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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung, Verfahren oder Regelungssystemkomponente
aus einem Wegsignal insbesondere für die vertikale Relativ-Bewegungsrichtung
des Dämpfers
eines Fahrzeugs
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Die
Lage und die Bewegung eines allgemeinen Körpers im Raum wird allgemein über drei
Achsen eines (räumlichen
kartesischen) Koordinatensystems beschrieben: Längsachse (auch Rollachse, Kürzel x),
Querachse (Nickachse, Kürzel
y) und Hochachse (Gierachse, Kürzel
z), s. a. 1. Unter einer vertikalen Bewegung
soll die Bewegung in Richtung der z-Achse verstanden werden.
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Bei
Fahrzeugen werden zur Bestimmung der Vertikalbewegungen meist Beschleunigungssensoren
zur Detektion sowohl der Aufbau- als auch der Radbewegung eingesetzt
und Wegsensoren/Drehwinkelsensoren zur Bestimmung der Relativbewegung
zwischen Aufbau und Rad. Aus den Sensorgrößen können dann in nachfolgenden
Berechnungsverfahren die Geschwindigkeitsgrößen über Integratoren oder Differenzierer
bestimmt werden oder aber auch berechnet werden über mathematische Verfahren
der Integral- oder der Differentialrechnung.
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Für den Einsatz
von Regelungen werden meist Signale z. B. in der Form von Weg-,
Beschleunigungs- und auch Geschwindigkeitsgrößen benötigt. Die Regelung von elektronischen
Stoßdämpfern basiert
häufig
auf der Verwendung von Geschwindigkeiten des Aufbaus und des Rads
oder der Relativgeschwindigkeit zwischen diesen Körpern beziehungsweise
der Relativgeschwindigkeit des Dämpfers.
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Bei
der Geschwindigkeitsmessung wird mit Hilfe einer technischen Einrichtung
bestimmt, welchen Weg ein Objekt innerhalb einer festgelegten Zeit
zurückgelegt
hat bzw. welche Zeit ein Objekt für die Zurücklegung des Weges benötigt hat.
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Filter
dienen zur Veränderung
der Amplituden von elektrischen Signalen abhängig von ihrer Frequenz. Beispielsweise
können
Signalanteile, die die weitere Verarbeitung stören, abgeschwächt werden.
Filter im klassischen Sinne, wie Tief- oder Hochpass, verändern den
Fre quenzgang. Schaltungen und Verfahren, die komplexere Eigenschaften
wie Phasenlage, Impedanz und Rauschanteile verändern, werden auch unter dem
Begriff Filter zusammengefasst.
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Die
theoretischen Standardfälle
des Selektionsverhaltens eines Filters sind: Ein Tiefpassfilter schwächt die
hohen Frequenzen bis zu einer Grenzfrequenz und lässt alle
tieferen Frequenzen praktisch ohne Abschwächung (Verstärkung =
1) passieren.
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Anwendung
findet dieser "Tiefpass" z. B. zur Rauschunterdrückung. Ein
Hochpassfilter schwächt die
tiefen Frequenzen bis zu einer Grenzfrequenz, während alle höheren Frequenzen
(mit der Verstärkung
1) durchgelassen werden. Mit diesem "Hochpass" lässt
sich langsames Driften im Signalunterdrücken. Ein Bandpassfilter schwächt alle
Frequenzen außerhalb
eines Frequenzintervalls ab, das durch zwei Grenzfrequenzen festgelegt
ist. Amplituden- oder frequenzmodulierte Signale tragen den Hauptanteil
ihrer Information in einem begrenzten Frequenzband. Ein Bandpass
lässt diesen
Anteil aus Frequenzgemischen passieren und sperrt die Anteile unterhalb
und oberhalb der Grenzfrequenzen. Ein Bandstoppfilter stellt die
Umkehrung des Bandfilters dar. Ein Allpassfilter lässt alle
Frequenzen bei gleicher Verstärkung
zum Ausgang durch. Der Idealfall einer rechteckigen bzw. stufenförmigen Übertragungsfunktion
lässt sich
in der Praxis allerdings nicht erreichen.
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Bei
einem linearen Filter sind die Eigenschaften der Filterung unabhängig vom
Signalpegel. Das Signal wird nicht verzerrt. Wenn man das Eingangssignal
für eine
bestimmte Frequenz um einen Faktor a vergrößert, so ist auch das Ausgangssignal
für diese
Frequenz entsprechend vergrößert. Die
Form des Signals wird dabei nicht grundlegend verändert. Tiefpass,
Hochpass, Bandpass, Bandsperre und Allpass werden als lineare Filter
bezeichnet. Es gibt aber auch wesentlich komplexere lineare Filter.
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In
dem Gegenstand der Erfindung finden Elemente eines Regelkreises
Verwendung. Ein Regelkreis ist ein rückgekoppeltes System bestehend mindestens
aus einer Strecke, einem Regler und einer Rückführung. Regelkreise werden verwendet, wenn
das Verhalten der Regelstrecke nicht den Anforderungen genügt, wobei
der Regler so zu entwerfen ist, dass der Regelkreis das gewünschte Verhalten
annimmt. Die sich der Bewegung des Fahrzeugs entgegenstellende Dämpfkraft
kann z. B. entsprechend der Systemzustände so gewählt werden, dass sich entsprechend
Komfort und/oder Sportlichkeit ergibt. Im Komfortzustand ist beispielsweise
die Sollgröße der Aufbaugeschwindigkeit
Null.
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Der
einfache Standardregelkreis in 10 besteht
aus einer Strecke, einem Regler und einer negativen Rückkopplung
der des Regelgröße, d. h. des
Istwerts, auf den Regler. Die Regeldifferenz, wird aus der Differenz
zwischen Sollwert (Führungsgröße) und
Regelgröße berechnet.
Die Stellgröße wirkt
auf die Strecke und damit auf die Regelgröße. Die Störgröße bewirkt eine (ungewünschte)
Veränderung
der Regelgröße, die
kompensiert werden muss.
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In 11 ist
ein erweiterter Regelkreis beschrieben mit den zusätzlichen
Elementen Stellglied und Messglied. Im Beispiel der Dämpferregelung setzt
sich die Stelleinrichtung bzw. das Stellglied zusammen aus einer
elektronischen Komponente, dem Stromregler auf dem Steuergerät mit einer
unterlagerten (Zweipunkt-)Stromregelung, und einer elektro-hydraulischen
Komponente, dem elektrisch ansteuerbaren Ventil des Stoßdämpfers.
In den nachfolgenden Ausführungen
sollen diese jedoch nicht weiter betracht werden. Sie werden als
ideal angenommen bzw. ihr Einfluss wird vernachlässigt. Somit stimmt idealisiert
der Reglerausgang, der auch Steuergröße bezeichnet wird, mit der
Stellgröße überein oder
ist zu dieser zumindest proportional.
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Der
Dämpfer
als Aktorelement der Strecke hat als Eingangsgröße die Relativgeschwindigkeit, als
Ausgangsgröße die Dämpferkraft
und als Stellgröße den Strom.
Wenn davon gesprochen wird, dass die Reglerausgangsgröße mit der
Stellgröße übereinstimmen
soll, ist gemeint, dass die Stromgrößen übereinstimmen sollen. Die für die Ansteuerung verwendete
Umsetzung der Stromgröße z. B.
in ein PWM-Signal wird hierbei nicht betrachtet.
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Bei
der Entwicklung eines Konzeptes für ein Regelungssystem werden
bestimmte Ziele und Strategien festgelegt, um diese Ziele zu erreichen.
Um zum Beispiel die Bewegung des Aufbaus eines Fahrzeugs zu dämpfen, kann
man das Ziel festlegen, dass die auf den Aufbau wirkende Kraft durch
entsprechende Gegenkräfte
aufgehoben oder minimiert werden soll. Da die von einem Dämpfer oder
semi-aktiven Dämpfer
ausgeübten
Kräfte
von der Relativgeschwindigkeit des Kolbens im Dämpfer abhängen, hängt in diesem Fall das Eingangssignal
des Regelungssystems von der Relativgeschwindigkeit des Dämpfers ab.
Hat man dagegen das Ziel, dass das Regelungssystem die (vertikale)
Geschwindigkeit des Aufbaus herunter regeln soll, so hängt das Eingangssignal
des Regelungssystems von der vertikalen Geschwindigkeit des Aufbaus
ab. Verfolgt man das Ziel, die von der Bewegung des Rades auf den
Aufbau zu übertragenden
Kräfte
möglichst
gering zuhalten, so wird man den steuerbaren Dämpfer beim Auftreten dieser
Kräfte
möglichst
weich einstellen, um diese Kräfte
möglichst
nicht über
den Dämpfer
auf den Aufbau zu übertragen.
Entsprechendes gilt beim plötzlichen
Auftreten von Hindernissen auf der Straße. Auch in diesem Fall soll
der Dämpfer weich
eingestellt bleiben, um diese Kräfte
möglichst vom
Aufbau fern zu halten.
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Üblicherweise
wird man versuchen, den Regler des Systems derart aufzubauen, dass
mit seiner Hilfe die ins Auge gefassten Ziele möglichst gut erreicht werden.
Nachteilig dabei ist allerdings, dass der Aufbau des Reglers hierdurch
sehr aufwändig und
kompliziert wird und die Handhabung seiner Einstellungen wenig transparent
ist, da die einzelnen Einstellungen gegenseitig Auswirkungen aufeinander
haben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung, Verfahren oder Regelungssystem
anzugeben, mit welcher die erwünschten
Regelungsziele in übersichtlicher
Weise eingestellt werden können,
wobei der Aufbau des Reglers möglichst
einfach und unverändert
beibehalten werden soll. Zugleich soll der Gegenstand der Erfindung
geeignet sein die Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad
bestimmen zu können.
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Die
Bestimmung der Relativgeschwindigkeit vrel (oder vD) eines Dämpfers ist
wesentlich für
die Bestimmung der durch den Dämpfer
zwischen Aufbau und Rad ausgeübten
Kraft, da diese Kraft im wesentlichen von der Relativgeschwindigkeit
des Dämpfers
abhängt.
An sich stehen für
die Bestimmung von Geschwindigkeiten eine erhebliche Anzahl unterschiedlicher
Typen von Sensoren zur Verfügung.
Diese Sensoren sind allerdings aus wirtschaftlichen (Kosten) und
technischen (Platz, Machbarkeit) Gründen in der Regel für die Bestimmung
der Relativgeschwindigkeit eines Dämpfers nicht geeignet. Andererseits
besitzen Fahrzeuge in der Regel Sensoren zur Bestimmung des Abstandes
zwischen Rad und Aufbau, wie Sie beispielsweise für die Niveau-Regelung
benötigt
werden. Es bietet sich daher an, derartige Weg-Sensoren für die Bestimmung
der Relativgeschwindigkeit des Dämpfers
mit auszunutzen. Hierbei ergeben sich allerdings eine Reihe von Schwierigkeiten,
wenn von dem gemessenen Weg strecken auf die Relativgeschwindigkeit
des Dämpfers
geschlossen werden soll.
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Um
beste Messergebnisse zu erzielen müsste der Weg-Sensor direkt
an den jeweiligen Dämpfer angeordnet
sein. Da dies aus den genannten Gründen aber nicht möglich ist,
müssen
die Ergebnisse des entfernt angeordneten Sensors auf die Lage des Dämpfers umgerechnet
werden. Hierbei sind aber nicht nur die geometrischen Verhältnisse
zu berücksichtigen
sondern auch die Tatsache, dass auf der Strecke zwischen dem Messort
und dem Dämpfer viele
Nichtlinearitäten
und Zeitelemente wie beispielsweise elastische Dämpferlager, Achsenelastizitäten, auftreten,
die bei der Bewertung der Relativgeschwindigkeit des Dämpfers zu
berücksichtigen
sind. Entsprechendes gilt für
den Aufbau des Dämpfers selbst,
der ebenfalls in gewissem Umfang elastisch ist, so dass die Kraft,
die der Dämpfer
aufbringt, erst nach einer Totzeit und Zeitverzögerungen auftritt. Bei einer
genaueren Bestimmung der durch den Dämpfer ausgeübten Kraft ist es daher notwendig
das Zeitverhalten des Dämpfers
zu berücksichtigen,
da ja die Geschwindigkeit des Dämpfers
sich geändert
haben wird, wenn der Dämpfer
schließlich
auf die errechnete Stellgröße reagiert.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass im vorliegenden Fall die optimaler Einstellung eines
Reglers theoretisch zwar denkbar, in der Praxis aber recht komplizierte
und unübersichtlich
ist, da die einzelnen einzustellenden Größen zum Teil miteinander korrelieren.
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Die
Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches
ergebenden Merkmale gelöst.
Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, Komponenten zur Beeinflussung des
Gesamtsystemverhaltens im Filterdesign zu integrieren. Diesbezüglich ist
es auch möglich
zumindest einen Teil der Signalverarbeitung aus dem Regler herauszunehmen
und in eine Vorverarbeitung der Signale zu verlagern, um den Regler
nicht mit Aufgaben der Signalverarbeitung zu überfrachten. Durch diese Entkopplung
der Signalverarbeitung erhält
der Regler einen vergleichsweise einfachen Aufbau und das Regelungssystem
wird erheblich übersichtlicher
und lässt
sich einfacher an unterschiedliche Umgebungen anpassen.
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Bei
der Lösung
der Aufgabe macht sich die Erfindung die Tatsache zu Nutze, dass
die Bewegungen der einzelnen Baugruppen, die miteinander wirken
und deren Bewegungen durch das Regelungssystem unterschiedlich behandelt
werden sollen, in der Regel sich durch unterschiedliche Frequenzen, Amplituden
und Phasen voneinander unterscheiden. Die vorliegende Erfindung
nutzt daher auf diese Parameter reagierende Filter, um die Eingangssignale entsprechend
den Regelungszielen zu bearbeiten, bevor sie zu dem Eingang des
Reglers gelangen. Durch diese Maßnahmen sind die Eingangssignale schon
weitgehend an die Regelungsziele angepasst und lassen daher eine
sehr viel empfindlichere Einstellung und Wirkung des Reglers zu,
da er nicht durch Signale belastet wird, die das System praktisch nicht
verwirklichen kann oder verwirklichen soll.
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Der
Gegenstand des Hauptanspruches ist daraufhin zugeschnitten, dass
das Eingangssignal zusätzlich
differenziert werden soll. Eine Differentiation ist beispielsweise
erforderlich, wenn der Sensor ein Signal ausgibt, welches erst durch
Differenzierung beziehungsweise Ableitung dem gewünschten Eingangssignal
entspricht. So sind beispielsweise Sensoren für die Messung von Wegen im
Handel preiswert erhältlich.
Will man dagegen als Eingangssignal die Geschwindigkeit eines Körpers angeben, so
muss das Ausgangssignal dieses Sensors erst differenziert werden.
Bei dieser Fallgestaltung ist daher günstig, wenn ein Differenzierer
gleichzeitig mit in die Vorverarbeitung aufgenommen wird. Für die Erfindung
zwingend ist dies nicht. So kann beispielsweise es auch notwendig
sein, das Eingangssignal zu integrieren oder das Eingangssignal
kann direkt bearbeitet werden, ohne dass es vorher integriert oder
differenziert werden muss. In diesem Falle kann der in dem Hauptanspruch
aufgeführte
Differenzierer entfallen ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Für die Erfindung
besonders wichtig ist daher, dass für die Bearbeitung der Eingangssignale
des Reglers wesentliche Elemente in eine Vorverarbeitung verlegt werden,
welche mit Filtern versehen ist. Das gilt insbesondere für Regelungssysteme
zur Regelung der Dämpfung
eines Fahrzeugs über
die Relativgeschwindigkeit des Dämpfers.
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Zu
den im Hauptanspruch angegebenen Baugruppen ist folgendes zu sagen:
Ein Differential beschreibt die Änderung
einer Funktion im Bereich eines Messpunktes und bildet somit die
Ableitung dieser Funktion. So beschreibt beispielsweise die Geschwindigkeit
die innerhalb bestimmter Zeitabschnitte zurückgelegten Wegstrecken. Integratoren und
Differenzierer können
nicht nur in Form von Hardware, z. B. über frequenzabhängige Bauteile wie
Operationsverstärker
(s. 2) wirksam sein sondern auch in Form von Software über mathematischen
Funktionen abgebildet werden.
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Schaltungen
und Verfahren, die komplexere Eigenschaften wie Frequenzgang (Amplituden-
und Phasenlage), Impedanz und Rauschanteile verändern, werden unter dem Begriff
Filter zusammengefasst. Ein Beispiel für eine hardwaremäßige Ausführung ist
in 3A und 3B angegeben.
Der eigentliche Differenzierer wird als Stand der Technik vorausgesetzt.
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Vorgeschlagen
wird, die Verfahren zur Signalaufbereitung in Form von Filterstrukturen
zu realisieren. Für
eine Ermittlung eines Geschwindigkeitssignals aus einem Wegsignal
bestehen nun verschiedene Möglichkeiten,
Filter und Differenzierer miteinander zu koppeln, soweit ein Differenzierer überhaupt
benötigt
wird. Zum einen kann ein Kombinations-Differenzierer-Filter verwendet
werden, zum anderen kann der Differenzierer durch vorgeschaltete und/oder
nachgeschaltete Filterstrukturen ergänzt werden. Ebenfalls ist es
möglich,
Umrechnungen, wie beispielsweise Koordinatentransformationen (polare
Koordinaten in kartesische Koordinaten und so weiter), in diese
Gesamtstruktur einzubinden.
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Die
in dem Hauptanspruch aufgeführten Baugruppen
können
das Eingangssignal in vielfältiger
Weise beeinflussen. So kann beispielsweise ein bestimmtes Frequenzband
des Eingangssignals heraus gefiltert oder die betreffenden Amplituden
geschwächt
werden, wodurch sich das Übertragungsverhalten ändert. Es
kann aber auch die Phasenlage des Signals oder eines abgeleiteten
Signals verändert
und damit der Beginn des Signals vorverlegt oder auf einen späteren Zeitpunkt
verschoben werden.
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Gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 2 ist die vorliegende Erfindung hervorragend geeignet,
um das Regelungssystem und damit den nachgeschalteten Regler in
einfacher Weise an Kundenwünsche
anzupassen. Soll zum Beispiel bei einer geregelten Dämpfung das
System an eine sportliche Fahrweise angepasst werden, so wird man
den einstellbaren Dämpfer
schon bei niedrigeren Amplituden härter einstellen. Auf diese
Weise wird zwar die Bewegung des Aufbaus stärker gedämpft, gleichzeitig sind aber
auch die von der Straße
auf den Aufbau ausgeübten
Kräfte
stärker
spürbar.
Umgekehrt soll bei einem an eine komfortable Fahrweise angepassten
System der Dämpfer
erst bei größeren Amplituden
härter,
und damit stärker
dämpfend,
eingestellt werden. Dies kann man mittels der Erfindung in einfacher
Weise dadurch erreichen, dass man in den betreffenden Frequenzbereichen
die Höhe
der Amplituden abschwächt.
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Entsprechend
der Merkmalskombination nach Anspruch 3 können spezifische Eigenschaften und
Regleranforderungen in den vorverarbeitenden Filter-Block verlegt
werden. So ist es beispielsweise eine Anforderung an den Regler,
sehr hohe Frequenzen stark abzuschwächen, da diese von dem nachgeschalteten
Dämpfer
als Aktor ohnedies nicht gestellt werden können.
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Eine
spezifische, weiter unten auch im Zusammenhang mit Anspruch 6 behandelte
Eigenschaft des mittels eines Geschwindigkeitssignals angesteuerten
Reglers ist es, dass bei einem sich nur sehr langsam ändernden
Wegsignal sich nur verschwindend geringe und/oder stationärer Geschwindigkeitssignale
durch die Differenzierung ergeben, die von dem Dämpfer als Aktor entweder nicht
gestellt werden können
oder gestellt werden sollen, da ein semi aktiver Dämpfer bei
einer sehr niedrigen Relativgeschwindigkeit sowieso kaum Kräfte auszuüben vermag.
Das ändert
nichts daran, dass derartige gemessene stationäre Wegstrecken zum Beispiel
für die
Niveauregelung sehr wichtig sind, zum Beispiel für die Gewichtsverteilung auf
die Achsen bei Bergfahrt. Diese beispielhaften Fallgestaltungen
können somit
zu unerwünschten
Einstellungen des Dämpfers führen und
sind durch entsprechende Ausgestaltungen der Filter schon im Vorfeld
zu eliminieren, ohne dass sie eine Wirkung auf den Regler ausüben und diesen
gegenüber
gewünschtem
Regelungsverhalten unempfindlicher machen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung beschreibt Anspruch 4
Parameter, mit deren Hilfe Teile des Eingangssignals eliminiert
werden können, welche
durch den Aktor beziehungsweise Dämpfer des nachgeschalteten
Regelungssystems ohnedies nicht bedient werden können und die den Regler nur belasten.
Dabei kann es sich zum Beispiel um hohe Frequenzen handeln, für die der
Dämpfer
zu träge
reagiert. Weiterhin können
stationäre
oder quasi-stationäre
Signale eliminiert werden, da ein nicht aktiver oder semi-aktive
Dämpfer
nur dann Kräfte
aufbringen kann, wenn der Dämpfer
eine Relativgeschwindigkeit hat. Weiterhin sind Signale zu vermeiden,
welche den Dämpfer
an die Grenze seiner Belastbarkeit bringen und somit beschädigen können.
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Sehr
hilfreich ist die Verwendung der Merkmale nach Anspruch 5. Der Vorteil
besteht darin, dass die in einem erwünschten Frequenzbereich liegenden
Signale in ihrer Phase derart verschoben werden können, dass
der Zeitpunkt des Beginns und/oder des Endes der Wirkung dieses
Signals im Regler eingestellt werden kann.
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Will
man bei einer Dämpfungsregelung
des Aufbaus eines Fahrzeugs die Bewegung des Aufbaus dämpfen, so
empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination
nach Anspruch 7 anzuwenden. Dabei wird vorausgesetzt, dass in den
anderen Frequenzbereichen relevante Bewegungen anderer Baugruppen
nicht oder weniger gedämpft
werden sollen. Der Grundgedanke dabei ist, dass die in den Dämpfer eingebrachte
und zu Eigenschwingungen des Dämpfers
beziehungsweise Aktors führende
Energie durch eine härtere
Einstellung des Dämpfers
gedämpft
werden soll.
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Um
wie weiter oben beschriebenen Zeitverzögerungen oder Totzeiten ausgleichen
zu können empfiehlt
sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmale nach Anspruch 8
anzuwenden. Durch die Filter wird damit bewirkt, dass die aus den
differenzierten Weg-Signalen abgeleiteten Geschwindigkeitssignale
in ihrer Phase vorverlegt werden, sodass die zeitliche Übereinstimmung
der Relativgeschwindigkeit des Dämpfers
und dem das Stellglied ansteuernden Steuersignal des Reglers verbessert
wird.
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Gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 9 empfiehlt es sich nicht nur eine definierbare Phasenkorrektur
auszuführen
sondern statt dessen oder zusätzlich
eine Amplituden-Korrektur zu bewirken, wodurch das abgeleitete Geschwindigkeitssignal
in geeigneter Weise zeitlich versetzt einsetzt und in seiner Amplitude
derart korrigiert ist, dass Nichtlinearitäten und/oder Zeitverzüge aufgrund
des Messverfahrens oder des Verhaltens des Dämpfers in ihren Auswirkungen
minimiert werden.
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Ein
für die
Weiterbildung der Erfindung sehr wichtiges Merkmal besteht entsprechend
Anspruch 10 darin, bestimmte Frequenzbereiche zu eliminieren oder
zumindest doch hinsichtlich der Hohe ihrer Amplituden stark zu mindern.
Der Grundgedanke dabei ist, dass Frequenzen von dem Dämpfer fern
gehalten werden sollen, die er ohnedies nicht stellen kann oder
soll. Dies gilt beispielsweise gemäß Anspruch 11 für hohe Frequenzen,
die weit über
den Eigenfrequenzen des Dämpfers
liegen oder für
Motorschwingungen.
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Vielfach
ist es schwierig bestimmte Frequenzbänder stark zu dämpfen ohne
gleichzeitig die Phasenlage der hinsichtlich der Frequenzen benachbarten
Bereiche erheblich zu ändern.
In diesem Fall empfiehlt sich der Einsatz der Merkmale nach Anspruch
12, was gemäß Anspruch
13 insbesondere für den
Frequenzbereich der Rauschfrequenzen und Störfrequenzen gilt. Der Vorteil,
Nullstellen oder Unendlichkeitsstellen zu verwenden liegt darin,
dass hierdurch benachbarte Frequenzbereiche in ihrer Phasenlage
weniger beeinflusst werden.
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Da
Störungen
in der Regel nicht vermeidbar sind, ist ihr Einfluss aber zumindest
so schwach wie möglich
zu gestalten. Daher soll nur eine zeitlich kurze und vom Betrag
her geringe Störabweichung
möglich
sein. Bei der Verwendung bei geregelten Dämpfern führt beispielsweise die Straßenbeschaffenheit zu
Störungen,
so dass z. B. der Einfluss eines Schlaglochs zeitlich begrenzt ausfällt.
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Gemäß der Merkmalskombination
nach Anspruch 15 ist auch die Koordinatentransformation mit in die
Vorverarbeitung der Regeleinrichtung innerhalb der Filter integriert.
Auf diese Weise können
beispielsweise vorab in polare Koordinaten gemessene Wege zwischen
Aufbau und Rad in Wege beziehungsweise Geschwindigkeiten des Dämpfers umgerechnet
werden, die sich auf kartesische Koordinaten beziehen.
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Die
Ansprüche
15 und 16 beziehen sich in Weiterbildung der Erfindung auf eine
wesentliche Anwendung der Erfindung, mit deren Hilfe über semi-aktive
Dämpfer
die Bewegung des Aufbaus eines Fahrzeugs geregelt wird.
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Zusätzliche
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung lässt
sich wie nachfolgend beschrieben zusammenfassen.
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Meist
ist die direkte Ermittlung der vertikalen Geschwindigkeiten insbesondere
der Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad über die
Differenzierung der Wegsignale als Eingangsgröße für eine Regelung nur suboptimal
geeignet.
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Es
wird daher nachfolgend vorgeschlagen, ein Verfahren zur Signalaufbereitung
zu integrieren, um so sowohl Anforderungen an den Regler als auch Streckeneigenschaften
und daraus resultierende Ungenauigkeiten und Störungen bereits in das Eingangssignal
zu integrieren. Dies kann wie folgt aussehen:
Im Regler sollte
der Stellbereich des Aktors berücksichtigt
werden. Verwendet man beispielsweise elektronisch geregelte Stoßdämpfer, so
können
diese nur dynamisch und nicht stationär oder quasistationär arbeiten,
d. h. es können
keine Stützkräfte aufgenommen
oder bereitgestellt werden, wie dies z. B. bei Federelementen der
Fall ist. Würde
man nun als Eingangsgröße ein Signal
verwenden, das stationäre Anteile
beinhaltet, so würde
der Regler mit einer (Strom-)Anforderung darauf reagieren. Entsprechend
würde über den
Stoßdämpfer z.
B. eine Kraft gestellt werden. Diese führt aber nur dazu, dass unnötiger Diskomfort
in das Gesamtsystem eingebracht wird oder aber dass andere Anforderungen
an den Regler nur noch suboptimal bedient werden. Wegsignale geben
jedoch in der Regel einen Absolutwert des Aufbaus bezüglich des
Rades an. Es ergibt sich je nach Massen, Federn und Beladung ein
(quasi-)stationärer
Wert für
das Wegsignal, um den dann die eigentliche Bewegung stattfindet.
Die Kenntnis dieses (quasi-)stationären Wertes
ist interessant z. B. für
die Ermittlung des Beladungszustandes oder die Ermittlung der Gewichtsverteilung
zwischen Vorder- und Hinterachse. Das Signal wird quasi-stationär bezeichnet,
da es zeitlich langsam veränderlich
sein kann. Dies ist beispielsweise der Fall bei einer Bergfahrt,
bei der sich die Massenaufteilung zwischen Vorder- und Hinterachse ändert. Bei
einer nachfolgenden Differenzierung eines Signals führen stationäre Anteile
zu meist relativ langsam abklingenden Abweichungen oder auch Schwebungen
um die Nullachse. Diese sind bei der Ermittlung eines Geschwindigkeitssignals
unerwünscht.
Zielsetzung ist es daher, ein Eingangssignal, d. h. z. B. eine Relativgeschwindigkeit,
zu erzeugen, die nur oder vorwiegend Anteile enthält, die
auch tatsächlich
am Aktor anliegen.
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Ähnliches
ist im Bereich hoher Frequenzen zu berücksichtigen. Das Eingangssignal
sollte keine Anteile enthalten, die der Aktor auf Grund seiner Trägheit nicht
mehr stellen kann. Weitere Anforderungen können sein, dass Aktorgeräusche zu
vermeiden sind, die bei bestimmten Signalfrequenzen oder Signalformen
auftreten können.
Diese Aktor-Anforderungen sollten z. B. unter Verwendung von Filtern
in das Eingangssignal integriert werden.
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Ebenfalls
berücksichtigt
werden können
Signalunterschiede zwischen realer Messstelle und gewünschtem
Signalort. Zur Ermittlung der Dämpfergeschwindigkeit
steht in den meisten Fällen
das Signal eines Niveausensors zur Verfügung, der zwischen Aufbau und
Rad angebracht ist. Diese Messkette beinhaltet viele Nichtlinearitäten und
Zeitelemente, wie beispielsweise Dämpferlager oder andere Achselastizitäten. Gewünscht ist
die Ermittlung der Dämpfergeschwindigkeit,
d. h. der Geschwindigkeit, mit der die Kolbenstange ein- und ausfährt. Eigentlich
wäre also
der Messort entsprechend am Dämpfer
selbst zu wählen.
Von dieser Variante wird jedoch aus Kosten-, Platz- oder Machbarkeitsgründen meist
abgewichen. Zur korrekten Berechnung der Dämpfergeschwindigkeit sind die
zusätzlichen
Streckeneinflüsse
entsprechend heraus zurechnen.
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Ein
weiterer Punkt ist, dass der Wegsensor meist nicht den Dämpferweg
misst. Über
Filter besteht nun die Möglichkeit,
eine Koordinatentransformation auf den gewünschten Ort, z. B. Rad oder
aber Dämpfer
selbst, zu integrieren.
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Des
Weiteren kann z. B. das Zeitverhalten des Dämpfers im Geschwindigkeitssignal
berücksichtigt
werden. Die Kraft, die der Dämpfer
aufbringt, wird näherungsweise
nach einer Totzeit und einer Zeitverzögerung aufgebracht. Das heißt, die
Dämpfergeschwindigkeit
kann auch mit diesem Zeitverhalten beaufschlagt werden, da meist
die Kraft bezogen auf die dazugehörige Geschwindigkeit von Interesse ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen
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1 eine
Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit den Komponenten Aufbau, Rad, Feder,
Dämpfer und
den vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten vA an den Ecken
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2 ein
Schaltbild eines Differenzierers
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3A und 3B Schaltbilder
eines Tiefpasses 2. Ordnung (3A: passive, 3B aktive Ausführung)
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4 ein
Kombiniertes Differenzierer-Filter
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5 eine
Kombination Differenzierer-Filter (Variante 1)
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6 eine
Kombination Differenzierer-Filter (Variante 2)
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7 eine
Kombination Differenzierer-Filter (Variante 3)
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8 eine
Kombination Differenzierer-Filter mit zusätzlicher Umrechnungseinheit
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9 eine
Kombination Differenzierer-Filter mit zusätzlicher Filtereinheit für Regleranforderungen
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10 ein
Blockschaltbild eines Standard-Regelkreises
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11 ein
Blockschaltbild eines erweiterten Regelkreises
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In 1 ist
eine Prinzip-Skizze eines Fahrzeugs mit vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten
an den Ecken dargestellt in einem Koordinatensystem x, y, z. In
der Figur ist der Aufbau 1 als ebene Fläche angedeutet, deren Ecken über Federn 10 bis 13 und Dämpfer 6 bis 9 auf
Rädern 2 bis 5 abgestützt sind. An
den vier Ecken des Aufbaus 1 sind in der Figur nicht dargestellten
Sensoren angebracht, durch welche die Geschwindigkeit an den vier
Ecken des Aufbaus 1 bestimmt werden kann. Dabei handelt
es sich um die Geschwindigkeiten vA_vl, vA_vr, vA_hl, vA_hr, wobei
v für Geschwindigkeit,
A für Aufbau,
l für links,
r für rechts,
v für vorn
und h für
hinten steht. Bei in den nicht dargestellten Sensoren kann es sich
um die Beschleunigung an den Ecken messende Sensoren handeln, aus
deren Messergebnissen durch Integration die Geschwindigkeit an den
Ecken berechnet wird. Bei den Signalen vD handelt es sich um die Dämpfergeschwindigkeiten,
die wahlweise am Dämpfer
selbst oder radbezogen angegeben werden. Sie resultieren über Differenzierung
aus Wegsensorsignalen. Bei den Wegsensoren handelt es sich meist
um Drehwinkelsensoren, deren Enden aufbaufest und radfest angebracht
werden. Die Radgeschwindigkeiten vR können beispielhaft über Radbeschleunigungssensoren
ermittelt werden. Zwischen den Größen Aufbau, Rad und Dämpfer besteht der
Zusammenhang vD = vA – vR,
so dass nicht alle Größen in Form
von Messsignalen vorliegen müssen.
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2 zeigt
das Schaltbild eines Differenzierers, wie er in der Erfindung Verwendung
finden kann. Dabei wird dem Eingang eines Operationsverstärkers über einen
Widerstand R eine Eingangsspannung Ue zugeführt, wobei die Ausgangsspannung
Ua über
einen Kondensator C an den Eingang des Operationsverstärkers zurückgeführt wird.
Bei dem Differenzierer nach 2 handelt
es sich um eine an sich bekannte Baugruppe, die an dieser Stelle
nicht näherbeschrieben
werden soll. Einzelheiten hierzu lassen sich beispielsweise dem
Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik, Fachbuchverlag Leipzig,
vierte Auflage Seite 466 bis 468 entnehmen. Wesentlich ist, dass
sich die Wirkungsweise dieses Integrators auch durch an sich bekannte
Software-Maßnahmen
verwirklichen lässt,
ohne dass hier allerdings der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Als
Beispiel für
mögliche
Ausführungsformen der
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Filter zeigt in 3 das
Schaltbild eines Tiefpasses 2. Ordnung, wobei 3A eine passiv arbeitende Ausführungsform
und 3B eine aktiv arbeitende Ausführungsform
darstellt. Es gilt wiederum das im Zusammenhang mit 2 Gesagte,
nämlich
dass einerseits die Wirkung der in 3i gezeigten
Tiefpässe sich
mit Software-Maßnahmen
nachbilden lässt,
hierdurch aber der Rahmen der Erfindung nicht verlassen wird. Da
es sich bei den genannten Tiefpässen um
an sich bekannte Baugruppen handelt sollen diese hier nicht näher erläutert werden.
Einzelheiten hierzu findet man in der zuletzt genannten Literaturstelle
auf den Seiten 472 bis 476. Im Übrigen
ist in die Wirkung eines Tiefpasses, zum Beispiel aus 3A, ohne weiteres ersichtlich. Hat die
Eingangsspannung Ue eine sehr niedrige Frequenz oder ist stationär, so liegt
an den Enden des Kondensators fast die gesamte Eingangsspannung
Ue an. Für
sehr hohe Frequenzen bildet aber der Kondensator C einen sehr niedrigen
Widerstand, so dass die Eingangsspannung fast ausschließlich an
der Induktivität
L, R abfällt
und die Spannung an C sehr klein wird.
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Die 4 bis 9 zeigen
unterschiedliche Anordnungen hinsichtlich der verwendeten Filter (siehe 3)
und Differenzierer (siehe 2). Gemäß 4 können Differenzierer
und Filter ineinander integriert sein. Das den Weg des Dämpfers beschreibende
Signal zD wird durch die Differenzierer/Filter-Kombination 60 umgewandelt
in ein die relative Geschwindigkeit des Dämpfers beschreibendes Signal
vD. In 5 ist die Differenzierer/Filter-Kombination nach 4 aufgelöst in einen
getrennten Differenzierer 61 und einen getrennten Filter 62,
die miteinander in Serie geschaltet sind, wobei dem Differenzierer
das Signal zD zugeführt
wird und von dem Filter 62 das Signal vD abgegriffen werden kann. 6 unterscheidet
sich von 5 nur dadurch, dass die Reihenfolge
von Filter und Differenzierer miteinander vertauscht ist. In der
Regel wird die Anordnung nach 6 bevorzugt,
da hier der Differenzierer nicht durch Signalanteile belastet wird, die
ohnedies später
heraus gefiltert werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht gemäß 7 darin,
den Filter 62 in einen ersten Filter 63 und einen
zweiten Filter 64 aufzuteilen, zwischen denen der Integrator 61 angeordnet
wird. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise zweckmäßig sein
wenn die Filter nichtlinear gestaltet sind. Der vorgeschaltete Filter
kann dann dazu eingesetzt werden, dass die Differenzierung numerisch
einfacher und genauer wird.
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8 stimmt
mit 7 im Wesentlichen überein, nur dass vor den ersten
Filter 63 einen Umrechner 65 geschaltet ist, durch
welchen beispielsweise eine Koordinatentransformation (z. B. vertikal zu
modal) vorgenommen werden kann.
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9 stimmt
mit 7 im Wesentlichen überein, nur dass hinter das
zweite Filter 64 eine Filter/Regleranforderung 66 geschaltet
ist, durch welche bewirkt werden kann, dass eine Ausprägung der Signale
für spezielle
Regleranforderungen geschaffen wird. So ist es beispielhaft für manche
nachgeschalteten Regler vorteilhaft, wenn ein bestimmtes Verhältnis von
Aufbauzu Radfrequenz im Signal enthalten ist.
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In 10 ist
ein Regler 51 dargestellt, dessen Eingangsgröße der Differenz
aus dem gemessenen Istwert der Regelgröße und dem Sollwert entspricht.
Der Sollwert wird vielfach als Führungsgröße bezeichnet,
dessen Wert durch den gemessenen Istwert nachgebildet werden soll.
Da der Istwert durch Störgrößen (bei
einer Temperaturregelung in einem Raum beispielsweise die Änderung
der Außentemperatur)
verändert
werden kann, muss der Istwert dem Sollwert nachgeführt werden.
Die in einem Vergleicher 52 festgestellte Abweichung des
Istwertes von dem Sollwert (so genannte Regeldifferenz) dient als
Eingangsgröße für den Regler 51.
Durch den Regler 51 wird festgelegt, wie das Regelungssystem auf
die festgestellten Abweichungen reagiert (beispielsweise schnell
oder träge,
proportional oder integrierend und so weiter). Als Ausgangsgröße des Reglers
ergibt sich eine Stellgröße, welche
auf eine Regelstrecke (beispielsweise eine Heizung im Raum) Einfluss
nimmt. Die Regelung dient hauptsächlich
zur Beseitigung von Störgrößen, um
diese auszuregeln. Bei einer Temperaturregelung kann eine derartige
Störgröße beispielsweise
durch in die Änderung
der Außentemperatur
oder das Öffnen
eines Fensters gegeben sein.
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Ein
wichtiges Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Regelung
der Bewegung des Aufbaus eines Fahrzeugs. Es wird beispielsweise
angenommen, dass die Regelung derart geschehen soll, dass die Geschwindigkeit
an den Ecken des Aufbaus gegen Null geregelt wird. In diesem Fall
ist der Sollwert also 0 und der Istwert der Aufbaugeschwindigkeit
entspricht der Regeldifferenz. Der Regler 51 gibt in Abhängigkeit
von der Regeldifferenz eine Stellgröße aus, mit welcher die Regelstrecke
beeinflusst werden kann, indem beispielsweise mittels eines Dämpfers (Aktor)
die Kraft eingestellt wird, mit welcher der Dämpfer sich der Bewegung des
Aufbaus entgegen stellt. Um den (verstellbaren) Dämpfer verstellen
zu können,
muss ein (vorzugsweise proportional arbeitendes) Ventil betätigt werden. Hierzu
muss der Regler den notwendigen Strom als Stellgröße zur Verfügung stellen.
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In 11 ist
der Regelkreis nach 10 mehr ins Einzelne gehend
dargestellt. Der Regler 51 nach 10 ist
dabei aufgeteilt in den eigentlichen Regler 53 und ein
Stellglied 54. Der eigentliche Regler 53 dient
dazu, eine Größe zu bestimmen,
mit der auf eine durch den Vergleicher 52 festgestellte
Regeldifferenz über
ein Stellglied 54 reagiert werden soll. Das Stellglied 54 liefert
die notwendige Energie in der geeigneten physikalischen Form, um
auf den Prozessbeziehungsweise die Regelstrecke einzuwirken. In
einem Messglied 56 wird der Istwert gemes sen. Die Störgröße kann
bei einer Regelung der Bewegung eines Fahrzeug-Aufbaus in Unebenheiten der
Fahrbahn, seitlich wirkenden Kräften
wie Wind oder ähnlichen
Einflüssen
begründet
sein.
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Bei
dem in der vorliegenden Erfindung bevorzugten Beispiel wird nun
das Stellglied im Wesentlichen durch eine geregelte Stromquelle
in einem Steuergerät,
Verbindungskabel und einen Teil des Dämpfers gebildet, welcher das
Stromsignal der geregelten Stromquelle aufnimmt. Bei der zu stellenden Größe (Stellgröße) am Ausgang
des Stellgliedes, welche die zu regelnde Größe (Regelgröße) beeinflusst, handelt es
sich bei dem bevorzugten Beispiel gemäß der Erfindung um die Ventilposition
im Dämpfer.
In einem semi-aktiven Dämpfer
hängt die
zur Beruhigung des Aufbaus über
den Dämpfer
zur Verfügung
stehende Kraft von der relativen Geschwindigkeit des Dämpfers und
dem Strom ab, mit dem das Ventil des Dämpfers angesteuert wird. Lässt man
die Bewegung des Rades außer
acht, so führt
eine hohe Geschwindigkeit des Aufbaus zu einem hohen Ausgangssignal
des Reglers in Form einer Steuergröße, die in dem Stellglied zu
einem entsprechend großen Strom
umgesetzt werden kann. Dieser Strom kann beispielsweise in bestimmten
Geschwindigkeitsbereichen proportional zur Geschwindigkeit des Aufbaus
und/oder des Dämpfers
sein, sodass gegen die Bewegung des Aufbaus erhebliche Kräfte wirken,
die in der Geschwindigkeit des Aufbaus Aufbaus und/oder des Dämpfers selbst
und der entsprechend großen
Stellgröße (Strom)
begründet
sind, durch welches das Ventil sich in Schließrichtung bewegt. Bei einer
Kraftanforderung als Reglerausgangsgröße ist ferner die Dämpfergeschwindigkeit
notwendig, um in einem Umrechnungsschritt aus der Kraft und der Geschwindigkeit über eine
Kennfeldauswertung einen Stellstrom zu ermitteln.