DE3333392A1 - Verfahren zur rueckkopplungssteuerung der leerlaufdrehzahl einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem solchen Verfahren wird die Maschine unter Berücksichtigung der inneren Zustände der Maschine als ein dynamisches System angesehen. Das dynamische Verhalten der Maschine wird auf der Grundlage mathematischer dynamischer Modelle von Zustandsvariablen, die die inneren Zustände der Maschine beschreiben, abgeschätzt oder simuliert. Die Ergebnisse dieser Simulation gehen als Rückkopplungsgrößen in die Berechnung der die Maschinendrehzahl steuernden Parameter ein.

Es sind verschiedene Systeme zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine bekannt. Wenn bei diesen Systemen anhand eines Signals eines der Drosselklappe zugeordneten Schalters, eines Neutral-Signals eines Getriebeschalters, oder eines Geschwindigkeitssignals eines Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensors und dergleichen festgestellt wird, daß sich die Maschine im Leerlauf befindet, wird anhand der durch einen Kühlmittel-Temperatursensor abgetasteten Kühlmitteltemperatur ein Grund-Sollwert für die Maschinendrehzahl berechnet oder in einer gespeicherten Tabelle aufgesucht. Dieser Grund-Sollwert wird zur Ermittlung des endgültigen Sollwertes unter Berücksichtigung des Ein-Aus-Zustands der Klimaanlage und der Höhe der Batteriespannung korrigiert. Anschließend wird beispielsweise die die Drosselklappe umgehende Luftmenge im Rahmen einer Proportional- oder Integral-Rückkopplungssteuerung derart eingestellt, daß die Differenz zwischen der berechneten und korrigierten Solldrehzahl und der tatsächlichen Leerlaufdrehzahl der Maschine minimiert wird.

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Bei den herkömmlichen Regelsystemen ist jedoch nachteilig, daß die Ansprechgeschwindigkeit des Systems nicht ausreichend ist. Dies gilt insbesondere, wenn sich die Maschine in einem Übergangszustand befindet, beispielsweise wenn sich das geforderte Drehmoment beim Umschalten des Getriebeschalthebels von der Neutralstellung auf die Fahrtstellung oder umgekehrt ändert oder wenn die Klimaanlage oder die Hydraulikpumpe der Servolenkung an die Maschine angekoppelt oder von dieser abgekoppelt wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Integral-Rückkopplungsverfahren nicht für Systeme geeignet ist, bei denen mehrere Signale zurückgekoppelt werden.

Eine eingehendere Beschreibung eines Beispiels einer herkömmlichen Regelvorrichtung der oben genannten Art wird weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gegeben.

In jüngerer Zeit sind ferner Rückkopplungsverfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl vorgeschlagen worden, die auf mathematischen dynamischen Modellen zur Bestimmung von für das dynamische Verhalten der Maschine repräsentativen Zustandsvariablen beruhen. Da jedoch bei diesem Verfahren die mathematischen Modelle Näherungsrechnungen hoher Ordnung erfordern, sind im Verlauf der Regelung komplizierte Berechnungen notwendig. Es wird daher eine komplizierte Regelvorrichtung benötigt, die hohe Herstellkosten verursacht.

Vor diesem Hintergrund ist die Erfindung auf die Schaffung eines Verfahrens zur stabilen Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl auf einen Sollwert gerichtet, das trotz verringerten Rechenaufwands eine hohe Ansprechgeschwindigkeit selbst in solchen Übergangsphasen gewährleistet, in denen sich der Lastzustand der Maschine ändert. Das Regelverhalten

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soll dadurch verbessert werden, daß die Leerlaufdrehzahl der Maschine durch die Regelvorrichtung über mehrere Steuersignale oder Parameter gesteuert wird.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .

Erfindungsgemäß werden komplizierte Berechnungen dadurch vermieden, daß mathematische Modelle niedriger Näherungsordnung (beispielsweise vierter Ordnung) verwendet werden. Die sich aus dieser groben Näherung ergebenden Fehler werden erfindungsgemäß durch eine Reihe von Maßnahmen beseitigt oder zumindest gemildert. (1) Die Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl der Maschine wird integriert. (2) Das mathematische Mode Ή. wird jeweils entsprechend den augenblicklichen Betriebsbedingungen der Maschine (Kühlmitteltemperatur, Gemischzusammensetzung oder Abgaszusammensetzung) ausgewählt. (3) Ein Satz angemessener Kopplungsgrößen oder Verstärkungsfaktoren für die die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter wird anhand der Lastbedingungen der Maschine (Klimaanlage, Servopumpe) ermittelt. (4) Der Anfangswert des Integrals der Drehzahldifferenz wird bevorzugt durch Aufsuchen in einer zweidimensionalen Tabelle ermittelt und ist eine Funktion zweier Drehzahlwerte, nämlich des beim vollständigen Schließen der Drosselklappe vorliegenden Drehzahlwertes und eines vorgegebenen Drehzahlwertes, bei dem die Regelung der Leerlauf drehzahl einsetzt. (5) Der Anfangswert des Integrals ist vorzugsweise kleiner als die tatsächliche Differenz zwischen der Drehzahl beim Schließen der Drosselklappe und der Drehzahl bei Einsetzen der Regelung, so daß die Regelvorrichtung weniger heftig gegensteuert. (6) Die Anfangswerte der Zustandsvariablen werden ebenfalls durch Auf-

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suchen in einer zweidimensionalen Tabelle anhand der Maschinendrehzahl beim vollständigen Schließen der Drosselklappe und der vorgegebenen Drehzahl bei Einsetzen der Regelung ermittelt. (7) Die Solldrehzahl wird entsprechend Betriebsbedingungen der Maschine (Kühlmitteltemperatur, Batteriespannung, Zustand der Klimaanlage) korrigiert. (8) Zusätzlich zu der Regelung durch Rückkopplung erfolgt eine Voraus-Regelung, durch die vorhersehbaren Änderungen des Lastzustands (beim Ein- oder Ausschalten der Klimaanlage oder der Servopumpe) frühzeitig gegengesteuert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt kurz gefaßt die folgenden Schritte: (1) Berechnen der Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl, (2) Integrieren der berechneten Drehzahldifferenz, (3) Auswahl eines geeigneten mathematischen dynamischen Modells der Maschine entsprechend wenigstens einer die Betriebsbedingungen der Maschine kennzeichnenden Größe, (4) Abschätzen der die inneren dynamischen Zustände der Maschine beschreibenden Zustandsvariablen durch Näherungen niedriger Ordnung anhand des ausgewählten dynamischen Modells und auf der Grundlage wenigstens einer oder mehrerer Kombinationen der die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter und der geregelten Drehzahl, und (5) Bestimmen der Kopplungsgrößen oder Verstärkungsfaktoren für die die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter auf der Grundlage der abgeschätzten Zustandsvariablen und der integrierten Drehzahldifferenz. Anhand der ermittelten Verstärkungsfaktoren und der Ergebnisse der mit dem mathematischen Modell durchgeführten Simulation des dynamischen Verhaltens der Maschine, die als Rückkopplungsgrößen in die Regelung eingehen, werden die zum Einregeln der Leerlaufdrehzahl auf die Solldrehzahl erforderlichen Abweichungen der die Drehzahl steuernden Parameter von voreingestellten Normalwerten berechnet, und die Maschine wird entsprechend der berechneten Parameter gesteuert.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen, die auch Figuren zum Stand der Technik enthalten, näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Leerlaufdrehzahl-Regelvorrichtung, bei der verschiedene Sensoren mit einer Steuereinheit für die Rückkopplungssteuerung verschiedener Stellglieder verbunden sind;

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zu der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Regelvorrichtung;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer

Regelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Leerlaufdrehzahl, bei dem die für das dynamische Verhalten der Maschine repräsentativen Zustandsvariablen auf der Grundlage mathe

matischer dynamischer Modelle bestimmt werden;

Fig. 4 ist ein Hilfs-Blockdiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen den die Maschine steuernden Parametern und der geregelten Leerlauf

drehzahl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Hilfs-Blockdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise eines in Fig. 3 gezeigten

Integrierers und Verstärkungsreglers;

Fig. 6 (A) ist die grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses, bei dem die Leerlaufdrehzahl

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der Maschine in der Übergangsphase, in der die Maschine ausläuft und die Drehzahl von einem hohen Wert unter lastfreien Bedingungen auf einen Sollwert von 650 1/min abnimmt, nach einem erfindungsgemäßen Ver

fahren geregelt wurde, bei dem der Anfangsintegralwert der Leerlaufdrehzahldifferenz (N-N) auf einen höheren Absolutwert eingestellt war;

Fig. 6 (B) ist eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses, bei dem der Wert (N -N) auf einen niedrigeren Absolutwert als in Fig. 6 (A) eingestellt war;

Fig. 7 (A) ist eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses , bei dem der Wert (N-N) auf einen größeren Absolutwert eingestellt war, und beschreibt einen Übergangszustand, in dem die Maschine auf den Soll-Drehzahlwert von

650 1/min ausläuft, nachdem die Maschine zuvor im Leerlauf beschleunigt wurde;

Fig. 7 (B) ist eine grafische Darstellung ähnlich Fig. 7(A) und betrifft einen Versuch, bei dem der Wert

(N-N) auf einen niedrigeren Absolutwert eingestellt war;

Fig. 8 (A) ist eine grafische Darstellung eines Ver-0 Suchsergebnisses, bei dem bei einer Kühlmittel

temperatur von 20° C ein festes dynamisches Modell für Kühlmitteltemperaturen von 60° 80° C gewählt wurde, und beschreibt den Übergangszustand, in dem die Maschine auf eine

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Drehzahl von 1200 1/min ausläuft, nachdem sie zuvor im Leerlauf beschleunigt wurde;

Fig. 8 (B) zeigt ein Versuchsergebnis, bei dem in

dem gleichen Übergangszustand wie Fig. 8(A) das dynamische Modell entsprechend der Kühlmitteltemperatur gewählt wurde;

Fig. 9 (A) ist eine grafische Darstellung eines

Versuchsergebnisses, bei dem unabhängig von dem aktiven Zustand eines Sauerstoffsensors ein festes dynamisches Modell (mager) verwendet wurde und beschreibt den Übergangszustand, in dem die Maschine nach

vorheriger Beschleunigung im Leerlauf auf eine Solldrehzahl von 650 1/min ausläuft, während der Sauerstoffsensor eine fette Abgaszusammensetzung abtastet;

Fig. 9 (B) ist eine Darstellung eines Versuchsergebnisses, bei dem in dem gleichen Übergangszustand wie in Fig. 9 (A) ein ausgewähltes dynamisches Modell (fett) verwendet wurde;

Fig. 10 (A) zeigt das Verhalten der Maschine während

der Übergangszustände, bei denen zunächst eine Klimaanlage eingeschaltet und die Leerlaufdrehzahl der Maschine auf 800 1/min festgesetzt wurde und anschließend beim

Ausschalten der Klimaanlage die Drehzahl auf 650 1/min verringert wurde;

Fig. 10 (B) zeigt das Verhalten der Maschine in den gleichen übergangszuständen wie in Fig.

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10 (A), wenn zusätzlich zu der Rückkopplungssteuerung eine Voraus-Steuerung vorgesehen wird;

Fig. 11 (A) zeigt die Änderung der Leerlaufdrehzahl

während der Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn bei einer Solldrehzahl von 650 1/min die Pumpe einer Servolenkung an- und abgekuppelt wird;

Fig. 11 (B) zeigt die Änderung der Leerlaufdrehzahl in

den gleichen Situationen wie in Fig. 11 (A), wenn zusätzlich zu der Rückkopplungssteuerung eine Voraus-Steuerung vorgesehen wird;

Fig. 12 (A) zeigt einen Versuch, bei dem während der

erfindungsgemäßen Regelung ein erster Verstärkungsfaktor K₁ für größere Störungen eingestellt war, und zeigt Betriebsphasen,

in denen in einem Zeitraum A₁ die Klimaanlage an- und abgeschaltet wurde und in einem Zeitraum B₁ äußere Drehmomentstörungen ausgeübt wurden;

Fig. 12 (B) zeigt das Drehzahlverhalten der Maschine

in den gleichen Betriebsphasen wie in Fig. 11 (A), wenn bei der Regelung ein zweiter Verstärkungsfaktor K₂ für die

0 Klimaanlage eingeschaltet ist;

Fig. 13 (A) zeigt die Änderung der Leerlaufdrehzahl

in einem Versuch, bei dem Zündzeitpunkt

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und das Tastverhältnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Grundlage mathematischer dynamischer Modelle gesteuert wurde, während eine unkontrollierbare Störung der Luft

zufuhr (Luftregler) hervorgerufen oder beseitigt wurde;

Fig. 13 (B) zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem der Zündzeitpunkt und das Tastverhältnis nach dem Auftreten oder nach der Beseitigung der unkontrollierbaren Störung der Luftzufuhr einmal gelöscht und auf einen vorgegebenen Bezugswert eingestellt wurde;

Fig. 14 (A) zeigt die Änderungen der Leerlaufdrehzahl, wenn bei der erfindungsgemäßen Regelung über Zündzeitpunkt und Tastverhältnis unkontrollierbare Störungen

der Luftzufuhr mit Hilfe des Gaspedals erzeugt werden;

Fig. 14 (B) zeigt die Änderungen der Drehzahl bei Betätigung des Gaspedals, wenn die Werte für den Zündzeitpunkt und das Tastverhältnis nach Beseitigung der unkontrollierbaren Störung einmal gelöscht und auf die vorgegebenen Bezugswerte eingestellt wer-0 den;

Fig, 15 ist ein Hilfs-Flußdiagramm zur Erläuterung der Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl auf den Sollwert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

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Fig. 16 (A) ist eine grafische Darstellung der

Änderungen der Leerlaufdrehzahl der Maschine, wenn bei herkömmlicher Proportional/Integral-Steuerung die Maschine bei schleifender Kupplung

belastet wird;

Fig. 16 (B) zeigt die Änderung der Leerlaufdrehzahl, wenn unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 16 (A) das er

findungsgemäße Regelverfahren angewendet wird;

Fig. 17 (A) zeigt die Drehzahländerungen der Maschine, wenn bei herkömmlicher Proportional/Inte

gral-Steuerung die Last von der Maschine abgekuppelt wird;

Fig. 17 (B) zeigt die Änderungen der Leerlaufdreh- . zahl, wenn unter den gleichen Bedingungen

wie in Fig. 17 (A) das erfindungsgemäße Regelverfahren angewendet wird;

Fig. 18 (A) zeigt den Fall, daß bei herkömmlicher Steuerung die Klimaanlage ein- und aus

geschaltet und entsprechend die Solldrehzahl auf 800 1/min erhöht wieder auf 650 1/min abgesenkt wird;

0 Fig. 18 (B) zeigt die Drehzahländerungen, wenn unter

den gleichen Bedingungen wie in Fig. 18 (A) das erfindungsgemäße Regelverfahren angewendet wird;

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Fig. 19 (A) veranschaulicht das Auslaufen der Maschine auf eine Solldrehzahl von 650 1/min bei herkömmlicher Steuerung;

Fig. 19 (B) zeigt die Maschine in der gleichen übergangs-

phase wie in Fig. 19 (A) bei Drehzahlregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung soll anhand der Zeichnungen zunächst kurz auf eine herkömmliche Vorrichtung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine eingegangen werden.

In Fig. 1 ist ein Beispiel einer derartigen herkömmlichen Regelvorrichtung dargestellt. Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung der herkömmlichen Verfahrensschritte bei der rückgekoppelten Regelung der Leerlaufdrehzahl der Maschine auf eine Solldrehzahl.

Durch eine in Fig. 1 gezeigte Steuereinheit 1 wird der Zustand, in welchem die Maschine im Leerlauf betrieben werden soll/ auf der Grundlage verschiedener Signale abgetastet (Block 1 in Fig. 2). Bei diesen Signalen handelt es sich beispielsweise um ein Leerlauf-Signal, das von einem Drosselklappen-Leerlaufschalter 2 erzeugt wird, ein Neutral-Signal eines Getriebe-Leerlaufschalters 3, ein Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal eines Geschwindigkeitssensors 4 und dergleichen. Eine Grund-Solldrehzahl (Leerlaufdrehzahl) wird anhand eines von einem Kühlmitteltemperaturfühler 5 erzeugten Kühlmittel-Temperatursignals in Übereinstimmung mit einer linearen Wertetabelle berechnet. Die berechnete Grund-Solldrehzahl wird anhand eines Klimaanlagen-Signals eines Klimaanlagen-Schalters 6, des von dem Getriebe-Leerlauf schalter 3 erzeugten Neutral-Signals, eines Batteriespannungs-Signals einer Batterie 7 und dergleichen korrigiert,

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so daß sich eine Solldrehzahl N ergibt (Block 2).
Die tatsächliche"Drehzahl N (Leerlaufdrehzahl) wird
abgetastet (Block 3), und die Differenz SA zwischen
der Solldrehzahl N und der abgetasteten Ist-Drehzahl N
wird berechnet (Block 4). Auf der Grundlage des Differenzwertes SA (Abweichungssignal) wird das Tastverhältnis P
eines Leerlaufdrehzahl-Steuersignals berechnet (Block 5).
Die Berechnung erfolgt nach dem Proportional-Verfahren
(Steuersignal proportional zu dem Abweichungs-Signal),
nach dem Integral-Verfahren (Steuersignal proportional

zum Integral des Abweichungssignals) oder nach einer Kombination aus Proportional- und Integral-Verfahren.

Wenn gemäß Fig. 1 das Leerlaufdrehzahl-Steuersignal, dessen Tastverhältnis einstellbar ist, von der Steuereinheit 1 an eine Erregerspule 8 eines Vakuumventils 9 geliefert wird,
so wird entsprechend der Höhe des durch das Vakuumventil 9
eingestellten Vakuums ein Leerlaufdrehzahl-Steuerventil 10 betätigt, so daß durch eine entsprechende Regulierung der
unter Umgehung der Drosselklappe 12 durch einen Bypasskanal 11 strömenden Luftmenge, d.h., der der Maschine zugeführten Luftmenge/die Leerlaufdrehzahl der Maschine in Abhängigkeit von der abgetasteten Kühlmitteltemperatur unter Berücksichtigung der anderen Faktoren (Klimaanlage, Getriebe,Batteriespannung und dergleichen) gesteuert wird.

In Fig. 1 ist ferner mit 13 ein Luftmengenmesser und mit 14 ein Sauerstoffsensor bezeichnet, der bei magerem Abgas aktiviert und bei fettem Abgas deaktiviert wird. Mit 15 ist ein Abgasrückführungs-Ventil, mit 16 eine Kraftstoff-Einspritzdüse, mit 17 eine Zündkerze, mit 18 ein Verteiler und mit
19 eine Zündspule bezeichnet.

Bei der oben anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen
Regelvorrichtung ist jedoch die Ansprechcharakteristik oder

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oder Ansprechgeschwindigkeit insbesondere bei Übergangszuständen der Brennkraftmaschine nicht ausreichend. Dies liegt daran, daß das herkömmliche Proportional/Integral-Steuersystem entsprechend den dynamischen Charakteristika der Sensoren und Stellglieder nicht mit hoher Ansprechgeschwindigkeit arbeiten kann. Ferner befindet sich dieses Steuersystem nicht in theoretischer Übereinstimmung mit solchen Fällen, in denen die Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl der Maschine über mehrere die Leerlaufdrehzahl beeinflussende Regelsignale erfolgt.

Bei einem Kraftfahrzeug treten Übergangszustände , d.h., Änderungen der Leerlaufdrehzahl der Maschine auf, wenn die Maschine vom Antriebszustand in den Leerlaufzustand geschaltet wird oder umgekehrt oder wenn externe Störungen des Drehmoments auf die Maschine einwirken {beispielsweise wenn die Kupplung ein- oder ausgekuppelt wird, die Klimaanlage an- oder abgeschaltet wird oder wenn die Hydraulikpumpe der Servolenkung bei stehendem Fahrzeug an die Maschine angekuppelt wird). Die Brennkraftmaschine weist somit ein dynamisches Verhalten auf.

Nunmehr soll ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, in dem die Leerlaufdrehzahl der Maschine auf eine Solldrehzahl eingeregelt wird.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Ansprechcharakteristik oder -geschwindigkeit der Leerlaufdrehzahl-Regelvorrichtung in Abhängigkeit von mehreren die Drehzahl steuernden variablen Signalen selbst in den Fällen zu verbessern, in denen sich die Maschine in einem Übergangszustand befindet oder ein dynamisches Verhalten aufweist, so daß die Leerlaufdrehzahl stabil auf einem Sollwert gehalten wird, ohne daß Regelschwingungen (überschwingungen oder Unterschwingungen) auftreten.

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Zur Erreichung dieses Ziels wird erfindungsgemäß anstelle des herkömmlichen Proportional/Integral-Verfahrens ein Mehrvariablen-Regelverfahren verwendet. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere die Leerlaufdrehzahl steuernde Eingangssignale und das der geregelten Leerlaufdrehzahl entsprechende Ausgangssignal gemeinsam und systematisch rückgekoppelt. Im einzelnen werden in der üblicherweise durch einen Mikrocomputer gebildeten Steuereinheit mathematische dynamische Maschinenzustands-Modelle gespeichert, die das dynamische Verhalten der Maschine einschließlich der dynamischen Charakteristika der Sensoren und Stellglieder repräsentieren. Wenigstens ein, zwei oder mehrere Kombinationen von die Leerlaufdrehzahl steuernden Parametern wie etwa Luftmenge, Zündvorverstellung, Kraftstoffmenge und zurückgeführte Abgasmenge (bei Abgasrückführung) werden als Eingangssignal an die Maschine geliefert, die daraufhin eine entsprechende Leerlaufdrehzahl als Ausgangssignal liefert. Variablensätze, die innere Zustände der Maschine repräsentieren, werden geschätzt anhand der gespeicherten mathematischen dynamischen Modelle der Maschine, der die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter und der geregelten Leerlaufdrehzahl. Die die Leerlaufdrehzahl steuernden Eingangswerte werden festgelegt anhand der geschätzten Zustandsvariablen und anhand des Integrals der Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl, so daß selbst dann, wenn sich die Maschine in einem Übergangszustand befindet, die Leerlaufdrehzahl zuverlässig in rückgekoppelter Steuerung auf den Sollwert eingeregelt wird.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird nachfolgend eine Regelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens be-

schrieben.

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In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 100 ein zu steuerndes System, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, bei der üblicherweise neben der Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl simultan eine rückgekoppelte Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, des Einspritzzeitpunkts, Zündzeitpunkts und dergleichen erfolgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der zu regelnde Parameter (Ausgangssignal) die Leerlaufdrehzahl N der Maschine, und die Steuerparameter zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl (Eingangssignale) umfassen wenigstens eine, zwei oder mehrere Kombinationen von Variablen wie etwa die Menge der die Drosselklappe umgehenden Luft (Leerlauf-Luftmenge), den Zündzeitpunkt (Zündvorverstellung), die der Maschine zuge-• führte Kraftstoffmenge (Kraftstoffdurchsatz) und die Menge an zurückgeführten Abgasen (Rückführungsdurchsatz).

Zur Erleichterung des Verständnisses sollen als Beispiel zwei Eingangssignale, nämlich die Leerlauf-Luftmenge P_A und die Zündvorverstellung IT betrachtet werden. Zur Veränderung der die Drosselklappe 12 umgehenden Luftmenge wird die Pulsbreite oder das Tastverhältnis P_A eines Signals gesteuert, das der Erregerspule 8 zugeführt wird, die ihrerseits über das Vakuumventil 9 das Leerlaufdrehzahl-Steuerventil 10 steuert. Zur Änderung des Zündwinkels wird die Zündvorverstellung IT gesteuert.

Das Bezugszeichen 101 bezeichnet einenZustandssimulator,^ in dem die mathematischen dynamischen Modelle zur Abschätzung der inneren dynamischen Zustände x^ anhand der den Input in das zu regelnde System bildenden Signale P₇. und IT, die die Leerlauf-Luftmenge und die Zündvorverstellung repräsentieren, und der den Output bildenden Leerlaufdrehzahl N gespeichert sind. Der Zustandssimulator 101 simuliert das Verhalten der zu regelnden Brennkraftmaschine.

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Die inneren dynamischen Zustände der Maschine werden durch Zustandsvariablen χ niedriger Ordnung, beispielsweise durch Variablen X₁, X₃₇ x_ und x. vierter Ordnung repräsentiert.
5

Als Beispiel für Zustandsvariablen, die die inneren dynamischen Zustände der zu regelnden Maschine 100 angeben, können der absolute Druck oder das Vakuum im Ansaugkrümmer, die dem Zylinder der Maschine zugeführte Ansaugluftmenge, das dynamische Verhalten der Kraftstoff-Verbrennung, die Größe des Drehmoments der Maschine und dergleichen genannt werden. Wenn diese Parameter mit Hilfe geeigneter Sensoren genau und mit hoher Ansprechgeschwindigkeit abgetastet werden könnten, so wäre es möglich, das dynamische Verhalten der Maschine abzutasten und auf diese Weise eine genauere Regelung der Maschine zu erreichen. Gegenwärtig stehen jedoch keine Sensoren zur Verfügung, die die oben genannten Paramter mit hoher Ansprechgeschwindigkeit abtasten können. Daher werden diese Parameter, d.h., die inneren dynamischen Zustände der Maschine, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Zustandsvariablen X repräsentiert. Es ist nicht erforderlich, daß die Zustandsvariablen X physikalischen Eigenschaften von tatsächlichen Parametern· des inneren Zustands der Maschine entsprechen, sondern die Variablen werden lediglich zur Simulation des Zustands der Maschine benutzt. Je größer die Ordnung η dieser Zustandsvariablen ist, desto höher ist die Genauigkeit der Simulation, desto komplizierter sind jedoch auch die Berechnungen.

0 Daher soll bei dem betrachteten Ausfütuningsbeispiel,' bei dem zwei Eingangssignale P_Ä, IT und ein Ausgangssignal N verarbeitet werden, die Ordnung der Zustandsvariablen auf vier festgelegt werden. Die Fehler,, die sich aufgrund der Annäherung oder durch Abweichungen der Kenndaten der Maschine ergeben, werden in Abhängigkeit von.den Integrations-

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- 25 operationen unterdrückt oder verringert.

In Fig. 3 ist mit 102 ein Komparator bezeichnet, der die vorgegebene Leerlauf-Solldrehzahl N mit der tatsächlich abgetasteten Leerlaufdrehzahl N vergleicht und ein die Differenz zwischen diesen beiden Größen angebendes Signal SA liefert.

Mit 103 ist ein Integrierer und Verstärkungsregler bezeichnet, in welchem das der Differenz (N -N) zu dem Geschwindigkeitsdifferenz-Integral DUN integriert wird und in welchem die Zunahmen £P, und ίΙΤ in annähernd linearer Proportion zu dem Absolutwert des Integrals DUN der Drehzahldifferenz SA auf der Grundlage der in dem Zustandssimulator 101 berechneten Schätz-Zustandsvariablen χ und eines entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine ausgewählten Verstärkungsfaktors berechnet werden. Der Zustandssimulator 101, der Komparator 102 und der Integrierer und Verstärkungsregler 103 sind in einer durch einen Mikrocomputer gebildeten Steuereinheit implementiert.

Im Zusammenhang mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist darauf hinzuweisen, daß die Maschinendrehzahl stets in der Weise gesteuert wird, daß die normale Drehzahl bei vollständig geschlossener Drosselklappe stets höher als eine eingestellte Leerlauf-Solldrehzahl ist, so daß in jedem Fall eine hohe Maschinendrehzahl auf einen niedrigeren Drehzahlwert heruntergeregelt werden muß. Folglich ist die Differenz SA = (N_r-N) zwischen der Solldrehzahl N_r und der Istdrehzahl

N in jedem Fall negativ, und auch das Integral DUN der Geschwindigkeitsdifferenz SA hat ein negatives Vorzeichen. Damit die Leerlaufdrehzahl auf dem Sollwert gehalten wird, müssen die die Drehzahl steuernden Eingangswerte positiv sein.

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Nachfolgend soll die Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Die Maschine 100 ist ein gesteuertes System mit zwei Eingangen und einem Ausgang. Der innere dynamische Zustand der Maschine 100 kann abgeschätzt werden auf der Grundlage einer annähernd linearen Transformationsfunktions-Matrix T(Z), die zwei vorgegebene Größen in einer Wertemenge verknüpft. Die Transformationsfunktion stellt eine mathematische Be-Ziehung zwischen dem Input und dem Output her. Im Fall eines linearen Systems erhält man die Transformationsfunktion üblicherweise dadurch, daß man die Output-Laplacetransformation durch die Input-Laplacetransformation dividiert (falls der Anfangswert 0 ist).

Wenn die Maschine mit einer Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl läuft, so kann die Transformationsfunktions-Matrix T(Z) anhand der Betriebsbedingungen der Maschine auf folgende Weise experimentell bestimmt werden.

T(Z) = (T₁(Z) T₂(Z)) ..(1)

T₁(Z) bezeichnet eine erste quadratische Transformationsfunktion, die die Leerlauf-Luftmenge P, mit der Leerlaufdrehzahl N verknüpft, und T_(Z) bezeichnet eine zweite quadratische Transformationsfunktion, die die Zündvorverstellung IT mit der Leerlaufdrehzahl N verknüpft. Z bezeichnet eine Z-Transformation der abgetasteten Werte der Eingangssignale und des Ausgangssignals. Die Z-Transformation einer Folge mit dem allgemeinen Glied f ist gegeben durch die Reihensumme einer Reihe mit dem allgemeinen Glied f Z~ⁿ, wobei Z eine komplexe Variable bezeichnet.

Fig. 4 ist ein mathematisches Schema und zeigt die erste Transformationsfunktipn T₁(Z), die das Eingangssignal S P,

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mit dem Ausgangssignal S ISL verknüpft und die zweite Transformationsfunktion T₂(Z), die dem Eingangssignal S IT das Ausgangssignal S N₂ zuordnet. Die Eingangs- und Ausgangssignale werden dabei als Abweichungen von den vorgegebenen Standardwerten ausgedrückt.

Anhand der oben beschriebenen Transformationsfunktion T(Z) ist es möglich, den Zustandssimulator 101 auf folgende Weise zu konstruieren. Zunächst kann ein das dynamische Verhalten der Maschine repräsentierendes variables Modell für den Anfangszustand der Maschine anhand der Transformationsfunktions-Matrix T(Z) wie folgt eingeführt werden.

x(n) = AX(n-1) +Bu(n-1) (2)

y(n-1) =CX(n-1) (3).

Dabei bezeichnet η den Index eines aktuellen abgetasteten Wertes, (n-1) den Index des zuvor abgetasteten Wertes und u einen steuernden Input-Vektor, der als eine Störung (eine Abweichung von einem vorgegebenen Bezugswert innerhalb eines Bereichs, in dem lineare Näherung besteht) ausgedrückt wird. Da im vorliegenden Beispiel die Pulsbreite £P_Ä des Signals für die Erregerspule 8 und die Zündvorverstellung S IT den steuernden Input-Vektor bilden, kann u beschrieben werden als

/P_Ä(n-1)\
V. iTin-D/

u(ix-D ={ 1 (4)

'(η-Di

In Gleichung (3) ist ferner mit y ein gesteuerter Output-Vektor bezeichnet, der ebenfalls als Störung ausgedrückt wird. Da im vorliegenden Beispiel die Leerlaufdrehzahl SN den gesteuerten Output-Vektor bildet, kann y geschrieben werden als

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- 28 y(n-1) =iN(n-1) (5).

X bezeichnet die vektorielle Zustandsvariable, und ABC sind Matrizen mit konstanten Koeffizienten, deren Koeffizienten durch Koeffizienten der Transformationsfunktions-Matrix T(Z) bestimmt werden.

Im vorliegenden Beispiel -ergibt sich ein Zustandssimulator mit folgendem Algorithmus.
-

X(n) = (A - GC) X (n-1) + Bu(n-1) + G y(n-1) (6).

In Gleichung (6) bezeichnet G eine vorgegebene Matrix und X die Schätzwerte für die Zustandsvariable X. Wenn u(n-1) und y(n-1) anhand der Ausdrücke (2) und (3) eliminiert werden, kann der obige Ausdruck (6) geschrieben werden als

(X(n) - X(n)) = (A - GC) (X(n-1) -X(n-1) (7).

Die Matrix G ist derart gewählt, daß der (komplexe) Eigenwert der Matrix (A-GC) im Einheitskreis liegt.

Bei fortlaufender Iteration nähert sich der Schätzwert X(n) dem Wert der tatsächlichen Zustandsvariablen X(n) an, d.h., 25

X(n)-*X(n), für größer werdende η (8).

Dies bedeutet, daß es möglich ist, die den inneren Zustand der Maschine beschreibenden Variablen X(n) anhand des Inputs u und des Outputs y abzuschätzen. Darüber hinaus ist es möglich, in dem obigen Ausdruck (7) sämtlichen Eigenwerten der Matrix (A-GC) den Wert 0 zu geben, indem man die Matrix G geeignet wählt. In diesem Fall wird der Zustandssimulator als endlicher Zustandssimulator bezeichnet, d.h., als Zu-

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Standssimulator, der nach einer endlichen Anzahl von Schritten den tatsächlichen Zustand der Maschine ermittelt.

Nachfolgend soll mit Bezug auf Fig. 5 die Wirkungsweise des Zustandssimulators 103 erläutert werden, der einen Integrierer 103B und einen Verstärkungsregler 103A enthält. Die genäherten Zustandsvariablen X werden unmittelbar in den Verstärkungsregler 103A eingegeben. Die Differenz SA = (N -N) zwischen der Soll-Leerlaufdrehzal N und der tatsächlich abgetasteten Leerlaufdrehzahl N wird indirekt über den Integrierer 103B in den Verstärkungsregler 103A eingegeben. Der Verstärkungsregler 103A bestimmt die Änderung £P, des ersten steuernden Eingangssignals (Impulsbreite des die Erregerspule 8 oder die Leerlauf-Luftmenge steuernden Signals) gegenüber einem vorgegebenen Bezugswert ·- (P₇.) innerhalb eines Bereichs, in dem lineare Näherung a a

möglich ist, und die Änderung IT des zweiten steuernden Eingangssignals (Zündzeitpunkt oder Zündvorverstellung) gegenüber einem vorgegebenen Bezugswert (it) innerhalb eines

el Bereichs, in dem lineare Näherung möglich ist. Auf diese Weise wird die Leerlaufdrehzahl N der Maschine auf einen konstanten Sollwert N geregelt. Da ferner bei diesem Ausführungsbeispiel die Ordnung oder die Zahl der Iterationsschritte der experimentell bestimmten mathematischen Modelle niedrig gewählt ist (n=4), wird die Differenz SA in dem Integrierer 103B integriert, damit die aufgrund der Annäherung niedriger Ordnung entstehenden Fehler herausgemittelt oder nivelliert werden.

Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Leerlaufdrehzahl der Maschine mit Hilfe eines Systems mit zwei Eingängen und einem Ausgang auf einen konstanten Wert eingeregelt wird, ist nur der einfache Steuer-Algorithmus beschrieben worden. Der allgemeinere Algorithmus für Steuer-

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systeme mit mehreren Variablen ist bereits in einigen Büchern, beispielsweise in "Control Theory of Linear Systems" von Katsuhisa Furuta beschrieben worden. Es werden daher nachfolgend lediglich kurz die Ergebnisse beschrieben.

Nunmehr soll angenommen werden, daß der steuernde Input u und der gesteuerte Output y und eine Bewertungsfunktion J gegeben sind durch

tfu(n) = u(n) - u(n-T) (9)

<f y(n) = N - N(n) (10)

•0

J = ^(iy(k)² + ^(k) Riu(k)) (11).

k=o

R bezeichnet eine Matrix mit gawichteten Parametern, das hochgestellte Zeichen "t "gibt an, daß es sich um die Transponierte der Matrix bzw. des Vektors handelt, und k ist der Index der abgetasteten Werte, wenn der Zeitpunkt des Beginns der Regelung auf 0 gesetzt wird. Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (11) entspricht dem Quadrat des Ausdrucks (9), wenn R eine diagonale Matrix ist.

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Nissan

- 31 -

Der zweite Term in Gleichung 11 wird ausgedrückt als quadratische Form der Differenz zwischen den steuernden Input-Werten, wie in Gleichung (9) angegeben ist. Dies liegt daran, daß gemäß Figur 5 eine Integration vorgesehen ist.

Der im Hinblick auf die Minimierung der Bewertungs-

* funktion J (Gleichung (11)) beste Input-Wert u (k)

kann geschrieben werden als u (k) = -(R + B¹ P B) ¹ B^fc P A

j = 0

X(k)

Wenn in dem Ausdruck (12) definiert wird

K ~ -(R + B^t P B) ¹B^t P A (13),

so ist K eine geeignete Verstärkungs- oder Kupplungs-Matrix. In Gleichung (12) gilt ferner

-ca -^CA)

B = (

-CB

(14) (15)

P kann wie folgt als Lösung der Riccati-Gleichung geschrieben werden.

P = PA - Ä^t P B (B* P B + R)"¹ B* P Ä + (38) ··- (16).

Die Bewertungsfunktion J gemäß Ausdruck (11) dient dazu/ die Differenz SA zwischen der Soll-Leerlaufdrehzahl N und der tatsächlichen Leerlaufdrehzahl M zu minimieren,

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während die Änderungen des steuernden Inputs u beschränkt werden. Die Gewichtung der Beschränkung kann durch die Gewichtsparameter-Matrix R verändert werden. Wenn eine geeignete Matrix R ausgewählt wird, kann daher die Lösung P in Übereinstimmung mit einem geeigneten dynanischen Modell des Leerlaufzustands der Maschine und mit Gleichung (16) gefunden werden. Anschließend kann anhand der Lösung P mit Hilfe von Gleichung (13) die geeignete Verstärkungs-Matrix K berechnet werden. Die Verstärkungs-Matrix K wird in dem Verstärkungsregler gespeichert. Somit können die geeigneten Werte u* (k) des steuernden Inputs auf der Grundlage des Integrals der Drehzahldifferenz SA und der abgeschätzten Zustandsvariablen X (k) nach Gleichung (12) berechnet werden. Wie bereits beschrieben wurde, können die Schätzwerte X (k) über das dynamische Verhalten der Maschine auf der Grundlage von Matritzen A,B, C und D mit konstanten Koeffizienten berechnet werden, die mit Hilfe der Transformationsfunktions-Matritzen T (Z) entsprechend Gleichung (6) bestimmt und in dem Mikrocomputer gespeichert werden.

Mit Bezug auf Figuren 6 bis 14 sollen nunmehr die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl der Maschine erläutert werden.

Ein erstes Merkmal der Erfindung betrifft die Frage, wie die Anfangswerte X (0) der Zustandsvariablen und der Anfangswert DUN (0) des Integrals der Drehzahldifferenz SA zu Beginn der Regelung festgelegt werden sollen.

Wenn die Drosselklappe vollständig geschlossen wird und ferner die Leerlaufdrehzahl der Maschine unter einen vorgegebenen Wert (beispielsweise 900 1/min) absinkt, stellt das Regelsystem fest, daß die Regelung der Drehzahl einsetzen muß, und beginnt zu arbeiten. Mit Beginn

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der Regelung beginnt auch der Zustandssimulator zu arbeiten. Wie sich aus Gleichung (6) ergibt, ist es in diesem Fall erforderlich, die Anfangswerte X (0) der den inneren Zustand der Maschine beschreibenden Variablen X festzulegen. Wenn die Leerlaufdrehzahl zu dem Zeitpunkt, an dem die Drehzahlregelung einsetzen soll, 900 1/min beträgt, werden die Anfangswerte X (0) auf einen Wert nahe 900 1/min festgelegt, damit die nachfolgende Abschätzung bei hoher Drehzahl genau ausgeführt werden kann. Durch Einstellen des Anfangswertes X (0) ist es möglich, die Regelbarkeit der Maschine in dem Übergangszustand zu verbessern, in welchem die Maschinendrehzahl von 900 1/min auf den Sollwert (beispielsweise 650 1/min) abfällt, wenn der Fahrer die Maschine auslaufen läßt (die Maschine läuft weiter aufgrund ihrer eigenen Trägheit, nachdem das Getriebe in die Neutralstellung geschaltet wurde). Ferner kann verhindert werden, daß die Maschine beim Auslaufen vollständig stehenbleibt.
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Wenn jedoch die Regelung bei einer Maschinendrehzahl von 900 1/min beginnt, erhält man unterschiedliche Werte für die den inneren Zustand der Maschine beschreibenden Variablen, wenn in einem Fall die Drosseiklappe bei einer Drehzahl von 2000 1/min vollständig geschlossen wird und die Drehzahl auf 900 1/min absinkt und im anderen Fall die Drosselklappe bei 4000 1/min vollständig geschlossen wird und die Drehzahl auf 900 1/min absinkt. Um in diesem Fall eine korrekte Abschätzung zu erhalten, muß der Anfangswert X (0) anhand von zwei Faktoren, nämlich der ersten Drehzahl, bei der die Drosselklappe vollständig geschlossen wird, und der zweiten Drehzahl, bei der die Regelung einsetzt, bestimmt werden. Das 35

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heißt, wenn die Regelung einsetzt, müssen die Anfangswerte X (O) der Zustandsvariablen X entsprechend diesen beiden Faktoren eingestellt werden, und die Zustandsvariablen X müssen ausgehend von dem in dieser

A.

Weise gewählten Anfangswerten X (0) entsprechend Gleichung (6) berechnet werden. Die oben erwähnten

Anfangswerte X (0) werden vorab durch Computersimulation bestimmt und in der Steuereinheit (Mikrocomputer) in Form einer zweidimensionalen Tabelle als Funktionen der beiden Maschinendrehzahlen beim Schließen der Drosselklappe und beim Beginn der Regelung gespeichert.

Wenn die Regelvorrichtung feststellt, daß die Regelung der Leerlaufdrehzahl durchgeführt werden muß, ist das Integral der Differenz zwischen dem Sollwert N und dem abgetasteten Istwert N gemäß Gleichung (12) gegeben durch

DUN(O) = Sl (N_r-N(j)).

Wenn N_r 650 1/min beträgt und N.900 1/min beträgt, ist der Anfangswert des Integrals DUN (0) = -250 1/min.

Da jedoch in diesem Fall der Absolutwert des Integralwertes DUN (0) zu groß ist, wird das steuernde Eingangssignal (z.B. P₃.) zu stark verringert, so daß ein Unterschwingen des Regelsystems auftritt (die Leerlaufdrehzahl sinkt unter N ab) oder die Maschine beim Auslaufen vollständig anhält. Um eine derartige Unterschwingung oder ein "Abwürgen" der Maschine zu verhindern, wird für die Ist-Drehzahl N ein scheinbarer Wert N¹ in der Nähe oder unterhalb der Solldrehzahl N gewählt. Wenn beispielsweise die Solldrehzahl 650 1/min beträgt, wird die scheinbare Drehzahl oder Pseudo-

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Drehzahl N¹ auf 700 1/min eingestellt, so daß sich ein anfänglicher Integralwert DUN (0) von -50 1/min ergibt. Da der Absolutwert dieses Anfangswertes DUN (0) verhältnismäßig klein ist, wird das steuernde Eingangssignal (P,) nur in Maßen verändert. Obgleich in diesem Fall die Ansprechgeschwindigkeit des Systems auf die Maschinendrehzahl etwas beeinträchtigt ist, ist es möglich die Leerlaufdrehzahl stabil auf die Solldrehzahl einzuregeln, ohne daß beim Auslaufen der Maschine ein Unterschwingen auftritt oder die Maschine stehenbleibt.

Figur 6(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem der Anfangswert der Leerlaufdrehzahl-Differenz SA (0) auf den Wert (Ν^,-Ν = 650-900 = -250 1/min) eingestellt war, während die Maschine sich in einem Übergangszustand befand, in dem die Maschine frei auslaufen konnte und die Drehzahl von einem hohen Wert auf den Sollwert von 650 1/min abnahm. Beim Schließen des Drosselklappen-Leerlaufschalters 2 wurde eine Anfangs-Leerlaufdrehzahl von 900 1/min abgetastet. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, trat in diesem Fall eine Unterschwingung auf, die Drehzahl fiel unter den Sollwert von 650 1/min ab, da der anfängliche Integralwert DUN (0) zu groß war.

Im Gegensatz hierzu zeigt Figur 6(B) das Ergebnis eines Versuchs, bei dem die anfängliche Drehzahldifferenz auf (N -N = 650-700 = -50 1/min) eingestellt war, während sich die Maschine in dem gleichen Übergangszustand wie in Figur 6(A) befand. Der Pseudo-Drehzahlwert N¹ war auf 700 1/min eingestellt. Diese Figur zeigt eine wünschenswerte Ansprechcharakteristik.

Figur 7(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem

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die anfängliche Geschwindigkeitsdifferenz SA (O) auf den Wert (N-N = 650-1100 = -450 1/min) eingestellt war. Die Maschine wurde zunächst im Leerlauf beschleunigt, so daß beim Schließen der Drosselklappe ein Drehzahlwert von 1100 1/min abgetastet wurde.

Anschließend lief die Maschine bei geschlossener Drosselklappe aus, so daß die Drehzahl auf den Sollwert von 650 1/min abnahm. Auch hier trat eine Unterschingung auf, d.h., die geregelte Maschinendrehzahl fiel unter den Sollwert von 650 1/min ab.

Im Gegensatz hierzu zeigt Figur 7(B) das Ergebnis eines Versuchs, bei dem die anfängliche Drehzahldifferenz SA (0) auf den Wert (N₃₇-N¹ =650-950 =

-300 1/min) eingestellt war. Die Pseudo-Leerlaufdrehzahl N¹ betrug somit 950 1/min. Im übrigen waren die Versuchsbedingungen die gleichen wie in Figur 7(A). Wie die Figur 7(b) zeigt, ergab sich bei dieser Einstellung des Pseudo-Drehzahlwertes eine wünschenswerte Ansprechcharakteristik.

Diese Figuren zeigen daß, wenn der anfängliche Integralwert DUN (0) einen zu hohen Absolutwert hat, die Maschinendrehzahl zu stark heruntergeregeIt wird und unter den Sollwert N_r absinkt, so daß es zu einem

Jagen oder zu einem vollständigen Aussetzen der Maschine kommt. Wenn jedoch der in das System eingegebene anfängliche Integralwert dem Betrage nach verringert wird, indem ein kleinerer Pseudo-Drehzahlwert N¹ für die Ist-Drehzahl eingestellt wird, so ergibt sich eine maßvolle Regelung auf den Sollwert N_r, und es kommt nicht zu einem Jagen oder Aussetzen der Maschine.

Ein zweites Merkmale der Erfindung betrifft die Aus-

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wahl eines geeigneten mathematischen dynamischen Modells und einer geeigneten Verstärkungsmatrix K entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine, beispielsweise entsprechend der Kühlmitteltemperatur T_w 5 oder entsprechend einer fetten oder mageren Abgaszusammensetzung (aktivierter oder deaktivierter Sauerstoffsensor) .

Normalerweise ändert sich das dynamische Verhalten der Maschine entsprechend den Betriebsbedingungen, z.B., wenn sich die Kühlmitteltemperatur ändert oder wenn sich die Gemischzusammensetzung zwischen fett und mager ändert (der Sauerstoffsensor wird bei einem fetten Gemisch deaktiviert und bei einem mageren Gemisch aktiviert). Wenn sich das dynamische Verhalten der Maschine merklich ändert, ist es daher unmöglich, die Leerlaufdrehzahl auf der Grundlage nur eines einzigen dynamischen Modells, das experimentell unter eingeschränkten Bedingungen entsprechend Gleichungen (2) und (3) gewonnen wurde, wirksam zu regeln. Erfindungsgemäß werden daher zunächst Parameter zur Abtastung der Veränderung des dynamischen Verhaltens der Maschine ermittelt, und in dem Mikrocomputer sind verschiedene vorgegebene dynamische Modelle entsprechend den unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Maschine gespeichert. Das für die angemessene Regelung der Leerlaufdrehzahl jeweils geeignete Modell wird entsprechend der abgetasteten Maschinenparameter ausgewählt. Im vorliegenden Fall werden die Matritzen A,B,C und G mit konstanten Koeffizienten verändert, die in dem Zustandssimulator 101 voreingestellt sind und in den Ausdrücken (2), (3), (6) und (7) auftreten, und die in Ausdruck (13) auftretende geeignete Verstärkungs-Matrix K wird ebenfalls geeignet ausgewählt. 35

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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Kühlmitteltemperatur und der Aktivierungszustand des Sauerstoffsensors als Maschinenparameter in dem oben erläuterten Sinne berücksichtigt. 5

Die Berücksichtigung des Wertes des Sauerstoffsensors hat folgenden Grund. Wenn der Sauerstoffsensor kalt und damit außer Betrieb ist, so daß die Gemischzusammensetzung nicht abgetastet werden kann, wird die Rückkopplungs-Regelung der Gemischzusammensetzung auf einem bestimmten Wert festgehalten. Das heißt, solange der Sauerstoffsensor außer Betrieb ist und sich in seinem deaktivierten Zustand befindet, liefert die Steuerung der Gemischzusammensetzung ein mageres oder ein fettes Gemisch. Wenn ein fettes Gemisch eingestellt wird, ergibt sich eine deutliche Änderung des dynamischen Verhaltens der Maschine, und die Regelbarkeit der Leerlaufdrehzahl wird ernstlich beeinträchtigt. Daher ist es selbst dann, wenn sich der Zustand des Sauerstoffsensors ändert, erforderlich, die in dem Zustandssimulator 101 voreingestellten Matritzen mit konstanten Koeffizienten A,B,C und D und die geeignete Verstärkungs-Matrix K zu verändern.

Nachfolgend sollen die Ansprechcharakteristika gegenüber Störungen bei konstanter Solldrehzahl beschrieben werden.

Figur 8(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs mit einer Regelvorrichtung, bei der unabhängig von der Kühlmitteltemperatur nur ein einziges dynamisches Modell vorgesehen war. Die Maschine wurde zunächst im Leerlauf beschleunigt und konnte dann auslaufen, so daß die Drehzahl auf den konstanten Sollwert von 650 1/min abnahm. In der Regelvorrichtung war eine geeignete

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Verstärkung K eingestellt/ und das dynamische Modell war derart ausgewählt, daß es für eine Kühlmitteltemperatur von 60 bis 8O⁰C geeignet war. Bei der Beschleunigung der Maschine betrug die Kühlmitteltemperatur etwa 20°c. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, sinkt die Leerlaufdrehzahl im Verlauf der Regelung wiederholt unter den Sollwert von 650 1/min ab. Das heißt, es tritt ein Unter- und überschwingen, also ein Jagen oder Sägen der Maschine auf.

Figur 8(B) zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem mehrere dynamische Modelle für unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen vorgesehen waren. Die Betriebsbedingungen der Maschine waren im übrigen die gleichen wie bei dem anhand von Figur (A) beschriebenen Versuch. Bei dem Versuch gemäß Figur 8(B) war die Regelvorrichtung auf eine geeignete Verstärkung K eingestellt, und das dynamische Modell wurde derart ausgewählt, daß es für eine Kühlmitteltemperatur von 10 bis 30⁰C geeignet war.

Wie in der Zeichnung deutlich zu erkennen ist, kann durch die Auswahl des dynamischen Modells entsprechend der Kühlmitteltemperatur die Regelbarkeit beträchtlich verbessert werden.

Figur 9(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem unabhängig von dem Zustand des Sauerstoffsensors nur ein einziges dynamisches Modell vorgesehen war. Die Drehzahl der Maschine wurde wiederum zunächst im Leerlauf erhöht, und anschließend wurde die Maschine auslaufen gelassen, so daß die Drehzahl auf den Sollwert von 650 1/min abnahm. Die Regelvorrichtung war auf eine geeignete Verstärkung K eingestellt, und daß dynamische Modell war derart

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ausgewählt, daß es für einen Zustand angemessen war, bei dem der Sauerstoffsensor aktiviert ist und ein mageres Gemisch anzeigt. Bei der Beschleunigung der Maschine zeigte der Sauerstoffsensor jedoch ein fettes Gemisch an. Auch in diesem Fall treten Schwingungen der Leerlaufdrehzahl um den Sollwert auf.

In Figur 9(B) war unter sonst gleichen Versuchsbedingungen die Regelvorrichtung auf eine geeignete Ver-Stärkung K eingestellt und es wurde ein dynamisches Modell ausgewählt, das für ein fettes Gemisch angemessen war.

Auch hier ergab sich durch die geeignete Auswahl des dynamischen Modells entsprechend dem Zustand des Sauerstoffsensors eine beträchtliche Verbesserung des Regelverhaltens des Systems.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zusätzlich zu der bereits beschriebenen rückgekoppelten Regelung eine Voraus-Regelung der Leerlaufdrehzahl vorgesehen wird. Hierdurch wird die Regelbarkeit der Leerlaufdrehzahl weiter verbessert. Dies gilt insbesondere für Übergangszustände, in denen in vorhersehbarer Weise eine Last an die Maschine angekoppelt wird. Als solche vorhersehbaren Lasten kommen beispielsweise eine Klimaanlage, die Hydraulikpumpe der Servolenkung, die beim Einkuppeln erforderliche Antriebsleistung des Fahrzeugs und dergleichen in Frage. All diesen Belastungen ist gemeinsam, daß sie im Voraus anhand von Signalen abgetastet werden können, die durch Schließen entsprechender Schalter beim Anschließen der betrffenden Lasten an die Maschine erzeugt werden. Bei dieser Voraus-Regelung wird die Größe der steuernden Eingangs-

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signale (£P,, <i"IT) um einen bestimmten Betrag erhöht, wenn eine Last zusätzlich an die Maschine angeschlossen wird. Wenn die Last von der Maschine abgekoppelt wird, so werden die Eingangssignale wieder um diesen Betrag verringert.

Figur 10(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem die Klimaanlage eingeschaltet und die Solldrehzahl auf 800 1/min erhöht und anschließend die Klimaanlage abgeschaltet und die Solldrehzahl wieder auf den ursprünglichen Wert von 650 1/min gesenkt wurde. Es wurde lediglich rückgekoppelte Regelung durchgeführt. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, nahm die Leerlaufdrehzahl beim Einschalten der Klimaanlage spürbar ab und beim Ausschalten der Klimaanlage spürbar zu.

Figur 10(B) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem unter sonst gleichen Bedingungen neben der Rückkopplungs-Regelung die erwähnte Voraus-Regelung durchgeführt wurde. Beim Einschalten der Klimaanlage wurde das Tastverhältnis des der Erregerspule 8 des Vakuumventils 9 zugeführten Signals um einen vorgegebenen Wert (z.B. 4 ms) erhöht, so daß die die Drosselklappe 12 umgehende Luftmenge zunahm und die Maschinendrehzahl anstieg. Beim Abschalten der Klimaanlage wurde das Tastverhältnis wieder auf den ursprünglichen Wert verringert.

Wie aus Figur 10 zu erkennen ist, wurde durch die zusätzliche Voraus-Regelung eine weitere Verbesserung des Regelverhaltens erreicht.

Bei dem in Figur 11(A) dargestellten Versuch wurde lediglich rückgekoppelte Regelung durchgeführt, und

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die Hydraulikpumpe der Servolenkung wurde bei stehendem Fahrzeug an die Maschine angekoppelt. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, nahm die Leerlaufdrehzahl beim Ankoppeln der Pumpe erheblich ab und beim Abkoppeln der Pumpe erheblich zu.

Figur 11(B) zeigt das Ergebnis des gleichen Versuchs bei zusätzlicher Voraus-Regelung. In dem Augenblick, in dem die Pumpe an die Maschine angekoppelt wurde, wurde das Tastverhältnis des Signals für die Erregerspule 8 um einen vorgegebenen Betrag erhöht, so daß die Luftmenge und damit die Drehzahl der Maschine zunahm. Beim Abkoppeln der Pumpe von der Maschine wurde das Tastverhältnis wieder auf den ursprünglichen Wert verringert.

Auch hier zeigt sich, daß durch die zusätzliche Voraus-Regelung das Ansprechverhalten des Regelsystems beträchtlich verbessert wird.

Ein viertes Merkmal der Erfindung betrifft die Einstellung eines geeigneten ersten Verstärkungsfaktors K₁ für die Servo-Steuerung für den Fall, daß allgemeine Störungen (z.B. Fehlzündungen) auftreten, und eines geeigneten zweiten Verstärkungsfaktors K ' für die Servo-Steuerung für vorhersehbare oder abtastbare Störungen (z.B. Anschluß der Klimaanlage). Die jeweils geeigneten Verstärkungsfaktoren werden entsprechend Schaltsignalen eingestellt, um die Regelbarkeit des Systems in Übergangszuständen weiter zu verbessern.

Figur 12(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem die Klimaanlage an die Maschine angekoppelt und nach einem Zeitintervall A₁ wieder von der Maschine

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abgekoppelt wurde und bei dem ferner während eines Zeitintervalls B₁ externe Drehmoment-Störungeη auf die Maschine ausgeübt wurden. In der Regelvorrichtung war ein erster Verstärkungsfaktor K₁ eingestellt. In der Zeichnung ist mit A_n die Solldrehzahl für den Zeitraum bezeichnet, in dem die Klimaanlage angeschlossen ist.

Figur 12(B) zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem unter sonst gleichen Bedingungen in der Regelvorrichtung ein zweiter Verstärkungsfaktor oder eine zweite Verstärkungs-Matrix K₂ eingestellt war.

In Figur 12(A) war die Verstärkung derart eingestellt, daß externe Drehmoment-Steuerungen ausgeglichen wurden. Eine Verbesserung des Regelverhaltens wird zwar während des Zeitintervalls B₁ (bei Auftreten der externen Störungen) jedoch nicht während des Zeitintervalls A₁ (beim An- und Abkoppeln der Klimaanlage) beobachtet. In Figur 12(B) war eine Verstärkung K₂ eingestellt, die besonders zum Ausgleich der durch die Klimaanlage verursachten Störungen geeignet war. In diesem Fall war das Regelverhalten während des Zeitintervalls A₂ (An- und Abschalten der Klimaanlage) dem der Regelvorrichtung gemäß Figur 12(A) überlegen, in dem Zeitintervall B₂ (beim Auftreten der externen Störungen) ist das in Figur 12(B) erkennbare Regelverhalten jedoch schlechter als in Figur 12(A). Aus diesen Zeichnungen ergibt sich somit, daß es wünschenswert ist, zum Gegensteuern bei externen Störungen die Verstärkung K₁ und zum Gegensteuern beim vorhersehbaren Störungen infolge des An- und Abkoppeins der Klimaanlage die Verstärkung K₂ auszuwählen.

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Ein fünftes Merkmal der Erfindung betrifft die folgenden Verfahrensschritte. (1) Anhand der Tatsache, daß die steuernden Input-Werte P_n und IT (Leerlauf-Luftmenge und Zündvorverstellung) ihren jeweiligen unteren Grenzwert erreichen, obgleich die Leerlaufdrehzahl nicht auf den Sollwert eingeregelt ist, wird festgestellt, daß eine unkontrollierbare Störung größeren Ausmaßes auf die Maschine einwirkt. (2) Die abgeschätzten Zustandsvariablen X und das Integral DUN der Drehzahldifferenz SA werden gelöscht, unmittelbar nachdem die Maschinendrehzahl infolge der Beseitigung der externen Störung wieder den Sollwert N_r erreicht hat. (3) Die die Leerlaufdrehzahl steuernden Eingangssignale werden auf Bezugswerte (beispielsweise ein Tastverhältnis von 27% und eine Zündvorverstellung von 21°) eingestellt, um zu verhindern, daß die Drehzahl nach Beendigung der unkontrollierbaren Störung unter den Sollwert absinkt.

Diese Maßnahmen tragen dem Umstand Rechnung, daß die Maschine manchmal aus folgendem Grund plötzlich stehenbleibt. Wenn unvorhersehbare und unkontrollierbare äußere Störungen auf die Maschine im Leerlaufzustand einwirken, läuft die Maschine für einen verhältnismäßig langen Zeitraum mit einer über dem Sollwert liegenden Drehzahl. Unter dieser Bedingung wird die die Drosselklappe umgehende Luftmenge auf den unteren Grenzwert eingestellt, und die Zündvorverstellung wird ebenfalls auf dem unteren Grenzwert, d.h., in Richtung Spätzündung zur Verringerung der Maschinendrehzahl verstellt. Wenn nun die externe Störung plötzlich ausbleibt, können die Luftmenge und die Zündvorverstellung aufgrund der integrierenden Wirkung nicht schnell genug im Sinne einer Erhöhung der Maschinendrehzahl gesteuert werden, und die Ma-

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- 45 schine bleibt stehen.

Figur 13(A) zeigt den Verlauf der Maschinendrehzahl, der Zündvorverstellung IT und des Tastverhältnisses P bei einem Versuch, in dessen Verlauf eine unkontrollierbare Störung der Luftzufuhr zu der Maschine erzeugt und wieder beseitigt wurde. Die oben beschriebene Gefahr, daß die Maschine stehenbleibt, kann im einzelnen anhand der Figur 13(A) erläutert werden.

Wenn die Maschine angelassen wird, ist die Kühlmitteltemperatur niedrig, und die Leerlauf-Solldrehzahl wird üblicherweise auf einen höheren Wert eingestellt. Da es in diesem Fall nicht möglich ist, die Maschinendrehzahl dadurch zu erhöhen, daß nur das Tastverhältnis P- zur Erhöhung der die Drosselklappe umgehenden Luftmenge erhöht wird, ist ein zusätzlicher Luftmengen-Regler zur Zufuhr von Luft zu der Maschine vorgesehen. Der Maschine wird daher die Summe der Luftmengen zugeführt, die durch den Luftmengen-Regler und durch das Vakuumventil 9 bestimmt werden. Wenn die Kühlmitteltemperatur steigt, nimmt die von dem Luftmengen-Regler durchgelassene Luftmenge allmählich ab. Falls unter diesen Bedingungen die über den Luftmengen-Regler zugeführte Luftmenge hinreichend weit über der Luftmenge liegt, die auf der Grundlage der Kühlmitteltemperatur bestimmt wird, liegt die Leerlaufdrehzahl der Maschine weit über dem Sollwert von 650 1/min, so daß die Zündvorverstellung auf den unteren Wert von beispielsweise 11° und das Tastverhältnis auf den unteren Wert von beispielsweise 9% eingestellt ist. Wenn unter diesen Bedingungen der Luftmengen-Regler plötzlich geschlossen wird, sinkt die Maschinendrehzahl plötzlich weit unter den Sollwert von 650 1/min ab. Die Regelvorrichtung bewirkt daraufhin eine Erhöhung der Maschinendrehzahl, d.h., die Zündvorverstel-

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lung und das Tastverhältnis werden erhöht. Wenn jedoch die Maschinendrehzahl für einen längeren Zeitraum auf dem höheren Wert gelegen hat, ist der in dem Mikrocomputer gespeicherte Integralwert DUN der Differenz SA zwischen der Soll-Drehzahl N und der Ist-Drehzahl N auf einen sehr hohen Wert angewachsen, und es dauert entsprechend lange, bis der Einfluß dieses gespeicherten Integralwertes beseitigt ist. Dies führt dazu, daß die Maschine stehenbleibt.

Figur 13(B) zeigt den zeitlichen Verlauf der Maschinendrehzahl, der Zündvorverstellung und des Tastverhältnisses bei einem Versuch, bei dem die Zündvorverstellung und das Tastverhältnis einmal gelöscht und auf die vorgegebenen Bezugwerte (Zündvorverstellung 21°, Tastverhältnis 27%) eingestellt wurden, nachdem die unkontrollierbare Störung der Luftzufuhr aufgehoben worden war und während die Maschinendrehzahl den Sollwert N erreichte. Diese Figur zeigt, daß die Maschi- nendrehzahl selbst nach der plötzlichen Beseitung der Störung schnell auf den Sollwert eingeregelt wird.

Figur 14(A) zeigt den Verlauf der Maschinendrehzahl, der Zündvorverstellung und des Tastverhältnisses als Ergebnis eines weiteren Versuchs, bei dem eine andere unkontrollierbare Störung der Luftzufuhr zu der Maschine hervorgerufen und wider aufgehoben wurde. Eine weitere mögliche Ursache dafür, daß die Maschine stehenbleibt, kann anhand von Figur 14(A) wie folgt erläutert werden. Wenn das Fahrzeug hält und der Fahrer das Gaspedal leicht bis zu einem solchen Grad niederdrückt, daß die Drosselklappe etwas geöffnet bleibt aber der Drosselklappen-Schalter geschlossen gehalten wird, läuft die Maschine mit erhöhter Drehzahl. Die Zündvorverstellung wird daher auf den unteren Grenzwert von 11° und das Tastverhältnis auf

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den unteren Grenzwert von 9% eingestellt. Wenn unter diesen Bedingungen der Fahrer das Gaspedal plötzlich losläßt, nimmt die von der Drosselklappe durchgelassene Luftmenge plötzlich ab, und die Maschinendrehzahl sinkt plötzlich weit unter den Sollwert von 650 1/min. Zwar steuert die Regelvorrichtung gegen, indem die Zündvorverstellung und das Tastverhältnis erhöht werden, da jedoch die Maschine zuvor für längere Zeit mit höherer Drehzahl gelaufen ist und das Integral DUN einen hohen Wert angenommen hat, dauert es verhältnismäßig lange bis der Einfluß des gespeicherten Integralwertes sich nicht mehr auswirkt. Daher kann es auch in diesem Fall vorkommen, daß die Maschine stehenbleibt.

Figur 14(B) zeigt den Verlauf der Maschinendrehzahl, der Zündvorverstellung und des Tastverhältnisses bei einem Versuch, bei dem die Zündvorverstellung und das Tastverhältnis einmal gelöscht und auf die vorgegebenen Bezugswerte (Zündvorverstellung 2\°, Tastverhältnis 27%) eingestellt wurden, als die Maschine nach der Beseitigung der unkontrollierbaren Störung der Luftzufuhr die Solldrehzahl N_r erreichte. Aus der Zeichnung ergibt sich, daß auch in diesem Fall nach der plötzlichen Beseitigung der Störung die Drehzahl schnell auf den Sollwert eingeregelt wird.

Ein sechstes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, dem Ein- oder Aus-Zustand der Klimaanlage oder der Hydraulikpumpe der Servolenkung, der Höhe der Batteriespannung und dergleichen die jeweils angemessene Solldrehzahl N berechnet wird.

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Mit Bezug auf das in Figur 15 dargestellte Flußdiagrainm soll nachfolgend das Verfahren zur rückgekoppelten Regelung der Leerlaufdrehzahl der Maschine auf den Sollwert näher erläutert werden. Bei Beginn des RegeIprοgramins wird zunächst anhand des Signals des Drosselklappen-Leerlaufschalters überprüft, ob die Drosselklappe vollständig geschlossen ist oder nicht (Block 30). Wenn die Drosselklappe vollständig geschlossen ist, wird als nächstes abgetastet, ob die tatsächliche Maschinendrehzahl N kleiner oder gleich einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl N* (beispielsweise 1100 1/min) ist, bei der die Drehzahlregelung einsetzt (Block 31). Wenn die Drosselklappe nicht vollständig geschlossen ist oder die tatsächliche Drehzahl N über dem vorgegebenen Wert N* liegt, werden Flags 1 und 3 auf "1" gesetzt (Blocks 33 und 34), und das Programm kehrt zum Start zurück. Wenn die Drosselklappe vollständig geschlossen ist und ferner die tatsächliche Drehzahl N kleiner oder ,gleich der dem Einsetzen der Regelung entsprechenden Drehzahl N* ist, wird überprüft, ob Drehzahlregelung ausgeführt werden muß. Dies geschieht dadurch, daß abgetastet wird, ob Flag 1 nicht den Wert "0", sondern den Wert "1" hat (Block 32). Flag 1 gleich "1" bedeutet, daß die Maschinendrehzahl zum ersten Mal geregelt wird. Wenn daher Flag 1 den Wert "1" hat, wird anhand der Differenz zwischen der Leerlaufdrehzahl N im Augenblick des vollständigen Schließens der Drosselklappe und der Leerlaufdrehzahl N*, die das Einsetzen der Regelung auslöst, der Anfangsintegralwert DUN (0) gebildet. Die anfänglichen Zustandsvariablen x.. (0) , X₂(O), x^(0) und X₄ (0) werden unter Berücksichtigung der beiden Leerlaufdrehzahlen N und N* durch Aufsuchen entsprechender Werte in einer in dem Mikrocomputer

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gespeicherten zweidimensionalen Tabelle bestimmt (Block 35).

Anschließend wird Flag 1 auf "0" gesetzt. Auf diese Weise wird angezeigt, daß die Anfangswerte bereits bestimmt worden sind (Block 37). Wenn in Block 32 festgestellt wird, daß Flag 1 den Wert "0" hat, so erkennt das Programm, daß die Anfangswerte bereits bestimmt worden sind und setzt das Flag 3 auf "0" um anzuzeigen, daß die Regelung der Leerlaufdrehzahl begonnen hat (Block 36). Als nächstes wird ein geeignetes mathematisches Modell ausgewählt, das repräsentativ ist für das innere dynamische Verhalten der Maschine bei der gegenwärtigen Kühlmitteltemperatur T oder bei dem gegenwärtigen Zustand des Sauerstoffsensors (aktiviert oder deaktiviert), und es wird eine geeignete Verstärkung entsprechend dem Ein- Aus-Zustand der Klimaanlage oder der Hydraulikpumpe der Servolenkung anhand von Signalen der Klimaanlage oder der Hydraulikpumpe ausgewählt (Block 38). Die Verstärkungen K sind entsprechend den Eigenschaften der Klimaanlage und der Servopumpe voreingestellt und in dem Mikrocomputer gespeichert. Anhand der Kühlmitteltemperatur T , des Zustands der Klimaanlage oder der Batteriespannung wird ein angemessener Sollwert N
(Block 39).

Sollwert N für die Leerlaufdrehzahl berechnet

Die Blöcke 40 bis 45 zeigen die Schritte zur Abtastung von auf die Brennkraftmaschine einwirkenden unkontrollierbaren Störungen und zum Gegensteuern bei einem plötzlichen Aussetzen dieser Störungen. Zunächst wird abgefragt, ob die tatsächliche Maschinendrehzahl N größer als die berechnete Soll-

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drehzahl N ist (Block 40). Sodann wird überprüft, ob die steuernden Eingangssignale ihren jeweiligen unteren Grenzwert aufweisen (Block 41). Wenn N größer ist als N_r und die Eingangssignale an den unteren Grenzwerten festgelegt sind, wird Flag 2 auf "0" gesetzt. Auf diese Weise wird ein unnormaler Zustand angezeigt (Block 43). Wenn Flag 3 den Wert "0" hat (Block 45), was bedeutet, daß die Regelung begonnen hat, rückt das Programm auf Block 46 vor, wo die die Leerlaufdrehzahl steuernden Eingangssignale 4* P₂. und 6 IT berechnet werden, wie später beschrieben wird. Wenn Flag 3 nicht den Wert "0", sondern die Wert "1" hat (Block 45), d.h., wenn die Regelung noch nicht eingesetzt hat, springt das Programm unmittelbar zu Block 50 zur unmittelbaren Berechnung der Anfangswerte der Eingangssignale / P^ und /IT anhand der in Block 35 ausgesuchten Anfangswerte DUN (0) und X₁ (0) bis X₄(O), ohne daß das Integral DUN der Drehzahldifferenz SA berechnet wird und ohne daß die Zustandsvariablen XwX₃₇X₃ und X₄ abgeschätzt werden.

Wenn die externe Störung aussetzt und aus diesem Grund der tatsächliche Drehzahlwert N unter die berechnete Solldrehzahl N absinkt (Block 40), nachdem überprüft wurde, daß Flag 2 auf "0" steht (einmaliges Auftreten eines unnormalen Zustands) (Block 42) werden der Integralwert DUN und die abgeschätzten Zustandsvariablen X₁ bis X₄ und die steuernden Eingangssignale ξP_a, ^IT sämtlich gelöscht (Block 44). Flag .2 wird auf "1" gesetzt um das Ende des unnormalen Zustands anzuzeigen (Block 51). Anschließend rückt das Programm zu Block 50 vor, um anhand vorgegebener Bezugswerte

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die Bezugswerte für die steuernden Eingangssignale / /IT zu berechnen.

Wenn die Eingangssignale nicht an den unteren Grenzwerten festgelegt sind (Block 41), d.h., wenn keine unnnormale Störung vorliegt, rückt das Programm zu Block 46 vor, nachdem überprüft wurde, daß Flag 3 den Wert "0" hat (die Regelung hat begonnen). In diesem Fall wird Flag 2 nicht auf "0" gesetzt.

Wenn die Leerlaufdrehzahl N über der Solldrehzahl N liegt (Block 40) und die steuernden Eingangssignale nicht die unteren Grenzwerte aufweisen (Block 41) und wenn ferner Flag 3 nicht den Wert "0" hat (Beginn der Regelung) (Block 45) führt das Programm die in Blocks 46 bis 50 dargestellten aufeinanderfolgenden Rechenschritte aus. Im einzelnen wird die tatsächliche Differenz SA zwischen der Solldrehzahl N und der abgetasteten Drehzahl N bestimmt (Block

46) und unter Verwendung des Wertes DUN integriert (Block 47). Sodann wird eine Drehzahlabweichung berechnet zwischen der tatsächlichen Drehzahl N und einer Bezugsdrehzahl N in Übereinstimmung mit einer

el

linear approximierten Transformationsfunktions-Matrix (Block 48). Die Näherungen für die Zustands-

Λ .Λ. A A.

variablen χ^,χ^,χ., und χ. werden auf der Grundlage der berechneten Drehzahlabweichung und der zuvor in Block 50 berechneten Werte der die Leerlaufdrehzahl steuernden Eingangssignale P,, IT berechnet (Block 49). Mit x*,x₂* und X₃* sind hier die vorausgehenden Schätzwerte bezeichnet. Die Größen b.. und g. sind Konstanten, die in dem Mikrocomputer gespeichert sind. Schließlich werden die Abweichungen der die Leerlaufdrehzahl steuernden Eingangssignale wie etwa J P, und /IT von den vorgegebenen Bezugs-

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER¹- . ~- '--'■■ FiS-ZcLTh

werten berechnet. Die Bezugswerte sind entsprechend einer linear approximierten Transformationsfunktions Matrix festgelegt. Die Abweichungen werden berechnet auf der Grundlage der bereits abgeschätzten Zustands-

variablen χ,,,Χ-,χ., und x·, des Drehzahldifferenz-Integrals DUN und der am besten geeigneten Verstärkungs-Matrix K, deren Elemente mit k.. bezeichnet sind (Block 50).

Wenn in Block 45 festgestellt wird, daß Flag 3 den Wert "1" hat, daß also die Regelung der Leerlaufdrehzahl noch nicht begonnen hat, springt das Programm direkt zu dem Block 50, ohne daß die Zustandsvariablen X₁,χ»,χ., und x, abgeschätzt werden. In Block 50 werden sodann die Anfangswerte der Eingangssignale (bzw. deren Abweichungen) ξ P₇. , XlT anhand der in Block 35 aufgesuchten Anfangswerte berechnet. Die Ausdrücke in Block 49 zeigen ein Beispiel eines endlichen Zustandssimulators mit konstanten Koeffizienten, dessen Matrix (A-GC) gemäß Gleichung (6) wie folgt geschrieben werden kann.

/0 0 0 0

10 0 0
A-GC =
25

^A-^GC =0100

Nachfolgend soll die Regelbarkeit oder das Regelverhalten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens OQ mit dem Regelverhalten bei dem herkömmlichen (Proportional/Integral) Verfahren verglichen werden.

Figur 16(A) zeigt die Schwankungen der Leerlaufdrehzahl bei einem Versuch, bei dem die Maschine belastet or wurde, indem die Kupplung halb niedergedrückt oder ein-

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gerückt wurde. Es wurde das herkömmliche Regelverfahren angewendet. Am Punkt t_Q wurde die Kupplung halb eingerückt und das Bremspedal getreten. Der Verlauf der Kurve zeigt, daß es mit dem herkömmlichen Verfahren schwierig ist, die Drehzahl auf den Sollwert von 650 1/min einzuregeln.

Figur 16(B) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem unter den gleichen Bedingungen wie in Figur 16(A) das erfindungsgemäße Mehrvariablen-Steuerverfahren angewendet wurde. Es ist erkennbar, daß die Leerlaufdrehzahl innerhalb der verhältnismäßig kurzen Zeit von einigen Sekunden auf den Sollwert von 650 1/min eingeregelt wird.

Figur 17 (A) beschreibt einen Versuch, bei dem die Brennkraftmaschine im Zeitpunkt t» durch Lösen der Kupplung entlastet wurde. Die Drehzahlregelung erfolgte nach dem herkömmlichen Verfahren. Wie die Figur zeigt, steigt die Maschinendrehzahl nach dem Abkuppeln der Last von der Maschine an und nimmt erst nach mehreren Sekunden wieder auf den Sollwert von 650 1/min ab.

Figur 17(B) zeigt das Ergebnis des gleichen Versuchs bei Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Hier steigt die Maschinendrehzahl nach dem Abkuppeln der Last zwar auch geringfügig an, nimmt jedoch bereits nach wesentlich kürzerer Zeit wieder auf den Sollwert ab.
30

Figur 18(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem bei herkömmlicher Regelung die Klimaanlage eingeschaltet und die Solldrehzahl auf 800 1/min festgelegt wurde und anschließend die Klimaanlage von der Maschine abgekoppelt und die Solldrehzahl wieder

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auf 650 1/min gesenkt wurde. Beim Einschalten der Klimaanlage nimmt die Drehzahl zunächst ab, und beim Abschalten der Klimaanlage ist zunächst ein Anstieg der Drehzahl über 800 1/min hinaus zu beobachten. 5

Figur 18(B) zeigt das Ergebnis des gleichen Versuchs bei Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Obgleich die Maschinendrehzahl grundsätzlich in der gleichen Weise wie in Figur 18(A) ansteigt und abnimmt/ ist zu erkennen, daß die Schwankungen geringer sind und die jeweilige Solldrehzahl· schneller erreicht wird.

Figur 19(A) zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem bei herkömmiicher Regeiung die Maschine zunächst lastfrei mit hoher Drehzahl läuft und sodann allmählich ausläuft, bis die So^drehzahl von 650 1/min erreicht wird. Die Zeichnung läßt erkennen, daß bei Erreichen der So^drehzahl von 650 1/min verhältnismäßig starke Regelschwingungen auftreten.

Figur 10(B) zeigt das Ergebnis des gleichen Versuchs bei Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Regelschwingungen bei Erreichen der Solldrehzahl von 650 1/min sind deutlich geringer.

Wie aus Figuren 16(A) bis 19(B) hervorgeht, wird die Regelbarkeit oder das RegelVerha^en bei Übergängen der Brennkraftmaschine von einem Zustand in einen anderen durch das erfindungsgemäße Mehrvariabien-Regelverfahren gegenüber dem Verhalten bei Regelung nach dem herkömmiichen Verfahren spürbar' verbessert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeiung der Leerlaufdrehzahl ist nur für den Fall eingehend beschrie-

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ben worden, daß als Eingangsparameter zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl die Nutzimpulsbreite oder das Tastverhältnis P_ eines der Erregerspule zur Steuerung der die Drosselklappe umgehenden Luftmenge zugeführten Signals und die Zündvorverstellung benutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch mit wenigstens einer, zwei oder mehreren Kombinationen beispielsweise der folgenden Größen durchgeführt werden: Luftmenge, Zündvorverstellung, Kraftstoffmenge, Menge der Abgasrückführung, und dergleichen. Anstelle der genannten Größen Luftmenge, Kraftstoffmenge und Abgasrückführung-Menge können jeweils auch äquivalente Größen verwendet werden.

Wie oben beschrieben wurde, ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Leerlaufdrehzahl auf einen Sollwert möglich, in verschiedenen Übergangszuständen der Brennkraftmaschine ein Absinken der Leerlaufdrehzahl unter den Sollwert zu verhindern, die Ansprechcharakteristik bei Fehlzündungen oder Last-Störungen zu verbessern und eine stabile Regelung der Leerlaufdrehzahl zu gewährleisten. Dies wird dadurch erreicht, daß (1) ein Mehrvariablen-Rege !verfahren verwendet wird, das auf innere Zustände der Maschine beschreibenden dynamischen Modellen beruht, (2) daß der jeweilige dynamische Zustand der Maschine abgeschätzt wird, (3) daß die mathematische Ordnung der verwendeten dynamischen Modelle verhältnismäßig niedrig ist (n=4), (4) daß der sich aus der niedrigen Ordnung ergebende Approximationsfehler durch Integrationsschritte ausgeglichen wird, (5) daß jeweils ein speziell an das dynamische Verhalten der Maschine angepaßtes dynamisches Modell verwendet wird und (6) daß die Anfangswerte der Variablen und des Integrals der Drehzahlabweichungen bei Beginn der Drehzahlregelung vorgegeben werden.

Leerseite

Claims (19)

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl.-Ing, F. E. Müller . . , , . . _. Triftstrasse 4, Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-SOOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 WG83062/124(2)/YM St/Wi/la/sc f5. Sep. J983 NISSAN MOTOR COMPANY, LIMITED No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan VERFAHREN ZUR RÜCKKOPPLUNGSSTEUERÜNG DER LEERLAUFDREHZAHL EINER BRENNKRAFTMASCHINE Priorität: 16. September 1982, Japan, No. 57-159533 PATENTANSPRÜCHE

1. ) Verfahren zur Ruckkopplungssteuerung der Leerlaufdreheiner Brennkraftmaschine oder dergleichen auf einen Sollwert, auf der Grundlage von mathematischen dynamischen

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Modellen zur Bestimmung von Zustandsvariablen, die das dynamische Verhalten der Maschine repräsentieren, g ekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
5

(a) Berechnen der Differenzen SA zwischen der Leerlauf-Solldrehzahl N und der Istdrehzahl N,

(b) Integrieren der berechneten Drehzahldifferenz SA, 10

(c) Auswählen eines angemessenen mathematischen dynamischen Modells der Maschine entsprechend wenigstens einer von vorgegebenen Betriebsbedingungen der Maschine,

(d) Ermitteln von Näherungen niedriger Ordnung für die die inneren dynamischen Zustände der Maschine repräsentierenden Variablen x. anhand des ausgewählten dynamischen Modells und auf der Grundlage von wenigstens einer, zwei oder mehreren Kombinationen von vorausgegangenen Änderungen iP , ilT, <fN der die Leerlauf drehzahl steuernden Parameter und der gesteuerten Leerlaufdrehzahl,

(e) Auswählen eines Satzes K von Verstärkungsfaktoren anhand der äußeren Belastungen der Maschine; und

(f) Bestimmen der aktuellen Änderungen SPw SlT der die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter auf der Grundlage der genäherten Zustandsvariablen χ. , der ausgewählten Verstärkungsfaktoren K und des Integrals DUN der Differenz zwischen Leerlauf-Soll- und Istdrehzahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die näherungsweise Bestimmung der Zustandsvariablen x. in Schritt (d) vierter Ordnung ist

1 a. a a a

und die Näherungswerte X₁, x_, X₃ und x. umfaßt.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) der Anfangswert des Integrals DUN (O) beim Beginn der Leerlauf-Drehzahlregelung bestimmt wird durch Aufsuchen eines Wertes in einer zweidimensionalen Tabelle in Abhängigkeit von der beim vollständigen Schließen der Drosselklappe vorliegenden Maschinendrehzahl N und einer vorgegebenen Maschinendrehzahl N*, bei der die Regelung der Leerlaufdrehzahl einsetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Leerlaufdrehzahl einsetzt, wenn die tatsächliche Maschinendrehzahl N unter den vorgegebenen Drehzahlwert N* absinkt und wenn gleichzeitig die Drosselklappe vollständig geschlossen ist und daß der Absolutwert des Anfangs-Integralwertes DUN (0) dadurch verringert wird, daß für die Regelung anstelle der tatsächlichen Maschinendrehzahl N eine scheinbare Maschinendrehzahl N¹ in der Nähe oder unterhalb der Solldrehzahl N angenommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d) die Anfangswerte der Zustandsvariablen x. (0) bei Einsetzen der Drehzahlregelung durch Aufsuchen in einer zweidimensionalen Tabelle in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl N beim vollständigen Schließen der Drosselklappe und der vorgegebenen Maschinendrehzahl N*, bei der die Drehzahlregelung einsetzt, ermittelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) wenigstens eine der vorgegebenen Betriebsbedingungen der Maschine die durch einen Sauerstoffsensor abgetastete Abgaszusammensetzung entsprechend einem fetten oder mageren Gemisch ist.

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7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) wenigstens eine der vorgegebenen Betriebsbedingungen der Maschine die mit Hilfe eines Kühlmittel-Temperaturfühlers abgetastete Kühlmitteltemperatur ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter in Schritt (d) wenigstens einen der Parameter Ansaugluftmenge, Zündvorverstellung, Kraftstoffmenge, Menge an zurückgeführtem Abgas oder einen vergleichbaren Parameter umfassen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Schritt (e) ausgewählte Satz K von Verstärkungsfaktoren davon abhängt, ob eine Klimaanlage an die Brennkraftmaschine angekoppelt oder von dieser abgekoppelt ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl des Satzes K der Verstärkungsfaktoren in Schritt (e) davon abhängig ist, ob eine Hydraulikpumpe für eine Servolenkung oder dergleichen an die Brennkraftmaschine angekoppelt oder von dieser abgekoppelt ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlauf-Solldrehzahl N in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur der Maschine eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solldrehzahl N„ in Abhängigkeit von der Batteriespannung eingestellt wird.

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13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solldrehzahl N_r davon abhängig ist, ob die Klimaanlage an die Brennkraftmaschine angekoppelt oder von dieser abgekoppelt ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Solldrehzahl N davon abhängig ist, ob die Hydraulikpumpe an die Brennkraftmaschine angekoppelt oder von dieser abgekoppelt ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zustand abgetastet wird, in dem die Leerlaufdrehzahl N für einen längeren Zeitraum über der Solldrehzahl N lag, während die die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter im Rahmen der Regelung auf ihrem Extremwert im Sinne einer Verringerung der Istdrehzahl gehalten wurden, . und daß in dem Fall, daß nach einem solchen Zustand die Maschinendrehzahl N plötzlich auf die Solldrehzahl N₃. absinkt, der Integralwert DUN der Drehzahldifferenz SA, sämtliche genäherte Zu standsvariablen x_± und die ermittelten · Änderungen ÄP_ft, <ΠΤ sämtlicher die Drehzahl steuernden Parameter gelöscht und auf einen jeweiligen Bezugswert eingestellt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorhersehbare Änderungen der Maschinenlast abgetastet werden und daß die Zunahmen der die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter im Rahmen einer neben der Rückkopplungssteuerung durchgeführten Voraus-Regelung bei Abtastung einer Zunahme der Last erhöht und bei Abtastung einer Abnahme der Last verringert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichn e t, daß die abgetastete Last eine Klimaanlage ist.

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18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine der abgetasteten Lasten die Hydraulikpumpe der Servolenkung ist.

19. Verfahren zur Rückkopplungssteuerung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine oder dergleichen auf einen Sollwert, auf der Grundlage von mathematischen dynamischen Modellen zur Bestimmung von Zustandsvariablen, die das dynamische Verhalten der Maschine repräsentieren, g elOkennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

(a) Abtasten der bei vollständigem Schließen der Drosselklappe vorliegenden Maschinendrehzahl N,

(b) Überprüfen, ob die Maschinendrehzahl N unter einen vorgegebenen Drehzahlwert N* absinkt, bei dem die Leerlauf-Drehzahlregelung einsetzt,

(c) falls die Drosselklappe vollständig geschlossen ist und die Maschinendrehzahl N unter den vorgegebenen Wert N* absinkt, Bestimmen eines Anfangswerts DUN (0) eines Integrals DUN der Drehzahldifferenz SA zwischen einer Solldrehzahl N und der abgetasteten Drehzahl N und von Anfangswerten X₁(O) bis x.(4) von den dynamischen Zustand der Maschine repräsentierenden Zustandsvariablen durch Aufsuchen der Anfangswerte in einer zweidimensionalen Tabelle bei Beginn der Leerlauf-Drehzahlregelung,

(d) Auswählen eines angemessenen dynamischen Modells für den dynamischen Zustand der Maschine unter den augenblicklichen Betriebsbedingungen und eines Satzes K von Verstärkungsfaktoren entsprechend dem Belastungszustand der Maschine,

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(e) Berechnen der Leerlauf-Solldrehzahl N anhand der Betriebsbedingungen der Maschine;

(f) Prüfen, ob die Maschinendrehzahl N über der berechneten Solldrehzahl N liegt und ob die Werte /P₇. <TlT, die die Leerlaufdrehzahl der Maschine steuern, ihre Extremwerte im Sinne der größtmöglichen Verringerung der Istdrehzahl aufweisen,

(g) Löschen des Integralwertes DUN, der berechneten Zustandsvariablen X₁ bis x. und der berechneten Änderungen der die Leerlaufdrehzahl steuernden Parameter /P,, /IT und Einstellen dieser Werte auf vorgegebene Bezugswerte, falls die in Schritt (f) geprüften Bedingungen vorgelegen haben und die Maschinendrehzahl N unter die Solldrehzahl N absinkt,

(h) falls die Maschinendrehzahl nicht unter den Sollwert N absinkt und die in Schritt (f) geprüften Bedingungen nicht vorgelegen haben, Berechnen der Differenz SA zwischen der Solldrehzahl N und der abgetasteten Drehzahl N,

(i) Integrieren der Drehzahldifferenz SA zu dem Integralwert

DUN unter Verwendung des Anfangswertes DUN (0), 25

(j) Berechnen der Abweichung N der Maschinendrehzahl von einem vorbestimmten Drehzahlwert N ,

O.

JK

(k) näherungsweise Berechnung der Zustandsvariablen X₁ bis x. anhand des ausgewählten dynamischen Modells und auf der Grundlage der zuvor errechneten Zustandsvariablen X₁* bis X₄*/ der berechneten Drehzahlabweichung SN und der vorherigen Werte ^P_Ä/ rf"IT der die Maschinendrehzahl steuernden Parameter und

"Nissan

(1) Berechnen der Änderungen der die Maschinendrehzahl steuernden Parameter j P,, SlT auf der Grundlage der angenäherten Zustandsvariablen X₁ bis x. der berechneten Drehzahldifferenz, des Integrals DUN und der ausgewählten Verstärkungsfaktoren K.