DE4012577C1 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für ein reibungsbehaftetes Stellwerk in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Ein solches Regelsystem ist aus der DE-OS 32 07 863 (US-PS 44 99 412) bekannt.

Dort wird eine Regelein­ richtung für ein reibungsbehaftetes Stellwerk beschrieben. Einem nichtlinearen Regler ist ein 2-Punkt-Regler nachgeschaltet. Dieser 2-Punkt-Regler schaltet nur, wenn die Differenz zwischen dem Soll- oder der Ist-Wert des Regelkreises sich ändert. Der nicht lineare Regler weist im Abgleichpunkt eine steile, sonst eine flache Kennlinie auf. Eine Begrenzungseinrichtung unterdrückt zu hohe Schaltfrequenzen. Hiermit soll ein zu häufiges Hin- und Herschalten des 2-Punkt-Reglers vermieden werden. Das gesamte System ist analog aufgebaut.

In der DE-OS 32 33 290 (US-PS 45 94 993) ist eine Einrichtung zur Regelung der Abgasrückführrate für eine Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Ein linearer Regler liefert die Eingangsgröße für einen Dreipunktregler. Auch bei dieser Einrichtung schaltet der 3-Punkt-Regler nur, wenn sich die Differenz zwischen der Soll- oder dem Ist-Wert des Regelkreises ändert. Durch eine Hysterese wird dabei ein dauerndes Hin- und Herschalten des Dreipunktreglers ver­ mieden.

Aus der DE-OS 27 26 987 ist bekannt, eine Regeleinrichtung in einen Digital- und einen Analogteil aufzuspalten. Dabei verarbeitet der digitale Teil, die digital vorliegenden Daten und der analoge Teil, die analog vorliegenden Daten.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Regelsystem der eingangs genannten Art den Einfluß der Reibung zu verringern, damit sich die Dynamik des Systems verbessert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Durch die Vorgabe der Hysteresebreite E des Stromreglers abhängig von Betriebskenngrößen können die Eigenschaften des Regelsystems wesent­ lich verbessert werden. Mittels des erfindungsgemäßen Systems können abhängig von verschiedenen Betriebsbedingungen wie Drehzahl oder Stellwerksposition, unterschiedliche Hysteresebreiten E eingestellt werden. Somit können die Einflüsse der Reibung ausgeglichen werden, ohne daß Eigenbewegungen des Stellwerks auftreten.

Weitere Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Fig. 1 zeigt den Zu­ sammenhang zwischen dem Strom der durch das Stellwerk fließt und der Stellwerksposition UI. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Regelsystems aufgezeigt. In Fig. 3 ist der durch das Stellwerk fließende Strom über der Zeit aufgetragen. Eine detaillierte Dar­ stellung des Reglers zeigen die Fig. 4 und 5.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Im folgenden wird das erfindungsgemäße System am Beispiel eines Stellwerks für eine Diesel-Kraftstoffpumpe beschrieben. Das er­ findunggemäße System läßt sich aber auch auf andere reibungsbe­ haftete Stellwerke insbesondere elektromagnetische Stellglieder übertragen. So ist es z. B. auch für einen Drosselklappensteller verwendbar.

Bei reibungsbehafteten Stellwerken ändert sich die Position des Stellwerks bei kleinen Änderungen des Stellsignals nicht. Der Zu­ sammenhang zwischen dem Strom I der durch das Stellwerk fließt und der Stellung UI die das Stellwerk einnimmt, ist in Fig. 1 aufge­ tragen. Soll das Stellwerk die Position X einnehmen, so sind hierzu je nach Vorgeschichte unterschiedliche Ströme I1 bzw. I2 erforder­ lich. Befindet sich das Stellwerk in der Position X mit einem Stell­ werkstrom I1 und es wird gefordert, daß sich seine Bewegungsrichtung ändert, muß der Stellwerkstrom zuerst auf den Wert I2 angehoben werden. Die Position des Stellglieds ändert sich erst, wenn der Strom sich um einen Mindestbetrag H ändert. Dieser Mindestbetrag hängt dabei von verschiedenen Betriebskenngrößen ab.

Solche Einflüsse sind z. B. die Position des Stellwerks, die Temperatur, die Drehzahl oder Fertigungstoleranzen. Besonders Vor­ teilhaft ist es, wenn die Hysteresbreite E so gewählt wird, daß sie der Hälfte des Mindestbetrags H entspricht.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Regelsystems auf­ gezeigt. Ein Regler 10 erhält über einen A/D-Wandler 70 ein Signal UI, das die tatsächliche Position der Regelstange angibt. Ferner erhält der Regler 10 über einen A/D-Wandler 20 ein Signal US, das die gewünschte Position der Regelstange angibt. Der Regler 10 berechnet aus diesen und weiteren Daten einen gewünschten Stell­ werksstrom IS, der über einen DA-Wandler 30 und einen Verknüpfungs­ punkt 35, einem 2-Punkt-Regler 40 zugeführt wird. Des weiteren be­ rechnet der Regler 10 ausgehend von verschiedenen Größen, der ge­ wünschten und der gemessenen Periodendauer T, die Hysteresebreite E des 2-Punkt-Reglers 40. Die Hysteresebreite E gelangt über einen DA-Wandler 80 zum 2-Punkt-Regler 40. Dieser 2-Punkt-Regler 40 steuert das Stellwerk 50 entsprechend an. Der am Stellwerk gemessene Stellstrom II wird auf den Verknüpfungspunkt 35 zurückgeführt. Ferner gelangt ein Signal UI bezüglich der tatsächliche Position des Stellwerks über ein analoges Differenzglied 60 an den Verknüp­ fungspunkt 35 und über den A/D-Wandler 70 an den digitalen Regler 10.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Regler 10, wie in Fig. 2 dargestellt, digital aufgebaut ist, und die übrigen Komponenten wie 2-Punkt-Regler und Differenzierglied analog realisiert sind. Mit dem digitalen Regler 10 ist eine effiziente Adaption möglich.

Um die Stabilität des Regelkreises zu verbessern, wird die tatsäch­ liche Position UI der Regelstange über das Differenzierglied 60 auf den Eingang des 2-Punkt-Reglers zurückgeführt. Dieser Differen­ zierer 60 ist analog ausgeführt. Dies bietet gegenüber einem in den Regler 10 integrierten, digitalen Differenzierer wesentliche Vor­ teile. Aufgrund der Abtastzeit und der endlichen Auflösung der gängigen A/D-Wandler erreicht man mit einem digitalen Differenzierer bei weitem nicht die benötigte Approximationsgüte.

Der digitale Regler 10 gibt abhängig von der gewünschten Position US der Regelstange, der tatsächlichen Position der Regelstange UI und weiteren Betriebskenngrößen einen Stromsollwert IS und die Hysterese­ breite E für den 2-Punkt-Regler 40 vor. Der 2-Punkt-Regler 40 steuert das Stellwerk abhängig von dem Vergleich zwischen ge­ wünschtem und tatsächlichem Stellwerksstrom, sowie abhängig von der gewünschten Hysteresebreite E. Hierzu verbindet oder unterbricht er die Verbindung zwischen Stellwerk und der Batteriespannung.

Erkennt der 2-Punkt-Regler 40, daß der tatsächliche Stellwerk­ strom II um die Hysteresebreite E größer als der gewünschte Stell­ werkstrom IS ist, so unterbricht er die Verbindung zur Batterie­ spannung. Fällt der tatsächliche Stellwerksstrom II um die Hysterese­ breite E unter den gewünschten Stellwerksstrom IS, so beaufschlagt er das Stellwerk mit der Batteriespannung. Der jeweilige Schaltzu­ stand des 2-Punkt-Reglers wird zur Messung der Periodendauer T dem Regler 10 zugeführt. Die Messung der Periodendauer kann in den Regler 10 integriert sein, oder in einem separaten Meßglied 205 erfolgen.

Der zeitliche Verlauf des Stellwerksstroms ist in der Fig. 3 darge­ stellt. Hierzu ist der Stellwerkstrom II über der Zeit t aufge­ tragen. Zum Zeitpunkt T1 ist der Stellwerkstrom um die Hysteres­ breite E kleiner als der gewünschte Stellwerksstrom IS, zu diesem Zeitpunkt wird das Stellwerk mit der Batteriespannung verbunden, daraufhin steigt der Stellwerksstrom an. Zum Zeitpunkt T2 ist der Stellwerkstrom um die Hysteresebreite größer als der gewünschte Strom IS, zu diesem Zeitpunkt wird die Verbindung Stellwerk Batteriespannung unterbrochen. Dies hat zur Folge, daß der Stell­ werkstrom II wieder abfällt, bis er wieder um die Hysteresebreite E unter dem gewünschten Wert IS liegt.

Der Wert des Stellwerkstroms schwankt also dauernd zwischen einem Wert, der um die Hysteresbreite E über und einem Wert der um die Hysteresebreite E unter dem gewünschten Stellwerkstrom liegt. Durch eine entsprechende Vorgabe der Hysteresebreite E kann erreicht werden, daß der Stellwerkstrom zwischen zwei Stromwerten hin- und her­ schwankt. Der 2-Punkt-Regler schaltet also laufend zwischen seinen beiden Zuständen hin und her. Durch Vorgabe der Hysteresebreite kann die Schaltzeit beeinflußt werden. Die Schaltzeit wird so einge­ stellt, daß bei Änderungen des gewünschten Stellwerkstroms IS sehr schnell eine Reaktion des Stellwerks erfolgt. Dabei treten bei kon­ stantem gewünschtem Stellwerkstrom IS keine Eigenbewegungen des Stellwerks auf.

In Fig. 4 ist der Teil des Reglers 10 (Positionsregler) darge­ stellt, der den Sollwert für den Stellwerksstrom IS berechnet. Über den A/D-Wandler 70 und den A/D-Wandler 20 gelangen die gewünschte Regelstangeposition US und die tatsächliche Position UI der Regel­ stange zu einem Vergleichspunkt 110. Die Differenz dieser beiden Signale gelangt zu einem Integrator 120 und zu einem Proportional­ glied 130.

Die Punkte 2 und 3 deuten an, daß die Proportionalitätskonstante P und die Integratorstellgröße beeinflußt werden können. Die Ausgangs­ signale des Proportionalglieds 130 und des Integrators 120 gelangen über die Additionstelle 135 zu einem Begrenzer 140. Das Ausgangs­ signal des Begrenzers 140 stellt das Ausgangssignal des Reglers 10 dar und wird zum D/A-Wandler 30 geleitet.

Das Ausgangssignal des Begrenzers 140 und das Ausgangssignal der Differenzstufe 110 (Regeldifferenz) bilden das Eingangssignal eines Blocks 150. Dessen Ausgangssignal, wie durch den Punkt 3 angedeutet, den Integrator 120 beeinflußt. Verschiedene Betriebskenngrößen und die Regeldifferenz werden einem Block 160 zugeleitet. Dieser Block 160 kann, wie mit dem Punkt 2 angedeutet, das Proportionalglied beeinflussen.

Abhängig von der Differenz zwischen gewünschter Position US und tatsächlicher Position UI der Regelstange, bestimmen der Inte­ grator 120 und das Proportionalglied 130 je ein Ausgangssignal die in der Additionstelle 135 aufsummiert werden. Diese beiden Blöcke 120, 130 arbeiten als Regler mit wenigstens PI-Verhalten. Das Ausgangssignal dieses Reglers wird im Begrenzer 140 auf einen maximalen Wert beschränkt. Im D/A-Wandler wird das Ausgangssignal des Begrenzers in ein Signal umgewandelt das den gewünschten Stell­ werkstrom IS darstellt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß das Ausgangssignal des Begrenzers 140 die Regeldifferenz, einem Block 150 zugeleitet werden. Dieser Block 150 enthält eine Anti-Reset-Windup-Funktion. Überschreitet das Ausgangssignal des Reglers 120, 130 eine Begrenzung, dies bedeutet das Signal wird durch den Begrenzer 140 beschränkt, so wird der Wert des Integrators eingefroren.

Dies bedeutet, daß der Wert des Integrators 120 abgespeichert und nicht mehr erhöht wird, bis das Reglerausgangssignal die Begrenzung wieder verläßt. Wird der Wert des Integrators nicht eingefroren und liegt über einen längeren Zeitraum eine Regeldifferenz an, so nimmt der Wert des Integrators unter Umständen sehr große Wert an. Ändert sich dann das Vorzeichen der Regelabweichung, so benötigt der Regler sehr lange, bis der Wert des Integrators wieder abgebaut ist. Der Block 150 verbessert die Regelgüte des Reglers. Steht dem Block 150 zusätzlich die Regelabweichung zur Verfügung, so beginnt der Inte­ grator sofort nach einer Änderung des Vorzeichens der Regeldifferenz weiter zu arbeiten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt der Block 160 dar. In diesem Element ist die Proportionalitätskonstante des P-Anteils abhängig von einer oder mehreren der Größen Regel­ differenz, Batteriespannung, Drehzahl, oder Kraftstofftemperatur abgelegt. Abhängig von diesen Größen kann die Proportionalitätskon­ stante des Proportionalgliedes 130 eingestellt werden.

Als besonders günstig hat sich herausgestellt, wenn die Proportio­ nalitätskonstante P bei kleinen Regelabweichungen größer ist als bei großen Regelabweichungen. Eine große Proportionalitätskonstante P ist bei kleiner Batteriespannung und oder bei niederen Temperaturen günstig. Eine kleine Proportionalitätskonstante P ist dagegen bei großer Drehzahl von Vorteil.

In Fig. 5 ist der Teil des Reglers 10 detailliert ausgeführt, der die Hysteresbreite E des 2-Punkt-Reglers berechnet (Periodendauer­ regler). Abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen wie zum Bei­ spiel der Drehzahl und der Position UI bzw. US der Regelstange gibt die Sollwertberechnung 200 einen Wert TS für die Periodendauer vor. Dieser gewünschte Wert für die Periodendauer TS wird mit dem tat­ sächlichen Wert der Periodendauer T verglichen. Die Differenz dieser beiden Signale (Regeldifferenz des Periodendauerreglers) wird dem Periodendauerregler 210 zugeführt. Der Regler 210 besitzt zuminde­ stens I-Verhalten. Dessen Ausgangssignal wird vom Begrenzer 220 nach unten und oben begrenzt.

Im Additionspunkt 225 wird das Ausgangssignal eines Vorsteuerkenn­ feldes 230 zum Ausgangssignal des erten Begrenzers 220 hinzu­ addiert. Die Summe der beiden Signale wird in einem zweiten Be­ grenzer 240 geeignet begrenzt. Dessen Ausgangssignal stellt die Hysteresbreite E dar, die über den D/A-Wandler 80 zum 2-Punkt-Regler 40 gelangt.

Abhängig vom Vergleich zwischen dem gewünschten Wert der Perioden­ dauer TS und der tatsächlichen Periodendauer T berechnet der Regler 210 den Wert für die Hysteresebreite E. Da dieser größer als ein Mindestwert aber auch nicht größer als ein Maximalwert sein soll, beschränkt der Begrenzer 220 das Ausgangssignal des Reglers 210 auf einen bestimmten Wertebereich.

Das Vorsteuerkennfeld 230 stellt sicher, daß auf schnelle Änderungen der Regelstangeposition umgehend reagiert werden kann. Abhängig von Betriebskenngrößen sind im Vorsteuerkennfeld Werte für die Hystere­ sebreite E abgelegt. Bei starker Reibung ist eine große Hysterese­ breite E notwendig, um die Reibungskräfte zu überwinden. Eine große Hysteresebreite E bedingt eine große Periodendauer P. Bei kleiner Reibung ist nur eine kleine Hysteresebreite E notwendig, um die Reibungskräfte zu überwinden. Wird hier eine große Hysteresebreite verwendet so führt dies zu Eigenbewegungen des Stellwerks.

Die Reibung hängt unter anderem von der Stellwerksposition ab, daher wird die Hysteresebreite E zumindestens abhängig von der Stellwerks­ position im Kennfeld abgelegt. Bei großen Stellwerkspositionen ist die Reibung üblicherweise hoch. In diesem Fall ist eine große Hysteresebreite notwendig. Bei kleiner Regelstangenposition ist dagegen nur eine kleine Hysteresebreite erforderlich, da hier die Reibung geringer ist. Bei schnellen Änderungen der Stellwerks­ position steht der neue Wert für die Hysteresebreite E sofort am Ausgang des zweiten Begrenzers 240 zur Verfügung.

In einer vereinfachten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird auf die Messung der Periodendauer verzichtet. In diesem Fall wird die Hysteresebreite als Funktion verschiedener Betriebskenn­ größen aus einem Kennfeld ausgelesen. Hierzu dient ein modifiziertes Vorsteuerkennfeld 230, in dem die Hysteresebreite abhängig von der Stellwerksposition, der Drehzahl und weiteren Größen abgelegt ist. Ein solches System ist besonders einfach realisierbar.

Der beschriebene Periodendauerregler ist bei reibungsbehafteten Stellwerken von Vorteil. Insbesondere dann, wenn die Reibung in unterschiedlichen Arbeitspunkten und unterschiedlichen Betriebszu­ ständen verschiedene Werte besitzt.

Claims (8)

1. Regelsystem für ein reibungsbehaftetes Stellwerk (50) in einem Kraftfahrzeug, mit einem ersten Regler (10) und einen nachge­ schalteten 2-Punkt-Regler (40), wobei der erste Regler (10) eine erste Größe, die die tatsächliche Stellwerksposition (UI) kenn­ zeichnet, mit einer zweiten Größe, die die gewünschten Stellwerks­ position (US) kennzeichnet, vergleicht und wenigstens eine Eingangs­ größe für den nachgeschalteten 2-Punkt-Regler (40) berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß der 2-Punkt-Regler (40) eine variable Hysterese­ breite (E) aufweist, die betriebskenngrößenabhängig steuerbar ist.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler digital ausgeführt ist und einen Positionsregler und einen Periodendauerregler umfaßt.

3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Positionsregler den Stromsollwert für den 2-Punkt-Regler ausgibt.

4. Regelsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Größen Regelabweichung, Batteriespannung, Drehzahl oder Kraftstofftemperatur die Regelpara­ meter des Positionsreglers beeinflussen.

5. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodendauerregler die Hysteresebreite E ausgibt.

6. Regelsystem nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodendauerregler vorzugsweise I-Verhalten aufweist und sein Ausgangssignal einer Begrenzung unterliegt.

7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Ausgangssignal des Periodendauerreglers eine Vorsteuerung abhängig von der Position des Stellwerks auf die Hysteresebreite Einfluß besitzt.

8. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellwerksposition über ein analoges D-Glied auf den Eingang des 2-Punkt-Reglers zurückgeführt wird.