DE19825113A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Modellierung eines Hydrauliksystems - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Modellierung eines HydrauliksystemsInfo
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Abstract
Verfahren und/oder Vorrichtung zur Abschätzung von Druckänderungen in einem Hydrauliksystem mit einem ersten Volumenspeicher und wenigstens einem durch Ventil mit diesem ersten verbundenen zweiten Volumenspeicher umfaßt die Schritte: DOLLAR A c) Vorgeben einer Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Volumenspeicher, DOLLAR A d) Berechnen eines in einem vorgegebenen Zeitintervall zwischen erstem und zweitem Volumenspeicher durch das Ventil ausgetauschten Volumens anhand eines zu Beginn des Zeitintervalls geltenden Werts der Druckdifferenz, DOLLAR A e) Berechnen eines zur Erzielung gleicher Drücke in beiden Volumenspeichern zwischen diesen auszutauschenden Volumens, DOLLAR A f) wenn der Betrag des in Schritt d) berechneten ausgetauschten Volumens größer ist als der des in Schritt e) berechneten auszutauschenden Volumens: Ersetzen des Werts des ausgetauschten durch den des auszutauschenden Volumens, und DOLLAR A g) Annehmen des in Schritt f) erhaltenen Volumenwerts als Volumenänderung des zweiten Volumenspeichers und Ermitteln der Druckänderung der Volumenspeicher anhand des in Schritt f) erhaltenen Volumenwerts.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und/oder
eine Vorrichtung zur Modellierung eines Hydrauliksystems,
das wenigstens zwei durch ein Ventil verbundene
Volumenspeicher umfaßt, das heißt zur Abschätzung von
Druck- und/oder Volumenänderungen dieses Systems in
Reaktion auf äußere Veränderungen.
Solche Modellierungsverfahren werden insbesondere in
Antiblockier-Regelsystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt.
Derartige Systeme sind zum Beispiel aus DE 43 40 921 A1, DE 40 12 167
oder DE 40 30 724 bekannt.
Das Bremssystem eines Kraftfahrzeuges bildet ein
Hydrauliksystem mit einem Hauptbremszylinder, Bremskammern
in den Fahrzeugrädern und einem Bremskreis, der den
Hauptbremszylinder mit den Bremskammern verbindet. Diese
Komponenten können als eine Mehrzahl von Volumenspeichern
aufgefaßt werden, wobei jeder Volumenspeicher durch sein
Volumen, seinen Druck und seine Verbindungen mit den
anderen Volumenspeichern für die Modellierung vollständig
charakterisiert ist. Das Antiblockiersystem ist eine
zyklisch arbeitende elektronische Schaltung, die über eine
Mehrzahl von Sensoren den Druck in dem Hauptbremszylinder
sowie die Bewegungseigenschaften der Räder erfaßt und durch
Ansteuern von zwischen dem Hauptbremszylinder und den
Radbremskammern angeordneten Einlaßventilen versucht, einen
Bremsdruck einzustellen, mit dem gewünschte
Bewegungseigenschaften der Räder wie etwa
Drehgeschwindigkeit oder Schlupf möglichst genau erreicht
werden. Dazu ist es erforderlich, den Druck abschätzen zu
können, der sich in den Radbremskammern einstellt, wenn
diese durch (zeitweiliges) Öffnen eines Ventils mit einem
Teil des Bremskreises verbunden werden, der einen höheren
oder niedrigeren Druck aufweisen kann als den, der vor dem
Öffnen des Ventils in der Radbremskammer herrscht. Die
zyklische Arbeitsweise der Regelschaltung führt dabei zu
dem Problem, daß die Regelschaltung nur in bestimmten
Zeitabständen neue Werte der zu berücksichtigenden
Parameter erfassen kann. Die von der Schaltung vorgenommene
Regelung muß sich an diesen Parameterwerten so lange
orientieren, bis neue zur Verfügung stehen, tatsächlich
ändern sich die Werte dieser Parameter aber fortlaufend
zwischen zwei Erfassungszeitpunkten. Systematische Fehler
bei der Regelung sind die Folge.
Betrachtet man zwei Volumenspeicher, die über ein Ventil
miteinander verbunden sind (siehe Fig. 1), so ist der
Volumenstrom q vom druckhöheren in den druckniedrigeren
Volumenspeicher nach Bernoulli gegeben durch:
q = α.A.(2/ρ)½.ΔP½
wobei α der Blendenbeiwert und A die geometrische
Querschnittsfläche des Ventils, ρ die Dichte der
Flüssigkeit und ΔP die Druckdifferenz über dem Ventil ist.
Verwendet man diese oder eine entsprechende Formel zur
Modellierung des hydraulischen Systems, so ergibt sich das
Problem, daß zwischen zwei Erfassungzeitpunkten nur die zum
früheren Zeitpunkt erfaßten Parameterwerte zur Verfügung
stehen, beim realen System aber der Volumenstrom zwischen
den zwei Erfassungszeitpunkten eine Nivellierung der
Druckdifferenz bewirkt, die wiederum zu einer Verringerung
des Volumenstroms q führt. Bei der Modellbildung wird daher
immer ein zu großer Volumenstrom berechnet. Dies führt zu
Dauerschwingungen des Modells, die seine Brauchbarkeit für
die Druckregelung einschränken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren
und/oder eine Vorrichtung zur Abschätzung von Druck-
und/oder Volumenänderungen in einem Hydrauliksystem
einzugeben, bei dem diese Dauerschwingungen ausgeschlossen
sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und/oder eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Unteransprüche sind jeweils auf vorteilhafte
Weiterentwicklungen des Verfahrens gerichtet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen
Systems;
Fig. 2 Druck-Volumen-Kennlinien des ersten
Volumenspeichers sowie des gesamten Systems aus
Fig. 1; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines bekannten
Kraftfahrzeug-Bremssystems.
Fig. 5 eine Darstellung eines Beispiels für
Kraftfahrzeug-Bremssystem, bei dem das
erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
Das in Fig. 4 dargestellte Kraftfahrzeug-Bremssystem ist
bekannt und soll daher nur so weit erläutert werden, wie
dies zum Verständnis der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf ein solches System nötig ist.
Das Kraftfahrzeug-Bremssystem umfaßt einen
Hauptbremszylinder 1, der über eine Hochdruckleitung 2 und
mit einem Dreistellungsventil 3 verbunden ist. In der
gezeigten Stellung (1) verbindet das Dreistellungsventil 3
die Hochdruckleitung 2 mit der Bremskammer 4 eines Rades,
so daß Bremsfluid in die Radkammer strömen und einen
Bremsdruck aufbauen kann. In einer zweiten Stellung (2) des
Dreistellungsventils ist die Bremskammer 4 von der
Hochdruckleitung 2 getrennt. In einer dritten Stellung (3)
ist sie mit einer Niederdruckleitung 5 verbunden, über die
Bremsfluid zu einer Speicherkammer 6 und einer Förderpumpe
7 abfließen kann. Die Förderpumpe fördert Bremsfluid in die
Hochdruckleitung 2 und hält so dort einen erhöhten Druck
aufrecht. Weitere (nicht dargestellte) Ventile und
Radbremskammern sind parallel zum Ventil 3 und der
Radbremskammer 4 angeschlossen.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert ein hydraulisches System,
bestehend aus zwei Volumenspeichern A, B mit Volumina VA,
VB, die durch ein Ventil 3 getrennt sind und
unterschiedliche Drücke pA, pB haben können. Dieses System
kann selbstverständlich wiederum Teil eines größeren
Systems sein. Bei der bevorzugten Anwendung des Verfahrens
im Rahmen einer Druckregelung für ein Kraftfahrzeug ist der
erste Volumenspeicher A Teil des Bremskreises des
Kraftfahrzeuges, z. B. die Hochdruckleitung 2 oder die
Niederdruckleitung 5 mit der Speicherkammer 6. Der zweite
Volumenspeicher B kann die Bremskammer eines einzelnen
Rades des Kraftfahrzeuges sein.
Für jeden Volumenspeicher A, B sowie für das Gesamtsystem
A+B existiert eine pV-Kennlinie fA, fB bzw. fA+B, mit der sich
aus dem Druck im Volumenspeicher das dazugehörige Volumen
Vi = fi (Vi) (i = A, B, A+B) angeben läßt, wobei fA+B die Summe
von fA und fB ist. Für den Systemdruck im
Gleichgewichtszustand bei geöffneten Ventil gilt
psystem = pA = pB = fA+B (VA + VB)
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von
Fig. 2 und 3 wird zunächst angenommen, daß das
hydraulische System sich beim Druck p0 im Gleichgewicht
befindet. Durch einen äußeren Einfluß wie etwa Ingangsetzen
der Förderpumpe erhöht sich der Druck im Volumenspeicher A
von p0 auf p1. Aus der Kennlinie fA(p) von Fig. 2 läßt sich
ablesen, daß dieser Druckänderung eine Änderung des
Volumens des ersten Volumenspeichers von VA0 um_ΔVA auf VA1
entspricht. Folglich ist ΔVA auch die Volumenänderung des
Gesamtsystems. An der Kennlinie fA+B des Gesamtsystems
erkennt man, daß dieser Volumenänderung nur eine
Druckzunahme auf den zwischen p0 und p1 liegenden Wert peq
entspricht. Dieses ist der Gleichgewichtsdruck, der sich in
dem System bei geöffnetem Ventil 2 langfristig einstellen
würde. Um diesen Wert zu erreichen, muß das Volumen ΔVeq vom
Volumenspeicher A in den Speicher B verlagert werden.
Fig. 3 veranschaulicht den Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand eines Flußdiagramms. Das Verfahren kann
von einer herkömmlichen Mikroprozessorsteuerung
abgearbeitet werden, die bekannt ist und an dieser Stelle
nicht eingehend beschrieben werden muß. Ein Speicher der
Steuerung enthält eine erste Tabelle und eine zweite
Tabelle, in der das Volumen des ersten bzw. zweiten
Volumenspeichers jeweils als Funktion des darin
herrschenden Druckes aufgelistet ist, und eine dritte
Tabelle, aus der sich der Druck des im Gleichgewicht
befindlichen Hydrauliksystems als Funktion von dessen
Volumen ablesen läßt.
Es wird angenommen, daß das System sich zu Beginn eines
Steuervorganges beim Druck p0 im Gleichgewicht befindet.
Durch einen externen Steuervorgang wie etwa Ingangsetzen
der Förderpumpe erhöht sich der Druck im ersten
Volumenspeicher, der Hochdruckleitung 2, auf p1. Der Druck
im zweiten Volumenspeicher hat zunächst weiterhin den Wert
p0. Der Mikroprozessor berechnet in Schritt 10 zunächst den
Volumenstrom Δq vom ersten in den zweiten Volumenspeicher
nach der oben genannten Bernoulli-Formel für eine
Druckdifferenz Δp = p1-p0. Eine Abschätzung des zwischen den
beiden Volumenspeichern innerhalb eines Arbeitszyklus des
Mikroprozessors ausgetauschten Volumens ΔV wird in Schritt
20 erhalten durch Multiplizieren des Volumenstromes Δq mit
der Dauer T des Zyklus bzw. der Öffnungsdauer des Ventils 3
während des Zyklus, wenn diese geringer als die Zyklusdauer
ist. Wie oben erläutert, ist das so berechnete
ausgetauschte Volumen systematisch zu groß.
In Schritt 30 bestimmt der Mikroprozessor deshalb anhand
der ersten Tabelle das Volumen VA0 = fA(p0) des ersten
Volumenspeichers vor Eintritt der Druckänderung, das dem
geänderten Druck p1 entsprechende Volumen VA1 = fA(p1) des
ersten Volumenspeichers und bestimmt die Differenz ΔVA
zwischen beiden. Da sich zu Beginn des Regelvorganges der
Druck im zweiten Volumenspeicher und damit dessen Volumen
noch nicht geändert hat, ist die Volumenänderung des
Gesamtsystems gegeben durch ΔVA. Der Mikroprozessor
bestimmt den Gleichgewichtsdruck peq für das derart
geänderte Gesamtvolumen durch Nachschlagen in der dritten
Tabelle (Schritt 40). Das diesem Druck entsprechende
Volumen VAeq des ersten Volumenspeichers wird wiederum
anhand der ersten Tabelle bestimmt. Die Differenz
ΔVeq = VA1-VAeq gibt das zum Erzielen eines neuen
Druckgleichgewichtes zwischen den Volumenspeichern
auszutauschende Volumen an. Es ist eine obere Grenze, die
in der Realität nicht überschritten werden kann. Deshalb
vergleicht der Mikroprozessor in Schritt 60 den Wert ΔV mit
dieser Differenz, und wenn sich letztere als kleiner
herausstellt, wird ΔV durch sie ersetzt (Schritt 70) und
als Schätzwert der Volumenänderung für diesen Arbeitszyklus
verwendet. In diesem Fall hat das Hydrauliksystem am Ende
des Zyklus wieder ein Gleichgewicht erreicht.
Wenn sich in Schritt 60 herausstellt, daß ΔV kleiner als
besagte Differenz ist, ist das Verfahren für den laufenden
Arbeitszyklus beendet, aber das Hydrauliksystem befindet
sich noch nicht wieder im Gleichgewicht, und das Verfahren
muß für den nachfolgenden Arbeitszyklus wiederholt werden.
Die in diesem Zyklus verwendeten Druckwerte p1 im ersten
und p0 im zweiten Volumenspeicher werden aus denen des
vorherigen Arbeitszyklus erhalten durch Subtrahieren bzw.
Addieren des ausgetauschten Volumens ΔV und Ermitteln der
den so erhaltenen Volumenwerten entsprechenden Drücke in
beiden Volumenspeichern anhand der Beziehungen fA, fB. Diese
sind in einem Speicher, auf den der Mikroprozessor
zugreifen kann, vorab in Tabellenform gespeichert.
Alternativ können sie als vom Prozessor auszuführende
Unterprogramme implementiert sein, die die Berechnung des
Drucks in einem Volumenspeicher in Funktion von dessen
Volumen bzw. des Volumens in Funktion des Drucks gestatten.
Das Verfahren ist auf Systeme mit mehreren zweiten
Volumenspeichern anwendbar, die über Ventile mit dem ersten
Volumenspeicher verbunden sind.
Sind z. B. n identische zweite Speicher mit identischen
Ventilen vorhanden und die Anfangsdrücke in allen zweiten
Speichern gleich, so können diese zweiten Speicher als ein
Speicher mit n-fachem Volumen und einem Ventil mit n-fachem
Querschnitt behandelt werden.
Sind die zweiten Speicher, Ventile und/oder Anfangsdrücke
unterschiedlich, so können die in Fig. 3 dargestellten
Verfahrensschritte in jedem Zyklus für jeden dieser zweiten
Volumenspeicher ohne Berücksichtigung der anderem
durchgeführt werden. Vor Beginn eines Folgezyklus wird der
Druck p1 im ersten Volumenspeicher unter Berücksichtigung
aller Volumenströme in die zweiten Speicher berechnet.
Das Verfahren kann über eine Mehrzahl von Zyklen wiederholt
werden, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist
oder neue Meßwerte oder Schätzwerte von Druck und/oder
Volumen zur Verfügung stehen, an denen das Modell neu
geeicht werden kann.
Ein Beispiel für ein System, in dem das erfindungsgemäße
Verfahren Anwendung findet, ist in Fig. 5 gezeigt. Dieses
System ist ein Kraftfahrzeug-Bremssystem, das zur Anwendung
in Zusammenhang mit einer Antiblockierregelung oder
allgemein einer Fahrdynamikregelung geeignet ist. Es umfaßt
einen Hauptbremszylinder 1, von dem aus sich zwei
Hochdruckleitungen 2 über im in der Figur gezeigten
Ruhezustand offene Umschaltventile USV1, USV2 zu vier
Einlaßventilen EVHR, EVHL, EVVL, EVVR erstrecken. Die
Einlaßventile sind sogenannte 2/2-Magnetventile, auch sie
sind im Ruhezustand offen. Die Bremskammern 4 der vier
Räder HR, HL, VL, VR sind über Leitungsstücke 8 jeweils an
den Ausgang des zugeordneten Einlaßventil sowie einen
Eingang eines zugeordneten Auslaßventils AVHR, AVHL, AVVL,
AVVR angeschlossen. Die Auslaßventile sind ebenfalls 2/2-
Magnetventile, sie sind im Ruhezustand geschlossen, ihre
Ausgänge münden auf zwei Niederdruckleitungen 5, eine für
die vorderen und eine für die hinteren Räder des
Kraftfahrzeugs. Jede Niederdruckleitung umfaßt eine
Speicherkammer 6 und ist an eine Förderpumpe sRFP1, sRFP2
angeschlossen, die Bremsfluid aus der Niederdruckleitung in
die Hochdruckleitung 2 fördert.
Eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) steuert einzeln
den Schaltzustand jedes Ein- und Auslaßventils durch
selektives Erregen von dessen Elektromagnet.
Bei Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer erhöht sich
der Druck im Hauptbremszylinder 1 und infolgedessen, über
die offenen Einlaßventile, auch in den Radbremskammern 4.
Wenn die Steuerschaltung mit Hilfe eines angeschlossenen
Sensors das drohende Blockieren eines Rades, etwa des Rades
HR, erfaßt, schaltet sie Ein- und Auslaßventil EVHR bzw
AVHR aus ihrem Ruhezustand in einen aktiven Zustand, in dem
das Einlaßventil EVHR sperrt und das Auslaßventil AVHR sich
öffnet, so daß der Druck in der Radbremskammer 4 wieder
abfällt.
Nachdem die Steuerschaltung infolge des nachlassenden
Bremsdrucks wieder das freie Drehen des Rades erfaßt,
schließt sie das Auslaßventil wieder und erhöht durch
kurzzeitiges Öffnen des Einlaßventils stufenweise wieder
den Druck in der Radbremskammer, solange bzw. so oft, bis
erneut drohendes Blockieren erfaßt wird.
Die Steuerschaltung kann nun mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens den Druckanstieg in den
Bremszylindern während des oben beschriebenen kurzzeitigen
Öffnens der Einlaßventile modellieren, wobei sie die
Bremszylinder 1 und Hochdruckleitung 2 als ersten
Volumenspeicher und die Radbremskammern 4 jeweils
einschließlich der zugeordneten Leitungsstücke 8 als zweite
Volumenspeicher behandelt.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch beim
Verringern des Drucks in einer Radbremskammer zum Einsatz
kommen, wobei dann die Radbremskammer 4 und das zugeordnete
Leitungsstück 8 als erster Volumenspeicher und das
Niederdruckleitungssystem 5 mit den Speicherkammern 6 als
zweiter Volumenspeicher behandelt wird.
Claims (9)
1. Verfahren zur Abschätzung von Druckänderungen in einem
Hydrauliksystem mit einem ersten Volumenspeicher und
wenigstens einem durch Ventil mit diesem ersten
verbundenen zweiten Volumenspeicher, mit den
Schritten:
- a) Vorgeben einer Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Volumenspeicher,
- b) Berechnen eines in einem vorgegebenen Zeitintervall zwischen erstem und zweitem Volumenspeicher durch das Ventil ausgetauschten Volumens anhand eines zu Beginn des Zeitintervalls geltenden Werts der Druckdifferenz,
- c) Berechnen eines zur Erzielung gleicher Drücke in beiden Volumenspeichern zwischen diesen auszutauschenden Volumens,
- d) wenn der Betrag des in Schritt d) berechneten ausgetauschten Volumens größer ist als der des in Schritt e) berechneten auszutauschenden Volumens: Ersetzen des Werts des ausgetauschten durch den des auszutauschenden Volumens, und
- e) Annehmen des in Schritt f) erhaltenen Volumenwerts als Volumenänderung des zweiten Volumenspeichers und Ermitteln der Druckänderung der Volumenspeicher anhand des in Schritt f) erhaltenen Volumenwerts.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand der in
Schritt g) erhaltenen Druckänderung die nach dem
Volumenaustausch herrschende Druckdifferenz zwischen
den Volumenspeichern bestimmt und die Schritte c) bis
g) für die erhaltene Druckdifferenz wiederholt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit den
vorbereitenden Schritten:
- a) Aufstellen einer Beziehung fA zwischen Druck und Volumen für den ersten Volumenspeicher,
- b) Aufstellen einer Beziehung fA+B zwischen Druck und Volumen für das gesamte Hydrauliksystem.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ferner eine
Beziehung fB für den zweiten Volumenspeicher
aufgestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem in Schritt
e) das Volumen des ersten Volumenspeichers nach der
Druckänderung anhand der Beziehung fA ermittelt wird,
die mit der Änderung des Volumens des ersten Volumenspeichers einhergehende Änderung des Volumens des gesamten Hydrauliksystems ermittelt wird,
der dem geänderten Volumen des gesamten Hydrauliksystems entsprechende Druck anhand der Beziehung fA+B ermittelt wird, und
anhand des so erhaltenen Drucks und der Beziehung fA oder ggf. fB das auszutauschende Volumen ermittelt wird.
die mit der Änderung des Volumens des ersten Volumenspeichers einhergehende Änderung des Volumens des gesamten Hydrauliksystems ermittelt wird,
der dem geänderten Volumen des gesamten Hydrauliksystems entsprechende Druck anhand der Beziehung fA+B ermittelt wird, und
anhand des so erhaltenen Drucks und der Beziehung fA oder ggf. fB das auszutauschende Volumen ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem in Schritt d) die Bernoulli-Gleichung eingesetzt
wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der erste Volumenspeicher ein Bremskreis eines
Kraftfahrzeugs ist und der zweite Volumenspeicher
durch eine oder mehrere Bremskammern von Rädern des
Kraftfahrzeugs gebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur
Abschätzung von Druck- und/oder Volumenänderungen in
einem Hydrauliksystem mit mehreren mit dem ersten
Volumenspeicher durch Ventil verbundenen zweiten
Volumenspeichern, bei dem die Schritte d), e), f) für
jeden der zweiten Volumenspeicher ausgeführt werden
und in Schritt g) die Druckänderung anhand der in
Schritt f) für sämtliche zweiten Volumenspeicher
erhaltenen Volumenwerte ermittelt wird.
9. Vorrichtung, insbesondere ein Hydrauliksystem mit
einer Steuereinheit, zur Durchführung wenigstens eines
Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, zur Abschätzung von Druck- und/oder
Volumenänderungen in einem Hydrauliksystem,
insbesondere in einer Bremshydraulik.
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