DE102010020148A1

DE102010020148A1 - Verfahren und Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102010020148A1
Application number: DE102010020148A
Authority: DE
Inventors: Jonas Müller; Thomas Dr. Christ; Axel Dr. Pöltenstein; Jochen Hönle; Felix Lins
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: DE102010020148B4; US8185281B2; US20100332070A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi aufweist, bereitgestellt. Ein erster Regler ist bereitgestellt zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs. Zumindest ein zweiter Regler ist bereitgestellt zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs. Der erste Regler und der zumindest eine zweite Regler sind in einem gemeinsamen Regler kombiniert, wobei der gemeinsame Regler einen Zustandsbeobachter und eine Anzahl an Steuerentitäten umfasst. Der gemeinsame Regler wird mit einem Satz an formalen Steuerparametern, die den Steuerentitäten zugeordnet sind, betrieben. Tatsächliche Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern werden entsprechend eines aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi umgeschaltet.

Description

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi aufweist.
Verschiedene Funktionen eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs werden durch unterschiedliche Softwaremodule verkörpert. In modernen Fahrzeugen gibt es z. B. Softwaremodule zum Steuern einer Drehzahl eines Verbrennungsmotors, ein Modul zum Steuern einer aktiven Dämpfung des Antriebsstrangs, ein Modul zum Steuern des Starts und Stopps des Verbrennungsmotors und ein Modul zum Steuern einer Kupplung des Antriebsstrangs. Kombinationen dieser Softwaremodule führen zu einem funktionalen Risiko, das abgesichert werden muss, da die Softwaremodule komplexe und manchmal unbekannte Wechselwirkungen miteinander haben. Ein Nachteil der Wechselwirkung der verschiedenen Softwaremodule ist die Verlangsamung des Prozesses der Entwicklung des Antriebsstrangs, da Modifikationen an einem Softwaremodul die Funktion eines anderen Softwaremoduls beeinflussen können. Darüber hinaus nimmt mit der zunehmenden Komplexität der Softwaremodule eines Antriebsstrangs und der zunehmenden Anzahl an Modulen der Einblick in das Gesamtsystem ab. Im Ergebnis kann das Fehlverhalten des gesamten Systems nicht auf einen speziellen Teil des Systems reduziert werden.
Da es darüber hinaus keine Kommunikation zwischen den unterschiedlichen Softwaremodulen des Antriebsstrangs (manchmal als System bezeichnet) gibt, können manche dieser Module redundante Informationen zum Bereitstellen der gleichen Funktionalität benötigen. Aufgrund des Vorhandenseins vieler nicht-linearer Kennlinien, ist eine Stabilitätsanalyse des gesamten Antriebsstrangs schwierig zu erzielen. Obwohl es möglich ist, Teile des Gesamtsystems zu linearisieren, bedeutet dies intensive Arbeit und ist für den Nachweis der Stabilität nicht zwingend hinreichend.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs anzugeben, um die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden und abzuschwächen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines ersten Reglers zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs; Bereitstellen zumindest eines zweiten Reglers zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs; Kombination des ersten Reglers und des zumindest einen zweiten Reglers in einem gemeinsamen Regler, der einen Zustandsbeobachter und eine Anzahl an Steuerentitäten aufweist, wobei der gemeinsame Regler durch einen Satz an formalen Steuerparametern, welche den Steuerentitäten zugeordnet sind, betrieben wird; und Umschalten tatsächlicher Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern entsprechend eines aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi.
Entsprechend eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi umfasst, bereitgestellt. Die Steuereinheit umfasst einen ersten Regler zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs; zumindest einen zweiten Regler zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs; und einen gemeinsamen Regler, der den ersten Regler und den zumindest einen zweiten Regler kombiniert, wobei der gemeinsame Regler einen Zustandsbeobachter und eine Anzahl an Steuerentitäten umfasst und mit einem Satz an formalen Steuerparametern, die den Steuerentitäten zugewiesen sind, betrieben wird. Der gemeinsame Controller ist dazu ausgebildet, tatsächliche Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern entsprechend des aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi umzuschalten.
Andere Aufgaben, Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung sowie die Verfahren zum Betrieb und die Funktion der in Beziehung stehenden Elemente der Struktur und der Kombination von Teilen wird sich deutlicher zeigen bei Betrachtung der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und anhängenden Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, welche alle einen Teil dieser Beschreibung bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen, in welchen:
1 ein schematisches Schaltbild eines gemeinsamen Reglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
2 ein Diagramm ist, das eine Simulation zum Bestimmen der Performance des Reglers zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Bezug nehmend auf 1 umfasst der Regler CON einen Zustandsbeobachter SO und eine Anzahl an Steuerentitäten M_i und K_i. Der Regler CON ist mit einem gesteuerten System CS verbunden. Das gesteuerte System CS repräsentiert einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebmodi aufweist. Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor sein. Der gemeinsame Regler CON kombiniert die Funktionalität eines ersten Reglers zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs und zumindest eines zweiten Reglers zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs. Der erste Regler kann den Start- und Stoppvorgang des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs steuern. Der zumindest eine zweite Regler kann eine aktive Dämpfung des Antriebsstrangs, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors und eine Kupplung des Antriebsstrangs steuern.
An einem Ausgang des gesteuerten Systems CS wird eine Anzahl an gemessenen Variablen y des gesteuerten Systems CS einem ersten Eingang des Zustandsbeobachters SO zugeführt. Eine Anzahl an Steuervariablen u wird dem gesteuerten System CS und einem zweiten Eingang des Zustandsbeobachters SO zugeführt. Vergleichbar in einem realen System beeinflusst eine Störvariable d das Verhalten des gesteuerten Systems CS und wird daher dem Zustandsbeobachter SO ebenfalls zugeführt. Das gesteuerte System kann beispielsweise als ein Multi Input Multi Output (MIMO)-System realisiert werden.
An einem Referenzeingang RI des Reglers CON wird ein Referenzsignal r mit der Hilfe eines ersten Hauptsteuerparameters M_i der ersten Steuerentität M gefiltert. Das gefilterte Referenzsignal r wird durch ein Element V1 mit einer Systemstatusvariablen x ^ verglichen, welche durch den Zustandsbeobachter SO ausgegeben und durch einen zweiten Hauptsteuerparameter K_i der zweiten Steuerentität K verstärkt wird. Als Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Steuerfehler mit einem Störparameter N_i einer Störentität N beaufschlagt, welcher die Störvariable d repräsentiert. Der Störparameter N_i umfasst unter anderem ein Kolbenmoment des Verbrennungsmotors während seines Startvorganges. Der Ausgang des Elements V2 korrespondiert mit einer Steuervariablen u, welche dem gesteuerten System CS und dem Zustandsbeobachter SO zugeführt ist.
Der gemeinsame Regler CON, der in 1 dargestellt ist, ist durch die folgenden Systemgleichungen definiert:
worin x, x ^, u, y und d Variablen wie oben beschrieben sind und worin A eine Systemmatrix repräsentiert, B eine Eingangsmatrix repräsentiert, C eine Ausgangsmatrix, die sich auf gemessene Signale des Systems CS bezieht, repräsentiert, K eine Zustands-Rückgabe-Matrix (state return matrix) repräsentiert, M eine Filtermatrix repräsentiert und N eine Störverstärkungsmatrix (disturbance gain matrix) repräsentiert.
Das gesteuerte System CS der 1 ist durch die folgenden Gleichungen beschrieben:
Das Steuergesetz ist definiert durch: uk = Mirk – Kix ^k + Nidk (2).

Das Subskript i charakterisiert einen aktuellen Betriebsmodus des Fahrzeugs bzw. des Antriebsstrangs. Als ein erster Betriebsmodus ist ein Vorgang des Startens oder Stoppens des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs definiert. Als ein zweiter Betriebsmodus ist das Fahren in einem einer Anzahl an Gängen definiert. Der erste Betriebsmodus ist durch das Subskript „0” bezeichnet. Der zweite Betriebsmodus ist bezeichnet durch ein Subskript 1, 2, 3, ..., entsprechend des verwendeten Ganges. Entsprechend des Verfahrens werden tatsächliche Parameter eines Satzes an formalen Steuerparametern, hauptsächlich K_i, M_i, N_i, zum Betrieb des gemeinsamen Reglers entsprechend des aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi geschaltet. Das Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebsmodi umfasst daher das Umschalten tatsächlicher Parameter der formalen Steuerparameter K_i, M_i und N_i. Die unten stehende Tabelle zeigt eine Übersicht über die Konfiguration des Reglers:

Modus	Regler			Zustandsbeobachter
Modus	K_i	M_i	N_i	A_i	B_i	C_i	L_i
0	(C₀B₀)^–1C₀A₀	0	–(C₀B₀)^–1C₀E₀	A₁	B₁	C₁	L₁
1	K₁	M₁	0	A₁	B₁	C₁	L₁
2	K₂	M₂	0	A₂	B₂	C₂	L₂
3	...			...

In dieser Tabelle repräsentieren A₀, B₀, C₀ und E₀ Matrizen des Zustandsbeobachters SO des gemeinsamen Reglers CON. In dem Fall, dass einer der Hauptsteuerparameter K_i, M_i und der Störparameter N_i zu einem tatsächlichen Parameter „0” korrespondiert, ist dies als Spaltenvektor mit dazugehörigen Dimensionen zu interpretieren. Es ist zu beachten, dass die Dimension von C immer in einer solchen Weise gewählt werden kann, dass CB invertierbar bleibt.
Im Folgenden werden die gegenwärtigen Parameter des ersten und zweiten Hauptparameters und des Störparameters hergeleitet. Während des Starts des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs gibt es eine Anforderung für Geschwindigkeits- und Moment-Neutralität. Diese Neutralität kann erzeugt werden durch die Wahl des Zustands korrespondierend zu C₀x_k = r∀k. Daher ist die folgende Bedingung gültig:
Eine Störung durch die Störvariable d_k würde dazu führen, dass x S verlässt. Durch eine geeignete Wahl von u_k kann eine Kompensation derart gemacht werden, dass x_k+1 in S verbleibt. Daher ist die folgende Gleichung entsprechend der Gleichung (1) gültig: C0(A0xk + B0uk + E0dk) = r C0B0uk = r – C0A0xk – C0E0dk uk = (C0B0)–1r – (C0B0)–1C0A0xk – (C0B0)–1C0E0dk.
In Übereinstimmung mit Gleichung (2) können M₀, K₀ und N₀ bestimmt werden: M0 = (C0B0)–1 K0 = (C0B0)–1C0A0 N0 = –(C0B0)–1C0E0.
Als Ergebnis ist die Dämpfung eines Impulses während des Startvorganges des Verbrennungsmotors ein spezifischer Fall eines bereits existierenden Reglers. Es ist zu beachten, dass für statisch bestimmte Systeme
ist und daher u durch die Gleichungen (1) und (2) nur dann bestimmt werden kann, wenn
gilt. Für Systeme, die statisch überbestimmt sind, kann C₀ durch Gleichungen der Deformationsanalyse zur Bestimmung von u erweitert werden.
Die Performance des gemeinsamen Reglers kann mit der Hilfe einer Impulsstörung bestimmt werden. 2 zeigt eine Simulation zum Bestimmen der Qualität des gemeinsamen Reglers. Das Diagramm zeigt die Geschwindigkeit W und das Moment T des Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs über die Zeit. Mit n₁ und n₂ ist die Geschwindigkeit der zwei Elektromotoren 1 und 2 eines Hybridfahrzeugs bezeichnet. n_CE illustriert die Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors. Bei t = 1 Sekunde ist ein Störimpuls von 100 Nm vorgesehen. Wie dem Diagramm entnommen werden kann, wird die Veränderung der Geschwindigkeit n_CE des Verbrennungsmotors sehr schnell zu ihrem Zielzustand gesteuert. Die Steuerung wird durch Variation der Geschwindigkeit n₂ des zweiten Elektromotors ausgeführt.
Das Verfahren und die Steuereinheit integrieren einen Mechanismus zum Dämpfen eines Impulses während des Startvorganges des Verbrennungsmotors wie auch die Steuerung seiner Geschwindigkeit und die Steuerung einer Kupplung in der existierenden Reglerstruktur. Daher können Synergieeffekte mit Hilfe eines gemeinsamen Reglers im Hinblick auf die Schätzung und die Handhabung der Zustandsvariablen des Antriebsstrangs des Fahrzeugs erreicht werden.
Ein Vorteil ist, dass die Steuerung der Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors in nur einem Modul erfolgt. Daher können Interaktionen zwischen unterschiedlichen Modulen vermieden werden.
Weiterhin ist es möglich, das System zu linearisieren und daher eine theoretische Stabilitätsanalyse des Gesamtsystems ohne weiteren Aufwand durchzuführen. Es ist möglich, Stabilitätskriterien für lineare Systeme wie Nyquist, Bode, Root-Locus, etc. zu verwenden.
Die reduzierte Komplexität der Regler erlaubt die Freigabe von Hardwareressourcen wie Rechenzeit und Speicher. In gegenwärtigen Systemen werden diese Ressourcen für unterschiedliche Regler benötigt.
Schließlich können redundante Eingaben automatisch in dem gemeinsamen Regler von den Systemgleichungen errechnet werden. Daher können Applikationsbemühungen und potentielle Fehler reduziert werden.
Die vorangegangene Beschreibung wurde lediglich zur Beschreibung der Erfindung dargelegt und ist nicht als einschränkend zu betrachten. Da Änderungen der beschriebenen Ausführungsform, welche den Gedanken und das Wesentliche der Erfindung integrieren, einem Fachmann einfallen können, sollte die Erfindung so ausgelegt werden, dass sie alles innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche und Äquivalente davon einschließt.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines ersten Reglers zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs; – Bereitstellen zumindest eines zweiten Reglers zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs; – Kombination des ersten Reglers und des zumindest einen zweiten Reglers in einem gemeinsamen Regler, der einen Zustandsbeobachter und eine Anzahl an Steuerentitäten aufweist, wobei der gemeinsame Regler durch einen Satz an formalen Steuerparametern, welche den Steuerentitäten zugeordnet ist, betrieben wird; und – Umschalten tatsächlicher Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern entsprechend eines aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzahl an Betriebsmodi als einen ersten Betriebsmodus den Vorgang des Startens oder Stoppens eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und als einen zweiten Betriebsmodus das Fahren in einem einer Anzahl an Gängen aufweist, wobei tatsächliche Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern des ersten Betriebsmodus unterschiedlich gesetzt werden zu den tatsächlichen Parametern des Satzes an formalen Steuerparametern des zweiten Betriebsmodus.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Satz an formalen Parametern einen ersten Hauptsteuerparameter, einen zweiten Hauptsteuerparameter und einen Störparameter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der tatsächliche Parameter des ersten Hauptsteuerparameters während des ersten Betriebsmodus korrespondiert zu (C₀B₀)^–1C₀A₀, wobei A₀, B₀ und C₀ Matrizen des Zustandsbeobachters des gemeinsamen Reglers sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der tatsächliche Parameter des zweiten Hauptsteuerparameters während des ersten Betriebsmodus 0 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der tatsächliche Parameter des Störparameters während des ersten Betriebsmodus –(C₀B₀)^–1C₀E₀ entspricht, wobei B₀, C₀ und E₀ Matrizen des Zustandsbeobachters des gemeinsamen Reglers sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Regler den Start und Stopp des Verbrennungsmotors steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Regler eine aktive Dämpfung des Antriebsstrangs steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Regler eine Drehzahl des Verbrennungsmotors steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Regler eine Kupplung des Antriebsstrangs steuert.
Steuereinheit zum Steuern eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl an Betriebsmodi aufweist, umfassend: – einen ersten Regler zum Steuern einer ersten Funktion des Fahrzeugs; – zumindest einen zweiten Regler zum Steuern einer zweiten Funktion des Fahrzeugs; und – einen gemeinsamen Regler, der den ersten Regler und den zumindest einen zweiten Regler kombiniert, wobei der gemeinsame Regler einen Zustandsbeobachter und eine Anzahl an Steuerentitäten umfasst und durch einen Satz an formalen Steuerparametern, die den Steuerentitäten zugewiesen sind, betrieben wird, wobei der gemeinsame Regler dazu ausgebildet ist, einen tatsächlichen Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern entsprechend des aktuellen Modus der Anzahl an Betriebsmodi umzuschalten.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei diese dazu ausgebildet ist, eine Anzahl an Betriebsmodi bereitzustellen, wobei die Anzahl an Modi als einen ersten Betriebs modus den Vorgang des Startens oder Stoppens eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und als einen zweiten Betriebsmodus das Fahren in einem einer Anzahl an Gängen umfasst, wobei die tatsächlichen Parameter des Satzes an formalen Steuerparametern des ersten Betriebsmodus unterschiedlich von den tatsächlichen gegenwärtigen Parametern des Satzes an formalen Steuerparametern des zweiten Betriebsmodus sind.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei der Satz an formalen Parametern einen ersten Hauptsteuerparameter, einen zweiten Hauptsteuerparameter und einen Störparameter umfasst.
Steuereinheit nach Anspruch 13, wobei der tatsächliche Parameter des ersten Hauptsteuerparameters während des ersten Betriebsmodus (C₀B₀)^–1C₀A₀ entspricht, wobei A₀, B₀ und C₀ Matrizen eines Zustandsbeobachters des gemeinsamen Reglers sind.
Steuereinheit nach Anspruch 13, wobei der tatsächliche Parameter des zweiten Hauptsteuerparameters während des ersten Betriebsmodus 0 entspricht.
Steuereinheit nach Anspruch 13, wobei der tatsächliche Parameter des Störparameters während des ersten Betriebsmodus –(C₀B₀)^–1C₀E₀ entspricht, wobei B₀, C₀ und E₀ Matrizen des Zustandsbeobachters des gemeinsamen Reglers sind.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei der erste Regler dazu ausgebildet ist, den Start und Stopp des Verbrennungsmotors zu steuern.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei der zweite Regler dazu ausgebildet ist, eine aktive Dämpfung des Antriebsstrangs zu steuern.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei der zweite Regler dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors zu steuern.
Steuereinheit nach Anspruch 11, wobei der zweite Regler dazu ausgebildet ist, eine Kupplung des Antriebsstrangs zu steuern.