DE3610917A1 - Steuereinrichtung mit einem willkuerlich ansteuerbaren regler fuer eine maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung mit einem willkürlich oder abhängig von einer anderen Größe betätig­ baren Sollwertgeber, der mit dem Eingang eines Reglers, dessen Funktion einen Integralanteil enthält, verbunden ist, der mit dem Stellglied der zu regelnden Maschine verbunden ist, welche mit einem Istwert-Sensor versehen ist, der mit einer zwischen Sollwertgeber und Regler geschalteten Sollwert-Istwert-Vergleicheinrichtung ver­ bunden ist.

Insbesondere handelt es sich um eine Drehzahlsteuerein­ richtung mit Drehzahlregler für eine Kolbenbrennkraftma­ schine mit Füllungsregelung mittels einer Drosselklappe, wobei der Sollwertgeber und der Istwertgeber jeweils ein elektrischer Signale aussendendes bzw. verarbeitendes Organ ist und das Stellglied ein von einem Strom durch­ flossener Magnet ist, der gegen die Kraft einer Feder wirkt und mit der Drosselklappe verbunden ist.

Wird der vorgegebene Sollwert verändert, so soll der Istwert der gesteuerten bzw. geregelten Maschine möglichst unverzüg­ lich folgen. Die mögliche Geschwindigkeit der Änderung des Istwertes ist durch die konstruktiven Eigenarten der Maschine begrenzt. Das hat die Folge, daß dann, wenn der Sollwert schnell geändert wird und somit auf einen bleiben­ den anderen Istwert eingeregelt werden soll, ein bestimmtes Zeitverhalten des Reglers erforderlich ist, beispielsweise ein bestimmter Integralanteil in der Reglerfunktion enthalten sein muß. Das insbesondere auch deshalb, weil die Istdrehzahl ohne bleibende Regelabweichung dem Sollwert entsprechend erhalten bleiben soll, auch dann, wenn eine Störgröße ein­ wirkt, bzw. sich ein Parameter, z.B. die Drehmomentbelastung, sich ändert. Diese Änderung muß durch die Regelung ausge­ glichen werden. Dieser Integralanteil läuft jedoch bei bestimmten Betriebszuständen des Motors bis an einen Anschlagendwert und erzeugt damit ein unerwünschtes Drehzahlverhalten, gegebenenfalls Überschwingen.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die einzelnen Organe der Regelkette unterschiedliche Herstelltoleranzen haben, zum Beispiel der Regelmagnet oder die mit diesem zusammen­ wirkende Feder, so daß bei einem bestimmten Reglerausgangs­ signal, das heißt bei einem bestimmten, den Magnet des Stellgliedes an der Drosselklappe durchfließenden Strom, nicht immer die gleiche Drosselklappenlage erreicht wird, das heißt, bei einem bestimmten Reglerausgangssignal wird bei der einen Maschine die Drosselklappe bereits voll ge­ öffnet sein, während sie bei einem anderen, an sich typen­ gleichen Stellglied noch teilweise geschlossen ist. Ist der Regler derart ausgelegt, daß bei größtem Regleraus­ gangssignal bei jeder Brennkraftmaschine einer bestimmten Type die Drosselklappe gerade ohne Kraftüberschuß geöffnet ist, so wird sich ergeben, daß bei einigen Brennkraft­ maschinen dieser Type bei dem gegebenen maximalen Regler­ ausgangssignal die Drosselklappe nicht voll geöffnet ist bzw. nicht voll geöffnet werden kann, das heißt, daß bei dieser Brennkraftmaschine infolge der Reglerauslegung nicht die maxiamle Leistung erzielt werden kann, die diese Brenn­ kraftmaschine an sich ihrer Konstruktion nach abgeben könnte. Ist das maximale Reglerausgangssignal derart ausgelegt, daß auch bei der stärksten Reglerfeder und der größten Reibung an der Drosselklappe die Drosselklappe bei allen Brennkraftmaschinen dieses Typs voll geöffnet wird, so wird sich ergeben, daß bei manchen Brennkraftmaschinen dieses Typs das Reglersignal noch weiter steigt, nachdem die Drosselklappe bereits ihre Lage maximaler Öffnung er­ reicht hat. Das hat zur Folge, daß beispielsweise bei be­ stimmten Betriebszuständen die Drehzahl überschwingt.

Die Funktionsintegralanteile bisher bekannter Regler weisen überwiegend keine Begrenzung auf oder höchstens eine feste Begrenzung. Ohne Begrenzung tritt als Nachteil das vorge­ nannte unerwünschte Drehzahlverhalten infolge von Über­ schwingen auf. Ist eine feste Begrenzung im Regler vorgegeben, wird bedingt durch die Toleranzen am Stellorgan an der Regelstrecke und an der Begrenzung die Drehzahl bei Auftre­ ten einer Störgröße entweder nicht bis zur völligen Öffnung der Drosselklappe ausgeregelt mit der Folge, daß die Drehzahl unter den Sollwert absinkt, weil die Drosselklappe nicht weiter öffnet, obwohl sie an sich weiter öffnen könnte, oder in der anderen Richtung tritt das vorstehend beschrie­ bene Drehzahlüberschwingen auf, weil die im Regler vorge­ gebene Grenze nicht die innerhalb der Toleranzgrenzen lie­ genden Abweichungen vom Idealwert im Stellglied und in der Maschine berücksichtigt, sondern für alle Maschinen einheitlich starr vorgegeben ist, äußerstenfalls willkürlich einmal zwecks Anpassung eingestellt werden kann. Eine solche starr vorgegebene Begrenzung kann nie im Betrieb auftretende Änderungen beispielsweise der Reibung berücksichtigen.

Der Integralanteil des Reglers bewirkt, daß bei zumindest einigen der mit diesem Regler ausgerüsteten Brennkraftmaschinen in bestimmten Be­ triebszuständen ein weiteres Ansteigen des Stromes im Stellglied und damit ein weiteres Ansteigen der Betätigungskraft für die Drosselklappen­ verstellung auftritt, obwohl die Drosselklappe bereits gegen einen Endstellungsanschlag anliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuer- und Regeleinrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei Auftreten einer Störgröße im ausgeregelten Zustand möglichst keine bleibende Abweichung von der Sollgröße auftritt und ein unerwünschtes Regelverhalten in Form von Überschwingen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine besonders zweckmäßige Anwendung ist im Anspruch 2 angegeben.

Durch einen die Endlage der Drosselklappe erfassenden Endschalter und entsprechende Verbindung desselben mit dem Regler kann ein weiteres Ansteigen des den Regelmagneten durchfließen­ den Stromes nach Erreichen der Endlage der Drosselklappe vermieden und ein daraus resultierendes Überschwingen der Regelung vermieden werden. Durch die Anordnung gemäß der Erfindung stellt sich die Begrenzung für jede Brennkraftma­ schine individuell selbsttätig auf einen bestimmten Be­ grenzungswert ein, der sich an jede Brennkraftmaschine entsprechend den Toleranzen von Stellglied, Gemischbildungs­ einrichtung usw. anpasst. Im speziellen Fall einer Drehzahl­ regelung an einer Treibgas-Kolbenbrennkraftmaschine kann mit einem Drosselklappenschalter die Anfangslage und die Endlage der Drosselklappe erfasst werden und mit den von den Endschaltern ausgehenden Signalen eine Begrenzung des Integralanteils der Reglerfunktion bewirkt werden.

Die Erfindung betrifft also auch ein Verfahren zum Regeln mit einer "adaptiven", das heißt sich selbst anpassenden Begrenzung.

Zweckmäßige Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema zu einer Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen Diagramme und zwar zeigen jeweils über der Zeit aufgetragen,

Fig. 2 den Verlauf der Drehzahl

Fig. 3 den Verlauf der Drosselklappenlage

Fig. 4 den Verlauf des I-Anteiles jeweils beim Beschleunigen, während die

Fig. 5 bis 7 jeweils den Bremszustand zeigen und zwar

Fig. 5 den Verlauf der Drehzahl

Fig. 6 den Verlauf der Drosselklappenstellung

Fig. 7 den Verlauf des I-Anteils.

Fig. 8 zeigt ein Schaltschema zu einer anderen Ausge­ staltungsform.

Mit 1 ist eine Treibgas-Kolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, deren Drehzahl durch die Einstellage der Drosselklappe 11 eingestellt wird. Mittels des willkürlich betätigbaren Fahrpedales 2 wird der Sollwertgeber 3 eingestellt, der über die Leitung 4 einen Sollwert zu dem Sollwert-Istwert- Vergleichsorgan 5 leitet, von dem aus eine Leitung 6 zum Eingang des Reglers 7 führt, der als PID-Regler ausge­ staltet ist, das heißt in seiner Funktion einen proportio­ nalen, einen integralen und einen differentialen Anteil aufweist. Der Ausgang des Reglers 7 ist über eine Leitung 8 mit dem Regelmagnet 9 verbunden, der über eine Kinema­ tik 10 mit der Drosselklappe 11 verbunden ist, die in der Ansaugleitung 12 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. An der Abtriebswelle 14 der Brennkraftmaschine 1 ist ein Drehzahlistwertgeber 15 angeordnet, dessen Ausgangs­ signal über die Leitung 16 dem Sollwert-Istwert-Vergleich­ organ 5 zugeleitet wird.

Die Wirkungsweise ist folgende:
Wird willkürlich dem Fahrpedal 2 eine bestimmte Einstellung gegeben, so wird damit der Sollwertgeber 3 eingestellt, der nun über die Leitungen 4 und 6 dem Regler 7 ein Signal zuführt, welches dieser umsetzt in einen Strom, der durch die Leitung 8 dem Regelmagnet 9 zugeführt wird, der nunmehr die Drosselklappe 11 in eine bestimmte Einstellage bringt, mit der Folge, daß die Brennkraftmaschine 1 mit einer bestimmten Drehzahl umläuft, die an der Welle 14 abgegriffen wird, so daß der Drehzahlgeber 15 durch die Leitung 16 ein Istwertsignal gibt, welches in dem Sollwert-Istwert-Ver­ gleichsorgan 5 mit dem in der Leitung 4 geführten Sollwert verglichen wird, so daß der Differenzwert in der Leitung 6 geführt wird. Wird nunmehr mehr oder minder rasch die Einstellage des Fahrpedales 2 verändert, so wird entsprechend das durch die Leitungen 4 und 6 dem Regler 7 zufließende Signal verändert mit der Folge, daß der Strom in der Leitung 8 und damit die Zugkraft des Magneten 9 geändert wird, während zunächst einmal die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 infolge von deren Trägheit nur langsam folgt. Der Regler 7 integriert mit seinem Integralfunktionsanteil nun eine Abweichung zwischen Sollwert und Istwert so lange auf, bis diese Abweichung zu Null geworden ist und zwar so lange, bis der Regler seinen durch den Aufbau vorgegebenen oder durch eine Begrenzungseinstellung vorgegebenen Endwert erreicht hat. In der Praxis würde das bedeuten: Kann der Drehzahl­ istwert einer vorgegebenen, durch sehr rasche Änderung der Lage des Fahrpedals bewirkten, sprungartigen Änderung des Sollwertes nicht unmittelbar folgen, zum Beispiel weil die Masse des von der Brennkraftmaschine 1 ange­ triebenen und zu beschleunigenden Fahrzeuges zu groß ist, so steht über längere Zeit eine Differenz zwischen Sollwert und Istwert an, so daß über die längere Zeit das vorgenannte Integrieren erfolgt, bis der Regler seine Endlage erreicht hat, die beispielsweise durch die Ver­ sorgungsspannung des Reglers bestimmt ist.

Insoweit entspricht die Einrichtung dem bekannten Stand der Technik.

Gemäß der Erfindung ist mit dem Stellglied (Regelmagnet) 9 oder mit der Drosselklappe 11 oder mit der Stellglied 9 und Drosselklappe 11 verbindenden Kinematik 10 ein Grenz­ wertsignalgeber 17 verbunden, der über eine Leitung 18 mit dem Regler 7 verbunden ist und bei Erreichen einer Grenzlage der Drosselklappe 11 ein elektrisches Signal an den Regler 7 gibt, durch das der Integralfunktions­ anteil des Reglers 7 oder eine Änderung dieses Integral­ funktionsanteiles begrenzt wird. Dadurch wird unabhängig vom Wirkungsgrad der Umsetzung von Strom in Kraft im Regelmagnet 9 und von der Federkraft oder Reibkräften immer die optimale Begrenzung erzielt und das Zeitver­ halten des Integralfunktionsanteiles optimiert.

Die bei einem Erhöhen des Sollwertes sich einstellenden Abläufe sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt.

Dabei ist in Fig. 2 die Drehzahl über der Zeit aufgetra­ gen, wobei die Linie 20 in Höhe der Leerlaufdrehzahl liegt. Die gestrichte Linie 21 zeigt die Lage der oberen Nenndreh­ zahl und die ausgezogene Linie 22 zeigt, wie bei einem Ändern des Sollwertes von einer Drehzahl entsprechend der Linie 20 auf eine Drehzahl entsprechend der Linie 21 bei nicht vorhandener adaptiver Begrenzung die Drehzahl Über­ schwingen kann, während bei einer Schaltung gemäß der Er­ findung die Drehzahl gemäß der Linie 23 verläuft. Dieses Ziel kann durch eine feste vorgegebene Begrenzung im Regler nicht realisiert werden, wohl aber durch die Regelung ge­ mäß der Erfindung, die sich den an der jeweiligen Brenn­ kraftmaschine gegebenen Bedingungen anpasst, beispielsweise weil der Endlageschalter an der Drosselklappe 11 bei voll geöffneter Drosselklappe 11 ein Schaltsignal abgibt, welches den I-Funktionsanteil des Reglers 7 elektronisch begrenzt.

In Fig. 3 ist in derselben Funktionssituation wie in Fig. 2 die Lage der Drosselklappe über der Zeit darge­ stellt.

Dabei charakterisiert die Lage der Linie 30 a die voll geschlossene und die Linie 31 die voll geöffnete Drosselklappe. Wenn zum Zeitpunkt 25 das Sollwertsignal sprungförmig von minimal auf maximal geändert wird und dadurch die Drehzahl von der Linie 20 auf die Linie 21 ansteigen soll, so muß die Lage der Drosselklappe von der der Linie 30 entsprechenden Lage auf die der Linie 34 ent­ sprechende Lage geändert werden, zunächst aber, damit die Brennkraftmaschine 1 beschleunigt, auf die Lage der Linie 31 geöffnet werden. Die Begrenzungseinrichtung gemäß der Er­ findung hat die Folge, daß bereits zum Zeitpunkt 26 die Drosselklappenlage entsprechend der Linie 33 zurückgeändert wird mit der Folge, daß die Drehzahl der Linie 23 folgt, während ohne die Begrenzung gemäß der Erfindung erst zum Zeitpunkt 27 die Lage der Drosselklappe entsprechend der Linie 32 auf den der Linie 34 entsprechenden Wert zurück­ geregelt wird. Bezogen auf den Regler bedeutet das, daß bei einer der Linie 20 entsprechenden Drehzahl der Integral­ anteil des Reglers auf das Niveau 41 eingeregelt und ohne die Begrenzung gemäß der Erfindung gemäß der Linie 42 regeln würde, während gemäß der Erfindung der Regler auf einen adaptiven Grenzwert, der durch die Linie 45 charakterisiert ist, begrenzt ist, so daß der tatsächliche Reglerverlauf entsprechend den Linien 43, 45 verläuft.

Zum Begrenzen des I-Funktionsanteiles im Regler sind kon­ struktiv verschiedene Lösungen denkbar, zum Beispiel mittels eines in jedem Punkt des möglichen Verstellweges die Lage der Drosselklappe anzeigenden Wegaufnahmesensors an der Drosselklappe 11 oder am Stellmagneten.

Die Erfindung bezieht sich somit insbesondere auf die An­ wendung einer generell zur Gestaltung von Regelkreisen an­ wendbaren Lehre auf die Drehzahlregelung einer Brennkraft­ maschine mit Drosselklappe.

Gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung kann die Ein­ richtung gemäß der Erfindung auch zu einem weiteren Zweck in einer weiteren Funktion verwendet werden, nämlich zum Vermeiden des "negativen" Überschwingens beim Bremsen des Fahrzeuges. Beim Bremsen des Fahrzeuges wird nämlich gemäß der Erfindung auf den Regler ein Signal gegeben, wenn die Drosselklappe voll geschlossen ist, wobei dieses Signal im Regler bewirkt, daß das Absinken des I-Funktions­ anteiles verzögert wird. Dadurch sinkt die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 nicht so stark nach unten und durch dieses Begrenzen des Absinkens der Drehzahl nach unten wird vermieden, daß der Motor durch Unterschreiten der Mindestdrehzahl zum Stillstand kommt. Die Bremsfunktion ist in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt, wobei jeweils die Linie 51, 61 und 71 den Verlauf gemäß der Erfindung darstellt, während jeweils die Linie 52, 62, 72 den bisher bekannten Verlauf darstellt. Die Linie 51, 61 bzw. 71 kann jeweils nur qualitativ gezeichnet werden, da bei allen vorstehenden Betrachtungen der Proportionalanteil und der Differenzialanteil des Reglers vernachlässigt wurden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wird über die Leitung 79 der Drehzahlsollwert von einem in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Drehzahlsollwertgeber aus der Sollwertaufbereitungseinrichtung 78 zugeführt, während über die Leitung 80 von einem in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Drehzahlmesser aus der Drehzahlistwert der Drehzahlerfassungseinrichtung 81 zugeführt wird. Die Aus­ gänge der Sollwertaufbereitungseinrichtung 78 und der Dreh­ zahlerfassungseinrichtung 81 sind an einen Verknüpfungs­ punkt 82 angeschlossen, von dem aus die Leitung 83 zu dem Regler 84 führt, der einen Reglerteil 85 mit P-Anteil und einen Reglerteil 86 mit D-Anteil und einen Reglerteil 87 mit I-Anteil enthält. Von dem Regler 84 aus führt eine Leitung 88 zu der getakteten Endstufe 89, von der aus die Leitung 90 zu dem Regelmagnet und der Drosselklappe führt, die gemeinsam mit 91 dargestellt sind. Die Drossel­ klappenstellung wird mittels des Drosselklappenschalters 92 erfasst, der über die Leitung 93 auf den Integralanteil 87 des Reglers 84 einwirkt, so daß ein geschlossener Regel­ kreis gebildet ist.

Claims (7)

1. Steuereinrichtung mit einem willkürlich oder abhängig von einer anderen Betriebsgröße betätigbaren Sollwert­ geber, der mit dem Eingang eines Reglers, dessen Funktion einen Integralanteil enthält, verbunden ist, der mit einem Stellglied der zu regelnden Maschine verbunden ist, die mit einem Istwertsensor versehen ist, der mit einem zwischen Sollwertgeber und Regler geschalteten Sollwert-Istwert-Vergleichsorgan verbunden ist, gekennzeichnet durch einen am Stellglied (9, 10, 11) angeordneten Grenzwertsignalgeber (Grenzwerterfassungs­ organ) (17), dessen Ausgang mit dem Regler (7) unmittel­ bar oder vorzugsweise mittelbar über das Sollwert- Istwert-Vergleichorgan (5) verbunden ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Sollwertgeber (3), Regler (7), Istwertgeber (15), Grenzwertsignalgeber (17) und Stellglied (9) elektrische Signale verarbeitende Organe sind und die zu regelnde Maschine (1) eine bezüglich ihrer Drehzahl zu regelnde Kolbenbrennkraftmaschine mit Drosselklappenregelung ist, wobei das Stellglied (Regelmagnet 9) mit der Drosselklappe (11) verbunden ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwertsignalgeber (17) ein am Stell­ glied (9) oder an der Drosselklappe (11) oder an der Kinematik (10) zwischen Stellglied (9) und Drossel­ klappe (11) angeordneter, bei voller Drosselklappen­ öffnung ansprechender Endschalter ist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwertsignalgeber (17) aus zwei End­ schaltern besteht, die an dem Stellglied (9) oder der Drosselklappe (11) oder der Kinematik (10) zwischen Stellglied (9) und Drosselklappe (11) angeordnet sind, von denen der eine bei voll geöffneter Drosselklappe (11), der andere bei voll geschlossener Drosselklappe (11) betätigt ist.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwertsignalgeber (17) ein im gesamten Verstellbereich der Drosselklappe (11) bei jeder Lage derselben (11) ein entsprechendes Signal abgebender Sensor ist.

6. Verfahren zum Regeln mit einer Einrichtung gemäß An­ spruch 1 oder vorzugsweise Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels eines Signalgebers (17) die Endlage der Drosselklappe erfasst und abhängig vom Erreichen der Endlage ein Signal an den Regler (7) gegeben wird, durch welches in diesem eine Begrenzung des Integralfunktionsanteiles des Reglers bewirkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vermindern des Sollwertes mittels des Grenz­ wertgebers (17) ein Signal an den Regler (7) gegeben wird, durch welches das Absinken des Integralfunktions­ anteiles im Regler (7) verzögert wird.