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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Soll-Eingang, an dem ein Soll-Signal anliegt, einem Ist-Eingang, an dem ein Ist-Signal anliegt und einem Ausgang, an dem ein Ausgangssignal anliegt, wobei die Regeleinrichtung ein erstes Regelglied sowie ein zweites Regelglied umfasst und das zweite Regelglied mittels eines Schalters parallel zu dem ersten Regelglied zuschaltbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine.
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Für die Regelung der Motordrehzahl einer Brennkraftmaschine durch Funktionen einer elektronischen Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU) werden häufig proportional-integrierende Reglerstrukturen (PI-Regler) verwendet. Im Sturzgasfall wird zur Vermeidung bzw. zur Verringerung des Unterschwingens zusätzlich ein differenzierendes Übertragungsglied eingesetzt. Als Sturzgas wird bezeichnet wenn die Soll-Drehzahl oder eine Aufschaltung an der Stellgröße der Regeleinheit sprungartig zurückgenommen wird, beispielsweise indem das vorher weit durchgetretene Gaspedal schlagartig zurückgenommen wird. Für die stationäre Regelung sowie bei großen Regelabweichungen wird das differenzierende Übertragungsglied abgeschaltet. Bekannt sind Ausführungsformen mit einem DT1-Übertragungsglied (differenzierendes Übertragungsglied mit Verzögerung erster Ordnung) sowie Realisierung mit DT2-Übertragungsgliedern (differenzierendes Übertragungsglied mit Verzögerung zweiter Ordnung). Zur weiteren Verbesserung des Einschwingsverhaltens sind Lösungen bekannt, die den Stelleingriff des differenzierenden Übertragungsgliedes in Abhängigkeit von der Regelabweichung gewichtet aufschalten. Weiterhin wird in bekannten Lösungen der Zeitpunkt zur Aktivierung des differenzierenden Übertragsgliedes vom Massenträgheitsmoment der Regelstrecke, welche zum Beispiel anhand der Ganginformation identifiziert werden kann, gewählt.
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Das differenzierende Übertragungsglied ist in der Regel so ausgelegt, dass bei Erreichen der Solldrehzahl ein fixer Anteil vom anliegenden Lastmoment erreicht wird. Bei Abschaltung des differenzierenden Übertragungsgliedes wird dessen Stelleingriff zur Vermeidung von Momentensprüngen in ein anderes speicherndes Übertragungsglied, zum Beispiel den Integrator, übernommen.
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Aus der
DE 41 12 848 A1 ist ein System zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine beschrieben. Ziel ist es ein Unterschneiden der Solldrehzahl zu vermeiden, insbesondere im Sturzgasbetrieb. Hierzu ist vorgesehen die Regelung aus zwei parallel wirkenden Regelgliedern aufzubauen. Dies sind ein Proportionalglied und ein Differentialglied. Das Differentialglied kann abgeschaltet werden.
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Die
DE 10 2005 025 883 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinheit. Zur Vermeidung eines Unterscheidens der Solldrehzahl sind hier ebenfalls parallel wirkende Proportionalglieder und Differentialglieder vorgesehen.
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Probleme des Standes der Technik
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Bei großer Variation der Lastmomente lässt sich bei bekannten Ausführungsformen keine geeignete Auslegung des differenzierenden Übertragungsgliedes erzielen. Bei kleinen Lastmomenten wird die Solldrehzahl nur langsam erreicht, da der Stelleingriff des differenzierenden Übertragungsgliedes die Annäherung an die Solldrehzahl verzögert. Bei sehr großen Lastmomenten baut sich kein hinreichend großer Stelleingriff auf, wodurch es zu einem ausgeprägten Unterschwingen der Solldrehzahl kommt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die zeitliche Varianz des Einschwingvorgangs bei Sturzgas zu verringern.
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Vorteile der Erfindung
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Dieses Problem wird gelöst durch eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Soll-Eingang, an dem ein Soll-Signal anliegt, einem Ist-Eingang, an dem ein Ist-Signal anliegt und einem Ausgang, an dem ein Ausgangssignal anliegt, wobei die Regeleinrichtung ein erstes Regelglied sowie ein zweites Regelglied umfasst und das zweite Regelglied mittels eines Schalters parallel zu dem ersten Regelglied zuschaltbar ist, wobei die Regeleinrichtung Mittel umfasst, die das zweite Regelglied parallel zu dem ersten Regelglied zuschalten, wenn die Differenz des Soll-Signals und des Ist-Signals kleiner als ein Offset.
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Der Offset ist vorzugsweise vom Gradienten des Ist-Signals abhängig. Der Offset betrifft bevorzugt eine Drehzahl als Drehzahloffset. Das Soll-Signal ist vorzugsweise eine Solldrehzahl, das Ist-Signal eine Istdrehzahl. Der Drehzahloffset ist dann drehzahlgradientenabhängig. Je größer der (negative) Drehzahlgradient, desto größer der Drehzahloffset.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Regelglied ein proportional-integrierendes Regelglied ist und/oder dass das zweite Regelglied ein differenzierendes Regelglied ist. Das differenzierende Regelglied kann eine Verzögerung beliebiger Ordnung, vorzugsweise erster oder zweiter Ordnung aufweisen. Statt eine PI-Reglers als erstes Regelglied kann hier auch jeder andere Regler verwendet werden. Der Schalter wird vorzugsweise durch eine Aufschaltlogik einer Regelstrecke geöffnet und geschlossen, die den Drehzahlgradienten der Istdrehzahl ermitteln kann und daraus einen Drehzahloffset bestimmen kann. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Schalter mit einer Aufschaltlogik verbunden ist und ein Eingang der Aufschaltlogik mit dem Sollsignal sowie dem Ausgang eines Differenzierers, an dessen Eingang das Soll-Signal anliegt, verbunden ist.
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Im Sturzgasfall bestimmt das Lastmoment den Drehzahlgradienten. Unabhängig vom Lastmoment benötigt das differenzierende Übertragungsglied immer die gleiche Zeit für den Aufbau seiner Stellgröße bis zu einem bestimmten Verhältnis zum Lastmoment. Die Aktivierung des differenzierenden Übertragungsgliedes soll gerade für diese Einschwingzeit geschehen, wobei die Abschaltung zum Beispiel durch das Erreichen der Solldrehzahl bestimmt ist. Damit besteht ein Freiheitsgrad für die Aktivierungszeit des differenzierenden Übertragungsgliedes nur beim Einschalten, nicht beim Ausschalten. Bei flachen Drehzahlgradienten ist die Aufschaltung bei geringem Abstand zur Solldrehzahl möglich, bei starkem Gradienten muss das differenzierende Übertragungsglied schon bei größerem Abstand zur Solldrehzahl aktiviert werden. Um das zu leisten, dient der Drehzahlgradient bzw. der Quotient des Momentes zum Massenträgheitsmoment M/J als Bedingung zur Aktivierung des differenzierenden Übertragungsgliedes. Verglichen mit modellbasierten Strukturen ist das erfindungsgemäße Verfahren robuster gegenüber Änderungen des Streckenverhaltens wie zum Beispiel einem veränderlichen Massenträgheitsmoment J z. B. durch unterschiedliche eingelegte Gänge oder variable Beladung des Fahrzeuges.
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Um möglichst gleiche Aktivierungsdauern des differenzierenden Übertragungsgliedes zu erhalten muss der Einschaltzeitpunkt variiert werden. Da diese Aufgabe nicht kausal ist, der Ausschaltzeitpunkt also nicht bekannt ist, wird ein Drehzahloffset zur Solldrehzahl als Einschaltschwelle definiert. Dieser Drehzahloffset muss zur Realisierung gleicher Aktivierungsdauern entsprechend den Gradienten dn/dt der Istdrehzahl bestimmt werden. Der Drehzahlgradient hängt von dem Lastmoment M_stat ab: dn/dt = M_stat/J.
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Dabei ist
dn/dt der Drehzahlgradient, mithin die zeitliche Ableitung der Istdrehzahl,
M_stat das Lastmoment, sprich das Drehmoment, das im stationären Zustand anliegt und
J das Massenträgheitsmoment.
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Zwischen dem Ausgang des Differenzierers und dem Eingang der Aufschaltlogik ist vorzugsweise ein Funktionsfilter angeordnet.
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Dieser ermittelt aus dem Drehzahlgradienten mittels eines funktionalen Zusammenhanges den Drehzahloffset.
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Weiter vorzugsweise ist zwischen dem Ausgang des Differenzierers und dem Eingang der Aufschaltlogik ein Tiefpass angeordnet. Dieser dient dazu, hochfrequente Schwingungen aus dem Drehzahlsignal und damit aus dem Drehzahlgradienten zu unterdrücken.
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Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine, wobei eine Ist-Drehzahl auf eine Soll-Drehzahl mittels einer Führungsgröße geregelt wird, wobei die Führungsgröße proportional-integrierend aus der Drehzahlabweichung Solldrehzahl zu Ist-Drehzahl geregelt wird und dass zusätzlich eine differenzierend ermittelte Reglerausgangsgröße auf die Führungsgröße aufgeschaltet wird wenn die Drehzahlabweichung einen Mindestwert unterschreitet, wobei der Mindestwert abhängig vom Drehzahlgradienten der Ist-Drehzahl ermittelt wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zusätzlich differenzierend ermittelte Reglerausgangsgröße einem Kennfeld oder einem funktionalen Zusammenhang entnommen wird.
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Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Regelschaltung;
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2 eine Darstellung des Einschwingverhaltens bei unterschiedlichen Lastmomenten;
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3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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1 zeigt eine Skizze einer erfindungsgemäßen Regelschaltung. Dargestellt ist ein Regelkreis mit einem Eingang 3 für die Ist-Drehzahl n_ist sowie einem Eingang 4 für die Solldrehzahl n_soll, die beide voneinander subtrahiert werden, dies ist durch einen Kreis mit einen (–) verdeutlicht, und auf den Eingang eines an sich bekannten proportional-integrierenden Regelgliedes PI aufgeschaltet sind. Am Ausgang des proportional-integrierenden Regelgliedes PI liegt eine Steuergröße an, dies ist hier im Ausführungsbeispiel einer Drehzahlregelung für eine Brennkraftmaschine das an der Kurbelwelle anliegende (Soll-)Drehmoment M. Parallel zu dem proportional-integrierenden Regelglied PI kann ein differenzierendes Regelglied mit Verzögerung erster Stufe DT1 mittels eines Schalters SL zugeschaltet werden. Der Ausgang der Regelglieder PI und DT1 wird addiert, dies ist durch einen Kreis mit einen (+) verdeutlicht, und bildet die Steuergröße St, hier also das einzustellende Kurbelwellenmoment M, das an einem Ausgang 5 abgegriffen werden kann. Am Ausgang 5 kann auch ein inneres Moment oder eine Einspritzmenge anliegen. Der Schalter SL ist hier als Umschalter dargestellt, bei dem entweder der Ausgang des Regelgliedes DT1 oder ein Null-Signal auf den Regelausgang aufgeschaltet werden können. In der Schalterstellung wie sie in 1 dargestellt ist, ist der Schalter SL in der Stellung, in der das Nullsignal zusätzlich zu dem Regelglied PI auf den Ausgang aufgeschaltet ist, der Regler fungiert somit insgesamt als PI-Regler. In der in 1 nicht dargestellten anderen Schalterstellung, bei der der Ausgang des Drehgliedes DT1 zusätzlich auf den Ausgang des Reglers geschaltet ist, handelt es sich bei dem Regler insgesamt um einen PID-Regler. Statt eines differenzierenden Regelgliedes mit Verzögerung erster Ordnung DT1 kann hier auch ein differenzierendes Regelglied mit Verzögerung zweiter oder höherer Ordnung oder ein differenzierendes Regelglied ohne Verzögerung oder dergleichen mehr eingesetzt werden. Die Schalterstellung des Schalters SL wird gesteuert von einer Aufschaltlogik AL, dies ist durch einen gestrichelten Pfeil von der Aufschaltlogik AL zu dem Schalter SL angedeutet. Eingangsseitig liegt an der Aufschaltlogik AL zum einen das Ist-Drehzahlsignal n_ist, dies ist durch einen durchgehenden Pfeil 1 angedeutet, zum anderen ein weiterverarbeitetes Signal n_offset, welches durch die mit einem gestrichelten Kasten mit dem Bezugszeichen 2 versehenen Schaltelemente erzeugt wird. Dabei wird zunächst von einem Differenzierer S das Drehzahl-Istsignal n_ist in ein nach der Zeit abgeleitetes Signal dn/dt umgewandelt und anschließend auf den Eingang eines Tiefpassfilters T gelegt. Der Ausgang des Tiefpassfilters T ist auf ein Funktionsglied F gelegt, dessen Ausgang wiederum als Signal n_offset an einem der beiden Eingänge der Aufschaltlogik AL gelegt ist.
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Bei dem Funktionsglied F ist eine Funktion bzw. Abbildung des Drehzahlgradienten dn/dt auf den Drehzahloffset n_Offset in einer Kennlinie abgelegt. Die Aufschaltung des differenziellen Stelleingriffs kann zusätzlich auch gewichtet, beispielsweise durch die Regelabweichung oder die Aktivierungszeit des Eingriffs, erfolgen. Anstelle der Drehmomente können die Reglerstrukturen auch andere momentenbestimmende Stellgrößen aufweisen. Beispielsweise kann bei einer mageren Dieselverbrennung bzw. bei Ottomotoren im Schichtbetrieb die eingespritzte Kraftstoffmasse verwendet werden, bei luftgeführten Brennverfahren, beispielsweise homogene Otto- oder Dieselverbrennung, kann auch die Luftmasse verwendet werden. Anstelle einer Kennlinie in dem Funktionsglied F für die Ermittlung des Drehzahloffsets n_offset kann auch eine andere Implementierung, zum Beispiel durch Polynome oder ein neuronales Netz, verwendet werden. Das differenzierende Übertragungsglied DT1 kann ebenso ein differenzierendes Übertragungsglied mit Verzögerung n-ter Ordnung sein, wobei n für 0, 1, 2 usw. steht. Anstelle der Drehzahl n_ist kann auch die Regelabweichung n_ist – n_soll auf den Eingang des differenzierenden Übertragungsgliedes DT1 gelegt sein. Statt eines proportional integrierenden Regelgliedes PI kann hier auch eine beliebige andere Reglerstruktur verwendet werden.
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Die Aufschaltlogik AL realisiert folgenden Funktionsumfang:
- – Im Sturzgasfall, wird das differenzierende Übertragungsglied eingeschaltet, wenn die Istdrehzahl n_ist kleiner als die Summe von Solldrehzahl n_soll und Offsetdrehzahl n_offset ist.
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Liegt kein Sturzgasfall vor, zum Beispiel bei anhaltend steigender Drehzahl, so wird das differenzierende Übertragungsglied deaktiviert.
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Im eingeschwungenen Zustand, zum Beispiel bei Erreichen der Solldrehzahl n_soll, wird das differenzierende Übertragungsglied abgeschaltet.
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Bei der Einschaltung wird das differenzierende Übertragungsglied mit dem Stellwert 0 initialisiert.
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Bei der Abschaltung des differenzierenden Übertragungsgliedes wird der Stellwert des differenzierenden Übertragungsgliedes in den Speicher eines weiterhin aktiven Übertragungsgliedes, zum Beispiel in den Integrator des differenzierend integrierenden Stellgliedes DI, übernommen.
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In 2 ist das Einschwingverhalten über der Zeit dargestellt. Sowohl im oberen als auch im unteren Diagramm ist über der Abszisse die Zeit t aufgetragen, im oberen Diagramm ist über der Ordinate die Drehzahl n der Brennkraftmaschine aufgetragen, im unteren Diagramm ist über der Ordinate das Moment M der Brennkraftmaschine aufgetragen. Im oberen Diagramm ist die Solldrehzahl n_soll als gerade Linie eingezeichnet. Dargestellt sind drei verschiedene Drehzahlverläufe im Sturzgasfall. Die Drehzahlverläufe sind mit n_1, n_2 und n_3 bezeichnet. n_1 weist den größten (negativen) Drehzahlgradienten auf, n_3 weist den geringsten Drehzahlgradienten auf. Mit n_offset1, n_offset2 sowie n_offset3 sind die Drehzahlabweichungen in dem Diagramm dargestellt, bei denen das differenzierende Regelglied DT1 zugeschaltet wird. Ist der Drehzahlunterschied zwischen n_ist und n_soll größer als der jeweilige Wert n_offset, so ist das differenzierende Regelglied DT1 abgeschaltet, dies entspricht der in 1 dargestellten Schalterstellung, bei der das Signal 0 parallel zu dem PI-Glied zugeschaltet ist. Wie aus 2 zu erkennen ist, wird der Wert n_offset abhängig vom Drehzahlgradienten der Ist-Drehzahl n_ist, dies sind die Kurven n_1, n_2 sowie n_3, bestimmt. Ist die Solldrehzahl n_soll erreicht, so wird das differenzierende Regelglied DT1 wieder abgeschaltet, die Aufschaltzeit ist als TA1, TA2 sowie TA3 eingezeichnet. Im unteren Diagramm dargestellt ist der zugehörige Momentenverlauf am Ausgang des Schalters SL, mithin des Anteils am Reglerausgang, der durch das differenzierende Regelglied DT1 beigetragen wird. Wie aus den Kurvenverläufen ersichtlich ist, trägt das differenzierende Regelglied DT erst zur Regelung bei, wenn die Drehzahlabweichung zwischen Istdrehzahl n_ist und Solldrehzahl n_soll den Wert n_offset unterschreitet. Da es sich um ein differenzierendes Regelglied handelt, ist der Startwert des Momentes jeweils Null und steigt mit einem relativ großen Gradienten auf einen Maximalwert an. Sobald die Regelabweichung gegen Null geht, wird das differenzierende Regelglied DT1 wieder abgeschaltet, und der am Ausgang des Schalters SL anliegende Anteil des Regelgliedes Dt1 fällt schlagartig auf Null ab.
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In 3 ist der Ablauf des Verfahrens in wesentlichen Zügen dargestellt. Zunächst wird in Schritt 100 festgestellt, dass ein Sturzgasfall vorliegt und das Verfahren wird gestartet. In Schritt 101 wird der Drehzahlgradient d(n_ist)/dt bestimmt und in Schritt 102 mit einem Tiefpass gefiltert. In Schritt 103 wird aus dem gefilterten Drehzahlgradienten durch einen funktionalen Zusammenhang oder ein Kennfeld der Drehzahloffset n_offset = f(d(n_ist)/dt) ermittelt. In Schritt 104 wird geprüft, ob die Differenz Solldrehzahl zu Istdrehzahl n_soll – n_ist kleiner ist als der Drehzahloffset n_Offset. Ist dies nicht der Fall (gekennzeichnet durch N), so wird zu Schritt 101 verzweigt. Ist dies der Fall (J), so wird in Schritt 105 der Schalter SL in die Stellung gebracht, in der das Regelglied DT1 parallel zum PI-Regelglied geschaltet ist, diese Schalterstellung wird hier als „Ein” bezeichnet. 1 zeigt die Schalterstellung „Aus”. Äquivalent zum Sturzgasfall kann das Verfahren für eine Annährung der Solldrehzahl von unten eingesetzt werden. Anwendung ist z. B. Höchstdrehzahlregelung. Der Schalter SL wird in Schritt 107 ausgeschaltet, wenn die Prüfung in Schritt 105 ergibt, das Solldrehzahl n_soll und Istdrehzahl n_ist abgeglichen sind, ansonsten wird die Schleife Schritt 106 und 105 durchlaufen und der Schalter SL bleibt „Ein”.
