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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Reglers
und die Verwendung dieses Verfahrens zur Stabilisierung einer Reglergesamtheit
in einem Verbrennungsmotor, sowie eine Reglervorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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STAND DER TECHNIK
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Zur
automatischen Regelung von Maschinen und allgemein von Regelstrecken
verschiedener Art sind Standardregelkreise bekannt, die mit unterschiedlichen
Strategien auf die Veränderung
einer Regelgröße reagieren.
Hierzu ist es bekannt, Regler einzusetzen, die proportional zu einer
Veränderung
der Regelgröße gegenüber einem
Sollwert einen Stellwert verändern,
um die äußere Störgröße mit Hilfe
des Stellwertes zu kompensieren. Es handelt sich hierbei um so genannte
P-Glieder. Daneben sind auch Regler bekannt, die proportional zur
Istgröße ihren
Stellwert stetig erhöhen
(I-Glied), und solche, die proportional zur zeitlichen Änderung der
Regelgröße die Stellgröße verändern (D-Glied).
Regler, die alle drei Strategien vereinen, werden PID-Regler genannt
und zeichnen sich durch eine besonders schnelle Regelung der Regelgröße aus,
ohne dass dabei eine Regelschwingung auftritt. Sind zur Regelung
einer Maschine verschiedene Regler im Einsatz, die unterschiedliche
Regelgrößen, die
einander beeinflussen können,
im Einsatz, so ist es möglich,
dass die Reglergesamtheit in eine Regelschwingung gerät. Ebenso
ist es möglich,
dass die Maschine sich im Laufe des Einsatzes verändert oder
abnutzt und dadurch Regelschwingungen oder -instabilitäten hervorruft.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Häufig werden
in Maschinen mehrere Regelgrößen gleichzeitig
geregelt, wie beispielsweise in modernen Verbrennungsmotoren. Dabei
ist nicht gewährleistet,
dass durch die Variation verschiedener Stellgrößen die einzelnen Regelgrößen unabhängig voneinander
geregelt werden können
und so können
Regelschwingungen auftreten, weil teilweise mehr als zwei Regler
gegeneinander arbeiten. Daher treten im täglichen Einsatz häufig Stabilitätsprobleme
des Leerlaufs bei Verbrennungsmotoren auf, wobei diese Instabilitäten zu erhöhtem Geräusch und
zu Fahrzeugrüffeln
führen
können,
was durch den Fahrer zu hören
oder auch zu spüren ist.
Die Ursachen sind aber nicht unbedingt auf eine ungenügende Abstimmung
der Regelkreise untereinander zurückzuführen, sondern können auch
durch eine alterungsbedingte Veränderung
der Maschine selbst verursacht sein, wie durch Abnutzung und/oder
Verschleiß verursachte Änderungen
im Antriebstrang eines Fahrzeuges oder wegen einer ungünstigen
Kombination von verschiedenen Motorelementen, die in ihrer Funktion nahe
der Grenze eines akzeptablen Toleranzbereiches arbeiten. Aufgrund
der vielfältigen
möglichen
Ursachen und vor allem der Vielfalt der Ursachenkombinationen, ist
es bei der Entwicklung eines Fahrzeuges kaum bis gar nicht möglich, die
Regelkreise eines im Fahrzeug befindlichen Verbrennungsmotors genügend gegenüber möglichen
instabilen Zuständen
abzusichern. Instabile Regelungszustände in einem Verbrennungsmotor
können
harmlose bis nicht wahrnehmbare Fehlabstimmungen des Motorlaufs
verursachen, aber auch so stark in den Vordergrund treten, dass
ein Fahrzeugnutzer die Instabilität als störend empfindet und daher das
gesamte Fahrzeug beanstandet.
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Die
Erfindung schafft eine Regelschleife aufweisend mindestens einen
Schritt zur Detektion einer Instabilität des Reglers, mindestens einen
Schritt zur Veränderung
der Charakteristik des Reglers und mindestens einen Schritt zur
Detektion der Veränderung
des Regelverhaltens des Reglers, sowie einer Reglervorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
bekannten Verfahren zur Regelung einer Regelgröße ein weiteres Verfahren hinzuzufügen, um
eine nachhaltige Stabilität
des Regelverhaltens eines Reglers sicherzustellen. Dabei ist vorgesehen,
dass in mindestens einem ersten Schritt die Instabilität eines
Reglers festgestellt wird. Die Instabilität eines Reglers kann beispielsweise
durch eine statistische Auswertung des Regelverhaltens vorgenommen
werden. Im besten Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
dieser erste Schritt aus der Berechnung der Standardabweichung der
Reglerausgangsgröße besteht.
Dabei wird die festgestellte Standardabweichung mit einer vorgegebenen
maximalen Standardabweichung verglichen und bei Überschreiten der maximalen
Standardabweichung wird die Instabilität fest gestellt. In einem zweiten
Schritt wird die Charakteristik des Reglers verändert. Die Änderung der Charakteristik
kann im einfachsten Fall dadurch vorgenommen werden, dass der Ausgangswert
des Reglers verändert,
beispielsweise mit einem Faktor multipliziert oder durch einen Divisor
dividiert wird. Hierdurch wird die Stellgröße gegenüber der Störgröße verstärkt oder abgeschwächt, was
zu einer Änderung
der Charakteristik des Reglers führt.
Der Veränderung
der Charakteristik folgt erfindungsgemäß eine Detektion der Änderung
des Regelverhaltens. Diese Detektion kann im einfachsten Fall durch
eine erneute statistische Analyse des Regelverhaltens vorgenommen
werden. Wird beispielsweise erneut die Standardabweichung der Ausgangsgröße des Reglers
bestimmt, so kann die Regelschleife erneut beim ersten Schritt beginnen
und erneut feststellen, ob die Charakteristik des Reglers, hier
die Standardabweichung der Ausgangsgröße des Reglers, nun in einem
vorgegebenen Intervall der Standardabweichung liegt. Es ist aber
möglich,
dass die einmalige Veränderung
der Charakteristik des Reglers zu einer verstärkten Instabilität des Reglers
führt,
dadurch, dass beispielsweise die Standardabweichung größer wird. In
diesem Fall ist es möglich,
die Veränderung
der Ausgangsgröße des Reglers
statt durch Multiplikation mit einem Faktor durch eine Division
durch einen Wert zu ersetzen und damit den effektiven Ausschlag
der Ausgangsgröße des Reglers
zu verringern. Bei der statistischen Analyse wird aber der tatsächliche
Ausgangswert des Reglers verwendet und nicht der mit dem Faktor
oder den Divisor veränderten
Wert, um eine Verfälschung durch
die Multiplikation oder durch die Division zu vermeiden.
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Beim
Einsatz in einem Verbrennungsmotor hat diese Art der Stabilisierung
eines Reglers den Vorteil, dass beispielsweise der Leerlauf stabilisiert
wird und nicht erratisch oder periodisch um einen Wert schwankt. Durch
das verbesserte Leerlaufverhalten, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren
zur Stabilisierung eines Reglers verursacht wird, können erhebliche
Kosten bei der Qualitätskontrolle
im Fertigungswerk eingespart werden, weil auf eine Qualitätskontrolle
in Bezug auf die Reglerstabilität
verzichtet werden kann, wobei dennoch Emissionen des Fahrzeuges
und Fahrgastzellengeräusche
minimiert und auch das Fahrverhalten des Motors optimiert werden
kann.
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Um
eine unendliche Anpassung der Reglercharakteristik zu vermeiden,
was sich ebenfalls in einer Regelschwingung zeigen kann, ist vorgesehen,
dass die Anzahl der Regelzyklen begrenzt wird. Kann beispielsweise
eine Stabilisierung durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht erreicht
werden oder schwankt das Regelverhalten trotz der Stabilisierungsmaßnahme,
so ist in der Regel davon auszugehen, dass eine Motorkomponente
nicht ordnungsgemäß arbeitet
oder verschlissen ist. In diesem Fall wäre es notwendig, die Ursache der
Instabilität
des Motors zu diagnostizieren und gegebenenfalls die verursachenden
Komponenten auszutauschen.
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Da
eine Stabilisierung oftmals bei unterschiedlichen äußeren Bedingungen
durchgeführt
werden muss, wobei die Parameter der äußerlichen Bedingungen nicht
geregelt werden können,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in Abhängigkeit
von den äußeren Bedingungen
eine Stabilisierung vorgenommen wird. Hierzu können die äußeren Parameter Atmosphärendruck,
Motortemperatur und die Kraftstofftemperatur herangezogen werden,
wobei jeweils ein Stabilisierungsparameter einer Kombination aus
den oben genannten äußeren Bedingungen
zugeordnet wird. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass,
wenn alle oben genannten äußeren Parameter über einem
vorgewählten
Schwellenwert liegen und gleichzeitig der Leerlauf eine vorgewählte Zeit
dauert, dann die Funktion zur Stabilisierung des Reglers ausgeführt wird.
Hierdurch wird eine Überkompensation
vermieden, die neben einer ständigen
Veränderung
der Reglerparameter auch noch die Entstehung von Regelschwingungen,
die durch eine Überkompensation
durch zu häufiges
Regeln entstehen, vermieden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Funktion zur Stabilisierung des Reglers dann unterbunden
wird, wenn einer der Parameter Atmosphärendruck, Motor- und Kraftstofftemperatur
und Leerlaufdauer einen vorgewählten
Wert unterschreiten.
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Um
nicht eine gleichzeitige Stabilisierung verschiedener Regler mit
unübersehbaren
Abhängigkeiten der
Regelgrößen vornehmen
zu müssen,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine vorbestimmte Reihenfolge
zur Stabilisierung einzelner Regler des Verbrennungsmotors vorgenommen
wird, wenn mehr als ein Regler in einem Verbrennungsmotor gleichzeitig
stabilisiert werden soll. Bei dieser Art der Stabilisierung der
Regler in einem Verbrennungsmotor ist vorgesehen, drei Variablen
zur gleichzeitigen Stabilisierung verschiedener Regler vorzuhalten.
Eine erste Variable erfasst die Reihenfolge der zu stabilisierenden
Regler, eine zweite Variable erfasst den Stabilitätszustand
der Reglergesamtheit, und eine dritte Variable erfasst den letzten
stabilisierten Regler mitsamt der erfolgreichen Stabilisierungsmaßnahme,
also beispielsweise Multiplikation oder Division des Reglerausgangssignals,
damit eine zentrale Einheit die Gesamtheit der Regler stabilisieren
kann.
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Sofern
eine erste Stabilisierung eines ersten Reglers zunächst zur
Stabilisierung des ersten Reglers geführt hat, kann in einem weiteren
Fall einer detektierten Instabilität eines weiteren Reglers dieser
in der Stabilisierungsreihenfolge erfindungsgemäß stabilisiert werden. Der
jeweils zu stabilisierende Regler wird durch die oben beispielhaft
an erster Stelle genannte Variable bestimmt. Eine Reihenfolge der
Stabilisierung ist natürlich
nur dann zu befolgen, wenn mehr als ein Regler ein instabiles Regelverhalten
aufweist.
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Der
Stabilitätszustand
der Reglergesamtheit wird ebenfalls durch eine Variable festgehalten,
wobei die Anzahl der Zustände
des Gesamtsystems eine Potenz von zwei ist, wobei jeder Regler mit
zwei Zuständen, nämlich „stabil" und „nicht-stabil" das Gesamtsystem
beeinflusst.
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Die
letzte Regelschleife wird in der dritten Variable festgehalten.
Mit Hilfe dieser Information kann die letzte Maßnahme zur Stabilisierung des
letzten Reglers festgehalten werden und ggf. identisch oder verändert wiederholt
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Es
zeigt
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1 ein
Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Schrittfolge zur Stabilisierung
eines Reglers
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2 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Reglervorrichtung
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3 ein
Blockschaltbild einer Stabilisierungsvorrichtung für mehr als
einen Regler
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In 1 ist
ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung
eines Reglers dargestellt. Beginnend beim Start 1, in dem
einer Elektronik oder einem Mikrocontroller zur Durchführung des
Verfahrens die Möglichkeit
zur Initialisierung gegeben wird, folgt die Erfassung 2 der
Standardabweichung σ1 des Reglerverhaltens. Dies geschieht im
einfachsten Falle dadurch, dass die Reglerausgangsgröße, beispielsweise
eine Spannung, ein maximaler Strom oder ein digitaler Wert vor Wandlung
in eine Stellgröße, durch
ein entsprechendes Eingangsglied erfasst und in einen zahlenmäßig erfassbaren
Wert gewandelt wird. Die Erfassung 2 der Standardabweichung σ1 geschieht
durch mehrfaches Erfassen der Reglerausgangsgröße zu festen Zeiten oder auch
in Umkehrpunkten der Reglerausgangsgröße, so dass der jeweilige Maximalwert der
Reglerausgangsgröße erfasst
wird. Bei einem Ein/Aus Regler kann entsprechend das Puls/Pausenverhältnis erfasst
werden. Nachdem eine für
eine statistische Analyse genügend
große
Wertemenge erfasst wurde, wird die Standardabweichung σ1 nach
bekannten Methoden zur Berechnung festgestellt und intern zur weiteren
Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren
gespeichert. Der Erfassung 2 der Standardabweichung σ1 folgt
ein Vergleich 3 mit einer vorgewählten maximalen Standardabweichung σmax.
Unterschreitet die erfasste Standardabweichung σ1 einen
vorgegeben Wert σmax, befindet sie sich also in einem akzeptablen
Bereich, so folgt das Verfahren dem Weg 3ab und die Standardabweichung σ1 des
Reglers wird erneut festgestellt. Diese geschlossene Schleife zwischen
Schritt 2 und 3 wird wiederholt, bis die Standard abweichung σ1 der
Reglerausgangsgröße einen
vorgewählten
Wert σmax überschreitet
und somit einen unakzeptablen Zustand des zu stabilisierenden Reglers
anzeigt. Dann folgt das erfindungsgemäße Verfahren dem nächsten Schritt.
An dieser Stelle 4 wird zunächst ein Zähler n erhöht, der anzeigt, wie häufig ein
Stabilisierungsversuch des Reglers unternommen worden ist. Überschreitet
dieser Zähler
n einen vorgewählten
Wert nmax, festgestellt in Vergleichsschritt 5a,
so wird der Versuch, den Regler zu stabilisieren, aufgegeben, weil
bei Überschreitung
einer maximalen Anzahl nmax davon auszugehen
ist, dass ein Teil des Gesamtsystems, hier der Verbrennungsmotor
defekt oder verschlissen ist und daher ausgetauscht werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren
folgt dann Schritt 5ab und stoppt bei Schritt 5b.
Ist der Wert des Zählers
n für jedoch
kleiner als der maximale Wert nmax, so folgt
das Verfahren dem Weg 5aa, zu Schritt 6, in der
das Verfahren zur Änderung
des Regelverhaltens festgestellt wird. Diese Wahl wird durch eine
Variable, englisch "Flag", festgehalten, die
entweder eine Multiplikation mit einem Wert größer als 1 oder eine Division
durch einen Wert größer als
1 anzeigt. Entsprechend dieser Variable, dem "Flag",
wird der Ausgang des zu stabilisierenden Reglers mit einem Wert
größer als
1 multipliziert oder durch einen Wert größer als 1 dividiert. Nachdem
die Änderung
des Reglerverhaltens festgelegt wurde, wird das Reglerverhalten
erneut in Schritt 8 festgestellt und der Wert der Standardabweichung σ2 wird
zur weiteren Verwendung zwischengespeichert. In Schritt 9 wird
die Standardabweichung σ2 mit der eingangs festgestellten Standardabweichung σ1 verglichen.
Unterschreitet die neue Standardabweichung σ2 die
erste Standardabweichung σ1 so folgt das Verfahren dem Weg 9aa.
Dann wird die Standardabweichung σ2 als Standardabweichung σ1 in
Schritt 10 gespeichert und das Verfahren wird durch den
Sprung 10-3 zu Schritt 3 fortgesetzt, in dem das
Verfahren erneut in die geschlossene Schleife zwischen Schritt 2 und 3 springt.
Ist der neue Wert für
die Standardabweichung σ2 jedoch größer als die eingangs festgestellte
Standardabweichung σ1, so wird die Variable, die das Vorgehen
zur Änderung
der Reglerverhaltens anzeigt, geändert,
Standardabweichung σ2 wird als Standardabweichung σ1 in
Schritt 10 gespeichert und dann folgt das Verfahren wieder
dem Sprung 10-3.
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Sofern
eine Reglergesamtheit stabilisiert werden soll, so ist eine Reihenfolge
festgelegt, in der die einzelnen Regler stabilisiert werden. Dies
hat zum Vorteil, dass nicht alle Regler gleichzeitig stabilisiert
werden, wodurch ggf. die Regelschwingung des Gesamtsystems erheblich
vergrößert statt
verringert wird. Nachdem ein erster Regler stabilisiert wurde, wird
ein zweiter Regler entsprechend der Reihenfolge nach dem in 1 dargestellten
Ablaufschema stabilisiert und das Verfahren wird für weitere
Regler fortgesetzt, bis alle Regler stabilisiert worden sind.
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Die
Reihenfolge zur Stabilisierung kann an dem Stabilitätsstatus,
der in der folgenden Tabelle definiert ist, festgelegt werden, oder
auch einer anderen Reihenfolge folgen. Tabelle 1: Stabilitätsstatus einer Reglergesamtheit
aus Regler für
Leerlaufdrehzahl, Raildruck und Abgasrückführung
| Leerlauf-regler | Raildruck-regler | Abgasrückführungs-regler | Stabilitäts-status | Reihenfolge |
| Stabil | Stabil | Stabil | 0 | a |
| Instabil | Stabil | Stabil | 1 | b |
| Stabil | Instabil | Stabil | 2 | c |
| Stabil | Stabil | Instabil | 3 | d |
| Stabil | Instabil | Instabil | 4 | e |
| Instabil | Instabil | Stabil | 5 | f |
| Instabil | Stabil | Instabil | 6 | g |
| Instabil | Instabil | Instabil | 7 | h |
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In
dem Fall, in dem die Abfolge zur Stabilisierung der Regler die oben
stehende Stabilitätsstatustabelle verwendet
wird, wird bei der Detektion eines instabilen Leerlaufreglers zunächst dieser
stabilisiert (Reihenfolge b). Wird in einer erneuten Phase die Instabilität zweier
Regler festgestellt, beispielsweise Stabilitätsstatus 4, 5 oder 6, so wird
eine für
diesen Stabilitätsstatus
vorgewählte
Reihenfolge e, f oder g zur Stabilisierung der einzelnen Regler
verfolgt, in der die einzelnen Regler stabilisiert werden, um ein
Aufschaukeln der Reglerinstabilität der Reglergesamtheit zu vermeiden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für äußere Umgebungsparameter,
wie Atmosphärendruck,
Motor- und Kraftstofftemperatur, jeweils ein eigener Parametersatz
von Faktoren oder Divisoren für
die einzelnen Reglerausgangsgrößen zur
Stabilisierung vorgehalten wird. Ebenso ist es möglich, die maximale Anzahl
nmax von Stabilisierungsversuchen für je eine
Kombination von Atmosphärendruck,
Motor- und Kraftstofftemperatur vorzuhalten.
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Darüber hinaus
ist auch eine Tabelle von Faktoren/Divisoren in Abhängigkeit
von der Drehzahl in einer Tabelle als Kennlinie hinterlegbar. Die
Faktoren kommen dadurch zustande, dass für jeden Eintrag ein Wert durch
mehrfache Multiplikation und/oder Division ein für den betroffenen Regler bei
der vorliegenden Betriebsparameterkombination ein Wert entstanden
ist, der in der Tabelle vorgehalten wird. Sofern diese äußeren Betriebsparameter
detektiert werden, werden diese Faktoren/Divisoren den einzelnen
Reglern zugeordnet und die Reglerausgangsgrößen werden mit diesen Faktoren/Divisoren verknüpft, wodurch
ein Stabilisierungszyklus vermieden wird, weil sofort der richtige
Wert für
die Stabilisierung vorliegt.
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Im
Endeffekt kann eine umfangreiche Tabelle von Reglerfaktoren/-divisoren
als komplexe Datenmenge hinterlegt sein, für die jeweils ein Parametersatz
zur Einstellung des Reglerverhaltens und der maximal akzeptablen
Anzahl von Stabilisierungsversuchen vorgehalten wird. Im täglichen
Einsatz werden dann die Regler für
jeden Motorzustand in Abhängigkeit
von den äußeren Bedingungen
eingestellt und stabilisiert. Sofern die Tabelle groß genug,
die Abstände
der einzelnen Temperaturen und Drücke fein genug ist, können so
eine Vielzahl unterschiedlicher Regelparameter eingestellt werden,
so dass der zu regelnde Verbrennungsmotor über einen großen Druck-
und Temperaturbereich stabil geregelt werden kann, wobei die Regelparameter
an die Umgebungsparameter angepasst sind.
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In 2 ist
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Reglervorrichtung dargestellt,
welche aus einer Einheit 100 zur Regelung einer Regelgröße 400,
einer Einheit 200 zur Detektion einer Instabilität der Reglervorrichtung
und einer Einheit 300 zur Veränderung der Charakteristik
der Reglervorrichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Reglervorrichtung
arbeitet nach dem in 1 dargestellten Verfahren. Sofern
die Einheit 100 zur Regelung stabil ist, verändert die
Einheit 300 die Charakteristik des Reglers nicht. Sofern
aber durch die Einheit 200 eine Instabilität festgestellt
wird, wird die Einheilt 300 dazu veranlasst, die Charakteristik
des Reglers 100 erfindungsgemäß zu verändern.
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In 3 ist
ein Blockschaltbild einer Schar von Reglern dargestellt, die gemeinsam
durch eine Einheit 201 zur Detektion einer Instabilität und Stabilisierung
der Regler erfindungsgemäß stabilisiert
werden. In diesem Blockschaltbild sind zwei einfache Einheiten 101 und 102 zur
Regelung jeweils einer Regelgröße 401 und 402 dargestellt,
wobei die Einheit 201 beide Einheiten 101 und 102 nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren stabilisiert,
in dem die Einheiten 301 und 302 zur Veränderung
einer Reglercharakteristik die Charakteristik der Regler 101 und 102 durch
Multiplikation oder Division des Reglerausgangswertes verändern.