DE102008005648B4

DE102008005648B4 - Reglereinheit und Verfahren zum Regeln einer Klappenöffnung einer Klappe, die in einer Massenstromleitung angeordnet ist

Info

Publication number: DE102008005648B4
Application number: DE102008005648.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bleile; André Wittmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: US20090183788A1; DE102008005648A1; US8365761B2; FR2926643A1

Abstract

Reglereinheit (50) zum Regeln einer Klappenöffnung (10) von einer in einer Massenstromleitung (12) angeordneten Klappe (14), wobei die Reglereinheit (50) folgende Merkmale umfasst:
- eine Auswerteeinheit (52), die ausgebildet ist, um auf der Basis einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz (p_diff,Des) und einer Differenz zwischen Drücken (p_diff,Obs) vor und nach der Klappe (14) ein Auswertesignal (ΔF) bereitzustellen;
- einen Regler (54), der ausgebildet ist, um aus dem Auswertesignal (ΔF) entsprechend einer Regelcharakteristik ein Ansteuersignal (DC_Gov) zu bestimmen; und
- eine Stellglied-Regeleinheit (56), die ausgebildet ist, um die Klappenöffnung (10) der Klappe (14) in der Massenstromleitung (12) ansprechend auf das Ansteuersignal (DC_Gov) zu regeln, wobei die Reglereinheit (50) ferner eine Vorsteuereinheit (60) umfasst, die ausgebildet ist, um aus der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung (A_Flap,Des) und der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken (p_diff,Des) vor und nach der Klappe (14) ein Vorsteuersignal (DC_Ctl) zu ermitteln und wobei die Stellglied-Regeleinheit (56) ausgebildet ist, um die Klappenöffnung (10) in Abhängigkeit des Ansteuersignals (DC_Gov) und des Vorsteuersignals (DC_Ctl) zu regeln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reglereinheit zum Regeln einer Klappenöffnung von einer in einer Massenstromleitung angeordneten Klappe gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Regeln einer Klappenöffnung von einer in einer Massenstromleitung angeordneten Klappe gemäß Anspruch 10.
Stand der Technik
Für die Steuerung eines Verbrennungsmotors werden oftmals Klappen in den Zu- oder Abluftleitungen für den Verbrennungsmotor vorgesehen. Diese Klappen können geöffnet oder geschlossen werden, um einen Massenstrom eines Fluids (beispielsweise Luft, ein Brennungsstoff-Luft-Gemisch, Abgas oder auch einen flüssigen Brennstoff) regulieren zu können. Dabei wird die oftmals einseitig aufgehängte Klappe (in der Form eines Drosselorgans) etwas bewegt, so dass sie einen veränderlichen Leitungsquerschnitt der Leitung zum Durchfluss des Fluids freigibt.
Wird in einer Leitung, in der das Fluid geführt wird, eine Vorrichtung eingebracht, die zur Drosselung des Massenstroms verwendet werden kann, so können konstruktive Merkmale dazu führen, dass die Strömung das Stellverhalten dieses Drosselorgans beeinflusst. Ein solcher Fall ist zum Beispiel gegeben, wenn in einer Abgas führenden Leitung ein einseitig aufgehängtes Ventil zur Regelung des durch die Leitung fließenden Abgasmassenstroms verwendet wird und dieses durch einen Steller betätigt wird, der wiederum eine Kraft auf das Organ ausübt. Solche Aufbauten finden sich beispielsweise an einem Wastegate eines Turboladers oder einer Abgasregelklappe für die zweistufige Aufladung mit pneumatischem Steller.
Es wurde bereits in der DE 10 2004 048 860 A1 ein Modell vorgestellt mit dessen Hilfe die Berechnung der auf die Klappe wirkenden Momente ermittelt werden und somit eine Korrektur der Ansteuerung erfolgen kann.
Durch Störgrößen im realen Umfeld wird in den meisten Fällen jedoch ein zusätzlicher Regler benötigt, der auftretende Abweichungen ausgleichen soll. Die optimale Reglerverstärkung hängt dabei von der Streckenverstärkung um den Arbeitspunkt der zu regelnden Maschine ab. Diese wiederum kann maßgeblich durch die Kräfte auf das Drosselorgan beeinflusst werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem solchen Szenario eine Möglichkeit zur Verbesserung der Regeleigenschaften zu schaffen, die auch Störgrößen im realen Umfeld schnell und zuverlässig berücksichtigt.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Reglereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Reglereinheit zum Regeln einer Klappenöffnung von einer in einer Massenstromleitung angeordneten Klappe, wobei die Reglereinheit folgende Merkmale umfasst:

- eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um auf der Basis einer Differenz zwischen einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz und Drücken vor und nach der Klappe ein Auswertesignal bereitzustellen;
- einen Regler, der ausgebildet ist, um aus dem Auswertesignal entsprechend einer Regelcharakteristik ein Ansteuersignal zu bestimmen; und
- eine Stellglied-Regeleinheit, die ausgebildet ist, um die Klappenöffnung der Klappe in der Massenstromleitung ansprechend auf das Ansteuersignal zu regeln.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung einer beobachteten, d.h. modellierten oder gemessenen Druckdifferenz in Beziehung zu einer vorbestimmten gewünschten Druckdifferenz ein Auswertesignal bereitgestellt werden kann. Dieses Auswertesignal wird dann als Eingangssignal für den Regler mit der Regelcharakteristik verwendet, so dass die Parameter in der realen Betriebsumgebung bereits im Eingangssignal für den Regler enthalten sind. Hierdurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass in der Regelcharakteristik betriebspunkt- bzw. betriebsartabhängige Parameter berücksichtigt werden müssen. Diese Parameter wurden bereits zur Bereitstellung des Auswertesignals verwendet, so dass sich die Regelung im Regler deutlich einfacher und damit effizienter ausführen lässt.
Günstig ist es auch, wenn die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um das Auswertesignal sowohl in Abhängigkeit der Differenz zwischen der vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz und Drücken vor und nach der Klappe als auch in Abhängigkeit einer Beziehung zwischen einer vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung sowie einer beobachteten Klappenöffnung der Klappe bereitzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass nicht nur ein Parameter der realen Umgebung beim Betrieb der Reglereinheit verwendet wird, sondern mehrere im realen Betrieb auftretende Umgebungsparameter berücksichtigt werden, so dass ein schnelleres Einschwingverhalten und eine präzisere Regelung des Massenstroms durch die Klappenöffnung realisierbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch die Reglereinheit eine Vorsteuereinheit umfassen, die ausgebildet ist, um aus der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung und der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken vor und nach der Klappe ein Vorsteuersignal zu ermitteln und wobei die Stellglied-Regeleinheit ausgebildet ist, um die Klappenöffnung in Abhängigkeit des Ansteuersignals und des Vorsteuersignals zu regeln. Dies bietet den Vorteil, dass die Einstellung des Auswertesignals ohne die Berücksichtigung von stationären Gegebenheiten erfolgen kann, so dass bei der Ermittlung des Auswertesignals lediglich eine geringe Anzahl von Parametern zu berücksichtigen ist. Weiterhin führt dies zu einer einfacheren Struktur der Auswerteeinheit, die einerseits eine kostengünstigere Ausführung derselben ermöglicht und andererseits die Robustheit des Regelverhaltens erhöht.
Auch kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um aus der Differenz zwischen einer gewünschten Druckdifferenz und Drücken vor und nach der Klappe ein Differenzdrucksignal bereitzustellen, auf der Basis des Differenzdrucksignals unter Verwendung einer Regelungsdruckkennlinie ein Differenzdruckkraftsignal zu ermitteln und das Auswertesignal auf der Basis des Differenzdruckkraftsignals bereitzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass die Auswertung der Druckunterschiede in der Auswerteeinheit sehr schnell und numerisch einfach (beispielsweise- durch ein Nachschlagen in einer Look-up-Tabelle) durchführbar ist, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Regelungsgeschwindigkeit und somit in einem schnellen Einschwingverhalten auswirkt.
Zusätzlich oder alternativ kann auch die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um aus der Beziehung zwischen der gewünschten und einer beobachteten Klappenöffnung der Klappe ein Klappendifferenzsignal zu bilden, aus dem Klappendifferenzsignal unter Verwendung einer vorbestimmten Regelungsflächenkennlinie ein Differenzflächenkraftsignal zu bestimmen und das Auswertesignal auf der Basis des Differenzflächenkraftsignals bereitzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass ebenfalls die Auswertung der Klappenöffnung in der Auswerteeinheit sehr schnell und numerisch einfach (beispielsweise durch ein Nachschlagen in einer Look-up-Tabelle) durchführbar ist, was sich wiederum vorteilhaft auf die Regelungsgeschwindigkeit und somit in einem schnellen Einschwingverhalten auswirkt.
Günstig ist es auch, wenn die Vorsteuereinheit ausgebildet ist, um das Ermitteln des Vorsteuersignals aus der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken vor und nach der Klappe auf der Basis einer vordefinierten Vorsteuerdruckkennlinie durchzuführen. In diesem Fall kann dann nämlich speziell auch die Auswerteeinheit ausgebildet sein, um das Auswertesignal unter Verwendung einer Regelungsdruckkennlinie durchzuführen, die auf der Vorsteuerdruckkennlinie basiert. Dies bietet den Vorteil, dass nur eine entsprechende Vorsteuerdruckkennlinie in der Reglereinheit eingegeben werden kann, die einerseits für die Vorsteuereinheit und andererseits auch für die Auswerteeinheit verwendbar ist. Dies resultiert einerseits in einer einfachen Bereitstellung dieser Kennlinie vor dem Einspeichern in die Reglereinheit und andererseits auch in einem stabilen Regelungsverhalten, da die Regelung auf der Basis von zusammenhängenden Regelungskennlinien erfolgt.
Auch kann die Regelungsdruckkennlinie als Ableitung der Vorsteuerdruckkennlinie darstellbar sein. Dies stellt eine einfache Umsetzung der Regelungsdruckkennlinie dar, die numerisch unaufwändig aus der Vorsteuerdruckkennlinie herleitbar ist. Insbesondere stehen bereits ausgereifte und einfach zu implementierende Verfahren zur effizienten Bildung einer Ableitung zur Verfügung, so dass lediglich die Vorsteuerdruckkennlinie für die Vorsteuereinheit einzuspeichern ist.
Entsprechend kann auch analog die Vorsteuereinheit ausgebildet sein, um das Ermitteln des Vorsteuersignals der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung auf der Basis einer vordefinierten Vorsteuerflächenkennlinie durchzuführen, wobei dann die Auswerteeinheit ausgebildet sein kann, um das Auswertesignal unter Verwendung einer Regelungsflächenkennlinie durchzuführen, die auf der Vorsteuerflächenkennlinie basiert. Hierzu lässt sich ebenfalls anführen, dass auch lediglich die Vorsteuerflächenkennlinie in der Vorsteuereinheit einzuspeichern ist, aus der dann numerisch effizient die Regelungsflächenkennlinie bestimmt werden kann.
Analog kann auch die Regelungsflächenkennlinie als Ableitung der Vorsteuerflächenkennlinie darstellbar sein. Dies stellt eine numerisch einfache Umsetzung des Bereitstellens der Regelungsflächenkennlinie dar, so dass lediglich die Vorsteuerflächenkennlinie in der Vorsteuereinheit zu speichern ist.
Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Klappenöffnung von einer in einer Massenstromleitung angeordneten Klappe, wobei die das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines Auswertesignals auf der Basis einer Differenz zwischen einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz und Drücken vor und nach der Klappe;
- Bestimmen eines Ansteuersignals aus dem Auswertesignal entsprechend einer Regelcharakteristik; und
- Regeln der Klappenöffnung der Klappe in der Massenstromleitung ansprechend auf das Ansteuersignal.

Auch umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer durchgeführt wird. Dies sichert die effiziente Umsetzung auch in einer rechnergestützten Plattform, so dass die vorliegende Erfindung auch in den bereits in Fahrzeugen häufig verwendeten Bordrechnern ausgeführt werden kann.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Darstellung, eines Stellgliedes zur Steuerung einer Klappenöffnung in einer Fluidleitung;
2 ein Blockschaltbild einer Regelstrecke zur Ansteuerung des Stellgliedes nach 1;
3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockschaltbild eines Ausschnittes eines Regelungskreises einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Weiterhin sind eventuell angegebene Dimensionen und Maße nur exemplarisch, so dass die Erfindung nicht auf diese Dimensionen und Maße beschränkt ist. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird zunächst die Einsatzumgebung der vorliegenden Erfindung an Hand der 1 und 2 näher erläutert. Die vorliegende Erfindung kann dazu vorgesehen sein, eine Öffnung 10 einer Fluidleitung 12 mit einer Klappe 14 zu verschließen, wie es in 1 gezeigt ist. Die Fluidleitung 12 kann dabei ein Ansaugstutzen für einen Turbolader sein oder eine Leitung, die einem Turbolader parallel geschaltet ist. Die Fluidleitung 12 kann jedoch auch für ein anderes Medium beispielsweise Luft, ein Brennstoff-Luft-Gemisch, Abgas oder eine Brennstoffflüssigkeit vorgesehen sein. Die Klappe 14 ist einseitig an der Aufhängung 16 befestigt und kann über den Hebel 18 sowie den Stellzug 20 betätigt werden. Der Stellzug 20 ist an einer Membran 22 befestigt, die sich in einer Unterdruckdose 24 befindet. Auf der dem Stellzug 20 gegenüberliegenden Seite der Membran 22 ist eine Feder 26 angeordnet, die eine Federkraft nach oben auf die Membran 22 ausübt. Weiterhin ist die Unterdruckdose 24 mit einem Unterdruckschlauch 28 verbunden, durch den ein Unterdruck im unteren Teil der Unterdruckdose 24 (das heißt in dem Bereich, in dem die Feder 26 angeordnet ist) eingestellt werden kann. Der über den Unterdruckschlauch 28 zugeführte (Steuer-) Unterdruck wird DC-modelliert (DC = duty cycle=Tastverhältnis) wodurch die Information übertragen wird. Das bedeutet, dass die zu übertragende Information über ein Tastverhältnis zwischen 0% und 100% moduliert wird. Dieses DC-modulierte Unterdrucksignal kann beispielsweise durch eine in 1 nicht dargestellte Unterdruckpumpe in Verbindung mit einem elektropneumatischen Wandler bereitgestellt werden.
Wird nun über den Unterdruckschlauch 28 der Unterdruck in dem unteren Teil der Unterdruckdose 24 verstärkt, wird auf die Membran 22 eine abwärts gerichtete Aktuatorkraft F_Actuator ausgeübt, wie dies in 1 dargestellt ist. Dem entgegen wirkt eine aufwärts gerichtete Federkraft F_Spring . Weiterhin kann auch durch den Massenstrom 30 des Fluids ein Druck vor einer Klappenöffnung (beispielsweise einer Turbine) p_bef.Turb erhalten werden, der größer ist als ein Druck nach der Klappenöffnung (der Turbine) p _aft.Turb , so dass die Klappe 14 (nach oben = geöffnet) gedrückt wird und über die Aufhängung 16, den Hebel 18 sowie den Stellzug 20 eine nach oben gerichtete Fluidkraft F_Gas auf die Membran 22 resultiert. Ist nun die abwärts gerichtete Aktuatorkraft F_Actuator größer, als die Summe der Federkraft F_Spring und der Fluidkraft F_Gas , wird die Klappe 14 nach unten gezogen und verkleinert die Klappenöffnung 10. Diese Verkleinerung erfolgt dadurch, dass ein effektiver Leitungsquerschnitt der Klappenöffnung 10 verringert wird, so dass eine Reduktion des Massestroms 30 resultiert. Der Steuerdruck mit dem die Membran beaufschlagt wird, kann auch ein Überdruck sein, der gegen die Federkraft wirkt (Federkraft wirkt in Schließrichtung, Steuerdruck wirkt in Öffnungsrichtung, typisch bei Ottomotoren mit Turboaufladung).
2 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein Regelkreis des Verschlusselements aus 1 schematisch dargestellt ist. Hierbei wird zunächst der DC-modulierte Steuerdruck über den Membranmechanismus der Stellers 24 in eine Aktuatorkraft F_Actuator umgesetzt. Von dieser Aktuatorkraft F_Actuator wird die durch den Massenstrom 30 verursachte Fluidkraft F_Gas subtrahiert, so dass entsprechend einer Kräftezerlegung nach 1 die Federkraft F_Spring der Feder 26 resultiert. Über die Membran 22 des Stellers 24 resultiert eine Position Pos der Membran 22 des Stellers 24, wobei über Funktionszusammenhang des Elementes 32 mit dem Stellzug 20, dem Hebel 18, der Aufhängung 16 sowie der Klappe 14 eine Position dieser Klappe 14 resultiert, die einen effektiven geöffneten Leitungsquerschnitt A_Flap freigibt. Durch die Regelstrecke, die in 2 mit der Bezeichnung Plant bezeichnet ist (und die beispielsweise in der Turbine oder/und einem Motor besteht) ändern sich die Druckverhältnisse des Massenstroms 30 vor und nach der Klappenöffnung 10, so dass ein Differenzdruck p_diff resultiert. Dieser Differenzdruck p_diff wird über die den Funktionszusammenhang des Elementes 34 mit wiederum der Klappe 14, der Aufhängung 16, dem Hebel 18 sowie dem Stellglied 20 in die Fluidkraft F_Gas überführt. Diese wird von der Aktuatorkraft F_Acuator subtrahiert, wodurch der Regelkreis in 2 geschlossen wird. Dabei kann durch den DC-modulierten Steuerdruck eine gewünschte Arbeitsweise der Regelstrecke eingestellt werden, deren Feinjustierung durch die Druckdifferenz vor und nach der Klappenöffnung sowie der Federkraft auf die Membran erfolgt. Es ist anzumerken, dass die in 1 und in 2 dargestellte Einheit auch mit einem Überdruck und/oder ohne Feder (was einer Federkonstante von 0 entspricht) betrieben werden kann.
In 3 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form einer Reglereinheit 50 dargestellt. Die Reglereinheit 50 um fast eine Auswerteeinheit 52, einen Regler 54 sowie eine Stellglied-Regeleinheit 56. Die Auswerteeinheit 52 ist ausgebildet, um aus einer beobachteten Druckdifferenz vor bzw. nach der Klappenöffnung sowie einer anzustrebenden Druckdifferenz und/oder einem beobachteten effektiven Leitungsquerschnitt und einem anzustrebenden effektiven Leitungsquerschnitt ein Auswertesignal bereitzustellen. Der effektive Leitungsquerschnitt an der Klappenöffnung kann dabei durch ein Verstellen der in 1 dargestellten Klappe 14 erfolgen, so dass ein größerer oder geringerer Durchfluss des Fluids durch die Klappenöffnung erfolgen kann. Der effektive Leitungsquerschnitt stellt damit ein Maß für den Grad der Öffnung der Klappe 14 dar. Aus dem Auswertesignal kann dann der Regler 54 entsprechend einer Regelcharakteristik, beispielsweise einer PID-, einer PT-Regelcharakteristik oder dergleichen, ein Ansteuersignal erzeugt werden, gemäß dem die Stellglied-Regeleinheit 56 die Öffnung der Klappe 14 aus 1 regeln kann.
Gegenüber dem Stand der Technik, bei dem im zu verwendenden Regler Parameter zu berücksichtigen sind, die vom jeweiligen Betriebspunkt bzw. von der entsprechenden Betriebsart abhängen, ist dies gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich. Die für den entsprechenden Betriebspunkt bzw. die entsprechende Betriebsart zu berücksichtigenden Parameter werden bereits bei der Bereitstellung des Auswertesignals einbezogen. Dies ermöglicht, dass der Regler 54 mit einer sehr einfachen Regelcharakteristik ausgestattet werden kann, ohne diese Regelcharakteristik vorab an die entsprechende Einsatzumgebung des Reglers anpassen zu müssen. Dies ermöglicht außerdem den Einsatz einfacher linearer Regelalgorithmen die leicht zu implementieren sind und zugleich eine hohe Regelstabilität aufweisen. Weiterhin erfordert eine solche Regelcharakteristik lediglich einen geringen Speicher, so dass zusätzlich ein verringerter Ressourcenbedarf zur Implementierung der Reglereinheit 50 resultiert.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Reglereinheit. Hierbei wird zusätzlich eine Vorsteuerung 60 verwendet (auch als Pre Control bezeichnet), durch welche statische Größen der Regelung eingeprägt werden können, die unabhängig vom derzeitigen Betriebspunkt der durch die Klappenöffnung geregelten Arbeitsmaschine (beispielsweise dem Verbrennungsmotor) sind. In dieser Vorsteuerung kann, in Anlehnung an den in 2 dargestellten Regelkreis, ein gewünschter effektiver Leitungsquerschnitt A_Flap,Des durch ein erstes Konvertierungselement 62 in ein der Federkraft entsprechendes Signal F_Spring überführt werden. Dieses erste Konvertierungselement 62 kann dabei in Form einer abgespeicherten Kennlinie implementiert sein. Die dem gewünschten effektiven Leitungsquerschnitt A_Flap,Des entsprechende Federkraft kann daraus ermittelt oder abgelesen werden. Analog kann aus der gewünschten Druckdifferenz mittels eines zweiten Konvertierungselementes 64, das ebenfalls eine hinterlegte Kennlinie sein kann, eine Fluid- oder Gaskraft F_Gas bzw. ein entsprechendes Signal ermittelt werden. Die Federkraft F_Spring und die Fluidkraft F_Gas (respektive die entsprechenden Signale) werden dann addiert und entsprechend einem dritten Konvertierungselement 66 in ein Vorsteuersignal DC_Ctl überführt, welches an die Stellglied-Regeleinheit 56 ausgegeben wird. Weiterhin ist aus 4 ersichtlich, dass das erste Konvertierungselement 62 eine inverse Funktionalität zu den in 2 dargestellten Elementen 22 und 32 aufweist. Auch weist das zweite Konvertierungselement 64 eine inverse Funktionalität des in 2 dargestellten Elements 34 auf, wobei das dritte Konvertierungselement 66 eine zu Element 24 aus 2 inverse Funktionalität aufweist. Durch eine derartige Vorsteuerung lässt sich der Betrieb der Arbeitsmaschine durch eine Regelung der Klappenöffnung relativ genau einstellen. Voraussetzung für eine genaue Einstellung ist jedoch, dass der funktionale Zusammenhang der Betriebsparameter (z.B. Druck vor und nach der Klappenöffnung, effektiver Leitungsquerschnitt der Klappenöffnung) der Arbeitsmaschine genau bekannt ist, was in einer realen Einsatzumgebung allerdings nicht immer gegeben ist.
An dieser Stelle kommt der erfindungsgemäße Ansatz zum Einsatz. Es wird eine Ausgleichseinheit (auch Governor genannt) bereitgestellt, die im Wesentlichen die Auswerteeinheit 52 sowie den Regler 54 umfasst. In der Auswerteeinheit 52 kann in einem ersten Pfad aus einer beobachteten p_diff,Obs und einer gewünschten Druckdifferenz p_diff,Des vor und nach der Klappenöffnung eine Differenz Δp_diff dieser beiden Druckdifferenzen ermittelt werden und diese über ein viertes Konvertierungselement 68 in ein Differenzdruckkraftsignal ΔF_Gas umgesetzt werden. Dieses vierte Konvertierungselement 68 kann dabei ebenfalls in Form einer einfachen Kennlinie implementiert sein, die elektronisch verarbeitet werden kann. Dabei ist festzustellen, dass bereits das zweite Konvertierungselement 64 zur Umsetzung eines ähnlichen Funktionszusammenhangs von einem Druck in eine Kraft ausgelegt ist. Da das vierte Konvertierungselement 68 eine Differenz einer Druckdifferenz in eine Differenzkraft umsetzen soll, kann einfach die Ableitung (am jeweiligen Arbeitspunkt der Arbeitsmaschine) einer für das zweite Konvertierungselement 64 implementierten Kennlinie für das viertes Konvertierungselement verwendet werden. Dies ermöglicht eine sehr einfache Bestimmung dieser Differenzdruckkraft ΔF_Gas bzw. des entsprechenden Signals. Analog kann auch im zweiten Pfad der Auswerteeinheit 52 eine Differenz zwischen dem gewünschten A_Flap,Des und dem beobachteten A_Flap,Obs effektiven Leitungsquerschnitt bestimmt werden. Diese Differenz kann beispielsweise aus Vibrationseffekten an der Maschine oder Bauteilstreuung in der Serienproduktion resultieren, so dass die Klappe 14 nicht immer so exakt wie gewünscht geregelt werden kann. Üblicherweise wird diese Differenz aus einem Messwert der Regelstrecke ermittelt (z.B. Ladedruck). Aus dieser Differenz zwischen dem gewünschten und dem beobachteten effektiven Leitungsquerschnitt kann mit einem fünften Konvertierungselement 70 ein Differenzflächenkraftsignal ΔF_Spring bestimmt werden, welches mit dem Differenzdruckkraftsignal ΔF_Gas zu dem Auswertesignal ΔF kombiniert bzw. addiert wird. Das fünfte Konvertierungselement 70 kann dabei analog zum ersten Konvertierungselement 62 (entsprechend den obigen Ausführungen mit Bezug auf das vierte Konvertierungselement 68) ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Bildung einer Ableitung einer für das erste Konvertierungselement 62 implementierten Kennlinie (am entsprechenden Arbeitspunkt der Arbeitsmaschine) zur sehr einfachen Umsetzung des fünften Konvertierungselements 70 verwendet werden. Hierbei ist anzumerken, dass das Auswertesignal ΔF der Auswerteeinheit 52 nicht auf der Basis einer Differenz Δp_diff der Druckdifferenzen und gleichzeitig auch einer Differenz ΔA_Flap der gewünschten und beobachteten effektiven Leitungsquerschnitte realisiert werden muss; vielmehr reicht bereits die Korrektur bzgl. eines der genannten Parameter aus, um eine-Verbesserung im Regelverhalten der Reglereinheit 50 zu erreichen. Das Auswertesignal wird dann dem Regler 54 zugeführt, der die Regelung auf der Basis einer sehr einfachen Regelcharakteristik (wie einer PID-Regelcharakteristik, einer PT-Regelcharakteristik oder dergleichen) durchführt und ein entsprechendes Ansteuersignal DC_Gov an die Stellglied-Regeleinheit 56 ausgibt. Die Stellglied-Regeleinheit 56 kann dann auf der Basis des Auswertesignals DC_Gov allein (was in 4 nicht dargestellt ist) oder in Kombination mit dem Vorsteuersignal DC_Ctl die Öffnung der Klappe (beispielsweise durch eine DC-Modulation des Unterdrucks) regeln. Zu einer solchen Regelung können auch zur Unterdrucksteuerung alternative Steuermechanismen verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Durch den in 4 dargestellten Aufbau lässt sich mit einer geringen Anzahl von Regeleinheitselementen und deren wiederholter Verwendung eine stabile, einfache und damit kostengünstig zu implementierende Regelung aufbauen wobei zugleich die Umgebungsbedingungen besser als im Stand der Technik berücksichtigt werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Form eines Verfahrens. Hierbei erfolgt zunächst in einem ersten Schritt ein Bereitstellen 80 eines Auswertesignals auf der Basis einer Differenz zwischen Drücken vor und nach der Klappe und einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz und/oder auf der Basis einer Beziehung zwischen einer vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung sowie einer beobachteten Klappenöffnung der Klappe. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Bestimmen 82 eines Ansteuersignals aus dem Auswertesignal entsprechend einer Regelcharakteristik, worauf in einem dritten Schritt ein Regeln 84 der Klappenöffnung der Klappe in der Massenstromleitung ansprechend auf das Ansteuersignal erfolgt.
Zusammenfassend ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung beispielsweise eine dynamische Regelung kraftbeeinflusster Steller betrifft. Exemplarisch ist für eine Klappe im Abgassystem die Wirkung der verschiedenen Kräfte auf das resultierende Moment um die Welle der Klappe als Systemskizze und als Blockschaltbild in den 1 und 2 dargestellt. Es wurde ein mit Unterdruck beaufschlagter pneumatischer Steller angenommen, der seine Lage durch eine Feder einstellen kann. Es spielt dabei für die grundsätzliche Funktion keine Rolle, ob die Feder im Steller die Klappe öffnet oder schließt, oder ob diese Feder überhaupt verbaut ist (Federkonstante = 0). Weiterhin lässt sich der Ansatz ebenso für einen druckbeaufschlagten Steller (Ottomotor, NFZ) anwenden. Die Größe, die durch die Ansteuerung des Stellers verändert wird, ist die Kraft, die durch Veränderung des Unterdrucks an der Membran auf das Gestänge des Stellers wirkt. Die Sensitivität der Strecke, die für die dynamische Regelung abhängig vom momentanen Arbeitspunkt entscheidend ist beträgt demnach $\frac{\partial F}{\partial D C}$
Die in 4 gezeigte Reglerstruktur berechnet im Vorsteuerpfad die momentan wirkende Kraft und über die Abweichung vom geplanten Arbeitspunkt die Regelabweichung als resultierende Kraft. Diese wird einem PID-Regler zugeführt, aus dem dann eine angepasste Verstärkung für die Ansteuerung folgt. Die zusätzliche Information, die für die Parametrierung des neuen Teils erforderlich ist, kann aus der Steigung der Korrekturkennlinie aus dem Vorsteuerpfad ermittelt werden. Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass für den linearen PID-Regler keine betriebspunkt- bzw. betriebsartabhängigen Parameter appliziert und im Steuergerät gespeichert werden müssen. Daraus resultieren ein verringerter Ressourcenbedarf und eine vereinfachte Applikation.

Claims

Reglereinheit (50) zum Regeln einer Klappenöffnung (10) von einer in einer Massenstromleitung (12) angeordneten Klappe (14), wobei die Reglereinheit (50) folgende Merkmale umfasst: - eine Auswerteeinheit (52), die ausgebildet ist, um auf der Basis einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz (p_diff,Des) und einer Differenz zwischen Drücken (p_diff,Obs) vor und nach der Klappe (14) ein Auswertesignal (ΔF) bereitzustellen; - einen Regler (54), der ausgebildet ist, um aus dem Auswertesignal (ΔF) entsprechend einer Regelcharakteristik ein Ansteuersignal (DC_Gov) zu bestimmen; und - eine Stellglied-Regeleinheit (56), die ausgebildet ist, um die Klappenöffnung (10) der Klappe (14) in der Massenstromleitung (12) ansprechend auf das Ansteuersignal (DC_Gov) zu regeln, wobei die Reglereinheit (50) ferner eine Vorsteuereinheit (60) umfasst, die ausgebildet ist, um aus der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung (A_Flap,Des) und der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken (p_diff,Des) vor und nach der Klappe (14) ein Vorsteuersignal (DC_Ctl) zu ermitteln und wobei die Stellglied-Regeleinheit (56) ausgebildet ist, um die Klappenöffnung (10) in Abhängigkeit des Ansteuersignals (DC_Gov) und des Vorsteuersignals (DC_Ctl) zu regeln.
Reglereinheit (50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) ausgebildet ist, um das Auswertesignal (ΔF) sowohl in Abhängigkeit der vordefinierten anzustrebenden Drücken (p_diff,Obs) vor und nach der Klappe (14) als auch in Abhängigkeit einer Beziehung zwischen einer vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung (A_Flap,Des) sowie einer beobachteten Klappenöffnung (A_Flap,Obs) der Klappe (14) bereitzustellen.
Reglereinheit (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) ausgebildet ist, um aus der Differenz zwischen Drücken (p_diff,Obs) vor und nach der Klappe (14) und einer gewünschten Druckdifferenz (p_diff,Des) ein Differenzdrucksignal (Δp_diff) bereitzustellen, auf der Basis des Differenzdrucksignals (Δp_diff) unter Verwendung einer vorbestimmten Regelungsdruckkennlinie (68) ein Differenzdruckkraftsignal (ΔF_Gas) zu ermitteln und das Auswertesignal (ΔF) auf der Basis des Differenzdruckkraftsignals (ΔF_Gas) bereitzustellen.
Reglereinheit (50) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) ausgebildet ist, um aus der Beziehung zwischen der gewünschten (A_Flap,Des) und einer beobachteten Klappenöffnung (A_Flap,Obs) der Klappe (14) ein Klappendifferenzsignal (ΔA_Flap) zu bilden, aus dem Klappendifferenzsignal (ΔA_Flap) unter Verwendung einer vorbestimmten Regelungsflächenkennlinie (70) ein Differenzflächenkraftsignal (ΔF_Spring) zu bestimmen und das Auswertesignal (ΔF) auf der Basis des Differenzflächenkraftsignals (ΔF_Spring) bereitzustellen.
Reglereinheit (50) gemäß Anspruch 3, wobei die Vorsteuereinheit (60) ausgebildet ist, um das Ermitteln des Vorsteuersignals (DC_Ctl) aus der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken (p_diff,Des) vor und nach der Klappe (14) auf der Basis einer vordefinierten Vorsteuerdruckkennlinie (64) durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) ausgebildet ist, um das Auswertesignal (ΔF) unter Verwendung einer Regelungsdruckkennlinie (68) durchzuführen, die auf der Vorsteuerdruckkennlinie (64) basiert.
Reglereinheit (50) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsdruckkennlinie (68) als Ableitung der Vorsteuerdruckkennlinie (64) darstellbar ist.
Reglereinheit (50) gemäß Anspruch 4 und 5, wobei die Vorsteuereinheit ausgebildet ist, um das Ermitteln des Vorsteuersignals (DC_Ctl) der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung (10) auf der Basis einer vordefinierten Vorsteuerflächenkennlinie (62) durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (52) ausgebildet ist, um das Auswertesignal (ΔF) unter Verwendung einer Regelungsflächenkennlinie (70) durchzuführen, die auf der Vorsteuerflächenkennlinie (62) basiert.
Reglereinheit (50) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsflächenkennlinie (70) als Ableitung der Vorsteuerflächenkennlinie (62) darstellbar ist.
Verfahren zum Regeln einer Klappenöffnung (10) von einer in einer Massenstromleitung (12) angeordneten Klappe (14), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen (80) eines Auswertesignals (ΔF) auf der Basis einer vordefinierten anzustrebenden Druckdifferenz (p_diff,Des) und einer Differenz zwischen Drücken (p_diff,Obs) vor und nach der Klappe (14); - Bestimmen (82) eines Ansteuersignals (DC_Gov) aus dem Auswertesignal (ΔF) entsprechend einer Regelcharakteristik; und - Regeln (84) der Klappenöffnung (10) der Klappe (14) in der Massenstromleitung (12) ansprechend auf das Ansteuersignal (DC_Gov), wobei die Reglereinheit (50) ferner eine Vorsteuereinheit (60) umfasst, die ausgebildet ist, um aus der vordefinierten anzustrebenden Klappenöffnung (A_Flap,Des) und der vordefinierten anzustrebenden Differenz zwischen Drücken (p_diff,Des) vor und nach der Klappe (14) ein Vorsteuersignal (DC_Ctl) zu ermitteln und wobei die Stellglied-Regeleinheit (56) ausgebildet ist, um die Klappenöffnung (10) in Abhängigkeit des Ansteuersignals (DC_Gov) und des Vorsteuersignals (DC_Ctl) zu regeln.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungseinheit durchgeführt wird.