DE102012020807B3

DE102012020807B3 - Verfahren zur Regelung eines zyklischen Prozesses

Info

Publication number: DE102012020807B3
Application number: DE201210020807
Authority: DE
Inventors: Dennis Giebert
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-10-20

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das aus dem Stand der Technik vorbekannte Verfahren zur Regelung zyklischer Prozesse so zu verbessern, dass auch bei einer beschränkten Verfügbarkeit von Abtastfrequenzen eine schnelle und sichere Kompensation von periodischen Störungen erfolgen kann, ohne dass der Entwurf des Reglers zu aufwendig ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zur Regelung eines zyklischen Prozesses, der einer periodischen Störung ausgesetzt ist, dadurch gelöst, dass – eine tatsächliche Regelabweichung ermittelt wird, – in Abhängigkeit der tatsächlichen Regelabweichung eine zyklische Regelabweichung bestimmt wird, – die zyklische Regelabweichung mittels einer Übertragungsfunktion zu einer Stellgröße verarbeitet wird, – die Übertragungsfunktion die Polstellen der periodischen Störung beschreibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines zyklischen Prozesses mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Wie allgemein bekannt, laufen beim Betrieb einer Brennkraftmaschine als Antrieb eines Fahrzeuges zyklische Prozesse ab, die periodischen Störungen ausgesetzt sind. Zum Beispiel kommt es beim Betrieb eines elektrischen Verbrauchers, wie der Warnblinkanlage des Fahrzeuges, zu einer periodischen Belastung des elektrischen Generators und somit zu einer periodischen Störung, insbesondere der Leerlaufdrehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Die Frequenz dieser Störung beträgt zum Beispiel 1,25 Hz. Ein klassischer Leerlaufregler mit einem Pi-Anteil ist nicht in der Lage, eine so hohe Störfrequenz zu kompensieren. Aus der DE 10 2007 018 805 B4 ist ein Verfahren zur Regelung zyklischer Prozesse vorbekannt, beispielsweise zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine. Dieses Verfahren ist für zeitdiskrete Regelungen mit Abtastwerten und Abtastfrequenzen anwendbar. Dieses Verfahren beruht auf der Annahme, dass wenn eine harmonische periodische Störung kompensiert werden soll, das Stallsignal ebenfalls harmonisch periodisch gestellt werden muss. Damit das Stellsignal harmonisch periodisch sein kann, wird eine Grundperiode als Vielfaches der Abtastfrequenz/Rechenrasters definiert. Auf diese Weise wird eine Anzahl an Stelleingriffen pro Grundperiode erhalten. Jeder dieser Stelleingriffe wird mittels eines Stellgrößenspeichers gestellt, der ähnlich dem I-Anteil eines bekannten Reglers arbeitet. Bei einem Einschwingvorgang erhält jeder dieser Stellgrößenspeicher auf der Grundperiode einen Wert zugeordnet, so dass im eingeschwungenen Zustand eine periodische Stellgröße ausgegeben wird, d. h. nach dem Einschwingvorgang stellt jeder Stellgrößenspeicher immer wieder den gleichen Stellwert. D. h. das Verfahren gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 kann nur dann funktionieren, wenn die Grundperiode ein Vielfaches der Abtastfrequenz/Rechenrasters ist. Insbesondere im Bereich der Steuerung und Regelung von Brennkraftmaschinen haben sich bestimmte Abtastfrequenzen in Form van Rechenrastern bewährt. So sind in dem Steuerungs- und Regelungssystem einer Brennkraftmaschine zum Beispiel drei Rechenraster verfügbar, nämlich mit einer Abtastung alle 10 ms, alle 100 ms und einmal je Arbeitsspiel eines Zylinders einer Viertakt-Brennkraftmaschine (segmentsynchron). Angewendet auf das oben genannte Problem der eingeschalteten Warnblinkanlage, die eine Störfrequenz von 1,25 Hz aufweist bzw. ein dementsprechendes Schwingen der Leerlaufdrehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verursacht, ergeben sich durch die Verfügbarkeit dieser eingeschränkten Anzahl von Abtastfrequenzen/Rechenrastern bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 Probleme. Die Nutzung des Rechenrasters mit einer Ablastung einmal je Arbeitsspiel eines Zylinders einer Viertakt-Brennkraftmaschine ist für das Verfahren gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 ungeeignet, da die Istwerte für die Leerlaufdrehzahl durch die Störfrequenz bzw. die Sollwerte für die Leerlaufdrehzahl zum Beispiel über einen Bereich von 780 bis 1100 Umdrehungen pro Minute variabel sind und somit die Abtastzeiten dieses Rechenrasters nicht konstant sind. Die Nutzung des Rechenrasters mit einer Abtastung alle 100 ms bedingt eine Anzahl von 8 Stelleingriffen pro Grundperiode, da die Periodendauer bei der Störfrequenz von 1,25 Hz eben 800 ms beträgt. Daraus folgt, dass 8 Pole in den geschlossenen Kreis des Reglers gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 eingebracht werden müssen. Dadurch wird der Regler langsam, da viele Pole vorhanden sind. Ferner muss die Funktion F° gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 diese 8 Pole stabilisieren, was wiederum die Auslegung des Reglers sehr aufwendig macht. Die Nutzung des Rechenrasters mit einer Abtastung alle 10 ms bedingt eine Anzahl von 80 Stelleingriffen pro Grundperiode, woraus folgt, dass 80 Pole in den geschlossenen Kreis des Reglers gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 eingebracht werden müssen und der Regler extrem langsam wird, da derart viele Pole vorhanden sind. Ferner muss die Funktion F° gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 diese 80 Pole stabilisieren, was die Auslegung des Reglers praktisch unmöglich macht. Angenommen die Störfrequenz beträgt nicht 1,25 Hz, sondern 1,2 Hz, wird die Nutzung bzw. die Auslegung des Reglers gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 noch schwieriger, da dann die Periodendauer der Störung 833 ms beträgt und somit kein Vielfaches der zur Verfügung stehenden Rechenraster ist und mit Harmonischen zur Kompensation gearbeitet werden muss. Bei einer Nutzung des Rechenrasters mit einer Abtastung alle 100 ms bedingt dann die Nutzung der dritten Harmonischen von 1,2 Hz, also 0,4 Hz mit 25 Stelleingriffen pro Grundperiode mit den oben beschriebenen Nachteilen.
Gemäß dem Dokument DE 10 2005 047 829 B3 ist ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenverbrennungsmotoren vorbekannt. Um solche Motoren laufruhig auszuregeln, wird vorgeschlagen, einen Algorithmus in das Regelungssystem zu implementieren, wobei eine Fourierreihe verwendet wird.
Gemäß dem Dokument DE 197 53 997 C1 wird zum Unterbinden niederfrequenter Ruckelschwingungen bei einer Brennkraftmaschine, die in Verbindung mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs ein Übertragungssystem darstellt, ein Verfahren angegeben, bei welchem dem Übertragungssystem aus Kraftstoffzufuhr, Brennkraftmaschine und Antriebsstrang ein Übertragungsglied vorgeschaltet wird, dessen Übertragungsfunktion zur Übertragungsfunktion des Übertragungssystems invers ist. Durch die Wahl der Zeitkonstanten des Übertragungsgliedes werden nicht nur die Ruckelschwingungen unterbunden, sondern auch eine Lastschlagdämpfung erreicht.
Gemäß dem Dokument DE 34 37 324 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl bei Brennkraftmaschinen vorbekannt, mit einer Vergleichsstufe für Soll- und Istdrehzahl und einem nachgeschalteten, mindestens einen Proportionalanteil enthaltenden Leerlauffüllungsregler, der ein elektrisches Stellglied zum Einstellen der Ansaugluftmenge in der Leerlaufstellung der Drosselklappe ansteuert. Eine Ruckel-Erkennungseinrichtung ist so ausgebildet, daß sie aus Frequenz und Intensität von periodisch auftretenden Drehzahlschwankungen auf Ruckelneigung schließt und ein Signal erzeugt, welches den Verstärkungsgrad des Proportionalregelbereichs des Leerlauffüllungsreglers so beeinflußt, daß bei ansteigender Drehzahl und asymmetrisch die Stellgröße aus dem Proportionalbereich auf einem erreichten oberen Wert festgehalten und vorzugsweise mit wählbarer Zeitkonstante allmählich abgesteuert, nach abklingender Ruckelneigung mit erhöhter Geschwindigkeit abgesteuert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das aus dem Stand der Technik vorbekannte Verfahren zur Regelung zyklischer Prozesse so zu verbessern, dass auch bei einer beschränkten Verfügbarkeit von Abtastfrequenzen eine schnelle und sichere Kompensation von periodischen Störungen erfolgen kann, ohne dass der Entwurf des Reglers zu aufwendig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zur Regelung eines zyklischen Prozesses, der einer periodischen Störung ausgesetzt ist, gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass die Übertragungsfunktion die Polstellen der periodischen Störung beschreibt, werden erfindungsgemäß unabhängig vom Rechenraster bzw. der Abtastfrequenz nur diese Pole in den geschlossenen Kreis des Reglers eingebracht, so dass auch nur diese Pole stabilisiert werden müssen. D. h. zum Beispiel bei einer sinusförmigen periodischen Störung werden lediglich zwei Pole in den geschlossenen Kreis des Reglers eingebracht. Eine schnelle und sichere Kompensation von periodischen Störungen ist somit erfindungsgemäß möglich, da nur die notwendigen Pole der Störung eingebracht und ggf. stabilisiert werden müssen. D. h. die Regelstrecke muss nicht stabil sein. Die Auslegung von der Stabilisierung ist erfindungsgemäß überschaubar, da nur die Polstellen der Störung in den Regelkreis eingebracht werden, Ferner ist es von Vorteil, dass beliebige Störungen relativ einfach beschrieben und in das Regelungsverfahren eingebunden werden können, indem insbesondere Übertragungsfunktionen für die Regelstrecke gesucht werden, die im Fall einer Störung stets eine entsprechende Stellgröße liefern, d. h. der Entwurf des Regelungsverfahrens ist nicht aufwendig.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen, hierbei zeigen:
1: schematische Darstellung eines Regelkreises,
2: schematische Darstellung eines weiteren Regelkreises.
Zum Beispiel zur Regelung der Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine im Leerlauf ist es vorbekannt, mittels eines Sensors die Zähne eines Geberrades abzutasten und so einen Istwert Y der Drehzahl bereitzustellen, siehe 1. Der Istwert Y wird einem Sollwert W gegenübergestellt und eine Regelabweichung E gebildet. Mittels eines Reglers K wird eine Stellgröße U gebildet. Die Stellgröße U wird mit einer Störung D beaufschlagt und wirkt auf die Regelstrecke G, so dass der Istwert Y beeinflusst wird. Die Stellgröße U ist zum Beispiel der Zündzeitpunkt und/oder der Anteil an Frischluft, welcher der Brennkraftmaschine zugemessen wird. Die beschriebene Regelung wird, wie allgemein bekannt, mittels eines Steuergerätes bzw. der in Verbindung damit wirkenden Software ausgeführt. Des Steuergerät weist drei Abtastfrequenzen bzw. Rechenraster auf und zwar 10 ms, 100 ms und einmal pro Arbeitsspiel. Zum Beispiel durch das Einschalten der Warnblinkanlage des Fahrzeuges, das von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, erfolgt eine periodische Belastung und Entlastung des Generators, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, beispielsweise mit einer Frequenz von 1,25 Hz, d. h. die Störung D ist periodisch. Insbesondere ist die Störung D sinusförmig. Die periodische Störung D kann auch durch den getakteten Betrieb eines anderen elektrischen Verbrauchers, z. B. eines Fahrzeuges auftreten, wie einer Sitz- oder Schelbenheizung, die z. B. mit einer Frequenz von 3 bis 5 Hz getaktet sind. Die periodische Störung D kann auch völlig andere Ursachen heben, wie zum Beispiel Eigenfrequenzen des Antriebsstranges, die eine Frequenz zwischen 5 und 10 Hz aufweisen oder auch Radunwuchten, die eine Frequenz von 5 bis 20 Hz aufweisen. Jedenfalls ist die periodische Störung D mit der Frequenz von f = 1,25 Hz, welche den Istwert Y der Drehzahl beeinflusst, rein sinusförmig, d. h. das Verhalten der Störung D kann, wie allgemein bekannt, im Zeitbereich durch die Gleichung d(t) = sin(omega·t) ausgedrückt werden, wobei Omega = 2·Pi·f ist. Das Verhalten der Störung D kann, wie allgemein bekannt, auch im Bildbereich durch die Gleichung D(s) = omega/(s^2 + omega^2) ausgedrückt werden. Wie daraus zu erkennen ist, hat die sinusförmige Störung D(s) zwei Pole, nämlich s1 = +j·2·Pi·1,25 und s2 = –j·2·Pi·1,25, d. h. die Pole s1 und s2 sind konjugiert komplex. Erfindungsgemäß wird nun, wie anhand 2 beschrieben, verfahren. 2 zeigt zunächst einen Regelkreis zur Einstellung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine wie in 1 beschrieben, d. h. der Istwert Y der Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wird mit einer Frequenz abgetastet, die eine Periodendauer von z. B. 100 ms aufweist, wie durch das Rechenraster des Steuergerätes vorgegeben ist. Der Istwert Y weist gemäß der sinusförmigen periodischen Störung D eine Frequenz von 1,25 Hz auf, d. h. die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist nicht konstant, sondern weist eine Amplitude von beispielsweise 100 Umdrehungen pro Minute auf, d. h. angenommen der Sollwert W beträgt 1000 Umdrehungen pro Minute, dann durchläuft der Istwert Y innerhalb von 0,8 Sekunden gemäß einer Sinusfunktion eine erste positive Halbwelle mit einem Maximalwert von 1100 Umdrehungen pro Minute sowie eine zweite negative Halbwelle mit einem Minimalwert von 900 Umdrehungen pro Minute. Der Istwert Y wird dem Sollwert W gegenübergestellt, so dass eine tatsächliche Regelabweichung E gebildet wird, die ebenfalls gemäß der periodischen Störung D nicht konstant ist. Entsprechend dem Verfahren gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 , deren Inhalt hiermit vollständig aufgenommen ist, wird mittels des Elementes G1 eine zyklische Regelabweichung E° in Abhängigkeit der tatsächlichen Regelabweichung E gebildet. Erfindungsgemäß werden entsprechend dem Inneren-Modell-Prinzip mittels des Elements G2 die Pole der Störung D in den geschlossenen Regelkreis eingefügt. D. h. mittels G2 wird die zyklische Regelabweichung E° aus G1 zu einem zyklischen Stellgrößenanteil U' verarbeitet, wobei G2 quasi eine Übertragungsfunktion ist, welche die Polstellen der periodischen Störung beschreibt, in diesem Beispiel mit der sinusförmigen Störung D gemäß der Funktion G2(s) = 1/(s^2 + omega^2). Parallel zu G1 und G2 wird mittels des Reglers K ein paralleler Stellgrößenanteil U'' gebildet. Aus den beiden Stellgrößenanteilen U' und U'' wird dann eine Stallgröße U gebildet, welche eben von der periodischen Störung D beeinflusst wird und auf die Regelstrecke G wirkt. D. h. die zyklische Regelabweichung E° wird erfindungsgemäß mittels der Übertragungsfunktion G2(s), welche die Polstellen der Störung D beschreibt, zu einer Stellgröße U verarbeitet. Abweichend von dem Verfahren gemäß der DE 10 2007 018 805 B4 wird kein periodischer Integrator verwendet, der quasi periodisch lernt.
Erfindungsgemäß wird mittels der Übertragungsfunktion, welche die Polstellen der Störung D beschreibt, so lange eine Störung D auf die Regelstrecke G wirkt, auch dann noch eine Stellgröße U gebildet, wenn der Eingang der Regelungsfunktion gemäß 2 nach einem Einschwingvorgang invariant bei einem Wert von Null verbleibt, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren stellt immer weiter entsprechend der andauernden Störung D eine Stellgröße U bereit. Zurück zu dem genannten Beispiel erfolgt mittels G1 gewissermaßen eine frequenzselektive Phasenverschiebung bzw. eine Stabilisierung des geschlossenen Regelkreises. Erfindungsgemäß vorteilhaft muss die Regelstrecke folglich nicht stabil sein, da eine Stabilisierung mittels G1 und K erfolgt. Erfindungsgemäß wird die mittels G1 bereitgestellte zyklische Regelabweichung E° der Übertragungsfunktion im Element G2 zugeführt, welche die Polstellen der Störung D beschreibt, so dass anschließend die zyklische Stellgröße U' bereitsteht und mit dem parallel mittels des Reglers K gebildeten Stellgrößenanteil U'' zusammen die Stellgröße U gebildet wird, also insbesondere ein additiver Offset auf einen Grundwert des Zündzeitpunktes bei einer Otto-Brennkraftmaschine oder ein Offset auf einen Grundwert eines Drosselklappenöffnungswinkels oder bei einer Diesel-Brennkraftmaschine ein Offset auf den Grundwert einer Einspritzmenge. Zusammengefasst ist erfindungsgemäß die Übertragungsfunktion gemäß G2 eben die Übertragungsfunktion, welche auch bei vollständig eingeregelter Drehzahl, d. h. der Istwert Y der Drehzahl ist gleich dem Sollwert W der Drehzahl und die tatsächliche Regelabweichung E ist gleich null, periodisch die Stellgröße U liefert, so dass die Störung D kompensiert wird. D. h. diese Übertragungsfunktion hat erfindungsgemäß den Effekt, dass auch dann noch eine sinusförmige Stellgröße U geliefert wird, wenn der Istwert Y und der Sollwert W übereinstimmen bzw. der Regelkreis eingeschwungen ist, wobei die Stellgröße U erfindungsgemäß durch das Einbringen der Pole, d. h. in Abhängigkeit der Pole der Störung D bestimmt wird.

Claims

Verfahren zur Regelung eines zyklischen Prozesses, der einer periodischen Störung (D) ausgesetzt ist, wobei – ein Istwert (Y) einem Sollwert W gegenübergestellt und eine tatsächliche Regelabweichung (E) gebildet wird, – mittels eines Elementes (G1) eine zyklische Regelabweichung (E°) in Abhängigkeit der tatsächlichen Regelabweichung (E) gebildet wird, – mittels eines Elements (G2) die zyklische Regelabweichung (E°) zu einem zyklischen Stellgrößenanteil (U') verarbeitet wird, – parallel zu dem Element (G1) und dem Element (G2) mittels eines Reglers (K) ein paralleler Stellgrößenanteil (U'') gebildet wird, – aus den beiden Stellgrößenanteilen (U', U'') eine Stellgröße (U) gebildet wird, welche von der periodischen Störung (D) beeinflusst wird und auf die Regelstrecke (G) wirkt, das Element (G2) eine Übertragungsfunktion ist, welche die Polstellen der periodischen Störung (D) beschreibt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die periodische Störung sinusförmig ist.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Übertragungsfunktion G(s) = 1/(s^2 + omega^2) ist.