DE19945615A1 - Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug und Steuerung/Regelungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Verbrennungs-, Getriebeschalt- oder Bremsvorgangs, und eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren arbeitet mit Hilfe eines Kennfeldes, das durch Betriebsgrößen des Prozesses aufgespannt und durch Stützstellen mit zugehörigen Kennfeldwerten repräsentiert wird. In einem Steuerzyklus wird für einen Arbeitspunkt des Prozesses mindestens ein Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt, indem zunächst ein Intervall zwischen benachbarten Stützstellen bestimmt wird, in dem der Arbeitspunkt liegt, und dann zwischen den Stützstellen interpoliert wird. Um den Rechenzeitbedarf zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung des Intervalls ein Suchalgorithmus eingesetzt wird, der als Anfangspunkt das in dem vorangegangenen Steuerzykus bestimmte Intervall verwendet.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Verbrennungs-, Getriebeschalt- oder Bremsvorgangs, mit Hilfe eines Kennfeldes. Das Kennfeld ist durch Betriebsgrößen des zu steuernden bzw. zu regelnden Prozesses aufgespannt und wird durch Stützstellen mit zugehörigen Kennfeldwerten repräsentiert. Die Steuerung/Regelung des Prozesses erfolgt in aufeinanderfolgenden Steuerzyklen. In einem Steuerzyklus wird für einen Arbeitspunkt des Prozesses mindestens ein Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt. Dazu wird zunächst ein Intervall zwischen benachbarten Stützstellen bestimmt, in dem der Arbeitspunkt liegt, und dann zwischen den Stützstellen interpoliert. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Steuerungs-/Regelungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine zentrale Problematik bei der Realisierung von Steuerungen oder Regelungen, insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik, ist die Nachbildung der Eigenschaften von zu steuernden oder zu regelnden Teilsystemen in einem Rechner der Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung. Aus diesen internen Nachbildungen können z. B. für einen Regler wichtige Zustandsgrößen ermittelt werden, die online nicht direkt messbar sind oder aus Kostengründen nicht gemessen werden, oder die aus der Nachbildung ermittelten Werte werden direkt zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses verwendet.

Zur Modelldarstellung in einer Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze bekannt:

• - Nachbilden der relevanten physikalisch-technischen Systemeigenschaften durch ein mathematisches Modell (z. B. ein Differentialgleichungssystem)
• - explizite Speicherung der interessierenden Systeminformationen in Abhängigkeit der relevanten Betriebsgrößen (Kennfeld).

Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen hat die Kennfelddarstellung Vorteile hinsichtlich eines geringen Bedarfs an Rechenzeit, da keine aufwendigen Modellrechnungen erforderlich sind, sondern die zu einem bestimmten Arbeitspunkt des Prozesses gehörenden Werte direkt aus dem Kennfeld entnommen werden können. Die Kennfelddarstellung hat auch hinsichtlich einer Applikationsvereinfachung Vorteile. Bei einer Modelldarstellung mit analytischen, die physikalischen Zusammenhänge beschreibenden Gleichungen muss der Applikateur im Allgemeinen die Modellstruktur recht genau kennen, um eine zielgerichtete Optimierung durchführen zu können. Da der Einfluss der anzupassenden Parameter sich meist über weite Bereiche des "Adressraumes" erstreckt und eine mehr oder weniger starke Verkopplung der Einflüsse besteht, ist unter Umständen eine langwierige iterative Suche der optimalen Parameterkombination erforderlich. Im Gegensatz dazu hat, bei einer Kennfelddarstellung jede Stützstellenanpassung eine klar definierte, eng begrenzte lokale Auswirkung. Detaillierte Modellkenntnis oder ein iteratives Vorgehen sind deshalb nicht erforderlich. Eine systematische, standardisierbare Anpassung ist möglich, unter Umständen kann die Anpassung sogar automatisiert werden.

Aus diesen Gründen ist die Anwendung von Kennfeldern zur Steuerung oder Regelung von Prozessen in Großserien-Steuer-/ Regelungsvorrichtungen bereits heute weit verbreitet. In Kraftfahrzeugen werden Kennfelder etwa zur Steuerung von Einspritzung und Zündung und zur präzisen Bewältigung weiterer Aufgaben moderner Motormanagement-Systeme eingesetzt. Aber auch zur Bereitstellung komplexer Modellinformationen bei Sicherheitssystemen wie Antiblockiersystem (ABS) und Antriebsschlupfregelung (ASR) und bei diversen anderen Anwendungen weit verbreitet.

Die eingesetzten Kennfelder können eindimensional (sog. Kennlinien) oder zwei- bzw. mehrdimensional sein. Da die Anforderungen an Funktionalität und Präzision der zu steuernden bzw. zu regelnden Prozesse ständig steigen, ist es künftig in zunehmendem Maße erforderlich, mehr als zwei Betriebsgrößen in einem Kennfeld zu verknüpfen. Außerdem wird eine exakte Abstimmung sich gegenseitig beeinflussender Betriebsgrößen, wie Einspritzmenge, Zündwinkel, Beschleunigungsanreicherung, etc. immer wichtiger.

Die Stützstellen, durch die ein Kennfeld repräsentiert wird, können äquidistant (bei einem sog. Rasterkennfeld) oder je nach geforderter lokaler Genauigkeitsanforderung in frei wählbaren Abständen (bei einem sog. Assoziativ-Kennfeld) zueinander angeordnet sein. Das Assoziativ-Kennfeld ist bspw. in der DE 44 18 731 A und in dem Artikel M. Schmitt, H. Tolle, "Das Assoziativ-Kennfeld - eine lernfähige Standardkomponente für Automobil-Steuergeräte", Automobiltechnische Zeitschrift 96 (1994), Seiten 28 bis 32 beschrieben. Wie in einem Steuerzyklus für einen Arbeitspunkt des Prozesses ein Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt wird, kann der DE 43 04 441 A1 und dem Artikel M. Schmitt, H. Tolle, "Das Assoziativkennfeld - eine lernfähige Standardkomponente für Automobil-Steuergeräte", a. a. O. entnommen werden.

Zur Bestimmung des Intervalls, in dem der Arbeitspunkt liegt, wird nach dem Stand der Technik ein Suchalgorithmus eingesetzt, bei dem für jede Betriebsgröße, durch die das Kennfeld aufgespannt wird, die Anzahl der vorhandenen Stützstellen in der Mitte in zwei Stützstellengruppen aufgeteilt wird. Dann wird festgestellt, in welcher der Stützstellengruppen der Arbeitspunkt des Prozesses liegt. In dieser Stützstellengruppe wird dann eine lineare Suche von einer Stützstelle am Rand der Stützstellengruppe aus gestartet. Sobald das Intervall gefunden ist, in dem der Arbeitspunkt liegt, ist die Suche beendet. Diese Intervallsuche wird unabhängig von dem Suchergebnis des vorangegangenen Steuerzyklusses für jeden einzelnen Steuerzyklus durchgeführt. Das führt zu einer erheblichen Rechenbelastung der Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung, die das Verfahren zur Steuerung/ Regelung des Prozesses durchführt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung/ Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass der Rechenaufwand für die Ermittlung eines zu einem Arbeitspunkt des Prozesses gehörenden Kennfeldwertes aus dem Kennfeld reduziert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung, ausgehend von dem Verfahren zur Steuerung/ Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art vor, dass zur Bestimmung des Intervalls ein Suchalgorithmus eingesetzt wird, der als Anfangspunkt das in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall verwendet.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich die Intervallsuche deutlich vereinfachen lässt, wenn zur Bestimmung des Intervalls, in dem der Arbeitspunkt liegt, das Suchergebnis des vorangegangenen Steuerzyklusses berücksichtigt wird. Viele der Betriebsgrößen des Prozesses, durch die das Kennfeld aufgespannt wird, können, bezogen auf die Häufigkeit der Ausführung der Interpolation pro Zeiteinheit als quasi-stationär betrachtet werden. In der Regel kann also davon ausgegangen werden, dass das in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall dicht bei dem in dem aktuellen Steuerzyklus zu bestimmenden Intervall liegt. Der Suchalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt dies aus und verwendet als Anfangspunkt das in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall. Dadurch kann das Intervall in einem Steuerzyklus im Mittel deutlich schneller bestimmt werden, als dies mit dem aus der Stand der Technik bekannten Suchalgorithmus möglich wäre.

Aufgrund der quasi-stationären Eigenschaften der Betriebsgrößen des Prozesses ist zu erwarten, dass der Suchalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Regel bereits nach nur einem Stützstellenintervall erfolgreich beendet werden kann. Dadurch ergibt sich eine deutliche Beschleunigung der Intervallsuche. Außerdem ergibt sich eine Vereinfachung der Intervallsuche, wodurch der Rechenzeitbedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich reduziert wird. Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Steuerzyklus für einen Arbeitspunkt des Prozesses mindestens ein Kennfeldwert besonders schnell und mit einem besonders niedrigen Rechenaufwand aus dem Kennfeld ermittelt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Rahmen des Suchalgorithmus, ausgehend von dem Anfangspunkt, in Richtung des Arbeitspunktes eine lineare Suche nach dem Intervall durchgeführt wird, in dem der Arbeitspunkt liegt. Die Suchrichtung ergibt sich also aus der Position des Arbeitspunktes relativ zu dem Anfangspunkt, d. h. relativ zu dem Intervall, das in dem vorangegangen Steuerzyklus bestimmt wurde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das in dem Steuerzyklus bestimmte Intervall, in dem der Arbeitspunkt liegt, in einem Speicherplatz abgelegt wird. In dem nachfolgenden Steuerzyklus kann das in den vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall dann aufgerufen und als Anfangspunkt des Suchalgorithmus verwendet werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die Rechenbelastung bei der Ermittlung eines zu einem Arbeitspunkt des Prozesses gehörenden Kennfeldwertes aus dem Kennfeld reduziert wird.

Zur Lösung schlägt die Erfindung ausgehend von der Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung der eingangs genannten Art vor, dass die Vorrichtung einen Speicherplatz für das in dem Steuerzyklus bestimmte Intervall aufweist. Das in dem Steuerzyklus bestimmte Intervall kann dann in einem nachfolgenden Steuerzyklus aus dem Speicherplatz aufgerufen und als Anfangspunkt des Suchalgorithmus verwendet werden. Dadurch kann in dem nachfolgenden Steuerzyklus mit einer besonders geringen Rechenbelastung für einen Arbeitspunkt des Prozesses ein Kennfeld ermittelt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kennfeld von zwei Betriebsgrößen des Prozesses aufgespannt ist. Bei einer Antriebsschlupfregelung (ASR) wird das zur Regelung eingesetzte Kennfeld bspw. von den beiden Betriebsgrößen Drehzahl n und Drosselklappenwinkel des Motors des Kraftfahrzeugs aufgespannt. Das Kennfeld wird durch Stützstellen repräsentiert, denen das Motormoment M als Kennfeldwerte zugeordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kennfeld als ein Assoziativkexmfeld ausgebildet ist. Ein Assoziativkennfeld wird von Stützstellen repräsentiert, die je nach lokalen Genauigkeitsanforderungen unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Dazu werden beim Assoziativkennfeld Informationseinheiten, bestehend aus Stützstellenposition und Kennfeldwert, als Stützstellen gespeichert. Im Vergleich zu einem Rasterkennfeld, bei dem die Stützstellen äquidistant zueinander angeordnet sind, wird das Assoziativkennfeld bei denselben lokalen Genauigkeitsanforderungen durch weniger Stützstellen repräsentiert. Die Anzahl der Stützstellen wird bei dem Assoziativkennfeld von der geforderten Nachbildungsgenauigkeit, nicht aber von der Dimension des Kennfeldes bestimmt. Dadurch können auch mehrdimensionale Problemstellungen mit vertretbarem Speicheraufwand behandelt werden. Nähere Angaben über Assoziativkennfelder und darüber, wie bei Assoziativkennfeldern die Interpolation zwischen den Stützstellen durchgeführt wird, können der DE 44 18 731 A1, der DE 43 04 441 A1 und dem Artikel M. Schmitt, H. Tolle "Das Assoziativkennfeld - eine lernfähige Standardkomponente für Automobil-Steuergeräte", a. a. O. entnommen werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren dient zur Steuerung/ Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug, bspw. eines Verbrennungs-, Getriebeschalt- oder Bremsvorgangs, mit Hilfe eines Kennfeldes. Durch das Kennfeld werden die Eigenschaften des zu steuernden bzw. zu regelnden Prozesses nachgebildet. Aus der Nachbildung können z. B. für eine Regelung Zustandsgrößen ermittelt werden, die sich aus Arbeitspunkten des Prozesses zugeordneten Kennfeldwerten ergeben, oder die aus der Nachbildung ermittelten Kennfeldwerte werden direkt zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses verwendet. Die Steuerung/Regelung des Prozesses erfolgt in aufeinanderfolgenden Steuerzyklen. In einem Steuerzyklus wird für einen Arbeitspunkt des Prozesses der zugeordnete Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt.

Das Verfahren beginnt bei dem Funktionsblock 1. In einem anschließenden Funktionsblock 2 wird der Arbeitspunkt des zu steuernden bzw. zu regelnden Prozesses bestimmt. Dazu werden Betriebsgrößen 3 von Sensoren 4 aufgenommen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bspw. als eine Antriebsschlupfregelung ausgebildet. Das zur Antriebsschlupfregelung verwendete Kennfeld wird durch zwei Betriebsgrößen, die Drehzahl n und den Drosselklappenwinkel des Kraftfahrzeugmotors, aufgespannt. Die beiden Betriebsgrößen werden durch geeignete Sensoren 4 bestimmt und legen den Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine fest.

In einem nachfolgenden Funktionsblock 5 wird aus einem Speicherplatz 6 ein in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmtes Intervall ausgelesen und als Anfangspunkt eines anschließenden Suchalgorithmus verwendet. Im Rahmen des Suchalgorithmus wird das Intervall zwischen benachbarten Stützstellen des Kennfeldes bestimmt, in dem der Arbeitspunkt liegt. Ausgehend von dem Anfangspunkt wird eine lineare Suche nach dem Intervall durchgeführt. Um die Suchrichtung zu definieren, wird in einem nachfolgenden Abfrageblock 7 überprüft, ob der Arbeitspunkt größer oder gleich dem Anfangspunkt ist. Ist dies nicht der Fall (nein), wird in einem Funktionsblock 8 die Suchrichtung als fallend definiert.

Anderenfalls (ja) wird in einem Funktionsblock 9 die Suchrichtung als aufsteigend definiert. Von den Funktionsblöcken 8 und 9 aus wird in einem nachfolgenden Funktionsblock 10 ein variables Intervall gleich dem Anfangspunkt, d. h. gleich dem in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmten Intervall, gesetzt. In einem anschließenden Abfrageblock 11 wird überprüft, ob der Arbeitspunkt in dem variablen Intervall liegt. Falls dies nicht der Fall ist (nein), wird in einem Funktionsblock 12 in Suchrichtung das in Suchrichtung nächste Intervall als variables Intervall ausgewählt und die Abfrage in dem Abfrageblock 11 wiederholt. Falls der Arbeitspunkt innerhalb des variablen Intervalls liegt (ja), handelt es sich bei dem aktuellen variablen Intervall um das gesuchte Intervall, in dem der Arbeitspunkt liegt. In einem nachfolgenden Funktionsblock 13 wird das in diesem Steuerzyklus ermittelte Intervall in dem Speicherplatz 6 abgelegt. Das Verfahren von dem Funktionsblock 1 bis zu dem Funktionsblock 13 kann mehrmals nacheinander ausgeführt werden, um in mehreren Dimensionen des Kennfeldes Intervalle zu bestimmen, in denen der Arbeitspunkt des Prozesses liegt. Mehrere auf diese Weise ermittelte Intervalle begrenzen einen Interpolationsbereich des Kennfeldes, innerhalb dessen eine Interpolation durchgeführt wird, um den dem Arbeitspunkt zugeordneten Kennfeldwert zu bestimmen.

In einem Funktionsblock 14 wird dann zwischen den Stützstellen des ermittelten Intervalls bzw. des ermittelten Interpolationsbereichs, in dem der Arbeitspunkt liegt, eine Interpolation durchgeführt. Auf diese Weise wird der zu dem Arbeitspunkt gehörige Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt (Funktionsblock 15). Funktionsblock 16 stellt das Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren vom Funktionsblock 1 bis zu dem Funktionsblock 16 wird im Rahmen der Steuerung bzw. Regelung eines Prozesses für jeden Steuerzyklus durchgeführt. Zur Bestimmung des Intervalls, in dem der Arbeitspunkt liegt, wird dabei ein Suchalgorithmus eingesetzt, der als Anfangspunkt das in dem jeweils vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall verwendet.

Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren wird dabei in einer Vorrichtung, insbesondere einer Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung durchgeführt, mit welcher auch Prozesse in einem Fahrzeug, insbesondere Verbrennungs-, Getriebeschalt- oder Bremsvorgänge ausgeführt werden. Somit kann man sich diese . Vorrichtung bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in Fig. 1 als Block vorstellen, welcher die Funktionsblöcke 1-16 umfaßt. Dabei können die Sensoren 4 ebenso wie eine durch die Sensoren 4 mögliche Vorverarbeitung der Betriebsgrößen 3 optional zu der Vorrichtung hinzugenommen sein oder nicht durch die Vorrichtung umfaßt sein. Gleiches gilt für Speicherplatz 6. Dieser Speicherplatz 6 kann entweder in der genannten Vorrichtung umfaßt sein oder z. B. über ein Kommunikationssystem extern, insbesondere als Teil eines getrennt lokalisierten Speichers, angebunden werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Verbrennungs-, Getriebeschalt- oder Bremsvorgangs, mithilfe eines Kennfeldes, das durch Betriebsgrößen des Prozesses aufgespannt und durch Stützstellen mit zugehörigen Kennfeldwerten repräsentiert wird, wobei in einem Steuerzyklus für einen Arbeitspunkt des Prozesses mindestens ein Kennfeldwert aus dem Kennfeld ermittelt wird, indem zunächst ein Intervall zwischen benachbarten Stützstellen bestimmt wird, in dem der Arbeitspunkt liegt, und dann zwischen den Stützstellen interpoliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Intervalls ein Suchalgorithmus eingesetzt wird, der als Anfangspunkt das in dem vorangegangenen Steuerzyklus bestimmte Intervall verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Suchalgorithmus, ausgehend von dem Anfangspunkt, in Richtung des Arbeitspunktes eine lineare Suche nach dem Intervall durchgeführt wird, in dem der Arbeitspunkt liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Steuerzyklus bestimmte Intervall, in dem der Arbeitspunkt liegt, in einem Speicherplatz abgelegt wird.

4. Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Speicherplatz für das in dem Steuerzyklus bestimmte Intervall aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld von zwei Betriebsgrößen des Prozesses aufgespannt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld als ein Assoziativkennfeld ausgebildet ist.