DE102014212745A1

DE102014212745A1 - System und verfahren zum lernen aus der rückmeldung von fehlern in nichtlinearen systemen

Info

Publication number: DE102014212745A1
Application number: DE201410212745
Authority: DE
Inventors: Dimitar Petrov Filev; Michio Sugeno; Yan Wang; Luka Eciolaza; Tadanari Taniguchi; John Ottavio Michelini
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-01-15
Also published as: RU2670551C2; US10152037B2; CN104279069B; US20150018981A1; RU2014127983A; CN104279069A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators offenbart. Der Aktuator kann ein linearer oder ein nichtlinearer Aktuator sein. In einem Beispiel wird ein pseudoinverses stückweise bilineares Modell in Reaktion auf die Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers angepasst, um die Vorwärtsregelung zu verbessern.

Description

Das Lernen aus der Rückmeldung von Fehlern (FEL) ist als ein Weg beschrieben worden, um ein inverses lineares Anlagenmodell oder ein Anlagenmodell mit neuronalen Netzen zu identifizieren. Das inverse Anlagenmodell kann als ein Teil eines Vorwärtsregelungssystems verwendet werden, um eine Anlage zu steuern. Es kann z. B. eine Solltrajektorie eines Aktuators in das inverse Anlagenmodell eingegeben werden, wobei ein Steuerbefehl, um der Solltrajektorie zu folgen, von dem inversen Anlagenmodell ausgegeben wird. Das inverse Anlagenmodell kann über das FEL identifiziert werden, indem die Parameter eines inversen linearen Vorwärtsregelungsmodells oder eines neuronalen Netzes basierend auf einer Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers angepasst werden. Das inverse lineare Modell oder das Modell eines neuronalen Netzes ist eine Grundlage für die Steuerbefehle, während die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers verwendet wird, um die Parameter des linearen Modells oder des Modells eines neuronalen Netzes anzupassen und die Steuerhandlungen zu korrigieren, die von dem inversen Anlagenmodell ausgehen. Als solche werden zwei Typen des FEL betrachtet, nämlich das FEL mit einem Modell eines neuronalen Netzes und das FEL mit einem linearen Modell.
Das FEL wurde ursprünglich als ein Weg vorgeschlagen, um eine Vorrichtung oder ein Gerät auf eine Weise zu steuern, die zu der Weise ähnlich ist, in der ein menschliches Gehirn die Bewegung eines Arms oder eines Beins steuert. Biologische Steuersysteme, die ein Gehirn enthalten, können eine langsame oder verzögerte Rückkopplung aufweisen. Einige Forscher glauben jedoch, dass das Gehirn basierend auf der Kenntnis eines inversen Anlagenmodells schnelle und glatte Steuerhandlungen bereitstellt. Mit dieser Kenntnis kann das Gehirn eine Gliedmaße auf eine Solltrajektorie befehlen, ohne darauf warten zu müssen, eine Rückkopplung von den Nerven oder den Sinnesorganen zu empfangen.
Anfangs enthielten die Untersuchungen des FEL nur Modelle neuronaler Netze. Die Modelle neuronaler Netze können verwendet werden, um irgendeine nichtlineare Anlage zu steuern. Die Modelle neuronaler Netze besitzen jedoch komplexe Strukturen, wobei es deshalb sehr schwierig sein kann, eine theoretische Analyse der durch das Modell eines neuronalen Netzes bereitgestellten Steuerung auszuführen. Es kann z. B. schwierig sein, eine Stabilitätsanalyse des Steuersystems auszuführen, wenn ein neuronales Netz angewendet wird. Außerdem sind die Modelle neuronaler Netze durch ihre Natur etwas wie ein schwarzer oder grauer Kasten. Wenn das FEL mit einem Modell eines neuronalen Netzes kombiniert wird, ist deshalb die Herangehensweise für die praktische Verwendung nicht angemessen.
Die Steuertheoretiker führten später das FEL mit linearen Modellen ein und demonstrierten, dass das FEL mit linearen Modellen auf Stabilität analysiert werden konnte. Wenn jedoch das FEL mit einem linearen Modell kombiniert wird, ist es nur auf lineare Anlagen anwendbar. Folglich ist das FEL mit den Modellen neuronaler Netze oder mit linearen Modellen in der Anwendung und der Praxis etwas eingeschränkt gewesen.
Die Erfinder haben hier die obenerwähnten Nachteile erkannt und haben das FEL mit einem stückweise bilinearen Modell entwickelt. Dies ist ein Verfahren zum Steuern eines Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines pseudoinversen stückweise bilinearen Modells einer Anlage; Anpassen des pseudoinversen stückweise bilinearen Modells basierend auf einer Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das pseudoinverse stückweise bilineare Modell.
Durch das Anpassen eines pseudoinversen stückweise bilinearen Modells in Reaktion auf eine Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers kann es möglich sein, das technische Ergebnis des Verbesserns der Vorwärtsregelung für nichtlineare Systeme bereitzustellen. Insbesondere kann ein inverses Modell eines Aktuators durch eine N-dimensionale Nachschlagtabelle beschrieben werden. Die Einträge und Vertices der Nachschlagtabelle können über die Eingabe von einem Rückkopplungs-Controller eingestellt werden, so dass die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers schließlich gegen null angesteuert wird. Die Nachschlagtabelle stellt ein beinah exaktes inverses Modell der gesteuerten Anlage bereit, wenn die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers null erreicht. Folglich kann ein von der Nachschlagtabelle ausgegebener Aktuator- oder Anlagenbefehl die Anlage veranlassen, einer Solltrajektorie zu folgen, die eine Grundlage für das Indexieren der Daten in der Nachschlagtabelle war.
Außerdem kann durch das Anwenden des FEL mit einem stückweise bilinearen Modell irgendeine nichtlineare Anlage wie mit einem Modell eines neuronalen Netzes gesteuert werden, aber auf eine transparentere Weise. Ein stückweise bilineares Modell ist z. B. ein weißer Kasten, weil es durch eine Nachschlagtabelle repräsentiert wird. Deshalb ist das FEL mit einem stückweise bilinearen Modell für die praktische Verwendung sehr angemessen. Außerdem ist ein stückweise bilineares Modell parametrisch genau wie ein lineares Modell. Deshalb wird eine theoretische Analyse der durch das System bereitgestellten Steuerung leicht ausgeführt.
Die vorliegende Beschreibung kann mehrere Vorteile bereitstellen. Die Herangehensweise kann z. B. ermöglichen, dass ein Aktuator einer Solltrajektorie genauer folgt. Außerdem strebt die Herangehensweise an, die Aktuatorleistung in einem Steuersystem zu verbessern. Ferner kann die Herangehensweise auf vorhandene Fahrzeugsteuersysteme angewendet werden, wo nichtlineare Anlagen häufig sind und Nachschlagtabellen für die Steuerungen umfassend verwendet werden.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung leicht offensichtlich, wenn sie allein oder im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl der Konzepte einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie ist nicht gemeint, um die Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen begrenzt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile beseitigen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftmaschine;
2 zeigt ein Fahrzeug, in dem die Kraftmaschine arbeiten kann;
3 zeigt einen Beispiel-Blockschaltplan eines Controllers; und
4 zeigt ein Beispielverfahren zum Betreiben einer linearen oder einer nichtlinearen Anlage.
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf die Verbesserung des Betriebs nichtlinearer Aktuatoren und Systeme. Die Aktuatoren und die Systeme können Teil eines größeren Systems sein. In einem Beispiel, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, können die Aktuatoren und die Systeme in einem Fahrzeug und in einem Antriebsstrang enthalten sein. 3 zeigt einen vereinfachten Blockschaltplan eines Beispiel-Controllers. 4 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zum Implementieren eines Controllers, das das Anpassen eines inversen stückweise bilinearen Modells einer gesteuerten Anlage bereitstellt.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10, die mehrere Zylinder umfasst, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt ist, durch einen elektronischen Kraftmaschinen-Controller 12 gesteuert. Die Kraftmaschine 10 enthält eine Verbrennungskammer 30 und Zylinderwände 32, wobei ein Kolben 36 darin positioniert ist und mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Es ist gezeigt, dass die Verbrennungskammer 30 über ein Einlassventil 52 und ein Auslassventil 54 mit einem Einlasskrümmer 44 bzw. einem Auslasskrümmer 48 in Verbindung steht. Jedes Einlassventil und jedes Auslassventil kann durch einen Einlassnocken 51 und einen Auslassnocken 53 betrieben werden. Der Einlassnocken 51 und der Auslassnocken 53 können über einen Einlassnockenaktuator 81 und einen Auslassnockenaktuator 83 bezüglich der Kurbelwelle 40 gedreht werden. Die Position des Einlassnockens 51 kann durch einen Einlassnockensensor 55 bestimmt werden. Die Position des Auslassnockens 53 kann durch einen Auslassnockensensor 57 bestimmt werden.
Es ist gezeigt, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 66 positioniert ist, um den Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 30 einzuspritzen, was den Fachleuten auf dem Gebiet als Direkteinspritzung bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 66 führt Kraftstoff proportional zu dem Impulsbreitensignal vom Controller 12 zu. Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer 30 kann durch eine Zündkerze 68 gezündet werden. In einigen Beispielen können eine Drosselklappe 62, die Zündkerze 68, die Nocken 51 und 53 und die Kraftstoffeinspritzdüse 66 als Kraftmaschinendrehmomentaktuatoren bezeichnet werden.
Es ist gezeigt, dass der Einlasskrümmer 44 mit einer optionalen elektronischen Drosselklappe 62 in Verbindung steht, die eine Position einer Drosselklappen-Platte 64 einstellt, um die Luftströmung aus der Einlass-Aufladekammer 46 zu steuern. Ein Kompressor 162 zieht Luft vom Lufteinlass 42, um sie der Aufladekammer 46 zuzuführen. Die Abgase drehen eine Turbine 164, die über eine Welle 161 an den Kompressor 162 gekoppelt ist. In einigen Beispielen kann ein Ladeluftkühler bereitgestellt sein. Die Kompressordrehzahl kann über das Einstellen einer Position einer variablen Schaufelsteuerung 72 oder eines Kompressorumgehungsventils 158 eingestellt werden. In alternativen Beispielen kann ein Ladedrucksteuerventil 74 die variable Schaufelsteuerung 72 ersetzen oder zusätzlich zu der variablen Schaufelsteuerung 72 verwendet werden. Die variable Schaufelsteuerung 72 stellt die Position der Turbinenschaufeln mit variabler Geometrie ein. Die Abgase können durch die Turbine 164 hindurchgehen, wobei sie wenig Energie zuführen, um die Turbine 164 zu drehen, wenn sich die Schaufeln in einer offenen Position befinden. Die Abgase können durch die Turbine 164 hindurchgehen und eine vergrößerte Kraft auf die Turbine 164 übertragen, wenn sich die Schaufeln in einer geschlossenen Position befinden. Alternativ ermöglicht es das Ladedrucksteuerventil 74, dass die Abgase um die Turbine 164 strömen, um die der Turbine zugeführte Energiemenge zu verringern. Das Kompressorumgehungsventil 158 ermöglicht es, dass die komprimierte Luft am Auslass des Kompressors 162 zum Eingang des Kompressors 162 zurückgeführt wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Kompressors 162 verringert werden, um die Strömung des Kompressors 162 zu beeinflussen und die Möglichkeit des Kompressorpumpens zu verringern.
In einigen Beispielen kann ein universeller Abgassauerstoffsensor (UEGO-Sensor) 126 stromaufwärts einer Emissionsvorrichtung 70 an den Auslasskrümmer 48 gekoppelt sein, wie gezeigt ist. In anderen Beispielen kann sich der UEGO-Sensor stromabwärts von einer oder mehreren Abgasnachbehandlungsvorrichtungen befinden.
Die Emissionsvorrichtung 70 kann einen Dreiwegekatalysator in der Form von mehreren Katalysatorbausteinen enthalten. In einem weiteren Beispiel können mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen, jede mit mehreren Bausteinen, verwendet werden. Die Emissionsvorrichtung 70 kann in einem Beispiel einen Oxidationskatalysator enthalten. In anderen Beispielen kann die Emissionsvorrichtung eine Mager-NOx-Falle oder eine selektive Katalysatorreduktion (SCR) und/oder einen Partikelfilter (DPF) und/oder eine Kohlenwasserstofffalle enthalten.
In den Beispielen, in denen die Kraftmaschine 10 eine Dieselkraftmaschine ist, kann 66 eine Glühkerze sein und kann 68 eine Kraftstoffeinspritzdüse sein. Die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung kann bezüglich einer Position der Kurbelwelle 40 eingestellt werden, um die Zeitsteuerung der Verbrennung zu steuern.
Der Controller 12 ist in 1 als ein herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, der Folgendes enthält: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe-/Ausgabeports 104, einen Festwertspeicher 106, einen Schreib-Lese-Speicher 108, einen Haltespeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus. Es ist gezeigt, dass der Controller 12 zusätzlich zu jenen Signalen, die vorher erörtert worden sind, verschiedene Signale von an die Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren empfängt, die Folgendes enthalten: eine Kraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur (ECT) von einem an eine Kühlhülse 114 gekoppelten Temperatursensor 112; einen Positionssensor 134, der an ein Fahrpedal 130 gekoppelt ist, um die durch einen Fuß 132 eingestellte Fahrpedalposition abzutasten; eine Messung des Kraftmaschinen-Krümmerdrucks (MAP) von einem an den Einlasskrümmer 44 gekoppelten Drucksensor 121; einen Ladedruck von einem Drucksensor 122, die Abgassauerstoffkonzentration von einem Sauerstoffsensor 126; einen Kraftmaschinen-Positionssensor von einem Hall-Effekt-Sensor 118, der die Position der Kurbelwelle 40 abtastet; eine Messung einer in die Kraftmaschine eintretenden Luftmasse von einem Sensor 120 (z. B. einem Hitzdraht-Luftdurchflussmesser); und eine Messung der Drosselklappenposition von einem Sensor 58. Ein Atmosphärendrucksensor 135 gibt den umgebenden Atmosphärendruck dem Controller 12 an. In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Beschreibung erzeugt der Kraftmaschinen-Positionssensor 118 eine vorgegebene Anzahl gleich beabstandeter Impulse bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle, aus denen die Kraftmaschinendrehzahl (RPM) bestimmt werden kann.
Während des Betriebs durchläuft jeder Zylinder in der Kraftmaschine 10 typischerweise einen Viertaktzyklus: der Zyklus enthält den Einlasstakt, den Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und den Ausstoßtakt. Im Allgemeinen ist während des Einlasstakts das Auslassventil 54 geschlossen und das Einlassventil 52 geöffnet. Über den Einlasskrümmer 44 wird Luft in die Verbrennungskammer 30 eingeleitet, wobei sich der Kolben 36 zum Boden des Zylinders bewegt, um das Volumen in der Verbrennungskammer 30 zu vergrößern. Die Position, in der sich der Kolben 36 in der Nähe des Bodens des Zylinders und am Ende seines Takts (z. B. wenn sich die Verbrennungskammer 30 auf ihrem größten Volumen befindet) befindet, wird durch die Fachleute auf dem Gebiet typischerweise als unterer Totpunkt (BDC) bezeichnet. Während des Verdichtungstakts sind das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 geschlossen. Der Kolben 36 bewegt sich zum Zylinderkopf, um die Luft in der Verbrennungskammer 30 zu verdichten. Der Punkt, an dem sich der Kolben 36 am Ende seines Takts und am nächsten beim Zylinderkopf (z. B. wenn sich die Verbrennungskammer 30 auf ihrem kleinsten Volumen befindet) befindet, wird durch die Fachleute auf dem Gebiet typischerweise als oberer Totpunkt (TDC) bezeichnet. In einem Prozess, der im Folgenden als Einspritzung bezeichnet wird, wird der Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingeleitet. In einigen Beispielen kann der Kraftstoff während eines einzigen Zylinderzyklus mehrmals in einen Zylinder eingespritzt werden. In einem Prozess, der im Folgenden als Zündung bezeichnet wird, wird ein Funken bereitgestellt, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder zu verbrennen. Alternativ kann die Verbrennung über eine Kompressionszündung eingeleitet werden. Während des Arbeitstakts schieben die sich ausdehnenden Gase den Kolben 36 zurück zum BDC. Die Kurbelwelle 40 setzt die Kolbenbewegung in ein Drehmoment der Drehwelle um. Schließlich ist das Auslassventil 54 während des Ausstoßtakts geöffnet, um das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Auslasskrümmer 48 auszustoßen, wobei der Kolben zum TDC zurückkehrt. Es sei angemerkt, dass das Obige lediglich als ein Beispiel beschrieben worden ist und dass sich die Öffnungs- und/oder Schließzeiten der Einlass- und Auslassventile ändern können, wie z. B. um eine positive oder negative Ventilüberschneidung, ein spätes Schließen des Einlassventils oder verschiedene andere Beispiele bereitzustellen. Ferner kann in einigen Beispielen anstelle eines Viertaktzyklus ein Zweitaktzyklus verwendet werden.
In 2 ist ein Fahrzeug, in dem die Kraftmaschine 10 arbeiten kann, gezeigt. Es ist gezeigt, dass das Fahrzeug 202 die Kraftmaschine 10 enthält. In einigen Beispielen kann das Fahrzeug 202 außerdem einen Motor/Generator 255 enthalten, um dem Triebstrang des Fahrzeugs selektiv Drehmoment zuzuführen. Das Fahrzeug 202 kann außerdem einen Gegenstandssensor 290 zum Abtasten von Gegenständen im Weg des Fahrzeugs und zum Einstellen des Fahrzeugbetriebs in Reaktion auf den Gegenstand enthalten. Falls ein Gegenstand im Weg des Fahrzeugs abgetastet wird, können z. B. die Bremsen 226 angewendet werden und kann der Betrieb eines Drehmomentaktuators der Kraftmaschine 10 eingestellt werden. Die Bremsen 226 können automatisch angewendet werden, indem der Druck in den Bremsleitungen über eine Hydraulikpumpe 228 erhöht wird. Ferner kann ein Aufhängungsaktuator 224 die Höhe des Fahrzeugs bezüglich einer Straße einstellen und über das Ändern der Aufhängungsdämpfung des Fahrzeugs die Fahrt des Fahrzeugs starr oder weich machen.
In 3 ist ein Beispiel-Blockschaltplan eines Controllers gezeigt. Der Controller 300 enthält ein Bezugssignal oder eine Bezugstrajektorie, das bzw. die als ref bezeichnet ist. Das Bezugssignal wird in eine Nachschlagtabelle 302 und eine Summationsverbindung 306 eingegeben. Die Ableitung des Bezugssignals bezüglich der Zeit wird bei 304 gebildet und in die Nachschlagtabelle 302 eingegeben.
Die Nachschlagtabelle 302 enthält Tabelleneinträge und -vertices, die ein inverses oder pseudoinverses Modell einer Anlage 320 beschreiben. Die Nachschlagtabelle 302 arbeitet als ein stückweise bilineares Modell. In diesem Beispiel sind die Referenzeingabe und ihre Ableitung bezüglich der Zeit die Eingaben, um die Nachschlagtabelle 302 zu indexieren. Falls die Anlage 320 linear und invertierbar ist, ist die Nachschlagtabelle 302 ein Inverses der Anlage 320. Falls die Anlage 320 nichtlinear und nicht invertierbar ist, ist die Nachschlagtabelle 302 ein Pseudoinverses oder annäherndes Inverses der Anlage 320, weil die Anlage 320 nicht invertierbar ist. Die Ausgabe aus der Nachschlagtabelle 302 stellt eine Vorwärtsregelungskomponente u_ff der Steuerausgabe u für die Anlage 320 bereit. Ein Rückkopplungs-Controller 308 stellt eine Rückkopplungskomponente u_fb der Steuerausgabe u für die Anlage 320 bereit. Die Parameter u_ff und u_fb werden an der Summationsverbindung 310 addiert, bevor sie in die Anlage 320 eingegeben werden. Die Anlage 320 kann ein Aktuator in dem System sein, wie es in 1 und 2 beschrieben ist. Alternativ kann die Anlage 320 eine Anlage in irgendeinem System sein, wo die Anlage 320 durch ein stückweise bilineares Modell approximiert werden kann. Die Reaktion y der Anlage 320 wird zu der Summationsverbindung 306 zurückgekoppelt, wo sie von der Referenzeingabe oder dem Referenzsignal abgezogen wird, um einen Fehlerwert bereitzustellen. Der Fehlerwert wird in den Rückkopplungs-Controller 308 eingegeben. Der Rückkopplungs-Controller 308 kann ein Proportional-Integral-Controller oder irgendein anderer Typ eines bekannten Controllers sein. Die Ausgabe aus dem Rückkopplungs-Controller 308 wird zur Nachschlagtabelle 302 und zur Summationsverbindung 310 geleitet. Die Tabellenwerte und -vertices der Nachschlagtabelle 302 werden in Reaktion auf die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers 308 angepasst. Folglich arbeitet die Ausgabe aus dem Rückkopplungs-Controller 308, um einen Fehler aus dem inversen oder pseudoinversen Modell, das durch die Nachschlagtabelle 302 repräsentiert wird, zu entfernen, wobei sie außerdem arbeitet, um den Betrieb der Anlage 320 zu stabilisieren und die Wirkung von Fehlern zu verringern, die sich in der Nachschlagtabelle 302 befinden können, während die Nachschlagtabelle 302 zu einem verbesserten inversen oder pseudoinversen Modell der Anlage 320 angepasst wird.
In 4 ist ein Beispielverfahren zum Betreiben einer linearen oder einer nichtlinearen Anlage, die als ein inverses oder pseudoinverses stückweise bilineares Modell beschrieben werden kann, beschrieben. Das stückweise bilineare Modell ist ein vollständig parametrisches Modell, das zum Darstellen linearer und nichtlinearer Systeme nützlich ist. Das Verfahren nach 4 kann als ausführbare Anweisungen bereitgestellt sein, die in einem nichtflüchtigen Speicher eines Systems, wie z. B. des in den 1 und 2 gezeigten Systems, gespeichert sind.
Bei 402 bestimmt das Verfahren 400 einen Vorwärtsregelungs-Controller für das Betreiben einer Anlage. Die Anlage kann ein Aktuator in einem Fahrzeugsystem sein, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist. Alternativ kann sich die Anlage in irgendeinem System befinden, wo die Anlage über ein stückweise bilineares Modell beschrieben werden kann. Ferner kann die Anlage linear oder nichtlinear sein.
In einem Beispiel kann der Vorwärtsregelungs-Controller aus Offline-Anlagendaten identifiziert und konstruiert werden. Ferner kann der Vorwärtsregelungs-Controller als ein inverses oder pseudoinverses stückweise bilineares Modell implementiert werden. Das stückweise bilineare Modell wird immer durch Matrizen gebildet, wobei jeder Wert in der Matrix als ein Vertex in dem stückweise bilinearen Modell bezeichnet wird. In einem Beispiel, in dem das Vorwärtsregelungsmodell ein stückweise bilineares Modell verwendet, das als eine Nachschlagtabelle ausgedrückt und implementiert ist, die über eine oder mehrere Variable indexiert wird, können die Tabellenachsen als die erwarteten Grenzen von einer oder mehreren Indexvariable definiert werden (wo z. B. eine Y-Achse einer Tabelle die Kraftmaschinendrehzahl ist und eine X-Achse der Tabelle die Kraftmaschinenlast ist, kann sich die Y-Achse von 0 bis 1 erstrecken und kann sich die X-Achse von 0 bis 7000 U/min erstrecken). Die Vertices der Einträge der Nachschlagtabelle können basierend auf den Tabellendimensionen und den Ausdehnungen der X- und Y-Achse gleichmäßig unterteilt werden. In anderen Beispielen kann jedoch ein höher entwickeltes Verfahren zum Identifizieren des inversen oder pseudoinversen Modells bereitgestellt sein. Das stückweise bilineare Modell kann z. B. über das Minimieren eines Leistungsindexes basierend auf m Abtastwerten der Eingaben und Ausgaben der Anlage identifiziert werden. Nachdem der Vorwärtsregelungs-Controller bestimmt worden ist, geht das Verfahren 400 zu 402 weiter.
Bei 404 bestimmt das Verfahren 400 einen Rückkopplungs-Controller zum Steuern der Anlage und zum Bereitstellen einer Eingabe, um den Vorwärtsregelungs-Controller anzupassen. In einem Beispiel kann der Rückkopplungs-Controller als ein Proportional-/Integral-Controller implementiert sein, bei dem ein einer Anlage zugeführter Befehl auf einem Fehler basiert, der aus einem Unterschied zwischen einem Anlagenbefehl und einer Anlagenreaktion bestimmt wird. Der Anlagenbefehl wird um einen proportionalen Betrag des Fehlers eingestellt. Ferner wird der Anlagenbefehl basierend auf dem integrierten Fehler eingestellt. Insbesondere werden der proportionale Betrag des Fehlers und der integrierte Fehler addiert und als der Steuerbefehl in die Anlage eingegeben. In anderen Beispielen können andere Typen der Controller die Grundlage für den Rückkopplungs-Controller sein. Es kann z. B. ein Proportional-/Integral-/Differential-Controller (PID-Controller) der Rückkopplungs-Controller sein. In noch weiteren Beispielen ist der Rückkopplungs-Controller der Fahrer des Fahrzeugs. Der Fahrer kann z. B. die Steuerhandlungen ändern, wenn die Fahrzeugleistung der durch den Fahrer gewünschten oder wahrgenommenen Leistung nicht entspricht. Der durch den Rückkopplungs-Controller bereitgestellte Fehler kann auf die Fehler in dem nominellen Anlagenmodell, die Abweichung der Umgebungsbedingungen von den nominellen Umgebungsbedingungen, einen falschen nominellen Vorwärtsregelungs-Controller oder die Abweichung des Vorwärtsregelungs-Controllers von einer nominellen Eichung zurückzuführen sein. Nach dem Bestimmen des Rückkopplungs-Controllers geht das Verfahren 400 zu 406 weiter.
Bei 406 empfängt das Verfahren 400 eine Soll-Anlagentrajektorie oder eine Befehlseingabe. Die Soll-Anlagentrajektorie kann auf einer vorgegebenen Solltrajektorie basieren, die eine Soll-Anlagenreaktion bereitstellt. Bei 406 kann z. B. eine Sollanwendungsrate der Fahrzeugbremsen, die ein Fahrzeug stoppt, ohne ein Schleudern zu verursachen, in das Steuersystem eingegeben werden. In anderen Beispielen können andere Sollbefehlseingaben für andere Aktuatoren, wie z. B. Nockenwellenaktuatoren, Drosselklappenaktuatoren, Kraftstoffeinspritzdüsen, Fahrzeuggeschwindigkeitsaktuatoren, Drehmomentsteuerungsaktuatoren, Aktuatoren des Turbolader-Ladedrucksteuerventils, Klimasteuerungsaktuatoren und Fahrzeugaufhängungsaktuatoren, in Abhängigkeit von der gesteuerten Anlage in das System eingegeben werden.
Die Soll-Anlagentrajektorie wird in den Vorwärtsregelungs-Controller eingegeben. Die Soll-Anlagentrajektorie wird außerdem als ein Teil eines Fehlers, der durch das Abziehen der Reaktion der Anlage von der Soll-Anlagentrajektorie bestimmt wird, wie in 3 gezeigt ist, in einen Rückkopplungs-Controller eingegeben. Das Verfahren 400 geht zu 408 weiter.
Bei 408 summiert das Verfahren 400 die Ausgabe des Vorwärtsregelungs-Controllers und die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers, um der Anlage einen Steuerbefehl u bereitzustellen. Folglich enthält das Steuersignal für die Anlage einen Vorwärtsregelungsanteil eines Befehls u und einen Rückkopplungsanteil des Befehls u. Falls der Vorwärtsregelungsanteil des Befehls keinen Fehler enthält, geht der Rückkopplungsanteil des Anlagenbefehls gegen null. Nachdem die Vorwärtsregelungs- und Rückkopplungssteuerbefehle summiert worden sind, geht das Verfahren 400 zu 410 weiter.
Bei 410 stellt das Verfahren 400 den Betrieb der Anlage ein. Die Anlage kann ein Aktuator oder ein Aktuator, wie z. B. Kraftmaschinendrehmomentaktuatoren, Fahrzeugaufhängungsaktuatoren, Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungsaktuatoren oder irgendwelche anderen Aktuatoren sein, die durch ein stückweise bilineares Modell beschrieben werden können. Ferner können mehrere Aktuatoren der hier beschriebenen Aktuatoren gleichzeitig eingestellt werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit, das Kraftmaschinendrehmoment, die Kraftmaschinendrehzahl und die Verkehrsverfolgungseigenschaften des Fahrzeugs zu steuern. Noch weiter können mehrere Versionen des Verfahrens nach 4 beim Steuern der Kraftmaschine oder des Fahrzeugs enthalten sein. Es können z. B. eine Drosselklappe und ein Einlassnocken der Kraftmaschine durch separate Versionen des Verfahrens nach 4 oder eine einzige Version des Verfahrens nach 4 gleichzeitig gesteuert werden. Der Aktuator kann über elektrische Energie, pneumatische Energie, chemische Energie oder einen anderen bekannten Aktuatortyp gesteuert werden. Nachdem die Anlage oder der Aktuator gesteuert worden ist, geht das Verfahren 400 zu 412 weiter.
Bei 412 bestimmt das Verfahren 400 den Fehler zwischen der Solltrajektorie des Aktuators oder der Anlage und der tatsächlichen Trajektorie des Aktuators oder der Anlage. Insbesondere wird die Trajektorie der Anlage von der Solltrajektorie der Anlage abgezogen, um einen Anlagenfehler bereitzustellen. Nachdem der Anlagenfehler bestimmt worden ist, geht das Verfahren 400 zu 414 weiter.
Bei 414 passt das Verfahren 400 die Einträge und die Vertices der Nachschlagtabelle an, um das inverse oder pseudoinverse stückweise bilineare Modell zu verbessern, das in der Form einer Nachschlagtabelle dargestellt worden ist. In einem Beispiel kann die Nachschlagtabelle über einen sequentiellen Online-Lernalgorithmus angepasst werden, wobei die Interpolation zwischen den Einträgen und Vertices der Nachschlagtabelle auf einer bilinearen Interpolation basiert.
Ein vereinfachtes Anlagenmodell kann als y = p(u) ausgedrückt werden, wobei y die Ausgabe ist und u die Steuereingabe ist. Das inverse Modell kann als u = p^–1(y) ausgedrückt werden, wobei angenommen wird, dass die Anlage invertierbar ist. Das inverse Modell für den Vorwärtsregelungs-Controller in dem FEL kann als u_ff = p^–1(r, r .) ausgedrückt werden, wobei r eine Sollausgabe y_d ist und wobei r . y ._d ist. Der Vorwärtsregelungs-Controller in diesem Beispiel enthält sowohl zwei Eingaben y und y . als auch eine einzige Ausgabe u_ff. Ferner enthält der Vorwärtsregelungs-Controller in diesem Beispiel ein pseudoinverses Modell, weil die Anlage im Allgemeinen nicht invertierbar ist, es sei denn, ihr relativer Grad ist null.
Die Vorwärtsregelungs-Steuerparameter werden gelernt, um den durch:
beschriebenen Leistungsindex zu minimieren. Dabei ist u_ff die Vorwärtsregelungs-Ausgabe, ist u₀ die ideale Vorwärtsregelungs-Steuerausgabe, wobei u_ff = p^–1(r, r ., V) gilt, und dabei ist V eine Matrix der Vertices. Die stückweise bilineare Darstellung des Vorwärtsregelungs-Controllers ist:
Die Ableitung von I kann als:
ausgedrückt werden. Die Variable I kann unter Verwendung ihrer Ableitung sequentiell minimiert werden; der Fehler (u_ff – u₀) ist jedoch nicht verfügbar, weil u₀ unbekannt ist. Stattdessen kann der Rückkopplungs-Controller u_fb anstelle von (u_ff – u₀) verwendet werden. Die Ableitung von I wird:
Das sequentielle Lernen wird über den folgenden Algorithmus angewendet:
Dabei ist δ ein einstellbarer Parameter für die Rate des adaptiven Lernens. Falls das Lernen erfolgreich ist, gilt V_new = V_old, wobei u_fb null wird. Ein Modellparameter, der jedem Vertex eines Bereichs entspricht, wird als:
aktualisiert. Die Variable V_new und V_old beziehen sich auf die Werte von vier Vertices eines Bereichs. Deshalb wird die partielle Ableitung von u_ff bezüglich jedes der Vertices:
Wenn das stückweise bilineare Modell zweidimensional ist, wird die Vorwärtsregelungsausgabe: u_ff = (1 – α)(1 – β)V(_σ,τ) + (1 – α)βV_(σ,τ+1) + α(1 – β)V_(σ+1,τ) + αβV_(σ+1,τ+1)
Jeder Wert von u_ff wird zwischen den Werten der vier Vertices, die einen Bereich definieren, interpoliert. Die Berechnung der partiellen Ableitungen wird: ∇p^–1 =((1 – α)(1 – β),(1 – α)β, α(1 – β), αβ)
Die Änderung in jedem Vertex eines Bereichs wird: V_new(σ,τ) = Vold_(σ,τ) – δ(1 – α)(1 – β)u_fb V_new(σ,τ+1) = V_old(σ,τ+1) – δ(1 – α)βu_fb V_new(σ+1,τ) = V_old(σ+1,τ) – δα(1 – β)u_fb V_{new(σ+1,τ+1)} = V_{old(σ+1,τ+1)} – δβu_fb
Auf diese Weise werden die Vorwärtsregelungswerte und die Vertices der Nachschlagtabelle basierend auf der Ausgabe aus dem Rückkopplungs-Controller eingestellt. Nachdem die Nachschlagtabelle eingestellt worden ist, geht das Verfahren 400 zu 416 weiter.
Bei 414 beurteilt das Verfahren 400 in Abhängigkeit von der gesteuerten Anlage, ob die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers im Wesentlichen null ist oder innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um null liegt. Falls z. B. der Steuerbefehl für die gesteuerte Anlage zwischen –100 und 100 liegt, kann das Verfahren 400 bestimmen, dass die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um null liegt, wenn die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers zwischen –2 und 2 liegt. Falls das Verfahren 400 beurteilt, dass die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers im Wesentlichen null ist, lautet die Antwort ja und geht das Verfahren 400 zum Ausgang weiter. Andernfalls lautet die Antwort nein und fährt das Verfahren 400 fort, die Werte in der Nachschlagtabelle anzupassen. Es sollte erwähnt werden, dass, falls die Anlage unter den Bedingungen eines relativ stationären Zustands arbeitet und bestimmt wird, dass die Ausgabe aus dem Rückkopplungs-Controller innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um null liegt, das Verfahren 400 enden kann und andere Bereiche in der Nachschlagtabelle weiter anpassen kann, wenn sich die Betriebsbedingungen der Anlage ändern. Außerdem kann der Rückkopplungs-Controller weiterhin arbeiten, so dass, falls sich die Bedingungen der Anlage ändern, das System zurück zu dem Sollsteuerpunkt angesteuert werden kann. Die Nachschlagtabellen können angepasst werden, falls die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers von null oder von einem vorgegebenen Bereich um null abweicht.
Folglich stellt das Verfahren nach 4 das Steuern eines Systems bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines pseudoinversen stückweise bilinearen Modells einer Anlage; Anpassen des pseudoinversen stückweise bilinearen Modells basierend auf einer Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das pseudoinverse stückweise bilineare Modell. Das Verfahren enthält, dass das pseudoinverse stückweise bilineare Modell über eine Nachschlagtabelle implementiert ist und dass die Anlage der Aktuator ist. Das Verfahren enthält, dass das pseudoinverse stückweise bilineare Modell ein angenähertes Inverses eines nicht invertierbaren Anlagenmodells repräsentiert.
In einigen Beispielen enthält das Verfahren das Steuern mehrerer Aktuatoren, die das Kraftmaschinendrehmoment steuern. Das Modell enthält, dass der Kraftmaschinendrehmomentaktuator einer von oder eine Kombination aus einem Nockenwellenaktuator, einem Drosselklappenaktuator, einem Ladedrucksteuerventilaktuator, einem Funken-Controller oder einer Kraftstoffeinspritzdüse ist. Das Verfahren enthält das Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit über mehrere Aktuatoren. Das Verfahren enthält, dass der Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungsaktuator einer von oder eine Kombination aus einem Fahrzeugbremsenaktuator oder einem Drosselklappenaktuator ist. Das Verfahren enthält außerdem, dass der Aktuator ein Aktuator des Turbolader-Ladedrucksteuerventils ist.
Das Verfahren nach 4 stellt außerdem das Steuern eines Systems bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines stückweise bilinearen Modells einer Anlage; Anpassen des stückweise bilinearen Modells in Reaktion auf eine Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das stückweise bilineare Modell und die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern der Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers gegen null über das Anpassen des stückweise bilinearen Modells. Das Verfahren enthält, dass das stückweise bilineare Modell in der Form einer Nachschlagtabelle vorliegt und dass die Anlage der Aktuator ist. Das Verfahren enthält, dass das Anpassen des stückweise bilinearen Modells das Einstellen eines Tabelleneintrags der Nachschlagtabelle enthält.
In einigen Beispielen enthält das Verfahren, dass das Anpassen des stückweise bilinearen Modells das Einstellen einer oder mehrerer Tabellenvertices enthält. Das Verfahren enthält, dass eine Bezugstrajektorie in das stückweise bilineare Modell der Anlage eingegeben wird und dass eine Ausgabe des stückweise bilinearen Modells zu einer Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers hinzugefügt wird. Das Verfahren enthält, dass der Aktuator ein Fahrzeugbremssystemaktuator ist. Das Verfahren enthält, dass der Aktuator ein Fahrzeugklimasteueraktuator ist.
Das Verfahren nach 4 stellt außerdem das Steuern eines nichtlinearen Systems bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines stückweise bilinearen Modells einer nichtlinearen Anlage; Anpassen des stückweise bilinearen Modells über das Minimieren eines Leistungsindexes in Reaktion auf eine Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das stückweise bilineare Modell und die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen eines Zustands des Aktuators zu dem Rückkopplungs-Controller und, dass der Aktuator die nichtlineare Anlage ist. Das Verfahren enthält, dass der Aktuator ein Aktuator eines Fahrzeugs ist. Das Verfahren enthält, dass der Aktuator ein Kraftmaschinendrehmomentaktuator ist.
Wie durch einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkannt wird, kann das in 4 beschriebene Verfahren eine oder mehrere aus irgendeiner Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie z. B. ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, repräsentieren. Als solche können die veranschaulichten verschiedenen Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden, parallel ausgeführt werden, oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die hier beschriebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern sie ist für die Leichtigkeit der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Obwohl es nicht explizit veranschaulicht ist, erkennt ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, dass einer oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen in Abhängigkeit von der verwendeten besonderen Strategie wiederholt ausgeführt werden können. Ferner können die beschriebenen Verfahren in Hardware, Software oder einer Kombination aus Hardware und Software implementiert sein. Noch ferner können die Verfahren als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Medium in dem in den 1 und 2 gezeigten System gespeichert sein.
Dies beschließt die Beschreibung. Den Fachleuten auf dem Gebiet würden beim Lesen der Beschreibung viele Änderungen und Modifikationen klar werden, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Die vorliegende Beschreibung könnten z. B. Einzylinder-, I2-, I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10-, V12- und V16-Kraftmaschinen, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder alternativen Kraftstoffkonfigurationen arbeiten, vorteilhaft verwenden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines pseudoinversen stückweise bilinearen Modells einer Anlage; Anpassen des pseudoinversen stückweisen bilinearen Modells basierend auf einer Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das pseudoinverse stückweise bilineare Modell.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das pseudoinverse stückweise bilineare Modell über eine Nachschlagtabelle implementiert ist und wobei die Anlage der Aktuator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das pseudoinverse stückweise bilineare Modell eine angenäherte Inverse eines nicht invertierbaren Anlagenmodells repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Kraftmaschinendrehmomentaktuator ist
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kraftmaschinendrehmomentaktuator entweder ein Nockenwellenaktuator, ein Drosselklappenaktuator oder eine Kraftstoffeinspritzdüse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungsaktuator ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungsaktuator entweder ein Fahrzeugbremsenaktuator oder ein Drosselklappenaktuator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Aktuator eines Turbolader-Ladedrucksteuerventils ist.
Verfahren zum Steuern eines Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines stückweise bilinearen Modells einer Anlage; Anpassen des stückweise bilinearen Modells in Reaktion auf eine Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das stückweise bilineare Modell und die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Ansteuern der Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers gegen null über das Anpassen des stückweise bilinearen Modells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das stückweise bilineare Modell in der Form einer Nachschlagtabelle vorliegt und wobei die Anlage der Aktuator ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anpassen des stückweise bilinearen Modells das Einstellen eines Tabelleneintrags der Nachschlagtabelle enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anpassen des stückweise bilinearen Modells das Einstellen eines oder mehrerer Tabellenvertices enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Bezugstrajektorie in das stückweise bilineare Modell der Anlage eingegeben wird und wobei eine Ausgabe des stückweise bilinearen Modells zu einer Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Aktuator ein Fahrzeugbremssystemaktuator ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Aktuator ein Fahrzeugklimasteueraktuator ist.
Verfahren zum Steuern eines nichtlinearen Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines stückweise bilinearen Modells einer nichtlinearen Anlage; Anpassen des stückweise bilinearen Modells über das Minimieren eines Leistungsindexes in Reaktion auf eine Ausgabe eines Rückkopplungs-Controllers; und Einstellen des Betriebs eines Aktuators in Reaktion auf das stückweise bilineare Modell und die Ausgabe des Rückkopplungs-Controllers.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Zuführen eines Zustands des Aktuators zu dem Rückkopplungs-Controller umfasst, wobei der Aktuator die nichtlineare Anlage ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Aktuator ein Aktuator eines Fahrzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Aktuator ein Kraftmaschinendrehmomentaktuator ist.