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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Drucks in einer Hochdruckleitung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors, wobei Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe aus einem Niederdruckbereich in die Hochdruckleitung gefördert wird.
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Stand der Technik
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Die Erfindung beschäftigt sich mit Kraftstoffversorgungseinrichtungen für Verbrennungsmotoren, welche unter Hochdruck stehenden Kraftstoff über Injektoren direkt in Zylinder einspritzen, wobei der Kraftstoff über eine Hochdruckleitung an die Injektoren geführt wird. Solche Kraftstoffversorgungseinrichtungen können sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren zum Einsatz kommen.
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Bei entsprechenden Kraftstoffversorgungseinrichtungen für Verbrennungsmotoren komprimiert eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau. Der komprimierte Kraftstoff füllt die Hochdruckleitung (bspw. das sog. Common-Rail), die im Betrieb des Verbrennungsmotors ständig unter Druck steht und (ggf. über angeschlossene Stichleitungen) die Injektoren (= Einspritzventile) der einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors versorgt.
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Für einen kontrollierten Betrieb des Verbrennungsmotors soll in der Hochdruckleitung ein geeigneter Kraftstoffdruck eingeregelt oder eingestellt werden. Hierbei sind unterschiedliche Ansätze zur Druckregelung bekannt. Diese kann entweder hochdruckseitig über ein Druckregelventil (DRV) an der Hochdruckleitung als Stellglied oder saugseitig (niederdruckseitig) durch eine in die Hochdruckpumpe integrierte oder als separates Bauteil bereitgestellte Zumesseinheit (ZME) als Stellglied erfolgen. Sogenannte Zweistellersysteme weisen beide Lösungen auf. Der Istwert für die Regelung kann von einem Drucksensor (z. B. Raildrucksensor RDS) geliefert werden. Das mittels des Drucksensors erhaltene Sensorsignal wird im Motorsteuergerät ausgewertet und dazu verwendet, den gewünschten Solldruck einzuregeln und die für eine bestimmte Einspritzmenge erforderliche elektrische Ansteuerung des Einspritzstellers, beispielsweise eines Piezoinjektors oder eines Injektors mit einem Magnetventil, zu ermitteln.
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Die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren – sowohl im Hinblick auf gesetzliche Rahmenbedingungen bezüglich zulässiger Emissionswerte, als auch im Hinblick auf gestiegene Erwartungen der Endverbraucher an Fahrkomfort, Laufruhe und niedrigen Verbrauch – steigen kontinuierlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine genaue Steuerung der Kraftstoffverbrennung, insbesondere der verbrannten Kraftstoffmenge, erforderlich. Ein abweichender Druck in der Hochdruckleitung führt zu einer fehlerhaften Einspritzmenge und damit zu verschlechterten Emissionen und/oder zu erhöhter Geräuschbildung. Die Anforderungen an die Regelgüte der Druckregelung liegen daher insbesondere darin, Über- und Unterschwingen des Drucks so gut wie möglich zu vermeiden und maximale Einschwingzeiten bzw. Einregelzeiten einzuhalten. Für die Druckregelung können betriebspunktabhängige Regler verwendet werden. Aufgrund von Nichtlinearitäten im Verhalten von Pumpe, Zumesseinheit und Hochdruckleitung bedeutet dies einen hohen Applikationsaufwand. In Betriebspunkten, die nicht appliziert wurden, kann zudem keine Robustheit der Regelung garantiert werden.
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Es ist daher wünschenswert, eine robuste und betriebspunktunabhängige Druckregelung anzugeben, welche sich vorzugsweise auch für unterschiedliche Systemausführungen eignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Drucks in einer Hochdruckleitung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors, wobei Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe aus einem Niederdruckbereich in die Hochdruckleitung gefördert wird, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung schafft einen robusten und betriebspunktunabhängigen Druckregelkreis, indem eine modellbasierte Zwei-Freiheitsgrade-Regelkreisstruktur verwendet wird, der eine Regelung zusammen mit einer flachheitsbasierten Vorsteuerung umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass ein Reglerausgangswert, der im Rahmen der Regelung auf Grundlage eines Vergleichs zwischen einem Sollwert und einem rückgeführten Istwert bestimmt wird, mit einem Vorsteuerwert beaufschlagt wird, der im Rahmen der Vorsteuerung auf Grundlage des Sollwerts bestimmt wird. Wie bekannt, arbeitet eine Vorsteuerung im Gegensatz zu einer Regelung ohne Rückführung.
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Die beschriebene Regelkreisstruktur schafft den Vorteil, dass die Regelung im Wesentlichen nur Störungen ausregeln muss und somit betriebspunktunabhängig und robust ausgeführt werden kann. Der Sollwert, beispielsweise für den Druck oder eine Einspritzmenge, wird vorzugsweise von einer Trajektorienplanung vorgegeben.
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Flachheitsbasierte Zwei-Freiheitsgrade-Regelkreisstrukturen sind dem Fachmann geläufig und sollen daher an dieser Stelle nicht thematisiert werden. Hierzu wird auf gängige Literatur zur Regelungstechnik verwiesen.
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Der Entwurf des Regelungskonzeptes basiert zweckmäßigerweise auf einem physikalischen, dynamischen Modell der Strecke, bestehend aus Hochdruckleitung, Hochdruckpumpe und Stellglied. Das resultierende Modell wird zweckmäßigerweise durch eine Hammerstein Modellstruktur mit einer statischen Eingangsnichtlinearität und einer PT1-Charakteristik beschrieben. Bevorzugterweise wird nun berücksichtigt, dass eine Zeitverzögerung zwischen einer Ansteuerung des Stellglieds und einer davon verursachten Förderung des Kraftstoffs aus dem Niederdruckbereich in die Hochdruckleitung existiert. Die Dynamik des Rails weist integralen Charakter auf, der vorzugsweise ebenfalls berücksichtigt werden kann. Das resultierende Modell kann als PT1-Tt- oder als PT1-Tt-I-System mit statischer Eingangsnichtlinearität beschrieben werden, das invertierbar und differentiell flach ist.
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Die Modellierung der Regelstrecke mit einem PT1-Tt-I-Verhalten ist eine gebräuchliche Methode zur Approximation von Verzugs-Regelstrecken. Sie bildet das Streckenverhalten durch die Hintereinanderschaltung eines Verzögerungssystems 1. Ordnung (PT1), eines Totzeitglieds (Tt) und gegebenenfalls eines Integrators (I) nach. Die Streckenparameter eines PT1-Tt- oder PT1-Tt-I-Systems sind eine Streckenverstärkung, eine Streckenprozesszeit (auch als Verzögerungszeit bezeichnet) und eine Streckentotzeit.
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Durch eine Invertierung des Streckenverhaltens erhält man ein lineares Ersatzsystem, welches mittels linearer Reglerkonzepte robust geregelt werden kann. Der resultierende Zwei-Freiheitsgrade-Regler ist bis auf einen Reglerparameter ausschließlich über geometrische Parameter der Strecke bestimmt. Der modellbasierte Ansatz erlaubt es folglich, den Applikationsaufwand für verschiedene Systemausführungen gering zu halten und bekannte robuste Regelungskonzepte zu verwenden. Vorzugsweise wird die Regelung anhand einer H2-optimalen Reglerspezifikation, wie beispielsweise bei
T. Liu, Y. Z. Cai, D. Y. Gu, and W. D. Zhang. "New modified Smith predictor scheme for integrating and unstable processes with time delay", IEE Proc.-Control Theory Appl., vol. 152, pp. 238–246, 2005 für die PT1-Tt-I-Strecke beschrieben, ausgelegt. Der Regler kann dann mit dem einen Parameter für alle Betriebspunkte eingestellt werden. Der Reglerparameter wird in der genannten Literatur mit λ
f bezeichnet.
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Vorteilhafter Bestandteil der Vorsteuerung ist eine Trajektorienplanung für Druck und/oder Einspritzmenge, bei der vorzugsweise auch Stellgrößenbeschränkungen berücksichtigt werden. Funktion der Trajektorienplanung ist insbesondere, mit Hilfe eines Sollwertfilters die Sollverläufe für Druck bzw. Einspritzmenge so anzupassen, dass das System diesen folgen kann. Zur Vermeidung von unrealistischen Sollverläufen werden vorteilhafterweise minimale und maximale Fördermengen der Hochdruckpumpe für die gewünschte Drehzahl systematisch bei der Trajektorienplanung berücksichtigt.
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Durch eine geeignete Trajektorienplanung, die die Anforderungen an die Regelgüte und die Beschränkungen durch die Strecke berücksichtigt, kombiniert mit einer flachheitsbasierten Vorsteuerung kann die gewünschte Regelgüte für alle Betriebspunkte erreicht werden.
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Durch die Erfindung erhalten geregelte Kraftstoffversorgungseinrichtungen eine erhöhte Robustheit gegenüber Bauteiltoleranzen ohne Einbußen in der Regelgüte.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Blockdiagramm der wesentlichen Elemente eines Common-Rail-Systems, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann.
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2 zeigt schematisch einen Regelkreis aufweisend eine Regelung und eine Vorsteuerung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 sind die wesentlichen Elemente einer als Common-Rail-System ausgebildeten Kraftstoffversorgungseinrichtung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die der Erfindung zugrunde liegen kann, als Blockdiagramm dargestellt und mit 100 bezeichnet. Das Common-Rail-System 100 umfasst einen Hochdruckbereich 120 und einen Niederdruckbereich 130, in denen Kraftstoff jeweils mit unterschiedlichem Druck vorliegt. In dem Hochdruckbereich ist beispielsweise ein Druck von 1.500 bar–2.000 bar üblich, wohingegen in dem Niederdruckbereich ein Druck von bis zu 10 bar herrschen kann.
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Bestandteile des Hochdruckbereichs 120 sind im Wesentlichen eine Hochdruckleitung 150 (das sogenannte Common Rail bzw. Rail) und die Injektoren 151, 152 und 153 zum Zumessen des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs in einen oder mehrere Zylinder (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors.
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Unter anderem zur Regelung des Hochdrucks (Leitungsdrucks) ist eine als Motorsteuergerät 170 ausgebildete Recheneinheit vorgesehen, die ein Stellelement 110 zur Steuerung des Leitungsdrucks P mit einem Ansteuerungssignal A ansteuert. Bei dem Stellelement 110 kann es sich um ein Druckregelventil (DRV), welches den Hochdruckbereich 120 mit dem Niederdruckbereich 130 verbindet, und/oder um eine steuerbare Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff von dem Niederdruckbereich 130 in den Hochdruckbereich 120 fördert, handeln. Durch entsprechende Ansteuerung eines an der Hochdruckpumpe vorgesehenen elektromagnetischen Ventils (sogenannte Zumesseinheit, ZME) können die geförderte Menge und damit der Druck im Hochdruckbereich gesteuert werden.
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Ein Raildrucksensor (RDS) 14 erfasst den aktuellen Wert P des Drucks im Hochdruckbereich, hier auch als Leitungsdruck bezeichnet. Ein entsprechendes Signal des Raildrucksensors 14 gelangt zum Steuergerät 170. Abhängig von verschiedenen weiteren nicht dargestellten Signalen berechnet das Steuergerät Ansteuersignale zur Beaufschlagung der Injektoren 151, 152 und 153. Diese Injektoren messen dem Verbrennungsmotor abhängig von dem jeweiligen Ansteuersignal zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Kraftstoffmenge zu. Die Injektoren sind über Rücklaufleitungen mit dem Niederdruckbereich 130 verbunden, über die überschüssiger Kraftstoff abfließt. In der Figur sind lediglich drei Injektoren und drei Zylinder dargestellt. Die beschriebene Vorgehensweise kann jedoch bei beliebigen Injektor- und/oder Zylinderzahlen eingesetzt werden.
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Das Steuergerät 170 ist programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird. In 2 ist eine Regelkreisstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Eine Trajektorienplanung ist mit 201 bezeichnet. Der Trajektorienplanung werden (beispielsweise von einer übergeordneten Verbrennungsreglung) ein äußerer Sollwert mS für eine Einspritzmenge sowie ein Sollwert PS für den Leitungsdruck zugeführt. Aus diesen Größen werden in der Trajektorienplanung unter Berücksichtigung insbesondere von Nebenbedingungen wie Stellgrößenbeschränkungen (z. B. eine minimale Fördermenge Qmin und eine maximale Fördermenge Qmax) ein nomineller Sollwert m* für die Einspritzmenge sowie ein nomineller Sollwert P* für den Leitungsdruck berechnet.
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Eine Möglichkeit der Trajektorienplanung für den Raildruck ist die Verwendung eines aperiodischen Sollwertfilters (SWF), für das vorliegende System vorzugsweise 2. Ordnung. Mit Hilfe dieses Sollwertfilters werden die 1. und 2. zeitliche Ableitung des nominellen Raildrucks P* in Abhängigkeit vom Solldruck PS, vom nominellen Raildruck P*, von dessen 1. zeitlicher Ableitung sowie von einer Zeitkonstante TF bestimmt: P ..* = SWF(PS, P*; P .*, TF) P .* = ∫P ..*dt P* = ∫P .*dt
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Zur Einhaltung der dynamischen Grenzen des Systems werden die minimalen und maximalen 2. zeitlichen Ableitungen mit Hilfe des Streckenmodells (K: Streckenverstärkung, TPT1: Zeitkonstante, Tt: Totzeit) sowie der minimalen und der maximalen Fördermenge (Qmin, Qmax) bestimmt: P ..*min = f(mS, K, TPT1, Tt, Qmin), P ..*max = f(mS, K, TPT1, Tt, Qmax)
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Die zweite Ableitung des nominellen Raildrucks kann nun wie folgt begrenzt werden:
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Die Trajektorienplanung der Einspritzmenge m kann ebenfalls mit Hilfe eines aperiodischen Sollwertfilters, für das vorliegende System vorzugsweise 1. Ordnung, erfolgen.
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Diese Werte m*, P* werden einer Vorsteuerung 210 zugeführt, die daraus einen Vorsteuerwert mVS für eine von der Hochdruckpumpe zu fördernde Fördermenge bestimmt. Die flachheitsbasierte Vorsteuerung berechnet die Vorsteuermenge mVs beispielsweise wie folgt: mVs = (KP .* + m*) + TPT1(KP ..* + m .* + f(P*)P .*)
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Der nominelle Sollwert P* für den Leitungsdruck wird zusammen mit einer aktuellen Drehzahl n des Verbrennungsmotors einem Totzeitkorrekturglied 202 zugeführt. Darin wird berücksichtigt, dass eine Fördermenge erst nach der Dauer eines Kolbenhubs in die Hochdruckleitung gelangt. In dem Totzeitkorrekturglied 202 wird somit der nominelle Sollwert P* für den Leitungsdruck um die drehzahlabhängige Totzeit verzögert und als totzeitkompensierter Solldruck PT zusammen mit einem in einer Regelstrecke 230 gemessenen Leitungsdruck P einem Vergleichsglied zugeführt, das einen Regelfehler e bestimmt.
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Der Regelfehler e wird einer Regelung 220 zusammen mit der minimalen Fördermenge Qmin, der maximalen Qmax und der aktuellen Drehzahl n des Verbrennungsmotors zugeführt. Der anhand einer H2-optimalen Reglerspezifikation (siehe oben) ausgelegte Regler wird hier vorzugsweise als modellbasierter PID-Regler approximiert und berechnet auf Grundlage der zugeführten Größen eine Reglerausgangsgröße mVR für eine von der Hochdruckpumpe zu fördernde Fördermenge.
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Eine Anti-Wind-Up-Maßnahme (z. B. in Form einer Begrenzung des Integralanteils) ist zweckmäßigerweise implementiert, um ein starkes Überschwingen und eine Instabilität des Regelkreises für den Fall, dass Stellgrößenbeschränkungen erreicht werden, zu vermeiden. Als Eingangsgrößen für die Anti-Wind-Up-Maßnahme werden hier die eine minimale und eine maximale Fördermenge und die Drehzahl verwendet.
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Die Reglerausgangsgröße mVR für eine von der Hochdruckpumpe zu fördernde Fördermenge und der Vorsteuerwert mVS für die von der Hochdruckpumpe zu fördernde Fördermenge werden zusammengefasst zu einer Stellgröße mV für die von der Hochdruckpumpe zu fördernde Fördermenge, welche zusammen mit dem Druck PV im Niederdruckbereich 130 und der aktuellen Drehzahl n des Verbrennungsmotors einem inversen Pumpenmodell 221 zugeführt wird.
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Dem Pumpenmodell 221 liegt die Berechnung einer mittleren Fördermenge je eine Pumpenumdrehung zugrunde. In dem inversen Pumpenmodell 221 wird auf Grundlage der zugeführten Größen eine Stellgröße u zur Beeinflussung der Fördermenge, hier beispielsweise eine Stellung (z. B. Ventilschieberposition) der ZME, berechnet und an ein Modell 222 einer inversen Ventildynamik ausgegeben. Das inverse Pumpenmodell ist eine statische Nichtlinearität abhängig von Druck PV im Niederdruckbereich 130, gewünschter Fördermenge mV und Drehzahl n: u = f(PV, mV, n)
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In dem Modell 222 einer inversen Ventildynamik wird aus der Stellgröße u zur Beeinflussung der Fördermenge ein Ansteuerstrom uI für die ZME als Bestandteil der Regelstrecke 230 berechnet. Dabei wird über eine Inversion der mechanischen Dynamik des Ventilschiebers und der Magnetkennlinie auf den gewünschten Strom durch die Spule der ZME geschlossen. Die inverse Ventilschieberdynamik kann sowohl als statische als auch als dynamische Nichtlinearität umgesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. Liu, Y. Z. Cai, D. Y. Gu, and W. D. Zhang. ”New modified Smith predictor scheme for integrating and unstable processes with time delay”, IEE Proc.-Control Theory Appl., vol. 152, pp. 238–246, 2005 [0016]
