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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines aktiven oder semiaktiven Dämpfers oder vergleichbaren Aktuators im Fahrwerk eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff der nebengeordneten unabhängigen Patentansprüche 1 und 3. Zum bekannten Stand der Technik wird neben der
DE 101 26 933 A1 und der
DE 38 43 137 A1 insbesondere auf die gattungsbildende
DE 697 10 811 T2 verwiesen.
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Um den Zielkonflikt zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit an mehrspurigen Kraftfahrzeugen zu entschärfen, werden im Fahrwerksbereich häufig Regelungen nach dem Skyhook-Prinzip (oder einer Erweiterung des Skyhook-Prinzips) eingesetzt. Bei diesen Regelsystemen wird die Vertikalbewegung des Fahrzeugs durch die Aufbringung von Kräften durch aktive oder semiaktive Dämpfer bzw. Aktuatoren derart beeinflusst, dass sowohl die Aufbaubeschleunigung (im Sinne einer Erhöhung des Komforts) als auch die dynamischen Radlastschwankungen (im Sinne einer Erhöhung der Fahrsicherheit) in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation minimiert werden. Zumeist werden als Aktuatoren für diese Regelsysteme semiaktive Dämpfersysteme eingesetzt. Bei diesen semiaktiven Dämpfern ist die gestellte Dämpfkraft von der am Dämpfer tatsächlich anliegenden „physikalischen” Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad (auch Dämpfergeschwindigkeit genannt) und der Kraftkennlinie des Dämpfers abhängig. Diese Kraftkennlinie kann durch Anlegen eines bestimmten elektrischen Stromes an den Aktuator (= aktiver Dämpfer) bzw. an den semiaktiven Dämpfer gezielt beeinflusst bzw. gewählt oder festgelegt werden.
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Um mit semiaktiven oder auch mit aktiven Dämpfern (vgl. hierzu auch die genannte
DE 101 26 933 A1 ) die oben beschriebenen Regelziele zu erreichen, wird über den Regelalgorithmus für jeden Dämpfer/Aktuator eine von diesem einzustellende Sollkraft berechnet. Im Stand der Technik (vgl. auch hierzu die genannte
DE 101 26 933 A1 ) wird aus dieser Sollkraftvorgabe und aus der mittels Sensoren ermittelten Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad über ein inverses Kennfeld (eine genauere Beschreibung hierzu findet sich ebenfalls in der genannten Schrift) der am Dämpfer einzustellende Strom ermittelt. Da im Hinblick auf eine optimale Wirkung die sich tatsächlich einstellende Dämpfer-Kraft möglichst gut mit der genannten Sollkraft übereinstimmen soll, muss die aus den Sensordaten ermittelte genannte Relativgeschwindigkeit möglichst gut mit der tatsächlich am Dämpfer anliegenden „physikalischen” Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad übereinstimmen.
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Im bekannten Stand der Technik nach der
DE 101 26 933 A1 erfolgt die Berechnung der Relativgeschwindigkeit am Dämpfer aus einer Abstandsmessung. Dabei wird über einen Abstandssensor der Relativweg zwischen Rad und Aufbau gemessen und die Relativgeschwindigkeit am Dämpfer wird dann aus zwei Abstandssignalen und der Zeit dazwischen ermittelt (wahrscheinlich durch Bildung des Differenzenquotienten). In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem ersten Relativgeschwindigkeitssignal noch ein zweites Relativgeschwindigkeitssignal auf diese Weise ermittelt wird, allerdings über ein zweites Zeitintervall, das größer als das Zeitintervall des ersten Relativgeschwindigkeitssignals ist. Dabei ist vorgesehen, über einen geeigneten Algorithmus zwischen dem ersten, schnell verfügbaren aber ungenauen Relativgeschwindigkeitssignal und dem zweiten später verfügbaren aber genaueren Relativgeschwindigkeitssignal umzuschalten. Es ist optional vorgesehen, dass das Abstandssignal mit einem ersten Tiefpassfilter kleiner Zeitkonstante zur Ermittlung eines ersten Ausgangssignals und mit einem zweiten Tiefpassfilter größerer Zeitkonstante zur Ermittlung eines zweiten Ausgangssignals gefiltert wird und diese Ausgangssignale zur Berechnung der Relativgeschwindigkeitssignale verwendet werden. Insoweit besteht Ähnlichkeit mit dem Stand der Technik nach der
DE 38 43 137 B4 , wonach über einen Wegsensor der Abstand zwischen Rad und Aufbau gemessen und über einen Tiefpass gefiltert wird und die Relativgeschwindigkeit des Dämpfers durch die zeitliche Ableitung des gefilterten Wegsensorsignals ermittelt wird.
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Erwähnt ist in der
DE 101 26 933 A1 weiterhin, dass es bekannter Stand der Technik sei, für die Ermittlung der relativen Dämpfergeschwindigkeit Radbeschleunigungssensoren an den jeweiligen Rädern anzubringen und aufgrund deren Beschleunigungssignale die Dämpferregelung vorzunehmen, ohne dass hierauf jedoch näher eingegangen wird.
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Der soweit bekannte Stand der Technik hat jedoch Nachteile, nämlich aufgrund hoher Rauschanteile im ermittelten Relativgeschwindigkeitssignal des Dämpfers. Bei realen Sensoren, mit Hilfe derer der jeweilige Abstand zwischen Rad und Aufbau ermittelt wird, ist dem Nutzsignal stets ein stochastisches Rauschen überlagert. Berechnet man nun wie oben beschrieben aus dem mit Sensorrauschen behafteten Wegsignal die Relativgeschwindigkeit, so wird dieses Rauschen durch den Differenziervorgang verstärkt und man erhält ein sehr stark verrauschtes Relativgeschwindigkeitssignal. Dieser Rauschanteil ist bei der Regelung unerwünscht, da er über das inverse Kennfeld zu verrauschten Werten für die elektrischen Sollströme am semiaktiven Dämpfer und somit zu hochfrequenten Stellvorgängen am Dämpfer bzw. Aktuator führt. Ferner kann sich ein unerwünschter Phasenverzug im Relativgeschwindigkeitssignal einstellen. Um nämlich den Rauschanteil des ermittelten Geschwindigkeitssignals zu reduzieren, werden beim Stand der Technik zumeist Tiefpassfilter eingesetzt. Der Einsatz eines Tiefpassfilter bringt jedoch einen Phasenverzug des ermittelten Geschwindigkeitssignals gegenüber der tatsächlich am Dämpfer vorhandenen Geschwindigkeit mit sich, welcher bei der Regelung unerwünscht ist, da hierdurch die tatsächlich gestellte Dämpfkraft von der angeforderten Sollkraft auch im Zeitverlauf abweicht.
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Weiterhin ist es aus der eingangs letztgenannten
DE 697 10 811 T2 bekannt, einen regelungstechnischen Zustandsbeobachter zu verwenden, mit welchem ein Parameter, nämlich die Relativgeschwindigkeit zwischen den gefederten Baugruppen (entspricht vorliegend dem Fahrzeug-Aufbau) und den ungefederten Baugruppen (entspricht vorliegend dem Fahrzeug-Rad) einer Fahrzeug-Radaufhängung, die einen Dämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik enthält, anhand eines in dieser Schrift sog. kleines Ablaufmodells geschätzt wird. Dieses bekannte Ablaufmodell arbeitet mit einer einzigen Messgröße, nämlich der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeug-Aufbaus, die zur Rückführung des Zustandsbeobachters verwendet wird.
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Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie die Genauigkeit eines solchen grundsätzlich bekannten Schätzverfahrens für den geschilderten Anwendungsfall deutlich erhöht werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Diese Aufgabe wird für die Verfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3 jeweils durch die kennzeichnenden Merkmale dieser Ansprüche gelöst.
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Grundsätzlich wird unter Verwendung eines regelungstechnischen Zustandsbeobachters zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Aufbau und dem Rad vorgeschlagen, zwei relevante Größen zu messen und dabei die gemessene Vertikalbeschleunigung des Fahrzeug-Rades als Eingangsgröße für den Zustandsbeobachter zu verwenden. Damit ergibt sich eine deutlich gesteigerte Genauigkeit des Schätzverfahrens, und zwar entgegen der in der
DE 697 10 811 T2 (auf Seite 7 oben) enthaltenen Aussage, dass bei Ausschluss der sog. ungefederten Daten die Schätzgenauigkeit nicht verschlechtert sei. Eine Steigerung der Genauigkeit wird mit Berücksichtigung der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeug-Rads als Messwert erreicht, weil diese Größe die gesuchte Relativgeschwindigkeit dominiert, d. h. auf diese den größten Einfluss hat, insbesondere auch im höherfrequenten Bereich.
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Erfindungsgemäß wird als zweite Größe entweder gemäß vorliegendem Anspruch 1 der Relativweg zwischen dem Fahrzeug-Rad und dem Aufbau gemessen oder gemäß vorliegendem Anspruch 3 die Vertikalbeschleunigung des Fahrzeug-Aufbaus, wobei in beiden Fällen diese zweite Messgröße zur Rückführung des Zustandsbeobachters verwendet wird.
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Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass unter Verwendung eines Schätzverfahrens mit einem Zustandsbeobachter das weiter oben geschilderte Problem des Rauschens auch ohne Durchführung einer Tiefpassfilterung nicht auftritt und folglich ein Phasenverzug so gering als möglich gehalten werden kann, nämlich lediglich auf den regelungstechnischen Beobachteransatz beschränkt.
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Als Basis für den Beobachterentwurf kann folgende allgemeine Darstellung (Gleichung (1)) eines um Störgrößen z = C
5x
5 erweiterten Streckenmodells verwendet werden:
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Für jede der Störgrößen z wird jeweils ein Störmodell beliebiger Ordnung mit den internen Störzuständen xs wie folgt angesetzt: x .s = Asxs z = Csxs
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Der Zustandsbeobachter kann dann durch die Rückführung der Residuen (r = y – y ^) über die Rückführverstärkungen L auf die Modellgleichungen komplettiert werden. Die Beobachtergleichungen ergeben sich mit dieser Rückführung zur folgenden Gleichung (2):
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Dabei steht „^” wie bei allen Beobachteransätzen üblich für geschätzte Größen.
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Als Messgrößen können einem solchen Zustandsbeobachter der Relativweg Srel zwischen dem Aufbau und dem Rad und/oder die Radbeschleunigung z ..ungef und/oder die Aufbaubeschleunigung z ..gef zur Verfügung stehen.
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Die Grundlage für den Beobachterentwurf zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit v
rel am Dämpfer bilden dann die folgenden Systemgleichungen (3) und (4), welche direkt aus dem einfachen Zusammenhang von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung abgeleitet werden können:
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Beim Beobachterentwurf können nun entsprechend der Darstellung des erweiterten Streckenmodells (Gleichung (1)) folgende Festlegungen getroffen werden:
Der Relativweg und die Relativgeschwindigkeit werden als interne Systemzustände angesehen:
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Hiermit ergibt sich die Systemmatrix gemäß Gleichung (3) und Gleichung (4) zu:
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Steht somit die Aufbaubeschleunigung z ..gef als Messgröße zur Verfügung, so kann diese entweder zur Rückführung des Zustandsbeobachters über die Rückführverstärkung L verwendet werden, oder als Eingangsgröße u des Beobachters angesehen werden. Zu beachten ist dabei, dass bei Verwendung der gemessenen Aufbaubeschleunigung zur Rückführung des Beobachters diese als Störgröße beliebiger Ordnung modelliert und das Streckenmodell um die entsprechenden Störzustandsgrößen erweitert werden sollte, während bei Verwendung der gemessenen Aufbaubeschleunigung als Eingangsgröße des Beobachters die Modellierung als Störgröße entfällt.
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Steht hingegen die Aufbaubeschleunigung nicht als Messgröße zur Verfügung, so sollte diese als Störgröße modelliert werden. Alternativ ist es auch denkbar, die Aufbaubeschleunigung im Beobachterentwurf zu vernachlässigen, jedoch verschlechtert dies die Güte der ermittelten Größen.
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Steht die Radbeschleunigung z ..ungef als Messgröße zur Verfügung, so kann diese entweder zur Rückführung des Beobachters über die Rückführverstärkungen L verwendet werden, oder als Eingangsgröße u des Beobachters angesehen werden. Zu beachten ist dabei, dass bei Verwendung der gemessenen Radbeschleunigung zur Rückführung des Beobachters diese als Störgröße beliebiger Ordnung modelliert und das Streckenmodell um die entsprechenden Störzustandsgrößen erweitert werden sollte, während bei Verwendung der gemessenen Radbeschleunigung als Eingangsgröße des Beobachters die Modellierung als Störgröße entfällt.
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Steht hingegen die Radbeschleunigung nicht als Messgröße zur Verfügung, so sollte diese als Störgröße modelliert werden. Alternativ ist es auch denkbar, die Radbeschleunigung bei dem Beobachterentwurf zu vernachlässigen, jedoch verschlechtert dies die Güte der ermittelten Größen.
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Steht der Relativweg srel als Messgröße zur Verfügung, so kann dieser zur Rückführung des Beobachters über die Rückführverstärkungen L verwendet werden.
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Mit diesen Vorüberlegungen ergeben sich also in Abhängigkeit davon, welche Messgrößen zur Verfügung stehen, unterschiedliche Ansätze für ein Beobachtermodell, mit Hilfe dessen die gesuchte Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad möglichst genau und in Form eines praktisch rauschfreien Signals ermittelt werden kann.
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Stehen als Messgrößen der Relativweg zwischen Rad und Aufbau sowie zumindest eine Vertikalbeschleunigung von Rad oder Aufbau zur Verfügung, so kann die Relativgeschwindigkeit über einen regelungstechnischen Zustandsbeobachter ermittelt werden, für den der gemessene Relativweg zur Rückführung verwendet wird, wobei der Zustandsbeobachter die gemessene Vertikalbeschleunigung von Aufbau und/oder Rad entweder als Eingangsgröße verwendet oder als Störgröße beliebiger Ordnung modelliert zusätzlich zum Relativweg zur Rückführung verwendet, während die jeweils nicht gemessene Beschleunigung über eine Modellierung als Störgröße beliebiger Ordnung geschätzt oder alternativ vernachlässigt wird.
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Steht als Messgröße zumindest eine der Vertikalbeschleunigungen von Rad und/oder Aufbau zur Verfügung, so kann die Relativgeschwindigkeit über einen regelungstechnischen Zustandsbeobachter ermittelt werden, für den zumindest eine gemessene Vertikal-Beschleunigung zur Rückführung verwendet wird, während die andere gemessene Beschleunigung entweder als Eingangsgröße des Zustandsbeobachters verwendet oder als Störgröße beliebiger Ordnung modelliert ebenfalls zur Rückführung verwendet wird oder die andere nicht gemessene Beschleunigung über eine Modellierung als Störgröße beliebiger Ordnung geschätzt wird.
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Bei jedem der hier vorgeschlagenen Beobachterentwürfe können optional zusätzliche Störgrößen wie z. B. Sensoroffsets berücksichtigt werden. Entsprechend der Wahl der rückgeführten Messgrößen y, der Störgrößen z und der Eingangsgrößen u beim Beobachterentwurf sind dabei die restlichen Matrizen As, B, C, Cs, E des Beobachters festgelegt. Im übrigen kann die Bestimmung der Rückführverstärkungen L und somit die Auslegung des Beobachters nach unterschiedlichen Ansätzen erfolgen (z. B. nach Luenberger, Kalman, etc.).
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Unabhängig davon welcher dieser vorgeschlagenen Beobachterentwürfe verwendet wird, ist eine besonders vorteilhafte Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbeschleunigung zwischen Rad und Aufbau entweder durch Messung oder durch den Zustandsbeobachter oder durch zeitliche Differentiation der ermittelten Relativgeschwindigkeit ermittelt und zusätzlich zur Relativgeschwindigkeit bei der Ansteuerung des semiaktiven oder aktiven Dämpfers berücksichtigt wird. Um den Phasenverzug der aus Sensordaten ermittelten Relativgeschwindigkeit gegenüber der realen physikalischen Relativgeschwindigkeit zu verringern oder sogar eine Voreilung zu erreichen (um die Dynamik des Dämpfers zu kompensieren), kann dem ermittelten Relativgeschwindigkeitssignal somit die aus Sensordaten ermittelte Relativbeschleunigung in geeigneter Weise aufgeschaltet werden. Diese entsprechend erweiterte Relativgeschwindigkeit, bspw. über eine Addition des mit einem Faktor skalierten Relativbeschleunigungssignals, wird dann dem inversen Kennfeld zugeführt (vgl. beigefügte 2).
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Die Bestimmung der für die Beschleunigungsaufschaltung benötigten Relativbeschleunigung arel kann wie folgt geschehen: Werden beide Beschleunigungen gemessen, so kann einfach eine Subtraktion der gemessenen Radbeschleunigung von der gemessenen Aufbaubeschleunigung erfolgen. Wird nur die Aufbaubeschleunigung gemessen, so kann eine Subtraktion der geschätzten Radbeschleunigung von der gemessenen Aufbaubeschleunigung durchgeführt werden. Wird nur die Radbeschleunigung gemessen, so erfolgt eine Subtraktion der gemessenen Radbeschleunigung von der geschätzten Aufbaubeschleunigung. Wird keine Beschleunigung gemessen, so wird die geschätzte Radbeschleunigung von der geschätzten Aufbaubeschleunigung subtrahiert.
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Im weiteren wird ein Anwendungsbeispiel beschrieben, wobei dem regelungstechnischen Zustandsbeobachter als Messgrößen der Relativweg s
rel und die Radbeschleunigung z ..
ungef zur Verfügung stehen. Die Aufbaubeschleunigung z ..
gef steht nicht als Messgröße zur Verfügung und wird daher als Störgröße z modelliert. Es wird eine Störgrößenmodellierung erster Ordnung mit der Eckfrequenz ω
0 wie folgt durchgeführt:
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Da der interne Störzustand xs hierbei der Störgröße z entspricht, ist die Matrix Cs = [1].
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Der Einfluss des Störzustands auf die internen Zustände ist durch die weiter oben angeführte Gleichung (4) festgelegt und ergibt sich zu
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Die Radbeschleunigung z ..
ungef steht als Messgröße zur Verfügung und soll als Beobachtereingang u angesehen werden. Aus der genannten Gleichung (4) ergibt sich hiermit die Matrix
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Der Relativweg srel steht als Messgröße zur Verfügung und wird beim Beobachterentwurf auch als Messgröße y zur Rückführung des Beobachters verwendet. Hiermit ergibt sich die Matrix C = [1 0 0]
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Es werden keine zusätzlichen Störgrößen berücksichtigt.
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Die Beobachtergleichungen ergeben sich mit diesen Festlegungen zu:
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Die Berechnung der Relativbeschleunigung a
rel erfolgt bei diesem Anwendungsbeispiel über die geschätzte Aufbaubeschleunigung
und die gemessenen Radbeschleunigung z ..
ungef wie folgt:
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Alternativ ist auch eine Differentiation der geschätzten Relativgeschwindigkeit v ^rel eventuell mit anschließender Tiefpassfilterung denkbar. Das Blockschaltbild dieses Anwendungsbeispiels ist in der beigefügten 1 dargestellt, während die beigefügte 2 die weitere oben erläuterte Aufschaltung der Relativbeschleunigung auf die Relativgeschwindigkeit zeigt.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann somit der Rauschanteil der ermittelten Relativgeschwindigkeit durch den Einsatz des beschriebenen Zustandsbeobachters bei gleichem Phasenverzug wie beim Stand der Technik deutlich reduziert werden bzw. es wird der Phasenverzug der ermittelten Relativgeschwindigkeit durch den Einsatz des beschriebenen Zustandsbeobachters bei gleichem Rauschanteil wie beim Stand der Technik deutlich reduziert. Vorteilhafterweise können durch eine mögliche Störgrößenbeobachtung die nicht gemessene/n Beschleunigung/en geschätzt werden. insbesondere kann durch die Störgrößenbeobachtung die Relativbeschleunigung geschätzt werden. Vorteilhafterweise kann der Phasenverzug der ermittelten Relativgeschwindigkeit gegenüber der realen physikalischen Relativgeschwindigkeit am Dämpfer bzw. Aktuator durch eine Beschleunigungsaufschaltung verringert werden. Es kann dabei sogar eine Voreilung der Relativgeschwindigkeit gegenüber der realen physikalischen Relativgeschwindigkeit erreicht werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
