DE3605117A1 - Vorrichtung zur regelung der fahrzeuggeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur
Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Vorrichtung,
mittels der eine konstante Geschwindigkeit mit minimalem Kraftstoffverbrauch eingehalten wird, wobei die Regelung entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich eines zu regelnden Objekts durchgeführt wird, und wobei das zu regelnde Objekt die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs und den Kraftübertragungsmechanismus bzw. das Getriebe umfaßt.

Bei bekannten Geschwindigkeitsregelvorrichtungen für
Fahrzeuge, wie Automobile, wird die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung erfaßt und dann der Öffnungsgrad der
Drosselklappe einer Brennstoffkraftmaschine des Fahrzeugs derart geregelt, daß die Abweichung der erfaßten Fahr-

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zeuggeschwindigkeit von einer voreingestellten konstanten Geschwindigkeit zu null wird. Eine derartige Regelvorrichtung ist beispielsweise aus der japanischen Patentveröffentlichung 59-33874 und ebenfalls aus einer Nachanmeldung hiervon der US-PS 4 047 506 bekannt.

Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es wünschenswert, daß die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs nicht von der konstanten Geschwindigkeit abweicht, und daß mögliche Abweichungen unterdrückt werden. Des weiteren ist es wünschenswert, daß der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine so klein als möglich gemacht wird.

Be'i der bekannten Regelvorrichtung für die Fahrzeuggeschwindigkeit wird jedoch die Regelung der Kraftstoffmenge unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit durch das Justieren der Drosselklappe bewirkt, und daher treten zwischen diesen beiden Regelsystemen Interferenzen bzw. gegenseitige Beeinflussungen auf, wenn man die Ansprechcharakteristik bzw. das Regelverhalten verbessern möchte. Insbesondere wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit absinkt, ' die Drosselklappe geöffnet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen und dann wird die zugeführte Luftmenge erhöht, um die Kraftstoffzufuhr zu erhöhen. Folglich wird die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht. Inszwischen regelt das Regelsystem für den Kraftstoff die Kraftstoffzufuhr, um den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Folglich wird die Leistung des Motors verringert, was wiederum zu einer verringerten Fahrzeuggeschwindigkeit führt. In dieser Weise werden die oben erwähnten Regelschritte wiederholt durchgeführt, was zu einem Schwingen des Systems führt. Folglich variiert die Fahrzeuggeschwindigkeit um den gegebenen Sollwert.

Bei dieser bekannten Regelvorrichtung für die Fahrzeuggeschwindigkeit ist die Ansprech- bzw. Regelcharakteri-

18.02.1986 · 7- 'ξ ^K&Ws 4βϊ?00=156°3°~θΓ

stik des Regelsystems nicht befriedigend, da das Regelsystem nicht auf dynamischen Charakteristika bzw. dynamischen Parametern, wie beispielsweise der tragen Masse, basiert. Wenn ein Fahrzeug auf einer bergigen Straße mit Steigungen und Gefälle gefahren wird? variiert die Fahrzeuggeschwindigkeit drastisch.

A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemaß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mittels der unter Verwendung der sogenannten modernen Regelungstheorie die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen konstanten Geschwindigkeitswert geregelt wird, wobei die sugeführte Luftmenge einen minimalen Kraftstoffverbrauch verursacht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanxsmus als ein geregeltes Objekt geschaffen, das folgendes aufweist: eine Detektorvorrichtung für die Zufuhrluftmenge zum Erzeugen eines Luftzufuhrsignals, das kennzeichnend für den der Brennkraftmaschine zugeführten Luftstrom ist, eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung zum Erzeugen eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals? kennzeichnend für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs _v eine Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung über die Luft und Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt werden, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung des Luftstroms und/oder der der Brennkraftmaschine züge-

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K&W:;16MDQ155^-01

führten Kraftstoffmenge geregelt wird, eine Sollgeschwindigkeitseinstellvorrichtung zum Einstellen einer konstanten Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit entsprechend dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein Reisemodus ausgewählt ist, einer Sollwerteinstellvorrichtung für die Zufuhrluftmenge zum Einstellen einer Luftzufuhr entsprechend einem minimalen Kraftstoffverbrauch, der es ermöglicht, daß eine konstante Reisegeschwindigkeit auf der Basis eines Korrelationsmusters zwischen der Kraftstoffmenge und der Luftzufuhr, das entsprechend der konstanten Sollgeschwindigkeit voreingestellt wird, beibehalten wird und einen optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil (integral-added optimal regulator) zum Bestimmen der konstanten SoIl- bzw. Reisegeschwindigkeit aufgrund der Sollzufuhrluftmenge, und von Reglereingangs- bzw. Reglerausgangswerten des geregelten Objekts, von einem Rückkopplungsbetrag bzw. von Rückkopplungsbeträgen zu der Regelgröße bzw. zu den Regelgrößen der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung auf der Basis einer Arbeitsgleichung bzw. auf der Basis von Arbeitsgleichungen, die zur Abschätzung des inneren Zustands des geregelten Objekts verwendet werden, und die entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich des geregelten Objekts im voraus festgelegt werden, und auch auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten, wobei der optimale Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil dann eines oder mehrere Reglersignale auf der Basis des festgelegten Rückkopplungsbetrag bzw. der festgelegten Rückkopplungsbeträge an die Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung ausgibt.

17.02.1986 ··»· '; 'KSWs ;l@WD01563^Ql.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das unerwünschte Schwingen bzw» Oszillieren der Fahrzeuggeschwindigkeit effektiv verhindert wird, während die Ansprech- bzw. Regelcharakteristik verbessert wird, und die Variationen der Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen vernachlässigbar kleinen Wert vermindert werden, selbst wenn ein Kraftfahrzeug auf hügeligen Straßen gefahren wird. Diese Vorteile ergeben sich aufgrund der Anwendung der Mehrvariablenregelung (multi-variable feedback control) gemäß der modernen Regelungstheorie.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein minimaler Kraftstoffverbrauch gewährleistet ist, unabhängig davon, ob dauernde Abweichungen oder Variationen der Abmessungen des Motors oder der zugehörigen Peripheriegeräte vorhanden sind, da der minimale Kraftstoffverbrauch mittels einer lernenden Logik gefunden wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Sollzufuhrluftmenge auf einen Wert festgelegt wird, der die zugeführte Kraftstoffmenge auf der Basis einer Korrelation zwischen der zugeführten Luftmenge und der zugeführten Kraftstoffmenge minimiert, wenn die Fahrgeschwindigkeit konstant gemacht wird«, Die Regelvorrichtung ist als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil (integral-added optimal regulator) ausgebildet, der den Rückkopplungsbetrag auf der Basis optimaler Reglerkoeffizienten (optimal feedback gain) bestimmt, die entsprechend einem dynamischen Modell des Systems bezüglich der Funktion eines zn regelnden Objekts unter Einschluß der Brennkraftmaschine vorbestimmt worden sind.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

17.02.1986 ^IV -.. K£W: 1651001563-01/

W l Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie- = genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Diagramm der grundlegenden Struktur der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm, das den

Zusammenhang zwischen der Kraftstoffmenge und der zugeführten Luftmenge während der Fahrt des Automobiles zeigt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine und der zugehörigen Peripheriegeräte als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm des Regelsystems der Ausführungsform gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockdiagramm, das zur Identifizierung eines Modells des Systems der Ausführungsform von Figs. 3 und 4 verwendet wird,

Fig. 6 ein Signalflußdiagramm, das zur Aufstellung der Übertragungsfunktion verwendet wird,

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Regelung mittels eines

optimalen Zustandsreglers mit zusätzlichem Integralteil gemäß der beschriebenen Ausführungsform,

Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Regelungsablaufs zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs, und

• Λπ · · ·.

17.02.1986 '" ; SSW:

Fig. 9 einen Graphen, der die Regelcharakteristik der beschriebenen Ausführungsform zeigt.

In der nachfolgen Beschreibung werden gleiche oder entsprechende Teile und Elemente durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet»

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der grundlegenden Struktur der vorliegenden Erfindung. Das zu regelnde Objekt ist eine Brennkraftmaschine und ein Kraftübertragungsmechanismus eines Fahrzeugmotors. Das geregelte Objekt wird mit dem Bezugszeichen Ml bezeichnet und eine Drosselklappe M3 des Motors spricht auf eine Drosselklappenbetätigungsvorrichtung M4 an_f die wiederum auf ein Signal θ aus einem optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil MlO anspricht, der später beschrieben wird. Das geregelte Objekt Ml ist mit einer oder mehreren Einspritzdüsen M2, einem Zufuhrluftmengenmesser bzw. einer Zufuhrluftmengenmeßvorrichtung M5, einer Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung M6 und einer Hilfsdetektorvorrichtung M7 ausgerüstet. Die Kombination der Einspritzdüse M2, der Drosselklappe M3 und der Drosselklappenbetätigunysvorrichtung M4 wird nachfolgend als Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung MIl bezeichnet. Das Regelungssystem gemäß Fig« I umfaßt des weiteren eine Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge und eine Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung M8. Die verschiedenen genannten Bauteile und Vorrichtungen sind miteinander verbunden und bilden eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei diese Vorrichtung folgendes aufweist: die Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung MIl, durch die Luft und Kraftstoff der Brennkraftmaschine des geregelten Objekts Ml zugeführt werden„ der Zufuhrluftmengenmeßvorrichtung M5, der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung M6 und der Hilfsdetektorvorrichtung M7,

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Einstellung

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wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung der zugeführten Luftmenge und/oder der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge geregelt wird, eine Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung M8 zum Einstellen einer konstanten Fahrgeschwindigkeit entsprechend einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein Fahrmodus festgelegt ist, eine Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge, die einer minimalen Kraftstoffmenge entspricht, mittels der die Reisegeschwindgikeit bzw. Fahrgeschwindigkeit auf der Basis eines Korrelationsmusters, das entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit vorbestimmt wird, zwischen der Kraftstoffmenge und der zugeführten Luftmenge aufrechterhalten wird, einen optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil MlO (integral-added optimal regulator) zum Festlegen des Rückkopplungsbetrags bzw. der Rückkopplungsbeträge der Regelgröße bzw. der Regelgrößen auf der Basis einer Bestimmungsgleichung bzw. Bestimmungsgleichungen (operating equation), die zur Abschätzung des inneren Zustands des geregelten Objekts Ml verwendet werden, die entsprechend einem dynamischen Modell des Systems bezüglich des geregelten Objekts Ml vorbestimmt sind, und optimaler Reglerkoeffizienten (optimal feedback gain) durch Empfang der Sollzufuhrluftmenge, der Fahrgeschwindigkeit und der Führungsgröße(n) des geregelten Objekts Ml, und zur Ausgabe von einem oder mehreren Regelsignalen basierend auf dem festgelegten Rückkopplungsbetrag, bzw. Rückkopplungsbeträgen zu der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung MIl.

Die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge ist zur Einstellung einer Zufuhrluftmenge ausgelegt, die die zugeführte Kraftstoffmenge bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit folgendermaßen minimiert:

17.02.1986 " **' *· ffl: >

Fig. 2 zeigt ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm, durch das die Beziehung zwischen zugeführten Kraftstoffmenge FR und der zugeführten Luftmenge AR während der Fahrt eines Automobiles darstellt. Es sei angenommen, daß ein Kraftfahrzeug sich gemäß einem Punkt "b" bewegt, wobei die
zugeführte Luftmenge Ab und die zugeführte Kraftstoffmenge Fb ist. Es versteht sich, daß die vorherige Geschwindigkeit beibehalten wird, selbst wenn die zugeführte Luftmenge um ΔΑο erhöht und die zugeführte Kraftstoffmenge um 4Fo verringert wird, so daß die zugeführte Kraftstoffmenge FR minimal wird. (Siehe Punkt "a", definiert durch Aa und Fa). Während die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge zur Festlegung
der zugeführten Luftmenge ausgelegt ist, die eine mini-

male Kraftstoffmenge FR bei einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit SPDG ermöglicht, wird die Vorrichtung M9 gemäß der folgenden elektronischen Regelvorrichtung geregelt.

Die elektronische Regelvorrichtung umfaßt einen Mikroprozessor MPU und Speichervorrichtungen in Form von ROMs und RAMs und periphere Bauteile, darunter Eingabe/Ausgabe-Bauteile. Der Mikroprozessor dient zur Durchführung
der Regelung, so daß der Fahrzustand des Fahrzeugs sich

einem Sollzustand annähert, wobei ein durch die Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung M8 eingestellter Sollwert und Variable des geregelten Objekts verwendet
werden, wobei ein Rückkopplungsbetrag verwendet wird, der durch optimale Regelerkoeffizienten festgelegt wird, die wiederum mittels eines dynamischen Modells eines Systems bezüglich des Primärantriebs (prime mover) des Fahrzeugs und dem Kraftübertragungsmechanismus des Fahrzeugs festgelegt sind. Hierfür umfaßt die elektronische Regelvorrichtung einen optimalen Zustandsregler MIO mit zusätz-

lichem Integralteil, der optimale Reglerkoeffizienten unter Verwendung einer Sollzufuhrluftraenge, die durch die

. A.

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Sollwerteinstellvorrichtung für die zugeführte Luftmenge M9 eingestellt worden ist, und der bzw. den Variablen des geregelten Objekts Ml festlegt.

Ein Verfahren zum Aufbau eines derartigen optimierten Zustandsreglers mit zusätzlichem Integralteil ist im Detail, beispielsweise in dem Buch "Linear System Control Theory" von Katsuhisa Furuta, Verlag Shokodo Japan, 1976, beschrieben. Eine Übersicht über dieses Verfahren zur ^o Bildung eines solchen Reglers wird nachfolgend gegeben: In der folgenden Beschreibung bezeichnen die Bezugszeichen F, X, A, j3, C, y, u, L, G, Q, R, T, P Vektoren bzw.

T T Matrizen. Ein hochgestelltes , z.B. A , bezeichnet eine

transponierte Matrix. Mit einem hochgestellten , z.B.

A bezeichnet man eine inverse Matrix. Ein Symbol *"* , z.B. X bezeichnet einen Schätzwert bzw. eine Näherung. Ein Symbol ""* , z.B. C bezeichnet einen durch ein anderes System behandelten Betrag, d.h. einen Zustandsbeobachter (state observer), der nachfolgend nur noch als Beobachter (observer) bezeichnet wird, wobei dieser Betrag durch Transformation oder ähnliches von dem System erzeugt wird, das ein geregeltes Objekt darstellt. Ein Symbol, "*", z.B. y*, bezeichnet einen Sollwert bzw. eine Sollgröße.

In der modernen Regelungstheorie ist es bekannt, daß bei der Regelung eines zu regelnden Objekts, d.h. in diesem Fall der Brennkraftmaschine und dem Kraftübertragungsmechanismus, das dynamische Verhalten des geregelten Objekts in einem diskreten Zeitsystem wie folgt beschrieben wird:

X (k) = A · X (k-1) + B · u (k-1) ... (1) y (k) = C · X (k) ... (2)

17.02.1986 ;

Die Gleichung 1 wird Zustandsgieichung und die Gleichung (2) wird Ausgangsgleichung genannt. Der Ausdruck X (k) bezeichnet die Zustandsvariablen, die den inneren Zustand des geregelten Objekts Ml darstellen. Der Term η (k) bezeichnet Vektoren, die Variablen umfassen, die kennzeichnend für die Führungsgröße (Reglereingang) des geregelten Objekts Ml sind. Der Term y (k) bezeichnet Vektoren, die Variablen umfassen, die den Reglerausgangs des zu regelnden Objekts Ml darstellen. Die Gleichungen (1) und (2) sind jeweils in einem diskreten Zeitsystem beschrieben und die Laufvariable "k" bezeichnet den Wert zum jetzigen Zeitpunkt, während die Laufvariable "k-1" den Wert zu einem Zeitpunkt bezeichnet, der einen Abtastzyklus vor dem jetzigen Zeitpunkt liegt_β

Die Zustandsvariablen X (k), die die internen Zustände des geregelten Objekts Ml kennzeichnen, stellen Informationen die Systemgeschichte betreffend dar, die notwendig und hinreichend zur Voraussage der zukünftigen Entwicklung des Regelungssystems sind. Damit wird das dynamische Modell des System, die Betriebsweise des geregelten Objekts Ml betreffend, deutlich, und wenn wir die Vektoren bzw. Matrizen A, B und C der Gleichungen (1) und (2) festlegen, ist es möglich, das zu regelnde bzw_o das geregelte Objekt unter Verwendung der Zustandsvariablen X (k) optimal zu regeln. Ein derartiges Regelsystem muß erweitert und entwickelt werden, was nachfolgend beschrieben wird.

Es ist schwierig, von so einem komplexen Objekt, wie das geregelte Objekt Ml mit einer Brennkraftmaschine, theoretisch ein genaues dynamisches Modell zu erstellen, und es ist daher notwendig, dieses durch Experimente zu finden. Es wird ein Verfahren zur Erstellung eines solchen Modells vorgestellt, das Systemidentifikation genannt wird, wobei das geregelte Objekt Ml unter einem gegebenen

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Zustand betrieben wird, wird das Modell entsprechend der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) konstruiert, mit denen eine lineare Näherung des gegebenen Zustands durchgeführt wird. Daher kann, obwohl das dynamische Modell bezüglich der Betriebsweise für den Fall des geregelten Objekts Ml mit einer Brennkraftmaschine nicht-linear ist, eine lineare Näherung durch Aufteilung in eine Mehrzahl von normalen Betriebszuständen durchgeführt werden, und es ist daher möglich, jedes dieser dynamischen Modelle festzulegen.

Falls das zu regelnde Objekt von der Art ist, von dem vergleichsweise leicht ein physikalisches Modell aufgestellt werden kann, kann das Modell, d.h. die Matrizen A, B und C des dynamischen Systems durch Systemidentifikation festgelegt werden, was wiederum mittels eines Verfahrens, wie z.B. in dem Frequenzgangverfahren oder der Spektralanalyse bzw. Schwingungsanalyse durchgeführt werden kann. Für den Fall eines geregelten Objekts in Form eines mehrvariabligen Systems, wie der Brennkraftmaschine, ist es jedoch schwierig, ein derartiges physikalisches Modell aufzustellen, das genau approximiert wird, und in einem solchen Fall wird das dynamische Modell mittels dem Verfahren der kleinsten Quadrate (least square method) dem Verfahren mit instrumentellen Variablen (instrumental variable method) oder der On-Line-Identifikation erzeugt.

Ist einmal ein dynamisches Modell festgelegt, wird der Betrag der Rückkopplung aus den Zustandsvariablen X (k) den Reglerausgängen y (k) und den zugehörigen Sollwerten y (k) festgelegt, so daß die Führungsgröße u (k) theoretisch und optimal festgelegt wird. In einem System mit einer Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanismus können die Variablen, die die Funktion bzw. die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine direkt beeinflussen,

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wie die tatsächlich angesaugte Luftmenge und das dynamische Verhalten der Verbrennung, oder die Menge des Kraftstoffs in dem Verbrennungsgemisch, dem Ausgangsdrehmoment der Brennkraftmaschine, etc. als Zustandsvariable X (k) behandelt werden. Die meisten dieser Variablen sind jedoch nur schwer direkt zu messen, Deshalb ist in der elektronischen Regeleinheit eine Vorrichtung, ein sogenannter Zustandsbeobachter bzw. Beobachter vorgesehen, mit dem es möglich ist, die Zustandsvariablen des Systems unter Verwendung der Führungsgrößen bzw» Reglereingänge und der Reglerausgänge des Systems abzuschätzen. Dies ist der sogenannte Beobachter der modernen Regelungstheorie und es sind verschiedene Arten von Beobachte'rn und verschiedene Arten zu deren Festlegung bekannt.

Dies ist im Detail beispielsweise in der Veröffentlichung "Mechanical System Control" von Katsuhisa Furuta, Verlag Ohm Co. Ltd., 1984, beschrieben und der Beobachter kann als ein Beobachter minimaler Ordnung (minimal order observer) oder als ein in endlicher Zeit ausregelnder Beobachter (finite time settling observer) entsprechend der Art des zu regelnden Objekts ausgestaltet werden, d.h. in diesem Fall entsprechend einem System, dessen Hauptbestandteile die Brennkraftmaschine und der Kraftübertragungsmechanismus sind.

Die elektronische Regeleinheit steuert die Einspritzdüsen M2 und die Drosselklappenbetätigungsvorrichtung M4 in einem erweiterten System unter Verwendung gemessener Zustandsvariablen oder unter Verwendung von Zustandsvariablen X (k), die mittels des oben erwähnten Beobachters abgeschätzt worden sind, und einem akkumulierten Wert, der durch Akkumulierung der Differenzen zwischen einer Sollzufuhrluftmenge, die durch die Sollwerteinstellerrichtung für die zugeführte Luftmenge M9 eingestellt worden ist, und einer aktuell zugeführten Luftmenge erhalten worden ist, und auch einem akkumulierten Wert

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der Differenzen zwischen der durch die Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung M8 eingestellten Fahrzeuggeschwindigkeit und der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit, indem ein optimaler Rückkopplungsbetrag aus diesen beiden Werten und aus vorbestimmten optimalen Reglerkoeffizienten gebildet wird. Diese akkumulierten Werte sind notwendig, da die Sollwerte der Betriebszustände in Abhängigkeit der Anforderungen des geregelten Objekts Ml variieren. Bei der Regelung eines Servo- bzw. Regelungssystems wird im allgemeinen verlangt eine Regelung zur Eliminierung der bleibenden Regelabweichung zwischen dem Sollwert und einer aktuellen Regelgröße durchzuführen, und dies entspricht der Notwendigkeit der Berücksichtigung von l/S (Integration der £. Ordnung in einer Übertragungsfunktion. Für den Fall, daß eine Zustandsgleichung mit der übertragungsfunktion des Systems erstellt wird, welches mittels Systemidentifikation, wie oben beschrieben, bestimmt wird, ist es vorteilhaft, einen solchen integrierten Betrag im Hinblick auf die Stabilität gegenüber Rauschen einzuschließen. In der vorliegenden Erfindung gilt /C=I, d. h. es wird die Integration erster Ordnung berücksichtigt. Wenn daher der akkumulierte Wert zur Erweiterung des Systems in die oben genannte Zustandsvariable X (k) eingeführt wird, um einen Rückkopplungsbetrag aus diesen Werten und vorbestimmten optimalen Reglerkoeffizienten F festzulegen, werden die Reglereingänge des zu regelnden Objekts als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil festgelegt.

Als nächstes wird der Zusammenhang mit den optimalen Reglerkoeffizienten beschrieben. In einem optimalen bzw. angepaßten Regler, dem, wie oben beschrieben, ein integrales Element angefügt wird, wird der Weg zum Auffinden einer Führungsgröße, die einen Leistungsindex bzw. ein Gütekriterium J minimiert, klar gemacht, während auch bekannt ist, daß die optimalen Reglerkoeffizienten auch

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aus einer Lösung der Riccati-Gleichung, den Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) und den für das Gütekriterium verwendeten Wichtungsparametern (siehe oben erwähntes Buch) abgeleitet werden können. Hierzu werden die Wichtungsparameter anfänglich willkürlich festgelegt, um die Wichtung bei der Regelung, durch das Gütekriterium J, des Verhaltens der Brennkraftmaschine usw. zu verändern. Es ist möglich, einen optimalen Wert durch Wiederholung der Simulation durch Änderung der Wichtungsparameter um einen gegebenen Betrag aus dem Verhalten der Betriebszustandvariablen festzulegen, der sich als Ergebnis einer Simulation ergibt, die mit einem großen Computer und einem willkürlich vorgegebenen Wichtungsparameter durchgeführt wird» Als Ergebnis werden auch optimale Reglerkoeffizienten F festgelegt.

Deshalb ist die elektronische Regeleinheit in der Vorrichtung zur Regelung einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung als ein optimaler Zustandsregler niit zusätzlichem Integralteil ausgebildet, wobei ein dynamisches Modell der Brennkraftmaschine usw. verwendet wird, das vorhergehend durch Systemidentifikation festgelegt wird und die Parameter des darin enthaltenen Beobachters und optimale Reglerkoeffizienten F usw. werden vorausgehend durch Simulation unter Verwendung der Brennkraftmaschine und des Kraftübertragungsmechanismus festgelegt.

Es ist erläutert worden, daß die Zustandsvariablen X(k) den inneren Zustand der Brennkraftmaschine usw_o kennzeichnende Größen sind, es ist jedoch nicht notwendig, daß diese Variablen einer tatsächlichen physikalischen Größe entsprechen und sie können deshalb als ein Vektor mit einer passenden Ordnung festgelegt werden» 35

17.02.1986 * . KSW :_c 1'6ND 01563;-OiL '

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Die Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung mit der oben beschriebenen Struktur funktioniert so, daß die zugeführte Luftmenge entsprechend einer minialen Kraftstoffmenge, mittels der eine konstante Reisegeschwindigkeit beibehalten werden kann, durch die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge festgelegt wird, und die Brennkraftmaschine arbeitet mit dieser zugeführten Luftmenge und dieser minimalen Kraftstoffmenge. Folglich wird erwartet, daß die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf eine konstante Geschwindigkeit mit minimalem Kraftstoffverbrauch geregelt wird. Da des weiteren die Regelvorrichtung auf der Basis der modernen Regelungstheorie konstruiert worden ist, wird auch erwartet, daß die Abweichungen der Fahrzeuggeschwindigkeit von der konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit während des Fahrens auf einen sehr kleinen Wert gedrückt werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben. Fig. 3 ist ein schematisches strukturelles Diagramm, das die Brennkraftmaschine und die zugehörigen peripheren Bauteile zeigt, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden. Fig. 4 ist ein Diagramm des Regelungssystems, das ein Regelungsmodell eines Systems zeigt, bei dem die Betriebs- bzw. Arbeitszustände der Brennkraftmaschine geregelt werden. Die Figs. 5 und 6 sind Blockdiagramme zur Beschreibung der Systemidentifikation. Die Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel einer Regelung zeigt, die durch eine elektronische Regeleinheit durchgeführt wird. Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel der Regelung zur Bestimmung der zugeführten Luftmenge zeigt, bei der der Kraftstoffverbrauch minimal wird. Diese Zeichnungen werden in der genannten Reihenfolge nachfolgend beschrieben.

17.02.1986 '

Fig. 3 zeigt einen Vierzylinder-Viertakt-Ottomotor bzw. -Brennkraftmaschine 1 in Verbindung mit einem einzigen Zylinder und in der Reihenfolge von dem stromaufwärts liegenden Teil mit einem nicht dargestellten Luftfilter, einem Luftmengenmesser 3 zur Messung der zugeführten Luftmenge AR, einem Zufuhrluft-Temperatursensor 5 zum Erfassen der Temperatur Tha der zugeführten Luft, einer Drosselklappe 7 zur Regelung der zugeführten Luftmenge, einem Ausgleichsbehälter 9 und elektromagnetischen Einspritzdüsen 11. Die Auspuffgase der Brennkraftmaschine werden über einen Auspuff 14 mit einem nicht dargestellten Abgasreiniger, Schalldämpfer usw. nach außen abgeführt. Eine Verbrennungskammer bzw. ein Zylinder weist einen Kolben 15, ein Einlaßventil 17, ein Auslaßventil 19, eine Zündkerze 21 usw. auf. Diese Teile werden jedoch nicht beschrieben, da deren Funktion bekannt ist. In die Zündkerze 21, die zur Erzeugung einer Entladung mittels einer von einer Zündspule 24 über einen Verteiler 25 zugeführten Hochspannung ausgelegt ist, ist ein Halbleiterdrucksensor 27 eingebaut, um den Verbrennungsdruck, d.h. die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine bzw. das Ausgangsdrehmoment T zu erfassen.

Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine 1 einen Kühlflüssigkeitstemperatursensor 29 zum Erfassen der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit, einen in den Verteiler eingebauten Drehzahlsensor 31 zur Ausgabe eines Impulssignals mit einer Frequenz, die der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 entspricht, einen Zylinderbestimmungssensor 33 zur Ausgabe eines Einzelimpulses für jede Umdrehung (720 Kröpfwinkel(crank angle)) der Brennkraftmaschine 1 auf. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 7 wird mittels einer Drosselklappenbetätigungsvorrichtung 35 gesteuert, dessen Primärantrieb ein Gleichstrommotor ist Das Bezugszeichen 37 bezeichnet in Fig. 3 einen Gaspedalsensor zum Erfassen des Öffnungsgrades bzw. des Betätigungsgrades Acc eines Gaspedals 38.

17.02.1986 ^ΛΛ , Κ&Ή: 16Nt)OxS 65-01 _:.

Bei der Brennkraftmaschine 1 mit zugehörigen peripheren Geräten, die den erwähnten Aufbau aufweisen, werden die Kraftstoffeinspritzmenge FR, der Öffnungsgrad der Drosselklappe θ usw. durch einen elektronischen Regelschaltkreis 40 geregelt. Der elektronische Regelschaltkreis 40 wird aus einer Batterie 43 über einen Zündschalter 41 mit elektrischer Energie versorgt und umfaßt einen herkömmlichen Mikroprozessor bzw. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPÜ) 44, ein ROM 45, ein RAM 46, ein Sicherungs-RAM 47 (Backup-RAM), ein Eingabebauteil 49, ein Ausgabebäuteil 51 usw., wobei die genannten Bauteile und Bauelemente über einen Bus 53 miteinander verbunden sind.

Das Eingabebauteil 49 des elektronischen Regelschaltkreises 40 empfängt aus entsprechenden Sensoren Signale, die kennzeichnend für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und dem eigenen Betriebszustand sind. Insbesondere umfaßt er nicht dargestellte Eingabeeinheiten ^zum Empfang von Signalen aus einer Luftmengenmeßvorrichtung 3, kennzeichnend für die zugeführte Luftmenge AR für die Temperatur Tha der zugeführten Luft aus dem Zufuhrluft-Temperatursensor 5, für die Fahrzeuggeschwindigkeit aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 55, für die Kühlflüssigkeitstemperatur Thw aus dem Kühlflüssigkeitssensor 29, für die Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 aus dem Drehzahlsensor 31, für die Zylinderbestimmung aus dem Zylinderbestimmungssensor 33 und ein Signal aus einem Setzschalter 56 zum Festlegen, ob der Reisemodus angewählt ist oder nicht.

Das Ausgabebauteil 51 gibt Regelsignale aus, um über die Drosselklappenbetätigungsvorrichtung 35 den Öffnungsgrad θ der Drosselklappe 7, die Kraftstoffeinspritzmenge FR durch Öffnen und Schließen der Kraftstoffeinspritzdüsen

18.02.1986 . «23· K«f:«l6ND015jff3«-Ol·

ündspule

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! bzw. -ventile 11 und den Zündzeitpunkt über die Zündspule 24 zu steuern. Die Regelung durch den Mikroprozessor des elektronischen Regelschaltkreises 40 wird später im Detail anhand der Flußdiagramme der Figuren 6 und 7 beschrieben.

Nun wird das Regelungssystem des elektronischen Regelschaltkreises 40 anhand des Funktionsblockdiagramms von Fig. 4 beschrieben und insbesondere wird das Auffinden

C der Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) mittels Systemidentifikation und auch das Verfahren zum Auffinden des Beobachters und der Reglerkoeffizienten F, die darauf basieren, anhand von konkreten Beispielen beschrieben. Fig.

g 4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das nicht einen konstruktiven Aufbau zeigt. Das in Fig. 4 gezeigte Regelungssystem wird in der Praxis durch Ausführung einer Reihe von in dem Flußdiagramm in Fig. 6 gezeigten Programmen auf der Basis eines diskreten Zeitsystems reali ^siert·

In Fig. 4 ist eine konstante Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit SPD* eine Fahrzeuggeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, in dem der Setzschalter 56 ausgeschaltet wird, und diese Geschwindigkeit wird in einer Einstellvorrichtung für die Reisegeschwindigkeit Pl eingespeichert. Eine Sollzufuhrluftmenge AR* wird durch eine Sollwerteinstellvorrichtung für die zugeführte Luftmenge P2 als ein Wert eingestellt, der einen minimalen Kraftstoffverbrauch bewirkt. Das Verfahren hierzu wird später im Detail anhand von Fig. 8 beschrieben, wobei die kon-

stante Reisegeschwindigkeit SPD , eine aktuelle erfaßte Reisegeschwindigkeit SPD und eine Kraftstoffeinspritzmenge FR verwendet wird. Ein erster Integrator P3 wird zur Erzeugung eines akkumulierten Wertes ZSPD(k) durch

18.02.1986 ⁰^ KSWi.I6NK>03.563-01..-

Akkumulierung der Abweichungen SSPD der aktuellen Reisegeschwindigkeit von der konstaten Reisegeschwindigkeit SPD verwendet, während ein zweiter Integrator P4 zur Erzeugung eines akkumulierten Wertes ZAR (k) durch Akkumulierung der Abweichungen SAR der aktuellen zugeführten Luftmenge AR von der Sol!zufuhrluftmenge AR verwendet wird.

Das Bezugszeichen P5 bezeichnet eine Störungsextrahiervorrichtung, die von verschiedenen Werten (ARa, Na) Störungskomponenten unter Gleichgewichtsbedingungen in Verbindung mit der zugeführten Luftmenge AR und der Drehzahl N extrahiert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das dynamische Modell, das einen weiten Bereich des kontrollierten Objekts Ml erfaßt, durch Bilden linearer dynamischer Modelle in Verbindung mit einer Vielzahl von Betriebszuständen konstruiert wird, indem der Zustand der Brennkraftmaschine 1 als die Abfolge einer Vielzahl solcher Gleichgewichtszustände aufgefaßt wird, um eine line^are Approximation eines nicht-linearen Systems durchzuführen. Deshalb werden die Variablen (AR, SPD) des geregelten Objekts Ml als Störungsterme /AR (= AR - ARa), /SPD (= SPD - SPDa) relativ zu einem vorbestimmten nächstkommenden Arbeitspunkt behandelt. Die Führungsgröße zu dem geregelten Objekt Ml, d.h. der Öffnungsgrad 0 der Drosselklappe, eine Regelgröße, die sich auf die Kraftstoff einspritzmenge FR bezieht, die durch die oben erwähnten Integratoren P3 und P4, den Beobachter P6 und das Bestimmungsbauteil P7 für den Rückkopplungsbetrag erzeugt werden, werden ebenfalls als Störungskomponenten /θ und /fr behandelt.

Der Beobachter P6 erzeugt abgeschätzte Zustandsvariable X (k)durch Abschätzung der Zustandsvariablen X (k), die den inneren Zustand des geregelten Objekts darstellen, wobei die Störungsterme /θ und /fr der Führungsgröße und die Störungsterme cTaR und efsPD der Regler ausgabe verwendet

17.02.1986 * ΚΑ*:ΜόΝΠ0Ι3·633-01..-:..

²¹ "' " "*3605Ϊ'17 werden, und die abgeschätzten Zustandsvariablen X (k) und die oben erwähnten akkumulierten Werte ZSPD (k) und ZAR (k) werden mit den optimalen Reglerkoeffizienten ELn dem Bestimmungsbauteil P7 für den Rückkopplungsbetrag multipliziert, um Manipulationsbeträge (/"θ, </iFR) zu erhalten«, Da der Satz der Manipulationsbeträge («Γθ, d~FR) Störungsterme bezüglich dem Reglereingang bzw. den Führungsgrößen entsprechend dem Gleichgewichtsbetriebszustand, der durch die Störungsextrahiervorrichtung P5 ausgewählt worden ist, darstellen, werden die Variablen θ und FR der Betriebsbedingung des geregelten Objekts Ml durch Addition von Referenzsetzwerten (reference setting values) 8a und FRa entsprechend dem Gleichgewichtszustand und den Störungskomponenten in einem Referenzsetzwertadditionsbauteil P8 (reference setting value adding portion) festgelegt.

Damit ist der Aufbau des Regelungssystems kurz beschrieben. Der Grund, warum die Reglerausgänge bzw. Stellgrößen (AR, SPD) und die Regelereingänge bzw. Führungsgrößen (Θ, FR) bei dieser Ausführungsform verwendet werden, ist, daß diese Variablen grundlegende Werte bezüglich der Ausgaben der Regelgrößen Ml sind. Daher wird bei dieser Ausführungsform das geregelte Objekt bzw. die geregelten Variablen Ml als ein mehrvariabliges System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen aufgefaßt. Zusätzlich können hierzu beispielsweise noch der Zündzeitpunkt und die rückgeführte Abgasmenge als Größen die Ausgangsleistung des geregelten Objekts Ml betreffend verwendet werden und diese Größen können bei der Konstruktion eines Modellsystems berücksichtigt werden. Das oben erwähnte Modell mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen wird nachfolgend zur Konstruktion des dynamischen Modells des geregelten Objekts Ml verwendet und zusätzlich hierzu werden die Kühlflüssigkeitstemperatur Thw und die Temperatur Tha der zugeführten Luft zu der Brennkraftmaschine 1 als Faktoren

17.02.1986

verwendet, die das dynamische Verhalten des Systems ändern. Die Kühlflüssigkeitstemperatur Thw usw. ändern nicht die Struktur des Regelungssystems des geregelten Objekts Ml, sie ändern jedoch dessen dynamisches Zustandsverhalten. Wenn daher das dynamische Modell in Verbindung mit dem Regelungssystem des geregelten Objekts konstruiert wird, werden die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C, der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) entsprechend der Kühlflüssigkeitstemperatur Thw usw. der Brennkraftmaschine 1 festgelegt.

Vorstehend wurde der konstruktive Aufbau der Brennkraftmaschine 1 und die Struktur des Regelungssystems anhand eines Systems mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen als ein Beispiel für die Regelung der abgegebenen Leistung des geregelten Objekts Ml beschrieben. Nun wird die Konstruktion des dynamischen Modells durch tatsächliche Systemidentifikation, die Erzeugung des Beoabachters P6 und die Festlegung optimaler Reglerkoeffizienten F beschrieben.

Zuerst wird ein dynamisches Modell des geregelten Objekts Ml konstruiert. Fig. 5 ist ein Diagramm, das das System des geregelten Objekts Ml unter Gleichgewichtsbetriebsbedingungen als ein System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen dargestellt durch Übertragungsfunktionen Gl(z) bis G4(z) zeigt. Die Laufvariable (z) kennzeichnet ζ-Transformationen der abgetasteten Werte der Eingangs/-Ausgangs-Signale und es wird angenommen, daß Gl(ζ) bis G4(z) von passender Ordnung sind. Damit ist die gesamte Ubertragungsfunktionsmatrix G(z) gegeben durch:

17.02.1986 .

Wenn bei einem System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, wie dem geregelten Objekt Ml dieser Ausführungsform, Interferenzen zwischen dem Eingangs- und Ausgangsvariablen auftreten, ist es extrem schwierig, ein physikaiisches Modell aufzustellen. In einem solchen Fall ist es möglich, die Übertragungsfunktion durch Simulation mittels der sogenannten Systemidentifikation zu erzeugen.

Das Verfahren der Systemidentifikation ist im Detail in der Veröffentlichung "System Identification" von Setsuo Sagara, Society of Instrument and Control Engineers (SICE) of Japan, 1981 beschrieben und die Identifikation wird hier nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate durchgeführt.

Das geregelte Objekt Ml wird in einen vorbestimmten Betriebszustand versetzt und die Variationen cTq des Drosselklappenöffnungsgrades wird zu null gemacht, um ein passendes Testsignal als die Variation cTfr der zugeführten Kraftstoffmenge zu addieren und die Eingabedaten oTfr zu diesem Zeitpunkt und die Variation e^SPD der Reisegeschwindigkeit als ein Ausgang werden N mal abgetastet. Dies wird als Eingabedatenreihe £u(i)J = £<iFRiJ und als Ausgabedatenreihe £y(i)J = £cf SPDiJ mit i = 1, 2, 3 ... N, ausgedrückt. Hier kann das System als ein System mit einem Eingang und einem Ausgang betrachtet werden und die Übertragungsfunktion Gl (z) ist gegeben durch:

Gl (z) = B (z~ )/A (z~ ) ...(3)

daher gilt:

-1 -n Gl (z) = (bO+bl«z +... +bn»z )/

-1 -2 -n

(1+al'z +a2«z + ... +an· ζ ) ...(4)

-1
Hierbei ist ζ ein Einheitsschiebeoperator, für den gilt

ζ . x(k) = x(k-l).

17.02.1986

Κ&Ά;: 16ND0ISο3 ■-01

TA

Wenn wir die Parameter al bis an und bO bis bn in der Gleichung (4) aus den Eingabe- und Ausgabedatenreihen ^u(i)j und (y(i)j bestimmen, läßt sich die Übertragungsfunktion Gl (z) festlegen. Diese Parameter werden in der Systemidentifikation unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate festgelegt, so daß der folgende Ausdruck einen minimalen Wert annimmt:

Jo= Σ [{y(k)+al-y(k-D + · · -+an-y(k-n) }-k=n

CbO«u(k)+bl-u(k-l)-+--«+bn-u(k-n) }]²

(5)

Bei der beschriebenen Ausführungsform wurden die entsprechenden Parameter unter der Annahme von η = 2 erzeugt. Für diesen Fall ist ein Signalflußdiagramm des Systems in Fig. 6 gezeigt und unter Verwendung der Zustandsvariablen Xl (k) können die Zustands- und die Ausgangsgleichung hiervon durch die Gleichungen (6) und (?) ausgedrückt werden:

Xl(ktl)

X2(k+1)

= Z

0 -a2

1 -al

y(k) = [0 1]

XKk)

X2(k)

XKk)

X2(k)

XKk)

X2(k)

b2

bl

u(k)

(6)

(7)

17.02.1986 * OCO · K&Vfi

²⁵ ""

Unter Verwendung der Parameter A 1', B I¹, Cl¹ für die Parameter A, B, C für den Fall, daß es sich um ein System mit einem Eingang und einem Ausgang handelt, ergibt sich:

/O -a2 \ _r -.T

/ B I¹ = Ib2 bll

Al¹=/ r V

I C 1' = [.Ο ζ/

V ^λ ~^al/

Bei dieser Ausführungsform ergeben sich folgende Parameter in Verbindung mit Gl (ζ):

" fal a2] = f-1.91 0.923}
/bO bl bj = [θ 4.86x10 4.73x10 J

Nach dem gleichen Verfahren lassen sich die Übertragungsfunktionen G2 (z) bis G6 (z) und auch die Systemparameter A 2¹ bis A 4¹, B 2¹ bis B 4¹ und C 2¹ bis C 4" berechnen, nämlich die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) f est&glegjien.

Auf diese Weise wird das dynamische Modell für die vorliegende Ausführungsform durch Systemidentifikation erzeugt und dieses dynamische Modell kann in der Art festgelegt werden, daß eine lineare Approximation in der Umgebung eines Zustands erfüllt wird, in dem sich das unter einem gegebenen Zustand betriebene geregelte Objekt befindet. Daher wird die Übertragungsfunktion Gl (z) bis G4 (z) jeweils durch das obige Verfahren in Verbindung mit einer Mehrzahl von Gleichgewichtsbetriebszuständen erzeugt, und die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C in den jeweiligen Zustandsgieichungen (1) und Ausgangsgleichungen (2) werden erzeugt, wo die Beziehung zwischen den Eingängen und Ausgängen davon innerhalb der Störungsgrößen erfüllt ist.

18.02.1986 '30' Κ&νί: X6NDXliS63f0l·

l' Nun wird das Verfahren zum Festlegen des Beobachters P6 beschrieben. Das Gopinath-Verfahren zur Festlegung des Beobachters ist im einzelnen in der Veröffentlichung "Basic System Theory" von Katsuhisa Furuta und Akira Sano/ Verlag Corona Co., Ltd., 1978, beschrieben und bei dieser Ausführungsform wird der Beobachter als ein Beobachter mit minimaler Ordnung (minimal order observer) festgelegt.

Der Beobachter P 6 wird zur Abschätzung der interen Zustandsvariablen X (k) des geregelten Objektes Ml aus den Störungskomponenten (/AR, /SPD) der Variablen des Reglerausgangs des geregelten Objekts Ml und aus den Störungskomponenten («To, ^FR) der Variablen des Reglereingangs verwendet. Der Grund, weswegen die durch den Beobachter P6 abgeschätzten Zustandsvariablen X (k) als Zustandsvariablen X (k) bei der Regelung des geregelten Objekts Ml verwendet werden können, wird nachfolgend erläutert. Es sei angenommen, daß der Ausgang X (k) aus dem Beobachter P6 gemäß der folgenden Gleichung (9) erzeugt wird:

X (k) = ( A - L · C) · X (k-1)

+ B · u (k-1)+ L · y (k-1) ...(9)

In Gleichung (9) ist L eine willkürlich vorgegebene Matrix. Durch Modifikation der Gleichungen (1), (2) und (9) ergibt sich:

J

= (A - L · C ) ["x (k-1) - X (k-llj ...(10)

Wird daher die Matrix L so gewählt, daß ein Eigenwert der

Matrix (A - L · C) sich innerhalb eines Einheitskreises X (k) -> X (k) mit k -><» befindet, ist es folglich möglich,

17.02.1986

: °i°6NDpi5S"3r-01-

die internen Zustandsvariablen des geregelten Objekts Ml unter Verwendung der vorherigen Reihen u (*), y (*) des Eingangsregelungsvektors u (k) und des Ausgangsvektors y (k) genau abzuschätzen.

Die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) werden beide durch Systemidentifikation mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt und können mittels einer Ähnlichkeitstransformation in die folgende Observable mit kanonischer Struktur unter Betrachtung der neuen Zustandsvariablen X (k) = T · X (k) mit der nichtsingulären Matrix T umgeformt werden, da das System beobachtbar ist.

X (k) = A 0 · X (k-1) + B 0«u(k-l) ...(H) y(k) = C~~Ö · X"(k). ...(12)

-1 -1

Hierbei ist AO=T · A · T , B 0 = T »Β, CO=C und es ergeben sich die folgenden Gleichungen bei Verwendung einer passenden nichtsingulären Matrix T.

AO =

0 0

1 0 0 1

1 -an

(13)

B 0 = CSl 62 ··· ßn]

C 0 = [0 0 ·· · 1]

(14) (15)

17.02.1986

K&W.S "Χ 6ND(SlS63-01

_r 3605.* 17

Nun sei die Matrix L durch L = £-*<l -0(2 ... -Ofnj ersetzt und wir können einen in endliche Zeit ausregelnden Beobachter (finite time settling observer) unter
Verwendung der folgenden Gleichungen (13), (14) und (15)

5 festlegen:

AO-L-CO =

(o o

1 0 0 1

0 !

⁰ i 0 j

0 0

Dabei werden A 0, B 0 und C 0 mittels Ähnlichkeitstransformation aus A, B und C erzeugt und es ist auch gesichert, daß die Regelung mittels der Zustandsgleichung
durch diese Operation korrekt wiedergegeben wird.

Während der Beobachter P6 unter Verwendung der Vektoren
bzw. Matrizen A, B und C der mittels Systemidentifikation erzeugten Zustandsgleichung festgelegt worden ist, wird

der Ausgang des Beoabachters nachfolgen durch X (k) ausgedrückt.

Nun wird das Verfahren zum Auffinden der optimalen Reglerkoeffizieten (optimal feedback gain) F beschrieben. Da dieses Verfahren im einzelnen in der oben erwähnten Veröffentlichung "Linear System Control Theory" erläutert
ist, werden nachfolgend nur die Ergebnisse unter Weglassung der Details aufgezeigt. Verwendet man

«Tu (k) = u (k) - u (k-1) <fy (k) = y(k) - y (k-1)

18.02.1986 .33· Κβϊί:·ϋβΝρ.0Ϊ56*3·ί·01-.*."■:"

in Verbindung mit den Variablen u (k) der Reglereingänge und die Variablen y (k) der Reglerausgänge, wodurch sich ein optimaler Reglereingang u (k) ergibt, wird das nachfolgende Gütekriterium J minimiert, führt dies zur Lösung eines Regelungsproblems mittels eines optimalen Zu-

standsreglers mit zusätzlichem Integralteil in Bezug auf das Regelungssystem des geregelten Objekts Ml.

J= Σ C Oy (k)· Q · 6y (k) + on ^T (k). R · 6u (k)] k=0

Hierbei bezeichnen Q und R Wichtungsparametermatrizen und k bezeichnet die Zahl der Abtastungen, die zu Beginn der Regelung O ist, während die rechte Seite der Gleichung
(19) ein Audruck in sogenannter quadratischer Form unter Verwendung der diagonalen Matrizen Q und R ist.

Hierbei ergeben sich die optimalen Reglerkoeffizienten F mittels:

^T -1 _T ...(20)

F=- (R +B · P · B) ·Β·Ρ·Ά

In Gleichung 20 ist A und B gegeben durch

Ί -CO-AO

JH) / ...(21)
30

17.02.1986

. 34-

K&Wi -IS¹ND a 15 6 3"- Ol

Des weiteren ist P eine Lösung der folgenden Riccati-Gleichung:

P =

10 15

A - A <

A +

B + R )

-1

(23)

Hierbei dient das Gütekriterium J von Gleichung (19) zur Reduzierung der Abweichung der Betriebszustandsvariablen y (k), d. h. der Variablen y (k) die die zugeführte Luftmenge </ar und die Fahrgeschwindigkeit <fsPD umfassen, von dem Sollwert y* (k), mit den Variablen u (k) =[o& cTfrJ als Reglereingänge des zu regelnden geregelten Objects Ml. Die Wichtung der Regelung der Variablen u (k) der Reglereingänge kann durch Änderung der Werte der Wichtungsparametermatrizen Q und R verändert werden. Daher können die Zustandsvariablen X(k) als abgeschätzte Zustandsvariable X (k) unter Verwendung der Gleichung (9) erzeugt werden, wenn man die optimalen Reglerkoeffizienten F unter Verwendung der Gleichung (20) und durch Erzeugung von P durch Lösung der Gleichung (23) mit willkürlich gewählten Wichtungsparametermatrizen Qund R erzeugt, wobei das dynamische Modell des geregelten Objekts Ml, d. h. die Matrizen A,B,C, die den oben erwähnten Matrizen AB, C entsprechen, die zuvor erzeugt worden sind. Daher ergeben sich die Variablen u (k) des Reglereingangs des geregelten Objekts Ml auf folgende Weise:

u (k) = F«£xl(k), X2(k) ... Xn(k) ZSPD(k) ZAR(k)J

35

18.02.1986 · O^' K&U-. ·1£Νϋθ1563·ίΟ1·.-· r.

Durch wiederholte Simulation mit den Wichtungsparametermatrizen Q und R, die solange verändert werden, bis sich eine optimale Regelcharakteristik ergibt, werden die optimalen Reglerkoeffizienten F erzeugt«,

Damit ist die Konstruktion des dynamischen Modells des Regelungssystems des geregelten Objekts mittels Systemidentifikation unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate beschrieben und die Festlegung des in endlicher Zeit ausregelnden Beobachters und die Berechnung der optimalen Reglerkoeffizienten F werden im voraus durchgeführt und die aktuelle Regelung mit der elektronischen Regelungseinheit 40 wird nur unter der Verwendung der Ergebnisse hiervon durchgeführt.

Nun wird eine tatsächliche von dem elektronischen Regelschal tkreis 40 durchgeführte Regelung anhand des Flußdiagramms von Fig. 7 beschrieben. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird eine Größe, die im momentanen Verarbeitungszyklus behandelt wird, als eine Größe mit der Laufvariable (k) und eine Größe, die im vorhergehenden Zyklus bearbeitet worden ist, wird mit der Laufvariablen (k-1) dargestellt.

Nachdem der Reisemodus durch den Setzschalter 56 ausgewählt worden ist, führt der Mikroprozessor 44 einen Schritt 100 und die nachfolgenden Schritte wiederholt durch. Als erstes wird in dem Schritt 100 der Ausgangszustand des geregelten Objekts, d.h. die Zufuhrluftmenge AR (k-1), die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (k-1) usw. aus den entsprechenden Sensoren eingelesen.

In einem nachfolgenden Schritt 110 wird, wenn der Setzschalter 56 ausgeschaltet ist, die in dem RAM 46 gespeicherte Reisegeschwindigkeit SPD ausgelesen, und dann wird in einem Schritt 120 eine Sollzufuhrluftmenge AR so

18.02.1986 -Ο»* K&t?: 16ND01563_r01 ■

festgelegt, daß der Kraftstoffverbrauch durch die Brennkraftmaschine 1 minimal wird und diese Berechnung wird in einer Weise geregelt, wie sie später anhand von Fig. 8 beschrieben werden wird. Diese Verarbeitungsschritte entsprechen den Funktionen der Einstellvorrichtungen Pl und P2 von Fig. 4.

In einem Schritt 130 wird die Abweichung SSPD (k-1) einer aktuellen erfaßten Fahrgeschwindigkeit SPD (k-1) von den konstanten Reisegeschwindigkeit SPD und die Abweichung SAR (k-1) von einer aktuell zugeführten Luftmenge AR (k-1) von der Sollzufuhrluftmenge AR erzeugt. In einem nachfolgenden Schritt 140 werden die jeweiligen in dem Schritt 130 erzeugten Abweichungen akkumuliert, um den akkumulierten Wert ZSPD (k) mit ZSP (k) = ZSPD (k-1) + SSPD (k-1) und dem anderen akkumulierten Wert ZAR (k) = ZAR (k-1) + SAR (k-1) zu erzeugen. Diese Prozeßschritte entsprechen der Funktion der Integratoren P3 und P4 in Fig. 4.

In einem folgenden Schritt 150 wird aus dem in Schritt 100 gelesenen Ausgangszustand des geregelten Objekts unter den Gleichgewichtszuständen, die die lineare Approximation erfüllen, wenn das dynamische Modell des geregelten Objekts Ml konstruiert wird, ein nächstkommender Zustand, der nachfolgend als Arbeitspunkt ARa, SPDa bezeichnet wird, erzeugt. In einem Schritt 160 ergibt sich der in Schritt 100 gelesene Ausgangszustand des geregelten Objekts Ml als Störungskomponenten (<TaR, fsPO) bezüglieh der Gleichgewichtszustandspunkte (ARa, SPDa). Diese Bearbeitung entspricht der Funktion der Störungsextrahiervorrichtung P5 von Fig. 4.

In einem nachfolgenden Schritt 170 wird die Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1 eingelesen, und da sich das dynamische Modell der Brennkraft-

18.02.19 86

· 3τ· Κ&φ-5C6ND|)"l56°3r0l·""

...3R0.5117

Cunlflus-

maschine 1 entsprechend der Temperatur Thw der KühJ sigkeit ändert, werden die Parameter A O, B O, L, und die im Beobachter im voraus für die jeweiligen Temperaturen Thw der Kühlflüssigkeit vorbereiteten optimalen Regler-

5 koeffizienten F ausgewählt.

In einem Schritt 180 wird mittels der folgenden Gleichung (25) unter Verwendung der in dem Schritt 170 gewählten Größen A 0, B 0, L, der Störungskomponenten (/AR, /SPD), die in dem Schritt 160 erzeugt worden sind, den im vorherigen Zyklus erzeugten Zustandsvariablen X (k-1) = /xi(k-l) X2(k-2) ...X4(k-1)} , den Störungskomponenten fFR(k-l), /θ (k-1) der Kraftstoffeinspritzmenge FR(k-l) und des Öffnungsgrades θ(k-1) der Drosselklappe, die beide in dem vorhergehenden Zyklus erzeugt worden sind, die neue Zustandsvariable X (k) erzeugt» Diese Bearbeitung entspricht der Funktion des Beobachters P6 in Fig. und dieser Beoabachter P6 ist bei dieser Ausführungsform als ein in endlicher Zeit ausregelnder Beoabachter ausgelegt. Es wird folgende Berechnung durchgeführt:

X (k) =lß~O - L C~b] X (k-1) + Wo ·[<Tfr(k-l), <f6Ck-l)J

+ L ·f/AR(Ic-I) iTsPD(k-lj>J ...(25)

In einem folgenden Schritt 190 werden die in Schritt 180 erzeugten geschätzten Zustandsvariablen X (k), die in dem Schritt 140 erzeugten akkumulierten Werte ZSPD (k), ZAR (k), die im voraus vorbereiteten und in dem Schritt 170 ausgewählten Reglerkoeffizienten, gegeben durch

-fl2 ... -fl4 fl5 -f22 ... -f24 f25

als Vektoren multipliziert, um die Störungskomponenten /"FR (k) und <Te(k) des Manipulationsbetrags mit /sfFR(k) /■0(kj]= F >[x (k) ZSPD(k) ZAR(k)7 zu erzeugen. Das

3#

17.02.1986 * ^JO . K&Wi aSNDQl§63-01

entspricht der Funktion des Bestimmungsbauteiles P7 für den Rückkopplungsbetrag aus Fig. 4.

In einem Schritt 2 00 werden die in dem Schritt 190 erzeugten Störungskomponenten /FR(k), <f9(k) der Manipulationsbeträge den entsprechenden Manipulationsbeträgen FRa, θ-a an den Gleichgewichtszustandspunkten zuaddiert und es ergeben sich die Manipulationsbeträge FR(k)_f 6(k), die den Kraftstoffeinspritzdüsen 11 und der Drosselklap-. penbetätigungsvorrichtung 35 der Brennkraftmaschine 1 aktuell zugeführt werden.

In einem folgenden Schritt 210 wird der Wert "k" für die Anzahl der Abtastungen um eins inkrementiert und die erläuterte Serie von Prozeßschritten 100 bis 210 ist beendet.

Durch kontinuierliche Durchführung der erläuterten Regelung führt die elektronische Regeleinheit 40 eine Regelung unter Verwendung optimaler Reglerkoeffizienten als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil durch, der das geregelte Objekt Ml auf die konstante Fahrgeschwindigkeit SPD und die Sollzufuhrluftmenge AR einregelt.

Nun wird eine Programmroutine beschrieben, die zur Erzeugung der Sollzufuhrluftmenge AR für den Schritt 12 0 dient. In dieser in dem Flußdiagramm von Fig. 8 gezeigten Routine wird die Sollzufuhrluftmenge AR , die den Kraftstoffverbrauch minimiert, durch die nachfolgenden Schritte berechnet, während die gleiche konstante Reisegeschwindigkeit SPD(k) beibehalten wird. In der folgenden Beschreibung wird der Sollwert des vorhergehenden Zyklus mittels AR (k-1) ausgedrückt und der neu errechnete Sollwert für den momentanen Zyklus wird durch AR (k) ,._ ausgedrückt.

17.02.1986 «39* K&wl *C§NDqi^63^01 ·_">;"

Die Programmroutine beginnt mit einem Schritt 300, in dem bestimmt wird, ob die konstante Reisegeschwindigkeit SPD (k) gleich dem vorherigen Wert SPD (k-1) ist, und ob die momentane Reisegeschwindigkeit SPD (k) gleich der konstanten Reisegeschwindigkeit SPD (k) ist. Für den Fall, daß keine dieser beiden Gleichungen erfüllt ist, hat das Regelungssystem keinen Gleichgewichtszustand erreicht und es wird daher festgelegt, daß das Bestimmen der Zufuhrluftmenge, die den Kraftstoffverbrauch minimiert, nicht durchgeführt werden kann, und der Funktionsablauf verzweigt zu einem Schritt 310. Es wird die Zufuhr luftmenge AR (SPD), die aus einer voreingestellten Tabelle unter Verwendung der Reisegeschwindigkeit SPD vorgegeben wird, als die Sollzufuhrluftmenge AR (k) festgelegt. Danach geht der Programmablauf zu dem Schleifenende NEXT über, um die Programmroutine zu beenden. Unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 7 wird die Sollzufuhrluftmenge AR (k) in dem Schritt aus der Tabelle unter der Annahme abgeleitet, daß das geregelte Objekt Ml sich in einem Einschwingzustand befindet.

Da andererseits das geregelte Objekt Ml als sich im Gleichgewichtszustand befindlich betrachtet wird, wenn gilt SPD (k) = SPD (k-1) und SPD (k) = SPD (k), ist es dann möglich, die Zufuhrluftmenge aufzusuchen, die den Kraftstoffverbrauch minimiert. Der Funktionsablauf geht zu einem Schritt 320 über. In dem Schritt 320 wird festgelegt, ob eine Marke (Flag) Fs "1" ist oder nicht. Da der Wert der Marke Fs vor Beginn der Suche null ist, führt die Abfrage zu "nein" und es wird zu einem Schritt 330 übergegangen. In dem Schritt 330 wird die Marke Fs unter Annahme auf "1" gesetzt, daß die Suche nach der Zufuhrluftmenge, bei der die Reisegeschwindigkeit SPD (k) gleich der konstanten Reisegeschwindigkeit SPD (k) mit minimalem Kraftstoffverbrauch beibehalten werden kann.

18.02.1986 * W * ; K&W;: i.6ND01563'~Ol

begonnen wird und ein Koeffizient D kennzeichnend für die Suchrichtung, d.h. entweder die Richtung des Vermehrens der zugeführten Luftmenge oder die Richtung des Verminderns der zugeführten Luftmenge, wird auf "1" gesetzt, während ein Zähler Cs zum Zählen der Anzahl der Durchführungen dieser Prozesse auf "0" gesetzt wird.

In einem nachfolgenden Schritt 340 wird geprüft, ob der Wert des Zählers Cs null überschritten hat oder nicht. Da unmittelbar nach dem Start der Suche Cs = 0 gilt, verzweigt der Betriebsablauf zu einem Schritt 350, um die Sollzufuhr luftmenge AR (k) um DxAAR ausgehend von dem vorhergehenden Sollwert AR (k-1) zu verändern, d.h. zu erhöhen. In einem folgenden Schritt 360 wird der Wert des Zählers Cs um 1 inkrementiert, um die vorliegende Programmroutine über das Schleifenende NEXT zu beenden.

Nachdem die Suche gestartet worden ist, wenn diese Routine ausgeführt wird, ergeben die Abfragen in den Schritten 320 und 340 in beiden Flällen "ja". Der Betriebsablauf geht über zu einem Schritt 370, um zu prüfen, wie die Störungskomponenten cTfr (k) in.Verbindung mit der Kraftstoffeinspritzmenge FR (k) bezüglich der Gleichgewichtszustandspunkte im Vergleich mit den Störungskomponenten ^FR (k-1) des vorhergehenden Zyklus geändert werden.

Wenn der Wert /FR(k) - <TFR(k-l) kleiner als ein vorbestimmter Wert -AF ist, wird davon ausgegangen, daß die Kraftstoffeinspritzmenge noch weiter reduziert werden kann und der Schritt 350 und die nachfolgenden Schritte werden zur Fortführung der Suche durchgeführt. Dies ist bezeichnend für eine Situation in Fig. 5, wobei man sich von dem Punkt "b" dem Punkt "a" nähert.

18.02.19 86 * M ' K&H: Ϊ6ΝΟΡΪ5θ3*-01· ^

Wenn andererseits der Wert^FR(k) -e/FR(k-1) größer als der vorbestimmte Wert AF ist, wird davon ausgegangen, daß sich die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht und der Wert des Suchrichtungskoeffizienten D wird in einem Schritt 380 auf "-1" gesetzt, um die Suchrichtung umzukehren. Dann werden die zuvor erwähnten Schritte 350 und

360 durchgeführt. Daher wird die Sollzufuhrluftmenge AR (k) reduziert und der Öffnungsgrad θ der Drosselklappe wird reduziert werden. Dies entspricht einer Suche in einer Richtung von Punkt "c" zu dem Punkt "a" in Fig. 2.

Durch die Suche in Richtung Verminderung der Kraftstoffeinspritzmenge wird ein Punkt gefunden, für den gilt, daß der Wert cTFR(k) - cTFR(k-l) innerhalb der gegebenen Abweichung +4F liegt. Das ist der Punkt, der der Zufuhrluftmenge entspricht, bei der der Kraftstoffverbrauch während des Fahrens minimal wird. Dann wird davon ausgegangen, daß die Suche beendet ist und die Marke Fs wird in einem Schritt 390 auf "0" gesetzt. In einem folgenden Schritt 400 wird die zu diesem Zeitpunkt erhaltene Sollzufuhr luftmenge AR (k-1) mit einem Wert aus einer Tabelle ersetzt, die die Zufuhrluftmenge durch die Reisegeschwindigkeit SPD festlegt, d.h. AR (SPD) = AR (k-1). In einem nachfolgenden Schritt 410 wird der Wert von AR (k-1) aufgefrischt, weil die zuvor festgelegte Sollzufuhrluftmenge AR (k-1) auch in dem momentanen Zyklus verwendet wird. Dann wird diese Routine durch das Schleifenende NEXT beendet.

Wenn demnach ein Suchprozeß beendet ist, wird die Suche durch die Prozeßschritte von Anfang an und den Schritten 320, 330 und 340 fortgesetzt.

Durch wiederholte Ausführung der Regelungsroutine gemäß den Fig. 7 und 8 regelt die Vorrichtung zur Regelung der

. U-

17.02.1986 ' kei' K&K: 1&ΝΟΘ1563-01

Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur die Fahrzeuggeschwindigkeit auf die konstante Reisegeschwindigkeit, sondern bewirkt auch, daß der Kraftstoffverbrauch minimal wird, wie dies oben beschrieben ist. Hier ist das System, das das geregelte Objekt Ml regelt, ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil (integral-added optimal regulator), bei dem durch Reglerkoeffizienten eine optimale Rückkopplung erreicht wird, so daß die Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades ö und der Kraftstoffeinspritzmenge FR schnell ansprechend und stabil realisiert werden, was mit den bisherigen konventionellen Techniken nicht möglich war. Folglich wird das Fahrverhalten des Fährzeugs nicht gestört und es ist damit möglich, den Kraftstoffverbrauch FR durch Veränderung des Öffnungsgrades θ der Drosselklappe zu minimieren.

Da das dynamische Modell sich auch mit der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1 verändert, wird die Regelung durch Umschalten der Parameter des Beobachters und der optimalen Reglerkoeffizienten in Abhängigkeit der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit durchgeführt, wodurch eine stabile Regelung unabhängig von den Änderungen der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit ermöglicht wird.

Es ist damit nun möglich, die Kraftstoffeinspritzmenge für die Brennkraftmaschine 1 zu optimieren, d.h. zu minimieren, da ein derartig hervorragendes Ansprechen und Stabilität zum ersten Mal realisiert worden sind. Obwohl auch bisher schon die Suche nach der minimalen Kraftstoff einspritzmenge durch Ansteuerung der Drosselklappe durch eine Betätigungsvorrichtung mittels herkömmlicher Regelung möglich war, konnten solche Konstruktionen in der Praxis nicht eingesetzt werden, da deren Reaktion bzw. Ansprechverhalten dürftig und die Stabilität gering war.

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Fig. 9 zeigt die Charakteristik der Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit SPD, die der vorgegebenen konstanten Reisegeschwindigkeit SPD bzw. der Sollgeschwindigkeit folgt.

Während bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform das geregelte Objekt Ml mit der Brennkraftmaschine 1 und dem Kraftübertragungsmechanismus als ein System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen aufgefaßt worden ist, weil die Kraftstoffeinspritzmenge FR und der Öffnungsgrad 0 der Drosselklappe als Eingänge und die Zufuhrluftmenge AR und die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD als Ausgänge betrachtet worden sind, um den optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil durch Konstruktion eines dynamischen Modells unter Verwendung von Systemidentifikation mittels dem Verfahren der kleinsten Quadrate zu bilden, ist es auch möglich, ein Modell eines Systems unter Berücksichtigung anderer Eingänge und Ausgänge passend zu der verwendeten Brennkraftmaschine und dem Kraftübertragungsmechanismus zu konstruieren, ohne den Kern der Erfindung zu ändern bzw. ohne deren Schutzumfang zu verlassen.

Wie vorstehend im Detail beschrieben worden ist, wird bei der Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Sollzufuhrluftmenge als ein Wert festgelegt, der den Kraftstoffverbrauch auf der Basis einer Korrelation zwischen der Zufuhrluftmenge und dem Kraftstoffverbrauch minimiert, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit konstant gehalten wird. Die Regelung ist als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil aufgebaut, der den Rückkopplungsbetrag auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten bestimmt, die entsprechend dem dynamischen Modell des Systems bezüglich der Betriebsweise eines geregelten Objekt, das eine Brennkraftmaschine umfaßt, im voraus bestimmt worden sind.

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Damit sind ein hervorragendes Ansprechverhalten und eine hohe Stabilität realisiert worden, die bei bisherigen konventionellen Brennkraftmaschinen mit einer Drosselklappenansteuerung nicht erreicht werden konnten, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine konstante Reisegeschwindigkeit geregelt wird und sich der besondere Vorteil ergibt, daß der Kraftstoffverbrauch minimiert ist. Folglich bereitet die vorliegende Erfindung ein besonders angenehmes Fahrgefühl, während die Regelungscharakteristik bemerkenswert verbessert worden ist, so daß der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges drastisch reduziert wird.

Die beschriebene Ausführungsform ist nur beispielhaft für die vorliegende Erfindung und für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ergeben sich ohne weiteres viele Abänderungen und Modifikationen, ohne daß dabei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen werden würde.
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Claims (3)

Kühnen ■ Wacker & partner PATENT- UND RECHTSANWÄLTE Nippondenso Co., Ltd< Aichi-ken, Japan PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS RAINER A. KÜHNEN - DIpl.-Ing. PAUL-ALEXANDER WACKER - Dipl.-lng.. Dipl.-Wirtsch.-ing. PETER FÜRNISS · Dr. Dipl.-Chem. RECHTSANWALT GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH - Dipl.-lng. (FH) Zulassung: LG München I und Il Telefon: 0 81 61/62 09-1 · Telex: 526 547 pawa d Telefax: 0 81 61/62 09-6 · Datex-P: 45-8 161-30 Teletex:8 161 800=pawaMUC D-S050 FREISING 1, SCHNEGGSTRASSE 3-5 16 NDOl 56 18o02.1986 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanismus als ein geregeltes Objekt, gekennzeichnet durch

a) eine Detektorvorrichtung (M5) für die Zufuhrluftmenge zum Erzeugen eines Luftzufuhrsignals, das kennzeichnend für den der Brennkraftmaschine zugeführten Luftstrom ist,

b) eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung (M6) zum Erzeugen eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals kennzeichnend für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs,

c) eine Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung (MIl) über die Luft und Kraftstoff der Brenn=·

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kraftmaschine zugeführt werden, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung des Luftstroms und/oder der der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge geregelt wird,

d) eine Sollgeschwindigkeitseinstellvorrichtung (M8) zum Einstellen einer konstanten Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit entsprechend dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein Reisemodus ausgewählt ist,

e) einer Sollwerteinstellvorrichtung (M9) für die Zufuhrluftmenge zum Einstellen einer Luftzufuhr entsprechend einem minimalen Kraftstoffverbrauch, der es ermöglicht, daß eine konstante Reisegeschwindigkeit auf der Basis eines Korrelationsmusters zwischen der Kraftstoffmenge und der Luftzufuhr, das entsprechend der konstanten Sollgeschwindigkeit voreingestellt wird, beibehalten wird_;und

f) einen optimalen Zustandsregler (MIO) mit zusätzlichem Integralteil (integral-added optimal regulator) zum Bestimmen der konstanten Soll- bzw. Reisegeschwindigkeit aufgrund der Sollzufuhrluftmenge, und von Reglereingangs- bzw. Reglerausgangswerten des geregelten Objekts, von einem Rückkopplungsbetrag bzw. von Rückkopplungsbeträgen zu der Regelgröße bzw. zu den Regelgrößen der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung (MIl) uf der Basis einer Arbeitsgleichung bzw. auf der Basis von Arbeitsgleichungen, die zur Abschätzung des inneren Zustands des geregelten Objekts verwendet werden, und die entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich des geregeregelten Objekts im voraus festgelegt werden,

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und auch auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten, wobei der optimale Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil dann eines oder mehrere Regelsignale auf der Basis des festgelegten Rückkopplungsbetrag bzw. der festgelegten Rückkopplungsbeträge an die Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung ausgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, XO daß der optimale Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil folgendes aufweist?

a) eine zustandsbeobachtende Einheit (Zustandsbeobachter bzw. Beobachter) (P6) zum Abschätzen von Zustandsvariablen passender Ordnung kennzeichnend für den inneren dynamischen Zustand des Regelungssystems unter Verwendung von Betriebszuständen und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, wobei Parameter verwendet werden die auf der Basis des dynamischen Modells des Systems bezüglich des Betriebs der Brennkraftmaschine im voraus festgelegt worden sind,

b) einer akkumulierenden Einheit (P4_f P3) zum Akkumulieren der Differenzen zwischen den Sollwerten der Zufuhrluftmenge und der erfaßten Zufuhrluftmenge bzw. der Differenzen zwischen der Sollgeschwindigkeit bzw. der konstanten Reisegeschwindigkeit und der erfaßten FahrEeuggeschwindigkeit, und

c) einem Bestimmungsbauteil (P7) für den oder die Rückkopplungsbeträge zu der Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung (MIl) unter Verwendung der Reglerkoeffizienten, die auf der Basis des dynamischen Models des Systems im voraus festgelegt

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worden sind, der abgeschätzten Zustandsvariablen und der akkumulierten Werte.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff/Luftgemisch Zuführvorrichtung (MlI) folgendes aufweist:

a) ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzdüsen (M2), die in einem Einlaß der Brennkraftmaschine an- IQ geordnet sind und die auf Steuersignale ansprechen, um Kraftstoff so zuzuführen, daß die Kraftstoffzufuhr dadurch geregelt ist,

"" b) einer in dem Einlaß angeordneten Drosselklappe (M2), und

c) einer Drosselklappenbetätigungsvorrichtung (M4) zum Einstellen des Öffnungsgrads (Θ) der Drosselklappe (M2) entsprechend einem Steuersignal.