug wird bei niederfrequenten Signalverläufen die Zeitkonstante verkleinert, so dass das Tiefpassfilter dem eigentlichen, weniger gestörten Sensorsignal ausreichend schnell folgen kann.at a preferred embodiment of the method according to the invention the current value of the output signal of the high-pass filter is linear in the time constant of the low-pass filter, wherein the time constant of the low pass filter by multiplying the current value of the Output signal of the high-pass filter determined with a first parameter or by adding the current value of the output signal of the high pass filter with a second parameter or by an overlay multiplication and addition. Each of the possible linear links means that in the presence of higher frequencies and thus disorders in the sensor signal, the time constant of the low-pass filter is increased, as a result, higher ones Frequencies stronger muted become. In return, at low-frequency waveforms Time constant reduced, so that the low-pass filter the actual, less disturbed Sensor signal can follow sufficiently fast.
Wird entweder nur eine Multiplikation oder nur eine Addition durchgeführt, so wird der Parametersatz der Filteranordnung nur um einen zusätzlichen Parameter erweitert. Der Parametersatz enthält ansonsten die Parameter des Hochpassfilters und den Verstärkungsfaktor des Tiefpassfilters erster Ordnung. Bei nur einem weiteren Parameter wird demnach der Aufwand zur Einstellung der Filteranordnung während der Versuchs- und Einstellphasen der Brennkraftmaschine in Verbindung mit dem Steuergerät so gering wie möglich gehalten.Becomes either just one multiplication or just one addition done so the parameter set of the filter arrangement is only an additional one Parameters extended. Otherwise the parameter set contains the parameters of the high pass filter and the gain of the low pass filter first order. With only one further parameter is therefore the Effort for adjusting the filter assembly during the experimental and adjustment phases the internal combustion engine in conjunction with the control unit so low as possible held.
Die Überlagerung der Multiplikation und Addition bietet einen zusätzlichen Vorteil, da sie die Einstellung des Anfangs- und Endverhaltens der Sprungantwort der Filteranordnung nahezu unabhängig voneinander erlaubt. Mit dem ersten Parameter, dem multiplikativen Faktor, wird nämlich das Ausgangssignal des Hochpassfilters gewichtet, wodurch sich eine relative Änderung der Zeitkonstante des Tiefpassfilters ergibt, je nachdem, wie groß gerade das Ausgangssignal des Hochpassfilters ist. Daraus folgt eine Einflussnahme auf das Anfangsverhalten der Sprungantwort, da bei einer Verkleinerung des ersten Pa rameters die gesamte Filteranordnung weniger heftig auf schnelle Signaländerungen reagiert, weshalb die Anfangssteigung der Sprungantwort abflacht und das Anfangsverhalten insgesamt verzögert wird. Das Endverhalten wird mit dem ersten Parameter nicht verändert, da dann das Eingangssignal der Filteranordnung, also der Sprung, auf einem konstanten Wert liegt, was einer Änderungsgeschwindigkeit von Null entspricht.The superimposition of the multiplication and addition offers an additional advantage, since it allows the setting of the start and end behavior of the step response of the filter arrangement almost independently of one another. Namely, with the first parameter, the multiplicative factor, the output of the high-pass filter is weighted, resulting in a relative change in the time constant of the low-pass filter, depending on how big the output of the high-pass filter is. This results in an influence on the initial behavior of the step response, since at a reduction of the first Pa parameter, the entire filter arrangement less violent reacts to rapid signal changes, which is why the initial slope of the step response flattened and the initial behavior is delayed as a whole. The final behavior is not changed with the first parameter, since then the input signal of the filter arrangement, ie the jump, is at a constant value, which corresponds to a rate of change of zero.
Der zweite Parameter, der Summand, wirkt sich dagegen stärker auf das Endverhalten der Sprungantwort aus, da er die Zeitkonstante des Tiefpassfilters absolut und nicht nur relativ beeinflusst. Unabhängig von der aktuellen Größe des Ausgangssignals des Hochpassfilters, also über den gesamten zeitlichen Verlauf der Sprungantwort, arbeitet der Tiefpassfilter demnach mit größerer oder kleinerer Verzögerung, was im Endverhalten deutlich sichtbar ist.Of the second parameter, the summand, has a stronger effect the final behavior of the step response, since it is the time constant of the low pass filter absolutely and not only relatively affected. Independent of current size of the output signal the high-pass filter, so over the entire time course of the step response, the Low pass filter accordingly with larger or smaller delay, which is clearly visible in the final behavior.
Durch die direkte Verknüpfung des Anfangs- und Endverhaltens der Sprungsantwort mit jeweils einem Parameter wird die Arbeit eines Prüfstands- oder Fahrversuchsingenieurs, der das Verhalten einer Brennkraftmaschine durch Parametrierung der Elektronik bzw. der Software des zugehörigen Steuergerätes optimieren soll, besonders vereinfacht.By the direct link the start and end behavior of the jump response with one parameter each the work of a test bench or driving test engineer, the behavior of an internal combustion engine by optimizing the parameters of the electronics or the software of the associated control unit, especially simplified.
Bei den linearen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt der Absolutwert des Ausgangssignals des Hochpassfilters in die Berechnung der Zeitkonstante einbezogen, da lediglich der Betrag des Ausgangssignals von Interesse ist. Negative Zeitkonstanten können dadurch von vornherein ausgeschlossen werden. In bestimmten Fällen kann die Absolutwertbildung natürlich auch erst als letzter Schritt, im Anschluss an die Berechnung der Zeitkonstante, erfolgen, beispielsweise dann wenn das Ausgangssignal lediglich mit einem Faktor multipliziert wird.at the linear embodiments of the method according to the invention is preferred the absolute value of the output signal of the high-pass filter in the calculation the time constant, since only the amount of the output signal is of interest. Negative time constants can thus from the outset be excluded. In certain cases, the absolute value formation Naturally also only as a last step, following the calculation of the Time constant, done, for example, when the output signal only multiplied by a factor.
Wählt man als Hochpassfilter ein Filter erster Ordnung, so trägt der Hochpassfilter mit nur wenigen Parametern zum Umfang des Parametersatzes bei. Der Parametersatz und damit der Aufwand zur Auslegung bzw. Einstellung der Filteranordnung kann noch weiter verringert werden, wenn man einen Tiefpassfilter erster Ordnung mit dem Verstärkungsfaktor Eins wählt. Ein Verstärkungsfaktor von Eins wird immer dann bevorzugt werden, wenn das Sensorsignal bereits in der gewünschten Größenordnung vorliegt und tatsächlich ausschließlich eine Glättung vorgenommen werden soll. Ein Verstärkungsfaktor ungleich Eins kann jedoch wünschenswert sein, wenn beispielsweise noch eine Umrechnung in einen anderen physikalischen Wertebereich erfolgen oder die Auflösung des gefilterten Sensorsignals verbessert werden soll.You choose as a high-pass filter, a first-order filter, so carries the high-pass filter with only a few parameters on the scope of the parameter set. Of the Parameter set and thus the effort for interpretation or setting the filter arrangement can be further reduced if one a low-pass filter of the first order with the amplification factor One chooses. An amplification factor of one will always be preferred when the sensor signal already in the desired Magnitude exists and actually exclusively a smoothing should be made. A gain factor not equal to one may be desirable if, for example, still a conversion into another physical value range or the resolution of the filtered sensor signal to be improved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to an embodiment and the drawing explained in more detail. It demonstrate:
Zur
Vermeidung der Unstetigkeiten und zur Verringerung der doch deutlichen
Verzögerungen
zwischen den Initialisierungspunkten schlägt die Erfindung eine Filteranordnung
nach
In
Die
Verstärkungsverläufe in
Aus
dem Ausgangssignal xhp des Hochpassfilters
HP wird erfindungsgemäß die Zeitkonstante
TTP des Tiefpassfilters TP1 bestimmt.
Wie
in
Wie
sich Änderungen
der Parameter A und B auf das Gesamtverhalten der Filteranordnung
aus Hochpassfilter HP1, Tiefpassfilter TP1 und Funktion f(xhp)
entsprechend der Gleichung (2) auswirken, kann den in den
In
In
dem Beispiel nach den
Die Übertragungsfunktionen
des Hochpassfilters HP1 und des Tiefpassfilters
TP1 nach den Gleichungen (1) bilden das Übertragungsverhalten
der beiden Filter im analogen Frequenzbereich ab. Wie bereits erläutert, ist
es möglich,
die erfindungsgemäße Filteranordnung
in einem Motorsteuergerät
entweder analog, durch elektronische Schaltungen, oder diskret,
durch Berechnungsfunktionen einer Recheneinheit, zu realisieren.
Für die
diskrete Berechnung der Filter HP1 und TP1 gelten nachstehende Differenzengleichungen,
wobei die Verstärkungen
VHP und VTP jeweils
auf Eins festgelegt sind, die Zeitkonstanten THP und
TTP variabel bleiben und der Parameter ν den jeweiligen
Zeit- bzw. Berechnungstakt bezeichnet:
Der Parameter r1 stellt das diskrete Pendant zur analogen Zeitkonstante THP dar und z0 das diskrete Pendant zur analogen Zeitkonstante TVP, wobei die bekannten, bei der Diskretisie rung analoger Übertragungsfunktionen zu berücksichtigenden Beziehungen gelten.The parameter r 1 represents the discrete counterpart to the analog time constant T HP and z 0 is the discrete counterpart to the analog time constant T VP , whereby the known relations to be taken into account in the discretization of analog transfer functions apply.
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