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Die
Erfindung geht von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zum
Betreiben einer Antriebseinheit nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Es
sind bereits Antriebseinheiten von Kraftfahrzeugen bekannt, die
eine Leerlaufdrehzahlregelung mit einem Proportionalanteil und einem
Integralanteil umfassen. Dabei wird zur Vermeidung des so genannten
Unterschneidens oder Ausgehens des Motors nach Sturzgas, also nach
schnellem Loslassen des Fahrpedals, ein insbesondere gewichtet aufgeschaltetes
Differenz-Zeit-Glied erster Ordnung eingesetzt. Im stationären Motorbetrieb
muss jedoch zur Vermeidung von Instabilitäten das Differenz-Zeit-Glied
erster Ordnung abgeschaltet sein. Bei Sturzgas aus hohen Drehzahlen
ist durch die vom Betrag hohe negative Regelabweichung in Verbindung
mit den Stellbegrenzungen des Leerlaufdrehzahlreglers gewährleistet,
dass nicht das Differenz-Zeit-Glied erster Ordnung und der Leerlaufregler
mit dem Proportional- und dem Integralanteil gleichzeitig im Eingriff
sind. Das Differenz-Zeit-Glied erster Ordnung ist dabei nur in einem
vorgegebenen Drehzahlbereich des Motors aktiviert, der einen Sollwert
für die
Leerlaufdrehzahl umfasst und nach oben durch einen Drehzahlwert
begrenzt ist, der erheblich kleiner als die maximal mögliche Drehzahl
des Motors ist.
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Bei
Sturzgas aus kleineren Motordrehzahlen kann es dazu kommen, dass
das Differenz-Zeit-Glied erster
Ordnung und der Leerlaufregler mit dem Proportional- und dem Integralanteil
gleichzeitig im Eingriff sind. Dies kann zu einem instabilen, oszillierenden
Einschwingverhalten des um den Ausgang des Differenz-Zeit-Gliedes
erster Ordnung über lagerten Ausgangs
des Leerlaufreglers mit dem Proportional- und Integralanteil führen. Dieser
Zustand kann besonders dann eintreten, wenn der Verlustmomentenbedarf
des Motors im Vergleich zum maximal möglichen Drehmoment des Motors
vergleichsweise groß ist,
wie es beispielsweise bei Fahrzeugen mit hydraulischem Drehmomentenwandler
oder bei kaltem Motor und Antriebsstrang des Fahrzeugs der Fall
sein kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Betreiben einer Antriebseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
demgegenüber
den Vorteil, dass die Antriebseinheit eine Regelung einer Betriebsgröße der Antriebseinheit,
insbesondere einer Drehzahl, mit einem Proportionalanteil und einem
Integralanteil umfasst und dass der Integralanteil abhängig von
einer Ausgangsgröße des Proportionalanteils
initialisiert wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, je nach Initialisierung
des Integralanteils in Abhängigkeit
des Ausgangssignals des Proportionalanteils das Ergebnis der Überlagerung
der Ausgangssignale des Integralanteils und des Proportionalanteils
in gewünschter
Weise zu beeinflussen.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Integralanteil abhängig vom Ausgangssignal des
Proportionalanteils derart initialisiert wird, dass sich eine Summe
aus der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
und einer Ausgangsgröße des Integralanteils nicht
erhöht.
Auf diese Weise kann der Eingriff der Regelung für jeden möglichen Wert der genannten Betriebsgröße der Antriebseinheit
ausgeschaltet werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der
Regelung ein weiterer Anteil überlagert
wird. In diesem Fall lässt
sich sicherstellen, dass der weitere Anteil nicht gleichzeitig mit
der Regelung aus Proportionalanteil und Integralanteil im Eingriff
ist. Somit lässt
sich für
jeden möglichen
Wert der genannten Betriebsgröße der Antriebseinheit
ein instabiles, insbesondere oszillierendes Einschwingverhalten
der Überlagerung
der Ausgangsgröße des weiteren
Anteils mit der Ausgangsgröße der Regelung
aus Proportionalanteil und Integralanteil verhindern.
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Dabei
kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Regelung
eine Ausgangsgröße eines
dritten Anteils, insbesondere eines Differenzialanteils, überlagert
wird, dass der dritte Anteil abhängig
von einem Betriebszustand der Antriebseinheit, insbesondere abhängig von
der Drehzahl, aktiviert wird und dass der Integralanteil nur dann
abhängig von
der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
initialisiert wird, wenn der dritte Anteil aktiviert ist. Auf diese
Weise kann die Beeinflussung des Integralanteils durch den Proportionalanteil
auf bestimmte Betriebszustände
der Antriebseinheit eingeschränkt werden.
Insbesondere für
den Fall, in dem der Integralanteil abhängig vom Proportionalanteil
derart initialisiert wird, dass sich Proportionalanteil und Integralanteil
gerade kompensieren, ergibt sich dabei der Vorteil, dass bei aktiviertem
dritten Anteil sichergestellt wird, dass die Regelung aus Proportional-
und Integralanteil unabhängig
vom Wert der genannten Betriebsgröße der Antriebseinheit außer Eingriff
ist, sodass es nicht zu einem instabilen, insbesondere oszillierenden
Einschwingverhalten kommen kann.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Regelung zeitdiskret aufgerufen
wird und der Integralanteil bei jedem Aufruf der Regelung initialisiert
wird. Auf diese Weise wird eine zeitlich kontinuierliche, ununterbrochene
Beeinflussung des Integralanteils durch den Proportionalanteil gewährleistet
und damit das oben beschriebene instabile, insbesondere oszillierende
Einschwingverhalten optimal und unterbrechungsfrei unterdrückt.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Integralanteil abhängig von
einer Änderung
zwischen der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der aktuell aufgerufenen Regelung und der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der unmittelbar zuvor aufgerufenen Regelung initialisiert wird.
Auf diese Weise lässt
sich die gegenseitige Kompensation des Proportionalanteils und des
Integralanteils besonders einfach und zuverlässig realisieren.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Änderung zwischen der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der aktuell aufgerufenen Regelung und der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der unmittelbar zuvor aufgerufenen Regelung auf Werte größer oder
gleich Null begrenzt wird. Auf diese Weise kann bei über ihrem
Sollwert steigender Betriebsgröße der Antriebseinheit
und damit kleiner werdendem Proportionalanteil eine Erhöhung des
Integralanteils aufgrund der Initialisierung in Abhängigkeit
der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
verhindert werden.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn die Initialisierung des Integralanteils nach
oben auf die Ausgangsgröße des Integralanteils
selbst begrenzt wird. Auf diese Weise kann eine über die Integralregelung selbst
hinausgehende Erhöhung
der Ausgangsgröße des Integralanteils
verhindert werden.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Initialisierung des Integralanteils
nach oben auf die Differenz zwischen der Ausgangsgröße des Integralanteils
und der Änderung
zwischen der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der aktuell aufgerufenen Regelung und der Ausgangsgröße des Proportionalanteils
der unmittelbar zuvor aufgerufenen Regelung begrenzt wird, wenn
diese Differenz größer als
Null ist und wenn andernfalls die Initialisierung des Integralanteils
nach oben auf den Wert Null begrenzt wird. Auf diese Weise kann
eine gewünschte
gegenseitige Kompensation des Proportionalanteils und des Integralanteils
der Regelung sichergestellt werden bzw. eine Summe der Ausgangsgröße des Integralanteils
und der Ausgangsgröße des Proportionalanteils,
die kleiner als Null ist, durch eine nachfolgende Minimalwertbegrenzung
auf den Wert Null angehoben werden, um auf diese Weise den Eingriff
der Regelung aus Proportionalanteil und Integralanteil auszuschalten.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben
einer Antriebseinheit mit einer Regelung einer Betriebsgröße der Antriebseinheit,
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2 ein
Funktionsdiagramm zur Erläuterung
des erfindingsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein
erstes Beispiel für
einen zeitlichen Drehzahl- und Momentenverlauf und
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4 ein
zweites Beispiel für
einen zeitlichen Drehzahl- und Momentenverlauf.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 kennzeichnet 20 eine
Vorrichting zum Betreiben einer Antriebseinheit. Die Antriebseinheit
kann dabei beispielsweise ein Fahrzeug antreiben und zu diesem Zweck
einen in 1 nicht dargestellten Verbrennungsmotor
bzw. eine in 1 nicht darge stellte Brennkraftmaschine
umfassen. Die Vorrichtung 20 stellt dabei eine Motorsteuerung
bzw. ein Motorsteuergerät
dar oder kann software- und/oder hardwaremäßig in einem solchen Motorsteuergerät implementiert
sein. Im Falle der Verwendung einer Brennkraftmaschine kann es sich
beispielsweise um einen Ottomotor oder um einen Dieselmotor handeln.
Die Vorrichtung 20 umfasst einen Regler bzw. eine Regelung 1,
die einen Istwert einer Betriebsgröße der Antriebseinheit einem
Sollwert dieser Betriebsgröße nachfährt. Im
Folgenden soll beispielhaft angenommen werden, dass es sich bei der
Regelung 1 um eine Drehzahlregelung handelt, die einen
Istwert nist der Motordrehzahl einem Sollwert nsoll der Motordrehzahl
nachführt.
Zu diesem Zweck umfasst die Drehzahlregelung 1 einen Proportionalregler
bzw. einen Proportionalanteil 5 und einen Integralregler
bzw. einen Integralanteil 10. Von einem Drehzahlsensor 65 werden
in dem Fachmann bekannter Weise zeitdiskrete Werte der Motordrehzahl erfasst
und als Istwert nist der Vorrichtung 20 zugeführt. Die
Vorrichtung 20 umfasst einen Sollwertspeicher 70,
in dem der Sollwert nsoll für
die Motordrehzahl abgelegt ist. Im Folgenden soll beispielhaft angenommen
werden, dass die Drehzahlregelung 1 eine Leerlaufdrehzahlregelung
ist, sodass der Sollwert nsoll für
die Motordrehzahl ein Sollwert für
die Leerlaufdrehzahl ist. In einem ersten Subtraktionsglied 35 wird
vom Sollwert nsoll der Motordrehzahl der Istwert nist der Motordrehzahl
abgezogen. Die auf diese Weise gebildete Differenz Δ = nsoll – nist bildet
die Regelabweichung, die dem Proportionalanteil 5 und dem
Integralanteil 10 jeweils eingangsseitig zugeführt ist.
Aus der Regelabweichung Δ bildet
der Proportionalanteil 5 in dem Fachmann bekannter Weise
eine erste Anforderung P an eine Ausgangsgröße der Antriebseinheit. Bei
dieser Ausgangsgröße kann
es sich beispielsweise um ein Drehmoment oder um eine Leistung oder
um eine aus dem Drehmoment und/oder der Leistung abgeleitete Größe handeln.
Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass es sich bei der
Ausgangsgröße um ein Drehmoment
handelt. Der Integralanteil 10 liefert abhängig von
der Regelabweichung Δ in
dem Fachmann bekannter Weise eine zweite Anforderung 1 an das
Drehmoment der Antriebseinheit. In einem Additionsglied 50 werden
die erste Anforderung P und die zweite Anforderung I an das Drehmoment
der Antriebseinheit zu einer resultierenden Anforderung des Reglers 1 addiert.
Der Regler 1 umfasst somit die folgenden Komponenten: erstes
Sibtraktionsglied 35, Proportionalanteil 5, Integralanteil 10 und
Additionsglied 50.
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Die
resultierende Anforderung an das Drehmoment der Antriebseinheit
wird auf einen Begrenzer 60 gegeben, der die resultierende
Anforderung nach unten auf den Wert Null und nach oben auf einen
in dem Fachmann bekannter Weise geeignet applizierten oberen Grenzwert
begrenzt. Der Begrenzer 60 liefert an seinem Ausgang somit
eine ggf. begrenzte resultierende Anforderung des Reglers 1 an
das Drehmoment der Antriebseinheit. Diese ggf. begrenzte resultierende
Anforderung wird einem vierten Subtraktionsglied 55 zugeführt. Die
Vorrichtung 20 umfasst ferner einen dritten Anteil 15,
der im Folgenden beispielhaft als Differenzialanteil ausgebildet sein
soll. Dem Differenzialanteil 15 werden vom Drehzahlsensor 65 die
zeitdiskreten Istwerte nist der Motordrehzahl zugeführt. Dabei
umfasst der Differenzialanteil 15 eine Aktivierungseinheit 25,
die den Differenzialanteil 15 abhängig vom Istwert nist der Motordrehzahl
aktiviert. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Aktivierungseinheit 25 den Differenzialanteil 15 in
einem Betriebsbereich der Antriebseinheit aktiviert, in dem der
Istwert nist der Motordrehzahl in einem vorgegebenen Bereich liegt, beispielsweise
n1 ≤ nist ≤ n2. außerhalb
dieses Bereichs ist der Differenzialanteil 15 deaktiviert.
Der genannte Bereich umfasst dabei in diesem Beispiel den Sollwert
nsoll für
die Motordrehzahl, in diesem Beispiel also den Sollwert für die Leerlaufdrehzahl.
Beispielhaft kann n1 gleich Null und n2 gleich 1050 Umdrehungen
pro Minute gewählt
werden. Als zusätzliche
Bedingung ist es in diesem Beispiel vorgesehen, dass die Aktivierungseinheit 25 den
zeitlichen Gradienten des Istwertes nist der Motordrehzahl ermittelt und
die Aktivierung des Differenzialanteils 15 in dem genannten
Bereich für
den Istwert nist der Motordrehzahl nur dann freigibt, wenn dieser
zeitliche Gradient negativ ist. Der Differenzialanteil 15 kann
beispielsweise als Differenz-Zeit-Glied erster Ordnung in dem Fachmann
bekannter Weise ausgebildet sein und gibt an seinem Ausgang eine
dritte Anforderung D an das Drehmoment der Antriebseinheit ab, die
proportional zum tiefpassgefilterten zeitlichen Gradienten des Istwertes
nist der Motordrehzahl ist. Diese dritte Anforderung D an das Drehmoment
der Antriebseinheit wird ebenfalls dem vierten Subtraktionsglied 55 zugeführt und
dort von der ggf. begrenzten resultierenden Anforderung des Reglers 1 an
das Drehmoment der Antriebseinheit subtrahiert. Am vierten Subtraktionsglied 55 wird
also vom Ausgang des Begrenzers 60 der dritte Anteil D
subtrahiert. Die sich bildende Differenz ist die gesamte resultierende
Anforderung MS an das Drehmoment der Antriebseinheit. Die sich bildende
Differenz am Ausgang des vierten Subtraktionsgliedes 55 ist
dann die resultierende Gesamtanforderung MS an das Drehmoment der
Antriebseinheit, die beispielsweise als eine von mehreren Momentenanforderungen
an einen Momentenkoordinator weitergeleitet wird zur Bildung des
letztlich an der Antriebseinheit umzusetzenden Drehmomentes, beispielsweise
mittels Lufteingriff Zündungseingriff
oder Kraftstoffeingriff im Falle einer Brennkraftmaschine.
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Erfindungsgemäß umfasst
nun die Vorrichtung 20 eine Initialisierungseinheit 30,
der zum Einen die erste Anforderung P und zum Anderen die zweite Anforderung
I an das Drehmoment der Antriebseinheit zugeführt werden und die in Abhängigkeit
der ersten Anforderung P und der zweiten Anforderung I ein Initialisierungssignal
Init bildet, mit dem der Integralanteil 10 initialisiert
wird.
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In 2 ist
die Initialisierungseinheit 30 in Form eines Funktionsdiagramms
dargestellt. Dabei wird die erste Anforderung P an das Drehmoment
der Antriebseinheit einem Verzögerungsglied 75 zugeführt, das
mit der Verzögerungszeit
einer Abtastperiode der Drehzahlerfassung durch den Drehzahlsensor 65 diese
erste Anforderung an seinem Ausgang abgibt. Somit liegt am Ausgang
des Verzögerungsgliedes 75 die
vorletzte gebildete Anforderung P–1 an das
Drehmoment der Antriebseinheit. Diese wird einem zweiten Subtraktionsglied 40 zugeführt. Die
zuletzt ermittelte erste Anforderung P an das Drehmoment der Antriebseinheit
wird vom Proportionalanteil 5 direkt auf das zweite Subtraktionsglied 40 gegeben. Das
zweite Sibtraktionsglied 40 bildet dann die Differenz ΔP zwischen
der aktuellen, d. h. zuletzt ermittelten ersten Anforderung P und
der vorletzten ermittelten ersten Anforderung P–1,
sodass ΔP
= P – P–1 ist. Diese
Differenz ΔP
wird einem dritten Subtraktionsglied 45 zugeführt und
dort von der zweiten Anforderung I an das Drehmoment der Antriebseinheit
abgezogen. Die sich dabei ergebende Differenz ΔI = I – ΔP wird einem ersten Eingang 90 eines
Maximalauswahlgliedes 80 zugeführt, dem über einen zweiten Eingang 95 der
Wert Null zugeführt
wird. Das Maximalauswahlglied 80 wählt aus den beiden Eingangsgrößen ΔI und Null
den größeren der
beiden Werte aus und gibt ihn auf einen ersten Eingang 100 eines Minimalauswahlgliedes 85.
Einem zweiten Eingang 105 des Minimalauswahlgliedes 85 ist
die zweite Anforderung I an das Drehmoment der Antriebseinheit zugeführt. Das
Minimalauswahlglied 85 wählt aus den über seine
beiden Eingange 100, 105 zugeführten Eingangsgrößen das
Minimum aus und liefert dieses als Initialisierungswert Init an
den Integralanteil 10, der mit diesem Initialisierungswert
Int für
einen nachfolgenden Integrationsschritt initialisiert wird. Dabei
werden auch die erste Anforderung P und die zweite Anforderung I
im durch die Abtastfrequenz des Drehzahlsensors 65 definierten
Zeitraster vom Proportionalanteil 5 bzw. vom Integralanteil 10 ermittelt.
Durch die Initialisierung des Integralanteils 10 mit dem
Wert Int wird beim nachfolgenden Integrationsschritt die zweite
Anforderung I als Summe des Initialisierungswertes Init und des
Produktes aus der Regelabweichung Δ mit dem Verstärkungsfaktor
des Integralanteils 10 gebildet.
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Somit
wird auch die Drehzahlregelung 1 insgesamt im Zeitraster
der Abtastfreguenz des Drehzahlsensors 65 zur Bildung entsprechend
zeitdiskreter Werte für
die resultierende Anforderung des Reglers 1 aufgerufen.
Im selben Zeitraster wird auch der Differenzialanteil 15 zur
Bildung der ebenfalls entsprechend zeitdiskreten Werte für die dritte
Anforderung D aufgerufen. Wenn der Differenzialanteil 15 deaktiviert
ist, dann ist die dritte Anforderung D an das Drehmoment der Antriebseinheit
gleich Null. Die erste Anforderung P an das Drehmoment der Antriebseinheit
stellt eine Ausgangsgröße des Proportionalanteils 5 dar.
Die zweite Anforderung I an das Drehmoment der Antriebseinheit stellt
eine Ausgangsgröße des Integralanteils 10 dar.
Die dritte Anforderung D an das Drehmoment der Antriebseinheit stellt
eine Ausgangsgröße des Differenzialanteils 15 dar.
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Durch
die Initialisierungseinheit 30 lässt sich der Integralanteil 10 abhängig vom
Proportionalanteil 5 bzw. von dessen Ausgangsgröße P initialisieren. Für diese
Initialisierung lassen sich drei Fälle unterscheiden. Für den Fall,
dass ΔI
größer als
Null und kleiner als I ist, entspricht der Initialisierungswert
Int der Differenz ΔI
am Ausgang des dritten Subtraktionsgliedes 45. auf diese
Weise wird der Integralanteil 10 derart vom Ausgangssignal
bzw. von der ersten Anforderung P des Proporionalanteils 5 initialisiert, dass
sich die erste Anforderung P und die zweite Anforderung I an das
Drehmoment der Antriebseinheit gerade kompensieren.
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Somit
wird die Drehzahlregelung 1 zeitdiskret im Zeitraster der
Abtastfrequenz des Drehzahlsensors 65 zur Bildung der resultierenden
Anforderung an das Drehmoment der Antriebseinheit am Ausgang des
Additionsgliedes 50 aufgerufen und der Integralanteil 10 bei
jedem Aufruf der Drehzahlregelung 1 initialisiert. Im gleichen
Zeitraster wird auch der Differenzialanteil 15, sofern
er aktiviert ist, aufgerufen zur Bildung der dritten Anforderung
D, sodass im genannten Zeitraster zu jedem Abtastzeitpunkt des Drehzahlsensors 65 auch
jeweils ein Wert für
die gesamte resultierende Anforderung MS an das Drehmoment der Antriebseinheit
gebildet wird. Dabei wird für
die Initialisierung des Integralanteils 10 gemäß 2 der
Integralanteil 10 abhängig
von der Differenz ΔP
der ersten Anforderung P und damit abhängig von der Änderung
zwischen der ersten Anforderung P des Proportionalanteils 5 der
aktuell, d. h. zuletzt aufgerufenen Drehzahlregelung 1 und
der ersten Anforderung P–1 des Proportionalanteils 5 der
unmittelbar zuvor, d. h. vorletzten aufgerufenen Drehzahlregelung 1 initialisiert.
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Für den Fall,
dass ΔI
kleiner Null und kleiner I ist, wird der Integralanteil 10 mit
dem Wert Null initialisiert, wobei in diesem Fall bei sinkendem
Istwert nist der Motordrehzahl das Ausgangssignal und damit die
resultierende Anforderung des Reglers 1 an das Drehmoment
der Antriebseinheit negativ ist und vom Begrenzer 60 nach
unten auf den Wert Null begrenzt ist. Somit liefert auch in diesem
Fall der Drehzahlregler 1 keinen Beitrag an das vierte
Subtraktionsglied 55 und bleibt somit außer Eingriff.
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Für den Fall,
dass I kleiner als Null oder kleiner als ΔI ist, wird der Integralanteil 10 mit
der zweiten Anforderung I initialisiert und arbeitet genauso wie
ein Integralanteil gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
Funktionsweise der Erfindung ist nun anhand der 3 und 4 veranschaulicht. 3 zeigt
in einem einzigen Diagramm mit zwei verschiedenen Skalierungen der
Ordinaten zum Einen einen zeitlichen Drehzahlverlauf und zum Anderen
einen zeitlichen Drehmomentenanforderungsverlauf. 3 beschreibt
dabei den Fall von Sturzgas aus vergleichsweise hoher Motordrehzahl.
So lässt
zu einem ersten Zeitpunkt t–1 der Fahrer des Fahrzeugs schlagartig
das Fahrpedal los. Zum ersten Zeitpunkt t–1 beträgt dabei
der Istwert nist der Motordrehzahl etwa den Wert 2250 Umdrehungen
pro Minute. Vom ersten Zeitpunkt t–1 an
fällt somit
der Istwert nist der Motordrehzahl steil ab. Trotz dem, dass der
Fahrer zum ersten Zeitpunkt t–1 schlagartig vom Fahrpedal geht,
benötigt
das Fahrpedal eine gewisse Zeit, um in seine stationäre Ruheposition
zurückzukehren.
Bei betätigtem
Fahrpedal wird die zweite Anforderung I auf einem vorgegebenen Wert,
in diesem Beispiel bei etwa 90 Nm in dem Fachmann bekannter Weise
eingefroren oder konstant gehalten. Erst mit Erreichen einer vorgegebenen
Fahrpedalstellung wird die zweite Anforderung I in dem Fachmann
bekannter Weise freigegeben. Diese vorgegebene Fahrpedalstellung wird
zu einem dem ersten Zeitpunkt t–1 nachfolgenden
zweiten Zeitpunkt t0 erreicht. Aufgrund
der Tatsache, dass der Istwert nist zum zweiten Zeitpunkt t4 noch erheblich über dem Sollwert nsoll der
Motordrehzahl liegt, beginnt die zweite Anforderung I ab dem zweiten
Zeitpunkt t0 ebenfalls zu fallen. Der Sollwert
nsoll der Motordrehzahl liegt dabei etwa bei 780 Umdrehungen pro
Minute. Der erste Anteil P verhält sich
proportional zur Regelabweichung Δ,
wird jedoch in dem Fachmann bekannter und in Figur 1 nicht dargestellter
Weise nach unten auf einen vorgegebenen Wert, in diesem Beispiel
auf –350
Nm begrenzt. Ab einem Zeitpunkt zwischen dem ersten Zeitpunkt t–1 und
dem zweiten Zeitpunkt t0 erhöht sich dann
die erste Anforderung P über
diesen vorgegebenen unteren Grenzwert und verläuft anschließend proportional
zur Regelabweichung Δ.
Da die erste Anforderung P negativ und betragsmäßig zunächst größer als die zweite positive
Anforderung I ist, ergibt sich am Ausgang des ersten Additionsgliedes 50 ein negativer
Wert, der durch den Begrenzer 60 nach unten auf Null begrenzt
wird.
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In
vorteilhafter Weise ist es vorgesehen, dass der Differenzialanteil 15 abhängig von
einem Betriebszustand der Antriebseinheit aktiviert wird und dass
der Integralanteil 10 nur dann abhängig von der ersten Anforderung
P initialisiert wird, wenn der Differenzialanteil 15 aktiviert
ist. Andernfalls wird der Integralanteil 10 in herkömmlicher
Weise betrieben und durch die zuletzt ermittelte zweite Anforderung
I initialisiert. Dies ist in 1 dadurch
dargestellt, dass ein gesteuerter Schalter 110 vorgesehen
ist, der von der Aktivierungseinheit 25 angesteuert entweder
das Ausgangssignal I mit einem Initialisierungseingang 115 des
Integralanteils 10 verbindet, sodass der Initialisierungswert
Init gleich I ist, oder den Ausgang der Initialisierungseinheit 30 auf
den Initialisierungseingang 115 führt. Dies ist auch entsprechend
in 2 eingezeichnet. Wenn also der Differenzialanteil 15 von
der Aktivierungseinheit 25 aktiviert wird, dann veranlasst
die Aktivierungseinheit 25 den gesteuerten Schalter 110 zur
Verbindung des Ausgangs der Initialisierungseinheit 30 mit
dem Initialisierungseingang 115 des Integralanteils 10.
Andernfalls, also bei Deaktivierung des Differenzialanteils 15 veranlasst die
Aktivierungseinheit 25 den gesteuerten Schalter 110 zur
Verbindung des Ausgangs des Integralanteils 10 mit dem
Initialisierungseingang 115. Die Aktivierung des Differenzialanteils 15 erfolgt
abhängig
vom Betriebszustand der Antriebseinheit. Der Betriebszustand der
Antriebseinheit kann beispielsweise abhängig vom Istwert nist der Motordrehzahl
ermittelt werden. Zu diesem Zweck ist der Istwert nist der Motordrehzahl
auch der Aktivierungseinheit 25 zugeführt. In einem vorgegebenen
Bereich des Istwertes nist der Motordrehzahl, der beispielsweise
den Sollwert nsoll umfasst, aktiviert die Aktivierungseinheit 25 den
Differenzialanteil 15 und veranlasst den gesteuerten Schalter 110 zur
Verbindung des Ausgangs der Initialisierungseinheit 30 mit
dem Initialisierungseingang 115 des Integralanteils 10.
Außerhalb
dieses vorgegebenen Drehzahlbereichs deaktiviert die Aktivierungseinheit 25 den
Differenzialanteil 15 und veranlasst den gesteuerten Schalter 110 zur
Verbindung des Ausgangs des Integralanteils 10 mit dem
Initialisierungseingang 115. in 1 ist zur
Verdeutlichung dargestellt, dass der Istwert nist der Motordrehzahl sowohl
der Aktivierungseinheit 25 als auch dem Differenzialanteil 15 selbst
zugeführt
ist, sodass der Differenzialanteil 15 die dritte Anforderung
D proportional zu dem vom Differenzialanteil 15 ermittelten
zeitlichen Gradienten des Istwertes nist der Motordrehzahl ermitteln
und abgeben kann.
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Es
soll nun beispielhaft angenommen werden, dass der vorgegebene Drehzahlbereich
für die Aktivierung
des Differenzialanteils 15 wie folgt vorgegeben ist:
0 ≤ nist < 1050 Umdrehungen
pro Minute.
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Außerhalb
dieses vorgegebenen Drehzahlbereichs ist der Differenzialanteil 15 in
diesem Beispiel deaktiviert, sodass außerhalb dieses Bereiches die
dritte Anforderung D gleich Null ist. Zu einem dritten Zeitpunkt
t1, der dem zweiten Zeitpunkt t0 nachfolgt,
erreicht die zweite Anforderung I den Wert Null. Ein in 1 nicht
dargestellter Begrenzer am Ausgang des Integralanteils 10 begrenzt
die zweite Anforderung I nach unten auf den Wert Null, sodass ab dem
dritten Zeitpunkt t1 die zweite Anforderung
I gleich Null ist. Zu einem dem dritten Zeitpunkt t1 nachfolgenden
vierten Zeitpunkt t2 erreicht der Istwert
nist der Motordrehzahl den vorgegebenen Bereich für die Aktivierung
des Differenzialanteils 15, unterschreitet also den Drehzahlwert
1050 Umdrehungen pro Minute. Somit wird ab dem vierten Zeitpunkt
t2 der Differenzialanteil 15 aktiviert
und der gesteuerte Schalter 110 von der Verbindung des
Ausgangs des Integralanteils 10 auf den Initialisierungseingang 115 umgeschaltet
zur Verbindung des Ausgangs der Initialisierungseinheit 30 mit
dem Initialisierungseingang 115 des Integralanteils 10.
Bis zum vierten Zeitpunkt t2 ist sowohl
der Ausgang des Begrenzers 60 als auch die dritte Anforderung
D gleich Null, sodass sich als gesamte resultierende Anforderung
MS an das Drehmoment der Antriebseinheit bis zum vierten Zeitpunkt
t2 der Wert Null ergibt. Bis zum vierten
Zeitpunkt t2 wird der Integralanteil 10 mit
seinem Ausgangssignal I initialisiert. Ab dem vierten Zeitpunkt
t2 wird der Integralanteil 10 mit
dem Ausgangssignal der Initialisierungseinheit 30 initialisiert. Dabei
ist ab dem vierten Zeitpunkt t2 ΔI größer als Null
und damit auch größer als
I2 weil I nach wie vor nach unten auf den
Wert Null begrenzt ist. Somit wird als Initialisierungswert auch
nach dem vierten Zeitpunkt t2 gemäß dem Funktionsdiagramm
nach 2 die zweite Anforderung I gewählt, sodass die Initialisierung
des Integralanteils 10 auch nach dem vierten Zeitpunkt
t2 wie auch vor dem vierten Zeitpunkt t2 durch das Ausgangssignal I des Integralanteils 10 selbst
erfolgt. Die zweite Anforderung I bleibt somit auch nach dem vierten
Zeitpunkt t2 gleich Null, wohingegen die
erste Anforderung P nach wie vor negativ ist, sodass die resiltierende
Anforderung am Ausgang des Reglers 1 negativ und der Ausgang
des Begrenzers 60 somit Null ist. Somit entspricht nach
dem vierten Zeitpunkt t2 die gesamte resiltierende
Anforderung MS der dritten Anforderung D multipliziert mit minus
Eins.
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In 3 ist
zu erkennen, dass ab dem vierten Zeitpunkt t2 die
gesamte resultierende Anforderung MS der mit minus Eins multiplizierten
dritten Anforderung D entspricht.
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Zu
einem dem vierten Zeitpunkt t2 nachfolgenden
fünften
Zeitpunkt t3 erreicht der Istwert nist der
Motordrehzahl den Sollwert nsoll und unterschreitet diesen anschließend. Somit
steigen sowohl die erste Anforderung I als auch die zweite Anforderung
P nach dem fünften
Zeitpunkt t3 auf positive Werte an, wobei
I größer als
P ist. ΔP
ist ab dem fünften
Zeitpunkt t3 etwa gleich Null, sodass I
ungefähr ΔI ist. Da
I größer als
Null ist ab dem fünften
Zeitpunkt t3, ergibt sich somit, dass auch
ab dem fünften
Zeitpunkt t3 die Initialisierung des Integralanteils 10 mit dem
Ausgangssignal I des Integralanteils 10 erfolgt. Zu einem
dem fünften
Zeitpunkt t3 nachfolgenden sechsten Zeitpunkt
t4 steigt der Istwert nist der Motordrehzahl
erstmals wieder an, sodass der Differenzialanteil 15 deaktiviert
wird.
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Die
Aktivierung des Differenzialanteils 15 erfolgt dabei in
vorteilhafter Weise nur unter der zusätzlichen Bedingung, dass der
zeitliche Gradient des Istwertes nist der Motordrehzahl negativ
ist. Dies wird ebenfalls von der Aktivierungseinheit 25 geprüft. Somit
wird auch der gesteuerte Schalter 110 von der Aktivierungseinheit 25 nur
unter der zusätzlichen
Bedingung von der Verbindung des Ausgangs des Integralanteils 10 zur
Verbindung des Ausgangs der Initialisierungseinheit 30 mit
dem Initialisierungseingang 115 umgeschaltet, wenn zusätzlich der
zeitliche Gradient des Istwertes nist der Motordrehzahl negativ
ist.
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Somit
wird zum sechsten Zeitpunkt t4 der Differenzialanteil 15 deaktiviert.
Entsprechend wird zum sechsten Zeitpunkt t4 der
gesteuerte Schalter 110 zur Verbindung des Ausgangs des
Integralanteils 10 auf den Initialisierungseingang 115 umgeschaltet.
Somit wird auch ab dem sechsten Zeitpunkt t4 der
Integralanteil 10 weiterhin mit der zweiten Anforderung
I initialisiert. Ab dem fünften
Zeitpunkt t3 bewegt sich der Istwert nist
im Bereich des Sollwertes nsoll, sodass sich an der zum sechsten
Zeitpunkt t4 vorliegenden beschriebenen
Situation der Anforderungen P, I, D keine wesentliche Änderung
mehr ergibt.
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4 zeigt
nun ein Beispiel, bei dem das Fahrpedal ausgehend von einem vergleichsweise kleineren
Istwert nist der Motordrehzahl schlagartig losgelassen wird. Dieses
schlagartige Loslassen erfolgt dabei etwa zu einem siebten Zeitpunkt
t5, zu dem der Ist wert nist der Motordrehzahl
etwa bei 1080 Umdrehungen pro Minute und damit über dem Sollwert nsoll von
etwa 770 Umdrehungen pro Minute liegt.
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Dabei
entspricht die Fahrpedalstellung unmittelbar nach dem Loslassen
beim siebten Zeitpunkt t5 bereits der Fahrpedalstellung,
bei der die zweite Anforderung I ausgehend vom eingefrorenen Zustand
losgelassen wird, sodass die zweite Anforderung I vom siebten Zeitpunkt
t5 an absinkt, da ja der Istwert nist größer als
der Sollwert nsoll der Motordrehzahl ist. Zum siebten Zeitpunkt
t5 ist die erste Anforderung P aufgrund
ihrer Proportionalität
zur Regelabweichung Δ negativ
und liegt bei etwa –80
Nm. Die zweite Anforderung I liegt zum siebten Zeitpunkt t5 bei etwa 70 Nm. Somit ist I + P < 0 und die gesamte resultierende
Anforderung MS ist zum siebten Zeitpunkt t5 gleich
Null, zumal der Differenzialanteil 15 noch nicht aktiviert
ist. Zu einem dem siebten Zeitpunkt t5 nachfolgenden
achten Zeitpunkt t6 unterschreitet aber
der Istwert nist der Motordrehzahl den vorgegebenen Drehzahlschwellwert
von 1050 Umdrehungen pro Minute zur Aktivierung des Differenzialanteils 15.
Somit wird zum achten Zeitpunkt t6 neben
der Aktivierung des Differenzialanteils 15 auch der gesteuerte
Schalter 110 zur Verbindung des Ausgangs der Initialisierungseinheit 30 mit
dem Initialisierungseingang 115 umgeschaltet. Bis zum achten Zeitpunkt
t6 wird der Integralanteil 10 durch
sein Ausgangssignal I initialisiert. Ab dem achten Zeitpunkt t6 erfolgt die Initialisierung des Integralanteils 10 dann durch
den Ausgang der Initialisierungseinheit 30. Dabei verläuft der
erste Anteil P ab dem siebten Zeitpunkt t5 mit
positiver Steigung. Diese positive Steigung liegt auch noch nach
dem achten Zeitpunkt t6 vor. Somit ist ab
dem achten Zeitpunkt t6 ΔI kleiner als I, da ΔP positiv
ist. Gleichzeitig ist aber ΔI
ab dem achten Zeitpunkt t6 zunächst größer als
Null, sodass der Integralanteil 10 durch den Wert ΔI ab dem
achten Zeitpunkt t6 initialisiert wird.
Dies führt
dazu, dass sich die erste Anforderung P und die zweite Anforderung
I ab dem achten Zeitpunkt t6 gerade kompensieren,
sodass die resultierende Anforderung am Ausgang des Additionsgliedes 50 gleich
Null ist. Somit ist auch der Ausgang des Begrenzers 60 ab
dem achten Zeitpunkt t6 gleich Null und
die gesamte resultierende Anforderung MS am Ausgang des vierten
Subtraktionsgliedes 55 entspricht dem dritten Anteil D
mit umgekehrtem Vorzeichen, wie in 4 zu erkennen
ist. Zu einem dem achten Zeitpunkt t6 nachfolgenden neunten
Zeitpunkt t7 erreicht die zweite Anforderung I
den Wert Null und wird daher nach unten auf diesen Wert ab dem neunten
Zeitpunkt t7 begrenzt. Zum neunten Zeitpunkt
t7 ist die erste Anforderung P immer noch
kleiner als Null und steigt an. Somit ist ΔI spätestens zum neunten Zeitpunkt
t7 kleiner als Null, sodass spätestens
ab dem neunten Zeitpunkt t7 der Integralanteil 10 mit
dem Wert Null initialisiert wird. Somit ergibt sich aufgrund der
weiterhin negativen ersten Anforderung P ab dem neunten Zeitpunkt
t7 am Ausgang des Additionsgliedes 50 ein
negativer Wert, der durch den Begrenzer 60 nach unten auf den
Wert Null begrenzt wird, sodass sich am Ausgang des vierten Subtraktionsgliedes 55 nach
dem neunten Zeitpunkt t7 als gesamte resultierende
Anforderung MS die Vorzeichenumgekehrte dritte Anforderung D ergibt.
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Zu
einem dem neunten Zeitpunkt t7 nachfolgenden
zehnten Zeitpunkt t8 schneidet der zeitliche Verlauf
des Istwertes nist den Sollwert nsoll der Motordrehzahl. Dies führt zu einem
Anstieg der zweiten Anforderung I ab dem zehnten Zeitpunkt t8 und des ersten Anteils P jeweils auf Werte
größer Null,
wobei jedoch P kleiner I ist. Somit ist ab dem zehnten Zeitpunkt
t8 wieder I größer als ΔI und ΔI größer als Null und der Integralanteil 10 wird
ab dem zehnten Zeitpunkt t8 wieder mit dem
Wert ΔI
initialisiert. Ab einem dem zehnten Zeitpunkt t8 nachfolgenden
elften Zeitpunkt t9 geht die Steigung des
zeitlichen Verlaufs des Istwertes nist der Motordrehzahl gegen Null
bzw. variiert nur noch vergleichsweise mit geringer Steigung, sodass
ab dem elften Zeitpunkt t9 im Falle von
positiver Steigung des Istwertes nist der Differenzialanteil 15 deaktiviert,
andernfalls die dritte Anforderung D aufgrund des geringen zeitlichen
Gradienten des Istwertes nist vernachlässigbar klein ist. Wesentliche Änderungen
der Anforderungen P, I, D ergeben sich somit ab dem elften Zeitpunkt
t9 nicht mehr und I ist somit ab dem elften
Zeitpunkt t9 etwa gleich ΔI und größer als
Null, sodass die Initialisierung des Integralanteils 10 unabhängig von
der Schalterstellung des Schalters 110 etwa mit der zweiten
Anforderung I erfolgt.
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Für den Fall,
dass beim Beispiel nach 4 zwischen dem achten Zeitpunkt
t6 und dem neunten Zeitpunkt t7 der
Istwert nist motorisch bedingt kurzfristig einen kleinen Anstieg
aufweisen sollte, würde sich
die erste Anforderung P während
dieses Anstiegs absenken, ΔP
wäre also
negativ und ΔI
wäre größer als
I, sodass der Integralanteil 10 für diesen kurzen Anstieg des
Istwertes nist mit der zuletzt ermittelten zweiten Anforderung I
initialisiert würde. Zwischen
dem neunten Zeitpunkt t7 und dem zehnten Zeitpunkt
t8 würde
ein solcher kurzfristiger Anstieg des Istwertes nist zu einer Initialisierung
des Integralanteils 10 mit der zuletzt ermittelten und
auf den Wert Null nach unten begrenzten zweiten Anforderung I erfolgen.
Die Begrenzung der zweiten Anforderung I erfolgt dabei am Ausgang
des Integralanteils 10 vor der Zuführung der zweiten Anforderung
I an die Initialisierungseinheit 30 bzw. über den
gesteuerten Schalter 110 auf den Initialisierungseingang 115.
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Alternativ
kann es auch vorgesehen sein, die Änderung ΔP der ersten Anforderung auf
Werte größer oder
gleich Null zu begrenzen, wozu zwischen dem zweiten Subtraktionsglied 40 und
dem dritten Subtraktionsglied 45 eine entsprechende Begrenzungseinheit
in der Initialisierungseinheit 30 vorgesehen sein kann.
Somit wird eine unerwünschte
Erhöhung
der zweiten Anforderung I bei dem beschriebenen kurzfristigen Anstieg
des Istwertes nist der Motordrehzahl zwischen dem achten Zeitpunkt
t6 und dem zehnten Zeitpunkt t8 vermieden.
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Bei
Sturzgas bzw. schlagartigem Loslassen des Fahrpedals aus vergleichsweise
kleinen Istwerten nist der Motordrehzahl größer als dem Sollwert nsoll
der Motordrehzahl wird der Stelleingriff des Integralanteils 10 langsamer
abgebaut als der Stelleingriff des Proportionalanteils 5 ansteigt.
Um ein unerwünschtes
Ansteigen der durch den Begrenzer 60 begrenzten Summe der
Ausgangssignale des Proportionalanteils 5 und des Integralanteils 10 zu
verhindern, wird die erfindungsgemäße Initialisierung des Integralanteils 10 durch
die Initialisierungseinheit 30 vorgeschlagen. Dabei wird
der Integralanteil 10 jeweils so initialisiert, dass bei
fallendem Istwert nist der Motordrehzahl und damit steigender erster
Anforderung P die Summe aus der ersten Anforderung P und der zweiten
Anforderung I nicht steigt. Im Falle der Kompensation der ersten
Anforderung P durch die zweite Anforderung I gelangt der Regler 1 außer Eingriff.
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Die
Summe der ersten Anforderung P und der zweiten Anforderung I wird
durch den Begrenzer 60 nach unten auf den Wert Null begrenzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können
in entsprechender Weise zur Regelung auch einer anderen Betriebsgröße als der
Motordrehzahl verwendet werden, beispielsweise zur Regelung des
Ausgangsdrehmomentes der Antriebseinheit. Die Antriebseinheit muss
auch nicht unbedingt eine Brennkraftmaschine umfassen, sondern kann
beispielsweise auch einen Hybridantrieb aus Brennkraftmaschine und Elektromotor
oder einen reinen Elektromotor umfassen.
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Der
Differenzialanteil 15 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Regelung 1 im Sinne einer Vorsteuerung überlagert.
Alternativ kann der Differenzialanteil 15 auch Teil der
Reglerstruktur des Reglers 1 sein, sodass auch dem Differenzialanteil 15 die
Regelabweichung Δ zugeführt und
von diesem differenziert wird. Die beschriebene Aktivierung bzw. Deaktivierung
des Differenzialanteils 15 kann dabei beibehalten werden.
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Als
zu regelnde Betriebsgröße eignet
sich beispielsweise auch ein Ladedruck für den Fall, dass die Antriebseinheit
eine aufladbare Brennkraftmaschine umfasst.
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Ferner
muss es sich bei dem dritten Anteil 15 nicht unbedingt
um einen Differenzialanteil handeln. Ganz allgemein kann der dritte
Anteil 15 eine beliebige Vorsteuerung oder Komponente des
Reglers 1 bilden, die es ermöglicht, ein Unterschneiden
des Motors insbesondere nach Sturzgas zu vermeiden. Auch bei Verwendung
des Differenzialanteils muss nicht in der beschriebenen Weise ein
Differenz-Zeit-Glied verwendet werden, es kann auch ein einfaches
Differenzglied ohne Tiefpassverhalten verwendet werden. Je nachdem,
welche Betriebsgröße der Antriebseinheit
durch den Regler 1 geregelt wird, kann der Betriebszustand
der Antriebseinheit zur Bestimmung, ob der dritte Anteil 15 aktiviert
werden soll oder deaktiviert werden soll allgemein abhängig von der
zu regelnden Betriebsgröße bestimmt
werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
lässt sich
also auch bei Sturzgas aus verhältnismäßig kleinen
Istwerten nist über
dem Sollwert nsoll der Motordrehzahl ein gleichzeitiger Eingriff
des Reglers 1 und des dritten Anteils 15 verhindern.