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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln einer Anlage mit einer erwünschten Genauigkeit durch Verwendung eines Delta-Sigma-(ΔΣ)-Modulationsalgorithmus.
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Wie in der
JP 2003-195908 A gezeigt, ist ein System zum Steuern/Regeln einer Anlage durch Verwendung eines Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus (oder eines Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus oder eines Delta-Modulationsalgorithmus) bekannt. Solange die Anlage in der Lage ist, als Antwort auf eine Steuer-/Regeleingabe, welche zwischen „an” und „aus” geschaltet wird, eine geeignete Steuer-/Regelausgabe zu erzeugen, kann die Anlage mit gewünschter Genauigkeit durch Verwendung des Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus gesteuert/geregelt werden.
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18 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Steuer-/Regeleinheit, bei welcher ein Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet wird. Eine Anlage 101, welche ein gesteuertes/geregeltes Objekt ist, wird durch die Verwendung von Modellparametern modelliert. Ein Identifikator 102 bestimmt rekursiv die Modellparameter, basierend auf einer Steuer-/Regeleingabe und einer Steuer-/Regelausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts 101. Eine Zustands-Vorhersageeinrichtung 103 berücksichtigt eine Totzeit des gesteuerten/geregelten Objekts 101, um einen vorhergesagten Wert für die Steuer-/Regelausgabe durch Verwendung der Modellparameter zu erhalten. Der vorhergesagte Wert wird mit einem Sollwert verglichen. Ein Verstärker 104 verstärkt eine Abweichung zwischen dem vorhergesagten Wert und dem Sollwert, um eine Referenzeingabe auszugeben. Eine Steuer-/Regeleinheit 105 wendet den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus auf die Referenzeingabe an, um eine in das gesteuerte/geregelte Objekt 101 einzugebende Steuer-/Regeleingabe zu erhalten.
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Die Zustands-Vorhersageeinrichtung erzeugt den vorhergesagten Wert für die Steuer-/Regelausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts, so dass die im gesteuerten/geregelten Objekt enthaltene Totzeit kompensiert wird. Wenn das gesteuerte/geregelte Objekt keine Totzeit aufweist, ist die Zustands-Vorhersageeinrichtung nicht erforderlich. Wenn die Zustands-Vorhersageeinrichtung nicht vorhanden ist, sind die durch den Identifikator bestimmten Modellparameter nicht in der Steuer-/Regeleingabe wiedergespiegelt. Demzufolge kann sich die Steuer-/Regelgenauigkeit verschlechtern.
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Aus der
DE 102 55 364 A1 ist eine Steuer-/Regelvorrichtung zum Steuern/Regeln eines Objekts bekannt, welches unter Verwendung wenigstens eines Modellparameters modelliert wird, umfassend: einen Identifikator zum Bestimmen des Modellparameters, eine Steuer-/Regeleinheit, welche an den Identifikator gekoppelt ist, wobei die Steuer-/Regeleinheit unter Verwendung des Modellparameters eine Referenzeingabe ermittelt, so dass eine Ausgabe des Objekts zu einem Sollwert konvergiert; und wobei der Identifikator den Modellparameter basierend auf der Ausgabe des Objekts und der Referenzeingabe bestimmt.
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Aus der
EP 0 486 865 A1 ist ein Modulator bekannt, der einen Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus auf die Referenzeingabe anwendet, um eine Eingabe zu ermitteln.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Steuer-/Regelvorrichtung anzugeben, welche in der Lage ist, ein gesteuertes/geregeltes Objekt, das keine Totzeit aufweist, mit gewünschter Genauigkeit durch Verwendung eines Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus zu steuern/regeln.
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Ein Ausgabesignal von der Steuer-/Regeleinheit, welche den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet, ist eine Rechteckwelle. Wenn die Modellparameter durch die Verwendung eines derartigen Rechteckwellensignals bestimmt werden, können die Modellparameter zum Schwingen neigen. Eine derartige Schwingung der Modellparameter kann eine Instabilität im Steuer-/Regelsystem verursachen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Steuer-/Regeleinheit anzugeben, welche verhindert, dass Modellparameter beim Steuern/Regeln unter Verwendung eines Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus schwingen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Steuer-/Regelvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 7 angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird der durch den Identifikator bestimmte Modellparameter an die Steuer-/Regeleinheit weitergereicht, welche den Modellparameter verwendet, um die Referenzeingabe zu ermitteln, so dass die Ausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts zu einem Sollwert konvergiert. Die Eingabe in das gesteuerte/geregelte Objekt wird durch Anwenden des Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus (oder des Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus oder des Delta-Modulationsalgorithmus) auf die Referenzeingabe bestimmt. Dadurch wird der bestimmte Modellparameter, der an das Verhalten des gesteuerten/geregelten Objekts angepasst werden soll, in der Steuer-/Regeleingabe des gesteuerten/geregelten Objekts wiedergespiegelt. Weiterhin wird verhindert, dass der Modellparameter schwingt, da der Identifikator den Modellparameter basierend auf der Referenzeingabe bestimmt.
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Die Steuer-/Regeleinheit ermittelt die Referenzeingabe, indem sie einen Antwortzuordnungs-Steuer-/Regelalgorithmus mit zwei Freiheitsgraden verwendet. Durch die Verwendung des Steuer-/Regelalgorithmus können die Konvergenz der Steuer-/Regelausgabe gegen Störungen und die Eigenschaft, dass die Steuer-/Regelausgabe einem Sollwert folgt, getrennt bestimmt werden. Gemäß dem Steuer-/Regelalgorithmus kann die Ausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts ohne Überschwingen zu dem Sollwert mit einer festgelegten Geschwindigkeit konvergieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine virtuelle Anlage so konfiguriert, dass sie das gesteuerte/geregelte Objekt und mit dem ersten Modellparameter in Verbindung stehende Komponenten umfasst. Die virtuelle Anlage wird unter Verwendung des zweiten Modellparameters modelliert. Der Identifikator bestimmt den zweiten Modellparameter, so dass eine tatsächliche Ausgabe der virtuellen Anlage zu einer Ausgabe der unter Verwendung des zweiten Modellparameters modellierten virtuellen Anlage konvergiert. Die Konfiguration einer derartigen virtuellen Anlage verringert die Anzahl der zu bestimmenden Modellparameter, was die Zeit verkürzt, welche erforderlich ist, um zu bewirken, dass der Modellparameter zu einem optimalen Wert konvergiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Modellparameter, welcher eine auf das gesteuerte/geregelte Objekt wirkende Störung repräsentiert, zum Modellieren des Objekts verwendet. Der Identifikator bestimmt den die Störung repräsentierenden Modellparameter basierend auf der Ausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts und der Referenzeingabe. Da der Identifikator den die Störung repräsentierenden Modellparameter basierend auf der Referenzeingabe ermittelt, wird verhindert, dass der die Störung repräsentierende Modellparameter schwingt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuer-/Regelvorrichtung ferner ein Parameter-Steuerprogramm zum Halten des im Voraus bestimmten ersten Modellparameters. Wenn der im Voraus ermittelte Parameter empfangen ist, ermittelt das Parameter-Steuerprogramm den Wert des ersten Modellparameters, welcher dem empfangenen im Voraus ermittelten Parameter entspricht. Gemäß der Erfindung kann der Modellparameter, der durch das Verhalten des gesteuerten/geregelten Objekts beeinflusst werden kann, durch den Identifikator rekursiv bestimmt werden. Was den Modellparameter angeht, der weniger durch das Verhalten des gesteuerten/geregelten Objekts beeinflusst werden kann, kann der im Voraus bestimmte Wert im Parameter-Steuerprogramm gehalten werden. Ein derartiges System der Ermittlung der Modellparameter kann die Geschwindigkeit zum Bestimmen der Modellparameter beschleunigen, ohne Einfluss auf das Verhalten des Steuer-/Regelsystems auszuüben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das gesteuerte/geregelte Objekt eine Einrichtung für eine variable Phase, um eine Phase einer Nockenwelle eines Motors variabel zu steuern/regeln. In diesem Fall ist die Steuer-/Regeleingabe in das gesteuerte/geregelte Objekt ein Befehl, welcher der Einrichtung für eine variable Phase zugeführt wird. Die Steuer-/Regelausgabe des gesteuerten/geregelten Objekts ist eine Phase der Nockenwelle. Gemäß der Erfindung kann die Fahrbarkeit und die Kraftstoffeffizienz erhöht werden, da die Phase der Nockenwelle zu einem Sollwert mit gewünschter Genauigkeit und ohne Überschwingen konvergiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das gesteuerte/geregelte Objekt ein System, welches sich von einem Motor bis zu einem Abgassensor erstreckt. In diesem Fall ist die Steuer-/Regeleingabe ein Parameter, welcher mit dem Motor zuzuführendem Kraftstoff in Verbindung steht (beispielsweise ein Kraftstoffkorrekturkoeffizient) und die Steuer-/Regelausgabe ist eine Ausgabe des Abgassensors. Gemäß der Erfindung kann der Anteil unerwünschter Stoffe im Abgas verringert werden, da die Ausgabe des Abgassensors mit gewünschter Genauigkeit und ohne Überschwingen zu einem Sollwert konvergiert.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen werden nun bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Motors und dessen Steuer-/Regeleinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein Blockdiagramm einer Einrichtung für eine kontinuierlich variable Phase gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuer-/Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt ein Ergebnis der Unterdrückung von Schwingungen bei einem Modellparameter durch ein Steuer-/Regelsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine Schaltfunktion einer Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt einen Antwortzuordnungsparameter einer Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 ist ein Blockdiagramm, welches eine Struktur einer virtuellen Anlage für einen partiellen Bestimmungsalgorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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8 ist ein Blockdiagramm, welches einen Delta-Sigma-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 zeigt ein Ergebnis der Verhinderung des Haltens eines Modulationssignals bei einem Delta-Sigma-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt ein Ergebnis, welches durch das Anwenden eines Verschiebungswerts auf eine Referenzeingabe bei einem Delta-Sigma-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt ist.
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11 zeigt ein Beispiel jeder Signalwelle bei einem Delta-Sigma-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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12 zeigt einen Steuer-/Regelfluss gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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13 zeigt ein Kennfeld, welches zum Bestimmen eines Sollwertes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine Phase einer Nockenwelle verwendet werden soll.
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14 zeigt ein Flussdiagramm zum Bestimmen von Modellparametern durch ein Modellparameter-Steuerprogramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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15 zeigt Kennfelder zum Bestimmen von Modellparametern a1 und a2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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16 ist ein Blockdiagramm eines Sigma-Delta-Modulators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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17 ist ein Blockdiagramm eines Sigma-Delta-Modulators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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18 zeigt ein typisches Blockdiagramm einer Steuer-/Regelvorrichtung gemäß einem konventionellen System zum Steuern/Regeln eines Objekts, welches eine Totzeit aufweist.
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Struktur eines Verbrennungsmotors und einer Steuer-/Regeleinheit
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1 ist ein Blockdiagramm, welches einen Verbrennungsmotor (im Folgenden als Motor bezeichnet) und eine Steuer-/Regeleinheit für den Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Eine elektronische Steuer-/Regeleinheit (im Folgenden mit ECU (= Electronic control unit) bezeichnet) 1 umfasst eine Eingabeschnittstelle 1a zum Empfangen von Daten, welche von jedem Teil des Fahrzeugs gesendet sind, eine CPU 1b zum Ausführen von Prozessen zum Steuern/Regeln jedes Teils des Fahrzeugs, einen Speicher 1c, welcher einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen Arbeitsspeicher (RAM) umfasst und eine Ausgabeschnittstelle 1d zum Senden von Steuer-/Regelsignalen zu jedem Teil des Fahrzeugs. Programme und verschiedene Daten zum Steuern/Regeln jedes Teils des Fahrzeugs werden im ROM gespeichert. Programme und Daten zum Implementieren eines Steuer-/Regelvorgangs gemäß der Erfindung sind im ROM gespeichert. Der ROM kann ein wiederbeschreibbarer ROM, wie beispielsweise ein EPROM sein. Der RAM stellt Arbeitsbereiche für Prozesse der CPU 1b bereit, bei denen von jedem Teil das Fahrzeugs gesendete Daten sowie Steuer-/Regelsignale, welche an jeden Teil des Fahrzeugs gesendet werden sollen, vorübergehend gespeichert werden.
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Ein Motor 2 ist zum Beispiel ein Viertakt-DOHC-Benzinmotor (DOHC = double overhead cam shaft” = doppelte, obenliegende Nockenwelle). Der Motor 2 umfasst eine Einlass-Nockenwelle 5 und eine Auslass-Nockenwelle 6. Die Einlass-Nockenwelle 5 weist einen Einlassnocken 5a auf zum Treiben des Öffnens und Schließens eines Einlassventils 3. Die Auslass-Nockenwelle 6 weist einen Auslassnocken 6a auf zum Treiben des Öffnens und Schließens eines Auslassventils 4. Diese Einlass- und Auslass-Nockenwellen 5 und 6 sind über einen (nicht gezeigten) Zahnriemen mit einer Kurbelwelle 7 verbunden. Diese Nockenwellen drehen sich einmal während jeweils zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 7.
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Eine Einrichtung 10 für eine kontinuierlich variable Phase (im Folgenden als „Phaseneinrichtung” bezeichnet) weist einen Mechanismus 11 für eine kontinuierlich variable Phase (im Folgenden als „Phasenmechanismus” bezeichnet) und eine hydraulische Antriebseinheit 12 auf. Die hydraulische Antriebseinheit 12 treibt den Phasenmechanismus 11 mit einem hydraulischen Druck gemäß einem von der ECU 1 bereitgestellten Befehlswert an. Dabei kann eine tatsächliche Phase CAIN des Einlassnockens 5a kontinuierlich bezüglich der Kurbelwelle 7 vorlaufen oder sich verzögern. Die Phaseneinrichtung 10 wird später mit Bezug auf 2 in Einzelheiten beschrieben.
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Ein Nockenwinkelsensor 20 ist an einem Endabschnitt der Einlass-Nockenwelle 5 angebracht. Wenn sich die Einlass-Nockenwelle 5 dreht, gibt der Nockenwinkelsensor 20 an die ECU 1 bei jedem vorbestimmten Nockenwinkel (zum Beispiel bei jedem vollen Grad) ein CAM-Signal aus, welches ein Pulssignal ist.
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Ein Drosselventil 16 ist in einem Einlassverteiler 15 des Motors 2 angeordnet. Ein Öffnungsgrad des Drosselventils 16 wird durch ein Steuer-/Regelsignal von der ECU 1 gesteuert/geregelt. Ein Drosselventil-Öffnungssensor (θ TH) 17, welcher mit dem Drosselventil 16 verbunden ist, versorgt die ECU 1 mit einem elektrischen Signal, welches dem Öffnungswinkel des Drosselventils 16 entspricht.
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Ein Sensor 18 für den Einlassverteilerdruck (Pb) ist stromabwärts des Drosselventils 16 angeordnet. Der durch den Pb-Sensor detektierte Einlassverteilerdruck Pb wird an die ECU 1 gesendet.
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Ein Kraftstoff-Einspritzventil 19 ist für jeden Zylinder im Einlassverteiler 15 vorgesehen. Das Kraftstoff-Einspritzventil 19 wird mit Kraftstoff aus einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank versorgt, um den Kraftstoff gemäß einem Steuer-/Regelsignal von der ECU 1 einzuspritzen.
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Ein Kurbelwinkelsensor 21 ist im Motor 2 angeordnet. Der Kurbelwinkelsensor 21 gibt gemäß der Drehung der Kurbelwelle 7 an die ECU 1 ein CRK-Signal und ein TDC-Signal aus, welches Pulssignale sind.
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Das CRK-Signal ist ein Pulssignal, welches bei jedem vorbestimmten Kurbelwinkel (zum Beispiel 30 Grad) ausgegeben wird. Die ECU 1 berechnet eine Umdrehungsgeschwindigkeit NE des Motors 2 gemäß dem CRK-Signal. Die ECU 1 berechnet weiterhin eine Phase CAIN basierend auf dem CRK-Signal und dem CAM-Signal. Das TDC-Signal ist ebenfalls ein Pulssignal, welches bei einem Kurbelwinkel ausgegeben wird, der mit einer TDC-Position eines Kolbens 9 in Verbindung steht.
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Ein Auslassverteiler 22 ist an der Stromabwärts-Seite des Motors 2 angeordnet. Der Motor 2 emittiert Abgase durch den Auslassverteiler 22. Ein Katalysator 23, welcher im Auslassverteiler 22 angeordnet ist, reinigt unerwünschte Stoffe, wie beispielsweise HC, CO, NOx, welche im Abgas enthalten sind.
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Ein breitbandiger Sensor 24 für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LAF) ist stromaufwärts des Katalysators 23 angeordnet. Der LAF-Sensor 24 detektiert ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis über einen breiten Bereich, welcher von fett bis mager reicht. Das detektierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird an die ECU 1 gesendet.
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Ein O2-(Abgas)-Sensor 25 ist stromabwärts des Katalysators 23 angeordnet. Der O2-Sensor 25 ist Abgas-Gaskonzentrationssensor vom Binärtyp. Der O2-Sensor gibt einen hohen Signalpegel aus, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fetter ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, und gibt einen niedrigen Signalpegel aus, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Das elektrische Signal wird an die ECU 1 gesendet.
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An die ECU 1 gesendete Signale werden an die Eingabeschnittstelle 1a weitergereicht. Die Eingabeschnittstelle 1a wandelt analoge Signalwerte in digitale Signalwerte um. Die CPU 1b verarbeitet die resultierenden digitalen Signale, führt Prozesse gemäß den im Speicher 1c gespeicherten Programmen aus und erzeugt Steuer-/Regelsignale. Die Ausgabeschnittstelle 1d sendet diese Steuer-/Regelsignale an Betätiger für das Drosselventil 16, die hydraulische Antriebseinheit 12, das Kraftstoff-Einspritzventil 19 und andere mechanische Komponenten.
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Einrichtung für eine kontinuierlich variable Phase
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Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist das gesteuerte/geregelte Objekt eine Phaseneinrichtung. Ein Steuer-/Regelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann allerdings auch bei anderen gesteuerten/geregelten Objekten angewandt werden.
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2 zeigt ein Beispiel der in 1 gezeigten Phaseneinrichtung 10. Die Phaseneinrichtung 10 weist den Phasenmechanismus 11 und die hydraulische Antriebseinheit 12 wie oben beschrieben auf.
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Ein Befehlswert Ucain wird von der ECU 1 zu einer Spule 31 bereitgestellt. Die Spule 31 wird gemäß dem Befehlswert Ucain mit Strom versorgt, und dann wird ein hydraulisches Spulenventil 32 durch die Spule 31 angetrieben. Das hydraulische Spulenventil 32 steuert/regelt den Durchfluss von hydraulischem Fluid von einem Behälter 33 durch eine Pumpe 34 zu dem Phasenmechanismus 11.
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Das hydraulische Spulenventil 32 ist mit dem Phasenmechanismus 11 durch einen Vorlauf-Öldurchgang 36a und einen Verzögerungs-Öldurchgang 36b verbunden. Ein hydraulischer Druck OP1 des hydraulischen Fluids, welches zum Vorlauf-Öldurchgang 36a zugeführt werden soll, und ein hydraulischer Druck OP2 des hydraulischen Fluids, welches zum Verzögerungs-Öldurchgang 36b zugeführt werden soll, werden durch das hydraulische Spulenventil 32 gemäß dem Befehlswert Ucain gesteuert/geregelt.
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Der Phasenmechanismus 11 umfasst ein Gehäuse 41 und ein Flügelrad 42. Das Gehäuse 41 ist durch ein Zahnrad und einen Zahnriemen (beide nicht gezeigt) mit der Kurbelwelle 7 verbunden. Das Gehäuse 41 dreht sich in die gleiche Richtung wie die Drehung der Kurbelwelle 7.
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Das Flügelrad 42 erstreckt sich radial von der Einlass-Nockenwelle 5, welche in der Gehäuse 41 eingefügt ist. Das Flügelrad 42 ist derart im Gehäuse 41 aufgenommen, dass es sich relativ zum Gehäuse 41 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs drehen kann. Der im Gehäuse 41 gebildete fächerförmige Raum ist durch das Flügelrad 42 in drei Vorlauf-Kammern 43a, 43b und 43c und drei Verzögerungs-Kammern 44a, 44b und 44c aufgeteilt. Der Vorlauf-Durchgang 36a ist mit den drei Vorlauf-Kammern 43a bis 43c verbunden. Das hydraulische Fluid, das unter dem hydraulischen Druck OP1 steht, wird durch den Vorlauf-Durchgang 36a den Vorlauf-Kammern 43a bis 43c zugeführt. Der Verzögerungs-Durchgang 36b ist mit den drei Verzögerungs-Kammern 44a bis 44c verbunden. Das hydraulische Fluid, das unter dem hydraulischen Druck OP2 steht, wird durch den Verzögerungs-Durchgang 36b den Verzögerungs-Kammern 44a bis 44c zugeführt.
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Wenn eine Differenz zwischen dem hydraulischen Druck OP1 und dem hydraulischen Druck OP2 Null ist, dreht sich das Flügelrad 42 nicht relativ zum Gehäuse 41, so dass der Phasenwert CAIN gehalten wird. Wenn der hydraulische Druck OP1 gemäß dem Befehlswert Ucain von der ECU 1 größer wird als der hydraulische Druck OP2, dreht sich das Flügelrad 42 relativ zum Gehäuse 41 in der Vorlauf-Richtung, so dass die Phase CAIN nach vorne läuft. Wenn der hydraulische Druck OP2 gemäß dem Befehlswert Ucain von der ECU 1 größer wird als der hydraulische Druck OP1, dreht sich das Flügelrad 42 relativ zum Gehäuse 41 so, dass die Phase CAIN verzögert wird.
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Bei einer derartigen Phaseneinrichtung können Veränderungen im aus der Pumpe austretenden hydraulischen Fluid auftreten. Die Viskosität des hydraulischen Fluids kann sich ändern. Der Abstand zwischen dem Flügelrad und dem Gehäuse kann sich mit der Zeit ändern. Diese Voraussetzungen können das Verhalten der Phaseneinrichtung ändern. Es ist daher vorteilhaft, die Phase CAIN so zu steuern/regeln, dass die Phase CAIN zu einem Sollwert, unempfindlich gegen derartige Änderungen des Verhaltens der Phaseneinrichtung, konvergiert.
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Die Phase CAIN ändert sich nichtlinear mit der Änderung des hydraulischen Drucks. Eine Steuerung/Regelung, welche den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet, ist wirksam bei einem System, welches derartige nichtlineare Eigenschaften aufweist.
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Struktur einer Steuer-/Regelvorrichtung
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuer-/Regelvorrichtung zum Steuern/Regeln der Phaseneinrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie oben beschrieben ist die Steuer-/Regeleingabe Ucain in die Phaseneinrichtung 10, welche ein gesteuertes/geregeltes Objekt ist, ein Befehlswert zum Treiben der Spule 31. Die Steuer-/Regelausgabe CAIN ist eine tatsächliche Phase des Einlassnockens 5a relativ zur Kurbelwelle 7.
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Gleichung (1) zeigt eine Modellgleichung der Phaseneinrichtung 10. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, wird die Phaseneinrichtung 11 als ein System dargestellt, welches keine Totzeit aufweist.
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Auf die Phaseneinrichtung 10 kann eine Störung wirken. Wenn angenommen wird, dass eine derartige Störung durch c1 repräsentiert wird, wird die Modellgleichung von Gleichung (1) durch Gleichung (2) ersetzt. „c1” kann als ein geschätzter Störungswert bezeichnet werden.
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Der Einfluss des Verhaltens der Phaseneinrichtung 10 auf die Modellparameter b1, b2 und c1 ist größer als der Einfluss auf die Modellparameter a1 und a2. Daher werden die Modellparameter b1, b2 und c1 rekursiv durch einen partiellen Modellparameter-Identifikator 51 bestimmt, so dass Modellierungsfehler ausgemerzt werden. Andererseits werden die Modellparameter a1 und a2 im Voraus bestimmt. Eine Beziehung zwischen den Modellparametern a1 und a2 und Betriebsbedingungen des Motors (zum Beispiel der Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE) können als ein Kennfeld im Speicher 1c gespeichert werden. Das Modellparameter-Steuerprogramm 52 bezieht sich auf das Kennfeld, um basierend auf detektierten Betriebsbedingungen des Motors die Werte der Modellparameter a1 und a2 zu extrahieren. Alternativ kann das Modellparameter-Steuerprogramm ein derartiges Kennfeld enthalten.
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Daher kann die Zeit, welche für das Konvergierenlassen der Modellparameter zu Sollwerten erforderlich ist, verringert werden, da die Anzahl der durch den Identifikator rekursiv zu bestimmenden Modellparameter verringert ist. Die Komplexität der Bestimmung kann verringert werden.
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Der partielle Modellparameter-Identifikator 51 und das Modellparameter-Steuerprogramm 52 sind mit einer Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 verbunden, welche zwei Freiheitsgrade aufweist (im Folgenden als „Sliding-Mode Steuer/Regeleinheit” bezeichnet). Ein System 55, welches einen Delta-Sigma-Modulator 54 und die Phaseneinrichtung 10 umfasst, ist ein gesteuertes/geregeltes Objekt der Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53. Die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 verwendet die Modellparameter a1 bis c1, welche sie vom partiellen Modellparameter-Identifikator 51 und dem Modellparameter-Steuerprogramm 52 erhalten hat, um die Referenzeingabe Rcain zu berechnen, so dass die Steuer-/Regelausgabe CAIN zu einem Sollwert CAIN_cmd konvergiert (insbesondere, so dass die Steuer-/Regelausgabe CAIN zu CAIN_cmd_f konvergiert, welcher von dem Sollwert CAIN_cmd abgeleitet ist, was später beschrieben werden wird).
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Der Delta-Sigma-Modulator 54 wendet den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus auf die von der Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 erhaltene Referenzeingabe Rcain an, um die Steuer-(Regeleingabe Ucain zu berechnen. Die Steuer/Regeleingabe Ucain wird an die Phaseneinrichtung 10 angewandt.
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Weil der partielle Modellparameter-Identifikator 51 und das Modellparameter-Steuerprogramm 52 mit der Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 verbunden sind, spiegelt sich das Bestimmungsergebnis in der Referenzeingabe Rcain wieder und spiegelt sich daher in der Steuer-/Regeleingabe Ucain wieder. Daher kann das Bestimmungsergebnis in der Steuer-/Regeleingabe wiedergespiegelt sein, selbst wenn das System, welches keine Totzeit aufweist, gesteuert/geregelt wird. Da das Bestimmungsergebnis in der Steuer-/Regeleingabe wiedergespiegelt sein kann, kann das gesteuerte/geregelte Objekt mit gewünschter Genauigkeit und ohne Modellierfehler gesteuert/geregelt werden.
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Es ist zu beachten, dass die Referenzeingabe Rcain in den partiellen Modellparameter-Identifikator 51 eingegeben wird. Wie mit Bezug zu 18 beschrieben, wird üblicherweise die Ausgabe des Delta-Sigma-Modulators (das heißt, die Ausgabe der Steuer-/Regeleinheit 105) in den Identifikator 102 eingegeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Eingabe in den Delta-Sigma-Modulator (das heißt, die Referenzeingabe Rcain) in den Identifikator 51 eingegeben. Dies hat die folgenden Vorteile zur Folge.
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Wie in 4(a) gezeigt, erzeugt der Delta-Sigma-Modulator 54 basierend auf der Referenzeingabe Rcain ein Modulationssignal Ucain, welches zwischen positiven und negativen Werten wechselt. Ein Verfahren zum Erzeugen des Modulationssignals Ucain durch den Delta-Sigma-Modulator 54 wird später beschrieben.
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Wenn die Modellparameter basierend auf einem derartigen, sich verändernden Modulationssignal Ucain bestimmt werden, erscheinen Schwankungen im geschätzten Störungswert c1. Zu Vergleichszwecken wird eine tatsächliche Störung durch Bezugszeichen 57 in 4 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass der geschätzte Störungswert c1 relativ zur tatsächlichen Störung 57 schwingt. Da die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 den geschätzten Störungswert c1 zum Berechnen der Referenzeingabe Rcain verwendet, können Schwankungen in der Referenzeingabe Rcain auftreten, welche Schwankungen in der Steuer-/Regelausgabe CAIN verursachen können. Dies kann zu einer Instabilität im Steuer-/Regelsystem führen und daher eine Resonanz im Steuer-/Regelsystem erzeugen.
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Bei den Modellparametern b1 und b2 können ähnliche Schwingungen wie die in 4(b) gezeigten auftreten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Referenzeingabe Rcain in den partiellen Modellparameter-Identifikator 51 eingegeben. Da die Referenzeingabe Rcain keine wie in 4(a) gezeigten Schwingungen zeigt, wird verhindert, dass der vom Identifikator 51 berechnete geschätzte Störungswert c1 schwingt. 4(c) zeigt einen geschätzten Störungswert c1, welcher basierend auf der Referenzeingabe Rcain berechnet ist. Wie durch Vergleich mit 4(b) ersichtlich, werden die im geschätzten Störungswert c1 auftretenden Schwingungen unterdrückt. In den anderen Modellparametern b1 und b2 auftretende Schwingungen werden ähnlich unterdrückt.
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Daher können gemäß der vorliegenden Erfindung Schwingungen bei den Modellparametern verhindert werden, weil der partielle Modellparameter-Identifikator 51 die Modellparameter durch die Verwendung der Eingabe Rcain in den Delta-Sigma-Modulator 54 bestimmt. Das Auftreten von Schwingungen bei der Steuer-/Regelausgabe CAIN kann unterdrückt werden. Da die Eingabe Rcain in den Delta-Sigma-Modulator 54 mit dem partiellen Modellparameter-Identifikator 51 verbunden ist, ist die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 so ausgelegt, dass sie das System 55, welches sowohl den Delta-Sigma-Modulator 54 als auch die Phaseneinrichtung 10 wie oben beschrieben umfasst, steuert/regelt. Gemäß einer derartigen Anordnung kann die Konsistenz des Steuer-/Regelsystems wie in 3 gezeigt erhalten werden.
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Bei dieser Ausführungsform werden die Modellparameter a1 und a2 basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors durch das Modellparameter-Steuerprogramm 52 berechnet. Alternativ können die Modellparameter a1 und a2 auf im Voraus ermittelte Werte festgesetzt sein.
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Nun wird jeder der in 3 gezeigten Blöcke im Folgenden beschrieben.
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Die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 berechnet die Referenzeingabe Rcain unter Verwendung eine Sliding-Mode Steuerung/Regelung mit zwei Freiheitsgraden. Eine Sliding-Mode Steuerung/Regelung ist eine Antwortzuordnungssteuerung/-regelung, welche eine Konvergenzgeschwindigkeit einer gesteuerten/geregelten Variablen festlegen kann. Die Sliding-Mode Steuerung/Regelung mit zwei Freiheitsgraden ist eine erweiterte Version der Sliding-Mode Steuerung/Regelung. Gemäß der Sliding-Mode Steuerung/Regelung mit zwei Freiheitsgraden können eine Geschwindigkeit, mit welcher eine gesteuerte/geregelte Variable einem Sollwert folgt und eine Geschwindigkeit, mit welcher die gesteuerte/geregelte Variable konvergiert, wenn eine Störung wirkt, separat festgelegt werden.
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Wie in Gleichung (3) gezeigt, verwendet die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 einen Antwortzuordnungsparameter POLE_f für den Sollwert, um einen Verzögerungsfilter erster Ordnung (einen Tiefpassfilter) an den Sollwert CAIN_cmd anzuwenden. Der Antwortzuordnungsparameter POLE f für den Sollwert definiert die Geschwindigkeit, mit der die gesteuerte/geregelte Variable dem Sollwert folgt. Er ist so festgesetzt, dass –1 < POLE_f < 0 erfüllt ist.
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Wie in Gleichung (3) gezeigt, wird die Zustandskurve des Sollwertes CAIN_cmd_f durch den Antwortzuordnungsparameter POLE_f für den Sollwert festgelegt. Die Geschwindigkeit, mit der die gesteuerte/geregelte Variable dem Sollwert folgt, kann entsprechend der für den Sollwert festgesetzten Zustandskurve festgelegt werden. Die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 berechnet die Referenzeingabe Rcain, so dass die gesteuerte/geregelte Variable CAIN zu dem derart bestimmten Sollwert CAIN_cmd_f konvergiert.
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Die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 definiert eine Schaltfunktion σ wie in Gleichung (4) gezeigt. Ecain ist ein Fehler der tatsächlichen Phase CAIN verglichen mit dem Sollwert CAIN_cmd_f. Die Schaltfunktion σ legt ein Konvergenzverhalten des Fehlers fest. POLE ist ein Antwortzuordnungsparameter zum Unterdrücken von Störungen. Die Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers Ecain, wenn eine Störung wirkt, wird durch den Antwortzuordnungsparameter POLE bestimmt. Der Antwortzuordnungsparameter POLE ist so festgelegt, dass er –1 < POLE < 0 erfüllt.
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Wie in Gleichung (5) gezeigt, berechnet die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 die Steuer-/Regeleingabe so, dass die Schaltfunktion σ Null wird.
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Die Gleichung (5) repräsentiert ein Verzögerungssystem erster Ordnung, welches keine Eingabe aufweist. In anderen Worten steuert/regelt die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 der Fehler Ecain so, dass der Fehler Ecain innerhalb des in der Gleichung (5) gezeigten Verzögerungssystems erster Ordnung begrenzt ist.
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5 zeigt eine Phasenebene mit Ecain(k) auf der vertikalen Achse und Ecain(k – 1) auf der horizontalen Achse. Eine Schaltlinie 61, welche durch die Gleichung (5) ausgedrückt wird, ist in der Phasenebene gezeigt. Wenn angenommen wird, dass ein Punkt 62 ein Startwert einer Zustandsgröße (Ecain(k – 1), Ecain(k)) ist, dann platziert die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 die Zustandsgröße auf die Schaltlinie 61 und begrenzt sie dann auf der Schaltlinie 61. Daher konvergiert die Zustandsgröße mit der Zeit automatisch zum Ursprung (d. h., Ecain(k) und Ecain(k – 1) = 0) der Phasenebene, da die Zustandsgröße in einem Verzögerungssystem erster Ordnung begrenzt ist, welches keine Eingabe aufweist. Durch das Einschränken der Zustandsgröße auf der Schaltlinie 61 kann die Zustandsgröße zum Ursprung konvergieren, ohne durch eine Störung beeinflusst zu werden.
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6 zeigt ein Beispiel der Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers Ecain. Bezugszeichen 63 zeigt einen Fall, wobei der Antwortzuordnungsparameter POLE zum Unterdrücken von Störungen einen Wert von –1 annimmt. Bezugszeichen 64 zeigt einen Fall, wobei POLE einen Wert von –0,8 annimmt. Bezugszeichen 65 zeigt einen Fall, wobei POLE einen Wert von –0,5 annimmt. Wenn der Betrag von POLE kleiner wird, erhöht sich die Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers Ecain.
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Die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 berechnet die Referenzeingabe Rcain gemäß Gleichung (6). Req ist eine äquivalente Steuer-/Regeleingabe zum Beschränken der Zustandsgröße auf der Schaltlinie. Rrch ist eine Annäherungsgesetz-(„reaching law”)Eingabe zum Platzieren der Zustandsgröße auf der geraden Schaltlinie.
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Ein Verfahren zum Berechnen der äquivalenten Steuer-/Regeleingabe Req wird nun beschrieben. Da die äquivalente Steuer-/Regeleingabe Req die Funktion hat, die Zustandsgröße an irgendeinem Ort in der Phasenebene zu halten, muss die Gleichung (7) erfüllt sein.
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Basierend auf Gleichung (7) und dem oben genannten Modellausdruck (2) wird die äquivalente Steuer-/Regeleingabe Req wie in Gleichung (8) gezeigt berechnet.
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Die Annäherungsgesetz-Eingabe Rrch wird gemäß Gleichung (9) berechnet. Krch zeigt eine Rückkopplungsverstärkung an. Der Wert der Rückkopplungsverstärkung Krch wird durch eine Simulation oder ähnliches im Voraus festgesetzt, welche die Stabilität, Reaktionsschnelligkeit, usw. der gesteuerten/geregelten Variablen berücksichtigt.
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Als nächstes wird ein durch den partiellen Modellparameter-Identifikator 52 implementierter Bestimmungsalgorithmus beschrieben. Der partielle Modellparameter Identifikator 52 bestimmt die Modellparameter b1, b2 und c1 der oben genannten Gleichung (2).
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Um die partielle Bestimmung durchzuführen, wird eine virtuelle Anlage konstruiert. Ein Verfahren zum Konstruieren der virtuellen Anlage wird im Folgenden beschrieben.
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Die Gleichung (2) wird um einen Schritt in die Vergangenheit verschoben (Gleichung (10)). Die im aktuellen Zyklus zu bestimmenden Modellparameter b1(k), b2(k) und c1(k) werden in die verschobene Gleichung substituiert (Gleichung (11)). Die zu bestimmenden Modellparameter werden auf der rechten Seite der Gleichung gesammelt (Gleichung (12)).
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Die linke Seite von Gleichung (12) wird durch W(k) repräsentiert und die rechte Seite durch W_hat(k).
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W(k), in Gleichung (13) gezeigt, kann als eine Ausgabe der virtuellen Anlage 71, wie in 7 gezeigt, angesehen werden. Die Ausgabe der virtuellen Anlage 71 wird erhalten, indem von der tatsächlichen Steuer-/Regelausgabe CAIN sowohl ein Wert subtrahiert wird, welcher durch Multiplizieren des Modellparameters a1 mit CAIN(k – 1) berechnet ist, wobei CAIN(k – 1) erhalten wird, indem die Steuer-/Regelausgabe CAIN durch ein Verzögerungselement 72 verzögert wird, als auch ein Wert, welcher durch Multiplizieren des Modellparameters a2 mit einem verzögerten Wert CAIN(k – 2) berechnet wird, wobei CAIN(k – 2) erhalten wird, indem CAIN(k – 1) durch ein Verzögerungselement 74 verzögert wird. Gleichung (14) kann als ein Modellausdruck der virtuellen Anlage 71 angesehen werden. Wenn kein Modellierfehler vorliegt, stimmt die Ausgabe W(k) der virtuellen Anlage mit der Ausgabe W_hat(k) des Modells der virtuellen Anlage überein.
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Der partielle Modellparameter-Identifikator 51 bestimmt durch die Verwendung eines rekursiven Bestimmungsalgorithmus die Modellparameter b1, b2 und c1, welche in dem Modellausdruck (14) der virtuellen Anlage 71 auftauchen.
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Der rekursive Bestimmungsalgorithmus wird wie in Gleichung (15) gezeigt ausgedrückt. Ein Modellparameter-Vektor θ(k) wird gemäß diesem Algorithmus berechnet.
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Der Modellparameter-Vektor θ(k) ist so berechnet, dass ein Modellierfehler E_id(k), welcher durch Gleichung (17) ausgedrückt wird, eliminiert wird, in anderen Worten, dass die Ausgabe W(k) der virtuellen Anlage 71 zu der Ausgabe W_hat(k) des Modells der virtuellen Anlage 71 konvergiert.
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KP(k) bezeichnet einen Verstärkungskoeffizientenvektor, welcher durch Gleichung (18) definiert ist. P(k) in Gleichung (18) ist gemäß Gleichung (19) berechnet.
wobei I eine Einheitsmatrix von (3×3) ist.
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In Abhängigkeit von den Werten von λ1 und λ2, ist der Typ des Bestimmungsalgorithmus gemäß Gleichungen (15) bis (19) folgendermaßen bestimmt:
λ1 = 1 und λ2 = 0: Algorithmus mit festgesetzter Verstärkung
λ1 = 1 und λ2 = 1: Algorithmus der kleinsten Quadrate
λ1 = 1 und λ2 = λ: Algorithmus mit sich verringernder Verstärkung (λ ist ein vorbestimmter Wert außer 0 und 1)
λ1 = λ und λ2 = 1: gewichteter Algorithmus der kleinsten Quadrate (λ ist ein vorbestimmter Wert außer 0 und 1)
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Eine durch den Delta-Sigma-Modulator 54 implementierte Delta-Sigma-Modulation wird mit Bezug auf 8 beschrieben. Der Delta-Sigma-Modulator 54 erzeugt die Eingabe Ucain in das gesteuerte/geregelte Objekt, so dass die Wellenform der Ausgabe CAIN des gesteuerten/geregelten Objekts mit der Wellenform der Referenzeingabe Rcain übereinstimmt.
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Ein Begrenzer 81 führt einen Begrenzungsprozess bei dem durch die Sliding-Mode-Steuer-/Regeleinheit 53 berechneten Referenzeingabesignal Rcain durch, wie in Gleichung (20) gezeigt. Zum Beispiel wird die Referenzeingabe Rcain durch die Funktion Lim() in einem Bereich zwischen einem Minimalwert (beispielsweise –12 V) und einem Maximalwert (beispielsweise +12 V) begrenzt. Ein Verschiebungswert Ucain_oft (zum Beispiel 0,5 V) wird vom Ausgabesignal r1 des Begrenzers 81 subtrahiert, wie in Gleichung (21) gezeigt.
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Wie in Gleichung (22) gezeigt, berechnet ein Subtrahierer
83 eine Differenz δ(k) zwischen dem Signal r2(k) und dem Modulationssignal u''(k – 1), welches durch ein Verzögerungselement
85 verzögert ist. Ein Integrierer
84 berechnet ein Integral der Differenz σ(k), indem der die Differenz δ(k) zum Integral der Differenz σ(k – 1) addiert, welche durch ein Verzögerungselement
86 verzögert ist, wie in Gleichung (23) gezeigt. Dann encodiert eine nichtlineare Funktionseinheit
87 das berechnete Integral der Differenz σ(k), um ein Modulationssignal u''(k) auszugeben, wie in Gleichung (24) gezeigt. Die nichtlineare Funktionseinheit
87 wendet eine nichtlineare Funktion fnl() auf das Integral der Differenz σ(k) an, wie in Gleichung (25) gezeigt.
wobei R > Maximalwert von |Rcain|
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Insbesondere gibt die nichtlineare Funktionseinheit 87 ein Signal aus, welches einen Wert von R hat, wenn das Integral der Differenz σ(k) gleich oder größer Null ist, und gibt ein Signal aus, welches einen Wert von –R hat, wenn das Integral das Differenz σ(k) kleiner als Null ist. Alternativ kann die nichtlineare Funktionseinheit 87 ein Signal ausgeben, welches einen Wert von Null hat, wenn das Integral der Differenz σ gleich Null ist. Hierbei ist der Wert R so festgesetzt, dass er größer ist als ein Maximal-Betrag, welchen das Referenzsignal Rcain annehmen darf.
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Ein Verstärker
88 verstärkt das Modulationssignal u''(k), um ein verstärktes Modulationssignal u(k) auszugeben, wie in Gleichung (26) gezeigt. Dann wird ein Verschiebungswert Ucain_oft (zum Beispiel 0,5 V) zu dem verstärkten Modulationssignal u(k) addiert, um die Steuer-/Regeleingabe Ucain zu erzeugen, wie in Gleichung (27) gezeigt. KDSM'' in Gleichung (26) ist eine Verstärkung zum Abstimmen der Amplitude des verstärkten Modulationssignals u (beispielsweise ist KDSM'' = 8)
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Der Begrenzer 81 ist im Delta-Sigma-Modulator 54 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus dem folgenden Grund vorgesehen. Wenn der Begrenzungsprozess nicht auf das Referenzsignal Rcain angewandt wird, dann kann eine Totzeit auftreten von dem Zeitpunkt, zu dem das Referenzsignal Rcain sich von einem positiven Wert zu einem negativen Wert ändert (oder von einem negativen Wert zu einem positiven Wert) bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Modulationssignal u'' als Antwort auf eine derartige Änderung von Rcain invertiert wird, wenn der Betrag des Referenzsignals Rcain einen Wert von eins oder mehr aufweist. Eine derartige Totzeit kann durch das Durchführen des Begrenzungsprozess durch den Begrenzer 81 unterdrückt werden.
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Der Grund dafür, dass die nichtlineare Funktionseinheit zum Ausgeben eines Wertes von +R oder –R vorgesehen ist, anstelle einer Vorzeichenfunktion, welche 1 oder –1 ausgibt, ist wie folgt. Hierbei wird angenommen, dass der oben beschriebene Begrenzer in einen Delta-Sigma-Modulator eingeführt wird, welcher eine Vorzeichenfunktion umfasst. In dem Fall, wenn das Referenzsignal Rcain nicht durch den Begrenzer begrenzt wird (d. h., |Rcain| < 1), wird das Modulationssignal u'', wie in 9(a) gezeigt, ausgegeben und die Steuer-/Regelgenauigkeit bleibt erhalten. In dem Fall allerdings, wenn das Referenzsignal durch den Begrenzer begrenzt wird (d. h., |Rcain| ≥ 1), wird das in 9(b) gezeigte Modulationssignal u'' ausgegeben, welches bei einem Maximalwert oder einem Minimalwert gehalten wird. Wenn die Häufigkeit, mit der das Signal bei dem Maximal- oder Minimalwert gehalten wird, hoch ist, kann sich die Steuer-/Regelgenauigkeit verschlechtern. Ein derartiges Halten tritt auf, weil der Referenzwert Rcain den Betrag (d. h., einen Wert von 1) des Modulationssignals u'' überschreitet, welches zurück in den Subtrahierer 83 geführt wird. Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform die nichtlineare Funktion fnl() eingeführt, so dass der Betrag des Modulationssignals u'' keinen Wert von eins aufweist, sondern einen Wert R aufweist, welcher größer ist als der Maximalwert, den das Referenzsignal annehmen darf. Ein Halten des Modulationssignals u'' wird vermieden, selbst wenn der Betrag des Referenzsignals Rcain gleich oder größer als eins ist, wie in 9(c) gezeigt.
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Weiterhin ist bei dem Delta-Sigma-Modulator 54 der vorliegenden Erfindung der Grund dafür, dass ein Subtraktions-/Additionsprozess des Verschiebungswerts Ucain_of eingeführt ist, wie folgt. Um die Steuer-/Regelgenauigkeit der Phase CAIN zu verbessern, ist es bevorzugt, dass die Häufigkeit, mit der die Steuer-/Regeleingabe Ucain als ein Maximalwert ausgegeben wird und die Häufigkeit, mit der die Steuer-/Regeleingabe Ucain als ein Minimalwert ausgegeben wird, annähernd gleich sind (d. h. jeweils 50%). Da allerdings tatsächlich die Steuer-/Regeleingabe Ucain einen positiven Wert aufweist, weist die durch die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit berechnete Referenzeingabe Rcain einen positiven Wert auf. Demzufolge ist die Häufigkeit, dass das Modulationssignal u'' als ein Maximalwert ausgegeben wird, größer, wie in 10(a) gezeigt.
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Um dieses Problem zu lösen wird, wie in Gleichung (21) gezeigt, bei der vorliegenden Ausführungsform ein Wert, der durch Subtrahieren des Verschiebungswerts Ucain_oft vom Referenzsignal Rcain erhalten wird (genauer gesagt, vom Signal r1 nach dem Begrenzungsprozess), als eine Eingabe in den Subtrahierer 83 genutzt (siehe Bezugszeichen 82 von 8). Daher können die Häufigkeit, mit der das Modulationssignal u'' als ein Maximalwert ausgegeben wird, und die Häufigkeit, mit der das Modulationssignal u'' als ein Minimalwert ausgegeben wird, annähernd gleich sein, wie in 10(b) gezeigt. Wie in Gleichung (27) gezeigt, wird der Verschiebungswert Ucain_oft addiert, wenn die tatsächlich Steuer-/Regeleingabe Ucain berechnet wird (siehe Bezugszeichen 89 in 8).
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11 zeigt ein Beispiel eines Simulationsergebnisses des Delta-Sigma-Modulators 54 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wenn ein sinuswellenförmiges Referenzsignal Rcain in den Modulator 54 eingegeben wird, wird ein Rechteckwellen-Modulationssignal u'' erzeugt. Durch Anwenden des auf dem Modulationssignal u'' basierenden Signals Ucain auf das gesteuerte/geregelte Objekt, kann das Ausgabesignal CAIN, welches die gleiche Frequenz aufweist, wie das Referenzsignal Rcain (wobei jedoch die Amplitude unterschiedlich sein kann). aus dem gesteuerten/geregelten Objekt ausgegeben werden. Daher erzeugt der Delta-Sigma-Modulator 54 das Modulationssignal u'', so dass die Wellenform des Referenzsignals Rcain in der Ausgabe CAIN des gesteuerten/geregelten Objekts reproduziert wird.
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Steuer-/Regelfluss
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12 ist ein Flussdiagramm eines Steuer-/Regelprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Prozess wird in einem vorbestimmten Zeitabstand ausgeführt.
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In Schritt S1 wird bestimmt, ob die Phaseneinrichtung 10 normal ist. Eine Abnormalität (wie beispielsweise ein Versagen usw.) der Phaseneinrichtung kann durch Verwendung irgendeiner geeigneten Methode detektiert werden. Wenn eine Abnormalität bei der Phaseneinrichtung detektiert wird, wird in Schritt S2 die Steuer-/Regeleingabe Ucain auf Null gesetzt. Bei dieser Ausführungsform ist die Phaseneinrichtung so ausgelegt, dass die tatsächliche Phase CAIN der Einlass-Nockenwelle am meisten verzögert ist, wenn die Steuer-/Regeleingabe Ucain Null ist.
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Wenn in Schritt S1 bestimmt wird, dass die Phaseneinrichtung 10 normal ist. wird bestimmt, ob der Motor im Startmodus ist (S3). Wenn der Motor im Startmodus ist, wird als der Sollwert CAIN_cmd in Schritt S4 ein vorbestimmter Wert CAIN_cmd_st gesetzt. Der vorbestimmte Wert CAIN_cmd_st ist so gesetzt, dass er etwas vorläuft (beispielsweise um etwa 10 Grad, wenn angenommen wird, dass die am meisten verzögerte Phase Null Grad entspricht), damit der Durchfluss in den Zylinder verbessert wird.
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Wenn der Motor nicht im Startmodus ist, wird auf ein Kennfeld, basierend auf der Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE, Bezug genommen, um den Sollwert CAIN_cmd in Schritt 5 zu bestimmen. Ein Beispiel des Kennfeldes ist in 13 gezeigt. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit NE höher ist, ist der Sollwert CAIN_cmd mehr in Richtung einer Verzögerung gesetzt. Ferner, wenn sich die verlangte Antriebskraft (welche üblicherweise durch den Öffnungswinkel des Gaspedals repräsentiert wird) erhöht, kann der Sollwert CAIN_cmd weiter verzögert gesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Antriebskraft des Motors verringert, wenn die Motorlast niedrig ist, indem die Verbrennung von Gas, welches im Zylinder verbleibt, bewirkt wird. Daher wird bei niedriger Motorlast die Phase CAIN nach vorne vorlaufend gesetzt. Wenn die Phase noch weiter nach vorne vorlaufend gesetzt wird, wird die Überlappzeit, währenddessen sowohl die Auslass-, als auch die Einlassventile offen sind, länger, wodurch die zur Verbrennung genutzte verbleibende Gasmenge vergrößert wird.
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In Schritt S6 führt das Modellparameter-Steuerprogramm 52 ein in 14 gezeigtes Unterprogramm zum Bestimmen der Modellparameter a1 und a2 durch. In Schritt S7 führen der partielle Modellparameter-Identifikator 51, die Sliding-Mode Steuer-/Regeleinheit 53 und der Delta-Sigma-Modulator 54 die oben beschriebenen Prozesse zum Bestimmen der Steuer-/Regeleingabe Ucain durch.
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14 zeigt einen Prozess zum Bestimmen der Modellparameter a1 und a2. In Schritt S11 wird zum Bestimmen von Modellparameter a1 auf ein Kennfeld Bezug genommen, basierend auf der Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE. Ein Beispiel des Kennfeldes ist in 15(a) gezeigt. Wenn sich die Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE erhöht, wird der Modellparameter a1 erhöht. Wenn die Phase CAIN weiter zurück verschoben ist, wird der Modellparameter a1 erhöht.
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In Schritt S12 wird zum Bestimmen von Modellparameter a2 auf ein Kennfeld Bezug genommen, basierend auf der Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE. Ein Beispiel des Kennfeldes ist in 15(b) gezeigt. Wenn sich die Motor-Umdrehungsgeschwindigkeit NE erhöht, wird der Modellparameter a2 verringert. Wenn die Phase CAIN weiter zurück verschoben ist, wird der Modellparameter a2 verringert.
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Weitere Ausführungsform
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus oder ein Delta-Modulationsalgorithmus anstelle des Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet werden. Ein Blockdiagramm eines Modulators, welcher den Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus verwendet, ist in 16 gezeigt. Vom Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus durchgeführte Prozesse werden in den Gleichungen (28) bis (35) gezeigt. Eine nichtlineare Funktion ist bei dieser Ausführungsform identisch zu der oben beschriebenen.
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Ein Blockdiagramm eines Modulators, welcher den Delta-Modulationsalgorithmus verwendet, ist in 17 gezeigt. Vom Delta-Modulationsalgorithmus durchgeführte Prozesse sind in den Gleichungen (36) bis (42) gezeigt.
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Die bevorzugten Ausführungsformen sind oben beschrieben. Die Phase der Auslass-Nockenwelle kann auf eine ähnliche Art und Weise wie die Phase der oben beschriebenen Einlass-Nockenwelle beschrieben werden.
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Eine andere Antwortzuordnungssteuerung/-regelung als die Sliding-Mode Steuerung/Regelung mit zwei Freiheitsgraden kann verwendet werden.
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Die Steuer-/Regelmethode gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf verschiedene andere gesteuerte/geregelte Objekte angewandt werden. Bei einer Ausführungsform kann die Steuer-/Regelmethode gemäß der vorliegenden Erfindung zur Steuerung/Regelung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors angewandt werden. In diesem Fall kann ein gesteuertes/geregeltes Objekt ein System vom Motor bis zu einem Abgassensor (beispielsweise dem in 1 gezeigten O2-Sensor) sein, welcher im Auslassverteiler zur Detektion einer Sauerstoffkonzentration im Abgas angeordnet ist. Ein Parameter, welcher mit dem Motor zuzuführendem Kraftstoff in Verbindung steht, kann eine Steuer-/Regeleingabe sein und die Ausgabe des Sensors kann eine Steuer-/Regelausgabe sein. Eine geeignete Luft/Kraftstoff-Steuerung/-Regelung kann implementiert werden, indem die Kraftstoffzufuhr zum Motor gesteuert/geregelt wird, so dass die Sensorausgabe zu einem Sollwert konvergiert.
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Die vorliegende Erfindung kann bei einem beliebigen Motor (beispielsweise einem Außenbordmotor) angewandt werden.
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Es ist eine Steuer-/Regelvorrichtung vorgesehen zum Steuern/Regeln eines Objekts, welches unter Verwendung wenigstens eines Modellparameters modelliert ist. Die Steuer-/Regelvorrichtung umfasst einen Identifikator, eine Steuer-/Regeleinheit und einen Modulator. Der Identifikator bestimmt den Modellparameter. Die Steuer-/Regeleinheit ist an den Identifikator gekoppelt und verwendet den Modellparameter, um eine Referenzeingabe zu ermitteln, so dass eine Ausgabe des Objekts zu einem Sollwert konvergiert. Der Modulator ist an die Steuer-/Regeleinheit gekoppelt und wendet einen Delta-Sigma-Modulatiansalgorithmus, einen Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus oder einen Delta-Modulationsalgorithmus auf die Referenzeingabe an, um eine Eingabe in das Objekt zu bestimmen. Der Modellparameter wird basierend auf der Ausgabe des Objekts und der Referenzeingabe bestimmt. Da der Identifikator den Modellparameter basierend auf der Referenzeingabe bestimmt, wird verhindert, dass der Modellparameter schwingt.
