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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Optimierung eines Modells
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Es sind bereits Verfahren zur Optimierung von Modellen zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen ein Vergleich zwischen
gemessenen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine und aus dem Modell berechneten Zuständen erfolgt.
Es erfolgt dann eine Anpassung von Kennfeldern, die für die Berechnungen
des Modells herangezogen werden. Dabei wird angestrebt, die Abweichung
zwischen den vom Modell berechneten Werten und den gemessenen Werten möglichst
gering zu halten.
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Aus
der
DE 199 10 03 A1 ist
bereits ein Verfahren zur Optimierung eines Kennfeldes bekannt, bei
dem eine Glättung
des Kennfeldes bei der Optimierung des Kennfeldes berücksichtigt
wird.
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Der
unabhängige
Patentanspruch löst
die Aufgabe ein Verfahren anzugeben das besser geeignet ist, Nebenbedingungen,
die auch bei der Optimierung des Modells berücksichtigt werden, in Betracht zu
ziehen. Durch die Berücksichtigung
der Glättung des
Kennfeldes wird insbesondere das Verhalten bei der Steuerung von
dynamischen Zuständen
der Brennkraftmaschine verbessert. Weiterhin erfolgt so leicht automatisch
eine sinnvolle Ausfüllung
von Randbereichen des Kennfelds, die bei einer Messung an einer
realen Brennkraftmaschine nur schwer zugänglich sind. Weiterhin hat
das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil, dass es weitgehend automatisiert durchgeführt werden
kann.
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Weitere
Fortbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale
der abhängigen Patentansprüche. Besonders
einfach werden die Abweichungen zwischen den berechneten und den
gemessenen Ausgangsgrößen dergestalt
berücksichtigt,
dass die Abweichungen verringert werden sollen. Für die Glättung des
Kennfelds wird besonders einfach die zweite Ableitung des Kennfelds
für jeden Punkt
des Kennfelds berücksichtigt.
Durch einen Wichtungsfaktor kann die Einflussnahme dieser beiden
Faktoren unterschiedlich stark gewichtet werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Ansicht von einem Steuergerät, das
eine Brennkraftmaschine steuert,
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2 eine
schematische Ansicht eines Modells zur Steuerung,
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3 und 4 zwei
unterschiedliche Kennfelder, die in dem Modell verwendet werden.
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In
der 1 wird schematisch eine Motorsteuerung 10 und
eine davon gesteuerte Brennkraftmaschine 11 gezeigt. Der
Motorsteuerung 10 werden Eingangswerte 12, 13 zugeführt. In
Abhängigkeit
von diesen Eingangswerten 12, 13 berechnet die
Motorsteuerung 10 Steuerungswerte 14 für die Brennkraftmaschine 11.
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 11 können durch entsprechende Messsignale 13 und 15 beobachtet
werden. Der Motorsteuerung 10 werden mit den Eingangswerten 12 externe
Eingangswerte zur Verfügung
gestellt, die sich nicht durch Betriebszustände des Verbrennungsmotors 11 ergeben.
Dabei kann es sich beispielsweise um die Lufttemperatur, aber auch
um eine Vorgabe des Fahrers eines Kraftfahrzeugs (Gaspedalstellung)
handeln. Durch die Eingangswerte 13 werden der Motorsteuerung 10 Eingangswerte
zur Verfügung
gestellt, die sich durch Messungen an der Brennkraftmaschine ergeben.
Dabei kann es sich beispielsweise um die Drehzahl, die Motortemperatur
oder ein Signal für die
dem Motor zugeführte
Verbrennungsluft handeln. In Abhängigkeit
von den Eingangswerten 12 und 13 errechnet die
Motorsteuerung 10 Steuerungssignale 14, die zur
Steuerung der Brennkraftmaschine 11 dienen. Steuerung ist
hier im allgemeinen Sinn zu verstehen, so dass damit auch Regelvorgänge gemeint sind.
Bei derartigen Steuersignalen handelt es sich beispielsweise um
Signale, durch die bestimmt wird, zu welchem Zeitpunkt die einzelnen
Verbrennungsvorgänge
gezündet
werden, wieviel Kraftstoff zu welchem Zeitpunkt eingespritzt wird
und dergleichen. In Abhängigkeit
von den Steuersignalen 14 wird die Brennkraftmaschine 11 betrieben,
wobei sich in Abhängigkeit
von den Steuerdaten 14 unterschiedliche Betriebszustände der
Brennkraftmaschine 11 ergeben. Ein Teil der Betriebszustände der
Brennkraftmaschine werden der Steuerung durch die Eingangswerte 13 zurückgemeldet.
Für einen
Teil dieser Betriebszustände
sind jedoch keine geeigneten Sensoren vorhanden. Beispielsweise
erzeugt die Brennkraftmaschine ein Drehmoment, welches nicht unmittelbar
durch einen Sensor an die Motorsteuerung 10 zurückgemeldet
wird. Derartige Betriebszustände der
Brennkraftmaschine 11, die nicht an die Steuerung 10 zurückgemeldet
werden, werden hier durch den Pfeil 15 dargestellt.
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Innerhalb
der Motorsteuerung laufen in Abhängigkeit
von den Eingangsdaten 12, 13 eine Vielzahl von
Berechnungen ab. Für
einen Teil der Berechnungen wird auch eine Kenntnis der nicht unmittelbar
durch einen Sensor beobachtbaren Betriebszustände 15 der Brennkraftmaschine 11 benötigt. Diese
Werte werden durch bekannte Betriebszustände 12, 13 und
entsprechende Berechnungen modelliert. Typische Werte für solche
modellierten Größen sind
beispielsweise das Drehmoment der Brennkraftmaschine, der Druck
im Saugrohr unmittelbar vor den Zylindern der Brennkraftmaschine,
die tatsächlich eingespritzte
Menge an Kraftstoff, Druck und Temperatur im Abgastrakt oder der
Umgebungsdruck. Zur Erstellung derartiger Rechenmodelle sind Messungen
an einer Brennkraftmaschine 11, die stellvertretend für alle von
der Motorsteuerung 10 gesteuerten Brennkraftmaschinen steht,
erforderlich. Dabei können
auch die sonst nicht beobachtbaren Größen 15 gemessen werden
und es kann eine Berechnung dieser Größen erfolgen.
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In
der 2 wird exemplarisch ein Rechenmodell zur Berechung
eines Ausgangswerts 27 dargestellt. Für die weitere Erläuterung
gehen wir davon aus, dass es sich bei diesem Ausgangswert 27 um das
Drehmoment der Brennkraftmaschine handelt. Es sind jedoch auch andere
Ausgangswerte des Rechenmodells 20 vorstellbar. Als Eingangswerte
werden dem Modell 20 ein Drehzahlsignal 21, ein
Drucksensorsignal 22 eines Sensors, der im Ansaugtrakt angeordnet
ist, ein Lambdasignal 23 und ein Zündwinkelsignal 24 zugeführt. Es
handelt sich hier nur um Beispielswerte, d. h. es sind auch beliebige
andere Werte als Eingangswerte vorstellbar. In Abhängigkeit
von dem Drehzahlsignal 21 und dem Drucksensorsignal 22 wird
in Abhängigkeit
von einem Kennfeld 25 ein Ausgangswert dieses Kennfelds
ausgewählt. In
dem Kennfeld 25 ist für
jede Kombination von Drehzahlsignal 21 und Drucksensorsignal 22 ein Ausgangswert
vorgesehen. Der Ausgangswert des Kennfelds 25 wird in einfachen
Verknüpfungsstellen 26 mit
dem Lambdasignal 23 bzw. dem Zündwinkelsignal 24 verknüpft, um
so (eventuell auch mit Hilfe weiterer hier nicht dargestellter Rechenschritte)
ein Ausgangssignal 27 des Modells 20 zu errechnen, welches
das von der Brennkraftmaschine 11 erzeugte Moment darstellt.
Bezüglich
der Verknüpfungen 26 sind
in Steuergeräten
nur einfache Verknüpfungen wie
Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division oder Umschaltfunktion
in Abhängigkeit
von Werten möglich.
Komplexere mathematische Abhängigkeiten
zwischen den Eingangswerten 21 bis 24 und dem Ausgangswert
werden durch Kennfelder dargestellt, bei denen auch komplizierte
mathematische Zusammenhänge
zwischen den Eingangswerten und Ausgangwerten möglich sind. Durch die Verwendung
von Kennfeldern können
so auch bei Steuergeräten,
die keine komplizierteren mathematischen Operationen ausführen können, komplexe
Abhängigkeiten
zwischen Eingangwerten realisiert werden.
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Bei
Kennfeldern handelt es sich um gespeicherte Werte, d. h. es sind
Abhängigkeiten
zwischen Eingangswerten und Ausgangswerten in der Form einer Tabelle
oder einer sonstigen geeigneten Speicherung abgelegt. Kennfelder
können
dabei unterschiedliche Dimensionen haben. Eindimensionale Kennfelder,
d. h. Kennfelder, die einem einzigen Eingangswert einen einzigen
Ausgangswert zuordnen, werden üblicherweise
auch als Kennlinien bezeichnet. In der 2 wird mit 25 ein
zweidimensionales Kennfeld gezeigt, welches den Eingangsdaten 21 und 22 einen
Ausgangwert zuordnet. Es sind auch höherdimensionale Kennfelder
als zweidimensionale Kennfelder möglich. Üblicherweise werden jedoch, um
den Speicherplatz für
das Kennfeld nicht zu groß werden
zu lassen, nur ein oder zweidimensionale Kennfelder verwendet.
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Das
in der 2 gezeigte Modell muss an die konkrete Brennkraftmaschine 11 angepasst
sein, damit ausgehend von den Eingangsdaten 21 bis 24 sinnvolle
Ausgangswerte 27 berechnet werden können. Für diese Anpassung erfolgt auch
eine Anpassung des Kennfeldes 25, in dem dann Daten eingeschrieben
werden, die speziell an die konkrete Brennkraftmaschine 11 angepasst
sind. Um die Daten für
das Kennfeld 25 zu gewinnen, erfolgt daher eine Messung
an einer Testbrennkraftmaschine 11, die, von Fertigungsschwankungen
abgesehen, der Brennkraftmaschine entspricht, die hinterher durch das
Steuergerät 10 gesteuert
werden soll. Eine derartige Messung an einer Testbrennkraftmaschine 11 erfolgt
auf einem Prüfstand,
bei dem mehr Informationen über
die Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 11 gewonnen werden können, als
dies hinterher beim realen Betrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise
in einem Kraftfahrzeug, der Fall ist. An dem Prüfstand können somit nicht nur die Eingangswerte 12 und 13,
die dann im späteren
Betriebsfall dem Steuergerät 10 zur
Verfügung
gestellt werden, gemessen werden, sondern auch die weiteren Betriebszustände 15.
An einem Prüfstand
können
somit auch Messwerte bezüglich
des Motormoments, des Saugrohrdrucks unmittelbar vor dem Zylinder,
der tatsächlich
erfolgten Einspritzmenge, des Abgasdrucks, der Abgastemperatur und
des Umgebungsdrucks gemessen werden. Ausgehend von diesen Messwerten
werden dann die Modelle und dort insbesondere die Kennfelder verändert, um
so eine möglichst
genaue Übereinstimmung
zwischen dem Ausgangswert 27 des Modells und den real an
der Brennkraftmaschine 11 gemessenen Betriebszuständen sicherzustellen.
Im Fall der 2 bedeutet dies, dass das von
der Brennkraftmaschine 11 erzeugte Drehmoment an dem Prüfstand tatsächlich gemessen
wird und dass parallel alle Eingangswerte 21 bis 24 aufgezeichnet
werden. Es wird dann ein optimales Kennfeld 25 gesucht,
welches eine möglichst
große Übereinstimmung
zwischen dem gemessenen Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 und
dem vom Modell 20 errechneten Drehmoment 27 bewirkt. Dazu
wird für
jeden Zustand der Eingangswerte 21 bis 24 das
Drehmoment 27 berechnet und mit dem gemessenen Wert verglichen.
Der Unterschied zwischen dem berechneten Wert 27 und dem
gemessenen Wert wird als Fehler bezeichnet, und es wird durch Anpassung
des Kennfeldes 25 versucht, den Fehler, d. h. genauer den
Betrag des Fehlers oder das Quadrat des Fehlers zu minimieren. Neben
der Minimierung des Modellfehlers sollten jedoch weitere Randbedingungen
bei der Anpassung des Kennfeldes berücksichtigt werden. Bezüglich dieser
weiteren Randbedingungen verweisen wir auf die 3 und 4.
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In
den 3 und 4 werden zwei eindimensionale
Kennfelder gezeigt, die jeweils einem Eingangswert X einem Ausgangwert
Y zuordnen. Es handelt sich somit um ein eindimensionales Kennfeld (Kennlinie).
Die Kennlinie wird durch acht Stützstellen
dargestellt (die jeweils mit den Zahlen 1 bis 8 bezeichnet
sind) d. h. acht Eingangswerten von X wird jeweils ein Ausgangswert
von Y zugeordnet. Bei Eingangswerten von X, die zwischen den Stützstellen liegen,
wird ein zugehöriger
Y-Wert durch eine lineare Interpolation ermittelt, wie dies durch
die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Stützstellen angedeutet wird.
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Das
Kennfeld 25 wird in Abhängigkeit
von den real gemessenen Werten an der Brennkraftmaschine 11 so
ermittelt, dass die Unterschiede zwischen den berechneten und gemessenen
Werten möglichst
gering werden. Dabei muss jedoch auch noch berücksichtigt werden, dass die
Messung an der realen Brennkraftmaschine 11 mit Fehlern
behaftet ist. Diese Messfehler sollten sich jedoch nicht unmittelbar
in dem Kennfeld ausdrücken.
Weiterhin können
bei der Messung nicht alle Betriebszustände angefahren werden. Für die Erzeugung
der Kennfelder, wie sie in den 3 und 4 gezeigt
werden, ist es natürlich
vorteilhaft, wenn Betriebszustände
für alle
Eingangszustände
X angefahren werden. Aus Gründen
der Messzeit oder weil ein Teil der Betriebszustände aus anderen Randbedingungen
heraus nicht angefahren werden können,
ist es oft nicht möglich,
alle möglichen
Kombinationen von Eingangsgrößen auf
dem Prüfstand
zu vermessen. Teilweise müssen
daher Werte für
das Kennfeld 25 geschätzt oder
durch Interpolation ermittelt werden.
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In
den 3 und 4 sind nun zwei unterschiedliche
Kennfelder dargestellt, wobei es sich bei dem Kennfeld in der 3 um
ein geglättetes
Kennfeld und in der 4 um ein ungeglättetes Kennfeld handelt.
Ein Kennfeld, wie es in der 4 dargestellt ist,
kann sich beispielsweise ergeben, wenn ausschließlich eine Minimierung zwischen
den an der Brennkraftmaschine 11 gemessenen Werten und
an den vom Modell 20 errechneten Werten 27 angestrebt
wird. Aufgrund von Messschwankungen ist hier ein Kennfeld entstanden,
welches starke Gradienten aufweist. Beispielsweise zwischen den
Stützstellen 1 und 2 werden
mit einer positiven Steigung interpoliert, während sie zwischen den Stützstellen 2 und 3 mit
einer negativen Steigung interpoliert werden. Derartige starke Schwankungen
des Gradienten führen
jedoch dazu, dass bei dynamischen Änderungen, d. h. wenn der Eingangswert
X sich mit großer Geschwindigkeit ändert, starke
Schwankungen in dem berechneten Ausgangswert auftreten. Es hat sich
gezeigt, dass derartige Kennfelder, die in sich starke Gradienten
aufweisen, bei dynamischen Betriebszuständen nur schlecht zur Steuerung
von Brennkraftmaschinen geeignet sind. Weiterhin ist es bei einem
derartigen Kennfeld mit starken Gradienten sehr schwer, sinnvolle
Stützstellen
zu ermitteln, wenn einzelne Stützstellen
nicht durch Messung zugänglich
sind. Wenn beispielsweise für
die Stützstelle 4 kein
sinnvoller Wert zur Verfügung
steht, so ist es in der 3 relativ einfach, einen plausiblen
Wert zu verwenden, während
in der 4 dies nur mit großen Schwierigkeiten möglich ist.
Es ist daher wünschenswert,
statt des in der 4 gezeigten Kennfelds mit starken
Gradienten ein Kennfeld mit geringen Gradienten zu verwenden, wie
es in der 3 gezeigt wird. Ein geglättetes Kennfeld,
wie es in der 3 gezeigt wird, hat den Vorteil,
dass bei dynamischen Änderungen
der Eingangsgröße X nur
geringe Schwankungen bei der Berechnung der Ausgangsgröße Y auftreten.
Es hat sich gezeigt, dass durch solche glatten Kennfelder, insbesondere
bei dynamischen Änderungen
von Eingangsgrößen, eine
deutlich bessere Steuerung von Brennkraftmaschinen erreicht wird.
Weiterhin lassen sich fehlende Werte z. B. auch an den Grenzen des
zulässigen
Bereichs, d. h. beispielsweise für
die Stützstellen 1 und 8 so
leichter ergänzen.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, für
die Anpassung der Kennfelder 25 nicht nur die Fehler des
Modells (d. h. die Abweichung zwischen gemessenen und berechneten
Werten), sondern auch die Glättung
der Kennlinie im Kennfeld zu berücksichtigen.
Dies erfordert, dass bei der Anpassung der Kennlinie 25 auch
ein Maß für die Glättung der
Kennlinie 25 berücksichtigt
wird. Ein besonders geeignetes Maß für die Glättung der Kennlinien ist beispielsweise
die Betrachtung der zweiten Ableitung an den jeweiligen Stützstellen.
Dabei können
die zweiten Ableitungen aber nicht für die Randstützstellen 1 und 8 sondern
nur für
die inneren Stützstellen 2–7 berechnet
werden. Dabei handelt es sich um die Steigungsdifferenzen, die jeweils
an den Stützstellen auftreten.
Beispielsweise für
die Stützstelle 2 berechnet
sich dies einfach durch eine Betrachtung der Verbindungslinien zu
den Stützstellen 1 und 3.
In einer mathematischen Formel ausgedrückt ist die zweite Ableitung
der Stützstelle 2 =
((Y3 – Y2)/(X3 – X2)) – ((Y2 – Y1)/(X2-X1)).
Die betragsmäßige Addition
dieser zweiten Ableitungen ist dann ein Maß für die Glättung der Kennlinie, wobei
eine Minimierung dieses Wertes anzustreben ist. Die Berücksichtigung
der Glättung
erfolgt indem der Kehrwert der Glättung, die dann als Rauhigkeit
bezeichnet wird, minimiert wird.
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Für die Anpassung
des Kennfelds 25 in dem Modell 20 sollten daher
die Fehler des Modells und die Glättung des Kennfeldes berücksichtigt
werden. Die Berücksichtigung
der Glättung
erfolgt indem der Kehrwert der Glättung die dann als Rauhigkeit
bezeichnet wird verringert wird. Dies erfolgt, indem eine gewichtete
Summe dieser beiden Werte gebildet wird, d. h. die beiden Werte
werden jeweils mit einem Faktor zwischen 0 und 1 multipliziert,
und sie werden dann addiert. Die Faktoren zusammen können in
der Summe 1 ergeben, was dann einer prozentualen Gewichtung entspricht.
Wesentlich ist aber nur das relative Verhältnis der beiden Gewichtungsfaktoren.
Es wird so erreicht, dass bei der Optimierung des Kennfelds 25 der
Einfluss des jeweiligen Modellfehlers bzw. der Einfluss der Glättung des
Kennfeldes 25 in unterschiedlich starker Gewichtung berücksichtigt werden.
Bei der Optimierung kann dann durch Vorgabe entsprechender Gewichtungsfaktoren
entweder der Einfluss des Modellfehlers oder der Einfluss der Glättung stärker betont
werden. Weiterhin können auch
mehrere Kennfelder in dem Modell verwendet werden. Für die Berücksichtigung
dieser Kennfelder können
dann jeweils Gewichtungsfaktoren für jedes der Kennfelder verwendet
werden.