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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.
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Aus der
DE 38 25 138 A1 ist ein Regler zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei wird ein Zustands- und Störgrößenbeobachter als vorgesteuertes und nachgeführtes Streckenmodell einem Zustandsregler zugeordnet. Eine Regelstange einer Dieseleinspritzpumpe wird abhängig von einer Soll-Regelgröße geregelt.
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Die
EP 0 445 339 A1 beschreibt ein Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine. Dieses Regelsystem weist eine Verlust- Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit auf. Bei diesem werden die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine in der Beobachtereinheit rekonstruiert.
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Vom Markt her ist beispielsweise zur Einstellung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine bekannt, abhängig von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine als Zielgröße eine Zieldrehzahl zu berechnen. Diese wird durch eine Korrektur in eine Solldrehzahl umgewandelt und zusammen mit einer eine Ist-Regelgröße bildenden Ist-Drehzahl in einen Differenzbildner eingespeist. Die sich hieraus ergebende Regeldifferenz wird in einen PI-Regler eingespeist, der ein Drehmoment als Stellgröße ausgibt. Dieses wird in die Regelstrecke, nämlich die Brennkraftmaschine, eingespeist. Der Ausgang des Integrators des PI-Reglers wird jedoch zurückgeschleift und für die Korrektur der Zieldrehzahl verwendet.
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Es wurde festgestellt, dass bei diesem Verfahren beispielsweise nach einer Änderung der Zielgröße eine konstante Regeldifferenz verbleibt. Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches schnell und ohne Überschwinger auf eine Änderung der Soll-Regelgröße reagiert, und bei dem die Regeldifferenz im stationären Zustand möglichst Null ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Lösungsvorschläge finden sich in nebengeordneten Patentansprüchen, die ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Robustheit und das gute Führungsverhalten eines PI-Reglers mit Feedback zu nutzen, die dort verbleibende Regeldifferenz aber durch eine Berücksichtigung der Störgröße im Feedback, also der Korrektur der Zielgröße anhand einer Stellgröße, zu vermeiden. Bei einem PI-Regler mit Feedback wird in der Regel ein sogenannter „Aufsetzpunkt“ für den Feedback definiert. Dieser Aufsetzpunkt ist ein Wert der für die Korrektur verwendeten Stellgröße, bei der die Korrektur Null ist, bei der also die Soll-Regelgröße gleich der Zielgröße ist.
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Erfindungsgemäß hängt dieser Aufsetzpunkt von einer aktuellen Störgröße ab, er ist insbesondere gleich der aktuellen Störgröße. Damit wird im stationären Zustand die Korrektur zu Null, das heißt, dass die Zielgröße gleich der Soll-Regelgröße ist, und hierdurch wird eine bleibende Regelabweichung vermieden. Gleichzeitig verhindert die Feedbackkorrektur durch die Korrektur der Zielgröße während des Einschwingvorgangs eine zu große Abweichung der vom Integralglied ausgegebenen Stellgröße vom stationären Endwert. Alles in allem gestattet das erfindungsgemäße Verfahren eine stabile und robuste Regelung ohne Überschwingverhalten und ohne bleibende Regeldifferenz.
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Die erfindungsgemäßen Regler werden vorzugsweise auch in Stationärmotoren oder Off-Road-Anwendungen (Baumaschinen, Kräne, ...) eingesetzt.
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Am einfachsten und wirkungsvollsten ist es, wenn die Korrektur von einer Differenz zwischen der Stellgröße und der Störgröße abhängt. Damit wird die Korrektur zu Null, wenn der Ausgang des Integralglieds gleich der Störgröße ist.
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Eine einfache Realisierung der Korrektur besteht darin, dass die Sollgröße durch Addition der Zielgröße mit einer Korrekturgröße erhalten wird, die durch Multiplikation der Differenz zwischen Stellgröße und Störgröße mit einem Korrekturfaktor erhalten wird. Letztlich wird hierdurch ein Proportionalglied realisiert, dessen Proportionalitätskonstante dem Korrekturfaktor entspricht. Plötzliche Änderungen der Störgröße haben damit eine sofortige Auswirkung auf die Korrektur und damit auch auf die Soll-Regelgröße.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Korrektur nur in bestimmten Betriebszuständen, insbesondere unmittelbar nach einer Änderung der Zielgröße, angewendet wird. Damit wird verhindert, dass eine ungewollte und kontraproduktive Korrektur der Zielgröße erfolgt, was beispielsweise dann der Fall wäre, wenn der Ausgang des Integralglieds schneller ansteigt als die Störgröße.
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Die eigentliche Regelung kann zusätzlich zu dem Integralglied auch ein Proportionalglied umfassen, wodurch eine PI-Feedback-Reglerstruktur geschaffen wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Soll-Regelgröße nur dem Integralglied und die Zielgröße direkt dem Proportionalglied zugeführt werden, was eine bessere Dynamik der erfindungsgemäßen Reglerstruktur gestattet.
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Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit der Einstellung einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine. In diesem Fall sind die Soll- und die Ist-Regelgröße und die Zielgröße eine Drehzahl, und die Stellgröße ist beispielsweise ein Soll-Drehmoment, wohingegen die Störgröße ein Ist-Lastmoment ist. Dieses Ist-Lastmoment ist vorzugsweise ein nicht vorgesteuertes Lastmoment, wie es beispielsweise durch eine Bergfahrt eines Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verursacht wird.
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Für die Stellgröße können auch andere oder mehrere repräsentative Drehmomente verwendet werden, beispielsweise ein Gesamt-Stellmoment oder ein durch eine eingespritzte Kraftstoffmenge oder eine Luftfüllung bewirktes Drehmoment. Ist dies der Fall, müssen diese Anteile auf geeignete Art und Weise in der Störgröße, also dem Ist-Lastmoment, berücksichtigt werden. An Stelle von Drehmomenten kann die erfindungsgemäße Reglerstruktur auch andere drehmomentbestimmende Stellgrößen aufweisen. Bei einer Brennkraftmaschine mit magerer Dieselverbrennung oder bei einer Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung im Schichtbetrieb kann beispielsweise die eingespritzte Kraftstoffmasse verwendet werden, da diese unmittelbar drehmomentbestimmend ist. Bei einem luftgeführten Brennverfahren, beispielsweise einer homogen Otto- oder Dieselverbrennung, kann auch die Luftmasse verwendet werden, da diese in einem solchen Fall drehmomentbestimmend ist.
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Zur Bestimmung der Störgröße kann ein Schätzverfahren angewendet werden, beispielsweise unter Verwendung der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine, einer Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, sowie unter Verwendung bekannter Trägheitsmomente sich bewegender Komponenten. Alternativ hierzu kann die Störgröße auch zumindest indirekt gemessen werden, beispielsweise durch einen Drehmomentsensor. Ferner kann die Störgröße auch von einem externen Gerät bereitgestellt werden, was den Rechen- und Resourcenaufwand reduziert und eine nochmals verbesserte Dynamik gestattet.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei gilt selbstverständlich, dass die in den Patentansprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung dargestellten Merkmale in unterschiedlichsten Kombinationen erfindungswesentlich sein können, ohne dass dies explizit angemerkt ist. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Diagramm, in dem ein Drehzahlverlauf über der Zeit beim Stand der Technik dargestellt ist;
- 2 ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Reglerstruktur; und
- 3 ein Blockschaltbild ähnlich 1 bei Anwendung der Reglerstruktur von 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist für eine herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte PI-Feedback-Reglerstruktur zur Regelung einer Drehzahl n einer Brennkraftmaschine der Verlauf einer solchen Drehzahl n über einer Zeit t dargestellt. Eine strichpunktierte Kurve 10 beschreibt eine Zielgröße nZiel, eine gestrichelte Linie 12 eine Soll-Regelgröße nsoll, und eine durchgezogene Linie 14 eine Ist-Regelgröße nist. Man erkennt, dass dann, wenn sich die Zielgröße nZiel (Kurve 10) zu einem Zeitpunkt ti sprunghaft verändert, die Soll-Regelgröße nsoll (Kurve 12) zunächst auf einen Wert unterhalb der neuen Zielgröße nZiel herabgezogen wird, um so ein Überschwingen der Ist-Regelgröße nist zu vermeiden. Man erkennt aber auch, dass auch nach einiger Zeit eine Differenz dn zwischen Ist-Regelgröße nist (Kurve 14) und Ziel-Regelgröße nZiel (Kurve 10) verbleibt.
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Um dies zu verhindern, wird ein Verfahren vorgeschlagen, durch welches die in 2 dargestellte Reglerstruktur gebildet wird.
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In 16 wird auf hier nicht näher dargestellte Art und Weise als Zielgröße nZiel eine gewünschte Zieldrehzahl berechnet. Diese wird in 18 mit einer Korrektur beaufschlagt, auf die weiter unter noch im Detail eingegangen werden wird. Das Ergebnis der Korrektur in 18 ist die Soll-Regelgröße nsoll, also die Solldrehzahl. In 20 wird eine Differenz zwischen der Soll-Regelgröße nsoll und der Ist-Regelgröße nist, also der tatsächlichen Istdrehzahl ermittelt. Dies ergibt eine Regeldifferenz dn.
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Die Regeldifferenz dn wird in ein Integralglied 22 und ein Proportionalglied 24 eingespeist. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Regeldifferenz dn nur in das Integralglied 22 eingespeist, wohingegen das Proportionalglied 24 die Zielgröße nZiel erhält. Das Integralglied 22 gibt die erste Teil-Stellgröße ein Drehmoment MI aus, das Proportionalglied 24 als zweite Teil-Stellgröße ein Drehmoment MP. Diese werden in 26 addiert zu einem Soll-Drehmoment Msoll, welches einem Übertragungsglied 28 zugeführt wird. Bei diesem handelt es sich vorliegend um eine Brennkraftmaschine, mit der ein Kraftfahrzeug angetrieben wird. Das Übertragungsglied 28 erzeugt die bereits oben erwähnte Ist-Drehzahl nist.
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Dieser üblichen PI-Reglerstruktur wird ein Feedback hinzugefügt: Hierzu wird die erste Teil-Stellgröße MI, die vom Integralglied 22 erzeugt wird, in 30 einem Differenzbildner zugeführt, in den als Störgröße ein Ist-Lastmoment ML eingespeist wird. Dieses wird in 32 auf der Basis verschiedener aktueller Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 28 geschätzt. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ist-Lastmoment ML von einem Drehmomentsensor gemessen oder von einem externen Gerät bereitgestellt.
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In
32 wird auch ein Schaltbit B erzeugt, mit dem ein Schalter
34 angesteuert wird. Je nach Schaltstellung des Schalters
34 wird eine im Differenzbildner
30 gebildete Differenz dM oder der Wert Null in ein Proportionalglied
36 eingespeist, welches eine Korrekturgröße n
korr, also eine Korrekturdrehzahl, erzeugt. Diese wird wiederum in 18, wie bereits oben erläutert, additiv zur Korrektur der Zielgröße n
Ziel verwendet. Dabei hängt das Vorzeichen der Korrekturgröße n
korr vom Verhältnis der Ist-Regelgröße n
ist zur Zielgröße n
Ziel ab. Ist n
ist größer als n
Ziel, ist n
korr positiv, andernfalls negativ. Durch das Proportionalglied 36 wird folgender Gleichungszusammenhang realisiert:
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K ist ein Proportionalitätsfaktor des Proportionalglieds 36, welcher auch als Feedbackfaktor bezeichnet wird. Durch das Ist-Lastmoment ML wird der sogenannte „Aufsetzpunkt“ definiert. Hierbei handelt es sich um jene vom Integralglied 22 erzeugte Teil-Stellgröße MI, bei welcher die Korrektur in 18 der Zielgröße nZiel einsetzt beziehungsweise endet. Bei unveränderter Schalterstellung 34 ändert der Korrekturwert nkorr, der in 18 einfließt, neben dem Betrag also ggf. auch sein Vorzeichen. Indem vorliegend der Aufsetzpunkt gleich dem geschätzten Lastmoment ML gesetzt wird, wird das durch den Feedback rückgeführte Signal im stationären Zustand zu Null und hierdurch die beim Stand der Technik gemäß 1 vorhandene bleibende Regelabweichung dn vermieden.
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Dies ergibt sich auch aus 3, in der der gleiche Sprung der Zielgröße nZiel von 1 zum Zeitpunkt t1 unter Anwendung der in 2 gezeigten Reglerstruktur aufgetragen ist. Man erkennt, dass die Soll-Regelgröße nsoll (gestrichelte Linie 12) nach dem Sprung der Zielgröße nZiel (strichpunktierte Kurve 10) deutlicher heruntergezogen wird als in 1, nach kurzer Zeit jedoch sich der Zielgröße nZiel (strichpunktierte Kurve 10) annähert beziehungsweise mit dieser übereinstimmt. In der Folge zeigt die Ist-Regelgröße nist (durchgezogene Kurve 14) nach kurzer Zeit keinerlei Abweichung zur Zielgröße nZiel oder zur Sollgröße nsoll mehr.
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Wie oben erwähnt wurde, wird in 32 auch ein Schaltbit B gesetzt, welches auf den Schalter 34 wirkt. Hierdurch wird erreicht, dass die Korrektur in 18 in bestimmten Betriebszuständen gleich Null ist, dass also die Zielgröße nZiel und die Sollgröße nsoll identisch sind oder, anders ausgedrückt: Die Korrektur wird nur in solchen Betriebszuständen angewendet, in denen die Stabilität der Reglerstruktur gewährleistet und der Feedback von Vorteil ist. Dies ist vor allem unmittelbar nach sehr dynamischen Änderungen der Zielgröße nZiel, wie vorliegend zum Zeitpunkt t1, der Fall.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 wird der Signalpfad des Feedback in 18 auf die Zielgröße nZiel zurückgeführt, also noch vor der Differenzbildung in 20. Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Rückführung beziehungsweise die Korrektur genauso gut auch nach der Differenzbildung erfolgen kann.
