DE4304441A1 - Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit Hilfe eines Kennfeldes - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit Hilfe eines KennfeldesInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Es ist schon ein Verfahren zum Betreiben eines
Prozesses mit Hilfe eines Kennfeldes aus der DE-OS 34 08 215 be
kannt. Das dortige Verfahren dient zur Steuerung der Betriebskenn
größen einer Brennkraftmaschine. Insbesondere sind daraus Verfahren
zur Lambda-Regelung, Klopfregelung, Zündzeitpunkt-Regelung und Ein
spritz-Regelung bekannt.
Bei den dortigen Verfahren wird mit Hilfe eines im Speicher des
Steuergerätes abgelegten Kennfeldes eine Vorsteuerung der zu
regelnden Betriebsgrößen bewirkt. Ein überlagertes Regelungsver
fahren führt dann eine multiplikative oder auch additive Beein
flussung der ausgelesenen Kennfeldwerte durch. Darüberhinaus ist es
ebenfalls möglich, die Kennfeldwerte an sich mittels der über
lagerten Regelung zu verändern. Die Änderung kann sogar ständig
während des Betriebes durchgeführt werden, so daß eine Selbstan
passung des Kennfeldes erzielt wird.
Die Kennfelder werden durch Stützstellen repräsentiert. Dabei sind
die Stützstellen nach einem fest vorgegebenen Raster im Kennfeld
angeordnet. Pro Stützstelle ist der Wert des Kennfeldes an deren
Position im Speicher des Steuergerätes eingeschrieben. Die ver
wendeten Kennfelder sind maximal dreidimensional. Bei der Bestimmung
des Kennfeldwertes für einen Arbeitspunkt, der nicht in einem
Knotenpunkt des vorgegebenen Rasters liegt, wird eine Interpolation
unter Verwendung der um den Arbeitspunkt liegenden Stützstellen
durchgeführt. Bei den dort verwendeten Rasterkennfeldern ergeben
sich Probleme bei zeitvarianten Systemen, bei denen eine Kennfeld
adaption erforderlich ist.
Lernverfahren für Rasterkennfelder müssen einen im allgemeinen an
beliebiger Stelle zwischen den Stützstellen liegenden Meßwert auf
die umliegenden Stützstellen extrapolieren. Hierdurch ist eine An
passung der Stützstellen meist nicht in einem Schritt möglich. Viel
mehr kann eine bereits gut angepaßte Stützstelle durch einen in der
Umgebung ermittelten Korrekturwert wieder verfälscht werden. Durch
diese Verkopplung der Stützstellen kann unter ungünstigen Voraus
setzungen (Zeitverlauf des Arbeitspunktes und Wahl der Lern
parameter) eine Schwingneigung entstehen, die zum abwechselnden An
heben und Absenken der Stützstellen in Form eines Schachbrettmusters
führt. Derzeit werden deshalb nur grobe Korrekturen durchgeführt, z. B.
multiplikative oder additive Verschiebungen des Gesamtkennfeldes.
Weiterhin ist die Stützstellendichte nicht lokal anpaßbar, es kann
lediglich eine im gesamten Adreßraum gleichermaßen wirksame Lineari
sierung einzelner Adreßkomponenten durchgeführt werden. Bei grober
Quantisierung wird die maximale Kennfelddynamik begrenzt, bei feiner
Quantisierung können in seiten angefahrenen Bereichen unter Um
ständen nicht alle Stützstellen häufig genug angepaßt werden und es
entstehen Wissenslücken. Bei grober Quantisierung und Kennfeldan
passung entstehen Probleme dadurch, daß eine Information nicht am
Ort ihres Entstehens eingetragen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit
Hilfe eines Kennfeldes hat dem gegenüber den Vorteil, daß die Stütz
stellen des Kennfeldes unabhängig von einem festen Raster an be
liebiger Stelle des Kennfeldes plazierbar sind. Hierdurch wird es
möglich, die Stützstellendichte den lokalen Genauigkeitsan
forderungen anzupassen. Hierdurch kann bei minimalem Trainings
aufwand eine sehr hohe lokale Kennfelddynamik, d. h. Steigungs
änderung der zu speichernden Funktion, nachgebildet werden. Insbe
sondere wird der Stützstellenbedarf nur von der geforderten Nach
bildungsgenauigkeit, nicht aber von der Kennfelddimension bestimmt,
wodurch auch mehrdimensionale Problemstellungen effizient behandelt
werden können.
Da die Stützstellen an beliebiger Stelle im Adreßraum eingetragen
werden können, wird die Vermessung und Optimierung durch den Appli
kateur vereinfacht. Außerdem wird die zentrale Problematik bei der
Kennfeldadaption, die Informationsextrapolation auf umliegende
Stützstellen vermieden,
wodurch auch eine effiziente Anpassung der Kennfeldstruktur an
Fertigungstoleranzen, Umgebungseinflüsse und Alterungserscheinungen
und zwar nicht nur einer von den Rasterkennfeldern bekannten
globalen Verschiebung oder Verschiebung von Teilbereichen, sondern
eine exakte Anpassung der Kennfeldstruktur durch Anpassung einzelner
Stützstellen möglich wird.
Es ergibt sich die Möglichkeit zur effizienten Realisierung mehr
dimensionaler Kennfelder, weil der Speicherbedarf nicht wie beim
Rasterkennfeld mit wachsender Kennfelddimension exponentiell steigt,
sondern ausschließlich von den vorgegebenen Genauigkeitsan
forderungen abhängt. Weiterhin wird es möglich Stützstellen an be
liebig vorgegebenen Positionen exakt zu plazieren. Dies ist z. B.
zur Plazierung von Stützstellen an Positionen, die für einen Abgas
test besonders relevant sind oder bei der Vermessung eines Aggre
gates auf dem Prüfstand besonders leicht gemessen werden können vor
teilhaft.
Weiterhin vorteilhaft ist, daß bei Anwendung von Lernverfahren zur
Anpassung des Kennfeldes an veränderte Bedingungen durch variable
Einflußbereiche der Stützstellen der Trainingsaufwand reduziert und
Wissenslücken vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich. So ist es besonders vorteilhaft,
Adreß- und Nutzinformation der Stützstelle gleichberechtigt zu
speichern. Damit wird ein inverser Kennfeldzugriff, d. h. das Ver
tauschen der Adreß- und Nutzinformation möglich. Dies bringt insbe
sondere bei lernfähigen Systemen Vorteile, weil eine koordinierte
Mitführung zweier separater Rasterkennfelder nur sehr schwer möglich
wäre. Weiterhin
vorteilhaft ist es, für einzelne Stützstellen oder für Gruppen be
nachbarter Stützstellen Umgebungsinformationen im Speicher des
Steuergerätes abzuspeichern. Da sich der Arbeitspunkt eines techni
schen Prozesses in aller Regel kontinuierlich mit begrenzter
Änderungsgeschwindigkeit durch den Adreßraum des Kennfeldes bewegt,
kann das Steuergerät schneller auf die für den Arbeitspunkt rele
vanten Stützstellen zugreifen. Durch Einführen einer Umgebungs
struktur können eventuell vorhandene Mehrdeutigkeiten beim inversen
Kennfeldzugriff aufgelöst werden. Dies ist bei der detailliertesten
Umgebungsstruktur, der Stützstellenkopplung über Zeiger, am besten
möglich.
Die Abspeicherung von Zeigern auf die benachbarten Stützstellen für
die einzelnen Stützstellen ist vorteilhaft, weil dadurch ein sehr
schneller Zugriff zu den benachbarten Stützstellen ermöglicht wird.
Die Suche der benachbarten Stützstellen wird dadurch stark ver
einfacht. Es ist weiterhin vorteilhaft den Adreßraum des Kennfeldes
in mehrere Bereiche zu unterteilen und den einzelnen Bereichen be
stimmte Segmente im Speicher des Steuergerätes zuzuweisen und die
Stützstellen des jeweiligen Bereiches im entsprechenden Speicher
segment abzulegen. Auch dadurch wird eine Umgebungsinformation im
Speicher des Steuergerätes abgelegt, so daß die relevanten Stütz
stellen für einen gegebenen Arbeitspunkt schneller aufgefunden
werden können. Das Verfahren ist durch die Aufteilung des Kennfeldes
in Bereiche benachbarter Stützstellen besonders geeignet für
parallel verarbeitende Hardwarestrukturen, z. B. den Einsatz von in
haltsadressierbaren Speichern.
Die Durchführung einer Zwischenwertberechnung aus den Kennfeldwerten
geeigneter Stützstellen zur Bestimmung eines Kennfeldwertes für
einen gegebenen Arbeitspunkt des Prozesses bietet die Möglichkeit
einer genauen Wiedergabe des Kennfeldes ohne einen zu großen
Speicherbedarf für das Kennfeld zu verursachen. Dabei ist es vor
teilhaft diejenigen Stützstellen als geeignete Stützstellen auszu
wählen, die nah am Arbeitspunkt liegen und gleichmäßig um diesen
verteilt sind. Bei der Auswahl derartiger Stützstellen ist die Wahr
scheinlichkeit für eine möglichst genaue Kennfeldnachbildung am
größten. Die Wahrscheinlichkeit für die Durchführung von Extra
polationen zur Bestimmung von Kennfeldwerten wird dadurch minimiert.
Insbesondere die Kriterien nach den Ansprüchen 7 bis 10 bieten
günstige Suchstrategien.
Weiterhin vorteilhaft ist es, bei der Abstandsberechnung zur Fest
stellung der möglichst nah am Arbeitspunkt liegenden Stützstellen
statt der euklidischen Norm die L1-Norm (Cityblock-Distanz) zu
bilden, da zur Berechnung der L1-Norm weniger Rechenaufwand er
forderlich ist. Es ist weiterhin vorteilhaft zur Zwischenwert
berechnung in einem n-dimensionalen Kennfeld n + 1 Stützstellen
heranzuziehen. Auch dadurch wird der Rechenaufwand verringert. Die
mehrstufige Auslegung eines Kennfeld-Zugriffs ist ebenfalls vorteil
haft, um ein schnelles Auffinden der geeigneten Stützstellen zu er
möglichen. Dabei ist es vorteilhaft, daß bei einem Zugriff auf
Stützstellen des Kennfeldes in einer ersten Stufe der Bereich, in
dem die gewünschten Stützstellen enthalten sind, ermittelt wird und
daß in einer zweiten Stufe das dem ermittelten Bereich zugeordnete
Segment im Speicher des Steuergerätes unstrukturiert nach geeigneten
Stützstellen durchsucht wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, zur Ermittlung des Bereiches, in dem
die gewünschten Stützstellen enthalten sind, eine feste Adreß
rechnung durchzuführen. Hierdurch wird ein schneller Zugriff auf die
grobe Umgebung des aktuellen Arbeitspunktes ermöglicht.
Eine günstige Bereichseinteilung des Adreßraumes ist eine Einteilung
mit orthogonal verlaufenden Bereichsgrenzen, wobei die Unterteilung
für jede Adreßkomponente separat durchgeführt wird. Diese Einteilung
ist vor allem hinsichtlich der festen Adreßrechnung für die erste
Zugriffsstufe vorteilhaft, da der Rechenaufwand dabei gering ist.
Die Durchführung einer Bereichseinteilung nach dem Kriterium, daß
die Anzahl der Stützstellen in jedem Bereich möglichst gleich groß
wird, ist deswegen von Vorteil, weil dadurch größere Zeitunter
schiede bei der Durchsuchung von Adreßraumbereichen vermieden
werden. Eine günstige Einteilung des Kennfeldes wird erreicht, indem
die Bereichsgrenzen manuell oder automatisch so festgelegt werden,
daß für jede Adreßkomponente die Gesamtmenge der Stützstellen durch
die (K-1)-Bereichsgrenzen dieser Adreßkomponente in K möglichst
gleichgroße Teilmengen benachbarter Stützstellen unterteilt wird.
Mit Hilfe dieser Einteilung der Bereichsgrenzen wird eine relativ
gleichmäßige Verteilung der Stützstellen auf die einzelnen Bereiche
erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Kennfeldunterteilung be
steht darin, die Stützstellen eines Bereiches jeweils einem
Repräsentativpunkt zuzuordnen, der ebenfalls in den Speicher des
Steuergerätes eingeschrieben wird, wobei der Repräsentativpunkt aus
den Adreßkomponenten seiner Position im Kennfeld und einem Zeiger
auf den Anfang des entsprechenden Speichersegmentes, in dem die
Stützstellen des Bereiches abgelegt sind, besteht. Durch diese Maß
nahme ist eine freiere Gestaltung der Bereichsgrenzen möglich, um z. B.
auch bei lokal stark variierender Stützstellendichte die Stütz
stellen gleichmäßig auf die Bereiche zu verteilen. Eine einfache
Zuordnung der Stützstellen zu einem Repräsentativpunkt wird dadurch
erreicht, daß jedem Repräsentativpunkt all diejenigen Stützstellen
des Kennfeldes zugeordnet werden, die zu diesem Repräsentativpunkt
näher liegen als zu irgendeinem anderen Repräsentativpunkt. Umge
kehrt ist es vorteilhaft, die Position jedes Repräsentativpunktes
dadurch
zu bestimmen, daß die Mittelwerte der Adreßkomponenten aller ihm
zugeordneter Stützstellen die Position des Repräsentativpunktes
festlegen. Zur Durchführung der ersten Zugriffsstufe kann der
aktuelle Kennfeldbereich sehr einfach bestimmt werden, indem der dem
aktuellen Arbeitspunkt nächst gelegene Repräsentativpunkt ermittelt
wird. Geeignete Interpolationsstützstellen können nun z. B. durch
unstrukturiertes Durchsuchen der diesen Punkt zugeordneten Stütz
stellen ausgewählt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, das Kennfeld automatisch an ein ver
ändertes Prozeßverhalten des technischen Prozesses anzupassen. Damit
wird eine Lernfähigkeit des Steuergerätes hinsichtlich des Kenn
feldes erreicht. Bei der Anpassung des Kennfeldes an ein verändertes
Prozeßverhalten ist es vorteilhaft, neue Stützstellen in den
Speicher des Steuergerätes einzuschreiben. Eine Korrektur von vor
handenen Stützstellen ist dann nicht mehr erforderlich, die neuen
Stützstellen können an beliebiger Stelle des Adreßraumes plaziert
werden. Um den Speicherbedarf für das Kennfeld weiter gering zu
halten, ist es vorteilhaft ebenfalls alte Stützstellen zu löschen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, zur Abspeicherung der Stützstellen des
Kennfeldes und zur Auswahl geeigneter Stützstellen einen inhalts
adressierbaren Speicher zu verwenden. Der Einsatz eines inhalts
adressierbaren Speichers bietet den Vorteil der schnellen Auffindung
von geeigneten Stützstellen bei nur geringem Rechenzeitbedarf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur
Steuerung einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 ein dreidimensionales
Kennfeld mit einer erfindungsgemäßen Stützstellenverteilung;
Fig. 3 ein erstet Ausführungsbeispiel für die Aufteilung des Adreß
raums des Kennfeldes mit einer Darstellung der Interpolations
stützstellenauswahl bei einem dreidimensionalen Kennfeld:
Fig. 4 eine Darstellung für einen Arbeitspunkt mit ausgewählten Stütz
stellen des Kennfeldes für einen ein-, zwei- und dreidimensionalen
Adreßraum;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Auf
teilung des Adreßraums eines dreidimensionalen Kennfeldes;
Fig. 6 eine Baumdarstellung der in Fig. 5 gezeigten Adreßraumaufteilung;
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Aufteilung des
Adreßraumes eines dreidimensionalen Kennfeldes;
Fig. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel
für die Aufteilung des Adreßraumes eines dreidimensionalen Kenn
feldes;
Fig. 9 eine schematische Darstellung für einen Zugriff zu
den Stützstellen des Kennfeldes mit der Adreßraumaufteilung nach
Fig. 8;
Fig. 10 ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Aufteilung
des Adreßraumes eines dreidimensionalen Kennfeldes und
Fig. 11 ein sechstes Ausführungsbeispiel für die Aufteilung des
Adreßraums eines dreidimensionalen Kennfeldes, wobei die Stützstellen miteinander
verkettet sind.
In Fig. 1 ist mit der Bezugszahl 10 ein Steuergerät bezeichnet. Das
Steuergerät ist für die Steuerung eines technischen Prozesses vorge
sehen. Als Beispiel wird ein Motorsteuergerät genannt. Dieses
steuert als technischen Prozeß den Verbrennungsvorgang einer Brenn
kraftmaschine. Mit der Bezugszahl 14 ist der technische Prozeß in
diesem Fall der Verbrennungsvorgang bei einer Brennkraftmaschine
bezeichnet. Der Aufbau des Steuergerätes 10 ist nur grob darge
stellt. Die Bezugszahl 11 bezeichnet dabei einen Mikrorechner. Mit
der Bezugszahl 12 ist der Speicher des Steuergerätes 10 bezeichnet.
Weiterhin ist mit der Bezugszahl 13 eine Ein-/Ausgabeeinheit be
zeichnet. Der konkrete Aufbau des Steuergerätes 10 für die Steuerung
einer Brennkraftmaschine ist aus dem Stand der Technik hinreichend
bekannt. Bei einem 4-Takt-Motor
kann sowohl Zündung als auch Benzineinspritzung elektronisch ge
steuert werden. Für die Zündwinkelsteuerung berechnet der Mikro
rechner 11 den Zündwinkel zwischen zwei Zündvorgängen aus den Infor
mationen Last und Drehzahl. Die Informationen Last und Drehzahl
werden dem Steuergerät 10 über angeschlossene Geber zugeführt. Im
Speicher 12 des Steuergerätes 10 ist ein komplexes Zündkennfeld ge
speichert. Der Mikrorechner 11 entnimmt für die Berechnung des Zünd
winkels zwischen zwei Zündvorgängen den zum aktuellen Last- und
Drehzahlwert gehörigen Wert als dem gespeicherten Zündkennfeld. Der
vom Mikrorechner 11 aus dem Kennfeld entnommene Zündwinkelwert wird
eventuell vom Mikrorechner 11 korrigiert. Dies kann in Abhängigkeit
von weiteren Einflußgrößen wie z. B. Motortemperatur, Ansaugluft
temperatur oder in Form eines geschlossenen Regelkreises durch Rück
führung einer oder mehrerer Prozeßgrößen wie Brennraumdruckverlauf,
Klopfsignal, Abgastemperatur usw. und Auswertung durch einen
geeigneten Regler durchgeführt werden. Das Steuergerät 10 löst dann
den Zündvorgang zu dem entsprechenden Zündzeitpunkt aus. Das gleiche
Steuergerät 10 übernimmt ebenfalls die Steuerung der Gemischauf
bereitung. Dabei werden zum richtigen Zeitpunkt Einspritzventile
betätigt, die dann eine definierte Kraftstoffmenge in den Ansaug
trakt des Verbrennungsmotors einspritzen. Die Gemischzusammensetzung
ist dabei abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors. Der
Mikrorechner 11 bildet die Einspritzzeit aus dem Luftmengensignal,
dem Drehzahlsignal und eventueller
Korrekturfaktoren. Das Luftmengensignal und das Drehzahlsignal er
geben ein Maß für die Motorlast (Luftmenge pro Hub). Die für den
Betriebszustand beste Einspritzmenge entnimmt der Mikrorechner 11
aus einem im Speicher 12 des Steuergerätes 10 abgelegten Ein
spritz-Kennfeld. Das Einsptitz-Kennfeld wird durch die Betriebs
parameter Motorlast und Motordrehzahl aufgespannt. Bezüglich
weiterer Einzelheiten zu dem Motorsteuergerät wird auf die Druck
schrift Bosch Technische Unterrichtung "kombiniertes Zünd und Benzin
einspritzsystem", Januar 1983, verwiesen. Im folgenden wird auf das
Steuergerät 10 und den zu steuernden Prozeß 14 nur insoweit einge
gangen, als er die abgespeicherten Kennfelder und den Zugriff des
Mikrorechners 11 auf diese Kennfelddaten betrifft.
Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines einfachen Kennfeldes wie es im
Speicher 12 des Steuergerätes 10 abgelegt ist. Dabei wird der Adreß
raum des Kennfeldes durch die Größen X1 und X2 aufgespannt.
Diese Größen entsprechen sowohl beim Zündkennfeld als auch beim Ein
spritz-Kennfeld den Größen Motorlast und Motordrehzahl respektive.
Das Kennfeld ist nicht vollständig im Speicher 11 des Steuergerätes
10 enthalten, sondern durch ausgewählte Stützstellen 20 reprä
sentiert. Die bei herkömmlichen Kennfeldstrukturen übliche Speiche
rung eines festen Stützstellenrasters und direkter Zugriff auf die
aktuellen Stützstellen 20 über eine feste Adreßrechnung, z. B. mit
Hilfe von Stützstellentabellen wird zugunsten einer freien Plazier
barkeit der Stützstellen 20 aufgegeben. Statt dessen wird ein neues
Stützstellenformat gebildet, bei dem Informationseinheiten, be
stehend aus mindestens einer Nutzinformation (Ausgangsgröße,
Funktionswert), den zugehörigen Adreßinformationen (Eingangswerte,
Position im Adreßraum) und ggfs. Umgebungsinformation (Zeiger auf
benachbarte Stützstellen, Ordnungsinformation in Baumstruktur etc.)
gespeichert werden. Nutz- und Adreßinformationen werden hierbei
gleichberechtig behandelt, um einen inversen Zugriff (Vertauschen
einer Adresse mit der Nutzinformation) zu ermöglichen, falls die
Problemstellung dies erfordert. Hierdurch können Stützstellen 20 an
jeder beliebigen Stelle im Adreßraum gespeichert und die lokale
Stützstellendichte beliebig angepaßt werden. Beim Auslesen der
aktuellen Nutzinformation werden die den aktuellen Arbeitspunkt mög
lichst gut repräsentierenden Stützstellen 20 gesucht. Es werden die
jenigen Stützstellen 20 zur Interpolation ausgewählt, die möglichst
dicht am Arbeitspunkt liegen und möglichst gleichmäßig um diesen
verteilt sind (Arbeitspunkt im Schwerpunkt der Stützstellen, um
Extrapolationen zu vermeiden). Nachfolgend werden einige mögliche
Adreßraumaufteilungen von Kennfeldern und Methoden zur Bestimmung
der günstigsten Interpolationsstützstellen für einen im Adreßraum
des Kennfeldes gegebenen Arbeitspunkt vorgestellt.
In Fig. 3 ist der Adreßraum für ein dreidimensionales Kennfeld mit
eingetragenen Stützstellen 20 dargestellt. Darüberhinaus ist ein
aktueller Arbeitspunkt 21 des technischen Prozesses dargestellt. Für
jede Stützstelle 20 wird die Adreßinformation, d. h. deren Koordi
naten (X1, X2) und der zugehörige Funktionswert im Speicher 12
des Steuergerätes 10 eingetragen. Es ist der allgemeine Fall darge
stellt, daß der aktuelle Arbeitspunkt 21 nicht mit einer Stützstelle
20 des Kennfeldes übereinstimmt. Um die Information des Kennfeldes
für diesen Arbeitspunkt 21 auszulesen, wird eine Interpolation aus
den zu dem Arbeitspunkt 21 am nächsten benachbarten Stützstellen 22
durchgeführt. Dabei durchsucht der Mikrorechner 11 den gesamten
Adreßraum, d. h. alle abgespeicherten Stützstellen 20 des Kennfeldes
nach geeigneten Stützstellen 22. Er führt dabei eine Abstands
berechnung durch. Dabei ermittelt er den Abstand zwischen einer aus
gelesenen Stützstelle 20 und dem aktuellen Arbeitspunkt 21. Aus
gehend von diesen Berechnungen wählt er dann drei geeignete Inter
polationsstützstellen 22 aus. Es findet also eine unstrukturierte
Suche der für den aktuellen Arbeitspunkt 21
relevantesten Umgebungsstützstellen statt. Den Abstand berechnet der
Mikrorechner vorzugsweise nicht nach der euklidischen Norm, sondern
nach der L1-Norm, die auch unter dem Begriff Cityblockdistanz in
der Literatur bekannt ist. Dabei werden die Abstände zwischen zwei
Punkten P1, P2 im Adreßraum nach der Formel
berechnet. n = Kennfelddimension.
Die Abstandsberechnung ist in Fig. 3 durch Pfeile angedeutet. Der
Mikrorechner wählt die drei nächstgelegenen Stützstellen für die
Interpolation aus. Handelt es sich um ein n-dimensionales Kennfeld,
so wählt er n+1 Stützstellen für die Interpolation aus.
Der Mikrorechner 11 kann auch so programmiert sein, daß er bei der
Auswahl der für die Interpolation geeigneten Stützstellen 22 über
prüft, ob der Arbeitspunkt 21 innerhalb der konvexen Hülle des durch
die betrachteten Stützstellen 20 gebildeten Simplex liegt. Gering
fügige Abweichungen bis zu einem vorgegebenen Maß werden dabei noch
toleriert.
In Fig. 4 wird dieses Kriterium verdeutlicht. Dort ist ein Arbeits
punkt 21 dargestellt, der von den betrachteten Stützstellen 20 um
geben ist. Für ein eindimensionales Kennfeld, d. h. eine Kennlinie,
muß der Arbeitspunkt 21 zwischen den zwei ausgewählten Stützstellen
20 liegen. Dies ist in Fig. 4a dargestellt. Für ein drei
dimensionales Kennfeld muß der Arbeitspunkt 21 innerhalb des durch
die ausgewählten Stützstellen 20 gebildeten Dreiecks liegen (s.
Fig. 4b). Bei einem dreidimensionalen Kennfeld werden für die
Interpolation vier Stützstellen 20 ausgewählt. Der Arbeitspunkt 21
muß dann innerhalb der durch die ausgewählten Stützstellen 20 ge
bildeten Pyramide liegen. Dies ist in Fig. 4c dargestellt.
Der Mikrorechner 11 des Steuergerätes 10 kann auch so programmiert
sein, daß er für die Auswahl der geeigneten Stützstellen 22 das
Kriterium überprüft, ob die (räumlichen) Winkel, die vom Arbeits
punkt 21 und je zwei Stützstellen 20 aufgespannt werden, möglichst
gleich groß sind. Auch hier sind geringfügige Abweichungen bis zu
einem vorgegebenen Maß noch tolerierbar. Ein weiteres Kriterium für
die Auswahl der geeigneten Stützstellen 22 ist dadurch gegeben, daß
bezüglich jeder Adreßkomponente X1, X2 Stützstellen oberhalb und
unterhalb des Arbeitspunktes 21 liegen. Dieses Kriterium (karte
sische Hülle) ist sehr leicht vom Mikrorechner 11 überprüfbar, da er
dazu lediglich die Adreßkomponenten (X1, X2) der ausgewählten
Stützstellen 20 mit den Adreßkomponenten des Arbeitspunktes 21 ver
gleichen muß.
Fig. 5 zeigt eine Aufteilung des dreidimensionalen Adreßraumes in
unterschiedlich stark verfeinerte Teilbereiche. Durch die Linien
L1 wird der Adreßraum in die vier Teilbereiche B0 bis B3 unter
teilt. Der Teilbereich B0 wird durch die Linien L2 ebenfalls in
vier Teilbereiche unterteilt. Der Teilbereich B1 ist durch die Linie
L3 in zwei Teile unterteilt. Der Teilbereich B2 ist durch die
Linie L4 ebenfalls in zwei Teilbereiche unterteilt. Der Teilbereich
B3 ist nicht mehr weiter unterteilt. In jedem Teilbereich ist eine
Stützstelle eingezeichnet. Mit dieser Art der Einteilung des Adreß
raumes kann die Stützstellendichte den Genauigkeitsanforderungen
angepaßt werden. In Bereichen sehr starker Kennfelddynamik d. h.
hohen Informationsgehalts durch starke Steigungsänderung der ge
speicherten Funktion wird die Adreßraumunterteilung sehr fein durch
geführt, in Bereichen kleiner Kennfelddynamik wird sie nur grob
durchgeführt.
Die Aufteilung des Adreßraumes wie in Fig. 5 dargestellt, ist in
Fig. 6 in Form einer Baumstruktur gezeigt. Ohne Unterteilung würde
der gesamte Adreßraum nur durch eine Stützstelle repräsentiert
werden. Von dem Baum wäre dann nur der Stamm S dargestellt. Nach der
ersten Unterteilung des Adreßraumes durch die Linien L1 entstehen
vier Teilbereiche B0-B3. Der Teilbereich B0 ist seinerseits in
vier Teilbereiche unterteilt, so daß von ihm vier Zweige ausgehen.
Der Teilbereich B1 ist nur in zwei Teilbereiche eingeteilt, so daß
von diesem nur zwei Zweige ausgehen. Dabei ist die Unterteilung
durch die Linie L3 so durchgeführt, daß in dem einen Zweig die
Teilbereiche UB0 und UB2 und in dem anderen Zweig die Teilbereiche
UB1 und UB3 zusammengefaßt sind. Der Teilbereich B2 der ersten
Unterteilungsstufe ist seinerseits durch die Linien L4 in zwei
Teilbereiche unterteilt. Dabei ist die Linie L4 so gezogen, daß in
dem einen Zweig die Teilbereiche UB0 und UB1 und in dem anderen
Zweig die Teilbereiche UB2 und UB3 zusammengefaßt sind. Der Teil
bereich B3 der ersten Unterteilungsstufe ist nicht weiter unterteilt.
In dem Speicher 12 des Steuergerätes 10 ist für jede Stützstelle
eine Positionsinformation hinsichtlich der Baumstruktur abge
speichert. Die Tabelle 1 zeigt für die einzelnen Stützstellen S0 bis
S8 die Positionsinformation mit Hilfe von Binärzahlen ausgedrückt.
Jede Binärzahl besteht aus zwei zweistelligen Binärzahlen. Mit Hilfe
einer zweistelligen Binärzahl lassen sich die Dezimalzahlen 0 bis 3
entsprechend der vier möglichen Bereiche pro Unterteilungsstufe dar
stellen. Pro Unterteilungsstufe ist eine zweistellige Binärzahl er
forderlich. Der Buchstabe d gibt an, daß der Eintrag in die ent
sprechende Binärstelle beliebig sein kann. Allgemein gilt: die
Ordnung des verwendeten Baumes hängt von der Kennfelddimension ab.
Für eine Kennlinie ist ein Binärbaum, für ein dreidimensionales
Kennfeld ein Quadtree, für drei Dimensionen ein
Octtree, für n-Dimensionen ein Baum der Ordnung 2n zu verwenden.
Für die Positionsangabe innerhalb des Binärbaumes kann jeweils die
binäre Zahlenkodierung, für den Quadtree eine Binärkodierung in zwei
Adreßrichtungen verwendet werden, usw.
Stützstellennummer | |
Binärkodierung für Positionsinformation | |
S0| 00 00 | |
S1 | 00 01 |
S2 | 00 10 |
S3 | 00 11 |
S4 | 01 d0 |
S5 | 01 d1 |
S6 | 10 0d |
S7 | 10 1d |
S8 | 11 dd |
Fig. 7 zeigt eine weitere Einteilung des Adreßraumes eines drei
dimensionalen Kennfeldes. Der Adreßraum ist durch die Linien L5 in
sechs gleich große Rechtecke 23 unterteilt. Den einzelnen Bereichen
des Adreßraumes sind Segmente im Speicher 12 des Steuergerätes 10
zugeordnet. Die Unterteilung des Adreßraumes in Rechtecke 23 (im
allgemeinen Fall in Hyperquader) entspricht einer Grobrasterung des
Adreßraumes. In Fig. 7 ist ebenfalls ein Arbeitspunkt 21 einge
zeichnet. Bei der Suche der für die Interpolation geeigneten Stütz
stellen 22 ermittelt der Rechner 11 erst in welchem Rechteck 23 sich
der Arbeitspunkt 21 befindet. Die dort enthaltenen Stützstellen 20
werden dann unstrukturiert durchsucht. Dabei wird ebenfalls eine
Abstandsberechnung durchgeführt. Es können außerdem die gleichen
Auswahlkriterien zur Anwendung kommen, wie in Fig. 3 bzw. 4 be
schrieben. Eine derartige Adreßraumaufteilung wie in Fig. 7 darge
stellt, ist wegen der festen Grobrasterung hauptsächlich bei relativ
konstanter Stützstellendichte im gesamten Adreßraum effizient.
Fig. 8 zeigt eine weitere Adreßraumaufteilung eines drei
dimensionalen Kennfeldes. Der Adreßraum ist ebenfalls in Rechteck
form (Quaderform) unterteilt. Im Unterschied zu Fig. 7 sind hier
die Rechtecke nicht alle gleich groß. Die Rechteckgröße ist so ge
wählt, daß in den einzelnen Rechtecken möglichst eine gleich große
Stützstellenzahl erreicht wird, nämlich SSG/SBG (SSG = Stütz
stellen-Gesamtzahl, SBG = Anzahl der Bereiche). Dadurch wird eine
grobe Umgebungsstruktur erzeugt. Die Verteilung der Stützstellen 20
innerhalb des Adreßraumes wird durch fortlaufende Kennfeldanpassung
während des Betriebs des Steuergerätes 10 ständig verändert. Dies
dient dazu, um veränderte Betriebsbedingungen (z. B. Alterungser
scheinungen) im Kennfeld zu berücksichtigen. Zur Erhaltung einer
gleichmäßigen Verteilung der Stützstellen auf die Rechtecke muß auch
die Einteilung des Adreßraumes in die Rechtecke mit Hilfe der Linien
L6 ständig mitgeführt werden. Die dynamische Festlegung der Be
reichsgrenzen wird hierbei separat für jede Adreßkomponente durchge
führt. Dies dadurch, indem die Bereichsgrenzen jeder Adreßkomponente
so festgelegt werden, daß sie jeweils grobe Bereiche mit
SSG/AK-Stützstellen abtrennen (AK = Anzahl der Adreßklassen der be
trachteten Adreßkomponente). Durch die Grenzen G1 (X1) und G2
(X1) wird der gesamte Adreßraum in drei Bereiche abgeteilt, die
jeweils 19/3 = 6 bzw. in einem Fall 7 Stützstellen 20 enthalten. Die
Anzahl der Bereiche ist nach der Zahl der für einen Lesezugriff zu
durchsuchenden Stützstellen zu bestimmen. Die Adreßklassenzahl AKi
der n-Adreßkomponenten kann unterschiedlich groß sein, wenn die Seg
mentzahl SEG ≠ AKn gewählt werden soll (z. B.
SEG = 2×3 = 6 anstatt 3×3 wie in Fig. 8).
Im folgenden wird eine mögliche Softwarerealisierung der Bereichs
einteilung und des Zugriffs des Mikrorechners 11 zu den Stützstellen
20 vorgestellt und anhand der Fig. 9 erläutert. Die Grenzen
Gk (Xi), (i=1, . . ., n), (k=1, . . ., m) innerhalb der Adressen Xi werden
in separaten Tabellen abgelegt und liefern für jede
Adreßkomponente Xi eine Bereichsnummer, im dargestellten Beispiel
zwischen eins und drei. Für jeden Bereich sind n Bereichsnummern
erforderlich (hier 2). Die beiden Bereichsnummern werden dazu ver
wendet, um die Anfangsadresse des Adreßraumsegmentes, in dem sich
der Arbeitspunkt 21 befindet, aus dem Speicher 12 zu lesen. Dazu ist
im Speicher 12 eine zweidimensionale Matrix abgelegt, die die An
fangsadressen der Adreßraumbereiche enthält. In Fig. 9 liegt der
Arbeitspunkt 21 im Segment SEGA. Für diesen Fall wird folgender
Zugriff vom Microrechner durchgeführt: Der Wert der Adreßkomponente
X1 ist größer als die Grenze G1 (X1) aber kleiner als G2 (X1),
d. h. bei X1 wird die Bereichsnummer zwei ermittelt. Bei X2 wird
in gleicher Weise die Bereichsnummer drei ermittelt. Mit der Kombi
nation (2, 3) wird nun auf die Matrix der Segmentanfangsadressen
zugegriffen. Diese ist in drei Spalten mit je drei Einträgen organi
siert, die sequentiell im Speicher des Steuergerätes 10 abgelegt
sind, d. h. es wird auf das Element: Startadresse + (2-1)×3+3
zugegriffen. Hier ist die Startadresse des zu durchsuchenden
Speichersegments eingetragen. Falls die einzelnen Bereiche un
mittelbar aufeinanderfolgen, d. h. ohne "Luft" für Neueintragungen
im Speicher 12 abgelegt werden sollen, kann die Endadresse aus:
"Startadresse des nächsten Blocks -1" ermittelt werden. Sollen aber
Stellen für Neueintragungen freigelassen werden, reicht es aus, bis
zur letzten belegten Zelle (Endemarkierung) zu suchen, oder es wird
am Anfang jedes Segments die Segmentlänge explizit angegeben. Bei
direkt aufeinanderfolgenden Segmenten empfiehlt es sich bei zeit
kritischen Anwendungen neue Stützstellen 20 zuerst in einem Puffer
bereich einzutragen. So können mehrere Neueintragungen gleichzeitig
ins Kennfeld einsortiert werden und es ist hierfür nur eine Um
sortierung erforderlich. Die gleichzeitig mit einem Neueintrag zu
löschenden alten Stützstellen 20 werden sinnvollerweise auch erst
beim Einsortieren der neuen Stützstellen 20 gelöscht. Soll die volle
Aktualität auch vor dem Einsortieren erhalten bleiben, muß bei jedem
Lesezugriff neben dem aktuellen Segment auch der Pufferbereich
durchsucht werden.
Beim Eintragen neuer, und gleichzeitigen Löschen alter Stützstellen
verändert sich im allgemeinen die Stützstellenanzahl, in den durch
die Gk (Xi) definierten Teilbereichen. Aus diesem Grund sollten die
Gk (Xi) nach einer gewissen Zahl von Kennfeldanpassungen neu be
rechnet werden. Hierzu werden die (im Segmentkopf vermerkten) Längen
der zu dem betrachteten Teilbereich gehörenden Segmente addiert und
mit dem Sollwert SSG/AK (Xi) verglichen. Bei einer Abweichung von +
Delta, werden die Delta der betrachteten Grenze nächstgelegenen
Stützstellen 20 dem entsprechenden, oberhalb der Grenze liegenden
Bereich zugerechnet und die Grenze neu festgelegt. Diese Überprüfung
und ggfs. Anpassung wird für alle Teilbereiche durchgeführt, be
ginnend jeweils mit dem niederwertigsten Bereich der betrachteten
Adreßkomponente. Das beschriebene Verfahren erzeugt eine Klassi
fikation bei der in einem Bereich maximal SSG/AK Stützstellen, bei
ungünstiger, z. B. streng diagonaler Stützstellenverteilung enthalten
sind. Bei relativ gleichmäßiger Stützstellenverteilung nähert sich
die Stützstellenmaximalzahl dem Idealwert SSG/SEG an.
Falls zwischen Arbeitspunkt und Segmentrand keine ausreichende In
formationsabdeckung vorliegt, d. h. daß in dieser Richtung keine
Stützstellen gefunden werden, wird das Nachbarsegment mit durchsucht
um Extrapolationen zu vermeiden. Um stärkere Extrapolationen zu er
kennen, wird geprüft, ob bezüglich jeder Adreßkomponente (xi) ober
halb und unterhalb des Arbeitspunktes 21 Stützstellen 20 liegen.
Falls eine Extrapolation festgestellt wird und innerhalb des aktu
ellen Bereichs keine geeignete Stützstelle 20 in Extrapolations
richtung gefunden wird (dies kann insbesondere am Bereichsrand auf
treten), wird der in Hauptextrapolationsrichtung benachbarte Bereich
mit durchsucht. Im Zweifelsfall wird der Bereich mit kleinerer
Stützstellenzahl ausgewählt, weil hierdurch die Suchzeit minimiert
wird.
Bei der Adreßraumunterteilung können bei ungünstiger Stützstellen
verteilung leere Bereiche entstehen. Hierdurch würden rechenzeit
intensive Lesezugriffe hervorgerufen, weil mehrere benachbarte Be
reiche nach geeigneten Interpolationsstützstellen 22 durchsucht
werden müßten. Um dies zu verhindern, kann eine künstliche, vorzugs
weise aus umliegenden Stützstellen 20 der angrenzenden Bereiche be
rechnete (Hilfs-)Stützstelle in der Bereichsmitte eingetragen
werden. Mit dieser Maßnahme wird außerdem erreicht, daß immer eine
minimale, von den lokalen Genauigkeitsanforderungen abhängige,
Stützstellendichte sichergestellt ist. Wird eine höhere Stütz
stellendichte gewünscht, kann die Minimalzahl der Stützstellen 20 je
Bereich entsprechend erhöht werden. Die lokalen Genauigkeitsan
forderungen werden hierbei automatisch berücksichtigt, weil durch
die Segmentierung eine Linearisierung der Adreßgrößen bezüglich des
(lokalen) Informationsgehalts vorgenommen wird.
Fig. 10 zeigt eine weitere Einteilung des Adreßraumes eines drei
dimensionalen Kennfeldes in unterschiedliche Bereiche 25. Der
wesentliche Unterschied zu den vorherigen Beispielen liegt darin,
daß die Bereiche 25 nicht quaderförmig eingeteilt sind. Die Gesamt
heit aller Stützstellen 20 des Kennfeldes wird zu Beginn in Gruppen
von jeweils SSG/SEG benachbarten Stützstellen unterteilt. Es
empfiehlt sich hierfür die Standard-Stützstellenverteilung für den
vorliegenden Anwendungsfall zu verwenden. Die Stützstellen 20 einer
Gruppe werden jeweils einem Repräsentativpunkt 24 zugeordnet. Ein
Repräsentativpunkt besteht aus n-Adreßkomponenten, die seine
Position im Eingangsraum definieren und einem Zeiger auf den Anfang
der zugeordneten Stützstellenliste im Speicher 12 des Steuergerätes
10. Seine Position im Adreßraum ist durch die Mittelwerte der Adreß
komponenten aller ihm zugeordneter Stützstellen 20 bestimmt (Schwer
punkt). Bei fortlaufender
Kennfeldanpassung wird eine neue Stützstelle 20 mit der Gewichtung
1/K eingearbeitet, während die alte Position mit (K-1)/K gewichtet
wird (K = Stützstellenanzahl der Klasse). Hierdurch paßt sich die
Position des Repräsentativpunktes 24 einer veränderten Stützstellen
verteilung an. Beim Lesezugriff wird der Abstand des Arbeitspunktes
21 zu allen Repräsentativpunkten 24 gebildet. Der nächstgelegene
Repräsentativpunkt wird ausgewählt und die zugehörige Stützstellen
gruppe durchsucht.
Wenn Stützstellen 20 neu eingetragen und alte gelöscht werden, muß
nach mehreren Neueintragungen eine Neuaufteilung der Stützstellen 20
auf die Repräsentativpunkte 24 und Neuberechnung der Positionen der
Repräsentativpunkte 24 durchgeführt werden.
Im Unterschied zur Einteilung des Adreßraumes in Quaderform wird
hier der Grobzugriff auf den aktuellen Bereich nicht über eine
Adreßrechnung durchgeführt, sondern es wird zweistufig unstruktu
riert gesucht. Hierdurch wird die Flexibilität des Verfahrens be
züglich Anordnung und Gestaltung der Bereiche 25 erhöht. Durch das
beschriebene Klassifikationsverfahren läßt sich der Suchaufwand auf
2×(Stützstellenzahl)1/2 reduzieren. Z.B. bei 100 Stützstellen,
zehn Repräsentativpunkte à 10 Stützstellen entspricht 20 Such
schritten. In Fig. 10 ist die Zuordnung der Stützstellen zu den
Repräsentativpunkten durch Striche angedeutet.
Die zuvor beschriebenen Verfahren zur Adreßraumaufteilung erzeugen
durch Klassifikation des Adreßraumes eine grobe Umgebungsstruktur.
Durch Verfeinerung der Umgebungsstruktur bis auf Stützstellenniveau
ist es möglich, auf die Umgebung eines Arbeitspunktes 21 direkt zu
zugreifen. Hierzu werden die Stützstellen z. B. über Zeiger mit aus
gewählten Nachbarstützstellen gekoppelt. Dies ist in Fig. 11 darge
stellt. Die Pfeile in Fig. 11 deuten die Verkettung der
Stützstellen 20 zu benachbarten Stützstellen an. Weiterhin ist durch
die gestrichelte Linie dargestellt, wie der Arbeitspunkt 21 sich
langsam durch den Adreßraum des Kennfeldes bewegt. Das Verfahren
nutzt die Zusatzinformation, daß die Änderungsgeschwindigkeit des
Arbeitspunkts bezogen auf die Zugriffsintervallzeit bei den zu
grundeliegenden technischen Problemstellungen begrenzt ist. Es kann
deshalb vorausgesetzt werden, daß sich der Arbeitspunkt 21 beim
aktuellen Kennfeldzugriff noch in der Umgebung der Stützstellen 20
befindet, die beim vorausgegangenen Kennfeldzugriff zur Inter
polation herangezogen wurden. Durch eine Verkettung benachbarter
Stützstellen 20 über Zeiger ist somit ein schneller Zugriff auf ge
eignete Interpolationsstützstellen 12 möglich, ohne ein größeres
Adreßgebiet durchsuchen zu müssen. Zu Beginn ist die minimal erfor
derliche Zeigerzahl zu bestimmen. Um die gesamte Umgebung einer
Stützstelle sicher abzudecken sind bei einem n-dimensionalen Kenn
feld n+1 linear unabhängige Zeiger ausreichend. Um eine effiziente
Realisierung zu ermöglichen und geringen Speicherbedarf sicherzu
stellen, wird die Zeigerzahl bei allen Stützstellen gleich groß ge
wählt. Nun wird eine, für das verwendete Interpolationsverfahren
optimale Verkettung aller Stützstellen 20 berechnet. Die Auswahl der
geeigneten Nachbarstützstellen erfolgt nach denselben Kriterien wie
die Auswahl der einen beliebigen Arbeitspunkt umgebenden Inter
polationsstützstellen. Beim ersten Zugriff auf das Kennfeld sind die
Umgebungsstützstellen des Arbeitspunktes 21 noch nicht bekannt. Die
geeigneten Interpolationsstützstellen können entweder über einen
festen Einstiegspunkt gefunden werden, wenn der Arbeitspunkt z. B.
immer aus dem Kennfeldursprung losläuft, oder es wird einmalig eine
unstrukturierte Suche durchgeführt. Danach ist stets ein direkter
Zugriff auf benachbarte Stützstellen über Zeiger möglich. Wird eine
Korrektur des Kennfeldes erforderlich, d. h. es muß eine neue Stütz
stelle 20 eingetragen und eine ältere, weniger relevante Stützstelle
20 gelöscht werden, muß auch die Nachbarschaftsverkettung in diesem
Bereich geändert werden. Um Rechenzeit zu sparen und zu ermöglichen,
daß der Neueintrag einer Stützstelle 20 durch das Löschen einer be
nachbarten, älteren Stützstelle 20 bezüglich der Verkettung quasi
kompensiert wird, können mehrere Korrekturen gesammelt und gemeinsam
eingetragen werden. Hierzu werden die neuen Stützstellen zunächst in
einem Puffer zwischengespeichert oder sie werden provisorisch, d. h.
ohne Anspruch auf optimale Verkettung ins Kennfeld eingetragen. Nach
K-Neueintragungen wird die Verkettung des Kennfeldes komplett über
prüft. Diese Berechnung findet offline in einem Hintergrundprogramm
statt.
Sowohl die Stützstellen, d. h. deren Position und ggfs. ihr
Funktionswert, als auch die Aufteilung in Adreßraumbereiche bzw. die
Festlegung der Repräsentativpunktpositionen können manuell oder
automatisch erfolgen.
Soll eine vorgegebene Stützstellenzahl automatisch, optimal im Kenn
feld plaziert werden, können die Stützstellenpositionen und
Funktionswerte einem Optimierungsprogramm als Variable vorgegeben
werden. Das Optimierungsverfahren variiert nun Positionen und
Funktionswerte so lange, bis z. B. die Abweichung der interpolierten
Kennfeldflächen von einer vorgegebenen Meßpunktmenge (Soll-Kennfeld)
minimal wird. Diese Abweichung wird z. B. dadurch ermittelt, daß für
alle Meßpunkte deren Abstand zu dem an dieser Stelle aus dem Kenn
feld interpolierten Wert gebildet wird.
Soll eine vorgegebene Funktion (Meßpunktmenge) mit einem vorge
gebenen maximalen Fehlermaß durch möglichst wenig Stützstellen nach
gebildet werden (Ermittlung des Informationsgehalts) können mehrere
Optimierungsläufe wie zuvor beschrieben durchgeführt werden, wobei
die Stützstellenzahl so lange erhöht wird, bis das Fehlermaß erst
malig unterschritten wird.
Zur automatischen Bereichseinteilung des Adreßraumes mit Hilfe von
Repräsentativpunkten müssen lediglich die Repräsentativpunkte opti
mal positioniert werden. Dies kann geschehen, indem die Repräsenta
tivpunktpositionen einem Optimierungsprogramm als Variable vorge
geben werden. Das Optimierungsprogramm variiert die Positionen so
lange, bis z. B. der mittlere Abstand aller Stützstellen zum jeweils
nächstgelegenen Repräsentativpunkt minimal wird.
Für die Bereichseinteilung des Adreßraumes kann es für bestimmte An
wendungen sinnvoll sein in Bereichen in denen sich der Arbeitspunkt
sehr häufig aufhält, weniger Stützstellen einzutragen, als in Be
reichen, in denen sich der Arbeitspunkt häufig aufhält, weil hier
durch die mittlere Suchzeit minimiert, d. h. die Zugriffszeit ver
ringert wird.
Dem hier beschriebenen Verfahren eröffnet sich ein breites An
wendungsfeld. Es ist insbesondere für den Einsatz in Großserien
steuergeräten geeignet. Außer den genannten Anwendungsfällen werden
noch die Anwendungen Fahrwerkregelung, Dieselregelung, Hinterachs
lenkung genannt. Dabei kann die aus dem Kennfeld ausgelesene In
formation auch zur Ermittlung einer zur Steuerung oder Regelung des
Prozesses wichtigen aber nicht gemessenen Betriebsgröße dienen.
Claims (32)
1. Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit Hilfe eines Kenn
feldes, insbesondere eines Prozesses in einem Kraftfahrzeug, mit
einem Steuergerät, insbesondere einem Kraftfahrzeug-Steuergerät,
wobei das Kennfeld durch Betriebsgrößen des Prozesses aufgespannt
wird und durch eine Anzahl von im Speicher des Steuergerätes abge
speicherten Stützstellen repräsentiert wird, wobei pro Stützstelle
mindestens eine Nutzinformation über den Wert des Kennfeldes an der
Position der Stützstelle im Adreßraum des Kennfeldes im Speicher des
Steuergerätes abgespeichert wird, wobei für einen Arbeitspunkt des
Prozesses mindestens eine nah am Arbeitspunkt liegende Stützstelle
aus dem Kennfeld ausgelesen wird, unter deren Berücksichtigung min
destens eine Steuergröße für die Abgabe eines Steuersignals gebildet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß pro Stützstelle (20) zusätzlich
mindestens eine Information über die Position der Stützstelle (20)
innerhalb des Adreßraumes des Kennfeldes im Speicher (12) des
Steuergerätes (10) abgespeichert wird, so daß die Stützstellen (20)
unabhängig von einem festen Raster der Betriebsgrößen an beliebiger
Stelle des Adreßraumes des Kennfeldes plazierbar sind und daß zur
Auswahl der mindestens einen möglichst nah am Arbeitspunkt (21)
liegenden Stützstelle eine Abstandsberechnung durchgeführt wird, bei
der der Abstand von mindestens einer Stützstelle des Kennfeldes zum
Arbeitspunkt (21) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Adreß- und
Nutzinformation der Stützstellen (20) gleichberechtigt gespeichert
werden, um einen inversen Kennfeldzugriff zu ermöglichen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß für einzelne Stützstellen (20) oder für Gruppen
benachbarter Stützstellen (20) Umgebungsinformationen im Speicher
(12) des Steuergerätes (10) abgespeichert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Um
gebungsinformation Zeiger auf die benachbarten Stützstellen (20) für
die einzelnen Stützstellen (20) im Speicher (12) des Steuergerätes
(10) abgespeichert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Adreßraum des Kennfeldes in mehrere Bereiche
unterteilt wird, daß den einzelnen Bereichen bestimmte Segmente im
Speicher (12) des Steuergerätes (10) zugewiesen werden und daß die
Stützstellen (20) des jeweiligen Bereiches im entsprechenden
Speichersegment abgelegt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß zu einer Bestimmung des Kennfeldwertes des
Arbeitspunktes (21) des Prozesses eine Zwischenwertberechnung, vor
zugsweise eine Interpolation, aus den Kennfeldwerten einer Anzahl
nah am Arbeitspunkt (21) und gleichmäßig um diesen verteilt
liegender Stützstellen (20) des Kennfeldes durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nah am
Arbeitspunkt (21) und gleichmäßig um diesen verteilt liegenden
Stützstellen (20) so ausgewählt werden, daß der Arbeitspunkt (21)
innerhalb des durch sie aufgespannten Simplex liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nah am
Arbeitspunkt (21) und gleichmäßig um diesen verteilt liegenden
Stützstellen (20) so ausgewählt werden, daß die Winkel, die vom
Arbeitspunkt (21) und je zwei Stützstellen (20) aufgespannt werden,
möglichst gleich groß werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nah am
Arbeitspunkt (21) und gleichmäßig um diesen verteilt liegenden
Stützstellen (20) so ausgewählt werden, daß bezüglich jeder Adreß
komponente Stützstellen (20) oberhalb und unterhalb des Arbeits
punktes (21) liegen.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nah
am Arbeitspunkt (21) und gleichmäßig um diesen verteilt liegenden
Stützstellen (20) so ausgewählt werden, daß der Arbeitspunkt (21) im
Schwerpunkt der ausgewählten Stützstellen (20) liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei der Abstandsberechnung die L1-Norm gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Zwischenwertberechnung in einem n-dimensionalen
Kennfeld n+1 Stützstellen (20) herangezogen werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Zugriff zu den Stützstellen (20) des Kennfeldes
mehrstufig, insbesondere zweistufig, durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
Zugriff zu Stützstellen (20) des Kennfeldes in einer ersten Stufe
der Bereich, in dem die gewünschten Stützstellen (20) enthalten sind
ermittelt wird, und daß in einer zweiten Stufe das dem ermittelten
Bereich zugeordnete Segment im Speicher (12) des Steuergerätes (10)
unstrukturiert nach geeigneten Stützstellen (20) durchsucht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er
mittlung des Bereiches, in dem die gewünschten Stützstellen (20)
enthalten sind, eine feste Adreßrechnung, abhängig von der Arbeits
punktposition (21) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Adreßraumbereiche quaderförmig eingeteilt werden
und die Unterteilung des Adreßraumes für jede Adreßkomponente
(x1, x2) separat durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Bereichseinteilung so gewählt wird, daß die Anzahl
der Stützstellen (20) in jedem Bereich möglichst gleich groß wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Bereichsgrenzen zwischen den einzelnen Adreßraum
bereichen für jede Adreßkomponente (x1, x2) in einer separaten
Tabelle im Speicher (12) des Steuergerätes (10) abgelegt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Bereichsgrenzen manuell oder automatisch so fest
gelegt werden, daß für jede Adreßkomponente (x1, x2) die Gesamtmenge
der Stützstellen (20) durch eine erste Anzahl Bereichsgrenzen dieser
Adreßkomponente (x1, x2) in eine zweite Anzahl möglichst gleichgroßer
Teilmengen benachbarter Stützstellen (20) unterteilt wird, wobei die
zweite Anzahl der um Eins vermehrten ersten Anzahl entspricht.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Startadressen der Segmente in Form einer Matrix im
Speicher (12) des Steuergerätes (10) abgelegt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stützstellen (20) eines Bereiches jeweils einem
Repräsentativpunkt (24) zugeordnet werden, der ebenfalls in den
Speicher (12) des Steuergerätes (10) eingeschrieben wird, wobei der
Repräsentativpunkt (24) aus den Adreßkomponenten (x1, x2) seiner
Position im Kennfeld und einem Zeiger auf den Anfang des ent
sprechenden Speichersegmentes, in dem die Stützstellen (20) des Be
reiches abgelegt sind, besteht.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Repräsentativpunkt (24) als Umgebungsinformation ein Verweis auf
benachbarte Repräsentativpunkte (24) zugeordnet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Repräsentativpunkt (24) all diejenigen Stützstellen (20) des
Kennfeldes zugeordnet werden, die zu diesem Repräsentativpunkt (24)
näher liegen als zu irgendeinem anderen Repräsentativpunkt (24).
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Position jedes Repräsentativpunktes (24) durch die
Mittelwerte der Adreßkomponenten (x1, x2) aller ihm zugeordneter
Stützstellen (20) bestimmt ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Ermittlung des Bereiches, in dem die gewünschten
Stützstellen (20) enthalten sind, eine unstrukturierte Suche derart
durchgeführt wird, daß der aktuelle Kennfeldbereich durch Ermitteln
des nächstgelegenen Repräsentativpunktes (24) bestimmt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Auswahl der nah am Arbeitspunkt (21) liegenden
Stützstellen (20) die Stützstellen (20) des Kennfeldes um
strukturiert durchsucht werden.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Kennfeld an ein verändertes Prozessverhalten
manuell oder automatisch angepaßt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur An
passung des Kennfeldes neue Stützstellen (20) in den Speicher (12)
des Steuergerätes (10) eingeschrieben werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß eben
falls alte Stützstellen (20) gelöscht werden, um einen vorgegebenen
Speicherbedarf einzuhalten.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Bereichseinteilung des Kennfeldes erst nach einer vorbestimmten
Anzahl von Neueintragungen durchgeführt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
reichseinteilung mit niedriger Priorität im Hintergrundprogramm des
Steuergerätes (10) durchgeführt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Abspeicherung der Stützstellen (20) des Kennfeldes und zur Aus
wahl der mindestens einen nah am Arbeitspunkt (21) liegenden Stütz
stelle (20) ein inhaltsadressierbarer Speicher (12) verwendet wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4304441A DE4304441B4 (de) | 1993-02-13 | 1993-02-13 | Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit Hilfe eines Kennfeldes |
JP01658494A JP3512845B2 (ja) | 1993-02-13 | 1994-02-10 | プロセスの作動量制御方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4304441A DE4304441B4 (de) | 1993-02-13 | 1993-02-13 | Verfahren zum Betreiben eines Prozesses mit Hilfe eines Kennfeldes |
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DE4304441A1 true DE4304441A1 (de) | 1994-08-18 |
DE4304441B4 DE4304441B4 (de) | 2012-02-16 |
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JP (1) | JP3512845B2 (de) |
DE (1) | DE4304441B4 (de) |
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