DE102010046486A1 - Verfahren zur Vermeidung von Regelabweichungen beim Betrieb von Aktuatoren - Google Patents

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, möglichst schnell entscheiden zu können, ob der Integralanteil des Reglers eines Aktuators betrieben werden soll oder nicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Entscheidung, ob der Integralanteil gesperrt oder freigegeben wird, in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung der Sollwertvorgabe erfolgt. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Integralanteil dann freigegeben wird, wenn sich die zeitliche Änderung des Sollwertes unterhalb eines bestimmten Wertes bewegt. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird auf diese Weise bei einer sprunghaften Änderung der Sollwertvorgabe, ausgehend von einem Betriebspunkt, bei dem ein relativ großer Integralwert gebildet wurde, insbesondere infolge einer ursprünglichen Sollwertvorgabe, die zumindest zeitweise außerhalb des Stellbereiches des Aktuators gelegen hat, der Integralwert gesperrt, also bei der Bildung der Stellgröße zur Einstellung des nunmehr aktuellen Sollwertes zunächst nicht berücksichtigt, da bei der sprunghaften Änderung eben die zeitliche Änderung des vorgegebenen Sollwertes, beispielsweise einen bestimmten Wert überschritten hat.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Regelabweichungen beim Betrieb von Aktuatoren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
• Wie allgemein bekannt, können Winkelpositions-Sollwerte eines elektrohydraulischen Aktuators, zum Beispiel zur Drehwinkelverstellung der Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines PID-Reglers eingestellt werden. Hierbei wird mittels eines Schnellstartgeberrades ein Winkelpositions-Istwert ermittelt. Auf Grundlage eines Vergleiches von Winkelpositions-Ist- und Sollwert wird ein Stellsignal gebildet. Ein derartiges System kann eine gewisse Drift aufweisen, beispielsweise aufgrund einer sich ändernden Länge der Steuerkette der Verbrennungskraftmaschine, welche die Nockenwelle antreibt. Weiterhin kann ein vorübergehendes Verklemmen des Aktuators auftreten. Ebenfalls kann es in bestimmten Betriebsphasen einer Verbrennungskraftmaschine vorkommen, dass kein ausreichender Öldruck zur Ansteuerung des Aktuators bereitsteht. Infolgedessen kann der Fall eintreten, dass ein Winkelpositions-Sollwert vorgegeben wird, der sich außerhalb des gegenwärtig realisierbaren Stellbereiches des Aktuators befindet. Infolgedessen stellt sich eine bleibende Regelabweichung ein, so dass ein „Aufziehen” des Integralanteils des PID-Reglers erfolgt, sich also ein unrealistisch großer Integralanteil bildet. Erfolgt im weiteren Verlauf des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise eine sprunghafte Änderung des Winkelpositions-Sollwertes in die entgegengesetzte Richtung, führt dieser große Integralanteil wiederum zu einer großen Regelabweichung, die erst abgebaut werden muss, um den aktuellen Winkelpositions-Sollwert einzustellen, was sich wiederum nachteilig auf den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Um diesem Missstand entgegenzuwirken, ist es beispielsweise aus der DE10101678A1 vorbekannt, den Integralwert auf einen Minimal- und Maximalwert zu begrenzen und weiterhin den Integralwert mittels eines Filters über die Zeit zu mitteln, wobei wiederum der Minimal- und Maximalwert in Abhängigkeit von dem gemittelten Integralwert gebildet werden, wobei wenn die Einstellung eines Winkelpositions-Sollwertes aus den genannten Gründen nicht möglich ist, die Zeitkonstante des Filters auf einen höheren Wert gesetzt wird, so dass der Integralwert quasi festgehalten wird, bis die Einstellung des Winkelpositions-Sollwertes wieder möglich ist. Ob eine Einstellung eines Winkelpositions-Sollwertes möglich ist oder nicht, beziehungsweise ob eine Änderung der Zeitkonstante erfolgen soll, wird in einer Ausführung auf Grundlage eines Zusammenhanges zwischen Drehzahl- und Temperaturinformationen der Verbrennungskraftmaschine entschieden. In einer weiteren Ausführung ist es weiterhin vorgesehen, den Integrator und den Filter in bestimmten Betriebsphasen zu sperren, wobei dieses Sperren in Abhängigkeit von der Größe der Regelabweichung erfolgt, wobei nur, wenn die Regelabweichung unter einem bestimmten Wert liegt, der Integralwert berechnet wird. Nachteilig bei dem letztgenannten Verfahren ist, dass eine zu große Regelabweichung erst auftreten und erkannt werden muss, um dann im weiteren Verlauf eine Sperrung der Bildung des Integralwertes beziehungsweise ein Festhalten des Integralwertes auszulösen, so dass zumindest übergangsweise die Verbrennungskraftmaschine nicht optimal betrieben wird. Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, möglichst schnell entscheiden zu können, ob der Integralanteil des Reglers betrieben werden soll oder nicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Entscheidung, ob der Integralanteil gesperrt oder freigegeben wird, in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung der Sollwertvorgabe erfolgt. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Integralanteil dann freigegeben wird beziehungsweise in die Bildung einer Stellgröße einfließt, wenn sich die zeitliche Änderung des Sollwertes unterhalb eines bestimmten Wertes bewegt. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird auf diese Weise bei einer sprunghaften Änderung der Sollwertvorgabe, ausgehend von einem Betriebspunkt, bei dem ein relativ großer Integralwert gebildet wurde, insbesondere infolge einer ursprünglichen Sollwertvorgabe, die zumindest zeitweise außerhalb des Stellbereiches des Aktuators gelegen hat, der integralwert gesperrt, also bei der Bildung der Stellgröße zur Einstellung des nunmehr aktuellen Sollwertes zunächst nicht berücksichtigt, da bei der sprunghaften Änderung eben die zeitliche Änderung des vorgegebenen Sollwertes, beispielsweise einen bestimmten Wert überschritten hat. Erfindungsgemäß muss dann in dem neuen Betriebspunkt beziehungsweise zur Einstellung des neuen Sollwertes der zu große Integralwert nicht erst abgebaut werden, infolgedessen wenig Regelabweichungen auftreten und beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine unmittelbar optimal betrieben wird. Weiterhin entfällt gegenüber dem Stand der Technik eine Betrachtung der Regelabweichung, so dass der jeweils zu Grunde liegende Prozess, beispielsweise der Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, stets optimal geführt wird. Erfindungsgemäß wird dadurch, dass die Entscheidung über die Nutzung des Integralanteils in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung des vorgegebenen Sollwertes erfolgt, praktisch nur dann der Integralanteil aktiviert beziehungsweise verwendet, wenn sich die Sollwertvorgabe nur langsam ändert, beispielsweise in Betriebspunkten, die über einen längeren Zeitraum gehalten werden, etwa beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem stationären Betriebspunkt. Erfindungsgemäß wird der Integralanteil mit einem Wert bei der Aktivierung initialisiert, der mittels eines Adaptionsverfahrens gebildet wird. Insbesondere wird der letzte Adaptionswert, der in einer Phase des Reglerbetriebes mit Integralanteil gebildet wurde, zur Initialisierung der nächsten Phase des Regelbetriebes mit Integralanteil verwendet. Insbesondere wird der Initialwert für den Integralanteil beziehungsweise den Integrator nur in Bereichen gebildet, in denen keine ständige Regelabweichung vorhanden ist, was beispielsweise dadurch erfolgt, dass der Initialwert nur dann angelernt wird, wenn der Wert des Integralanteils sich um einen stationären Wert bewegt. Insbesondere erfolgt erfindungsgemäß ein Vergleich des aktuellen Integratorwertes mit einem tiefpassgefilterten Integralwert, wobei wenn die aus diesen Größen bestimmten Verläufe sich schneiden, also die Differenz dieser beiden Werte einen Nulldurchgang hat, der Integralanteil als neuer Initialwert angelernt wird. Erfindungsgemäß wird auf diese Weise sichergestellt, dass nach einer Sollwertvorgabe, die außerhalb des Stellbereiches der jeweiligen Stelleinrichtung liegt, bei einem sprungförmigen Zurückfahren in den Stellbereich, beim Initialisieren des Integrators, der letzte gültige Initialwert verwendet wird und keine Initialisierung mit dem „aufgezogenen” Integratorwert erfolgt. Auch wenn der oben genannte Vorteil geringer ausfällt, ist es in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, die Entscheidung, ob der Integralanteil verwendet werden soll oder nicht, sowohl in Abhängigkeit des Gradienten des Sollwertes, als auch in Abhängigkeit der Regelabweichung zu treffen. Integralwert, Integralanteil und Integratorwert werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym verwendet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachfolgend beispielhaft dargestellten Ausführungen und werden gemeinsam mit deren vorteilhaften Wirkungen erläutert.
• Hierbei zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• So genannte stellwegbegrenzte Aktuatoren werden in vielen Bereichen der Technik verwendet. Beispielsweise umfassen Verbrennungskraftmaschinen hydraulische Stellantriebe zur Verstellung der Winkelposition der Nockenwellen, das heißt, es handelt sich hier um typische stellwegbegrenzte Aktuatoren. Derartige Systeme weisen bezüglich der Winkelposition eine hohe Drift auf, beispielsweise durch eine Änderung der Länge der Steuerkette, über welche die Nockenwellen angetrieben werden. Zur Einstellung einer bestimmten Drehwinkelposition kann, wie in 1 gezeigt, ein Winkelpositions-Sollwert WPSW vorgegeben werden, der beispielsweise in Abhängigkeit der Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine in einem Kennfeld abgespeichert ist, wie allgemein bekannt. Wie weiterhin bekannt, wird ein Winkelpositions-Istwert WPIW, der beispielsweise durch die Abtastung eines Geberrades ermittelt wird, mit dem Winkelpositions-Sollwert WPSW verglichen und es wird eine Winkelpositionsabweichung WPAW bestimmt, die, wie weiterhin bekannt, der Bildung eines P-, I- und D-Anteils eines Reglers zu Grunde gelegt wird. Diese Anteile dienen wiederum der Bildung eines Winkelpositions-Stellsignals WPSS, das einer Ansteuerung eines 4/2-Wegeventils zur Ansteuerung des hydraulischen Aktuators beziehungsweise dem zu beeinflussenden Prozess BP zugeführt wird. Durch die genannte Drift oder durch ein zeitweises Verklemmen des Aktuators kann es vorkommen, dass beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein Winkelpositions-Sollwert WPSW vorgegeben wird, der sich außerhalb des aktuell erreichbaren Aktuatorstellbereiches befindet, so dass es zu einem Aufziehen des Integralanteils I kommt. Angenommen, es erfolgt nun eine sprunghafte Änderung des Winkelpositions-Sollwertes WPSW in die gegenüberliegende Richtung, so ist der Integralanteil I übermäßig hoch und muss erst abgebaut werden. Erfindungsgemäß ist es jedoch gemäß 1 vorgesehen, zunächst den Winkelpositions-Sollwert WPSW nach der Zeit abzuleiten, also einen Winkelpositions-Sollwert-Gradienten WPSW/dT zu bilden und diesen einer Vergleichsstufe VS zuzuführen. Der Vergleichsstufe VS wird wiederum ein bestimmter Schwellenwert S zugeführt. Ist der Winkelpositions-Sollwert-Gradient WPSW/dT kleiner als dieser Schwellenwert S, wird der Schalter SW über ein Ansteuersignal SW' betätigt und anstelle eines Wertes, der den Integralanteil I deaktiviert, wie beispielsweise der Wert 0, wird der Integralwert I aktiviert und fließt in die Bestimmung des Winkelpositions-Stellsignals WPSS ein. Bevorzugt erfolgt die Aktivierung beziehungsweise die Initiierung des Integralwertes I in Abhängigkeit eines adaptierten Integralwertes IA oder mit eben diesem Wert. Der adaptierte Integralwert IA wird mittels eines Adaptionsverfahrens ADP bevorzugt in Betriebsbereichen des Aktuators gebildet, in denen sich der Integralwert I um einen stationären Wert bewegt. Zur Bestimmung, ob sich der Integralwert I um einen stationären Wert bewegt und eine Bildung des adaptierten Integralwertes IA zur Initialisierung des Integralanteils I erfolgen soll, wird der aktuelle Integratorwert I mit dem mittels eines Tiefpassfilters TP gefilterten Integralwert ITP verglichen, beziehungsweise werden ITP und I dem Block D zugeführt, wobei in Block D die Bildung einer Differenz von ITP und I erfolgt, wobei das Resultat dieser Differenzbildung einem weiteren Block V zugeführt wird, wobei in Block V überprüft wird, ob die Differenz von ITP und I einen Nulldurchgang hat, wobei wenn die Differenz von ITP und I einen Nulldurchgang hat, eine Initialisierung des Adaptionsverfahrens ADP mittels eines Triggersignals ADP' erfolgt und der Integralwert I im weiteren Verlauf als neuer Initialwert für eine später wieder auftretende Aktivierung des Integralanteils I verwendet werden kann, beziehungsweise dessen Bereitstellung zu Grunde gelegt werden kann. Andererseits ist der Winkelpositions-Sollwert-Gradient WPSW/dT größer als der Schwellenwert S, wird der Schalter SW nicht betätigt und der Integralanteil I wird oder bleibt deaktiviert, beispielsweise indem der Wert 0 gesetzt wird, so dass folglich der Integralwert I nicht in die Bestimmung des Winkelpositions-Stellsignals WPSS einfließt. In welcher Stellung der Schalter SW ruht, ohne eine Information, ob der Schwellenwert S überschritten wurde oder nicht, ist beliebig.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10101678 A1 [0002]

Claims (5)

1. Verfahren zur Vermeidung von Regelabweichungen (WPAW) beim Betrieb von Aktuatoren mit einem Regler mit einer Sollwertvorgabe (WPSW) und mit einem Integralanteil (I) zur Bildung einer Stellgröße (WPSS), wobei der Integralanteil (I) zur Bildung der Stellgröße (WPSS) herangezogen werden kann oder nicht, wobei die Entscheidung, ob der Integralanteil (I) herangezogen werden soll oder nicht, in Abhängigkeit der Änderung der Sollwertvorgabe (WPSW/dT) erfolgt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Integralanteil (I) dann zur Bildung der Stellgröße (WPSS) herangezogen wird, wenn die Änderung der Sollwertvorgabe (WPSW/dT) unterhalb eines Schwellenwertes (S) liegt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei wenn die Entscheidung derart ausfällt, dass der Integralanteil (I) zur Bildung der Stellgröße (WPSS) herangezogen werden soll, der Integralanteil (I) in Abhängigkeit eines adaptierten Integralwertes (IA) gebildet wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei der adaptierte Integralwert (IA) mittels eines Adaptionsverfahrens (ADP) in Betriebsbereichen des Aktuators gebildet wird, in denen sich der Integralanteil (I) um einen stationären Wert bewegt.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei zur Bestimmung, ob sich der Integralwert (I) um einen stationären Wert bewegt und eine Bildung des adaptierten Integralwertes (IA) zur Initialisierung des Integralanteils (I) erfolgen soll, der aktuelle Integratorwert (I) mit dem mittels eines Tiefpassfilters (TP) gefilterten Integralwert (ITP) verglichen wird, wobei die Bildung einer Differenz von (ITP) und (I) erfolgt, wobei wenn die Differenz von (ITP) und (I) einen Nulldurchgang hat, eine Initialisierung des Adaptionsverfahrens (ADP) erfolgt und ein adaptierter Integralwert (IA) gebildet wird.

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