DE102009030165A1

DE102009030165A1 - Ein AntiWindup-Konzept zur besseren Kombination eines Reglers mit einer Steuerung

Info

Publication number: DE102009030165A1
Application number: DE102009030165A
Authority: DE
Inventors: Axel Schamscha; Rene Dr. Kalms; Matthias Springstubbe
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: DE102009030165B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts (y') aus mindestens einem Ausgangswert (y_I) einer Integral-Regeleinheit (2) und mindestens einem weiteren Ausgangswert (y'''), wobei der Ausgangswert (y_I) der Integral-Regeleinheit (2) über eine Berechnungsvorschrift des Ausgangswerts (y_I) der Integral-Regeleinheit (2) aus einem Regelabweichungswert (e) und einem Anti-Wind-Up-Wert (AWW) berechnet wird, wobei der Anti-Wind-Up-Wert (AWW) über eine Anti-Wind-Up-Berechnungsvorschrift aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW1) und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW2) berechnet wird, wobei der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2) auf ein Teilwertmaximum (AWW2_max) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) über einer ersten Teilwertschwelle liegt, oder auf ein Teilwertminimum (AWW2_min) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt, wobei der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) aus dem Ausgangswert (y_I) der Integral-Regeleinheit (2) und einem begrenzten Ausgangswert (y'') berechnet wird,
wobei der begrenzte Ausgangswert ein Ausgangswertmaximum (y''_max) einnimmt, wenn der weitere Ausgangswert (y''') über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, oder ein Ausgangswertminimum (y''_min) einnimmt, wenn der weitere Ausgangswert (y''') unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts.
Ein in der Regelungstechnik bekanntes Problem ist das so genannte Wind-Up-Problem. Es tritt auf, wenn ein Regler, der einen Integrationsanteil besitzt bzw. eine Integral-Regeleinheit umfasst, aufgrund einer Regelabweichung einen Stellwert berechnet, der größer als eine obere Stellwertgrenze bzw. Stellwertbeschränkung oder kleiner als eine untere Stellwertgrenze bzw. Stellwertbeschränkung ist. Da die Integral-Regeleinheit keine Information der Stellwertbeschränkung erhält, integriert die Integral-Regeleinheit bei einer vorhandenen Regelabweichung weiter was somit zu einem Aufbau eines effektlosen Stellsignals führt. Um den Übersteuerungsbereich, also den Bereich über der oberen Stellwertbeschränkung oder unter der unteren Stellwertbeschränkung, zu verlassen, muss nun der in der Integral-Regeleinheit durch die Integration akkumulierte Stellwert erst wieder abgebaut werden.
Um diesem Wind-Up-Problem entgegenzuwirken, sind verschiedene Anti-Wind-Up-Strategien entwickelt worden.
In einer klassischen Lösung wird ein Eingangswert der Integral-Regeleinheit mit einem Korrekturanteil beaufschlagt, so dass die Integral-Regeleinheit versucht, eine Differenz, die sich zwischen dem unbeschränkten und dem beschränkten Stellwert ergibt, zu kompensieren. Ein Nachteil dieser Strategie, ergibt sich bei einem einfachen PI-Regler, also einem Regler, der eine Proportional-Regeleinheit und eine Integral-Regeleinheit umfasst. Ist eine Stellwertbeschränkung vorhanden, so wird die Summe einer Ausgangsgröße der Proportional-Regeleinheit und einer Ausgangsgröße der Integral-Regeleinheit beschränkt. Überschreitet nun der Stellwertanteil der Proportional-Regeleinheit, also die Ausgangsgröße der Proportional-Regeleinheit, die Stellwertbeschränkung, so versucht die Integral-Regeleinheit die Differenz, die sich zwischen dem unbeschränkten und dem beschränkten Stellwert ergibt, zu kompensieren. Wird die Regelabweichung kleiner und verlässt der Stellwert und der Stellwertanteil der Proportional-Regeleinheit den Übersteuerungsbereich, so baut die Integral-Regeleinheit bei noch vorhandener Regelabweichung sofort wieder einen Stellwertanteil auf, der die Summe der Ausgangsgrößen aus der Proportional-Regeleinheit und der Integral-Regeleinheit wieder in Richtung der Stellwertbeschränkung erhöht. Somit entsteht ein sägezahnförmiger Verlauf des Stellwerts im Bereich der Stellwertbeschränkung.
Eine weitere Anti-Wind-Up-Strategie arbeitet mit Hilfe eines so genannten Einfrierens der Ausgangsgröße der Integral-Regeleinheit. Dabei wird eine Eingangsgröße der Integral-Regeleinheit zu Null gesetzt, wenn der Stellwert des Reglers die Stellwertbeschränkung überschreitet. Diese Strategie hat allerdings den Nachteil, dass im Übersteuerungsbereich des Stellwerts die Ausgangsgröße der Integral-Regeleinheit die Ausgangsgröße beispielsweise der Proportional-Regeleinheit nicht korrigieren bzw. kompensieren kann. Zur Korrektur sind weitere Maßnahmen notwendig. Dabei wird z. B. die Integral-Regeleinheit im Übersteuerungsbereich über zusätzliche Eingangsgrößen auf einen gewünschten Arbeitspunkt gebracht. Diese zusätzlichen Anteile erfordern jedoch zusätzlichen Entwicklungsaufwand.
Eine weitere Strategie besteht darin, die Integral-Regeleinheit beim Verlassen der Übersteuerung explizit zu initialisieren.
Alle vorhergehend aufgeführten Anti-Wind-Up-Strategien weisen jedoch zumindest einen der folgenden Nachteile auf. Ein erster Nachteil ergibt sich aus dem Bestreben der Integral-Regeleinheit, Stellwertanteile des Reglers zu kompensieren, die aufgrund der Stellwertbeschränkung keine Wirkung haben. Nach Verlassen des Übersteuerungsbereichs befindet sich der Regler daher nicht sofort am korrekten Arbeitspunkt, sondern muss erst noch den kompensierenden Beitrag der Integral-Regeleinheit zum Stellwert abbauen. Aufgrund dieses Effekts tritt auch ein zweiter Nachteil auf, wenn die Stellwertbeschränkung selbst zur Regelung bzw. Steuerung einer Regelstrecke verändert wird. Ein dritter Nachteil ergibt sich daraus, dass bei den geschilderten Anti-Wind-Up-Strategien unerwünschte Stellaktionen auftreten können, wenn sich die Werte der verschiedenen Stellwertanteile ändern und der Stellwert den Übersteuerungsbereich verlässt. Auch bei der Variierung der Grenzen der Stellwertbeschränkung kann es, wenn sich der Stellwert im Übersteuerungsbereich befindet, auf analoge Weise zu unerwünschten Stellaktionen kommen.
Es stellt sich daher das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Berechnung eines Stellwerts eines Reglers zu schaffen, wobei der Regler eine Integral-Regeleinheit und mindestens eine weitere Regel- oder Steuereinheit umfasst, welche die vorhergehend genannten Nachteile bei den üblichen Anti-Wind-Up-Strategien kompensiert oder zumindest reduziert.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierbei erfolgt die Berechnung eines resultierenden Stellwerts aus mindestens einem Ausgangswert einer Integral-Regeleinheit und mindestens einem weiteren Ausgangswert, wobei der Ausgangswert der Integral-Regeleinheit über eine Berechnungsvorschrift aus einem Regelabweichungswert und einem Anti-Wind-Up-Wert berechnet wird, wobei der Anti-Wind-Up-Wert über eine Anti-Wind-Up-Berechnungsvorschrift aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts berechnet wird, wobei der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert auf ein Teilwertmaximum gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert über einer Teilwertschwelle liegt, und/oder auf ein Teilwertminimum gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt, wobei der erste Anti-Wind-Up-Teilwert aus dem Ausgangswert der Integral-Regeleinheit und einem begrenzten Ausgangswert berechnet wird, wobei der begrenzte Ausgangswert auf ein Ausgangswertmaximum gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, und/oder auf ein Ausgangswertminimum gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt. Bei der somit offenbarten Anti-Wind-Up-Strategie wird zur Berechnung des Anti-Wind-Up-Wertes ein Berechnungsansatz gewählt, der zwischen dem Stellwertanteil der Integral-Regeleinheit und dem oder den Stellwertanteilen weiterer Regeleinheiten und/oder weiterer Steuereinheiten unterscheidet. Der Stellwertanteil der Integral-Regeleinheit wird auch als speichernder Stellwertanteil und die Stellwertanteile der weiteren Regler- bzw. Steuereinheiten werden als nicht-speichernde Stellwertanteile bezeichnet. Durch die Beschränkung der nicht-speichernden Stellwertanteile auf das Ausgangswertmaximum bzw. das Ausgangswertminimum ergibt sich, dass, wenn beispielsweise die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile größer als die erste Ausgangswertschwelle ist, ein rein rechnerischer, begrenzter Ausgangswert anstatt der unbeschränkten Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile zur Berechnung des ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW1 und somit auch des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW2 herangezogen wird. In diesem Fall versucht die Integral-Regeleinheit die nicht-speichernden Stellwertanteile nicht oder nur in einem geringen Maße zu kompensieren als wenn die unbeschränkte Summe der nicht-speicherenden Stellwertanteile zur Berechnung des Anti-Wind-Up-Wertes verwendet würde. Verändert sich die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile im Übersteuerungsbereich ändert sich der Anti-Wind-Up-Wert nicht, folglich versucht die Integral-Regeleinheit weiterhin nicht, die nicht-speichernden Stellwertanteile zu kompensieren. Das gleiche Verhalten tritt auch auf, wenn das Ausgangswertmaximum und/oder das Ausgangswertminimum variiert werden, solange sich die Summe der nicht-speicherenden Stellwertanteile im Übersteuerungsbereich befindet. Für den Fall, dass der resultierende Stellwert über der oberen oder unter der unteren Stellwertbeschränkung liegt, obwohl die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile kleiner als das Ausgangswertmaximum bzw. größer als das Ausgangswertminimum ist, funktioniert das offenbarte Verfahren dagegen wie eine klassische Anti-Wind-Up-Strategie.
Vorzugsweise findet eine Beschränkung des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts auf das Teilwertmaximum und das Teilwertminimum und/oder eine Beschränkung des begrenzten Ausgangswerts auf das Ausgangswertmaximum und das Ausgangswertminimum statt. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, dass nur eine der oberen oder unteren Beschränkung des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts, also entweder das Teilwertmaximum oder das Teilwertminimum, existiert. Existiert z. B. nur die obere Beschränkung des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts, also das Teilwertmaximum, so wird der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert nie auf das Teilwertminimum gesetzt, auch wenn der erste Anti-Windup-Teil einen sehr niedrigen Wert einnimmt. Analog ist es vorstellbar dass nur eine der oberen oder unteren Beschränkung des begrenzten Ausgangswerts, also entweder das Ausgangswertmaximum oder das Ausgangswertminimum, existiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der weitere Ausgangswert aus mindestens einem Ausgangswert der Gruppe Ausgangswert einer Proportional-Regeleinheit, Ausgangswert einer Differenzial-Regeleinheit, Ausgangswert einer Vorsteuereinheit und Ausgangswert einer Offset-Steuereinheit berechnet. Hiermit ergibt sich vorteilhaft, dass die offenbarte Anti-Wind-Up-Strategie auch bei einer der Regelung überlagerten Steuerung funktioniert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Teilwertminimum und/oder das Ausgangswertminimum und/oder das Teilwertmaximum und/oder das Ausgangswertmaximum einstellbar. Hierdurch ergibt sich vorteilhafterweise, dass die Berechnung des resultierenden Stellwerts zeitlich verändert werden kann, beispielsweise um sich an eine veränderte Charakteristik einer Regelstrecke anzupassen.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Teilwertmaximum und das Ausgangswertmaximum und/oder das Teilwertminimum und das Ausgangswertminimum gleich oder werden gleich eingestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein begrenzter Stellwert aus dem resultierenden Stellwert berechnet, wobei der begrenzte Stellwert auf ein Stellwertmaximum gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert über einer ersten Stellwertschwelle liegt, und/oder auf ein Stellwertminimum gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert unter einer zweiten Stellwertschwelle liegt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das vorgestellte Verfahren nicht ausschließlich zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts, sondern auch zur Berechnung eines begrenzten Stellwerts verwendet wird, wobei der begrenzte Stellwert als Stellwert für beispielsweise eine Regelstrecke bzw. ein Aktor dient.
Vorzugsweise findet eine Beschränkung des begrenzten Stellwerts auf das Stellwertmaximum und das Stellwertminimum statt. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, dass nur eine der oberen oder unteren Beschränkung des begrenzten Stellwerts, also entweder das Stellwertmaximum oder das Stellwertminimum, existiert. Existiert z. B. nur die obere Beschränkung des begrenzten Stellwerts, also das Stellwertmaximum, so wird der begrenzte Stellwert nie auf das Stellwertminimum gesetzt, auch wenn der resultierende Stellwert einen sehr niedrigen Wert einnimmt.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Stellwertmaximum und/oder das Stellwertminimum einstellbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Regelung der Regelstrecke auch über eine Veränderung der Stellwertbeschränkung vorgenommen werden kann
In einer weiteren Ausführungsform sind das Teilwertmaximum und das Stellwertmaximum oder das Stellwertmaximum und das Ausgangswertmaximum oder das Teilwertmaximum und das Ausgangswertmaximum und das Stellwertmaximum gleich und/oder das Teilwertminimum und das Stellwertminimum oder das Stellwertminimum und das Ausgangswertminimum oder das Teilwertminimum und das Ausgangswertminimum und das Stellwertminimum gleich oder werden gleich eingestellt.
Eine Vorrichtung zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts umfasst mindestens eine Integral-Regeleinheit, mindestens eine weitere Regel- oder Steuereinheit, mindestens eine Anti-Wind-Up-Berechnungseinheit, mindestens eine Teilwertbeschränkungseinheit und mindestens eine Ausgangswertbeschränkungseinheit, wobei der resultierende Stellwert aus mindestens einem Ausgangswert der Integral-Regeleinheit und mindestens einem weiteren Ausgangswert der weiteren Regel- oder Steuereinheit berechnet wird, wobei der Ausgangswert der Integral-Regeleinheit von der Integral-Regeleinheit aus einem Regelabweichungswert und einem Anti-Wind-Up-Wert berechnet wird, wobei der Anti-Wind-Up-Wert von der Anti-Wind-Up- Berechnungseinheit aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts berechnet wird, wobei der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert von der Teilwertbeschränkungseinheit auf ein Teilwertmaximum gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert über einer ersten Teilwertschwelle liegt, und/oder von der Teilwertbeschränkungseinheit auf ein Teilwertminimum gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt, wobei der erste Anti-Wind-Up-Teilwert aus dem Ausgangswert der Integral-Regeleinheit und einem begrenzten Ausgangswert berechnet wird, wobei der begrenzte Ausgangswert von der Ausgangswertbeschränkungseinheit auf ein Ausgangswertmaximum gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, und/oder von der Ausgangswertbeschränkungseinheit auf ein Ausgangswertminimum gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine Einheit der Gruppe Proportional-Regeleinheit, Differenzial-Regeleinheit, Vorsteuereinheit und Offset-Steuereinheit, wobei der weitere Ausgangswert aus mindestens einem Ausgangswert der Ausgangswerte der Proportional-Regeleinheit, der Differenzial-Regeleinheit, der Vorsteuereinheit und der Offset-Steuereinheit berechnet wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Teilwertminimum und/oder das Teilwertmaximum über die Teilwertbeschränkungseinheit und/oder das Ausgangswertminimum und/oder das Ausgangswertmaximum über die Ausgangswertbeschränkungseinheit einstellbar.
In einer weiteren Ausführungsform berechnet mindestens eine Stellwertbeschränkungseinheit einen begrenzten Stellwert aus dem resultierenden Stellwert, wobei der begrenzte Stellwert von der Stellwertbeschränkungseinheit auf ein Stellwertmaximum gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert über einer ersten Stellwertschwelle liegt, und/oder von der Stellwertbeschränkungseinheit auf ein Stellwertminimum gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert unter einer zweiten Stellwertschwelle liegt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Stellwertmaximum und/oder das Stellwertminimum über die Stellwertbeschränkungseinheit einstellbar.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer klassischen Anti-Wind-Up-Struktur und
2 ein schematisches Blockschaltbild einer verbesserten Anti-Wind-Up-Struktur.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer klassischen Anti-Wind-Up-Struktur 1. Ein resultierender Stellwert y' wird dabei aus Ausgangswerten mehrerer Regel- und Steuereinheiten berechnet. Die Regeleinheiten umfassen eine Integral-Regeleinheit 2 mit einem Ausgangswert y_i der Integral-Regeleinheit 2, eine Proportional-Regeleinheit 3 mit einem Ausgangswert y_p der Proportional-Regeleinheit 3 und eine Differenzial-Regeleinheit 4 mit einem Ausgangswert y_d der Differenzial-Regeleinheit 4. Die Steuereinheiten umfassen eine Vorsteuereinheit 5 mit einem Ausgangswert y_v der Vorsteuereinheit 5 und eine nicht dargestellte Offset-Steuereinheit mit einem Ausgangswert y_Offset der Offset-Steuereinheit. Der resultierende Stellwert y' berechnet sich als die Summe des Ausgangswerts y_l der Integral-Regeleinheit 2, des Ausgangswerts y_p der Proportional-Regeleinheit 3, des Ausgangswerts y_d der Differenzial-Regeleinheit 4, des Ausgangswerts y_v der Vorsteuereinheit 5 und des Ausgangswerts y_Offset der Offset-Steuereinheit. Die Vorsteuereinheit 5 berechnet den Ausgangswert y_v der Vorsteuereinheit 5 aus einer Vorsteuergröße w über eine Berechnungsvorschrift für den Ausgangswert y_v der Vorsteuereinheit 5. Analog berechnet die Proportional-Regeleinheit 3 den Ausgangwert y_p der Proportional-Regeleinheit 3 über eine Berechnungsvorschrift des Ausgangwerts y_p der Proportional-Regeleinheit 3 aus einer Regelabweichung e, die sich als Differenz einer Sollgröße r und der Vorsteuergröße w ergibt. Die Differenzial-Regeleinheit 4 berechnet den Ausgangswert y_d über eine Berechnungsvorschrift für den Ausgangswert y_d der Differenzial-Regeleinheit 4 aus der Regelabweichung e. Die Integral-Regeleinheit 2 berechnet den Ausgangswert y_l der Integral-Regeleinheit 2 über eine Berechnungsvorschrift des Ausgangswerts y_i der Integral-Regeleinheit 2 aus einer Integral-Regeleinheit-Eingangsgröße, die sich als Differenz zwischen der Regelabweichung e und einem Anti-Wind-Up-Wert AWW berechnet. Der Anti-Wind-Up-Wert AWW ist dabei ein Ausgangswert einer Anti-Wind-Up-Berechnungseinheit 6 und berechnet sich über eine Anti-Wind-Up-Berechnungsvorschrift aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW1 und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW2. Der erste Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 ist dabei gleich dem resultierenden Stellwert y'. Der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert AWW2 ist gleich einem begrenzten Stellwert y, der von einer Stellwertbeschränkungseinheit 7 aus dem resultierenden Stellwert y' berechnet wird. Die Stellwertbeschränkungseinheit 7 ermittelt aus dem resultierenden Stellwert y' auf deterministische Weise den begrenzten Stellwert y. Dabei beschränkt die Stellwertbeschränkungseinheit 7 den begrenzten Stellwert y auf ein Stellwertmaximum y_max, wenn der resultierende Stellwert y' über einer ersten Stellwertschwelle liegt, oder auf ein Stellwertminimum y_min, wenn der resultierende Stellwert y unter einer zweiten Stellwertschwelle liegt. Ist der resultierende Stellwert y' kleiner oder gleich der ersten Stellwertschwelle und größer oder gleich der zweiten Stellwertschwelle, so ergibt sich der begrenzte Stellwert beispielsweise aus einem linearen Zusammenhang zwischen resultierendem Stellwert y' und begrenztem Stellwert y.
In 1 ist auch dargestellt, dass das Stellwertmaximum y_max und das Stellwertminimum y_min der Stellwertbeschränkungseinheit 7 einstellbar sind, indem das Stellwertmaximum y_max und das Stellwertminimum y_min Eingangsgrößen der Stellwertbeschränkungseinheit 7 sind. Ebenso ist vorstellbar, dass das Stellwertmaximum y_max und das Stellwertminimum y_min fest in der Stellwertbeschränkungseinheit 7 eingestellt und damit nicht veränderbar sind. Gleichfalls ist denkbar, dass die erste Stellwertschwelle und/oder die zweite Stellwertschwelle einstellbar oder fest eingestellt und damit nicht veränderbar sind.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer verbesserten Anti-Wind-Up-Struktur 8. Im Gegensatz zur klassischen Anti-Wind-Up-Struktur 1 findet bei der verbesserten Anti-Wind-Up-Struktur 8 eine veränderte Berechnung des ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW1 und des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW2 statt. Dazu werden die Ausgangswerte der Regeleinheiten 2, 3, 4, der Vorsteuereinheit 5 und der nicht dargestellten Offset-Steuereinheit aufgeteilt in den Ausgangswert y_l der Integral-Regeleinheit 2, der auch als speichernder Stellwertanteil bezeichnet wird, und in die Summe der Ausgangswerte y_p, y_d, y_v, y_Offset der Proportional-Regeleinheit 3, der Differenzial-Regeleinheit 4, der Vorsteuereinheit 5 und der nicht dargestellten Offset-Steuereinheit. Diese Ausgangswerte y_p, y_d, y_v, y_Offset werden auch als der nicht-speichernde Stellwertanteile bezeichnet, da sich die Ausgangswerte y_p, y_d, y_v, y_Offset der Proportional-Regeleinheit 3, der Differenzial-Regeleinheit 4, der Vorsteuereinheit 5 und der nicht dargestellten Offset-Steuereinheit immer zum aktuellen Zeitpunkt berechnen und keine Informationen über den Zeitverlauf der Regelabweichung e bzw. der Vorsteuergröße w berücksichtigen. Analog können auch die Proportional-Regeleinheit 3, die Differenzial-Regeleinheit 4, die Vorsteuereinheit 5 und die nicht dargestellten Offset-Steuereinheit als nicht-speichernde Regel- oder Steuereinheiten bezeichnet werden. In 2 ist die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile als ein weiterer Ausgangswert y''' bezeichnet.
Der erste Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 berechnet sich als die Summe eines begrenzten Ausgangswerts y'' und dem Ausgangswert y_l der Integral-Regeleinheit 2. Der begrenzte Ausgangswert y'' ist dabei eine Ausgangsgröße einer Ausgangswertbeschränkungseinheit 9. Eine Eingangsgröße der Ausgangswertbeschränkungseinheit 9 ist der weitere Ausgangswert y'''. Die Ausgangswertbeschränkungseinheit 9 ermittelt aus dem weiteren Ausgangswert y''' auf deterministische Weise den begrenzten Ausgangswert y'' und beschränkt den begrenzten Ausgangswert y'' auf ein Ausgangswertmaximum y''_max, wenn der weitere Ausgangswert y''' über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, oder auf ein Ausgangswertminimum y''_min, wenn der weitere Ausgangswert y''' unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt. Ist der weitere Ausgangswert y''' kleiner oder gleich der ersten Ausgangswertschwelle und größer oder gleich der zweiten Ausgangswertschwelle, so ergibt sich der begrenzte Ausgangswert y'' beispielsweise über einen linearen Zusammenhang zwischen dem weiteren Ausgangswert y''' und dem begrenzten Ausgangswert y''.
Damit wird, anders als bei der klassischen Anti-Wind-Up-Struktur 1, die Summe der nicht-speicherenden Ausgangswerte y_p, y_d, y_v, y_Offset der nicht-speichernden Regler- bzw. Steuereinheiten auf das Ausgangswertmaximum y''_max oder das Ausgangswertminimum y''_min beschränkt. Zu dieser somit beschränkten Summe wird anschließend der speichernde Stellwertanteil bzw. der Ausgangswert y_l der Integral-Regeleinheit 2 aufaddiert, um den ersten Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 zu bilden. Der erste Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 dient als Eingangsgröße einer Teilwertbeschränkungseinheit 7', deren Ausgangsgröße der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert AWW2 ist. Die Teilwertbeschränkungseinheit 7' ermittelt aus dem ersten Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) auf deterministische Weise den zweiten Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2). Der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert AWW2 wird dabei von der Teilwertbeschränkungseinheit 7' auf ein Teilwertmaximum AWW2_max gesetzt, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 über einer ersten Teilwertschwelle liegt, oder auf ein Teilwertminimum AWW2_min gesetzt, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert AWW1 unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt. Ist der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) kleiner oder gleich der ersten Teilwertschwelle und größer oder gleich der zweiten Teilwertschwelle, so ergibt sich der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2) beispielsweise über einen linearen Zusammenhang zwischen dem ersten Anti-Up-Teilwert (AWW1) und dem zweiten Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2).
Aus der Differenz des ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW1 und des zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW2 berechnet sodann die Anti-Wind-Up-Berechnungseinheit 6 den Anti-Wind-Up-Wert AWW. In der 2 ist ebenfalls dargestellt, dass das Ausgangswertmaximum y''_max, das Teilwertmaximum AWW2_max, das Stellwertmaximum y_max, das Ausgangswertminimum y''_min, das Teilwertminimum AWW2_min und das Stellwertminimum y_min einstellbar sind, wobei das Ausgangswertmaximum y''_max, gleich dem Teilwertmaximum AWW2_max gleich dem Stellwertmaximum y_max ist und das Ausgangswertminimum y''_min, gleich dem Teilwertminimum AWW2_min gleich dem Stellwertminimum y_min ist. Auch die erste und die zweite Ausgangswertschwelle, die erste und die zweite Teilwertschwelle und die erste und die zweite Stellwertschwelle können einstellbar sein, wobei vorzugsweise die erste Ausgangswertschwelle gleich der ersten Teilwertschwelle gleich der ersten Stellwertschwelle und die zweite Ausgangswertschwelle gleich der zweiten Teilwertschwelle gleich der zweiten Stellwertschwelle ist.
Selbstverständlich ist auch vorstellbar, dass mindestens ein Wert der Gruppe Ausgangswertmaximum, Ausgangswertminimum, Teilwertmaximum, Teilwertminimum, Stellwertmaximum, Stellwertminimum, erste Ausgangswertschwelle, zweite Ausgangswertschwelle, erste Teilwertschwelle, erste Stellschwertschwelle und zweite Stellwertschwelle fest eingestellt und damit nicht veränderbar ist.
Durch die in der 2 dargestellte verbesserte Anti-Wind-Up-Struktur 8 ergibt sich folglich, dass, wenn die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile die erste Ausgangswertschelle überschreitet bzw. die zweite Ausgangswertschwelle unterschreitet, ein rein rechnerischer Stellwertanteil in Höhe des Ausgangswertmaximums y''_max bzw. des Ausgangswertminimums y''_min ermittelt wird, mit dem der Anti-Wind-Up-Wert AWW statt der unbeschränkten Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile ermittelt wird. Verändert sich die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile im Übersteuerungsbereich, so ändert sich nichts an der Berechnung des Anti-Wind-Up-Teilwerts AWW, was zu keiner unerwünschten Änderung des resultierenden Stellwerts y' führt. Auch bei einer Variierung des Ausgangswertmaximums y''_max und/oder des Ausgangswertminimums y''_min ändert sich der ermittelte Anti-Wind-Up-Wert AWW nicht, solange sich die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile im Übersteuerungsbereich befindet. Für den Fall, dass die Summe der nicht-speichernden Stellwertanteile sich nicht im Übersteuerungsbereich, aber der resultierende Stellwert y' sich aufgrund eines hohen Ausgangsgswerts y_l der Integral-Regeleinheit 2 im Übersteuerungsbereich befindet, funktioniert die verbesserte Anti-Wind-Up-Struktur 8 wie die klassische Anti-Wind-Up-Struktur 1.
Unter gewissen Umständen kann es erwünscht sein, dass sich die verbesserte Anti-Wind-Up-Struktur 8 auch im Übersteuerungsbereich wie die klassische Anti-Wind-Up-Struktur 1 verhält. Dies wird erreicht, indem entweder die Ausgangswertbeschränkungseinheit 9 durch eine Leitungsbrücke ersetzt wird oder indem die erste Ausgangswertschwelle auf einen sehr hohen Wert des weiteren Ausgangswerts y''' und die zweite Ausgangswertschwelle auf einen sehr niedrigen Wert des weiteren Ausgangswerts y''' eingestellt wird. Durch die Einstellung der ersten bzw. zweiten Ausgangswertschwelle auf einen sehr hohen bzw. sehr niedrigen Wert wird erreicht, dass die Ausgangswertbeschränkungseinheit 9 praktisch keine Beschränkung des begrenzten Ausgangswerts y'' auf das Ausgangswertmaximum y''_max oder das Ausgangswertminimum y''_min bewirkt.
Es ist beispielsweise vorstellbar, die verbesserte Anti-Wind-Up-Struktur 8 zur Freilaufbegrenzung am Ende eines so genannten Segelbetriebs eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Im Segelbetrieb läuft ein Motor des Kraftfahrzeugs im Leerlauf. Gibt ein Fahrzeugführer Gas, so steigt eine Motordrehzahl des Motors. Um vom Segelbetrieb nun in einen normalen Fahrbetrieb mit einem eingelegten Gang zu gelangen, wird die Motordrehzahl so geregelt, dass die Motordrehzahl sich der Synchrondrehzahl des gewünschten Ganges anpasst und einen niedrigen Motordrehzahlgradienten aufweist, womit ein komfortabler Übergang zwischen Segelbetrieb und Fahrbetrieb ermöglicht wird. Ein Motordrehzahlregler umfasst dabei in der Regel eine Proportional-Regeleinheit 3, eine Integral-Regeleinheit 2 und eine Vorsteuereinheit 5.
Der begrenzte Stellwert y ist in diesem Fall ein Motorsollmoment, die Sollgröße r ein Gradient der Motordrehzahl und die Vorsteuergröße w ist ein Sollgradient, mit dem die Motordrehzahl in die Synchrondrehzahl einlaufen soll. Der Sollgradient wird dabei mittels eines überlagerten Motordrehzahlreglers in Abhängigkeit des Verhältnisses von der Motordrehzahl zur Synchrondrehzahl variiert.
Das Stellwertminimum y_min ist das niedrigste Motormoment, welches der Motor bereitstellen kann. Das Stellwertmaximum y_max ist das Motormoment, welches augenblicklich in Abhängigkeit einer Fahrpedalstellung und der Motordrehzahl bereitgestellt werden kann.
Nach einer Fahrpedalbetätigung baut der Motor stetig das Motormoment auf. Der Ausgangswert y_v der Vorsteuereinheit 5 kann dabei so groß werden, dass die Summe der nicht-speicherenden Stellwertanteile über dem Stellwertmaximum y_max liegt, womit das vom Regler berechnete Motormoment größer als das maximal mögliche Motormoment ist und sich somit die Regelung im Übersteuerungsbereich befindet.
Die klassische Anti-Wind-Up-Struktur war für die Freilaufbegrenzung nicht ausreichend, da die verzögernde Reaktion der Integral-Regeleinheit 2 den gewünschten hochdynamischen Übergang von Motordrehzahl im Segelbetrieb in die Synchrondrehzahl behinderte.
Es ist weiterhin vorstellbar, die verbesserte Anti-Wind-Up-Struktur 8 zur Temperaturregelung von Kühlöl eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Ein Temperaturregler umfasst dabei in der Regel eine Proportional-Regeleinheit 3 und eine Integral-Regeleinheit 2.
Eine Vorsteuergröße w des Temperaturreglers ist eine Temperatur, die sich aus einem Kennfeld der Temperatur des Kühlöls und einer Kühlwassertemperatur ergibt.
Der begrenzte Stellwert y ist ein Sollvolumenstrom, der über eine Kennlinie in einen Sollstrom umgerechnet wird. Damit wird ein Stellventil angesteuert, welches einen Kühlölvolumenstrom einstellt.
Die Sollgröße r ist die Temperatur des Kühlöls, welches eine Kupplung, die gekühlt werden soll, wieder verlässt. Die zu kühlende Kupplung stellt also die Regelstrecke dar.
Die obere Stellwertbeschränkung y_max und die untere Stellwertbeschränkung y_min ergibt sich aus den physikalisch möglichen minimalen und maximalen Kühlölvolumenströmen.
Die klassische Anti-Wind-Up-Struktur 1 erzeugte den vorhergehend beschriebenen sägezahnförmigen Verlauf des Kühlölvolumens an den physikalisch möglichen minimalen und maximalen Kühlölvolumenströmen, der mit der verbesserten Anti-Wind-Up-Struktur 8 vermieden wird.

Claims

Verfahren zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts (y') aus mindestens einem Ausgangswert (y_i) einer Integral-Regeleinheit (2) und mindestens einem weiteren Ausgangswert (y'''), wobei der Ausgangswert (y_i) der Integral-Regeleinheit (2) über eine Berechnungsvorschrift aus einem Regelabweichungswert (e) und einem Anti-Wind-Up-Wert (AWW) berechnet wird, wobei der Anti-Wind-Up-Wert (AWW) über eine Anti-Wind-Up-Berechnungsvorschrift aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW1) und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW2) berechnet wird, wobei der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2) auf ein Teilwertmaximum (AWW2_max) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) über einer ersten Teilwertschwelle liegt, und/oder auf ein Teilwertminimum (AWW2_min) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt, wobei der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) aus dem Ausgangswert (y_i) der Integral-Regeleinheit (2) und einem begrenzten Ausgangswert (y'') berechnet wird, wobei der begrenzte Ausgangswert (y'') auf ein Ausgangswertmaximum (y''_max) gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert (y'') über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, und/oder auf ein Ausgangswertminimum (y''_min) gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert (y''') unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Ausgangswert (y''') aus mindestens einem Ausgangswert der Gruppe Ausgangswert (y_p) einer Proportional-Regeleinheit (2), Ausgangswert (y_d) einer Differential-Regeleinheit (3), Ausgangswert (y_v) einer Vorsteuereinheit (4) und Ausgangswert (y_Offset) einer Offset-Steuereinheit (5) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilwertminimum (AWW2_min) und/oder das Ausgangswertminimum (y''_min) und/oder das Teilwertmaximum (AWW2_max) und/oder das Ausgangswertmaximum (y''_max) einstellbar sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilwertmaximum (AWW2_max) und das Ausgangswertmaximum (y''_max) und/oder das Teilwertminimum (AWW2_min) und das Ausgangswertminimum (y''_min) gleich sind oder gleich eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein begrenzter Stellwert (y) aus dem resultierenden Stellwert (y') berechnet wird, wobei der begrenzte Stellwert (y) auf ein Stellwertmaximum (y_max) gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert (y') über einer ersten Stellwertschwelle liegt, und/oder auf ein Stellwertminimum (y_min) gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert (y') unter einer zweiten Stellwertschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellwertmaximum (y_max) und/oder das Stellwertminimum (y_min) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilwertmaximum (AWW2_max) und das Stellwertmaximum (y_max) oder das Stellwertmaximum (y_max) und das Ausgangswertmaximum (y''_max) oder das Teilwertmaximum (AWW2_max) und das Ausgangswertmaximum (y''_max) und das Stellwertmaximum (y_max) und/oder das Teilwertminimum (AWW2_min) und das Stellwertminimum (y_min) oder das Stellwertminimum (y_min) und das Ausgangswertminimum (y''_min) oder das Teilwertminimum (AWW2_min) und das Ausgangswertminimum (y''_min) und das Stellwertminimum (y_min) gleich sind.
Vorrichtung zur Berechnung eines resultierenden Stellwerts (y') umfassend mindestens eine Integral-Regeleinheit (2), mindestens eine weitere Regel- oder Steuereinheit, mindestens eine Anti-Wind-Up-Berechnungseinheit (6), mindestens eine Teilwertbeschränkungseinheit (7') und mindestens eine Ausgangswertbeschränkungseinheit (9), wobei der resultierende Stellwert (y') aus mindestens einem Ausgangswert (y_i) der Integral-Regeleinheit (2) und mindestens einem weiteren Ausgangswert (y''') der weiteren Regel- oder Steuereinheit berechnet wird, wobei der Ausgangswert (y_l) der Integral-Regeleinheit (2) über eine Berechnungsvorschrift aus einem Regelabweichungswert (e) und einem Anti-Wind-Up-Wert (AWW) berechnet wird, wobei der Anti-Wind-Up-Wert (AWW) von der Anti-Wind-Up-Berechnungseinheit (6) aus der Differenz eines ersten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW1) und eines zweiten Anti-Wind-Up-Teilwerts (AWW2) berechnet wird, wobei der zweite Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW2) von der Teilwertbeschränkungseinheit (7') auf ein Teilwertmaximum (AWW2_max) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) über einer ersten Teilwertschwelle liegt, und/oder von der Teilwertbeschränkungseinheit (7') auf ein Teilwertminimum (AWW2_min) gesetzt wird, wenn der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) unter einer zweiten Teilwertschwelle liegt, wobei der erste Anti-Wind-Up-Teilwert (AWW1) aus dem Ausgangswert (y_l) der Integral-Regeleinheit (2) und einem begrenzten Ausgangswert (y'') berechnet wird, wobei der begrenzte Ausgangswert (y'') von der Ausgangswertbeschränkungseinheit (9) auf ein Ausgangswertmaximum (y''_max) gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert (y''') über einer ersten Ausgangswertschwelle liegt, und/oder von der Ausgangswertbeschränkungseinheit (9) auf ein Ausgangswertminimum (y''_min) gesetzt wird, wenn der weitere Ausgangswert (y''') unter einer zweiten Ausgangswertschwelle liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Einheit der Gruppe Proportional-Regeleinheit (3), Differenzial-Regeleinheit (4), Vorsteuereinheit (5) und Offset-Steuereinheit umfasst, wobei der weitere Ausgangswert (y''') aus mindestens einem Ausgangswert der Gruppe Ausgangswert (y_P) der Proportional-Regeleinheit (3), Ausgangswert (y_d) der Differential-Regeleinheit (4), Ausgangswert (y_V) der Vorsteuereinheit (5) und Ausgangswert (y_Offset) der Offset-Steuereinheit berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilwertminimum (AWW2_min) und/oder das Teilwertmaximum (AWW2_max) über die Teilwertbeschränkungseinheit (7') und/oder das Ausgangswertminimum (y''_min) und/oder das Ausgangswertmaximum (y''_max) über die Ausgangswertbeschränkungseinheit (9) einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stellwertbeschränkungseinheit (7) einen begrenzten Stellwert (y) aus dem resultierenden Stellwert (y') berechnet, wobei der begrenzte Stellwert (y) von der Stellwertbeschränkungseinheit (7) auf ein Stellwertmaximum (y_max) gesetzt wird, wenn der resultierenden Stellwert (y') über einer ersten Stellwertschwelle liegt, und/oder von der Stellwertbeschränkungseinheit (7) auf ein Stellwertminimum (y_min) gesetzt wird, wenn der resultierende Stellwert (y') unter einer zweiten Stellwertschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellwertmaximum (y_max) und/oder das Stellwertminimum (y_min) über die Stellwertbeschränkungseinheit (7) einstellbar ist.