DE19740186A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße eines Fahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

In modernen Steuerungen für Fahrzeuge, insbesondere für An­ triebseinheiten, werden vielfach Regler eingesetzt, welche in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen einem vorgege­ benen Sollwert und einem Istwert der zu regelnden Betriebs­ größe Stellglieder im Sinne einer Annäherung der Betriebs­ größe an den Sollwert betätigen. Beispiele für derartige Regler sind Regler zur Regelung der Leerlaufdrehzahl, zur Regelung der Stellung einer Drosselklappe, zur Regelung oder Begrenzung der Fahrgeschwindigkeit, etc. Diese Regler um­ fassen Reglerkonstanten, z. B. Proportional-, Integral- und/oder Differentialkonstanten, deren Größen mit Blick auf die gewünschte Stabilität und Dynamik des Regelvorgangs vor­ ab bestimmt werden. Es hat sich nun gezeigt, daß ein einzi­ ger Satz der genannten Größen zur zufriedenstellenden Rege­ lung über den gesamten Arbeitsbereich des Reglers nicht in allen Anwendungsfällen ausreicht. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Stellgliedern mit großer Nichtlinearität.

Ein Beispiel für ein Stellglied mit großer Nichtlinearität ist aus der DE 36 31 283 A (US-Patent 4,947,815) bekannt. Der dort beschriebene Drosselklappensteller weist eine durch Federn vorgegebene Notluftposition auf. Soll diese über­ schritten werden, kehrt sich das Vorzeichen des Antriebsmo­ ments des Stellmotor um. Diese Nichtlinearität des Stellele­ ments führt dazu, daß ein Kompromiß bei der Bestimmung des Parametersatzes für den Regler nur sehr schwer zu erreichen ist. Das Regelverhalten ist daher nicht in allen Betriebssi­ tuationen befriedigend.

Aus der DE-C 42 23 253 ist ein PID-Lageregler bekannt, wel­ cher mit unterschiedlichen Parametersätzen betrieben wird, um unterschiedliche Dynamik in verschiedenen Betriebsmodi, z. B. Leerlaufregelung, Antriebsschlupfregelung, etc. zu er­ reichen. Innerhalb der einzelnen Betriebsphasen wird mit fe­ sten Parametersätzen gearbeitet, so daß bei der Ansteuerung eines stark nichtlinearen Stellgliedes die obengenannten Probleme auftreten.

Aus der DE-A 30 39 435 ist am Beispiel einer Leerlaufdreh­ zahlregelung bekannt, die Reglerparameter abhängig von der Differenz zwischen Soll- und Istwert vorzugeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Regelverhalten eines Re­ gelkreises für eine Betriebsgröße eines Fahrzeugs zu verbes­ sern.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi­ gen Patentansprüche erreicht.

Vorteile der Erfindung

Das Regelverhalten des Regelkreises wird verbessert, da un­ terschiedliche, optimal angepaßte Parametersätze der Regler­ parameter je nach Arbeitsbereich des Stellgliedes vorgegeben werden. Dadurch wird eine im Stellglied vorhandene Nichtli­ nearität durch entsprechende Wahl der Reglerparameter in vorteilhafter Weise berücksichtigt, wodurch in jedem Ar­ beitsbereich eine Optimierung des Regelverhaltens stattfin­ den kann.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß eine Veränderung der Reglerparameter abhängig von der Größe der Sollwertänderung des Regelkreises durchgeführt wird. Dadurch kann die Dynamik des Regelkreises optimal angepaßt werden, wobei der Applika­ tionsaufwand, insbesondere im Vergleich mit der Abhängigkeit der Parameter von der Soll-/Ist-Abweichung, stark reduziert ist. Dies deshalb, weil die Parameterumschaltung nur be­ stimmte Sollwertsprünge betrifft. Die Parameter können dann optimal an die jeweilige Situation angepaßt werden. Darüber hinaus bleiben die Parameter während des Sollwertsprunges konstant. Die Stabilität des Regelkreises wird dadurch er­ heblich verbessert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild eines Regelkreises, während in Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung am Beispiel eines Flußdiagramms dargestellt ist. Fig. 3 zeigt Beispiele für die Abhängigkeit der Reglerparameter vom Arbeitsbereich des Stellelements und/oder von der Größe der Änderung des Sollwertes des Regelkreises.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines digitalen Lage­ reglers beschrieben, welcher unter Verwendung eines PID-Reg­ lers die Drosselklappe einer Brennkraftmaschine ein­ stellt. Die beschriebene Vorgehensweise wird jedoch in ande­ ren Ausführungsbeispielen in Verbindung mit anderen Regler­ typen (z. B. PI-Reglern, PD-Reglern, I-Reglern, etc.), ande­ ren Regelkreisen, z. B. Drehzahlregelkreisen, Lastregelkrei­ se, Drehmomentenregelkreise, Fahrgeschwindigkeitsregelkrei­ se, etc., und/oder anderen Stellgliedern eingesetzt.

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild eines Regelkrei­ ses zur Regelung einer Betriebsgröße eines Fahrzeugs am Bei­ spiel einer Lageregelung einer Drosselklappe einer Brenn­ kraftmaschine. Eine Steuereinheit 10 steuert über eine Aus­ gangsleitung 12 ein Stellglied 14 für die Drosselklappe, welches wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik be­ kannt starke Nichtlinearitäten über seinen Verstellbereich aufweist. In der Steuereinheit 10, die vorzugsweise einen Mikrocomputer umfaßt, in dem die nachfolgend dargestellten Elemente als Programme realisiert sind, ist ein Regler 16 vorgesehen. Dieser hat im bevorzugten Ausführungsbeispiel PID-Verhalten. In anderen Ausführungsbeispielen kann auf ei­ ne oder zwei Komponenten des Reglers 16 verzichtet sein. Ferner ist ein Sollwertbilder 18 vorgesehen, dem über Lei­ tungen 20 bis 24 von Meßeinrichtungen 26 bis 30 die zur Sollwertbildung herangezogenen Betriebsgrößen zugeführt wer­ den. Diese sind beispielsweise Fahrpedalstellung, Motortem­ peratur, Motordrehzahl, etc. Darüber hinaus ist eine Meßeinrichtung 32 zur Erfassung des Istwerts der Regelung, im bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Erfassung der Stel­ lung des Stellgliedes 14 bzw. der Drosselklappe vorgesehen, die ihre Meßgröße IST über die Leitung 34 der Steuereinheit 10 zuführt. Die Ausgangsgröße SOLL des Sollwertbilders 18 wird über die Ausgangsleitung 36 auf eine Vergleichsstelle 38 und auf einen Differenzenbilder 40 geführt. Im Differen­ zenbilder 40 wird die Sollwertänderung ΔSOLL bestimmt, die über die eine Leitung 42 zu einer Schwellwertstufe oder ei­ ner Kennlinie 44 geführt wird. Deren Ausgangsgröße beein­ flußt über ihre Ausgangsleitung 46 die Reglerparameter des Reglers 16. Die Istgröße des Regelkreises wird einerseits der Vergleichsstelle 38 andererseits einer Schwellwertstufe 48 zugeführt. Deren Ausgangsleitung 50 führt auf den Regler 16, wobei abhängig von dem Ausgang der Schwellwertstufe 48 die Reglerparameter bestimmt werden. Die Vergleichsstelle 38 bildet in Abhängigkeit von Soll- und Istwert die Regelabwei­ chung Δ, die über die Leitung 52 dem Regler 16 zugeführt wird.

Der Sollwertbilder 18 bildet auf der Basis von Kennlinien, Kennfelder, Tabellen und/oder Berechnungen abhängig von sei­ nen Eingangsgrößen den Sollwert SOLL für die Betriebsgröße. Dieser wird in der Vergleichsstelle mit dem gemessenen Ist­ wert verglichen und auf diese Weise die Regelabweichung Δ gebildet. Der Regler 16 bildet auf der Basis dieser Regelab­ weichung und seiner vorgegebenen Parameter eine Ansteuergrö­ ße, die über die Leitung 12 zur Betätigung des Stellgliedes 14 ausgegeben werden. Bei Verwendung eines nichtlinearen Stellgliedes, insbesondere eines wie im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Stellgliedes, welches im we­ sentlichen zwei Arbeitsbereiche aufweist, ist die Regelung mit einem einzigen Parametersatz für den Regler 16 nicht zu­ friedenstellend. Daher wird in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitsbereichs des Stellglieds unterschiedliche, für diesen Arbeitsbereich optimal angepaßte Parametersätze verwendet.

Wird ein Stellglied wie im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben eingesetzt, sind zwei Arbeitsbereiche zu unterscheiden. Der Arbeitsbereich unterhalb und der überhalb des Notluftpunktes. Abhängig von der Stellung des Stellele­ ments, ob diese größer oder kleiner als die Notluftstellung ist, wird der jeweilige Arbeitsbereich ausgewählt. Für jeden dieser Bereiche ist ein Satz an Reglerparametern, das heißt vorgegebene Werte für die Parameter P, I und/oder D, vorge­ sehen, der dann vom Regler 16 geladen wird, wenn in den ent­ sprechenden Arbeitsbereich gewechselt wird. Auf diese Weise ist der Regler optimal an die unterschiedlichen Arbeitsbe­ reiche des Stellglieds angepaßt, so daß die Nichtlinearität des Stellgliedes keine nachteiligen Auswirkungen auf das Re­ gelverhalten hat. Der zur Umschaltung in Fig. 1 symbolisch dargestellte Schwellwertschalter 48 ist dabei in einem vor­ teilhaften Ausführungsbeispiel mit einer Hysterse behaftet.

Ergänzend dazu oder als alternative Maßnahme ist vorgesehen, den Parametersatz des Reglers bei einer Sollgrößenänderung in der Abhängigkeit der Größe dieser Änderung vorzugeben und bis zur nächsten Sollgrößenänderung konstant zu halten. Die­ se Vorgehensweise wird auch innerhalb eines Arbeitsbereiches des Stellelements eingesetzt. Zu diesem Zweck wird der Soll­ wert SOLL mit einem vorherigen Sollwert verglichen. Wird ei­ ne Differenz ΔSOLL erkannt, so wird der dieser Sollwertände­ rung zugeordnete Parametersatz ausgelesen und vom Regler 16 geladen. Die Bestimmung der Sollgrößenänderung kann auch als Differentiation des Sollwertes realisiert sein. Für die Be­ stimmung der sollgrößenänderungsabhängigen Parameter wird in einem Ausführungsbeispiel eine Zuordnung der Parameter als Kennlinie eingesetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist für jeden Parameter oder für ausgewählte Parameter eine Kennli­ nie vorgesehen, die den Wert dieses Parameters in Abhängig­ keit der Sollwertgrößenänderung darstellt. In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel, welches auch in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, werden für bestimmte Bereiche der Sollgrößenänderung feste Parametersätze vorgegeben. In diesem Fall wird durch Vergleich mit Schwellenwerten der je­ weilige Bereich der Sollgrößenänderung bestimmt und der für diesen Bereich vorgesehenen Parametersatz vom Regler 16 ge­ laden.

In vorteilhafter Ergänzung ist vorgesehen, bei konstantem Sollwert und bei durch eine externe Störung auftretenden Re­ gelabweichung, die einen vorgegebenen Schwellenwert über­ schreitet, den aktuellen Parametersatz des Reglers auf den für diesen Arbeitsbereich vorgesehenen Standardparametersatz zurückzusetzen. Damit wird ein stabiles Ausregeln der durch eine externe Störung aufgetretenen Regelabweichung gewähr­ leistet.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird der durch die Umschaltung möglicherweise hervorgerufene unstetige Verlauf der Reglerausgangsgröße geglättet, z. B. indem bei Umschaltung die Ausgangsgröße durch eine Filterfunktion vom alten auf den neuen Wert geführt wird.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei wel­ chem die Reglerparameter sowohl in Abhängigkeit des Arbeits­ bereichs als auch in Abhängigkeit der Sollgrößenänderung verändert werden. Die oben beschriebene Vorgehensweise wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Programm des Mikro­ computers der Recheneinheit 10 realisiert. Ein solches Pro­ gramm ist in Fig. 2 als Flußdiagramm skizziert.

Nach Start in vorgegebenen Zeitintervallen werden im ersten Schritt 100 Sollwert SOLL und Istwert IST eingelesen. Im darauffolgenden Schritt 102 wird aus dem aktuellen Sollwert SOLLk und einem vorhergehenden SOLL(k-i) die Sollwertände­ rung ΔSOLL berechnet. Ferner wird durch Bildung der Diffe­ renz zwischen Soll- und Istwert die Regelabweichung Δ gebil­ det. Im darauffolgenden Abfrageschritt 104 wird der Istwert mit dem Lagewert des Notluftpunktes NLP verglichen. Befindet sich das Stellelement in einem Arbeitsbereich oberhalb des Notluftpunktes, das heißt, ist der Istwert größer als der Stellungswert im Notluftpunkt, wird gemäß Schritt 106 der Standardparametersatz für diesen Arbeitsbereich geladen. Da­ bei weist der Parameter P den Wert a, I den Wert b und D den Wert c auf. Eine entsprechende Darstellung ist in Fig. 3a dargestellt, wo die Parameter P, I und D über der Änderung ΔSOLL des Sollwertes aufgetragen sind. Im bevorzugten Aus­ führungsbeispiel ist in diesem Arbeitsbereich vorgesehen, daß keine Abhängigkeit von der Sollwertänderung vorhanden sein soll. Dies bedeutet, daß über den gesamten Bereich der Sollwertänderung die Parameter den gleichen, vorgegebenen Wert aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen wird auch in diesem Arbeitsbereich die anhand des anderen Arbeitsbe­ reichs dargestellte Abhängigkeit von der Sollwertänderung vorgegeben.

Nach Schritt 106 wird im Schritt 108 in Abhängigkeit der Re­ gelabweichung Δ sowie der jeweils geladenen Parameter P, I und/oder D durch den Regler im Sinne einer Verringerung der Regelabweichung die Ansteuersignalgröße S berechnet und aus­ gegeben. Das Programm wird dann beendet und zum nächsten Zeitpunkt mit Schritt 100 wiederholt.

Hat Schritt 104, der die dargestellte Abfrage ggf. unter Be­ rücksichtigung einer Hysterese durchführt, ergeben, daß der Istwert nicht größer als der Notluftpunktwert ist, das heißt, daß sich das Stellelement unterhalb des Notluftpunk­ tes befindet, wird zum Abfrageschritt 110 gegangen. Dort wird überprüft, ob eine Sollwertänderung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird im Schritt 112 überprüft, ob der Betrag der Regelabweichung Δ einen vorbestimmten Grenzwert Δ0 über­ schritten hat. Ist dies nicht der Fall, wird an der beste­ henden Situation nichts geändert und die Stellgröße gemäß Schritt 108 auf der Basis der aktuellen Parameter berechnet. Hat Schritt 112 jedoch ergeben, daß die Regelabweichung den Grenzwert Δ0 überschreitet, so werden gemäß Schritt 114 die für diesen Arbeitsbereich vorgesehenen Standardparameterwer­ te d, e und f eingelesen und die Stellgröße gemäß Schritt 108 auf der Basis dieser Standardgrößen berechnet.

Wurde in Schritt 110 festgestellt, daß eine Sollwertänderung stattgefunden hat, wird im darauffolgenden Abfrageschritt 116 der Betrag der Sollgrößenänderung mit einem ersten Schwellwert A verglichen. Überschreitet der Betrag der Soll­ größenänderung den Wert A, werden die Standardparameter ge­ mäß Schritt 114 gesetzt. Unterschreitet der Betrag der Soll­ größenänderung den Wert A, so wird im Schritt 118 überprüft, ob der Betrag der Sollgrößenänderung den Wert B überschrei­ tet. In diesem Fall wird gemäß Schritt 120 ein erster, im gegenteiligen Fall gemäß Schritt 122 ein zweiter Parameter­ satz geladen.

In Fig. 3b ist anhand des Proportionalanteils die unter­ schiedlichen Parametergrößen in Abhängigkeit der Sollwertän­ derung ΔSOLL dargestellt. Dabei sind waagrecht die Sollwer­ tänderung ΔSOLL mit den Schwellenwerten A und B aufgetragen, während senkrecht die jeweilige Größe des Parameters im je­ weiligen Sollertänderungsbereich dargestellt ist. Der Para­ meter ist dabei größer je kleiner die Sollgrößenänderung ist. Dadurch wird die Dynamik insbesondere bei kleinen Soll­ wertänderungen erheblich verbessert.

Die Änderung des Parametersatzes kann alle Reglerparameter des Reglers betreffen. In anderen Ausführungsbeispielen wer­ den nur ausgewählte Reglerparameter, z. B. nur der P-Anteil oder nur der I-Anteil entsprechend verändert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung einer Betriebsgröße eines Fahr­ zeugs, wobei ein Regler vorgesehen ist, welcher in Abhängig­ keit eines Sollwertes und eines Istwertes für die Betriebs­ größe ein Stellglied einstellt, wobei der Regler wenigstens einen, veränderlichen Parameter aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß abhängig vom Arbeitsbereich des Stellgliedes und/oder von der Größe der Sollwertänderung der wenigstens eine Parameter des Reglers verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgröße die Stellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine mechanisch eingestellte Notstellung umfaßt, unterhalb derer ein erster, oberhalb derer ein zweiter Arbeitsbereich ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich anhand der Ist­ größe der Betriebsgröße unterschieden wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sollgrößenänderung bestimmt wird und mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen wird, wobei je nach Sollgrößenänderungsbereich der wenigstens eine Parameter einen unterschiedlichen Wert aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Kennlinie vorgesehen ist, in der der wenigstens eine Parameter des Reglers abhängig von der Sollgrößenänderung abgelegt ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Sollgrößenän­ derung in wenigstens einem Arbeitsbereich des Stellgliedes erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei konstanter Sollgröße und sich verändernder Regelabweichung der wenigstens eine Parameter auf einen Standardwert gesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit von der Sollgrö­ ßenänderung nur in einem Arbeitsbereich des Stellgliedes vorgenommen wird.

10. Vorrichtung zur Regelung einer Betriebsgröße eines Fahr­ zeugs, mit einem Regler, der in Abhängigkeit eines Sollwer­ tes und eines Istwertes für eine Betriebsgröße einer An­ triebseinheit Ansteuersignale für ein elektrisch betätigba­ res Stellglied bildet, der Regler wenigstens einen veränder­ lichen Parameter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Mit­ tel vorgesehen sind, die den wenigstens einen Parameter des Reglers abhängig vom Arbeitsbereich des Stellgliedes und/oder von der Größe der Änderung des Sollwertes verän­ dern.