DE10219797B4 - Verfahren zur Optimierung eines Modells zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Optimierung eines Modells zur Steuerung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Optimierung eines Modells (20) zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (11) mit einem Kennfeld (25) das bei einer Berechnung verwendet wird, bei der anhand von Eingangsgrößen (21 bis 24) eine berechnete Ausgangsgröße (27) erzeugt wird, wobei bei der Optimierung zusätzlich auch eine Glättung des Kennfelds (25) durchgeführt wird, wobei durch die Berechnung Eingangsdaten (13) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (11) erzeugt werden, die in einem Betrieb der Brennkraftmaschine nicht unmittelbar durch einen Sensor beobachtet werden, wobei zur Optimierung durch Messungen an einer Testbrennkraftmaschine (11) gemessene Ausgangsgrößen ermittelt werden und das Kennfeld (25) unter Berücksichtigung der Abweichungen zwischen berechneten Ausgangsgrößen (27) und den gemessenen Ausgangsgrößen variiert wird, um die Abweichungen zu verringern.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Ansicht von einem Steuergerät, das eine Brennkraftmaschine steuert,
  • 2 eine schematische Ansicht eines Modells zur Steuerung,
  • 3 und 4 zwei unterschiedliche Kennfelder, die in dem Modell verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 27 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Optimierung eines Modells (20) zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (11) mit einem Kennfeld (25) das bei einer Berechnung verwendet wird, bei der anhand von Eingangsgrößen (21 bis 24) eine berechnete Ausgangsgröße (27) erzeugt wird, wobei bei der Optimierung zusätzlich auch eine Glättung des Kennfelds (25) durchgeführt wird, wobei durch die Berechnung Eingangsdaten (13) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (11) erzeugt werden, die in einem Betrieb der Brennkraftmaschine nicht unmittelbar durch einen Sensor beobachtet werden, wobei zur Optimierung durch Messungen an einer Testbrennkraftmaschine (11) gemessene Ausgangsgrößen ermittelt werden und das Kennfeld (25) unter Berücksichtigung der Abweichungen zwischen berechneten Ausgangsgrößen (27) und den gemessenen Ausgangsgrößen variiert wird, um die Abweichungen zu verringern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättung des Kennfelds (25) in der Form durchgeführt wird, indem für jeden Punkt (27) des Kennfelds (25) die zweite Ableitung berechnet wird und dass die Summe der zweiten Ableitungen verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Gewichtungsfaktor durchgeführt wird, wie stark die Abweichungen zwischen den berechneten Ausgangswerten (27) und den gemessenen Ausgangswerten und wie stark die Summe der zweiten Ableitungen berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kennfelder (25) für die Berechnung verwendet werden und dass die mehreren Kennfelder (25) jeweils für sich durch einen Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden.
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