DE19741086A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Einstellung eines Stellelements - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Einstellung eines Stellelements gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Aus der DE 35 10 173 A1 (US-Patent 4,603,675) ist am Bei­ spiel einer Lageregelung für eine Drosselklappe eine Überwa­ chung der Einstellung eines Stellelements bekannt, den von der Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements abgeleiteten Sollwert mit dem Istwert des Regelkreises, der der Stellung der Drosselklappe entspricht, zu vergleichen. Tritt eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert des Regel­ kreises für eine bestimmte Zeitdauer auf, wird von einer Fehlfunktion des Regelkreises oder einer seiner Komponenten ausgegangen, eine Fehlerlampe eingeschaltet und ggf. ein Notfahrbetrieb eingeleitet.

Bei der Realisierung einer solchen Überwachung als Programm eines Mikrocomputers wird in einem vorgegebenen zeitlichen Raster der der Einstellung des Stellelements zugrundeliegen­ de Sollwert mit dem daraus folgenden Istwert verglichen. Tritt eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert auf, wird ein Zeitzähler gestartet. Eine Fehlerreaktion wird eingelei­ tet, wenn seit Auftreten der Abweichung eine maximal vorge­ gebene Zeit verstrichen ist. Der Zeitzähler wird zurückge­ setzt, wenn die Abweichung in einen vorgegebenen Toleranzbe­ reich zurückfällt. In modernen Motorsteuergeräten werden die Stellzeiten, insbesondere die Stellzeit bei einem Lageregel­ kreis für die Drosselklappe, ständig kürzer. Wird zur Funk­ tionsüberwachung ein großes Zeitintervall (z. B. 100 ms) ge­ wählt, so kann eine periodische Störung zu einer unzulässi­ gen Ansteuerung des Stellelements, beispielsweise zu einer Öffnung einer Drosselklappe, führen, ohne daß die Überwa­ chung anspricht. Um derartige periodische Störungen zu be­ rücksichtigen, müßte das Zeitintervall deutlich verringert werden. Dadurch wird der Mikrocomputer stärker belastet. Au­ ßerdem könnte diese Art der Überwachung bei dynamischen Sollwertänderungen, z. B. bei aufeinander folgende Vergröße­ rungen und Verkleinerungen des Sollwerts, unerwünscht an­ sprechen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Überwachung der Einstellung eines Stellelements auf der Basis eines Sollwer­ tes und eines Istwertes anzugeben, bei welchen einerseits die Zuverlässigkeit der Überwachung gewährleistet, anderer­ seits die Belastung des die Überwachung durchführenden Mi­ krocomputers möglichst gering ist.

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

Vorteile der Erfindung

Es wird eine Überwachung der Einstellung eines Stellelements vorgestellt, welche zuverlässig Fehler erkennt, ohne den die Überwachung durchführenden Mikrocomputer zu stark zu bela­ sten.

Besonders vorteilhaft ist, daß bei der Überwachung ein Ver­ gleich zwischen einem die Einstellung vorgebenden Soll- und einem die Einstellung des Stellelements repräsentierenden Istwert stattfindet. Der dem Vergleich zugrunde liegende Sollwert stellt dabei einen vorhergesagten, präzidierten Sollwert dar, durch den das Sprungantwortverhalten des Stel­ lelements bzw. der Strecke berücksichtigt und damit eine Größe für den Istwert entspricht. Dadurch wird die Überwa­ chung insbesondere bei dynamischen Sollwertänderungen ver­ bessert.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß durch die Verzögerung des Sollwertes zur Überwachung mittels eines PT1-Filters auf die Berechnung eines Filters höherer Ordnung, welches dem Sprungantwortverhalten entspricht, verzichtet wird, und auf diese Weise die Rechnerbelastung verringert wird. Dabei ar­ beitet die Überwachung dennoch zuverlässig.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch Filterung des Sollwer­ tes und Verzögerung der Verarbeitung des gefilterten Soll­ wertes um ein Zeitintervall ein Filter niedrigerer Ordnung eingesetzt werden kann und dennoch eine dem Sprungantwort­ verhalten angepaßter vorhergesagter Wert zur Überwachung zur Verfügung steht.

Vorteilhaft ist ferner, daß der vorhergesagte Sollwert und der gemessene Istwert mit wenigstens einem, abhängig von der Sollwertänderung bestimmten Grenzwert verglichen wird. Auf diese Weise wird der Dynamik der Einstellvorgänge in verbes­ serter Weise Rechnung getragen.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Überwachung auf eine Lageregelung einer Drosselklappe im Rahmen einer elek­ tronischen Drosselklappensteuerung bei Brennkraftmaschinen.

Bei diesen Systemen wird die Betriebssicherheit und die Ver­ fügbarkeit durch diese Überwachung gewährleistet.

Weiter Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Pa­ tentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild einer Steuereinheit mit einem Mi­ krocomputer, der ein Stellelement einstellt, am Beispiel ei­ ner Lageregelung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschi­ ne. In Fig. 2 ist ein Flußdiagramm dargestellt, welches ein im Mikrocomputer ablaufendes Programm zur Überwachung der Funktion dieses Regelkreises skizziert. In Fig. 3 schließ­ lich ist anhand von Zeitdiagrammen die Wirkungsweise der Überwachung verdeutlicht.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine Steuereinheit 10, welche wenigstens einen Mikrocomputer 12 sowie eine Endstufe 14 umfaßt. Die Endstufe 14 ist über wenigstens eine Ansteuerleitung 16 mit einem elektrisch betätigbaren Stellelement 18 für die Drosselklap­ pe einer Brennkraftmaschine verbunden. Zur Erfassung der Stellung dieses Stellelements bzw. der Drosselklappe selbst ist wenigstens eine Meßeinrichtung 20 vorgesehen, welche ein diese Stellung repräsentierendes Signal wdkba über die Ein­ gangsleitung 22 an die Steuereinheit 10 abgibt. Ferner ist eine Meßeinrichtung 24 vorgesehen, welche über eine Ein­ gangsleitung 26 der Steuereinheit 10 ein die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, vorzugsweise eines Fahrpedals, repräsentierendes Signal der Steuereinheit 10 zuführt. Ferner sind weitere Meßeinrichtungen 28 bis 32 vor­ gesehen, die über entsprechende Eingangsleitungen 34 bis 38 Signale bezüglich weiterer Betriebsgrößen der Brennkraftma­ schine und/oder des Fahrzeugs der Steuereinheit 10 zuführen. Derartige Betriebsgrößen sind beispielsweise Motordrehzahl, Motortemperatur, ein Signal bezüglich der Abgaszusammenset­ zung, ein Eingriffsignal einer Antriebsschlupfregelung, ei­ ner Getriebesteuerung, etc. Abhängig von den dargestellten Eingangsgrößen wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Stellung der Drosselklappe bzw. des Stellelements 18 im Rah­ men eines Lageregelkreises eingeregelt.

Dieser Lageregelkreis vom Mikrocomputer 12 berechnet, wobei die wesentlichsten Elemente in Fig. 1 mit 40, 42 und 44 dargestellt sind. Mit 40 ist ein Sollwertbilder bezeichnet, welcher im Rahmen von Kennlinien, Kennfeldern, Tabellen oder Berechnungen wenigstens abhängig von der die Stellung des Bedienelements repräsentierenden Größe, ggf. unter Berück­ sichtigung wenigstens einer weiteren Betriebsgröße, die über die Leitungen 34 bis 38 zugeführt wird, einen Sollwert wdks für die Lageregelung bildet. Mit 42 ist ein Regler darge­ stellt, welcher auf der Basis des Sollwertes wdks und des über die Leitung 22 zugeführten Istwertes wdkba nach einer vorgegebenen Regelstrategie (beispielsweise mit Proportio­ nal-, Integral- und/oder Differentialanteil) ein Ausgangs­ signal erzeugt, welches über die Endstufe 14 zur Betätigung des Stellelements 18 führt. Dabei wird der Istwert wdkba dem Sollwert wdks angenähert. Ferner ist eine Überwachung 44 Teil des Mikrocomputers 12, welche wie nachfolgend beschrie­ ben auf der Basis des Sollwertes und des Istwertes des Re­ gelkreises die Funktion des Regelkreises überprüft und bei erkanntem Fehlerfall über die Ausgangsleitung 46 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Endstufe 14 und damit die Ansteuerung des Stellelements 18 abschaltet. Die Dros­ selklappe wird dann mechanisch in eine Notluftposition ge­ führt, so daß ein eingeschränkter Betrieb des Fahrzeugs mög­ lich bleibt. In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen wird ergänzend bei erkanntem Fehlerzustand durch die Überwa­ chung 44 oberhalb wenigstens einer bestimmten Motordrehzahl die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine abgeschaltet.

Die Überwachung der Funktion des Regelkreises wird in einem vorgegebenen zeitlichen Raster (z. B. 20 ms) abgearbeitet. Auf der Basis des Gradienten des Sollwertes dwdks wird aus einer Tabelle oder einer Kennlinie die maximal erlaubte Ab­ weichung DWDKSIMX zwischen dem Sollwert wdks und dem Istwert wdkba ausgelesen. Alternativ dazu oder zusätzlich wird eine Vorhersage des Istwerts aus dem Sollwert vorgenommen, indem der Sollwert vorzugsweise mit einem PT1-Filter gefiltert wird. Der gefilterte Sollwert wdksfi berücksichtigt das Sprungantwortverhalten von Stellelement und Strecke und stellt einen zu erwarteten Istwert dar, der zur Überwachung herangezogen wird. Um das PT2-Verhalten der Regelstrecke zu erreichen, wird im Programmdurchlauf das gefilterte Ergebnis erst nach der Auswertung der Überwachung berechnet und der vorhergesagte Wert wdksfi um ein Zeitintervall verzögert zum Vergleich bereitgestellt. Zur Überwachung selbst wird der Betrag der Abweichung zwischen dem vorhergesagten Wert wdksfi und dem gemessenen Istwert wdkba mit der maximal er­ laubten Abweichung DWDKSIMX verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, wird ein Fehlerzähler inkrementiert, wird er unterschritten, wird der Fehlerzähler dekrementiert. Hat der Fehlerzähler einen Maximalwert erreicht, wird von einem Fehlverhalten ausgegangen und Notlaufmaßnahmen eingeleitet.

Ein Beispiel für die Ausführung dieser Überwachung als Pro­ gramm des Mikrocomputers wird in Fig. 2 anhand eines Fluß­ diagramms dargestellt. Das dargestellte Programm wird im vorgegebenen zeitlichen Raster abgearbeitet. Bei Einschalten der Zündung wird der Fehlerzähler TFehler auf 0 gesetzt. Im ersten Schritt 100 des Programms wird die Sollwertänderung dwks, der Sollwert wdks selbst und der Istwert wdkba einge­ lesen. Die Sollwertänderung dwdks wird im Rahmen eines ande­ ren, nicht dargestellten Programms auf der Basis des aktuell ermittelten und eines vorhergehenden Sollwertes bestimmt, vorzugsweise durch Differenzenbildung. Im nächsten Schritt 102 wird aus der eingelesenen Sollwertänderung dwdks eine maximal erlaubte Abweichung DWDKSIMX aus einer Kennlinie oder Tabelle ausgelesen. Daraufhin wird im Schritt 104 die Abweichung zwischen dem gefilterten Sollwert wdksfi, der am Ende der Überwachung berechnet wird, und dem gemessenen Ist­ wert wdkba gebildet und der Betrag dieser Abweichung mit der maximal zulässigen Abweichung DWDKSIMX verglichen. Ist der Betrag der Abweichung größer als die maximal erlaubte Abwei­ chung, so wird im darauffolgenden Schritt 106 überprüft, ob der Fehlerzähler TFehler seinen Maximalwert Tmax überschrit­ ten hat. Ist dies nicht der Fall, wird gemäß Schritt 108 der Fehlerzähler inkrementiert, ist der Maximalwert überschrit­ ten, werden gemäß Schritt 110 Notlaufmaßnahmen eingeleitet bzw. fortgeführt. Hat Schritt 104 ergeben, daß der Betrag der Abweichung nicht größer ist als die maximal zulässige Abweichung, wird im Schritt 112 der Fehlerzähler TFehler de­ krementiert. Daraufhin wird er im Schritt 114 nach unten auf 0 begrenzt, so daß keine negativen Zählerstände auftreten. Nach den Schritten 114, 110 und 108 wird im Schritt 116 der gefilterte Sollwert wdksfi auf der Basis eines alten Filter­ wertes und des eingelesenen aktuellen Sollwertes wdks gebil­ det. Dabei wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die folgende Gleichung verwendet, welche ein PT1-Verhalten re­ präsentiert:

wdksfi = wdksfi + (wdks - wdksfi).ZKWDKSPT1

Nach Berechnung des gefilterten Sollwertes wird bis zum nächsten Zeitpunkt gewartet und dann das Programm mit Schritt 100 wiederholt (vgl. Schritt 118).

Die Auswirkung der beschriebenen Vorgehensweise ist in Fig. 3 anhand von Zeitverläufen dargestellt. Dabei ist in Fig. 3a der Verlauf des Sollwertes wdks über der Zeit, in Fig. 3b der des Istwertes wdkba und in Fig. 3c der zeitliche Verlauf des Fehlerzählers TFehler dargestellt. Auf der Zeit­ achse ist dabei das zeitliche Raster, in dem die Überwachung berechnet wird, eingetragen. Vom Zeitpunkt T0 bis zum Zeit­ punkt T1 verändert sich der Sollwert wdks mit einem bestimm­ ten Gradienten. Zur Fehlersimulation sei angenommen, daß ge­ mäß Fig. 3b der Istwert dieser Sollwertänderung nicht in entsprechendem Maße folgt. Auf der Basis des Sollwertgra­ dienten wird die maximal zulässige Abweichung des Istwertes von dem auf der Basis des Sollwertes gebildeten, vorherge­ sagten Istwertes bestimmt. Dies ist in Fig. 3b durch die gestrichelten Linien skizziert, wobei der Einfachheit halber angenommen wird. Im beschriebenen Beispiel wird zum Zeit­ punkt T2 erstmalig eine Unterschreitung des zulässigen Be­ reichs erkannt und der Fehlerzähler entsprechend Fig. 3c inkrementiert. Zum Zeitpunkt T3 erreicht der Fehlerzähler seinen Maximalwert, so daß zu diesem Zeitpunkt Notlaufmaß­ nahmen eingeleitet werden.

Die beschriebene Vorgehensweise zur Überwachung eines Regel­ kreises wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Lage­ regelkreises für eine Drosselklappe beschrieben. In entspre­ chender Anwendung der beschriebenen Vorgehensweise werden die genannten Vorteile auch im Zusammenhang mit anderen Re­ gelkreisen, beispielsweise Drehmomentenregelkreise, Dreh­ zahlregelkreise, Lastregelkreise, etc. bei einer Brennkraft­ maschine erreicht. Soll- und Istwert sind dann die entspre­ chenden Größen (z. B. Drehmoment, Drehzahl, etc.). Die Filte­ rung des Sollwert ist entsprechend dem Streckenverhalten vorzugeben.

Ferner werden die genannten Vorteile überall dort erreicht, wo ein Stellelement nach Maßgabe eines vorgegeben Werts ein­ gestellt wird, auch im Rahmen einer offenen Steuerkette. Da­ bei muß nicht die Stellung des Stellelements die Steuergröße sein, sondern eine Größe, die mit der Einstellung des Stell­ elements zusammenhängt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel genügt eine Verzögerung der Verwertung des gefilterten Sollwerts um ein Zeitinter­ vall. In anderen Ausführungsbeispielen kann je nach Strec­ kenverhalten auch eine Verzögerung um mehr als ein Zeitin­ tervall zweckmäßig sein, um eine zuverlässige, ressourcen­ sparende Überwachung zu realisieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Einstellung eines Stellele­ ments, wobei wenigstens in Abhängigkeit eines Sollwertes ein Stellelement im Sinne einer Annäherung eines Istwertes an den Sollwert beeinflußt wird, wobei auf der Basis des Soll­ wertes und des Istwertes eine Überwachung der Einstellung des Stellelements vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der gefilterter Sollwert herangezogen wird.

2. Verfahren zur Überwachung der Einstellung eines Stellele­ ments, wobei wenigstens in Abhängigkeit eines Sollwertes ein Stellelement im Sinne einer Annäherung eines Istwertes an den Sollwert beeinflußt wird, wobei zur Überwachung die Ab­ weichung einer den Sollwert repräsentierenden Größe und ei­ ner den Istwert repräsentierenden Größe mit einem vorgegebe­ nen Grenzwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Grenzwert auf der Basis der Änderung des Sollwertes vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert gefiltert wird, derart, daß der gefilterte Sollwert im wesentlichem einen Wert repräsentiert, der bei korrekter Funktion dem Istwert im wesentlichen entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gefilterte Sollwert um ein vorgegebenes Zeitinter­ vall verzögert der Überwachung zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abweichung zwischen gefilter­ tem Sollwert und gemessenem Istwert mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten des Grenzwertes ein Fehler erkannt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehlerzähler vorgesehen ist, der bei Überschreiten des Grenzwertes inkrementiert, bei Unterschreiten dekrementiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines Maximal­ wertes durch den Fehlerzähler ein Notlauf eingeleitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Lageregler für die Stellung eines die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine beeinflussenden Stellelements vorgesehen ist, der Sollwert einen Lagesoll­ wert und der Istwert einen Lageistwert darstellt.

9. Vorrichtung zur Überwachung der Einstellung eines Stell­ elements, mit einer Steuereinheit, welche wenigstens abhän­ gig von einem Sollwert ein Ansteuersignal für ein elektrisch betätigbares Stellelement erzeugt, wobei ein Istwert sich dem Sollwert annähert, mit einer Funktionsüberwachung, die auf der Basis von Soll- und Istwert die Funktionsfähigkeit feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung ein gefilterter Sollwert herangezogen wird.

10. Vorrichtung zur Überwachung der Einstellung eines Stell­ elements, mit einer Steuereinheit, welche wenigstens abhän­ gig von einem Sollwert ein Ansteuersignal für ein elektrisch betätigbares Stellelement erzeugt, wobei ein Istwert sich dem Sollwert annähert, mit einer Funktionsüberwachung, die zur Überwachung die Abweichung einer den Sollwert repräsen­ tierenden Größe mit einer den Istwert repräsentierenden Grö­ ße mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinheit Mittel aufweist, die den Grenzwert auf der Basis der Sollwertänderung ermitteln.