DE3416539C3 - Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Verbrennungsmotors mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises - Google Patents
Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Verbrennungsmotors mit Hilfe eines geschlossenen RegelkreisesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Dreh
zahl eines Verbrennungsmotors mit Hilfe eines geschlossenen
Regelkreises.
Aus der DE-OS 30 39 435 ist bereits eine Einrichtung zum Re
geln der Drehzahl eines Verbrennungsmotors bekannt. Mit Hil
fe dieser bekannten Regeleinrichtung wird die Leerlaufdreh
zahl von Brennkraftmaschinen geregelt, deren Drehzahl von
einer im Saugrohr der Maschine angeordneten Drosselklappe
gesteuert wird. Die Regelschaltung enthält eine erste Ein
richtung zum Erzeugen erster Daten, welche die Soll-Drehzahl
des Motors anzeigen und auch eine zweite Einrichtung zum Er
zeugen zweiter Daten, welche jeden Augenblick die Ist-Dreh
zahl des Motors anzeigen. Mit Hilfe einer Vergleichsstufe
wird ein Sollwert-Istwert-Vergleich durchgeführt und es wird
dabei eine Differenzgröße ermittelt, welche die Abweichungs
größe zwischen Sollwert und Istwert wiedergibt. Das wesent
liche dieser bekannten Regeleinrichtung besteht darin, daß
der Drehzahl-Sollwert außer von der gewünschten Leerlauf
drehzahl und der Temperatur auch wenigstens von einer der
Größen Ist-Drehzahl, Zeit, Versorgungsspannung und Getrie
bestellung abhängig ist und beim Regler eine eingangsgröß
enabhängige Charakteristik vorliegt.
Aus der DE-OS 18 02 217 ist ein Geschwindigkeitsregler für
Flugzeuge bekannt, der Mittel enthält, um in Abhängigkeit
von einem Geschwindigkeitsmeßwert, wie beispielsweise einem
Staudruck, über einen Stellmotor eine Geschwindigkeitsstell
größe zur Regelung der Fluggeschwindigkeit gegenüber der Um
gebungsluft zu verändern. Dem Stellmotor sind ein oder meh
rere nicht lineare Glieder zur Erzielung einer mit wachsen
der Regelabweichung ansteigenden Kreisverstärkung vorge
schaltet. Diese nicht linearen Glieder können durch einen
Verstärker gebildet sein, der eine geknickte, mit größer
werdenden Eingangssignalen steiler werdende Kennlinie auf
weist. Der genannte Verstärker kann auch eine mehrfach ge
knickte Kennlinie besitzen. Jedoch führt die Verwendung von
lediglich einem Verstärker oder nicht linearen Gliedern da
zu, daß das Regelverhalten inbesondere an den Knickstellen
des Kennlinienverlaufs unstetig werden kann. Es können sich
daher insbesondere an den Knickstellen Unstetigkeiten erge
ben, die insbesondere dann stark in Erscheinung treten,
wenn der Arbeitspunkt der betreffenden Anordnung in den Be
reich einer solchen Knickstelle fällt.
Der bei diesem bekannten Geschwindigkeitsregler verwendete
Verstärker kann auch mit zwei Wichtungscharakteristiken
(Verstärkungsgraden) realisiert werden, und zwar einem von
einem Signal vorgegebenen festen Verstärkungsgrad für klei
ne Regelabweichungen und einem von dem genannten Signal ab
hängigen und bei zunehmender Regelabweichung zunehmenden
Verstärkungsgrad für größere Regelabweichungen, die einen
Schwellenwert übersteigen.
Aus der DE-OS 28 42 023 ist eine digitale Regeleinrichtung
für die Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs bekannt.
Diese bekannte digitale Regeleinrichtung umfaßt einen Richtwertgeber,
eine Speichereinrichtung für einen der gewünschten
Fahrgeschwindigkeit proportionalen Sollwert, wobei bei Betätigung
wenigstens einer Schaltvorrichtung der Istwert in die
Sollwert-Speichereinrichtung übertragbar ist. Es sind ferner
Mittel vorgesehen zum Durchführen eines Istwert-Sollwert-Vergleichs
und ferner auch eine durch die Differenz dieser Werte
steuerbare Vorrichtung, die auf ein die Geschwindigkeit des
Kraftfahrzeugs beeinflussendes Element einwirkt. Das wesentliche
dieser bekannten digitalen Regeleinrichtungen besteht
darin, daß eine zweite Hilfs-Sollwert-Speichereinrichtung
vorgesehen ist, in der durch digitale Zählvorgänge eine Rampe
erzeugbar ist, wobei der Rampenwert während einer durch die
Regeleinrichtung zu bewirkenden Fahrgeschwindigkeitsänderung
einen zusätzlichen Sollwert vorgibt. Diese Rampe kann aus
zwei Abschnitten bestehen, wobei die zwei Rampenabschnitte
zueinander unterschiedliche Steigung aufweisen. Speziell ist
der Verlauf der Rampe so ausgelegt, daß der Anfangsbereich
der Rampe zunächst steiler verläuft, während der Endbereich
der Rampe eine kleinere Steigung hat. Diese bekannte
Regeleinrichtung hat aufgrund des fest vorgegebenen Rampenwertes
ein fest vorgeschriebenes Regelverhalten, welches
den Anwendungsbereich gemäß der Regelung der Fahrgeschwindigkeit
eines Kraftfahrzeugs angepaßt ist. Die bekannte
Regelschaltung enthält ferner einen Multiplizierer,
um den Wert der Regelabweichung mit einem istwertabhängigen
Faktor zu multiplizieren, um in kleineren Geschwindigkeitsbereichen
eine verbesserte Stabilität zu erreichen.
Dies bedeutet z. B., daß bei größeren Geschwindigkeiten der
zu multiplizierende Faktor 1 ist, während bei kleineren
Geschwindigkeiten dieser Faktor z. B. 0,3 ist, um so bei
kleineren Geschwindigkeiten die Verstärkung des Regelkreises
zu verkleinern.
Aus der DE-OS 30 42 917 ist eine Regeleinrichtung für das
Signal eines elektromagnetischen Stellwerks bekannt, insbesondere
für eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung.
Diese bekannte Regeleinrichtung umfaßt einen Meßwertaufnehmer
und wenigstens eine Regelstufe, wobei die wenigstens
eine Regelstufe eine vom Aus- und/oder Eingangssignal
beeinflußte nicht lineare Charakteristik besitzt.
Mit Hilfe eines Proportionalreglers kann bei dieser bekannten
Regeleinrichtung ferner bei kleinen Regelabweichungen
eine vergrößerte Verstärkung vorgesehen werden als bei
großen Regelabweichungen.
Aus der DE-OS 29 40 545 ist ein Leerlaufdrehzahlregler
einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge mit einer
Einrichtung zur Gemischbildung bekannt, die eine Dros
selklappe enthält, deren Leerlaufstellung durch einen
Anschlag bestimmt wird. Bei diesem bekannten Leerlauf
drehzahlregler wird eine Drehzahlregelung realisiert,
bei der Regelsignale gespeichert werden, die in einem
nicht linearen Zusammenhang mit der Regelabweichung
(Fehlersignal) stehen und entsprechend der jeweiligen
Regelabweichung aus einem Speicherregister ausgelesen
und weiter verarbeitet werden.
Schließlich ist es auch allgemein bekannt, zur Berech
nung von Regelsignalen Digitalprozessoren zu verwenden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
eine Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Verbren
nungsmotors mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises
der angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß eine
stabilere und schnellere Regelung ohne Auftreten irgend
welcher Unstetigkeiten im Regelverlauf ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich
nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der
Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines
Verbrennungsmotors mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Kennlinie, welche die Kenndaten eines
in Fig. 1 dargestellten Datenprozessors
wiedergibt, und
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Regelprogramms, das
verwendet wird, wenn die in Fig. 1 dargestell
te Einrichtung durch einen Mikrocomputer
ersetzt wird.
In Fig. 1 ist eine Fahrzeuggeschwindigkeit-Steuereinrich
tung dargestellt, bei welcher eine Einrichtung zum Regeln
der Drehzahl mit Merkmalen nach der Erfindung verwendet ist. Die Fahrzeug
geschwindigkeit-Steuereinrichtung 1 steuert die Drehzahl ei
nes Dieselmotors 2, um so die Geschwindigkeit eines (nicht
dargestellten) Fahrzeugs, welches von dem Dieselmotor 2 an
getrieben wird, auf einer Sollgeschwindigkeit zu halten.
Die Einrichtung 1 weist einen Regelkreis auf, welcher die
Stellung einer Steuerzahnstange 3a zum Einstellen der Kraft
stoffmenge, welche von einer Einspritzpumpe 3 dem Diesel
motor 2 zugeführt wird, entsprechend der Größe einer Abwei
chung der Ist- von der Sollfahrzeuggeschwindigkeit steuert,
um die Istgeschwindigkeit auf der Sollgeschwindigkeit zu
halten.
Daten, welche die Sollgeschwindigkeit anzeigen, sind in
einem Speicher 4 gespeichert, und erste Daten D1, welche
die aus dem Speicher 4 gelesene Sollgeschwindigkeit anzeigen,
werden an einen Eingangsanschluß einer eine Abweichung fest
stellenden Schaltung 6 einer Regelschaltung 5 angelegt.
Um die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit jederzeit festzustellen,
ist ein Impulsgenerator 7 zum Erzeugen eines Impulsfolgesi
gnals P vorgesehen, dessen Periode sich entsprechend der
Fahrzeuggeschwindigkeit ändert; das Impulsfolgesignal P
wird an eine zweite Einrichtung in Form eines Fahrzeuggeschwindigkeit-Datengenerators 8
angelegt. Der Generator 8 weist einen Periodendetektor 81
zum Feststellen der Periode des Impulsfolgesignals P und
eine Rechenschaltung 82 zum Berechnen und Erzeugen von
zweiten Daten D2 auf, welche die Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechend dem Ausgang von dem Periodendetektor 81
anzeigen. Die zweiten Daten D2 werden an einen weiteren
Eingangsanschluß der die Abweichung feststellenden Schal
tung 6 angelegt, um ein Abweichungssignal bzw. dritte Daten D3 zu erzeugen, welche
die Abweichung der Ist- von der Soll-Fahrzeuggeschwindig
keit darstellen.
Zum Ändern der Verstärkung der Regelschleife, um die
Fahrzeuggeschwindigkeitsregelung mit einer entsprechenden
Ansprechgeschwindigkeit kontinuierlich durchzuführen, weist
die Regelschaltung 5 einen Datenprozessor 70 auf, in
welchem die dritten Daten D3 gewichtet werden, wie nachste
hend noch beschrieben wird, um ein gewichtetes Abweichungssignal bzw. Ausgangsdaten D4 zu erzeugen.
Um eine Proportional-, Integral- und Differential-Regelung
auf der Basis der Ausgangsdaten D4 zu ermöglichen, werden
die Ausgangsdaten D4 in einer PID-Regelschaltung 12 verar
beitet, und die verarbeiteten Daten D4 werden an einen Steuer
signalgenerator 9 als PID-Regeldaten D5 angelegt. Dann wird
ein Steuersignal CS zum Steuern und Antreiben eins Stell
glieds 10, das mit der Zahnstange 3a verbunden ist, auf der
Basis der Daten D5 erzeugt. Die Zahnstange 3a wird entspre
chend dem Steuersignal CS, das über einen Verstärker 11
an das Stellglied 10 angelegt worden ist, in der Weise
angetrieben, daß die Istfahrzeuggeschwindigkeit der Soll
fahrzeuggeschwindigkeit angenähert wird. Folglich wird die
Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Speicher 4 aus so gesteuert,
daß sie auf der durch die ersten Daten D1 angezeigten Soll
fahrzeuggeschwindigkeit gehalten wird.
Der Datenprozessor 70 weist eine Unterscheidungsschaltung
71 auf, in welcher der Absolutwert |ΔV| der durch die dritten
Daten D3 angezeigten Abweichung mit einem vorbestimmten
Wert V1 verglichen wird. Die Unterscheidungsschaltung 71
erzeugt ein Unterscheidungssignal S, dessen Pegel ein vor
bestimmter niedriger Pegel wird, wenn |ΔV| V1 ist, und
wird ein vorbestimmter hoher Pegel, wenn |ΔV| < V1 ist. Das
Unterscheidungssignal S wird an einen Schalter 72 angelegt,
welcher in einen durch eine ausgezogene Linie dargestell
ten Zustand umgeschaltet wird, wenn der Pegel des Unter
scheidungssignals S niedrig ist, und in den anderen ge
strichelt wiedergegebenen Zustand umgeschaltet wird, wenn
der Pegel des Signals S hoch ist.
Der Datenprozessor 70 weist ferner eine Rechenschaltung 73 auf,
welche auf die dritten Daten D3 anspricht, um einen Wert
K · |ΔV|2 zu berechnen, und eine Absolutwert-Ausgangsschaltung
74 auf, welche auf die dritten Daten D3 anspricht, um Daten
|D3| zu erzeugen, welche den Absolutwert der durch die
Daten D3 dargestellten Abweichung anzeigen.
Die Daten |D3| werden an einen festen Kontakt 72a des Schal
ters 72 angelegt, und Daten D6, welche das in der Rechen
schaltung 73 berechnete Ergebnis wiedergeben, werden an
den anderen festen Kontakt 72b des Schalters 72 angelegt.
Folglich werden die Daten |D3| als die Daten D4 abgeleitet,
wenn |ΔV| V1 ist, während die Daten D6 als die Daten D4
weitergeleitet werden, wenn |ΔV| < V1 ist.
In Fig. 2 ist eine Kurve dargestellt, welche die Beziehung
zwischen der Größe der Daten D4 und der Abweichung ΔV wie
dergibt. Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen,
ist die Größe der Daten D4 proportional der Abweichung ΔV,
wenn |ΔV| V1 ist, und die Größe der Daten D4 nimmt mit
zunehmender Abweichung ΔV schnell zu, wenn |ΔV| < V1 ist.
Folglich kann irgendeine Unstetigkeit in den in Fig. 2 dar
gestellten Regelkenndaten an den Punkten A und B verhin
dert werden, und es können stetige Regelkenndaten erhalten
werden, wenn die Grenzwerte +V1 und -V1 und der Werte der
Konstanten K richtig gewählt sind. Folglich kann die
Drehzahlsteuerung sicher durchgeführt werden, selbst wenn
die Abweichung ΔV bei oder nahe bei den Punkten A oder B
liegt.
Um die PID-Regelschaltung 12 mit Informationen zu versorgen,
ob das Vorzeichen der Abweichung ΔV positiv ist oder nicht,
werden die Daten D3 an die PID-Regelschaltung 12 angelegt.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist der durch die Daten D4
angezeigte Wert gleich |ΔV|, wenn der Absolutwert |ΔV| der
Abweichung nicht größer als V1 ist. Wenn jedoch der Absolut
wert |ΔV| nicht größer als V1 ist
und die Daten D4 gleich K · |ΔV|2 sind, wird die durch
D4 dargestellte, offensichtliche Abweichung größer.
Dies bedeutet, daß, wenn die Abweichung ΔV größer wird, die
Verstärkung der geschlossenen Regelschleife größer wird,
so daß die Regelgeschwindigkeit der Regelschleife größer
wird, wenn die Abweichung ΔV größer wird. Folglich kann
die Fahrzeuggeschwindigkeit der Sollfahrzeuggeschwindigkeit
schnell angenähert werden. Das heißt, die Zeit, die erforder
lich ist, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu stabilisieren,
kann verkürzt werden.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen, wird durch diesen Regelkreis
keine neutrale Zone eingeführt, so daß es natürlich keine
entsprechende Unstetigkeit in der Regelung gibt. Ferner
kann die Regelung über den gesamten Regelbereich stetig
und kontinuierlich durchgeführt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die
in Fig. 2 dargestellte Kennlinie nur ein Beispiel; die Er
findung ist selbstverständlich nicht auf eine Einrichtung
mit dieser Kennlinie beschränkt. Beispielsweise kann der
Regelbereich in Abhängigkeit von der Größe einer Abweichung
ΔV in drei oder mehr Abschnitte unterteilt werden. Darüber
hinaus kann statt der Rechenschaltung 73 oder zusätzlich
zu der Rechenschaltung 73 eine Schaltung verwendet werden,
um die Abweichung ΔV in die dritte, vierte oder eine
höhere Potenz anzuheben, so daß die Verstärkung der
Regelschleife fortlaufend erhöht wird, wenn der Absolut
wert der Abweichung zunimmt.
Obwohl die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie bezüglich der
Ordinate symmetrisch ist, können die Werte +V1 und -V1
so eingestellt werden, daß die charakteristischen Wechsel
stellen A und B sowie die Kennlinie als Ganzes bezüglich
der Ordinate asymmetrisch wird.
Die mittels der Regelschaltung 5 in Fig. 1 durchgeführten Operationen
können statt dessen auch von einem Mikrocomputer durchge
führt werden, wobei dann ein Programm abläuft, wie das,
welches beispielsweise in dem Flußdiagramm in Fig. 3 dar
gestellt ist. Dieses Programm kann beispielsweise zusammen
mit dem Hauptprogramm zum Steuern der Kraftstoffeinspritz
pumpe mittels eines in einer (nicht dargestellten) Haupt
regeleinrichtung eingebauten Mikrocomputers zum elek
tronischen Steuern der Einspritzpumpe 3 durchgeführt werden.
Zuerst wird beim Schritt 21 die Berechnung ΔV = (D1-D2)
auf der Basis der Daten D1 und D2 durchgeführt, und das
Vorzeichen von ΔV wird unterschieden (Schritt 22). Wenn
die Abweichung ΔV positiv oder null ist, wird die Abweichung
ΔV bei Schritt 23 mit V1 verglichen. Daten, welche den Wert
von ΔV darstellen, werden als die Daten D4 ausgegeben, wenn
ΔV < V1 ist, während K · ΔV2 beim Schritt 25 berechnet wird,
und Daten, welche das Rechenergebnis anzeigen, werden als
Daten D4 ausgegeben, wenn ΔV < V1 ist.
Wenn andererseits das Ergebnis der Unterscheidung beim
Schritt 22 "nein" ist, wird der Absolutwert |ΔV| der Ab
weichung ΔV beim Schritt 26 berechnet, und es wird beim
Schritt 27 unterschieden, ob der Wert V1 größer als ΔV
ist oder nicht. Daten, die ΔV wiedergeben, werden
als die
Daten D4 beim Schritt 28 ausgegeben, wenn |ΔV| < V1 ist,
während, wenn |ΔV| < V1 ist, beim Schritt 29 K · ΔV2 berech
net, und das berechnete Ergebnis dann als die Daten
D4 abgegeben wird. In diesem Fall kann der Wert von V1
beim Schritt 23 sich von dem beim Schritt 27 unterscheiden.
Beispielsweise kann ein Wert V2, welcher größer als der
Wert V1 ist, statt des Werts V1 beim Schritt 23 verwendet
werden. Wenn der Wert der Daten D4 so, wie vorstehend
beschrieben, eingestellt wird, wird der Schritt 30 durch
geführt; es wird eine Datenverarbeitung für eine PID-
Regelung an den Daten D4 bewirkt, und die Stellgröße
wird beim Schritt 31 berechnet.
Claims (3)
1. Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Verbrennungs
motors mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises mit einer
ersten Einrichtung (4) zum Erzeugen erster Daten (D1), welche
eine Soll-Drehzahl anzeigen, mit einer zweiten Einrichtung
(8) zum Erzeugen zweiter Daten (D2), welche jeden Augenblick
die Ist-Drehzahl anzeigen, mit einer eine Abweichung feststellenden
Einrichtung (6), welche auf die ersten (D1) und
auf die zweiten Daten (D2) anspricht, um eine Größe einer Abweichung
(ΔV) der Ist-Drehzahl von der Soll-Drehzahl festzustellen
und um ein der Abweichung (ΔV) entsprechendes Abweichungssignal
(D3) abzugeben, mit einem Datenprozessor (70),
um das Abweichungssignal (D3) zu wichten, und mit einer PID-
Regelschaltung (12) mit konstanter Regelverstärkung, wobei
die Einrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit eines vom Verbrennungsmotor
angetriebenen Fahrzeuges dient, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) der Absolutwert (|D3|) des Abweichungssignals nach wenigstens zwei Wichtungscharakteristiken (D4 < |V1|; D4 < |V1|) gewichtet wird;
- b) diese Wichtung in einem Datenprozessor (70) erfolgt, der
- b1) eine Unterscheidungsschaltung (71) enthält, welche ab hängig von der Größe des Absolutwertes (|ΔV|) des Abweichungssignals (D3) die Wichtungscharakteristik (D4 < |V1|; D4 < |V1|) auswählt,
- b2) eine Absolutwert-Ausgangsschaltung (74) für die eine Wichtungscharakteristik (D4 < |V1|) und
- b3) eine Rechenschaltung (73) für die andere Wichtungs charakteristik (D4 < |V1|) enthält,
- c) daß der PID-Regelschaltung (12) das gewichtete Abwei chungssignal (D4) zugeführt wird und
- d) daß der PID-Regelschaltung (12) das ungewichtete Ab weichungssignal (D3) zur Bestimmung der Regelrichtung zugeführt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die andere Wichtungscharakteristik
(D4 < |V1|) eine quadratische Funktion (K) · |ΔV|2 der Abwei
chung (ΔV) ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Unterscheidungsschal
tung (71) einen Schalter (72) zur Auswahl der Wichtungs
charakteristik (D4 < |V1|; D4 < |V1|) aufweist.
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