DE102006025904A1

DE102006025904A1 - Verfahren zur Einstellung von Fahrdynamikreglern

Info

Publication number: DE102006025904A1
Application number: DE102006025904A
Authority: DE
Inventors: Michael Knoop; Klaus-Dieter Leimbach; Jeannine Schwarzkopf; Lars Berding
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-06-03
Also published as: DE102006025904B4; WO2007141063A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Einstellung von Fahrdynamikreglern in einem Reglerverbund in einem Kraftfahrzeug werden in einem ersten Schritt erste Stabilitätsindikatoren zur Beurteilung der Stabilität eines ersten Fahrdynamikreglers ermittelt, in einem zweiten Schritt zweite Stabilitätsindikatoren zur Beurteilung der Stabilität des Reglerverbundes mit allen Fahrdynamikreglern ermittelt und wird in einem dritten Schritt ein Vergleich zwischen den ersten und zweiten Stabilitätsindikatoren durchgeführt, wobei für den Fall einer unzulässig hohen Abweichung ein Eingriff in die Reglerstruktur durchgeführt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung von Fahrdynamikreglern in einem Reglerverbund von mindestens zwei parallel arbeitenden Fahrdynamikreglern in einem Kraftfahrzeug.
In Kraftfahrzeugen werden zur Erhöhung der Fahrsicherheit und zur Verbesserung der Fahrdynamik Fahrerassistenzsysteme eingesetzt, beispielsweise das so genannte elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das durch ein gezieltes Abbremsen einzelner Räder des Fahrzeuges ein Unter- bzw. Übersteuern verhindern soll. Als weitere Fahrerassistenzsysteme sind aktive Lenksysteme zu nennen, bei denen dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein zusätzlicher Lenkwinkelbetrag überlagert wird, Wankstabilisierungssysteme, die als Vertikaldynamiksteller durch die gezielte Verstellung der Radaufstandskräfte ein Fahrzeugwanken verhindern sollen, oder die aktive Verteilung des Antriebsmomentes zwischen den Rädern einer Achse mithilfe von Traktionsstellern. All diesen Systemen ist gemeinsam, dass in einem geschlossenen Regelkreis ein Fahrdynamikregler einen Aktuator beaufschlagt, der im Fahrzeug ein Aggregat in gewünschter Weise einstellt, wobei die Dynamik des Aggregats bzw. des Fahrzeugs und auch die Eigendynamik des Reglers zu berücksichtigen ist.
Mit zunehmender Anzahl an Assistenzsystemen nimmt aber die Komplexität zu, was dazu führt, dass zwar ein einzelnes Regelsystem für sich gesehen stabil ist, jedoch durch das Zusammenwirken der verschiedenen Systeme gegenseitige Beeinflussungen auftreten können, die sich unter anderem auf die Stabilität auswirken können. Verschärft wird dieses Problem noch dadurch, dass die einzelnen Fahrdynamikregler zum Teil bei unterschiedlichen Herstellern entwickelt werden, so dass das Zusammenspiel der Regler erst in einer vergleichsweise späten Entwicklungsphase getestet werden kann. Die Folge kann eine Instabilität des Gesamtsystems aufgrund einer zu hohen Gesamtverstärkung sein, ein unakzeptables Einschwingverhalten oder ein Gegeneinanderwirken der Einzelregler.
Es sind zwar aus der Regelungstechniktheorie Methoden bekannt, aus denen sich die Stabilität von Fahrzeugdynamiksystemen durch Anwendung von Stabilitätskriterien beurteilen lässt. Voraussetzung ist aber eine mathematische Modellierung der Fahrdynamikmodelle durch ein System von Differenzialgleichungen, das aber in der Regel die in der Praxis geforderte Güte nicht erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fahrzeugsicherheit zu erhöhen. Es soll zweckmäßig das Zusammenspiel von einer Mehrzahl von Fahrdynamikreglern verbessert und die Stabilität des Gesamtsystems erhöht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung von Fahrdynamikreglern, die einem Reglerverbund von mindestens zwei parallel arbeitenden Fahrdynamikreglern in einem Kraftfahrzeug angehören, werden in mehreren Schritten Stabilitätsindikatoren für einen Fahrdynamikregler sowie für sämtliche Fahrdynamikregler des Verbundes ermittelt und miteinander verglichen, wobei im Fall einer unzulässig hohen Abweichung ein Eingriff in die Reglerstruktur durchgeführt wird. Hierbei werden in einem ersten Schritt erste Stabilitätsindikatoren gemäß eines vorgegebenen Regler-Stabilitätskriteriums zur Beurteilung der Stabilität eines ersten Fahrdynamikreglers ermittelt und abgespeichert. In einem zweiten, darauf folgenden Schritt werden unter Anwendung des gleichen Regler-Stabilitätskriteriums zweite Stabilitätsindikatoren zur Beurteilung der Stabilität des Reglerverbundes mit allen beteiligten Fahrdynamikreglern ermittelt und ebenfalls abgespeichert. Diese ersten und zweiten Stabilitätsindikatoren werden in einem dritten Schritt miteinander verglichen, wobei im Falle einer Abweichung korrigierend in die Reglerstruktur eingegriffen wird.
Es handelt sich um ein so genanntes relatives Verfahren zur Beurteilung der Stabilität bei dem Zusammenwirken sämtlicher Fahrdynamikregler im Sinne einer Stabilitätsabschätzung, die auch für den Fall einer nur lückenhaften Kenntnis der Parameter und Einflussgrößen des Gesamtsystems anwendbar ist und zu akzeptablen Ergebnissen im Hinblick auf die Stabilität des Gesamtsystems führt. Es wird also eine relative Stabilitätsabschätzung durchgeführt, die an die Stelle einer absoluten Stabilitätsermittlung tritt, für die ansonsten eine genaue Kenntnis des Gesamtsystems erforderlich wäre. Außerdem wird über die relative Stabilitätsabschätzung eine Reduzierung des Komplexitätsgrades des untersuchten Systems erreicht.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kommen zwei Kategorien von Anwendungsfällen in Betracht. Zum einen lassen sich die Stabilitätseigenschaften des Reglerverbunds offline und außerhalb des Fahrzeuges, beispielsweise in einer Entwicklungsumgebung, untersuchen und validieren, beispielsweise anhand gespeicherter oder simulierter Verläufe der Fahrzeugbewegungs- und Reglerzustandsgrößen. Hierbei kann gegebenenfalls auf eine Fahrmanöver-Datenbank mit entsprechend abgelegten Zustandsgrößen zurückgegriffen werden, um alle relevanten Fahrsituationen rechnerisch untersuchen zu können, wobei gegebenenfalls fehlende Reglerzustandsgrößen durch Simulation nachzubilden sind.
Zum andern können die Stabilitätseigenschaften eines Reglerverbunds auch im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs, also online verbessert werden. Hierfür werden aktuelle Fahrzeugbewegungs-Zustandsgrößen insbesondere durch Messung ermittelt und aktuelle Regler-Zustandsgrößen von den Einzelreglern verwendet, wobei das Ergebnis der Abschätzung allen beteiligten Fahrdynamikreglern zur Verfügung gestellt wird. Sofern das auf die weiteren Fahrdynamikregler übertragene Ergebnis der Abschätzung die Stabilität verschlechtert, kann ein Koordinator im Reglerverbund bei den einzelnen Fahrdynamikreglern die Regelstrategie ändern, um die Stabilität wieder zu verbessern.
In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass für die Fahrdynamikregler und für das Fahrzeug ein Simulationsmodell aufgestellt wird und dass die ersten und zweiten Stabilitätsindikatoren in einer Fahrdynamiksimulation rechnerisch ermittelt werden. In dieses Modell können die aktuell gemessenen oder aus Fahrmanöver-Datenbanken stammenden Zustandsgrößen zur Festlegung der Anfangsbedingungen einfließen. Gegebenenfalls können anstelle einer Simulation die Zustandsgrößen auch vollständig aus der Datenbank bzw. der aktuellen Messung zur Verfügung gestellt werden, wobei zur Ermittlung der Stabilität auf das Simulationsmodell zurückgegriffen wird.
Zur Anwendung der aus der Regelungstechnik bekannten Verfahren zur Ermittlung der Stabilität wird das Simulationsmodell vorteilhaft an einem Arbeitspunkt linearisiert und werden die Stabilitätsindikatoren für diesen Arbeitspunkt bestimmt. Zweckmäßig wird nicht nur ein Arbeitspunkt bestimmt, sondern das Modell wird an mehreren Arbeitspunkten linearisiert, wobei ein Eingriff in die Reglerstruktur durchgeführt wird, falls das System nicht in allen betrachteten Arbeitspunkten stabil ist. Diese Arbeitspunkte können aus Messgrößen bestimmt werden, die entweder aus aktuellen Messungen im Fahrzeug während des Fahrbetriebs stammen oder als abgespeicherte Daten vorliegen. Gegebenenfalls können die Arbeitspunkte auch aus Simulationen bestimmt werden. Für jeden betrachteten Arbeitspunkt erhält man einen Satz linearer Differenzialgleichungen, der beispielsweise in Zustandsraumdarstellung mit den üblichen, aus der Regelungstechnik bekannten Verfahren untersucht werden kann.
Als Eingriff in die Reglerstruktur können beispielsweise Reglerverstärkungsparameter aus einem oder mehreren Fahrdynamikreglern beeinflusst werden, wobei gegebenenfalls auch die Abschaltung eines oder mehrerer Regler aus dem Reglerverbund in Betracht kommt. Zur Ermittlung der Stabilitätsindikatoren werden zweckmäßig die Eigenwerte des Simulationsmodells bestimmt, die bei stabilen Systemen allesamt in der linken Hälfte der komplexen Zahlenebene liegen müssen. Alternativ zu den Eigenwerten können die Stabilitätsindikatoren auch aus der Phasenreserve des Simulationsmodells oder aus der Verstärkungsreserve bestimmt werden.
Das genannte Verfahren kann mit allen Verfahrensschritten in einem Steuergerät implementiert werden, welches in das Fahrzeug eingesetzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugmodells mit einer Mehrzahl von Aktuatoren und einem geschlossenen Regelkreis mit einem Fahrdynamikregler,
2 ein weiteres Blockschaltbild mit im Vergleich zu 1 zusätzlichen Fahrdynamikreglern,
3 zwei übereinander angeordnete Diagramme mit einer Darstellung der Eigenwerte in der Zahlenebene, wobei das obere Diagramm die Eigenwerte aus dem Modell gemäß 1 und das untere Diagramm die Eigenwerte aus dem Modell gemäß 2 repräsentiert,
4 ein weiteres Blockschaltbild mit der Reglerstruktur wie in 2 dargestellt, jedoch zusätzlich mit einem Koordinator zur Änderung der Regelstrategie bei den einzelnen Fahrdynamikreglern mit dem Ziel einer Stabilitätserhöhung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Das in 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt ein Simulationsmodell eines Fahrzeuges V, in dem drei Stellglieder bzw. Aktuatoren A₁, A₂ und A₃ von Fahrerassistenzsystemen wirken, bei denen es sich beispielhaft um eine Bremsanlage, um einen Lenksteller für eine Winkelüberlagerung, einen Vertikaldynamiksteller zur gezielten Beeinflussung der Radaufstandskräfte für eine Wankstabilisierung oder einen Traktionssteller zur aktiven Verteilung des Antriebsmomentes zwischen den beiden Rädern einer Achse handelt. Sämtliche genannten Aktuatoren beeinflussen die Fahrdynamik des Kraftfahrzeuges.
Dargestellt ist in 1 nur ein Fahrdynamikregler C₁, bei dem es sich beispielsweise um einen ESP-Regler (elektronisches Stabilitäts-Programm) handelt. Dieser Fahrdynamikregler C₁ liefert als Ausgangsgröße eine Stellgröße y₁, die als Reglersignal dem Aktuator A₁ im Fahrzeug V zugeführt wird, wodurch der Aktuator A₁ betätigt wird und die Fahrdynamik im Fahrzeug beeinflusst wird.
Die Ausgangs- bzw. Regelgröße x des Fahrzeugmodells V wird in einer geschlossenen Schleife zunächst einem Signalaufbereitungsblock M zugeführt und fließt anschließend als Rückführgröße r im geschlossenen Kreis dem Systemeingang zu, an dem die Rückführgröße r von dem Sollwert bzw. der Führungsgröße w subtrahiert wird. Der hieraus entstehende Regelfehler e fließt als Eingangsgröße dem Fahrdynamikregler C₁ zu.
Im Signalaufbereitungsblock M können auch Messungen durchgeführt werden. Insbesondere kann die Ausgangs- bzw. Regelgröße x, die Ist-Zustandswerte des Fahrzeuges repräsentiert, aus Messungen bestimmt werden, die online im Fahrzeug durchgeführt werden. Alternativ hierzu kann für eine Reglereinstellung außerhalb des Fahrzeuges auch auf abgespeicherte Messdaten einer Fahrmanöver-Datenbank zurückgegriffen werden.
Bei dem in 1 dargestellten Modell wird nur ein einziger Fahrdynamikregler C₁ berücksichtigt. In diesem Modell mit dem Regler C₁ wird eine Linearisierung des Gesamtmodells um verschiedene Arbeitspunkte durchgeführt und es werden an jedem Arbeitspunkt Stabilitätsindikatoren ermittelt, beispielsweise werden die Eigenwerte λ des linearisierten Systems bestimmt. Diese sind beispielhaft in 3 im oberen Diagramm dargestellt, welches die Zahlenebene mit Realteil Re und Imaginärteil Im und insgesamt drei in der linken Diagrammhälfte angeordneten Eigenwerten λ zeigt. Aufgrund der Positionierung sämtlicher Eigenwerte λ in der gleichen Diagrammhälfte handelt es sich um ein stabiles System.
Alternativ oder zusätzlich zur Bestimmung der Eigenwerte können als Stabilitätsindikatoren auch die Phasenreserve und/oder die Verstärkungsreserve des Simulationsmodells bestimmt werden.
In 2 ist das Blockschaltbild mit dem Gesamtmodell mit sämtlichen Fahrdynamikreglern C₁, C₂ und C₃ dargestellt, die jeweils den Aktuatoren A₁, A₂ bzw. A₃ im Fahrzeug V zugeordnet sind. Im Übrigen handelt es sich um den identischen Aufbau wie in 1. Für eine relative Stabilitätsabschätzung werden Linearisierungen an diversen Arbeitspunkten des Gesamtsystems nach 2 durchgeführt und es werden die Stabilitätsindikatoren, bezogen auf dieses Gesamtsystem unter Einschluss sämtlicher Fahrdynamikregler, unter Zugrundelegung der gleichen Regler-Stabilitätskriterien wie im Fall nach 1 ermittelt, also insbesondere die Eigenwerte bestimmt oder die Phasenreserve bzw. die Verstärkungsreserve.
Eine Darstellung der Eigenwerte λ des Gesamtsystems nach 2 findet sich in 3. im unteren Diagramm, wo insgesamt fünf mit „x" gekennzeichnete Eigenwerte in der linken Diagrammhälfte eingetragen sind, wobei zum Vergleich mit dem reduzierten System nach 1 die dort ermittelten Eigenwerte als eingekreiste Punkte dargestellt sind. Wie zu erkennen, sind die Eigenwerte des Gesamtsystems im Vergleich zu den Eigenwerten des reduzierten Systems weiter nach links gewandert, was einer Stabilitätszunahme entspricht. Diese Stabilitätszunahme wird beispielsweise durch einen Eingriff in die Reglerparameter eines oder mehrerer Fahrdynamikregler C₁ bis C₃ oder gegebenenfalls auch die komplette Abschaltung eines oder mehrerer Fahrdynamikregler erreicht.
In 4 ist ein 2 entsprechendes Blockschaltbild dargestellt, jedoch zusätzlich mit einem Koordinator S, der den Fahrdynamikreglern C₁ bis C₃ zugeordnet ist. Dieser Koordinator S ermöglicht einen Eingriff in die Reglerstruktur, was nach einem Vergleich der ersten und zweiten Stabilitätsindikatoren durchgeführt werden kann, sofern diese signifikant voneinander abweichen, wobei die ersten Stabilitätsindikatoren dem reduzierten System nach 1 und die zweiten Stabilitätsindikatoren dem vollständigen System nach 2 entsprechen. Übersteigt die Abweichung zwischen den Stabilitätsindikatoren einen zulässigen Grenzwert, wird der Koordinator S aktiviert und es erfolgt ein Eingriff in die Reglerstruktur durch Veränderung der Reglerparameter und/oder Abschaltung einzelner oder mehrerer Fahrdynamikregler C₁ bis C₃.

Claims

Verfahren zur Einstellung von Fahrdynamikreglern in einem Reglerverbund von mindestens zwei parallel arbeitenden Fahrdynamikreglern (C₁, C₂, C₃) in einem Kraftfahrzeug (V), wobei – in einem ersten Schritt erste Stabilitätsindikatoren gemäß eines vorgegebenen Regler-Stabilitätskriteriums zur Beurteilung der Stabilität eines ersten Fahrdynamikreglers (C₁) ermittelt und gespeichert werden, – in einem zweiten Schritt zweite Stabilitätsindikatoren gemäß des gleichen Regler-Stabilitätskriteriums zur Beurteilung der Stabilität des Reglerverbunds mit allen Fahrdynamikreglern (C₁, C₂, C₃) ermittelt und gespeichert werden, – in einem dritten Schritt die für den ersten Fahrdynamikregler (C₁) geltenden ersten Stabilitätsindikatoren mit den für den Reglerverbund geltenden zweiten Stabilitätsindikatoren verglichen werden, wobei im Fall einer unzulässig hohen Abweichung zwischen den Stabilitätsindikatoren ein Eingriff in die Reglerstruktur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Simulationsmodell für die Fahrdynamikregler (C₁, C₂, C₃) und für das Kraftfahrzeug (V) aufgestellt wird und die ersten und zweiten Stabilitätsindikatoren in einer Fahrdynamiksimulation rechnerisch ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell an einem Arbeitspunkt linearisiert wird und die Stabilitätsindikatoren für diesen Arbeitspunkt bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell an mehreren Arbeitspunkten linearisiert wird und die Stabilitätsindikatoren für jeden Arbeitspunkt bestimmt werden, wobei die Reglerstruktur in der Weise verändert wird, dass das System in allen Arbeitspunkten stabil ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunkte aus Messgrößen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößen aus aktuellen Messungen im Fahrzeug stammen, die während des Fahrbetriebs online durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößen als abgespeicherte Daten vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunkte aus Simulationen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingriff in die Reglerstruktur mindestens ein Fahrdynamikregler (C₁, C₂, C₃) aus dem Reglerverbund abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingriff in die Reglerstruktur die Reglerparameter mindestens eines Fahrdynamikreglers (C₁, C₂, C₃) aus dem Reglerverbund verändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilitätsindikatoren aus den Eigenwerten (λ) des Simulationsmodells bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilitätsindikatoren aus der Phasenreserve des Simulationsmodells bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilitätsindikatoren aus der Verstärkungsreserve des Simulationsmodells bestimmt werden.
Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.