DE2722404A1

DE2722404A1 - Automatisches steuersystem, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2722404A1
Application number: DE19772722404
Authority: DE
Inventors: George H Anderson; William J Barrett
Original assignee: Barber Colman Co
Current assignee: Barber Colman Co
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1977-05-17
Publication date: 1978-01-05
Also published as: PL199195A1; FR2356983B3; SE439847B; JPS6155121B2; JPS534175A; PL122926B1; GB1561009A; CA1105119A; US4081733A; SE7707455L; FR2356983A1; DD131683A5

Description

Barber-Colman Company, 1JOO Rock Street, Rockford, Illinois 61101, USA

Automatisches Steuersystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Die Erfindung betrifft allgemein automatische Steuersysteme und speziell elektrische Steuersysteme, bei welchen die verwendeten Steuersignale kombinierte Funktionen eines proportionalen Signals, des Integrals und der Ableitung desselben sind.

Automatische Steuersysteme sind bereits gut bekannt. Derartige Systeme empfangen elektrische Signale, die eine Bedingung oder Zustand eines zu steuernden Elements wiedergeben und dieses Signal mit einer Bezugsgröße vergleichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Ein spezieller Anwendungsfall für solche Steuersysteme sind die Regler für die Steuerung der Drehzahl von Brennkraftmaschinen.

In vielen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, die Drehzahl der Maschine so zu steuern, daß sie auf einem konstanten Wert trotz Schwankungen der Maschinenbelastung gehalten wird. Es ist wünschenswert, ein System zu schaffen, bei welchem das Übergangsansprechverhalten, d.h.die Ansprechzeit der Maschine und das Steuersystem aufgrund von einer Änderung in den Betriebsbedingungen minimal gehalten wird. Dadurch werden übermäßig hohe Drehzahlen, ein Nachlaufen oder Suchen und unstabile Bedingungen vermieden, die potentiell zu einer Zerstörung des Systems führen können.

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Ein automatisches Steuersystem mit den gewünschten Eigenschaften und für die zuvor erläuterte Anwendung ist in der US-Patentanmeldung 538 133 erläutert. In dieser Patentanmeldung ist ein automatisches Steuersystem beschrieben, bei velchem die Maschinendrehzahl mit Hilfe einer magnetischen Abgreifspule abgetastet wird. Nach einer Signalformung und Verstärkung der Signalwelle wird diese über eine Isolierschalteranordnung dem Eingang eines Operationsverstärkers aufgeprägt. Dieser Verstärker vergleicht den mittleren Gleichspannungswert mit einer Bezugsgröße, um daraus ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dann hinsichtlich der Zeit differenziert und integriert. Ein dem Fehlersignal proportionales Signal, dessen Integral und dessen Ableitung werden kombiniert, um ein Steuersignal zu erzeugen, um eine Betägigungsvorrichtung zu betreiben, die ein Brennstoffventil oder das Gasgestänge steuern kann. Durch die Verwendung eines Rückkopplungselements, welches der Betätigungsvorrichtung zugeordnet ist, läßt sich eine genaue Steuerung der Vorrichtung realisieren.

Um eine sichere Betriebsweise der gestaierten Vorrichtung zu erzielen, ist es oft erforderlich, eine oder mehrere externe Grenzbedingungsschaltunge'n vorzusehen. Solche Schaltungen er- \ zeugen ein Übersteuerungs-Steuersignal für den Fall, daß ein ; erfaßter Zustand oder Bedingung auftritt. Solche Bedingungen umfassen eine übermäßig hohe Maschinentemperatur, übermäßig starke Rauchentwicklung, falscher Ansaugrohrdruck und ähnliches. Wenn ein solcher Zustand oder Bedingung auftritt, ist es wünschenswert, die automatische Steuerschaltung zu übersteuern und zwar ungeachtet der normalen Betriebsbedingungen, wie Maschinendrehzahl und die Betriebsdrehzahl der Maschine abzusenken oder die Maschine abzustellen, was alles von den jeweiligen Bedingungen abhängig ist.

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Wenn eine Grenzsteuereinrichtung das automatische Steuersystem übersteuert, so wird die Integrierschaltung des Steuersystems fehlgeleitet und zwar durch den fortgeführten Betrieb der Maschine auf einem Wert, der anders liegt als der durch die automatische Steuereinrichtung spezifizierte Wert. Dies hat zur Folge, daß die Integrierschaltung in einer Weise mit ihrem Betrieb beginnt , die nachteilig für eine präzise Steuerung ist, wenn die steuernde, extern vorgegebene Grenze entfernt wird.

Wenn keine Maßnahmen getroffen werden, die Integrierschaltung während des Betriebes einer Grenzeinrichtung zu versetzen (offsetting), so bewirkt die Integriereinrichtung für eine beträchtliche Zeitperiode nach der Entfernung der äußeren vorgegebenen Grenze, daß das automatische Steuersystem falsch arbeitet, bei- _; spielsweise dem eingestellten Punkt oder Sollwert nachläuft. Dies ist deshalb der Fall, weil die Integrator-Ausgangsgröße als ein Maß der Größe des Fehlers zwischen der eingestellten oder gewünschten Drehzahl und der tatsächlichen Betriebsdrehzahl verwendet wird. Wenn daher die Integrierstufe ziemlich weit von ihrem richtigen Wert abliegt, schafft die Schaltung j keine genaue Steuerung, die sonst erzielt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Integrator-Offset-Schaltung zu schaffen, die verhindert, daß der Integrator bzw. Integrierstufe während einer Betriebsperiode in den Sättigungsbereich gelangt, während welcher eine externe Grenze oder Grenzgröße das automatische Steuersystem übersteuert.

Im Rahmen dieser Aufgabe soll auch eine Integrator-Offset-Schaltung geschaffen werden, die auf das Vorhandensein einer externen Steuerbedingung oder Zustand anspricht und eine Integrier-

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schaltung in einer gewünschten Betriebszone für die Dauer der Anlegung des externen Grenzsignals hält.

Auch soll durch die Erfindung eine Integrator-Offset-Schaltung für ein automatisches^teuersystem geschaffen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer automatischen Steuerschaltung, welche schematisch die Integrator-Offset-Schaltung nach der Erfindung veranschaulicht; und

Figuren 2A und B Ausgangswellenformen der Integrierstufe, die für das Verständnis der Schaltung gemäß Figur 1 wertvoll sind.

Figur 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild des Steuersystems, mit Merkmalen nach der Erfindung. Die Drehzahl einer Antriebsmaschine, wie beispielsweise einer Dieselmaschine oder einer ähn¹-lichen Brennkraftmaschine, wird mit Hilfe einer magnetischen Abtastspule 10 festgestellt. Die sinusförmige Wellenform, die von der Spule erzeugt wird, gelangt zu einer Former - und Verstärkerschaltung 12, die auf, dieser Welle rechteckförmige Signale erzeugt. Die Folge von Impulsen, deren Frequenz proportional zur festgestellten Drehzahl der Maschine ist, gelangt über eine elektronische Schalter- und Geräuschisolierschaltung 14. Diese Schaltung erzeugt einen mittleren Gleichspannungswert, der proportional zu den empfangenen Impulsen aus dem Wellenformblock 12 ist. Der mittlere Gleichspannungswert gelangt zur Differenz verstärkerschaltung 16, um an dem Verbindungspunkt 18 ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird in der Inte-'

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grierstufe 20 integriert und in der Differenzierstufe 22 differenziert. Das dem Fehlersignal proportionale Signal, dessen Integral und dessen Ableitung werden an dem Verbindungspunkt 23 summiert und gelangen zu einem Steuersignalgenerator 24, dessen Ausgangsgröße am Verbindungspunkt 26 erscheint. ,

Ein Steuerelement, dessen Zustand durch das Signal am Verbindungspunkt 26 gesteuert werden soll, kann aus einer Reihe von : Vorrichtungen bestehen. Im Falle eines Maschinenreglers kann das gesteuerte Element aus einem Brennstoffventil bestehen, welches von einer Betätigungsvorrichtung betrieben wird. Die Stellung des Ve-ntils wird durch den Erregungszustand der Betätigungssolenoidspule, wie der Spule 28, bestimmt. Der Zustand der Erregnng ist natürlich eine Funktion des mittleren Stromes durch die Spule. Um ein der tatsächlichen Stellung des Ventils entsprechendes Signal vorzusehen, ist ein Rückkopplungselement, wie beispielsweise ein Potentiometer mechanisch mit der Solenoidbetätigungsvorrichtung verbunden, um eine die Stellung wiedergebende Rückkopplungsspannung zu erzeugen.

Das Rückkopplungselement 30 legt an die Verbindungsstelle 26 eine Spannung an. Die Verbindungsstelle 26 stellt den Eingang ! zu einem Differenzverstärker 32 dar, der die Größe des Steuersignals mit der Größe des Rückkopplungssignals vergleicht. Die Differenz zwischen diesen Signalen, wenn sie vorhanden ist, [ gelangt zu einem Eingang der Verstärkerschaltung 32. Ein Sägezahnoszillator 34 speist den anderen Eingang des Differenzverstärkers 32, um ein impulsbreiter moduliertes Signal am Ausgang des Verstärkers vorzusehen, welches den mittleren Strom bestimmt, der durch die Betätigungsspule 28 fließt. ■■

Die bisher beschriebene Schaltung stellt eine automatische Steuerschaltung dar, um eine Maschine oder irgendeine andere An-

triebsmaschine auf einem geregelten Betriebszustand zu halten, beispielsweise auf konstanter Drehzahl. Darüber hinaus kann die Schaltung eine externe Grenzübersteuerungsschaltung 36 enthalten, die das Signal von dem Steuersignalgenerator 24 übersteuern kann und zwar nach Feststellung ausgewählter Bedingungen oder Zustände, wie beispielsweise hohe Tempa?atur, übermäßig starke Eauch-entwicklung, falscher Ansaugrohrdruck usw.

Wenn eine der überwachten externen Grenzbedingungen auftritt, wird der normale Betrieb der Steuerschaltung geändert. Anstatt den Differenzverstärker 32 mit Hilfe des Steuersignals des Verstärkers 24 zu betreiben, wird der Verstärker 32 stattdessen mit einem Signal betrieben, welches von der Grenzbedingungs-schaltung 36 über die Leitung 38 vorgesehen wird. Der Verstärker 24 wird effektiv aus der Schaltung mit Hilfe von einer Diode 40 entfernt. Normalerweise wird das Steuersignal über die Diode 40 dem Verbindungspunkt 26 zugeführt. Dieses Signal ist normalerweise negativ. Wenn kein externes Grenzsignal an dem Verbindungspunkt 26 vorhanden ist, leitet die Diode 40. Wenn jedoch ein externes Grenzbedingungssignal auf der Leitung 38 vorhanden ist, welches Signal negativer ist als das Steuersignal, so wird die Diode 40 rückwärts vorgespannt und gelangt in den nicht leitenden Zustand. Das externe Signal von der Leitung 38 zusammen mit dem Rückkopplungssignal vom Positionsdetektor 30 bestimmen dann die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers 32.

Wenn eine externe Übersteuemg auftritt, so nimmt die Integrierstufe 20 diese Bedingung nicht wahr. Bei Fehlen der Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung erfaßt die Integrierschaltung lediglich die Tatsache, daß die gesteuerte Vorrichtung, d.h. die Antriebsmaschine nicht mehr weiter in dem ausgewählten Bereich aufgrund einer Zunahme des Fehlersignals am Verbindungspunkt 18 arbeitet.

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Die Ausgangsgröße der Intergrierstufe unter diesen Bedingungen ist in Figur 2A veranschaulicht. Diese grafische Barstellung ist eine schematische Wiedergabe der Ausgangsgröße der Integrierstufe gegenüber der Zeit. Über dem Segment 1 arbeitet die Schaltung normal und die Ausgangsgröße der Integrierstufe ist im wesentlichen konstant unter der Annahme, daß die Maschine normal ■ arbeitet. Über dem Segment 2 hat eine externe Grenzbedingung den normalen Betrieb der Schaltung übersteuert und hat die Maschine verzögert, beispielsweise aufgrund einer übermäßig großen Erwärmung oder Rauchentwicklung. Wenn die Drehzahl der Maschine abnimmt, nimmt das Fehlersignal zu, wodurch eine Zunahme der Ausgangsgröße der Integrierstufe bewirkt wird, die fortgesetzt wird, bis die Integrierstufe den Sättigungsbereich erreicht. Anders ausgedrückt sieht die Integrierstufe einen konstanten Fehler am Verbindungspunkt 18 und erzeugt eine maximale Ausgangsgröße in dem Bestreben, ein Signal zu erzeugen, welches den Fehler korrigiert.

Während des Segments 3 wird die Grenzbedingungsübersteuerung beendet und die Steuerung der Maschine wird der Steuerschaltung zurückgegeben. Da jedoch die Integrierstufe die Möglichkeit hatte, in den positiven Sättigungsbereich zu gelangen, liegt die Ausgangsgröße derselben nunmehr weit von dem gewünschten Wert weg, um schnell den Sollwertbetrieb der Maschine zu erreichen und beizubehalten. Ihre Ausgangsgröße kehrt daher über eine Zeitperiode hinweg auf den richtigen Wert zurück, die automatische Steuerschaltung bringt jedoch keine hohe zufriedenstellende Steuerung für die Zeitperiode, die durch das Segment 3 an-gezeigt ist. Ein Versetzen oder Abfallen kann somit auftreten.

Um dieses Problem zu beseitigen, ist es insbesondere dort, wo externe Grenzbedingungen häufiger auftreten, wünschenswert, die

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Integrierstufe 20 zu versetzen oder zurückzustellen und zwar während der Perioden, wenn die externe Grenzbedingung wirksam ist

oder herrscht. Anders ausgedrückt, ist eswün se hens wert, die Ausgangsgröße der Integrierstufe auf einen gewünschten Wert festzuklemmen und zwar während des Auftretens der externen Grenzbedingung.

Die Wirkung der Festlegung oder Versetzen der Integrierstufe ist in Figur 2B veranschaulicht. Diese grafische Darstellung ist die gleiche wie 2A über dem Segment 1, dem Normalbetrieb der Steuerschaltung. Über dem Segment 2 verhindert jedoch dann, wenn die externe Grenzbedingung den Schaltungsbetrieb überteuert, die noch zu beschreibende Offsetspannung die Integrierstufe daran den positiven Sättigungsbereich zu erreichen und hält diese auf einem Wert bei oder leicht unterhalb ihres Wertes zum Zeitpunkt des Wirksamwerdens der Grenzbedingungsübersteuerung. über dem Segment 3 erreicht die Integrierstufe dann, wenn die Grenzbedingung entfernt ist, schnell ihren richtigen Ausgangswert, um eine genaue Information für den Steuersignalgenerator 24 vorzuse- , hen.

In Figur i ist die Offset- oder Klemmschaltung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Auftreten einer externen Grenzbedingung von der Schaltung 36 wird durch eine Diode 42 festgestellt, die an die Eingänge eines Operationsverstärkers 44 geschaltet ist. Der Verstärker 44 arbeitet als Schalter und bewegt sich von einer positiven Sättigung in eine negative Sättigung, was davon abhängt, ob die Diode 42 vor- oder rückwärtsgespannt ist. Wie sich dies erkennen läßt, wird die Diode 42 vorwärts vorgespannt, wenn die Grenzbedingungsschaltung 36 die automatische Steuerschaltung übersteuert;, da das von der Grenzbedingungsschaltung erzeugte Signal negativ ist. Es wird Strom von der positiven Spanxjunes^ue. CLe H& über den Widerstand 47, die

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Leitung 38 und die Diode 42 geleitet. Dadurch wird die Diode vorwärts vorgespannt und der Verstärker 44 gelangt in den positiven Sättignngsbereich.

Der Verstärker 44 besteht aus einem Operationsverstärker. Die Ausgangsgröße des Verstärkers gelangt über die Widerstände 48, ^j 50 und die Diode 52 zum Verbindungspunkt ^A der Integrierstufe. ; Wenn die externe Grenzbedingung wirksam ist, gelangt der Verstärker 44 in den positiven Sättigungsbereich. Die Ausgangsgröße d5s Verstärkers wird dann am Verbindungspunkt 54 vorgesehen, an welchem sie von dem Fehlersignal des Verstärkers 16 subtrahiert wird. D.h., wenn ein Grenzsignal auftritt, wodurch die Drehzahl der Maschine von dem Wert aus abgesenkt wird, der durch die automatische Steuerschaltung gehalten wird, so wird ein Fehlersignal einer ersten Polarität, beispielsweise negativer Polarität, amAnschluß 18 erzeugt. Dieses Signal gelangt seinerseits zu dem Anschluß 54 und der Integrierstufe 20.

Das von dem Offset- oder Klemmabschnitt der Schaltung erzeugte Signal ist von entgegengesetzter Polarität gegenüber dem Fehler-* signal, in diesem Fall also positiv. Seine Größe wird so ge- \ wählt, daß sie gleich ist oder größer als das Fehlersignal, welches normalerweise über einen ausgewählten Betriebsbereich für einen gegebenen Anwendungsfall auftritt. Wenn das Klemmsignal auf der Leitung 56 geringfügig das Fehlersignal übersteigt, so wird die in Figur 2B, Segment 2, veranschaulichte Wellenform erhalten. Der Wert auf der Leitung 56 kann für einen gegebenen Anwendungsfall eingestellt werden.

Wenn die externe Grenzbedingung beendet wird und den Betrieb des Steuersignalgenerators 24 nicht mehr blockiert, so beendet die Diode 42 ihren Leitzustand. Der Verstärker 44 gelangt dann in den Sättigungsbereich und das positive Signal wird von der

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Leitung 56 entfernt, so daß die Integrierstufe 20 auf das vom Anschluß 18 stammende Fehlersignal ansprechen kann.

Die Erfindung schafft zusammenfassend ein automatisches Steuersystem, bei welchem sich wiederholende Impulse, deren Frequenz auf eine außerhalb des Systems herrschende Bedingung oder Zustand bezogen ist oder anspricht, wie beispielsweise die Umdrehungszahl einer Antriebsmaschine, in einen Gleichspannungswert umgewandelt werden. Der Gleichspannungswert wird mit einer Bezugsgröße vermittels eines Differenzveistärkers verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Weitere Signale werden dann aus dem Fehlersignal erzeugt, die das Integral des Signals umfassen, wobei die Signale letztlich für die Steuerung der außerhalb des Systems herrschenden Bedingung oder Zustand verwendet werden. Es ist eine Integrierstufe vorgesehen, die mit einer Oflset-Schaltung ausgestattet ist, um eine Sättigung dieser Stufe während der Übersteuerung des normalen Steuersignals durch ein externes Grenzbedingungssignal zu verhindern, wie beispielsweise bei extremer Maschinentemperatur oder einer Rauchentwicklung.

Obwohl Ausführungsbeispiele in Einzelheiten erläutert wurden, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt und es lassen sich eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen vornehmen, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu veüassen.

Sä-mtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnun-j gen veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Er-findung von Bedeutung.

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Claims

MTENMNM^UE "BROSE """1BROSE D-8023 Munchen-Pullach, Wiener Sir ;·. Tel (089) 7 43 3C71; f"le< 521*147 bros d; Cables: 'Palentibus» München Diplom Ingenieure 2722A04 lhrZe.cr.en BCPD-14 Tag: 17. Mai I977 Your rel Date νΙπ/aU Barber-Colman Company, 1JOO Rock Street, Rockford, Illinois 61101, USA PATENTANSPRÜCHE

1. Automatisches Steuersystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Fehlers i(/nals, einer Einrichtung zum Erzeugen des Integrals dieses Signals, einer Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals aus dem Fehlersignal und dem Integral desselben und mit Mitteln zum Erzeugen eines externen Grenzbedingungssignals, um das Steuersignal zu übersteuern, gekennzeichnet durch folgende Einrichtungen:

eine Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe, wenn das externe Grenzbedingungssignal das Steuersignal übersteuert, und/die Intergrierstufe im normalen Betriebsbereich für eine nachfolgende Steuersignalerzeugung zu halten, nachdem das externe Grenzbedingungssignal aufhört, das Steuersignal zu übersteuern.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe Mittel enthält, um das Vorhandensein des externen Grenzbedingungssignals festzustellen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe Mittel enthält, um die Ausgangsgröße der Integrierstufe auf einen Wert innerhalb des normalen Betriebsbereiches während des Vorhandenseins des externen Grenzbedingungssignals festzuklemmen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe eine Einrichtung enthält, um die Ausgangsgröße der Integrierstufe auf einen Wert festzuhalten oder festzuklemmen, der in dem normalen Betriebsbereich liegt und zwar während des Vorhandenseins des externen Grenzsignals.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe einen Operationsverstärker enthält, der als Differenzverstärker geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierstufe aus einem als Integrator geschalteten Operationsverstärker besteht.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aus einer Diode besteht, die in die Schaltung eingesetzt ist, welche die Mittel zum Erzeugen eines externen Grenzbedingungssignals enthält.

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8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ändern der Ausgangsgröße der Integrierstufe einen als Vergleichsstufe geschalteten Operationsverstärker enthält, an dessen Eingänge die Diode geschaltet ist, wobei eine erste Ausgangsgröße des Verstärkers auftritt, wenn ein Grenzbedingungssignal durch die Diod-e festgestellt wird, während eine zweite Ausgangsgröße entgegengesetzter Polarität auftritt, wenn kein Grenzbedingungssignal festgestellt wird.

9· Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers/der Integrierstufe verbunden ist und doß die erste Ausgangsgröße eine Polarität und eine Größe aufweist, die der Wirkung der Integrierstufe während einer Grenzbedingungs-Übersteuerungsperiode entgegenwirkt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierstufe aus einem Operationsverstärker besteht, der so geschaltet ist, daß er das Fehüersignal integriert und daß die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers ebenfalls als Eingang zum Integrierverstärker geführt ist, wobei die erste Ausgangsgrösse entgegengesetzter Polarität zum Fehlersignal und im wesentlichen die gleiche Größe wie dieses Signal aufweist, wobei während dem Vorherrschen einer Grenzbedingungs-Übersteuerung die Ausgangsgröße des Integrierverstärkers auf dessen angenähertem Wert festgehalten oder festgeklemmt wird, der unmittelbar vor dem Auftreten der Grenzbedingungsübersteuerung vorgeherrscht hat.

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