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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Funktionsparametern eines Steuergeräts und ein solches Steuergerät sowie ein Verfahren zum Berechnen eines Modells optimaler Parameter.
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Stand der Technik
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Zur Steuerung von Einspritzsystemen für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden Steuergeräte eingesetzt. Bei diesen ist vorgesehen, Steuergerätefunktionen nach Anforderungen, bspw. Zielgrößen und/oder Bewertungskriterien, des Herstellers und des Endkunden über Funktionsparameter auszulegen. Zielgrößen beziehen sich dabei auf ein erwünschtes Verhalten des Kraftfahrzeugs, bspw. hinsichtlich des Fahrkomforts und der Dynamik. Als Funktionsparameter hierfür dienen bspw. Zeitkonstanten, Verstärkungsfaktoren und Auslöseschwellen. Für das Verhalten hinsichtlich bspw. Emissionen, Leistung und Verbrauch dienen als Funktionsparameter der Einspritzdruck, der Raildruck, die Abgasrückführung und die Ventilstellung bzw. leiten sich daraus ab.
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Die Komplexität der Funktionen und somit auch die Anzahl der Funktionsparameter steigen mit zunehmenden Anforderungen an das Einspritzsystem. Gleichzeitig fordert aber der Kunde eine Vereinfachung der Strukturen, da eine komplexe Software-Struktur nur mit viel Expertenwissen zu handhaben und schwer zu applizieren ist.
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Die vorstehend genannten Funktionen für ein Steuergerät bieten die Möglichkeit, wenigstens einen Parametersatz über Konstanten, Kennlinien und Kennfelder mit festen Einstellungen zu bestimmen. Allerdings nimmt die Komplexität der Funktionen und somit auch die Anzahl der Kennfelder ständig zu. Funktionsspezialisten kennen günstigstenfalls den Einfluss eines jeden Parameters und können so die Funktionen den Anforderungen des Kunden entsprechend auslegen. Der Kunde erhält seinen gewünschten Kompromiss aus einer Vielzahl von optimalen, möglichen Kompromissen. Mögliche Abweichungen von den Anforderungen können durch Rekursionen ausgeglichen werden.
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Bei der Applikation eines Motorsteuergeräts werden die Parameter für die Steuergerätefunktionen nach Anforderungen des Kunden ermittelt. In vielen Bereichen bestehen bei der Applikation der Funktionen jedoch Zielkonflikte, für die ein Kompromiss ermittelt werden muss. Dabei wird eine Abstimmung des Systems ermittelt, die einen optimalen Kompromiss zwischen den konkurrierenden Zielgrößen darstellt, da die Ziele nicht gleichzeitig optimal erreicht werden können. Dabei muss der den Projektzielen am besten genügende Kompromiss gefunden werden. Die entsprechenden Funktionsparameter werden üblicherweise fest im Steuergerät eingestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Einstellen von Funktionsparametern gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät nach Anspruch 5 und ein Verfahren zum Berechnen eines Modells optimaler Parameter mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Durch den Einsatz eines Modells optimaler Parameter kann eine Vielzahl von Funktionsparametern, -kennlinien bzw. -kennfeldern auf ein oder wenige betriebspunktabhängige Gewichtungskennfelder reduziert werden. Betriebspunkte bzw. Betriebsgrößen sind bspw. der gewählte Gang, die Drehzahl und die Last. So kann selbst bei steigender Komplexität der Steuergerätfunktionen, die Komplexität für den Kunden oder den Anwender verringert werden. Die Applikation erfolgt als Vorgabe der Zielgrößen/-kriterien bzw. deren Gewichtungen. Somit muss der Anwender kein Funktionsspezialist sein, um die gewünschten Anforderungen an das System umsetzen zu können. Er muss die Funktionsparameter nicht einmal kennen.
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Der Einsatz des Modells optimaler Parameter mit mindestens einem Gewichtungskennfeld im Steuergerät schafft auch die Möglichkeit, verschiedene Einstellungen bzw. Setups oder Konfigurationen über verschieden ausgelegte und im Steuergerät abgelegte Gewichtungskennfelder umzusetzen, ohne die Basiskennfelder der Steuergerätefunktionen vervielfältigen zu müssen.
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So ist es bspw. möglich, einerseits ein sportliches und andererseits ein komfortables Fahrverhalten als Abstimmung zweier unterschiedlicher Gewichtungskennfelder zu hinterlegen. Daneben können Gewichtungskennfelder entweder für eine verbrauchsoptimale oder eine leistungsoptimale Auslegung hinterlegt sein.
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Denkbar ist auch eine direkte Regelung auf den Gewichtungsfaktoren des Modells optimaler Parameter. Werden Sollwerte von Zielgrößen und/oder Kriterien nicht erreicht, kann dies über eine Reglung kontinuierlich durch Verändern der Gewichtungen angepasst werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine Applikation durch direkte Vorgabe von objektiven Zielgrößen und/oder Kriterien an eine Funktion im Steuergerät. Hierbei wird berücksichtigt, dass sich durch stetige Zunahme der Komplexität von Softwarestrukturen die fachlichen Anforderungen und der Aufwand in der Applikation intern wie auch beim Kunden erhöhen.
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Über den Einsatz des Modells optimaler Parameter mit mindestens einem Gewichtungskennfeld im Steuergerät wird die Möglichkeit geschaffen, das Systemverhalten direkt über die Zielgrößen oder Bewertungskriterien bzw. über deren Gewichtungen zu verändern und vorzugeben. Für den Anwender kann dadurch eine Vielzahl von Funktionsparametern, Funktionskennlinien und/oder Kennfeldern auf ein oder wenige betriebspunktabhängige Gewichtungskennfelder reduziert werden.
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Mit der Erfindung ergibt sich typischerweise, dass eine Applikation über das Einstellen von Zielgrößen möglich ist. Die Konzentration dient einer Aufgabe bzw. Anforderung und nicht den Funktionsparametern. Für den Anwender kann somit die Komplexität reduziert werden. Zudem ist kein Funktionsspezialist zur Abstimmung von Funktionsparametern notwendig. Es kann ein systematisches Vorgehen mit objektiver Bewertung der Einstellungen erfolgen. Außerdem sind Rekursionen zur Anpassung der Anforderung weniger aufwendig.
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Die Erfindung ermöglicht weiterhin, ein System mit mehreren konkurrierenden Zielgrößen durch eine kontinuierliche Verschiebung der Gewichtungen von Zielgrößen zu regeln. Durch das Modell optimaler Parameter ergibt sich dabei, dass für das System immer optimale Funktionsparameter im Steuergerät zu Verfügung stehen. Um dieses Modell und das zu regelnde System kann in einer Ausführungsform der Erfindung ein Regelkreis geschlossen werden, der als mögliche Stellgröße das Verhalten des Systems bezüglich mehrerer konkurrierender Zielgrößen regelt. So kann ein komplexes, nichtlineares Mehrgrößensystem abhängig von der Betriebsweise auf Zielgrößen geregelt werden.
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Die Verschiebung der Gewichtung erfolgt dabei regelmäßig über eine Stellgröße. Über das Modell optimaler Parameter wird der Regelkreis geschlossen. Außerdem werden mit dem Modell optimaler Parameter typischerweise nur Funktionsparameter eingestellt, die eine optimale Lösung des vorliegenden Zielkompromisses darstellen.
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Durch die beschriebene Erfindung ist es möglich, die beim Stand der Technik fest eingestellten Funktionsparameter abhängig von äußeren Einflüssen, wie z. B. dem Fahrzustand, anzupassen. Damit kann das Verhalten des Systems über das Verändern von Steuerungs- und Regelparametern dem jeweiligen Fahrzustand oder dem Fahrzustandsverlauf angepasst werden.
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Durch das Modell optimaler Parameter kann ein komplexes System von Zielkompromissen optimal gesteuert und geregelt werden. Ein äußerer Regelkreis verändert dabei lediglich Gewichtungskriterien und verändert damit den Kompromiss zwischen unterschiedlichen Zielkriterien. Dies geschieht über das Modell optimaler Parameter, das unterschiedliche Parameter der Steuergeräte so verändert, dass das System immer optimal bezüglich der Zielkriterien betrieben werden kann. Dabei werden über das Modell optimaler Parameter bspw. Steuerungs- und Regelungsparameter der Motorsteuerungsfunktionen kontinuierlich während des Betriebs verstellt.
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In einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs kann in Ausgestaltung auf das Lastprofil reagiert werden und die Abstimmung der Motorsteuerung verändert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführung des Verfahrens zum Einstellen von Funktionsparametern.
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2 zeigt eine Regelung mit einem Modell optimaler Parameter und einem Regelkreis.
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3 zeigt eine Regelung mit einem Modell optimaler Parameter zur Motorsteuerung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 verdeutlicht die Vorgehensweise bei dem vorgestellten Verfahren zum Einstellen von Funktionsparametern. Dabei wird ein im Steuergerät verfügbares Modell optimaler Parameter P1 bis Pn mit Gewichtungskennfeldern für die Zielgrößen Z1 bis Zn und/oder Kriterien K1 bis Kn bereitgestellt.
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In einem ersten Schritt 10 werden vorab mit einem System bzw. einem Modell 12 über alle notwendigen Betriebspunkte BPn mit einem Optimierer 14 eine Mehrzieloptimierung auf allen notwendigen Zielgrößen und/oder Kriterien (Pfeile 16) mit den verfügbaren Funktionsparameter (Pfeile 18) durchgeführt.
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Die aus der Optimierung erhaltenen Ergebnisse beinhalten dann für jeden Betriebspunkt die optimierten Funktionsparameter für alle Kompromisse der Zielgrößen und/oder Kriterien (zweiter Schritt 20).
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Aus den durch die Optimierung erhaltenen Ergebnissen kann dann in einem dritten Schritt 30 ein betriebspunktabhängiges Modell optimaler Parameter 32 erstellt werden. Dies kann in Form von Kennfeldern, mehrdimensionaler Datenmodellen oder Listen optimaler Parameter erfolgen. Die Eingänge des Modells sind die Betriebspunkte und die Zielgrößen und/oder Kriterien oder deren Gewichtung und damit die Gewichtung der Zielgrößen/Kriterien GZ1/GK1 bis GZn/GKn (Pfeile 34) selbst und deren Ausgänge sind die dazu passenden optimalen Parameter P1opt bis Pnopt (Pfeile 36).
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Legt man dieses Modell optimaler Parameter 32 im Steuergerät ab, kann über ein betriebspunktabhängiges Kennfeld die gewünschte Gewichtung der Zielgrößen vorgegeben werden, die als Eingänge des Modells optimaler Parameter 32 die optimalen Parameter selbst in diesem Betriebspunkt ausgeben und dann in der Steuergeräte-Funktion verfügbar sind. Das Gewichtungskennfeld kann z. B. für jeden Betriebspunkt ein Feld bzw. einen Array der Gewichtungen aller Zielgrößen und/oder Kriterien enthalten, dann liegen ggf. ein bis zwei Betriebspunkt abhängige Gewichtungskennfelder 40 vor. Weiterhin kann ein Gewichtungskennfeld pro Zielgröße benutzt werden. Dann liegen n Betriebspunkt abhängige Funktionskennfelder 42 vor.
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Mehr als zwei Betriebspunkte können zu mehr als einem Gewichtungskennfeld der Funktion führen. Die Summe der Gewichtungen ergibt normiert 1.
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Durch das Modell sind alle optimalen Parameterkombinationen im Steuergerät hinterlegt. Um die Applikationsstrategie zu ändern, können die Gewichtungen der Zielgrößen angepasst werden. Dadurch ergeben sich optimale Funktionsparameter, ohne ggf. die Funktionsparameter zu kennen. Die Gewichtungen können z. B. auch über einen oder mehrere Schieberegler 44 als Mensch-Maschine-Schnittstelle kontinuierlich verändert und so die gewünschte Abstimmung eingestellt werden.
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Es ist weiter denkbar, durch mehrere Gewichtungskennfelder der Zielgrößen verschiedene Varianten zu erzeugen. Die Umschaltung zwischen den Abstimmungen bzw. Gewichtungskennfeldern kann durch einen Zustandsautomaten in der Steuergeräte-Software oder durch den Fahrer selbst (Drehknopf, Schieberegler, Menü im Display) durchgeführt werden.
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Mit dem Modell und dem Gewichtungskennfeld kann die Auslegung der Funktion vereinfacht werden, indem eine Vielzahl von Funktionsparameter, -kennlinien bzw. -kennfelder auf ein oder wenige Gewichtungskennfelder für den Anwender reduziert werden.
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Das Modell enthält alle optimalen Parameter aller Kompromisse der Zielgrößen und/oder Kriterien an allen notwendigen Betriebspunkten. Es ist ebenso möglich, die Funktionskennlinien/-kennfelder entfallen zu lassen.
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Alternativ kann das Modell optimaler Parameter mit Gewichtungskennfeld außerhalb der Steuergeräte-Software berechnet und über ein Werkzeug bzw. Tool mit einer Schnittstelle zum Steuergerät die Einstellungen so an den Versuchsträger übertragen werden. Die Ergebnisse der Abstimmung sind dann direkt im Steuergerät verfügbar oder müssen nach der Abstimmung über das Tool in das Steuergerät transferiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Steuergeräte-Software nicht verändert werden muss.
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Es ist aber zu beachten, dass ggf. verschiedene Setups oder Regelungen auf den Gewichtungen nicht umgesetzt werden können. Es muss ein zusätzliches Werkzeug für die Applikation und auch für den Kunden verfügbar sein. Dabei ist es nachträglich nicht messbar, ob die Abstimmung auf diesem Wege durchgeführt wurde oder nicht.
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In 2 sind unterschiedliche Möglichkeiten dargestellt, mit dem Modell optimaler Parameter und einem Regelkreis das System bezüglich mehrerer Zielgrößen zu regeln. In allen Fällen wird das Modell optimaler Parameter (MoP) und der Regler einer Steuergerätefunktion vorgelagert.
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Im ersten Fall 50 wird anhand von Messgrößen Z1ist bis Znist (Pfeile 52) ein Soll/Ist Vergleich (Block 54) mit Vorgaben Z1soll bis Znsoll (Pfeile 56) durchgeführt und die Regelabweichung e1 bis en (Pfeile 58) bestimmt. Dabei kann über den Soll/Ist-Vergleich 52 ein gewünschtes Verhalten des Systems vorgeben werden und über einen Regler 60 eingeregelt werden. Dabei ergibt sich eine Gewichtung G1 bis Gn (Pfeile 62), die in ein Modell optimaler Parameter 64 eingegeben werden, das wiederum einen Satz optimaler Parameter P1 bis Pn (Pfeile 66) ausgibt. Diese Parameter werden in Steuergerätefunktionen 68 eingegeben, so dass Signale S1 bis Sn (Pfeile 70) erzeugt werden, die in ein System 72 eingegeben werden. Das System gibt die Größen Z1ist bis Znist aus, die wiederum die Messgrößen (Pfeile 52) sind.
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In einem zweiten Fall wird der Soll/Ist-Vergleich 54 nicht direkt mit den Messgrößen durchgeführt, sondern es werden aus diesen Zielgrößen bzw. Kriterien berechnet (Block 102). Diese Zielgrößen müssen das Verhalten des Systems eindeutig beschreiben. Im zweiten Fall 100 können die Zielfunktionen nicht nur vom momentanen Wert der Messgrößen abhängen, sondern es kann auch die Betriebsweise und das Systemverhalten in der Vergangenheit berücksichtigt werden. Durch die Soll-Vorgabe kann über den Regler 60 und das Modell optimaler Parameter 64 das Systemverhalten auf den Sollwert der Zielfunktion geregelt werden.
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In einem dritten Fall 120 werden die Ausgangsgrößen des Systems 72 nicht gemessen, sondern diese über ein Modell 122 berechnet, um diese Größen zu bestimmen. Im dargestellten Fall wird das Modell 122 eingesetzt, das mit den Steuergeräteparametern und Systemeingangsgrößen das Systemverhalten abbildet und somit virtuelle Messwerte liefert.
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Ein Beispiel für den Einsatz eines Modells optimaler Parameter und einer Regelung ist die Regelung von Schadstoff- und Kohlendioxidemissionen. Mit der hier vorgestellten Kombination aus idealen Steuerungsparametern und einer Regelung der Kriteriengewichtung kann abhängig vom Fahrprofil die Bedatung der Steuergerätefunktionen zu weniger Schadstoffemissionen oder weniger Verbrauch geregelt werden. Wird das Fahrzeug bspw. mit einem Lastprofil betrieben, das günstig für geringe Emissionen ist, können die Steuergeräteparameter weiter in Richtung niedriger Verbrauch geregelt werden und umgekehrt. Diese Regelung bedingt, dass die konkurrierenden Zielen Verbrauch und Schadstoffemissionen entweder direkt gemessen oder über ein Modell im Steuergerät mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden können.
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Mit der Regelung der Gewichtung der Ziele und über das Modell optimaler Parameter ist es z. B. möglich, auf Grenzwerte für Emissionen zu regeln und Grenzen des Schadstoffausstoßes pro Kilometer nicht nur im Zertifizierungszyklus einzuhalten, sondern für jedes Fahrprofil und dabei gleichzeitig den minimal möglichen Verbrauch zu erreichen. Bisher wird das Einhalten der Abgasgrenzwerte nur im Zertifizierungszyklus überprüft und die Motorsteuerung darauf optimiert. Dies kann eventuell auch zu höherem Verbrauch in Betriebspunkten führen, in denen sehr wenige Schadstoffe ausgestoßen werden und somit das Einhalten der Grenzwerte problemlos wäre. Folglich kann über die hier beschriebene Regelung nicht nur das Einhalten der Abgasgrenzwerte sichergestellt werden, sondern auch der Fahrzeugverbrauch verringert werden.
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Der Ansatz kann auf viele weitere Funktionen im Motorsteuergerät übertragen werden. Zudem ist er in ähnlicher Weise auf Steuerungen und Regelungen in anderen Bereichen übertragbar. Das Verfahren bedingt die Integration eines Modells optimaler Parameter und der zugehörigen Regelung der Gewichtung ins Steuergerät. Das Verfahren kann als Erweiterung der Motorsteuergerätesoftware für beliebige Funktionen eingesetzt werden und außerhalb der Steuerung von Verbrennungskraftmaschine auch auf weitere Systeme übertragen werden.
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In 3 ist in schematischer Darstellung ein Steuergerät 200, in diesem Fall ein Motorsteuergerät, dargestellt, mit dem ein Motor 202 angesteuert wird. In dem Steuergerät 200 sind ein Gewichtungskennfeld 204, ein Modell optimaler Parameter 206 und Funktionen 208 vorgesehen. Weiterhin sind ein Modell für Rohemissionen 210, ein Modell für einen Katalysator 212 und ein Regler 214 vorgesehen.
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In dem Gewichtungskennfeld 204 wird die Gewichtung vorgegeben. Hieraus werden optimale Parameter aus dem Modell optimaler Parameter 206 ermittelt. Mit diesen Parametern geben die Funktionen 208 Signale für die Steuerung des Motors 202 vor.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, aufgrund von direkt am Motor 202 gemessenen Ausgangsgrößen eine Regelung vorzunehmen. Können diese Ausgangsgrößen nicht ohne weiteres ermittelt werden, besteht die Möglichkeit, die ermittelten optimalen Parameter bspw. in das Modell für Rohemissionen 210 und das Modell 212 für den Katalysator einzugeben und die gewünschten Ausgangsgrößen rechnerisch zu ermitteln. Die auf diese Weise ermittelten Größen sind dann Eingangsgrößen des Reglers 214, der insbesondere bei Überschreiten gewisser Schwellen auch einzelner Größen auf das Gewichtungskennfeld 204 einwirkt.
