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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Überwachungskonzepte für Motorsteuergeräte, insbesondere für Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren.
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Stand der Technik
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Überwachungskonzepte für Motorsteuergeräte werden seit langem eingesetzt. Die Aufgabe einer Überwachung eines Motorsteuergeräts ist es, ungewollte, insbesondere sprunghafte und erhöhende, Änderungen des Antriebsmoments von Motorsystemen in Kraftfahrzeugen zu erkennen und eine Möglichkeit für eine Reaktion bereitzustellen, durch die das Motorsteuergerät bzw. der Betrieb des Motorsystems in einen sicheren Zustand gebracht werden kann.
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Heutige Überwachungskonzepte sind beispielsweise als Mehrebenenkonzepte vorgesehen, insbesondere als Drei-Ebenen-Konzepte. In einer ersten Ebene, der Ansteuerebene sind Ansteuerfunktionen als Anwender- und Softwarefunktionen zur Momentenberechnung realisiert. In der zweiten Ebene, der Überwachungsebene, ist eine redundante Funktionsstruktur vorgesehen, um durch den Vergleich mit als Ausgangsgrößen der Ansteuerfunktionen erhaltenen Ansteuergrößen aus der Ansteuerebene Applikationsfehler, Funktionsfehler und dergleichen zu erkennen. Die dritte Ebene, eine Hardware-Überwachungsebene, überwacht die Funktion der Überwachungsebene, insbesondere deren Hardwarefunktion.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 028 259 A1 offenbart einen Mikrocontroller mit einer Recheneinheit und einer Logikschaltung, wobei die Logikschaltung ausgebildet ist, ein Bayes'sches Regressionsverfahren zur Berechnung von datenbasierten Modellen durchzuführen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 001 081 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, wobei die Steuerung des Verbrennungsmotors mit Hilfe einer Stellgröße vorgenommen wird, die basierend auf einem datenbasierten Modell berechnet wird.
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Die Druckschrift
DE 11 2005 003 527 T5 offenbart ein Verfahren für die Schätzung von Verbrennungsparametern basierend auf einem Gauß'schen Modell.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 028 266 A1 offenbart ein Steuergerät und ein Verfahren zum Berechnen einer Ausgangsgröße für eine Steuerung, wobei die Berechnung der Ausgangsgrößen unter Verwendung einer Bayes'schen Regression von vor dem Betrieb für die Ausgangsgröße und die Eingangsgröße ermittelten Trainingswerten durchgeführt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Momentenüberwachung robuster auszubilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Überwachen von Ansteuerfunktionen eines Motorsteuergeräts zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Computerprogramm, das elektronische Speichermedium und das elektronische Steuergerät gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Überwachung einer in einem Motorsteuergerät realisierten Ansteuerfunktion vorgesehen, wobei die Überwachung durch Vergleichen einer ersten bezüglich einer Ansteuerfunktion bereitgestellten Vergleichsgröße und einer zweiten Vergleichsgröße durchgeführt wird, wobei die zweite Vergleichsgröße durch Verwenden eines mathematisch-numerischen, parameterfreien (d. h. nicht parametrischen) Modells, insbesondere eines Gauß-Modells, ermittelt wird.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, mathematische bzw. numerische Modelle für die Überwachung einer Anwenderfunktion in einem Motorsteuergerät vorzusehen. Im Gegensatz zu den heute angewandten physikalisch-analytischen Funktionen, mit Parameterapplikation auch für die Anpassung der Überwachungsfunktion, wird das Erstellen der Überwachungsfunktion mithilfe von einlernbaren mathematischen bzw. numerischen Modellen, zumindest teilweise, erheblich vereinfacht und kann über Fahrzeugmessungen automatisch erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Überwachungsebene unabhängig von der Ansteuerfunktion ist, so dass aufwändige Änderungen und Rekursionen in der Überwachungsebene bei Änderung von Applikationsparametern in der Funktionsebene nicht erforderlich sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Vergleichsgröße einer Fahrereingangsgröße der Ansteuerfunktion entsprechen, wobei die zweite Vergleichsgröße durch Rückwärtsrechnung als modellierte Fahrereingangsgröße ausgehend von einer oder mehreren von der Ansteuerfunktion zur Ansteuerung bereitgestellten Ansteuergrößen unter Verwendung des mathematisch-numerischen parameterfreien Modells erhalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Vergleichsgröße einer Ansteuergröße als eine Ausgangsgröße der Ansteuerfunktion entsprechen, wobei die zweite Vergleichsgröße als modellierte Ansteuergröße durch Vorwärtsrechnung ausgehend von einer oder mehreren der Ansteuerfunktion bereitgestellten Fahrereingangsgrößen erhalten wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Vergleichsgröße einer Ansteuergröße als eine Ausgangsgröße der Ansteuerfunktion entsprechen, wobei die zweite Vergleichsgröße durch das mathematisch-numerische parameterfreie Modell oder als Summe aus einer durch eine physikalisch-analytische Funktion und einer durch das mathematisch-numerische parameterfreie Modell ermittelten Korrekturgröße bestimmt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Vergleichsgröße einer Zwischengröße entsprechen, wobei die Zwischengröße durch Vorwärtsrechnung ausgehend von einer oder mehreren der Ansteuerfunktion bereitgestellten Fahrereingangsgrößen erhalten wird und die zweite Vergleichsgröße einer rückgerechneten modellierten Zwischengröße entspricht, wobei die rückgerechnete modellierte Zwischengröße durch Rückwärtsrechnung als modellierte Fahrereingangsgröße ausgehend von einer oder mehreren von der Ansteuerfunktion zur Ansteuerung bereitgestellten Ansteuergrößen durch Verwenden des mathematisch-numerischen parameterfreien Modells erhalten wird.
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Weiterhin kann die erste Vergleichsgröße einen Grenzwert darstellen, wobei ein Fehler festgestellt wird, wenn die zweite Vergleichsgröße die erste Vergleichsgröße über- oder unterschreitet.
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Es kann vorgesehen sein, dass das mathematisch-numerische parameterfreie Modell im Motorsteuergerät ausgehend von bereitgestellten Fahrereingangsgrößen und der zugehörigen Ansteuergröße im Motorsteuergerät oder außerhalb des Motorsteuergeräts eingelernt wird, um Applikationsparameter für den dem mathematisch-numerischen parameterfreien Modell zugrunde liegenden Algorithmus zu erhalten, wobei die Applikationsparameter im Motorsteuergerät gespeichert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Überwachung einer in einem Motorsteuergerät realisierten Ansteuerfunktion vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um die Überwachung durch Vergleichen einer ersten bezüglich einer Ansteuerfunktion bereitgestellten Vergleichsgröße und einer zweiten Vergleichsgröße durchzuführen, wobei die zweite Vergleichsgröße durch Verwenden eines mathematisch-numerischen parameterfreies Modells, insbesondere eines Gauß-Modells, ermittelt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte des obigen Verfahrens auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein elektronisches Speichermedium vorgesehen sein, auf welchem das obige Computerprogramm gespeichert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein elektronisches Steuergerät vorgesehen sein, welches das obige elektronische Speichermedium aufweist
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Überwachung einer Ansteuerfunktion einer Ansteuerebene durch mathematisch-numerische Modelle in einer Überwachungsebene;
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2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Überwachung einer Ansteuerfunktion einer Ansteuerebene, wobei die Überwachungsfunktion der Überwachungsebene durch eine Kombination aus einem physikalisch-analytischen Modell und einem mathematisch-numerischen Modell realisiert wird;
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3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Überwachung einer Ansteuerfunktion einer Ansteuerebene, wobei die Ansteuergrößen durch ein mathematisch-numerisches Modell bis auf Fahrereingangsgrößen rückwärts gerechnet werden;
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4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Überwachung einer Ansteuerfunktion einer Ansteuerebene, wobei die Überwachungsebene ausgehend von den gleichen Fahrereingangsgrößen der Ansteuerfunktion der Ansteuerebene durch ein mathematisch-numerisches Modell in der Überwachungsebene nachgerechnet wird; und
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5 ein Blockschaltbild, das eine Realisierung einer Überwachungsfunktion durch eine physikalisch-analytische Funktion darstellt, bei der eine Korrekturfunktion anhand eines mathematisch-numerischen Korrekturmodells realisiert wird.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der mithilfe eines Motorsteuergeräts 3 angesteuert wird. Als Eingangsgrößen in das Motorsteuergerät 3 sind Fahrereingangsgrößen F, wie beispielsweise ein Fahrpedalwert (bzw. die Pedalwertänderung) oder ein Bremspedalwert, und/oder Randbedingungen der Umwelt, wie beispielsweise Fahrbahnsteigung oder Luftwiderstand, sowie die Randbedingungen des Fahrzeugs, wie beispielsweise Gewicht, Drehzahl und dergleichen, vorgegeben. Das Motorsteuergerät stellt Ansteuergrößen bereit, um den Verbrennungsmotor 2 anzusteuern. Die Ansteuergrößen können Einspritzzeitpunkte, Einspritzdauern, Drosselklappenstellungen, Zündzeitpunkte und dergleichen umfassen.
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In 2 ist schematisch eine Funktionsdarstellung der in dem Motorsteuergerät 3 realisierten Ansteuerfunktionen einer Ansteuerebene E1 sowie der Überwachungsfunktionen einer Überwachungsebene E2 dargestellt.
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Die Ansteuerfunktion ist in einem Ansteuerfunktionsblock 20 in der Ansteuerebene E1 realisiert. Der Ansteuerfunktionsblock 20 ermittelt aus den Fahrereingangsgrößen F entsprechende Ansteuergrößen A.
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Die Überwachungsfunktion der Überwachungsebene E2 umfasst eine Momentenbestimmung in einem Maximalmomentfunktionsblock 21, die aus den Fahrereingangsgrößen F, die insbesondere eigensicher bereitgestellt werden können, ein zulässiges Moment bestimmt, das einem maximal zulässigen Istmoment entspricht. Das maximal zulässige Istmoment Mist_zul wird als erste Vergleichsgröße einem Vergleichsblock 22 zugeführt.
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Der Istmomentfunktionsblock 23 realisiert eine Istmomentfunktion als eine Rückrechnungsfunktion, die einen Teil der im Ansteuerfunktionsblock realisierten Ansteuerfunktion invers nachbildet. In dem Istmomentfunktionsblock 23 werden die Ansteuergrößen A, die dem Verbrennungsmotor 2 über den Ansteuerfunktionsblock 20 bereitgestellt werden, in momentenrelevante Motorsteuergrößen, wie einspritztypspezifische Ansteuerdauern, Einspritzabstände, Ladedruck, Zündwinkel, Luftmenge und dergleichen, rückgerechnet. Der Istmomentfunktionsblock 23 ermittelt im gezeigten Ausführungsbeispiel aus den Ansteuergrößen A das rückgerechnete Istmoment Mist_rück als zweite Vergleichsgröße.
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In dem Vergleichsblock 22 wird ein Vergleich des maximal zulässigen Istmoments Mist_zul und eines rückgerechneten Istmoments Mist_rück aus dem Istmomentfunktionsblock 23 durchgeführt. Der Vergleichsblock 22 meldet einen Fehler, sobald das rückgerechnete Istmoment Mist_rück (zweite Vergleichsgröße) das maximal zulässige Istmoment Mist_zul übersteigt. Weiterhin kann der Vergleichsblock 22 auch eine Notfunktion oder Notabschaltfunktion ausführen, um einen den Fahrer des Fahrzeugs gefährdenden Betrieb des Motorsystems 1 zu vermeiden.
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Die Istmomentfunktion ist im Gegensatz zur Maximalmomentfunktion nicht physikalisch-analytisch, sondern durch ein mathematisch-numerisches Modell gebildet, insbesondere durch ein parameterfreies (nicht parametrisches) Modell. Das mathematisch-numerische Modell kann einem Gauß-Funktionsmodell entsprechen, das zu den bekannten parameterfreien Modellierungsverfahren gehört. Gaußprozessmodelle haben den Vorteil, dass sie nur vergleichsweise schwache Annahmen zur Modellstruktur benötigen und daher einen sehr generischen oder universellen Ansatz zur Abbildung hochdimensionaler Abhängigkeiten darstellen. Im Gegensatz dazu werden bei neuronalen Netzen, die ein parameterbasiertes Modellierungsverfahren darstellen, Annahmen über Vorgaben der Anzahl der Neuronen und der allgemeinen Netzstruktur und Modellstruktur getroffen, die nicht generisch/universell anwendbar sind.
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Das in dem Istmomentfunktionsblock 23 realisierte Modell besteht im Kern aus einem mathematisch-numerischen Algorithmus, insbesondere einem Gauß-Algorithmus, durch den komplizierte Kennfeldstrukturen ersetzt oder vereinfacht werden können. Obgleich ein Gauß-Algorithmus kein parameterbasiertes Verfahren darstellt, wird damit im Vergleich zu bisherigen Funktionen mit applizierten Parametern eine relativ hohe Genauigkeit erreicht.
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Die Istmomentfunktion des Istmomentfunktionsblocks 23 wird aus Fahrzeugmessungen abgeleitet, die den Zusammenhang der Ein- und Ausgangsgrößen beschreiben. Vorzugsweise sind hierbei Daten von Interesse, die zur sprunghaften Änderung in der Fahrzeugbeschleunigung führen können, wie beispielsweise die Gradienten im Verbrauchskennfeld des Verbrennungsmotors 2.
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3 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung der in dem Motorsteuergerät 3 realisierten Ansteuerfunktionen der Ansteuerebene E1 sowie der Überwachungsfunktionen der Überwachungsebene E2 für eine weitere Ausführungsform.
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Die Ansteuerfunktion ist in einem Ansteuerfunktionsblock 30 in der Ansteuerebene E1 realisiert. Der Ansteuerfunktionsblock 30 ermittelt aus den Fahrereingangsgrößen F entsprechende Ansteuergrößen A.
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Wie durch das Blockdiagramm der 3 nahegelegt wird, kann die Verwendung eines mathematisch-numerischen Modells sowohl für den Istmomentfunktionsblock 23 als auch für den Maximalmomentfunktionsblock 21 angewendet werden. Somit wird die physikalisch-analytische Funktion, die in dem Maximalmomentfunktionsblock 21 realisiert ist, durch ein mathematisch-numerisches Modell, insbesondere unter Verwendung eines entsprechenden Gauß-Algorithmus, ersetzt. Dadurch kann der Parametrieraufwand weiter reduziert werden.
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In 3 ist dazu ein Blockdiagramm dargestellt, in dem eine Überwachungsfunktion eine vollständige Rückwärtsrechnung bis auf die Fahrereingangsgrößen F vornimmt. Dazu werden als Eingangsgrößen der Überwachungsmodellfunktion die Ansteuergrößen A verwendet. In einem Rückrechnungsblock 31 werden die Überwachungsmodellfunktionen realisiert, die einem mathematisch-numerischen Modell entsprechen und ein inverses Modell der in dem Ansteuerfunktionsblock 30 realisierten Ansteuerfunktionen darstellen. Das mathematisch-numerische Überwachungsmodell entspricht dabei einem Gauß-Algorithmus oder einem anderen parameterlosen Modell. Das Überwachungsmodell realisiert die inverse Funktion der Ansteuerfunktion und bildet die Ansteuergrößen A, die als Ausgangsgrößen von dem Ansteuerfunktionsblock 30 bereitgestellt werden, auf modellierte Fahrereingangsgrößen F' (zweite Vergleichsgrößen) ab. In einem Vergleichsblock 32 werden die tatsächlichen Fahrereingangsgrößen F (erste Vergleichsgrößen) mit den modellierten Fahrereingangsgrößen F' verglichen und bei Abweichungen wird ein Fehler festgestellt und/oder es werden die vorstehend genannten entsprechenden Maßnahmen durchgeführt.
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Mit Bezug zu 4 trägt der Ansteuerfunktionsblock in dem Motorsteuergerät 3 das Bezugszeichen 40 und stellt, wie bereits vorstehend beschrieben, abhängig von Fahrereingangsgrößen F Ansteuergrößen A bereit. In der Überwachungsebene E2 werden mithilfe eines Vorwärtsrechnungsblocks 41, in dem ein mathematisch-numerischer Algorithmus basierend auf einem parameterlosen Modellierungsverfahren implementiert ist, vorwärtsgerechnete modellierte Ansteuergrößen A' (zweite Vergleichsgrößen) bereitgestellt, die in einer Vergleichseinheit 42 mit den von dem Ansteuerfunktionsblock 40 bereitgestellten Ansteuergrößen A (erste Vergleichsgrößen) verglichen werden. Wie vorstehend beschrieben wird ein Fehler signalisiert, sobald eine Abweichung zwischen den vorwärtsgerechneten Ansteuergrößen A' und den aus dem Ansteuerfunktionsblock 40 ermittelten Ansteuergrößen A erkannt wird, und es können bei Feststellen eines Fehlers die vorstehend genannten entsprechenden Maßnahmen ergriffen werden.
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5 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung der in dem Motorsteuergerät 3 realisierten Ansteuerfunktionen einer Ansteuerebene E1 sowie der Überwachungsfunktionen einer Überwachungsebene E2 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Die Ansteuerfunktion ist in einem Ansteuerfunktionsblock 50 in der Ansteuerebene E1 realisiert. Der Ansteuerfunktionsblock 50 ermittelt aus den Fahrereingangsgrößen F entsprechende Ansteuergrößen A.
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Die Überwachungsfunktion wird realisiert, indem durch eine kombinierte Funktion eines physikalisch-analytischen Modells und eines mathematisch-numerischen Modells in einem ersten Berechnungsblock 51 eine modellierte Ansteuergröße als erste Vergleichsgröße ermittelt wird. Gleichzeitig wird in einem Vorwärtsberechnungsblock 52 ein mathematisch-numerisches Modell implementiert, um eine Korrekturgröße K zu ermitteln. Das Ergebnis des physikalisch-analytischen Modells und auch die Korrekturgröße K werden für eine Addition einem Summierglied 53 zugeführt, wodurch man eine modellierte Ansteuergröße A' (zweite Vergleichsgröße) erhält. Anstelle des Summierglieds 53 können auch andere Funktionseinheiten vorgesehen sein, das Ergebnis des physikalisch-analytischen Modells und die Korrekturgröße K miteinander zu verrechnen, beispielsweise durch Multiplikation, Division oder anderen mathematischen Operationen.
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Die modellierte Ansteuergröße A' wird, entsprechend den vorstehenden Beispielen, einem Vergleichsblock 54 zugeführt, um dort einen Vergleich mit der aus dem Ansteuerfunktionsblock 50 bereitgestellten Ansteuergröße A (erste Vergleichsgröße) und eine von dem Vergleichsergebnis abhängige Maßnahme durchzuführen.
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Zur Implementierung des mathematisch-numerischen Modells in den einzelnen entsprechenden Funktionsblöcken 23, 31, 41, 52 können diese off-board, d. h. beispielsweise vom Motorsteuergerät 3 separat, berechnet sowie off-board parametrisiert bzw. optimiert werden. Die Applikationsparameter, d. h. die Ergebnisse der Modellierung, können gemäß dem gewählten Überwachungskonzept als Festwerte, Kennlinien und Kennfelder im Motorsteuergerät 3 gespeichert werden.
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Alternativ können die mathematisch-numerischen Modelle on-board auf dem Motorsteuergerät 3 gerechnet und off-board parametrisiert/optimiert werden. Die optimierten Modellparameter werden als Festwerte im Motorsteuergerät 3 gespeichert und bestimmen so die durch das mathematisch-numerische Modell realisierten Funktionen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die mathematisch-numerischen Modelle on-board auf dem Motorsteuergerät 3 zu berechnen und on-board zu optimieren, d. h. die initialen Modellparameter werden kontinuierlich gelernt und optimiert, um das Verhalten an das tatsächliche Verhalten des Verbrennungsmotors 2 anzupassen.
