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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Veränderung eines Kennfeldes nach
der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs. Bei einem Kennfeld werden an Stützstellen von Eingangsgrößen, Ausgangsgrößen gespeichert.
Derartige Kennfelder dienen zur Steuerung von technischen Einrichtungen,
beispielsweise Brennkraftmaschinen. Ein Teil der Ausgangsgrößen wird
dabei nicht ausschließlich
durch ein Kennfeld gesteuert sondern es erfolgt eine Regelung dahingehend,
dass überprüft wird,
ob die Ausgangsgrößen den
gewünschten
Erfolg bei der Kontrolle der technischen Einrichtungen verursachen.
Es kann somit zu Abweichungen zwischen den Werten kommen, die im
Kennfeld gespeichert sind, und den Werten, die dann zur Steuerung der
technischen Einrichtung verwendet werden. Diese Ausgangsgrößen und
die zugehörigen
Eingangsgrößen können gemessen
werden und zu einer Veränderung
der an den Stützstellen
gespeicherten Ausgangsgrößen verwendet
werden. Problematisch ist dabei, dass die gemessenen Eingangsgrößen zwischen
den Stützstellen
liegen können.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass eine besonders einfache und sinnvolle Veränderung
der in dem Kennfeld gespeicherten Werte an den Stützstellen
erfolgt. Insbesondere werden dabei die Abstände der gemessenen Eingangsgrößen und
der Stützstellen
berücksichtigt.
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Weitere
Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der
abhängigen
Patentansprüche.
Besonders einfach erfolgt die Veränderung des Kennfeldes, wenn
für die
neu zu speichernden Ausgangsgrößen die
vorhergehend gespeicherten Ausgangsgrößen ebenfalls berücksichtigt
werden. Eine Veränderung
des Kennfeldes sollte nur dann erfolgen, wenn aufgrund einer Stationärerkennung
erkannt wird, dass die technische Einrichtung schon eine gewisse
Weile in einem gewissen Intervall von Eingangsgrößen betrieben wurde. Es ist dann
davon auszugehen, dass dynamische Effekte keinen Einfluss mehr auf
die Ausgangsgröße haben. Da
innerhalb des Intervalls noch bestimmte Variationen möglich sind,
werden Mittelwerte über
die Eingangsgrößen und
Ausgangsgrößen gebildet.
Besonders einfach wird die Berechnung der Veränderung an den einzelnen Stützstellen,
wenn die Abstände
in normierte Abstände
umgewandelt werden, die dann mittels einer ebenfalls normierten
Gewichtungsfunktion den Einfluss auf die jeweiligen neu gespeicherten
Ausgangswerte an den Stützstellen
angeben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 eine Brennkraftmaschine und
ein Steuergerät, 2 ein
zweidimensionales Schema eines Kennfelds mit gespeicherten Ausgangswerten, 3 eine
Normierung des Kennfeldes von 2 und 4 eine
graphische Darstellung einer Gewichtungsfunktion.
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Beschreibung
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In
der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit
einem Zylinder 3 und einem im Zylinder 3 angeordneten
Kolben 4 gezeigt. In den Zylinder wird durch hier nicht
dargestellte Mittel, wie beispielsweise Ein- und Auslassventile,
Luft eingebracht und durch ein Einspritzventil 5 Kraftstoff
eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff wird mit der Luft im
Zylinder 3 verbrannt und erhöht den Druck in den Zylinder 3,
was durch den Kolben 4 in eine Bewegung umgesetzt wird.
Es handelt sich hierbei um einen üblichen Diesel- oder Benzin-Ottomotor.
Die Steuerung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt durch ein
Steuergerät 2,
welches über
eine Ansteuerleitung 6 entsprechende Ansteuersignale beispielsweise
für das
Einspritzventil 5 erzeugt. Zur Erzeugung geeigneter Ansteuersignale
liest das Steuergerät 2 von
einem Sensor 7 über
eine Datenleitung 8 Messwerte ein. Diese Messwerte geben
Auskunft über
den Zustand der Brennkraftmaschine. Derartige Sensoren messen beispielsweise
die Position des Kolbens 4 in dem Zylinder 3,
die Temperatur und den Druck im Brennraum, Klopfsignale, Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) oder andere Betriebszustände der
Brennkraftmaschine 1. Für
die Berechungen werden in dem Steuergerät 2 Kennfelder verwendet.
Bei einem Kennfeld handelt es sich um eine gespeicherte Verknüpfung zwischen
Eingangsgrößen und
Ausgangsgrößen. Beispielsweise können durch
Sensoren 7 Messsignale erzeugt werden, die die Drehzahl
der Brennkraftmaschine und die Last messen. In einem Kennfeld sind
dann zu den Eingangsgrößen Drehzahl
und Last Ausgangsgrößen gespeichert,
die eine Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erlauben.
Typischerweise werden in Steuergeräten 2 eine Vielzahl
von Kennfeldern verwendet, da komplexe Zusammenhänge zwischen Eingangsgrößen und
Ausgangsgrößen dargestellt
werden müssen.
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Ein
Teil dieser Kennfelder, die für
eine Berechnung herangezogen werden, können verändert werden. Derartige Veränderungen
der Kennfelder sind insbesondere sinnvoll, wenn das Steuergerät 2 eine
Adaption bzw. ein Lernen von Kennfeldwerten ermöglicht, um eine bessere Anpassung
der Steuersignale an die jeweilige Brennkraftmaschine 1 zu
ermöglichen.
Ein Beispiel für
ein derartiges Lernverfahren ist beispielsweise die Nullmengenkalibrierung
bei der Einspritzung von Kraftstoff. In einem Kennfeld ist dabei
abgelegt, wie lange das Kraftstoffventil 5 angesteuert
werden muss, um überhaupt
ein Öffnen
des Ventils und somit eine minimale Einspritzung von Kraftstoff
zu bewirken. Diese minimale Ansteuerdauer variiert von Ventil zu
Ventil und kann sich auch während
des laufenden Betriebs verschieben. Es wird daher vorgesehen, bei
einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, bei dem ja eigentlich
kein Kraftstoff eingespritzt wird, testweise kurze Einspritzimpulse
an das Einspritzventil 5 zu geben und durch Messung an
Sensoren festzustellen, ab welcher Mindestansteuerdauer eine Einspritzung
von Kraftstoff bewirkt wird, die sich in einer messbaren Verbrennung
von Kraftstoff im Schubbetrieb feststellen lässt. Ebenso können andere
lernende Funktionen vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise darin
bestehen, dass zwar in einem Kennfeld ein Ausgangswert für eine bestimmte
Steuergröße abgelegt
ist, der dann aber bei mehr oder weniger konstanten Betriebszuständen geregelt
wird. Es wird somit der Ausgangswert durch eine Regelung, d. h.
durch eine Überprüfung ob
die Steuersignale auch die geeigneten Ergebnisse liefern, verändert. Es
ist dann wünschenswert,
die durch die Regelung gelernten Werte wieder in einem Kennfeld
abzulegen.
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Erfindungsgemäß wird nun
ein Verfahren zur Änderung
der Kennfelder vorgeschlagen. Dies ist neben der Änderung
von Kennfeldern in Steuergeräten 2,
die eine Brennkraftmaschine 1 steuern, auch für alle anderen
technischen Einrichtungen sinnvoll, bei denen eine Steuervorrichtung
verwendet wird, die Berechnungen mittels eines Kennfeldes anstellt
und bei dem Veränderungen
des Kennfeldes vorgenommen werden.
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In
der 2 wird schematisch eine graphische Darstellung
eines Kennfeldes gezeigt. Das Kennfeld ist hier als graphische Darstellung
von zwei Eingangsgrößen auf
einer X-Achse und
einer Y-Achse dargestellt. Es handelt sich somit hier um ein zweidimensionales
Kennfeld, d. h. den beiden Eingangsgrößen X und Y ist für jede Kombination
von X und Y eine Ausgangsgröße Z zugeordnet.
In einem Kennfeld sind nun nicht allen Werten von X und Y Ausgangswerte
d.h. Z-Werte zugeordnet, sondern es sind sogenannte Stützstellen,
d. h. diskrete Punkte Xi und Yj vorgesehen,
denen jeweils ein Zi,j-Wert zugeordnet ist.
Zwischen den Stützstellen
wird durch Interpolation eine Zuordnung von Z-Werten zu X,Y-Werten
geschaffen. Die Werte mit einem Index bezeichnen im Folgenden immer
eine diskrete Stützstelle
und die Werte X,Y,Z ohne Index die Achsen beziehungsweise den gemessenen
oder gemittelten Wert in der X-Y-Ebene. Beispielsweise ist der Stützstelle
Xi, Yj eine Ausgangsgröße Zi,j zugeordnet. Entsprechend ist der Stützstelle
Xi+1, Yj die Ausgangsgröße Zi+1,j der Stützstelle Xi,
Yj+1 die Ausgangsgröße Zi, j+1 und der Stützstelle Xi+1,
Yj+1 die Ausgangsgröße Zi+1,j+1 zugeordnet.
Das Kennfeld ist einfach als Speicherelement ausgebildet, in denen
entsprechenden Werten für
die Stützstellen
entsprechende Ausgangsgrößen zugeordnet
sind. Die graphische Darstellung der 2 wurde
hier gewählt,
um den Begriff der Abstände
zwischen den einzelnen Stützstellen auch
graphisch darzustellen, da dies für die Erfindung von Bedeutung
ist. Die graphische Darstellung ist hier auch sinnvoll, da sich
hinter den Eingangsgrößen ja tatsächliche
physikalische Größen verbergen, beispielsweise
könnte
es sich bei der Größe X um
die Drehzahl beispielsweise in einem Bereich zwischen 0 bis 5000
Umdrehungen pro Minute und bei der Größe Y um die Last beispielsweise
gemessen in der relativen eingespritzten Kraftstoffmenge handeln.
Derartige physikalische Größen lassen
sich natürlich
als entsprechende Achsen leicht darstellen. In der 2 werden
hier jetzt nur vier Stützstellen
gezeigt. Zwischen diesen Stützstellen
nämlich
an den Werten X und Y wird nun ein erneuter Wert Z ermittelt, beispielsweise
durch einen Lernprozess. Die Eingangsgrößen X,Y werden typischerweise
durch eine Messung an einer realen technischen Einrichtung beispielsweise
einer Brennkraftmaschine ermittelt. Unter Messung ist hier nicht
nur eine unmittelbare Messung, sondern auch eine durch weitere Rechenschritte
aufbereitete Ein gangsgröße X,Y zu
verstehen, die sich aber in irgendeiner Weise von einer Messung
an einem realen technischen System ableitet. Ebenso basiert auch
der Wert der Ausgangsgröße Z auf
einer Messung ggf. mit rechnerischer Nachbearbeitung. Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, wie aufgrund eines an einem Punkt X,Y gelernten Wertes
Z eine Beeinflussung der Ausgangsgrößen Zi,j der
um diesen Punkt herum angeordneten vier Stützstellen Xi,
Yj erfolgt. Insbesondere wird für die Beeinflussung
dieser vier Ausgangsgrößen der Abstand
zwischen dem Punkt X, Y in der X, Y Ebene relativ zu den vier Stützstellen
Xi, Yj berücksichtigt. Um
den relativen Abstand des Punktes X,Y relativ zu den Stützstellen
zu bestimmen, wird eine Normierung der Eingangsgrößen X und
Y bezogen auf die hier dargestellten vier Stützstellen, die dem Punkt X,Y
benachbart sind vorgenommen. Den diskreten Punkten (Stützstellen)
Xi und Yj wird dabei
jeweils der Wert 0 und den Eingangsgrößen Xi+1 und
Yj+1 der Wert 1 zugeordnet.
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In
der 3 wird gezeigt, wie sich dann die Ausgangsgrößen Zij, Zij+1, Zi+1,j und Zi+1,j+1 anordnen.
In der X, Y Ebene hat dann XiYj die
Koordinaten 0,0; Xi+1 Yj die
Koordinaten 1,0; Xi Yj+1,
die Koordinaten 0,1; und die Ausgangsgröße Xi+1 Yj +1 die Koordinaten
1,1. Der Wert X hat in X-Richtung den Abstand ΔX vom Wert Xi und
den Abstand 1-ΔX
von Xi+1. In Y-Richtung hat der Wert Y entsprechend
den Abstand ΔY
vom Wert Yj und den Abstand 1-ΔY von Wert
Yj+1. Die Werte für ΔX und ΔY berechnen sich durch: ΔX
= (X – Xi)/(Xi+1 – Xi), ΔY
= (Y – Yj)/(Yj+1 – Yj)
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Mittels
einer Gewichtungsfunktion G, die sich aus den Abständen zwischen
dem Punkt X,Y und den jeweils gespeicherten Stützstellen ergibt, kann dann
der Einfluss des Wertes Z auf die an den Stützstellen gespeicherten Ausgangsgrößen berechnet werden.
Die neuen jeweils an den Stützstellen
zu speichernden Werte für
Z, Zneu werden aus den jeweiligen-alten Werten Zalt und dem gemessenen Wert Z berechnet: Zneu = G·Z + (1 – G)·Zalt
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Die
Gewichtungsfunktion ist dabei eine Funktion des Abstandes zwischen
dem gemessenen Betriebspunkt X,Y und den jeweiligen Stützstellen. Ein
Beispiel für
eine derartige Gewichtsfunktion in Abhängigkeit von ΔX und ΔY wird im
Folgenden beschrieben. Für
die Berechnung von Zi,j neu wird:
Gi,j = 1 – K (ΔX2 + ΔY2), für Zi+1,j neu wird: Gi+1,j =
1 – K
((1 – ΔX)2 + ΔY2), für Zi,j+1 neu wird: Gi,j+1 =
1 – K
(ΔX2 + (1 – ΔY)2), für Zi+1,j+1 neu wird: Gi+1,j+1 =
1 – K
((1 – ΔX)2 + (1 – ΔY)2),jeweils als Gewichtungsfunktion verwendet.
Generell sind jedoch auch andere Gewichtsfunktionen von ΔX und ΔY vorstellbar.
Wesentlich ist dabei jedoch, dass mit größer werdendem Abstand der Stützstelle
und des Betriebspunkt der Einfluss der gemessenen Ausgangsgröße auf die
Ausgangsgröße an der
jeweiligen Stützstelle
geringer wird.
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In
der 4 wird exemplarisch die Gewichtungsfunktion G
für den
Punkt XiYj dargestellt.
Dabei wird von einem Wert des Parameters K von 2 ausgegangen. Dies
führt dazu,
dass eine Beeinflussung der an der Stützstelle XiYj (= 0,0) gespeicherten Ausgangsgröße Zi,j nur durch Werte erfolgt deren Betriebspunkt
relativ nahe in der X, Y Ebene an der an der Stützstelle XiYj liegt.
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Neben
berechneten Funktionen für
G sind auch einfache Wertetabellen möglich. Beispielsweise könnte ein
Einfluss des Werts Z auf die Ausgangsgröße Zi,j mit
Gewichtung G = 0.5 sein wenn X und Y in dem Bereich 0 bis 0.3 und
mit der Gewichtung G = 0.1 wenn X und Y in dem Bereich zwischen
0.3 bis 0.5 der normierten X,Y-Ebene liegen. Mit derartigen abschnittsweise
konstanten Gewichtungsfunktionen lasst sich ohne Rechenaufwand eine
Abhängigkeit des
Abstands der Eingangsgrößen von
den Stützstellen
realisieren.
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In
der 5 wird ein Verfahrensablauf für das erfindungsgemäße Verfahren
dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 101 erfolgt
eine Stationärerkennung,
d. h. es wird kontinuierlich überprüft, ob die
Brennkraftmaschine in einem stationärem Betriebszustand ist, der
sich für
ein Lernen von Ausgangsgrößen eignet.
Dazu müssen
die Eingangsgrößen für eine bestimmte
vorgegebene Zeitdauer innerhalb eines bestimmten Intervalls liegen.
Wenn dies erkannt wird, so ist ein Lernbetrieb, d. h. eine Änderung
der in dem Kennfeld gespeicherten Ausgangswerte möglich. Dabei
kann natürlich
auch noch das Vorliegen weiterer Lernbedingungen überprüft werden,
da nicht jeder Zustand, bei dem die Eingangswerte innerhalb eines
vorgegebenen kleinen Intervalls liegen, für einen Lernbetrieb und die
Ermittlung von Ausgangsgrößen, aufgrund
derer das Kennfeld verändert
wird, geeignet ist. Weiterhin werden in dem Stationär-Erkennungsschritt 101 Mittelwerte
der Eingangsgrößen und
der Ausgangsgrößen gebildet, da
diese innerhalb des Intervalls der Eingangsgrößen variieren bzw. die Ausgangsgrößen ebenfalls
im bestimmten Maße
variieren. Auf den Stationär-Erkennungsschritt
folgt dann der Berechnungsschritt 102. Als Eingangsgrößen werden
diesem Berechnungsschritt 102 von dein Stationär- Erkennungsschritt 101 die
Mittelwerte der Eingangsgrößen und der
Ausgangsgröße, sowie
ein Triggersignal, welches anzeigt, dass nun eine Änderung
des Kennfeldes möglich
ist, übergeben.
In dem Berechnungsschritt 102 werden dann wie zu den 2 und 3 Veränderungen
der Ausgangsgrößen an den
Stützstellen
berechnet. Die so berechneten Werte werden dann an den nachfolgenden
Verfahrensschritt 103 übergeben,
in dem die eigentliche Veränderung
des Kennfeldes erfolgt. In dem Speicherschritt 103 werden
die entsprechend geänderten
Ausgangsgrößen in dem
Kennfeld gespeichert. Der Stationärerkennungsschritt 101 ist
dabei so ausgebildet, dass solange die Eingangsgrößen sich
innerhalb des Intervalls befinden, der Berechnungsschritt 102 und
nachfolgend auch die Speicherung 103 nur einmal erfolgt. Wenn
die Brennkraftmaschine 1 über eine sehr lange Zeit in
einem konstanten Betriebsmodus betrieben wird, ist es nicht sinnvoll,
die beschriebenen Änderungen
des Kennfeldes sukzessiv wiederholt nacheinander auszuführen. Zu
derartigen langanhaltenden statischen Betriebszuständen kann
es insbesondere kommen, wenn ein Kraftfahrzeug mittels eines Fahrgeschwindigkeitsreglers über lange
Zeiten gleichförmig
betrieben wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hier am Beispiel einer Brennkraftmaschine
bzw. eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch für
jede technische Einrichtung geeignet, die mittels eines Kennfeldes
gesteuert wird.