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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Positionierverfahren
eines Stellglieds, insbesondere einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine.
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2. Hintergrund
der Erfindung
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Drosselklappen
mit Lagerückmeldung
in Brennkraftmaschinen werden mit Hilfe von Steuerungs- und Regelalgorithmen
betrieben. Diese Algorithmen gewährleisten
eine präzise
und schnelle Einstellung der vom Fahrer angeforderten Sollposition der
Drosselklappe. Diese wird beispielsweise durch die Auslenkung des
Gaspedals durch den Fahrer eines Kraftfahrzeugs vorgegeben.
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Die
Sollposition der Drosselklappe wird durch einen Steuerwert charakterisiert.
Dieser Steuerwert setzt sich aus einem Vorsteuerwert und einem Reglereingriff
eines rückgekoppelten
Reglers an der Drosselklappe zusammen. Für eine schnelle Lageregelung
der Drosselklappe oder eines Stellglieds ist es daher vorteilhaft
zu wissen, wie sich der Steuerwert und die daraus resultierende
Position zueinander verhalten. Ein genau bekanntes Verhalten bedeutet, dass
man den Anteil der rückgekoppelten
Regelung am Steuerwert zugunsten der Vorsteuerung verringert.
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Die
Vorsteuerung hat gegenüber
der Regelung den Vorteil, dass sie proaktiv ist und prinzipbedingt
ein schnelleres Einstellen von Drosselklappe oder Stellglied ermöglicht.
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Das
Verhältnis
zwischen Vorsteuerwert und Position des Stellglieds oder Drosselklappenposition wird
durch Fertigungstoleranzen, Umgebungseinflüsse und Alterung beeinflusst.
Für eine genaue
Kenntnis des für
eine Klappenposition erforderlichen Vorsteuerwerts ist daher eine
Anpassung desselben erforderlich.
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DE 36 12 905 C2 offenbart
eine adaptive Regelung, in der die zu den Endanschlägen gehörenden Sensorwerte
gelernt werden. Zwischen den Sensorwerten der Endanschläge erfolgt
eine lineare Interpolation, um die dazwischen liegenden Wertpaare
zu ermitteln.
DE 35
10 176 A1 ,
DE
40 05 255 C2 und
DE 36
12 905 C2 beschreiben eine weitere Steuerungsalternative.
Hier wird beispielsweise aus einem Kennfeld der Steuerwert für eine angeforderte
Sollposition entnommen. Stimmt die durch den Steuerwert erzielte
Position nicht mit der Sollposition überein, erfolgt eine entsprechende
Nachregelung. Die Nachregelung wird in einer Korrekturkennlinie
abgelegt und im weiteren Verfahren dem Kennfeld nachgeschaltet.
Auf diese Weise soll der Aufwand für die Nachregelung reduziert
werden. Diese Korrekturkennlinie berücksichtigt beispielsweise auch
Randbedingungen, wie die Temperatur.
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Aus
DE 103 11 019 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments
einer Antriebseinheit offenbart. Dabei wird aus einem momentanen
Solldrehmoment der Antriebseinrichtung und einem nach einem bestimmten
Zeitpunkt zu erreichenden Zieldrehmoment der Antriebseinrichtung
ein Stellsignal erzeugt. Die Antriebseinrichtung wird dann zur Erzeugung
des Drehmoments mit dem Stellsignal angesteuert. Durch die zusätzliche
Verwendung des Zieldrehmoments wird ein schnelleres Folgeverhalten
der Steuerung erreicht.
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Die
DE 39 26 031 C1 betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Adaption eines Stellglied-Kennlinienverlaufs.
Dabei wird durch einen Vergleich der vom Regler berechneten, dem
Stellglied zugeführten
Sollgröße mit der
tatsächlichen,
vom Stellglied beeinflussbaren Istgröße ein Differenzsignal gewonnen.
Das Differenzsignal wird über
mindestens einen Integrator geführt,
der mindestens den Fuß punkt
(Offset) der Stellgliedkennlinie derart verändert, dass die Differenz verkleinert
wird. Dabei ist das den Fußpunkt
der Stellgliedkennlinie beeinflussende Signal auf einen vorgegebenen
minimalen Wert begrenzt.
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Aus
DE 35 05 965 A1 sind
ferner ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung/Regelung von
Betriebskenngrößen einer
Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird zur Herausgabe eines unkorrigierten
Vorsteuerwerts ein Kennfeld durch eine Zuführung vorgegebener Betriebskenngrößen als Adressen
adressiert, und bei gleichzeitiger überlagerter Regelung ein gemittelter
Wert des Regelfaktors zur Bewirkung eines adaptiven Lernvorgangs dem
Vorsteuerbereich zugeführt.
Aus dem gemittelten Regelfaktor wird ein auf das gesamte Grundkennfeld
multiplikativ einwirkender globaler Faktor definiert, wobei ferner
durch eine Aufteilung des selbstanpassenden Kennfelds in ein nichtveränderbares Grundkennfeld
und in mindestens ein weiteres, dazugehöriges, veränderbares Faktorkennfeld jeder Grundwert
innerhalb vorgegebener Einzugsbereiche durch den zugeordneten Faktor
des Faktorkennfelds multipliziert wird.
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Die
obigen Verfahren haben den Nachteil, dass sie zu viel Zeit zum Erreichen
der durch den Fahrer vorgegebenen Sollposition des Stellglieds, insbesondere
der Drosselklappe, benötigen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Vergleich
zum Stand der Technik effizienteres Positionierverfahren bereitzustellen.
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Die
obige Aufgabe wird durch das adaptive Positionierverfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen,
Modifikationen und Weiterentwicklungen dieses Verfahrens gehen aus
der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden
Patentansprüchen
hervor.
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Das
adaptive Positionierverfahren eines Stellglieds, insbesondere einer
Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, umfasst die folgenden Schritte: Vorgeben
einer Sollposition durch ei nen Sollwert und Auswählen eines Vorsteuerwerts für das Stellglied zum
Erreichen der Sollposition, Einstellen einer Vorsteuerposition des
Stellglieds entsprechend dem Vorsteuerwert und Vergleichen der Vorsteuerposition des
Stellglieds mit der Sollposition. Weiterhin muss die Vorsteuerposition
bis zum Erreichen der Sollposition, die einem adaptierten Steuerwert
entspricht, geregelt und der adaptierte Steuerwert gemessen werden.
Desweiteren erfolgt ein Überschreiben
des Vorsteuerwerts der Sollposition im Kennfeld mit dem der Sollposition
entsprechenden adaptierten Steuerwert und ein Abspeichern des überschriebenen
Vorsteuerwerts als neuen Vorsteuerwert im Kennfeld. Ferner erfolgt
ein Invertieren der Korrelation zwischen der Sollposition und dem
Vorsteuerwert aus dem Kennfeld, so dass der neue Vorsteuerwert in
Abhängigkeit von
dem vorgegebenen Sollwert aufgetragen ist, und ein Anwenden der
invertierten Korrelation auf die vorgegebene Sollposition.
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Zur
Beschreibung des adaptiven Positionierverfahrens wird auf das Einstellen
einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug beispielgebend
Bezug genommen. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs lenkt mit dem Fuß das Gaspedal
aus, wodurch über
einen Sollwert eine Sollposition der Drosselklappe vorgegeben wird.
Um diese Sollposition möglichst
schnell zu erreichen, entnimmt beispielsweise die Motorsteuerung
einem Kennfeld einen der Sollposition zugeordneten Vorsteuerwert. Dieser
Vorsteuerwert dient dazu, die Sollposition der Drosselklappe möglichst
schnell ohne zusätzliche, zeitraubende
Regeleingriffe zu erreichen. Nach Erreichen der dem Vorsteuerwert
entsprechenden Vorsteuerposition der Drosselklappe wird diese mit
der Sollposition verglichen, um ein genaues Einregeln der Drosselklappe
in die gewünschte
Sollposition durchzuführen.
Ergebnis dieser Regelung ist bei Übereinstimmung von Soll- und
Vorsteuerposition ein gemessener adaptierter Steuerwert, der die
gewünschte
Sollposition vorgibt. Um die Effizienz des adaptiven Positionierverfahrens
zu steigern wird der adaptierte Steuerwert als Vorsteuerwert in
Abhängigkeit
von der Sollposition abgelegt bzw. abgespeichert.
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Daraus
folgt, dass bei der nächsten
Anforderung der gleichen Sollposition durch den Fahrer ein Nachregeln
des Vorsteuerwerts überflüssig wird,
weil nun der Vorsteuerwert bereits dem adaptierten Steuerwert zum
Erreichen dieser Sollposition entspricht. Sollte der Vergleichsschritt
jedoch wieder eine fehlende Übereinstimmung
von Sollposition und Vorsteuerposition liefern, erfolgt ein erneutes
Nachregeln des Vorsteuerwerts und somit des adaptierbaren Steuerwerts.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
vorliegenden Positionierverfahrens erfolgt ein Speichern der Sollposition
in Abhängigkeit
vom adaptierten Steuerwert und ein Invertieren dieser Beziehung,
um den adaptierten Steuerwert in Abhängigkeit von dem die Sollposition
repräsentierenden Sollwert
zu erhalten.
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Es
ist des Weiteren bevorzugt, gezielt eine Mehrzahl von vordefinierten
Sollpositionen im Verstellbereich des Stellglieds bzw. der Drosselklappe anzufahren,
die entsprechenden adaptierten Steuerwerte zu ermitteln und diese
als neue Vorsteuerwerte abzulegen. Auf diese Weise werden entscheidende Punkte
des Verstellbereichs des Stellglieds gezielt ausgewählt und
als Stützstellen
für das
adaptive Positionierverfahren abgearbeitet. Dadurch lässt sich eine
beliebige Anzahl von Vorsteuerwerten bezogen auf ein spezifisches
Stellglied definieren, so dass der zukünftige Regelungsaufwand reduziert
wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens erfolgt das Speichern des adaptierten
Steuerwerts in einem Kennfeld. Es ist ebenfalls bevorzugt, den adaptierten
Steuerwert innerhalb dieses Kennfelds in Abhängigkeit vom Sollwert und mindestens
einer Randbedingung des Stellglieds, insbesondere einer Druckreferenz
an der Drosselklappe, einer Temperatur und/oder eines Luftmassenstroms,
abzuspeichern.
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3. Begleitende
Zeichnungen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 stellt
vereinfacht die Korrelation zwischen der Istposition der Drosselklappe
und dem korrigierten Vorsteuerwert der Drosselklappe dar.
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3 enthält die invertierte
Beziehung aus 2, die den Vorsteuerwert in
Abhängigkeit
von einem einer angeforderten Sollposition der Drosselklappe entsprechenden
Sollwert darstellt.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens.
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4. Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein adaptives Positionierverfahren
eines Stellglieds, das am Ausführungsbeispiel
einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
erläutert wird.
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Ein
Fahrer des Kraftfahrzeugs fordert durch Auslenkung des Gaspedals
ein bestimmtes Drehmoment der Brennkraftmaschine an. Dieses Drehmoment
entspricht einem Öffnungswinkel
oder einer Sollposition dr_pos_soll der Drosselklappe, die mit einem
Sollwert identifizierbar ist. Eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine
setzt beispielsweise diesen Sollwert in die Sollposition dr_pos_soll
der Drosselklappe um. Die Beziehung zwischen Sollwert und der damit
erreichbaren Position der Drosselklappe ist jedoch nicht ideal,
so dass beispielsweise Herstellungstoleranzen, Drift, Alterung und/oder
thermische Schwankungen ein sofortiges Erreichen der Sollposition
mit alleiniger Vorgabe des Sollwerts verhindern. Daher wird zum
Erreichen der Sollposition zunächst
ein Vorsteuerwert ausgewählt,
mit dem die Drosselklappe bereits möglichst nahe an die Sollposition
führbar
oder stellbar ist. Mit dem Vorsteuerwert wird somit eine Vorsteuerposition
nahe der Sollposition angefahren oder eingestellt.
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In
einem in Kombination mit einem Regelschritt ablaufenden Vergleichsschritt
wird die Vorsteuerposition mit der angeforderten Sollposition verglichen.
Ein Regeleingriff durch einen Lageregler der Drosselklappe (vgl. 1)
erfolgt so lange, bis die Vorsteuerposition der angeforderten Sollposition
entspricht.
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Um
den Zeitaufwand für
den Vergleichs- und Regelschritt zu minimieren, wird nach erfolgter
Lageregelung der Vorsteuerposition in die Sollposition der für diese
Position erforderliche Steuerwert als adaptierter Steuerwert gemessen.
Nachfolgend wird der Vorsteuerwert dieser Sollposition durch den
dieser Sollposition entsprechenden adaptierten Steuerwert dr_st überschrieben
und abgespeichert. Der adaptierte Steuerwert kann auch als korrigierter
Vorsteuerwert dr_pos_vorst_korr bezeichnet werden.
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Um
eine schnelle und präzise
Lageregelung der Drosselklappe zu gewährleisten, sind nicht nur die
adaptierten Steuerwerte der Endanschläge oder der Positionen nahe
der Endanschläge
der Drosselklappe von Bedeutung. Zwischenliegende Positionen sind
aus globaler Sicht zum Teil wichtiger, da sich hier der für den Gasdurchsatz
ausschlaggebende effektive Querschnitt der Drosselklappe mit zum
Teil großen
positionsabhängigen
Gradienten im Vergleich zu den obigen Anschlägen ändert. Aus diesem Grund kann
man mit einer gezielten Adaption des Vorsteuerwerts an mehr als
zwei Stützstellen
im Verstellbereich der Drosselklappe eine effektivere Regelung im Vergleich
zu bisherigen Lösungen
durchführen.
Daher werden mindestens drei oder eine Mehrzahl von Positionen im
Verstellbereich der Drosselklappe als vordefinierte Punkte ausgewählt. Diese
Punkte zeichnen sich dadurch aus, dass sie häufig angefahrene Positionen
der Drosselklappe darstellen oder dass man zwischen den Positionen
einen starken Gradienten des Gasdurchsatzes erwartet. Unter Bezugnahme
auf 1 stellt beispielsweise Position 1 dr_pos_vordef_1
einen dieser vordefinierten Punkte dar.
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Wird
die vordefinierte Position 1 dr_pos_vordef_1 als Sollposition dr_pos_soll
vom Fahrer angefordert oder gezielt von der Motorsteuerung vorgegeben,
gibt der entsprechende Vorsteuerwert dr_vorst zunächst eine
Vorsteuerposition der Drosselklappe vor. Im Vorsteuerwert dr_vorst
können verschiedene
Größen, Einflüsse, Zustände berücksichtigt
sein, wie beispielsweise Umgebungseinflüsse, ein Vorhandensein eines
stabilen Betriebspunkts der Drosselklappe dr_pos_stab_1, die vorgegebene Sollposition
dr_pos_soll und der bisherige adaptierte Steuerwert bzw. der korrigierte
Vorsteuerwert dr_pos_vorst_korr_1 (siehe unten). In den Steuerwert
dr_st zum Erreichen der Sollposition dr_pos_soll gehen daher der
Vorsteuerwert dr_vorst und ein Regelungsanteil dr_rgl ein.
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Der
Regelungsanteil dr_rgl des vorliegenden Verfahrens vergleicht die
Sollposition der Drosselklappe dr_pos_soll mit der Ist-Position
der Drosselklappe dr_pos_ist und regelt so lange nach, bis die Ist-Position
dr_pos_ist mit der Sollposition dr_pos soll übereinstimmt. Somit ergibt
sich aus der Kombination des Vorsteuerwerts dr_vorst und des Regelanteils
dr_rgl der adaptierte Steuerwert dr_st. Dieser kann beispielsweise
als tatsächlicher
Steuerwert gemessen werden, sobald die angeforderte Sollposition erreicht
ist. Der adaptierte Steuerwert dr_st wird nach einer optionalen
Filterung als neuer oder korrigierter Vorsteuerwert dr_pos_vorst_korr_1
für die
Sollposition 1 im nicht flüchtigen
Speicher abgelegt. Der abzuspeichernde Wert ist bevorzugt das Ergebnis
eines gewichteten Mittels des alten Werts und des jetzt anliegenden
Werts. Ziel der Filterung ist eine Rauschminimierung und das Reduzieren
oder Eliminieren von Shot-to-Shot Abweichungen.
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Das
Resultat des vorliegenden Verfahrens ist eine adaptierte gespeicherte
Korrelation zwischen der Drosselklappenposition dr_pos_ist und dem
adaptierten Steuerwert bzw. dem korrigierten Vorsteuerwert dr_pos_vorst_korr.
Die Drosselklappenposition entspricht zu diesem Verfahrenszeitpunkt
sowohl der angeforderten Sollposition dr_pos_soll als auch der Ist-Position dr_pos_ist.
Die Korrelation ist in 2 veran schaulicht, in der die
Pfeile mögliche Schwankungen
aufgrund mehrerer Messungen an der gleichen Sollposition veranschaulichen.
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Wenn
man die Korrelation aus 2 invertiert und auf die vom
Fahrer angeforderte Sollposition dr_pos_soll der Drosselklappe anwendet,
wird der Anteil des Reglereingriffs dr_rgl minimiert. Dieser Zusammenhang
ist in 3 dargestellt. 3 zeigt
den Vorsteuerwert dr_vorst auf der Ordinate, der sich allein aus
dem korrigierten Vorsteuerwert dr_pos_vorst_korr bzw. dem adaptierten
Steuerwert oder aus diesem Wert und weiteren Einflüssen (siehe oben)
zusammensetzt. Der Vorsteuerwert dr_vorst ist in Abhängigkeit
vom Sollwert der angeforderten Sollposition dr_pos_soll aufgetragen.
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Für eine erhöhte Genauigkeit
werden die adaptierten gespeicherten Korrelationen bevorzugt in Abhängigkeit
von Druckdifferenz, Temperatur und/oder Massenstrom an der Drosselklappe
abgelegt. Zudem wird gemäß einer
Ausführungsform
für die
Berechnung des korrigierten Vorsteuerwerts aus dem Sollwert der
angeforderten Sollposition eine Interpolation über die bereits vorhandenen
Messpunkte angewandt. Die Stützstellen
für diese
Interpolation sind entweder vordefiniert (vgl. die obige Anwendung des
Verfahrens auf die vordefinierte Position 1 dr_pos_vordef_1) oder
werden mittels einer untergeordneten Optimierungsroutine fortlaufend
optimiert. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
werden zusätzlich
auch die Umgebungsbedingungen als Stützstellen eingesetzt, um eine
mehrdimensionale Interpolation durchzuführen.
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Gemäß einer
weiteren Ablaufvariante des vorliegenden Verfahrens stellt man an
mindestens drei Punkten vordefinierte Vorsteuerwerte ein und misst
den sich dabei einstellenden Positionswert. Auf diese Weise kommt
man auch zu einer Korrelation zwischen Vorsteuerwert und Position
der Drosselklappe.
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Mit
Hilfe des obigen Verfahrens wird somit die Vorsteuerung der Drosselklappe
verbessert, so dass insgesamt die Ansteuerung der Drosselklappe schneller
ausgeführt
werden kann. Die Regelung dient dann ausschließlich als Korrektur-Instanz,
die dementsprechend genauer ausgelegt werden kann. Es ist ebenfalls
von Vorteil, dass der adaptive Charakter des vorliegenden Positionierverfahrens
mögliche
Fertigungstoleranzen der Drosselklappe oder deren Alterung in kostengünstiger
Weise ausgleicht.
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4 zeigt
noch einmal im schematischen Überblick
ein Flussdiagramm des adaptiven Positionierverfahrens gemäß der zuletzt
genannten Funktionsvariante. Demnach wird zuerst ein vordefinierter Sollwert
einer Drosselklappenposition mit Hilfe bekannter Vorsteuerwerte
und einem Lageregler auf die angeforderte Sollposition eingeregelt.
Nachdem der Lageregler einen stabilen Betriebspunkt der Drosselklappe
erreicht hat, erfolgt die Messung des aus Vorsteuerung und Lageregelung
resultierenden Steuerwerts. Dieser resultierende Steuerwert, den
man auch als aktuellen Steuerwert im aktuellen Betriebspunkt der
Drosselklappe bezeichnen kann, wird als neuer Vorsteuerwert entsprechend
der angefahrenen Sollposition abgespeichert. Auf diese Weise erfolgt eine
Adaption der vorliegenden Vorsteuerung. Nach Abschluss dieses Schritts
erfolgt eine Wiederholung der einzelnen Verfahrensschritte für weitere
vordefinierte Sollwerte bzw. Sollpositionen. Dadurch wird gezielt
eine Mehrzahl von Stützstellen
im Verstellbereich der Drosselklappe generiert, aus der beispielsweise
durch Interpolation eine Korrelation zwischen dem korrigierten Vorsteuerwert
und den Sollwerten der Drosselklappe über den gesamten Verstellbereich
der Drosselklappe ableitbar ist.