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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Reglers, insbesondere
zur Regelung einer Brennkraftmaschine, welcher ein Integralglied
als Übertragungsglied aufweist, bei welcher das Ausgangssignal
des Reglers als Stellgröße auf vorbestimmte Stellgrenzen
begrenzt wird und einen korrespondierenden Regler zur Durchführung
des Verfahrens.
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STAND DER TECHNIK
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Zur
automatischen Regelung von Brennkraftmaschinen, beispielsweise zur
Aufrechterhaltung einer Drehzahl oder eines vorgegebenen Drehmoments,
werden häufig Regler eingesetzt, die ein sogenanntes Proportional-,
ein Integral- und optional auch ein Differentialglied aufweisen.
Diese Glieder unterscheiden sich darin, wie sie auf den Unterschied zwischen
einer Sollgröße und einer Istgröße
reagieren. Im Fall, der keiner Regelung bedarf, ist die Istgröße
gleich der Sollgröße und der Unterschied ist gleich
Null. Sofern aber von außen eine Störgröße die
Istgröße beeinflusst, beispielsweise durch eine Drehmomentbelastung
des Motors, bei welcher der Motor ungeregelt der Belastung nachgeben
würde, entsteht eine Differenz zwischen Ist- und Sollgröße.
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Das
einfachste Glied der eingangs erwähnten Regler ist das
Proportionalglied, welches ein Signal erzeugt, das proportional
zum Unterschied zwischen Ist- und Sollgröße ist.
Das Ausgangssignal des Reglers, das Stellsignal, wird zur Steuerung
einer Stellgröße verwendet, beispielsweise die
Kraftstoff- und Verbrennungsluftzufuhr und/oder der Grad der gewählten
Frühzündung und/oder auch der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung.
Je größer der Unterschied zwischen Ist- und Stellgröße
ist, desto größer wird auch das Signal des Proportionalgliedes.
Insofern regelt das Proportionalglied das Stellglied umso stärker,
je größer der Unterschied zwischen Ist- und Sollgröße
ist.
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Das
Integralglied hingegen erzeugt ein stetig wachsendes Signal je länger
der Unterschied zwischen Ist- und Soll besteht. Dieses Glied gleicht
den dauerhaften oder statischen Anteil einer ständig vorhan denen
Störgröße aus, wobei das Integralglied sein
Signal verringert, sofern die Istgröße die Sollgröße übersteigt.
Solange ein Unterschied zwischen Ist- und Sollgröße
besteht, vergrößert sich der absolute Anteil des
Integratorgliedes.
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Ein
drittes und häufig verwendetes Glied ist ein Differentialglied,
das bei Änderungen des Unterschiedes zwischen Ist- und
Sollgröße ein Signal zur Steuerung der Stellgröße
erzeugt und insofern plötzliche Lastwechsel des Motors
ausgleicht. Dabei ist das Ausgangssignal proportional zur Änderung
des Unterschieds zwischen Ist- und Sollgröße pro
gewählte Zeiteinheit. Welche Anteile in einem oben genannten
Regler sinnvoll eingesetzt werden, hängt dabei stark von
der Charakteristik des Motors und der physikalischen Gegebenheiten
und auch von der Dauer zwischen dem Einwirken der Stellgröße
auf die Regelgröße zu deren Beeinflussung ab.
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In
allen regelungstechnischen Anwendungen ist der Stellbereich eines
Reglers durch innere und äußere Stellgrenzen begrenzt,
nämlich entweder durch die maximale Leistungsfähigkeit
der Stellgröße oder durch eine physikalische Belastungsgrenze
des zu regelnden Systems. Werden diese Stellgrößen
bei einer bestehenden Abweichung zwischen Ist- und Sollgröße überschritten,
dann ist der Regelkreis geöffnet. Dabei kann sich der Regler
aufakkumulieren und eine Regelung der Regelgröße,
hier beispielsweise der Motordrehzahl oder des Motordrehmoments,
ist nicht mehr möglich. Beispielsweise kann sich der oben
beschriebene Signalanteil des Integratorgliedes bei fortdauernder
Regelabweichung (Unterschied zwischen Ist- und Sollgröße) über
die Zeit immer weiter aufbauen, ohne dass die Vergrößerung des
Stellsignals ein Ende nimmt. Zur Entgegenwirkung dieses sogenannten ”Wind-Up”-Effektes
sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt. Einerseits ist es
möglich, den Integrator und auch den gesamten Regler auf
die äußeren Stellgrenzen zu begrenzen, wobei ein
weiteres Ansteigen des Integrators über die Stellgrenzen
hinaus vermieden wird. Dreht sich das Vorzeichen der Regelabweichung
um, so ändert sich wünschenswert auch sofort der
Signalanteil des Integratorgliedes im Ausgang des Reglers. Allerdings hat
diese Maßnahme den unerwünschten Effekt, dass
bei bestehender Regelabweichung der Regler im Allgemeinen nicht
den gesamten Stellbereich ausnutzen kann. Andererseits ist es zur
Vermeidung des oben genannten ”Wind-Up”-Effekts
auch möglich, nur den Reglerausgang zu begrenzen und nicht
den Anteil des Integratorgliedes. Dann kann auch der gesamte Stellbereich
des Reglers ausgenutzt werden, allerdings hat dies den Nachteil,
dass der Signalanteil des Integratorgliedes unbegrenzt ansteigt
und bei Umkehr der Regelabweichung ist es erst notwendig, dass zunächst
der Signalanteil des Integratorgliedes wieder absinkt, damit das
Ausgangssignal des Reglers wieder von seiner Maximalgrenze absinkt.
Somit würde bei einer Umkehr der Regelabweichung nach Vollausschlag
des Stellsignals der Regler unerwünscht erst nach einer
gewissen Zeit reagieren. Derzeit ist kein Verfahren bekannt, welches
die Vorteile beider Maßnahmen zusammenführt und
die Nachteile beider Maßnahmen vermeidet.
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Die
DE 2005 056 516 A1 offenbart
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine unter Verwendung
einer Regelvorrichtung.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Reglers zur Verfügung,
welcher ein Integralglied als Übertragungsglied aufweist,
bei welcher das Ausgangssignal des Reglers als Stellgröße
auf vorbestimmte Stellgrenzen begrenzt wird, wobei die Grenzen des
Stellgrößenanteils des Integralglieds aus der
bestehenden Regelabweichung und den Parameter mindestens eines weiteren Übertragungsgliedes
während des Betriebes stets neu berechnet wird. Diese dynamisch
berechneten Grenzen für das Integratorglied sind jeweils
so gewählt, dass der Regler jederzeit den gesamten Stellbereich
ausnutzen kann und eine Umkehr der Regelabweichung führt unmittelbar
zu einer Änderung des Stellsignals. Des Weiteren wird ein
Regler zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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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
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Reglers,
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2 ein
Diagramm mit Verläufen ausgewählter Signale über
die Zeit im erfindungsgemäßen Regler.
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BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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In 1 ist
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen PI-Reglers,
der ein Proportionalglied 3 und ein Integratorglied 4 aufweist,
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Begrenzung der Stellgröße eines
Reglers auf vorgegebene Stellgrenzen dargestellt. Beginnend bei
den beiden Eingängen nSoll und nIst auf der linken Seite des
Blockschaltbildes werden die beiden Signale nIst und nSoll subtraktiv
durch den Subtrahierer 1 miteinander verknüpft.
nSoll stellt dabei das Signal für die Sollgröße
und nIst stellt dabei das Signal für die Istgröße
dar. Durch die subtraktive Verknüpfung an Subtrahierer 1 steht
am rechten Ausgang des Subtrahierers 1 das Differenzsignal
beider Eingangsignale nIst und nSoll zur Verfügung, welches
für die einfache Regelabweichung e steht. Von diesem Wert
wird ein aus einem Feedbacksignal, einem Verlustmoment (trqLoss)
und einem Feedbackfaktor (KFB) gebildetes Signal am Subtrahierer 2 abgezogen.
Der Subtrahend wird unten näher erläutert.
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Hinter
dem Subtrahierer 2 liegt das feedbackfaktorbeaufschlagte
Regelsignal e' zur Verfügung. Dieses feedbackfaktorbeaufschlagte
Regelsignal e' wird zu gleichen Anteilen je einem Proportionalglied 3 und
einem Integratorglied 4 zugeführt. Im Proportionalglied 3 wird
das feedbackfaktorbeaufschlagte Regelsignal e' mit der Steigung
KP verstärkt und das aus Proportionalglied 3 rechts
austretende Signal stellt das Signal des Proportionalgliedes 3 dar, welches
in einem darauf folgenden Addierer 5 mit dem weiterverarbeitetem
Signal des Integrators 4 additiv verknüpft wird.
Um zu verhindern, dass das Signal des Integratorgliedes 4 unbegrenzt
ansteigt, wird das rechts aus dem Integrator 4 austretende
Signal durch den Limiter I auf ein Maximalsignal trqIMin oder auf
ein Minimalsignal trqIMax begrenzt. Die dynamisch für den
Integrator 4 berechnete obere Stellgrenze für
das Integratorglied 4 wird als trqIMax Limiter I zugeführt,
hingegen wird die dynamisch für den Integrator berechnete
untere Stellgrenze für das Integratorglied 4 als
trqIMin Limiter I zugeführt. Hierdurch bewegt sich das
Ausgangssignal des Integratorgliedes 4 in den Grenzen von
trqIMin bis trqIMax. Das durch Limiter I begrenzte Signal des Integratorgliedes 4 wird
in diesen wieder als Zustandsgröße des Integratorgliedes 4 zurückgeführt,
so dass bei Begrenzung des Signals des Integratorgliedes 4 dieses Signal
nicht weiter ansteigt und somit bei der additiven Verknüpfung
mit dem Signal des Proportionalgliedes 3 bei Umkehr des
feedbackbeaufschlagten Regelsignals e', das additiv gebildete Signal
sofort reagiert. Um die Feedbackschleife des gesamten Reglers zu
schließen, wird das auf die dynamisch für den
Integrator berechnete obere/untere Stellgrenzen begrenzte Signal
noch einmal durch einen Limiter II begrenzt, wobei Limiter II als
obere Grenze trqMax und als untere Grenze trqMin äußere
vorgegebene Grenzen, beispielsweise physikalische Belastungsgrenzen,
aufweist. Dieses Signal wird als Feedbacksignal zurück
in den Regler geleitet, wo es mit der ursprünglichen Differenz
aus nSoll mit nIst verknüpft wird, nach dem vom Feedbacksignal
das Verlustmoment trqLoss subtrahiert und anschließend
diese Differenz mit der Steigung KFB verstärkt wurde. Dieses so
modifizierte Feedbacksignal wird sodann von der Differenz aus Soll-
und Istsignal abgezogen und die feedbackbehaftete Regelabweichung
e' wird erhalten, die als Eingangssignal für die Übertragungsglieder
dient.
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Nachdem
die Signale aus dem Feedbacksignal, dem Integratorglied 4 und
dem Proportionalglied 3 gebildet wurden, werden das durch
Limiter I limitierte Signal des Integratorglieds 4 und
das Signal des Proportionalgliedes 3 durch Addierer 5 additiv
miteinander verknüpft und im Fall, dass das Signal des
Proportionalgliedes 3 so groß ist, dass die Addition
mit dem limitierten Signal des Integratorgliedes die äußeren
Grenzen, beispielsweise die physikalischen Stellgrenzen, überschreiten
würde, wird das in Addierer 5 addierte Ausgangssignal
abermals durch Limiter III limitiert.
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In 2 ist
ein Diagramm ausgewählter Signale im erfindungsgemäßen
Regler nach 1 dargestellt. Darin ist der
Verlauf der Signale trqP aus dem Proportionalglied 3 über
das feedbackbeaufschlagte Regelsignal e' gezeigt, der Verlauf der
dynamisch berechneten oberen Grenze trqIMax und der berechneten
unteren Grenze trqIMin für das Integratorglied 4 gezeigt,
sowie die äußeren, vorgege benen Grenzen, beispielsweise
die physikalischen Stellgrenzen trqMin und trqMax, sind eingezeichnet.
Die physikalischen Stellgrenzen trqMin und trqMax sind unabhängig
von der Regelabweichung und sind nur von reglerextemen Bedingungen
abhängig. Diese Grenzen liegen hier unsymmetrisch um einen
Nullpunkt verteilt. Beginnend von links bei a) beginnt der Anteil
trqP des Proportionalgliedes 3 seinen Verlauf zunächst
im negativen Bereich, der unter der minimalen äußeren
Grenze trqMin liegt, gleichbedeutend mit einem weit größerem
Istsignal als Sollsignal an dieser Stelle. Dieses Signal trqP würde,
sofern der Anteil des Integratorgliedes 4 bspw. null beträgt,
durch den Limiter III auf die minimale Grenze trqMin begrenzt. Bei
a) ist jedoch die dynamisch berechnete obere Stellgrenze trqIMax
für das Integratorglied 4 größer als
die physikalische Stellgrenze trqMax, jedoch so gering, dass eine
Addition mit dem Signal trqP nicht die physikalische Grenze trqMax übersteigen
würde. Von a) weiter nach rechts zu b) verliert das Signal trqP
an Betrag und wird schließlich null und wechselt das Vorzeichen.
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An
diesem Punkt b) zeigen sich die vorteilhaften Eigenschaften des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Signal trqIMax
verringert sich auf den Betrag der physikalischen Stellgrenze und
wird auch bei weiterem Ansteigen des Signals trqP nicht kleiner.
Die Summe von trqP und des Signals des limitierten Integratorgliedes 4 würde
zwischen b) und c) durch den Limiter III auf die physikalische Grenze
trqMax beschränkt. Bei einer Vorzeichenumkehr der feedbackfaktorbehafteten
Regelabweichung e' springt der Signalanteil des Integratorgliedes 4 also sofort
um. Die dynamisch berechnete obere Grenze trqIMax für das
Integratorglied sinkt nicht unter die physikalische Grenze trqMax,
aber ab dem Punkt b), wo trqP aus dem Proportionalglied 3 den
Nullpunkt durchschreitet, wird die minimale Grenze trqIMin des Integrators
nach unten unter die physikalische Grenze erweitert, so dass eine
Addition des nun negativen Anteils des Integratorglieds 4 mit
dem Signal trqP innerhalb der physikalische Grenzen liegt. An c),
wo das Signal trqP des Proportionalgliedes die physikalische Grenze
trqMax überschreitet, ist die dynamisch berechnete untere
Grenze trqIMin des Integrators so weit unter die physikalische Grenze
trqMin erweitert worden, dass der stark negative Signalanteil des
Integratorgliedes 4 das Ausgangssignal des Reglers in den
Bereich der physikalischen Grenzen trqMin und trqMax bringt, wobei
durch Limiter III sichergestellt ist, dass die physikalischen Grenzen stets
eingehalten werden.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, dass sowohl die physikalischen Grenzen stets eingehalten
und voll ausgenutzt werden, ein ”Wind-Up”-Effekt
des Integratorgliedes nicht eintreten kann, bei Vorzeichenwechsel
der feedbackbeaufschlagten Regelabweichung e' eine sofortige Änderung
der wirksamen Integratorstellgröße folgt. Damit
ist der Stelleingriff, abhängig von der feedbackbeaufschlagten
Regelabweichung e', stetig. Des Weiteren kann der Signalanteil des
Integratorgliedes den vollen Umfang der äußeren
Grenzen, beispielsweise die physikalische Belastungsgrenzen, aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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