DE102005028310B4

DE102005028310B4 - Regelvorrichtung für ein Regelsystem

Info

Publication number: DE102005028310B4
Application number: DE200510028310
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof. Kugi; Wolfgang KEMMETMÜLLER
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2005-06-18
Filing date: 2005-06-18
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2025-06-19
Also published as: DE102005028310A1

Abstract

Regelvorrichtung für ein Regelsystem, zum Regeln eines reversiblen Positioniervorganges, in Form eines durch eine Bedienperson auslösbaren Lenkvorganges, bei Kraftfahrzeugen, bestehend aus:
– einer Ansteuereinrichtung zur Abgabe mindestens eines vorgebbaren Steuersignals,
– einer Erfassungseinrichtung (16) zum Erfassen zumindest eines Teiles der Steuersignale,
– einer Aktoreinrichtung (32) als Teil eines ersten Regelkreises (58), die das jeweilige Steuersignal in einen Wirkeinfluss für eine anzusteuernde Einrichtung (28) umsetzt, und
– einer vorzugsweisen mechanischen Wirkverbindung (22) zwischen der Ansteuereinrichtung und der mittels des Wirkeinflusses anzusteuernden Einrichtung (28),
– dadurch gekennzeichnet, dass zum Sicherstellen eines definierten, deutlich von Null verschiedenen für die Bedienperson spürbar über die Wirkverbindung an die Ansteuereinrichtung rückmeldbaren Anteils des Wirkeinflusses mindestens ein weiterer Regelkreis (56) vorhanden ist, der dem ersten Regelkreis (58) zugeordnet ist, dass die Aktoreinrichtung (32) Bestandteil des ersten Regelkreises (58) ist, dass der weitere Regelkreis (56) einen Impedanzregler (72) aufweist, der als mindestens eine...

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für ein Regelsystem, zum Regeln eines reversiblen Positioniervorganges, in Form eines durch eine Bedienperson auslösbaren Lenkvorganges, bei Kraftfahrzeugen, bestehend aus:

– einer Ansteuereinrichtung zur Abgabe mindestens eines vorgebbaren Steuersignals,
– einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen, zumindest eines Teiles der Steuersignale,
– einer Aktoreinrichtung als Teil eines ersten Regelkreises, die das jeweilige Steuersignal in einem Wirkeinfluss für eine anzusteuernde Einrichtung umsetzt, und
– einer Wirkverbindung zwischen der Ansteuereinrichtung und der mittels des Wirkeinflusses anzusteuernden Einrichtung.

In der Literatur existiert eine Vielzahl von Ansätzen zur Regelung von Positioniervorgängen wie Lenkvorgängen. Die meisten Arbeiten beschäftigen sich dabei entweder ausschließlich mit Servolenksystemen mit einer elektronischen Aktoreinrichtung wie electrical power steering – EPS (vgl. beispielsweise O. Graßmann et al., Variable Lenkunterstützung für eine elek tromechanische Servolenkung, Tagungsband der 23. Konferenz Elektronik im Kfz, Stuttgart, 2003,
K. Ji-Hoon and S. Jae-Bok, Control Logic for an electric power steering system using assist motor, Mechatronics, vol. 12, pp. 447–459, 2002,
N. Sugitani et al., Electric Power Steering with H-infinity Control Designed to Obtain Road Information, Proceedings of the 1997 American Control Conference, New Mexico, 1997,
A. T. Zaremba, M. K. Liubakka and R. M. Stuntz, Control and Steering Feel Issues in the Design of an Electric Power Steering System, Proceedings of the 1998 American Control Conference, Pennsylvania, 1998)
oder es sind elektro-hydraulische Servolenkungen angesprochen, wie beispielsweise näher aufgezeigt in den Fachveröffentlichungen (T. Acarman et al., A Robust Controller Design for Drive by Wire Hydraulic Power Steering System, Proceedings of the 2002 American Control Conference, Anchorage, 2002 und P. Hingwe, M. Tai and M. Tomizuka, Modeling and Robust Control of Power Steering System of Heavy Vehicles for AHS, Proceedings of the 1999 IEEE International Conference an Control Applications, Hawaii, 1999). Die genannten Ansätze basieren in den allermeisten Fällen auf linearen (adaptiven, optimalen) Reglerstrukturen, die auf einer linearisierten Beschreibung des Systems beruhen. Weiterhin existieren Ansätze basierend auf der sogenannten Fuzzy-Regelungslogik, wobei diese auch mit adaptiven und neuronalen Konzepten verbunden werden kann.
Um die Anforderungen eines Servolenksystems hinsichtlich Handmoment und Positionierung erfüllen zu können, wie sie bei der Lenkunterstützung verlangt wird, muss ein Großteil der Fahrwerkskräfte bei einem Fahrzeug quasi-stationär kompensiert werden. Dies erfolgt in den meisten Fällen durch eine Unterstützungskennlinie, die aus dem gemessenen Lenkmoment die nötige Unterstützungskraft berechnet. Es kann gezeigt werden, dass die se Konfiguration zu Stabilitätsproblemen im Falle von hohen Unterstützungen führen kann.
In der WO 02/076806 A1 wurde dieses Problem bereits dargestellt und das gattungsgemäße Dokument schlägt zur Lösung des Stabilitätsproblemes unter anderem die Vorgehensweise vor, basierend auf einer Messung oder Beobachtung der Radkräfte am Fahrzeugfahrwerk eine Servokraft aufzuschalten, die diese Radkräfte möglichst vollständig kompensiert, wobei die dahingehend bekannte Steuer- oder Regelvorrichtung zur Realisierung einen Zustandsregler einsetzt, der mittels Zustandsgrößen des Fahrzeuges eine Stellgröße für die Steuervorrichtung erzeugt, bei der die vom Fahrer aufzubringenden Lenkkräfte minimal werden, so dass eine weitgehend momentenfreie Lenkung realisiert ist und eine Referenzgrößenaufschaltung für das vom Fahrer aufzubringende Handmoment an der Steuereinrichtung eine Führungsgröße erzeugt. Durch die momentenfreie Lenkkraftsituation ist es jedoch für den Fahrer oder die Bedienperson schwierig eine sensitive, also spürbare Rückmeldung über die Fahrzeuglenkung bezogen auf den Fahrzeugsystemzustand zu erhalten.
Zur Kompensation der angesprochenen Radkräfte werden bei der bekannten Lösung lineare Zustandsregler eingesetzt. In Kombination mit den in der Hydraulik auftretenden Nichtlinearitäten kann dies zu den angesprochenen Stabilitätsproblemen beitragen.
Durch die DE 199 47 210 A1 ist ein Lenkverfahren bekannt, bei dem zur Unterstützung einer manuellen Bedienung einer Lenkung eines Kraftfahrzeuges ein Hilfsmoment auf die Lenkung wirkt. Um dem Bediener dennoch einen möglichst realitätsnahen Bezug von der Beschaffenheit des Untergrundes zu verschaffen, wird das Hilfsmoment in Abhängigkeit von Ein gangsgrößen bestimmt, die einen Rückschluß auf die Bodenhaftung erlauben. Weiterhin kann die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, der Lenkausschlag bezogen auf die Ruhestellung und weitere betätigungsabhängige Betriebsdaten zur Auswertung herangezogen werden. Kommt es zu einer plötzlichen Änderung der Bodenhaftung, beispielsweise durch Verschmutzungen, Eis, Schnee, Schotteruntergrund und dergleichen mehr, wird das Hilfsmoment reduziert, um dergestalt der Gefahr einer Überreaktion, insbesondere einer zu starken Lenkbewegung entgegenzuwirken. Der dahingehende Einfluß der Bodenhaftung auf das Hilfsmoment ermöglicht so eine wesentlich verbesserte Fahrsicherheit, unabhängig von der Erfahrung und Reaktionsfähigkeit des jeweiligen Bedieners des Fahrzeuges. Damit das jeweils aufzubringende Hilfsmoment, in Abhängigkeit der auf die Bodenhaftung bezogenen Betriebsdaten bestimmt wird, wie Fahrgeschwindigkeit, Größe des Lenkausschlages sowie des manuell aufgebrachten Lenkmomentes, Lenkgeschwindigkeit etc. ist vergleichbar zu der WO 02/076806 A1 eine Standardregelkreis-Lösung angesprochen, gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik. Auch insoweit sind auftretende Stabilitätsprobleme nicht auszuschließen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die bekannten Lösungen dahingehend weiter zu verbessern, dass eine bedienerfreundliche, stabile Lösung für eine Regelvorrichtung insbesondere auf dem Gebiet von Lenkvorgängen bei Fahrzeugen jedweder Art geschaffen ist. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Regelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zum Sicherstellen eines definierten, deutlich von Null verschiedenen für die Bedienpersonen spürbar über die Wirkverbindung an die Ansteuereinrichtung rückmeldbaren Anteils des Wirkeinflusses mindestens ein weiterer Regelkreis vorhanden ist, der dem ersten Regelkreis zugeordnet ist, dass die Aktoreinrichtung Bestandteil des ersten Regelkreises ist, dass der weitere Regelkreis einen Impedanzregler aufweist, der als mindestens eine Eingangsgröße eine Ausgangsgröße (τ_LS) der Ansteuereinrichtung berücksichtigt, und dass der Impedanzregler unter Einbezug von Systemgrößen (τ_LS) der Ansteuereinruchtung und der Wirkverbindung sowie von zeitlichen Ableitungen (φ .._LS) der Systemgrößen (φ_LS) eine Ausgangsgröße (τ_Servo) an den ersten Regelkreis weitergibt, sind über den weiteren Regelkreis sowie die in Ansatz gebrachte Impedanzregelung die angesprochenen Stabilitätsprobleme im Stand der Technik sicher beherrschbar und es ist für die Bedienperson oder den Fahrer von Vorteil, dass er durch die angesprochene Erfassung unter Einbezug des weiteren Regelkreises sowie der Impedanzregelung eine Rückmeldung über die Betriebssituation der Positioniereinrichtung erhält.
Demgemäß ist es mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung möglich, die an eine moderne Servolenkung fahrsituationsabhängige Unterstützung des Fahrers zu gewährleisten, so dass beispielsweise eine von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige stabile Unterstützung gewährleistet werden kann. Dabei kann in einer vorteilhaften Weiterausgestaltung der Regelvorrichtung vorgesehen sein, dass der Grad der aufzubringenden Unterstützung eine Funktion von weiteren Größen des Fahrzustandes ist wie zum Beispiel des Lenkwinkels, der Lenkwinkelgeschwindigkeit etc. Durch den Einbezug der Impedanzregelung und des weiteren Regelkreises im skizzierten Sinne ergibt sich eine Gesamtregelungstrategie, die die Stabilität des Lenksystems in allen Betriebsfällen gewährleistet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Regelvorrichtung anhand eines Ausführungsbeispieles nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
1 eine Übersichtsdarstellung einer hydraulisch unterstützten Lenkung,
2 die in der 1 realisierte Regelvorrichtung als Ganzes in der Art eines Blockschaltbildes.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Regelungsverfahren anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Ausgangspunkt der weiteren Betrachtungen soll zunächst eine elektro-hy-draulische Lenkung sein wie sie beispielhaft in 1 wiedergegeben ist. Die gezeigte Lenkung weist eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Ansteuereinrichtung auf, bestehend u. a. aus einem Lenkrad 12 sowie einer Lenksäule 14. Zwischen Lenkrad 12 und Lenksäule 14 soll ein Lenkmomenten- und Lenkwinkelsensor 16 geschaltet sein. In Fortsetzung der Lenksäule 14 ist in Blickrichtung auf die 1 nach unten hin modelhaft ein Drehstab 18 angeordnet, der über ein Lenkgetriebe 20 mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis i mit einer quer zur Lenksäule 14 angeordneten Lenkstange 22 zusammenwirkt, die hierfür in Richtung des Lenkgetriebes 20 mit einem Zahnsegment 24 versehen ist. Das eine freie Ende der Lenkstange 22 führt zu einem Fahrzeugrad 26, das als Teil eines als Ganzes mit 28 bezeichneten Fahrwerkes anzusehen ist. Am gegenüberliegenden Ende mündet die Lenkstange 22 eine Kolbenstange 30 eines hydraulischen Arbeitszylinders 32 aus, der als Servozylinder für die Lenkung dient. Die angesprochene Kolbenstange 30 mündet unterbrochen von einem Arbeitskolben 34 auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Servozylinder 32 aus und greift dort wiederum gelenkig an einem weiteren Fahrzeugrad 36 an. Die genannten Fahrzeugräder 26 und 36 können auch Teile eines nicht näher dargestellten Mehrfachradsatzes sein, die auch zur Ansteuerung von Kettenantrieben bei Arbeitsmaschinen oder Panzerfahrzeugen dienen können.
Neben den angesprochenen mechanischen Lenkkomponenten ist für die Lenkung eine als Ganzes mit 38 bezeichnete hydraulische Druckversorgung vorgesehen, die eine über einen Antriebsmotor (Verbrennungsmotor) antreibbare hydraulische Pumpe 40 aufweist, die über eine einstellbare Saugdrossel 42 aus einem Tank T mit einem Tankdruck p_T versorgbar ist. Im Bypass zur Pumpe 40 ist ein elektrisch ansteuerbares Bypassventil 44 vorgesehen. In Kombination mit der Saugdrossel 42, der Pumpe 40 und dem hydraulischen Speicher 46 wird eine energieoptimale Speicherladeschaltung realisiert, wobei der hydraulische Speicher 46 als Energiespeicher dient. Der hydraulische Speicher 46, der zwischen einem Rückschlagventil 48 und einem ersten Lenkventil 50 in den hydraulischen Kreis mündet und im übrigen sowohl fluidführend an das erste Lenkventil 50 als auch an ein weiteres zweites Lenkventil 52 angeschlossen ist. Die genannten Lenkventile 50, 52 sind als sogenannte 3/2-Wege-Ventile ausgebildet und entsprechend elektrisch ansteuerbar. Die genannten Lenkventile 50, 52 sind eingangsseitig sowohl an die eigentliche Druckversorgung 38 angeschlossen sowie an den Hydrospeicher 46 und den Tank T. Ausgangsseitig sind die Ventile 50, 52 fluidführend an die jeweils zuordenbaren Arbeitsräume 54 des Servozylinders 32 angeschlossen. Die entsprechenden zuführbaren Fluidmengen und -drücke sind mit q_A, p_A, q_B, p_B wiedergegeben und der über den Hy drospeicher 46 eingebrachte Druck wird zusammen mit dem Druck der hydraulischen Druckversorgung 38 mit p_S bezeichnet.
Die in der 1 dargestellten Komponenten sind in der 2 im Sinne einer Blockschaltdarstellung mit denselben Bezugszeichen wie in der 1 erfaßt. Die prinzipielle Funktionsweise gemäß der Darstellung nach der 1 kann nun wie folgt zusammengefaßt werden. Wenn der Fahrer oder die Bedienperson den Lenkwinkel φ_LR ändert, so wird auch der Torsionsstab und die Lenksäule verdreht und erzeugt dergestalt ein Lenkmoment τ_LS, das über das Lenkgetriebe in eine Lenkkraft f_LS übersetzt wird. Diese Kraft bewirkt eine Bewegung der Lenkstange 22 und somit eine zuordenbare Einstellung der Räder 26, 36. Abhängig von der Änderung der Lenkstangenposition s (Geschwindigkeit w = ds/dt) und aufgrund der resultierenden Änderungen der Fahrtrichtung entstehen dann Zahnstangenkräfte f_Zst, die der Lenkkraft f_LS entgegenwirken. Ohne Unterstützung durch den Servozylinder 32 würde nun im stationären Fall die Lenkkraft gleich der Zahnstangenkraft sein, d. h. f_LS = f_Zst. In gewissen Betriebsfällen, wie z. B. beim Einparken, sind diese Kräfte sehr hoch. Deshalb ist unmittelbar einsichtig, dass ein Teil der Zahnstangenkraft zu kompensieren ist. Dies erfolgt mit Hilfe der vom Servozylinder 32 erzeugten Servokraft f_Servo = (p_A – p_B) × A_Servo, wobei A_Servo die wirksame Fläche des Arbeitskolbens 34 ist. Dergestalt sind eine leichtgängige Lenkung sowie ein gutes Lenkgefühl erzeugbar.
Gegenüber konventionellen Servolenkungen kann dergestalt der Grad der Unterstützung praktisch beliebig in Abhängigkeit des aktuellen Fahrzustandes eingestellt und für den Fahrer auch durch die angesprochene Rückmeldung über die Ansteuereinrichtung händisch spürbar sein. Anstelle der angesprochenen Mechanikkomponenten für die Lenkung wäre das erfindungsgemäße Konzept auch auf ein sogenanntes EPS (electric power steering-system) übertragbar, wobei im dahingehenden System die Unterstützungskraft durch einen Elektromotor (nicht dargestellt) erzeugt wird, der über ein entsprechendes Getriebe entweder in der Lenksäule 14 oder über ein Getriebe vorzugsweise in Form eines Zahnstangengetriebes auf die Lenkstange 22 einwirkt.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Regelvorrichtung detailliert beschrieben. Bei den anschließenden Erläuterungen zur Regelsystematik der Regelvorrichtung wird ein verallgemeinertes Lenksystem betrachtet, bestehend aus dem mechanischen Lenksystem, insbesondere in Form des Lenkgetriebes 20 mit Übersetzung i und einem Drehstab 18, dem Aktor 32 zur Erzeugung der Unterstützungskraft f_Servo oder eines entsprechenden Unterstützungsmomentes und einer Automatisierungseinrichtung (ECU) mit entsprechenden Sensoren wie beispielsweise dem Lenkmomenten- und Lenkwinkelsensor 16. Die spezifische Ausführung des Unterstützungsaktors 32 kann dann sowohl in Form eines hydraulischen Systems (EHPS mit einem Servozylinder 32) als auch in der Form eines reinen elektrischen Systems (EPS) erfolgen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich die betrachtete Konfiguration wesentlich von einem vollständigen Steer-by-Wire System unterscheidet, bei dem der Lenkeingriff des Fahrers über ein Messlenkrad erfolgt, welches die Information in einen Sollwert für das Lenksystem umsetzt. Beim Steer-by-wire System fehlt jedoch die, das erfindungsgemäße System kennzeichnende, insbesondere mechanische, Verbindungssystem (Wirksystem) zwischen dem Lenkrad 12 und der Lenkstange 22. Dieser Unterschied ist aus mehreren Gründen essentiell. Einerseits ist durch den direkten Durchgriff des Fahrers ein sogenanntes fail-save System bei Ausfall der Lenkunterstützung gegeben, dessen Fehlen bei vollständigen Steer-by-Wire Systemen auch der Hauptgrund dafür ist, dass diese im Kraftfahrzeugbereich noch kaum Eingang gefunden haben. Des weiteren bewirkt der direkte Durchgriff gewisse Stabilitätsprobleme des Gesamtsystems, deren Lösung bei gleichzeitig frei einstellbarer Unterstützung für den Fahrer gerade die Aufgabe der Erfindung ist.
Im Folgenden werden die Zusammenhänge betreffend die Regelung des Lenksystems anhand mathematischer Formeln und Modelle näher vorgestellt und erläutert. Insbesondere ist nachfolgend die Regelung des Lenksystems zum Einstellen eines gewissen spürbaren Lenkgefühles (nicht momentenfrei) dadurch gelöst, dass eine Impedanzregelung realisiert wird. Insbesondere beziehen sich die nachfolgenden Ausführungen auf den in 2 als Ganzes mit 56 bezeichneten Impedanzregelkreis. Der dahingehende Impedanzregelkreis 56 beinhaltet einen als Ganzes mit 58 bezeichneten Servokraftregelkreis, der in der 2 wie der Impedanzregelkreis 56 mit einer Strichlinierung zur Verdeutlichung umfaßt ist. Der dahingehende Servokraftregelkreis 58 beinhaltet einen Servokraftregler 60, dessen Ausgangsgröße U_SV an die Lenkventile 50, 52 weitergegeben wird, die wiederum mit ihrer Ausgangsgröße den Servozylinder 32 ansteuern. In Rückführung des Regelkreises wird ein Ausgangswert des Servozylinders 32 in einer ersten Schnittstelle 62 dem Servokraftregler 60 zugeführt. Die Ausgangsgröße f_Servo des Servozylinders 32 wird an eine weitere Schnittstelle 64 weitergeleitet, an die sich die zu regelnden Komponenten zunächst in Form der Lenkstange 22, 28 anschließen, deren Ausgangsgröße s an die einschlägigen Teile des Fahrwerkes, insbesondere in Form der Fahrzeugreifen 26, 36 weitergegeben wird. Die bereits angesprochene Zahnstangenkraft f_Zst wird dann in Rückführung an die Schnittstelle 64 weitergegeben.
Die bereits vorgestellte Lenksäule 14 hat als Eingangsgröße neben dem Lenkradwinkel ϕ_LR noch den Lenkstangenweg s der Lenkstange 22, 28. Der sich hieraus ergebende Wert τ_LS wird an das Lenkgetriebe 20 mit Übersetzung i weitergeleitet, um dann gleichfalls Eingang zu finden in die zweite Schnittstelle 64. Ein noch näher zu beschreibender Lastkraftbeobachter 66 erhält auf der Eingangseite die Eingangsgrößen τ_LS und f_Servo wie in 2 angegeben. Die geschätzte Last τ_Last wird an eine Bewertungseinrichtung 68 weitergeleitet, die als Γ(τ_Last) einer dritten Schnittstelle 70 zugeführt wird, die als weitere Größe die Ausgangsgröße des Impedanzreglers 72 des Impedanzregelkreises 56 erhält. Das dahingehende Summensignal wird dann von der Schnittstelle 70 an die erste Schnittstelle 62 weitergegeben. Ferner erhält der Impedanzregler 72 auf der Eingangsseite die Größe τ_LS; abgegriffen hinter der Lenksäule 14 und kann gegebenenfalls weitere Eingangsgrößen auch als Zustandsgrößen verarbeiten wie Fahrzeuggeschwindigkeit (v_veh) und (ϕ_LR) als Lenkradwinkel. Der Eingang weiterer Größen (mit Pünktchen dargestellt) ist in Abhängigkeit der sich zu stellenden Regelaufgabe denkbar.
Zur Lösung der angesprochenen Impedanzregelungsaufgabe betrachtet man vorerst die Gleichungen des Lenksystems, transformiert auf die Lenksäule 14, wobei φ_LS = is ist und i die Übersetzung des Lenkgetriebes bezeichnet
wobei m_LS die Masse der Lenkstange 22 und aller damit fest verbundenen Teile, i das Übersetzungsverhältnis des Lenkgetriebes 20, τ_Servo = f_Servo/i das Servomoment, τ_LS das Lenkmoment und τ_Last = (f_Reib + f_Zst)/i das gesamte Lastmoment ist, wobei in f_Reib als Reibkraft, insbesondere die Reibkraft des Unterstützungsaktors (Servozylinders) enthalten ist und in f_Zst die gesamte Rückwirkung des Fahrwerkes, insbesondere die Reibkraft der Räder 26, 36, bezogen auf den Straßenbelag enthalten ist. Beschreibt man nun das System in neuen Koordinaten Δφ = φ_LR – φ_LS mit dem Lenkradwinkel φ_LR, ergibt dies
Im folgenden wird das anspruchsgemäße erfinderische Impedanzsystem näher beschrieben.
Es wird nun ein Regler derart entworfen, dass sich das Originalsystem nach dem vorstehend angegebenen Formelwerk mit dem Lastmoment τ_Last als Eingang genauso verhält wie ein gewünschtes (nichtlineares) mechanisches System mit einer gewünschten vorgegebenen (nichtlinearen) Federcharakteristik A_c (Δφ) und einer gewünschten vorgegebenen nichtlinearen Dämpfungscharakteristik Λ(Δω) (Impedanzsystem) der Form
Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dahingehender Regelvorrichtungen überraschend, das Lenkgefühl über ein Impedanzsystem mit dem Lastmoment τ_Last anstelle des näherliegenden Lenkmomentes τ_LS einzustellen, es wird jedoch im Nachfolgenden noch erklärt werden in welcher Form dieses Impedanzsystem mit dem Lenksystem unter Bildung eines „natürlichen Lenkgefühls” verknüpft ist. Ein Vergleich der Formeln von (2) und (3) ergibt den Impedanzregler in der Form
Setzt man dieses Stellgesetz nun in (1) ein, so erkennt man, dass das Lenkmoment τ_LS nicht mehr explizit auftritt. Der Lenkeingriff des Fahrers erscheint nun wieder im System, wenn man beachtet, dass näherungsweise gilt φLS = CLS (φLR – φLS) = cLSΔφ (5)
Dabei bezeichnet c_LS die effektive Steifigkeit der gesamten Ansteuereinrichtung, die näherungsweise als lineare Drehfeder (Torsionsfeder) angesehen werden kann. Man betrachtet nun vorerst den einfachsten Fall einer linearen Federkennlinie Λ_c(Δφ) = κΔφ mit der Federsteifigkeit κ ohne Dämpfung Λ_d(Δω) = 0. Dabei kann angenommen werden, dass die Beschleunigung des Lenkrades 12 klein ist (φ .._LS<<) und damit vernachlässigbar ist. In diesem Fall ergibt sich das Regelgesetz gemäß (4) in der Form τServo = –τLS + κΔφ (6)
Setzt man dieses Regelgesetz in (1) ein und betrachtet man den quasistationären Fall, so erhält man
Für Fahrsituationen mit hoher Lenkunterstützung, d. h. τ_LS << τ_Last, muss nun die gewünschte Federsteifigkeit κ sehr groß gewählt werden. Wenn man weiterhin eine finite Dynamik der Servokraft, d. h. des Aktors 32, der für den Aufbau der Servokraft verantwortlich ist – auch in Form eines Elektromotors bei einer EPS oder des Servozylinders 32 bei der elektrohydraulischen Lenkung – berücksichtigt, dann kann gezeigt werden, dass der resultierende geschlossene Regelkreis prinzipbedingt zur Instabilität tendieren würde.
Um diese Stabilitätsprobleme zu vermeiden, nimmt man vorerst an, dass das Lastmoment τ_Last messbar ist. Das Einführen einer Störgrößenaufschaltung der Form τServo = τ ~Servo + Γ(τLast) (8)mit |Γ(τ_Last)| < |τ_Last| in (1) kann dazu verwendet werden, um einen Anteil der Lastkraft zu kompensieren. Man kann nun darstellen, dass der transformierte Eingang τ ~Last = τLast – Γ(τLast) (9) zum gleichen Impedanzregelungsproblem führt wie zuvor. Betrachtet man der Einfachheit halber aber nun wiederum eine lineare Feder der Steifigkeit κ, dann erhält man τ ~Servo = –τLS + κ ~τLS/cLS (10) was im quasi-stationären Fall zu τLS = (cLS/κ ~)(τLast – Γ(τLast)) (11)führt. Zur einfacheren Darstellung der Idee sei angenommen, dass Γ(τLast) = γτLast mit 0 ≤ γ ≤ 1 (12)gilt. Wenn sich nun das transformierte System analog zum Originalsystem in der Antwort auf externe Lastkräfte (Lastmomente) verhalten soll, dann muss offensichtlich die Bedingung (CLS/κ)τLast = (cLS/κ ~)(1 – γ)τLast (13)erfüllt sein. Für eine geeignete Wahl von γ (0.8 < γ < 1), folgt κ ~ = (1 – γ) κ << κ und damit können die vorhin erwähnten Stabilitätsprobleme umgangen werden. Die Ursache dafür besteht darin, dass ein großer Teil der Last τ_Last durch die Störgrößenaufschaltung γτ_Last bereits kompensiert ist. Der Impedanzregler 72 muss daher nunmehr auf die kleine Abweichung τ ~Last = (1 – γ)τLast (15)regeln.
Diese Art der Regelung braucht nicht auf lineare Federkennlinien eingeschränkt zu sein. Faktisch können nahezu alle physikalisch sinnvollen Unterstützungskennlinien, die auch eine Funktion anderer Variablen des Fahrzustandes (z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lenkwinkelgeschwindigkeit usw.) sein können, eingestellt werden.
Steht eine Messung der Lastkraft nicht zur Verfügung, so kann eine Schätzung τ ~_Last von τ_Last mit Hilfe eines (nichtlinearen) Beobachters 66, der in einer Rückführung des Regelsystemes eingesetzt ist, erfolgen (vgl. 2).
Der in 2 eingesetzte Lastkraftschätzer läßt sich wie folgt erhalten, Ausgangspunkt sind zunächst die Differenzialgleichungen des Servozylinders 32 in der Form
und ein Lastmodell in der Form
Es wird also eine konstante aber unbekannte Last angenommen, wobei diese Annahme auch für langsam veränderliche Lasten sehr gute Ergebnisse liefert. Wählt man nun einen Lastbeobachter der Form
mit den geschätzten Größen φ ^_LS, ω ^_LS, τ ^_Last, so erhält man die folgende lineare Fehlerdynamik
Dabei bezeichnen eτ = τLast – τ ^Last eφ = φLS – φ ^LS eω = ωLS – ω ^LS (20)und man erhält für eine geeignete Wahl β, γ > 0 eine stabile Fehlerdynamik und somit ein gewünschtes exponentielles Abklingen des Beobachtungsfehlers. Eine Erweiterung des obigen Lastbeobachters kann beispielsweise durch Hinzufügen eines entsprechenden Fahrzeugmodelles – auch in der Realisierung eines Simulationsmodelles – erfolgen.
Mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist ein gewünschtes, insbesondere nichtlineares Impedanzverhalten des Lenksystems mit der Lastkraft als Eingang in der Form erzeugt, dass der Fahrer eine vom Fahrzustand abhängige, einstellbare (nichtlineare) Unterstützung erfährt. Der Unterstützungsakter in Form des Hydraulikzylinders 32 in Kombination mit einem oder mehreren Lenkventilen 50, 52 erlaubt eine Trajektorienfolgeregelung basierend auf einem (nichtlinearen) flachheitsbasierten Regler, einem Eingangs-Ausganglinearisierungsregler oder einer äquivalenten Reglerstruktur die inhärente Nichtlinearitäten der Hydraulik 38 systematisch berücksichtigt und damit ein exaktes Folgen einer Solltrajektorie der Servokraft gewährleistet. Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung wird vorzugsweise für mechanische Wirkverbindungen wie Fahrzeug-Lenksysteme eingesetzt.

Claims

Regelvorrichtung für ein Regelsystem, zum Regeln eines reversiblen Positioniervorganges, in Form eines durch eine Bedienperson auslösbaren Lenkvorganges, bei Kraftfahrzeugen, bestehend aus: – einer Ansteuereinrichtung zur Abgabe mindestens eines vorgebbaren Steuersignals, – einer Erfassungseinrichtung (16) zum Erfassen zumindest eines Teiles der Steuersignale, – einer Aktoreinrichtung (32) als Teil eines ersten Regelkreises (58), die das jeweilige Steuersignal in einen Wirkeinfluss für eine anzusteuernde Einrichtung (28) umsetzt, und – einer vorzugsweisen mechanischen Wirkverbindung (22) zwischen der Ansteuereinrichtung und der mittels des Wirkeinflusses anzusteuernden Einrichtung (28), – dadurch gekennzeichnet, dass zum Sicherstellen eines definierten, deutlich von Null verschiedenen für die Bedienperson spürbar über die Wirkverbindung an die Ansteuereinrichtung rückmeldbaren Anteils des Wirkeinflusses mindestens ein weiterer Regelkreis (56) vorhanden ist, der dem ersten Regelkreis (58) zugeordnet ist, dass die Aktoreinrichtung (32) Bestandteil des ersten Regelkreises (58) ist, dass der weitere Regelkreis (56) einen Impedanzregler (72) aufweist, der als mindestens eine Eingangsgröße eine Ausgangsgröße (τ_LS) der Ansteuereinrichtung (10) berücksichtigt, und dass der Impedanzregler (72) unter Einbezug von Systemgrößen (τ_LS) der Ansteuereinrichtung (10) und der Wirkverbin dung (22) sowie von zeitlichen Ableitungen (φ .._LS) der Systemgrößen (φ .._LS) eine Ausgangsgröße (τ_Servo) an den ersten Regelkreis (58) weitergibt.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beobachter (16) als Teil einer Rückführung innerhalb des Regelsystems zur Ermittlung nicht gemessener und/oder nicht messbarer Systemgrößen des Regelsystems dient.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzregler (72) noch weitere fahrzeugspezifische Eingangsgrößen (v_veh, φ_LR) verarbeitet und ein impedanzregelverhalten derart aufweist, dass die Bedienperson einen von den fahrzeugspezifischen Eingangsgrößen (f_Zst) abhängigen sowie vorgebbaren, nichtlinearen Wirkeinfluß erfährt.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachter (66) zumindest als Eingangsgröße die Ausgangsgrößen (f_Servo, τ_LS) von der Aktoreinrichtung (32) und von der Ansteuereinrichtung berücksichtigt.
Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße (τ ^_Last) des Beobachters (66) einer Bewertung (Γ) unterworfen dem ersten Regelkreis (58) über eine Schnittstelle (70) zuführbar ist, die als weitere Eingangsgröße die Ausgangsgröße (τ_Servo) des Impedanzreglers (72) erhält.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regelkreis (58) in der Art eines Servokraftregel kreises ausgebildet und mit einem Servokraftregler (60) sowie einem Servozylinder (32) als Teil der Aktoreinrichtung (10) versehen ist.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu regelnden Komponenten aus einer Lenkstange (22) als Teil der Wirkverbindung und dem Fahrwerk (28) des Fahrzeuges, insbesondere in Form der Fahrzeugräder (26, 36) gebildet sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Ausgangsgröße (τ_LS) der Ansteuereinrichtung (10) spezifische Systemgrößen der Lenksäule (14) einbezogen sind, wie Lenkradwinkel (φ_LR) und Lenkstangenposition (s).
Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Eingangsgröße für die Lenkstange (22) die Ausgangsgröße (f_Servo) des Servozylinders (32) sowie die bewertete Ausgangsgröße (i) der Lenksäule (14) berücksichtigt sind einschließlich den jeweiligen Eingangsgrößen (f_Zst) des Fahrzeug-Fahrwerkes (28).