DE4331142C2 - Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Innenraums, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Innenraums, insbesondere für ein Kraftfahr­ zeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren ist in Form einer Heizungsregelung für den Innenraum eines Kraftfahrzeuges aus der DE 41 23 882 A1 be­ kannt. Bei diesem Anwendungsfall bildet Luft, die von außen ei­ nem Wärmetauscher zugeführt und von dort in den Fahrzeuginnen­ raum geblasen wird, gleichzeitig das Innenraummedium und das auf den Innenraum thermisch einwirkende Medium. Ein innerer Re­ gelkreis stellt die Temperatur der eingeblasenen Luft nach Vor­ gabe einer Einblasluft-Solltemperatur ein. Diese Einblasluft- Solltemperatur wird ihrerseits als Stellgröße eines äußeren Re­ gelkreises gewonnen, dessen Führungsgröße durch die benutzersei­ tig eingestellte Innenraum-Solltemperatur gegeben ist. Bei kleinen Innenraumtemperatur-Regelabweichungen erfolgt die Er­ mittlung der Stellgröße des äußeren Regelkreises normalerweise mittels einer PI-Regelung, wobei der I-Anteil vorteilhaft für die Erzielung einer verschwindenden Regelabweichung sorgt. Bei hohen Regelabweichungen, z. B. aufgrund zurückgehender Störgrö­ ßeneinflüsse, wie beispielsweise sinkende Außentemperatur nach vorheriger starker Sonneneinstrahlung, reagiert die PI-Regelung jedoch nicht so schnell, wie dies erwünscht ist. Das bekannte Verfahren sieht daher vor, bei einer zu hohen Regelabweichung des äußeren Regelkreises in wenigstens einer Richtung ab einem vorgegebenen Grenzwert die Regelung auf eine reine P-Regelung umzuschalten.

Aus der DE 36 10 962 C2 ist es bekannt, zur Regelung der Innen­ raumtemperatur, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die Tempera­ tur der einströmenden Luft mittels eines entsprechenden Tempe­ ratursensors zu erfassen und abhängig von der Regelabweichung der Innenraumtemperatur zu bewerten.

Aus der DE 34 25 445 A1 ist es bekannt, zur Temperaturregelung mittels eines Mischventilthermostaten einen inneren, auf das Mischventil als Stellorgan einwirkenden Regelkreis sowie einen vorgelagerten äußeren Regelkreis mit einem Temperaturregler vorzusehen, wobei der Temperaturregler ein PI-Regler sein kann und mit seinem Stellgrößensignal das Führungsgrößensignal für den inneren Regelkreis erzeugt.

In der Offenlegungsschrift DE 31 21 031 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Heizkessels offenbart, die einen PI-Regler und einen diesem parallel geschalteten Kompara­ tor umfaßt. Solange in einer Anheizphase die Isttemperatur noch unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes, der wiederum etwas geringer als der vorgegebene Temperatursollwert ist, liegt, gibt der Komparator ein Ausgangssignal ab, das zum einen den PI-Regler ausgeschaltet hält und zum anderen als Stellsignal zum Anheizen dient. Sobald die Isttemperatur den Grenzwert überschreitet, schaltet der Komparator um und der PI-Regler übernimmt die Temperaturregelung.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, durch das im laufenden Regelbetrieb auftretende Regeldifferenzen zuver­ lässig eliminiert und anfängliche größere Abweichungen vom Regelgleichgewicht in einer Startphase schnellstmöglich verrin­ gert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die Vorgabe des wenigstens einen Startbetriebsgrenzwertes für einen für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativen Temperaturparameter, wie z. B. die anfängliche Innenraumtemperatur-Regeldifferenz oder die Kühlwassertemperatur einer Kraftfahrzeugheizungs- oder -klimaanlage, wird festgelegt, wie weit dieser Startzustand gerade noch vom angestrebten Regelgleichgewicht, d. h. vom Zu­ stand im eingefahrenen Regelbetrieb, entfernt sein darf, um die Regelung sofort mittels der PI-Regelung anzufahren. Ist der Startzustand der Regelung hingegen weiter vom Regelgleichge­ wicht entfernt als durch diesen Grenzwert vorgegeben, so wird zuerst ein maximal gegenregelnder Regelungsbetrieb durchge­ führt, und zwar durch Erzeugen einer passenden Offset-Solltem­ peratur des Mediums mittels des äußeren Regelkreises. Denn die­ ser Offset-Wert wirkt auf den inneren Regelkreis derart ein, daß dieser einen zugehörigen Stellbereichsendwert einstellt und damit die maximale Gegenregelung bewirkt. Unabhängig davon, wie weit der anfängliche, startzustandsspezifische Temperaturpara­ meter-Istwert von dem vorgegebenen Grenzwert auf der vom Regel­ gleichgewicht abgewandten Seite entfernt liegt, wird auf diese Weise dem anfänglichen Regelungleichgewicht sofort maximal ent­ gegengewirkt, bis die Innenraumtemperatur-Regeldifferenz einen des weiteren für diesen Zweck vorgegebenen Umschaltgrenzwert zu kleinen Regelabweichungen hin überschreitet, wonach die weitere Regelung im PI-Regelbetrieb erfolgt.

Das Verfahren kombiniert somit die im eingefahrenen Regelbe­ trieb vorteilhafte PI-Regelung mit einem vom Startzustand der Regelung abhängigen Startbetrieb in einer Anlaufphase, der bei kleineren anfänglichen Abweichungen vom Regelgleichgewicht aus einer sofortigen PI-Regelung, bei größeren anfänglichen Regel­ abweichungen hingegen aus einem vorgeschalteten maximal gegen­ regelnden Regelbetrieb besteht, mit dem sich in diesem Fall das Regelgleichgewicht schneller erreichen läßt als bei sofortiger Verwendung der PI-Regelung. Insbesondere kann damit großen Regelabweichungen noch schneller entgegengewirkt werden, als dies mit einer P-Regelung möglich ist. Das Verfahren bewirkt außerdem, daß die Innenraumtemperatur unabhängig von der je­ weils vorhandenen Temperatur des Außenraums, dem z. B. im Fall einer Fahrzeug-Klimaanlage das Innenraummedium entnommen wird, durch entsprechende Einstellung der Temperatur des einströmen­ den Mediums immer auf die eingestellte Innenraum-Solltemperatur eingeregelt wird. Dazu wird das Medium gegebenenfalls vor dem Einströmen abgekühlt und/oder erwärmt. Durch die Verwendung der PI-Regelung bei kleinen Regelabweichungen wird die genaue Er­ reichung der Innenraum- Solltemperatur möglich, ohne daß hier­ für zwingend ein Außentemperatursensor notwendig ist.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird die Stell­ größe des äußeren Regelkreises zeitverzögert dem inneren Regel­ kreis als Führungsgröße zugeführt, wodurch die Regelung geeig­ net an das zeitliche Temperaturänderungsverhalten des zu re­ gelnden Systems, beispielsweise eines Fahrzeuginnenraums, an­ paßbar ist, und unerwünscht starke Schwankungen der Temperatur des einströmenden Mediums verhindert werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 bestimmt der äußere Regelkreis die Offset-Solltemperatur aus der Summe des Temperatur-Istwertes des Mediums und einem vorwählbaren, zeitunabhängigen Temperaturzusatzwert. Letzterer entspricht da­ mit bis auf eine eventuelle geringfügige Modifikation durch die zeitverzögerte Signalübermittlung zwischen äußerem und innerem Regelkreis der Regeldifferenz für den inneren Regelkreis und wird daher so vorgewählt, daß er dort zur Erzeugung eines der Abweichung maximal entgegenwirkenden Stellgrößenbereichs-End­ wertes führt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird ein Startwert für eine sich an eine maximal gegenregelnde Startphase nach Überschreiten des entsprechenden Umschaltgrenz­ wertes anschließende PI-Regelung vorgegeben, bei der der Tem­ peratur-Sollwert des Mediums laufend rekursiv aus dem bisheri­ gen Sollwert sowie aus in vorangegangenen Schritten ermittelten Innenraumtemperatur-Regelabweichungen berechnet wird, wobei dieser Startwert als Summe aus dem Temperatur-Istwert des Medi­ ums und einem vorwählbaren Temperaturzusatzwert gebildet wird. Dies ermöglicht es, den vorwählbaren Zusatzwert systemabhängig geeignet so vorzugeben, daß die Regelung mit maximaler Stell­ größeneinwirkung nach der Grenzwertüberschreitung möglichst stetig in die PI-Regelung übergeht, wobei insbesondere der Zu­ satzwert gemäß Anspruch 5 außentemperaturabhängig vorwählbar ist, so daß für beliebige Außentemperaturen jeweils nur ein un­ merkliches Einschwingregelverhalten auftritt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 hat den Vor­ teil, daß nach anfänglicher maximaler Gegenregelung durch die volle vorhandene Heiz- oder Kühlleistung die PI-Regelung je­ weils bei betragsmäßig genügend kleiner Innenraumtemperatur- Regeldifferenz aktiviert wird.

In Ausgestaltung der Erfindung wird nach Anspruch 7 als für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativer Temperaturpara­ meter die Innenraumtemperatur-Regeldifferenz herangezogen, wo­ bei die vorgegebenen Startbetriebsgrenzwerte so gewählt sind, daß der untere Startbetriebsgrenzwert kleiner als und der obere Startbetriebsgrenzwert größer als jeder Umschaltgrenzwert ist.

Alternativ wird in Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 als für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativer Temperaturparameter die Kühlwassertemperatur einer Fahrzeug­ heizungs- oder -klimaanlage herangezogen und der anfängliche maximal gegenregelnde Betrieb dann aktiviert, wenn ein vorge­ gebener Kühlwassertemperaturgrenzwert als Startbetriebsgrenzwert unterschritten wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Kraftfahr­ zeug-Innenraumtemperaturregelung mit einem inneren und einem äußeren Regelkreis,

Fig. 2 die Stellgrößen/Regeldifferenz-Kennlinie des inneren Regelkreises und

Fig. 3 Meßkurven einer mit der Anordnung nach Fig. 1 durchgeführten Erwärmung des Kraftfahrzeuginnenraums.

Die in Fig. 1 gezeigte Regelungsanordnung zur Regelung der In­ nenraumtemperatur eines Kraftfahrzeuges enthält eine äußere Re­ geleinrichtung (1) als Kernstück eines äußeren Regelkreises so­ wie eine innere Regeleinrichtung (2) als Kernstück eines inne­ ren Regelkreises. Der äußeren Regeleinrichtung (1) ist ein Füh­ rungsgrößeneinsteller (3) vorgeordnet, an dem die gewünschte Fahrzeuginnenraum-Solltemperatur (T_s) vom Benutzer einstellbar ist. Das die Fahrzeuginnenraum-Isttemperatur (Ti) charakteri­ sierende Rückführgrößensignal wird der äußeren Regeleinrichtung (1) von einem Innenraumtemperatursensor (4) zugeführt. Aus diesem Temperatur-Istwert (Ti) und dem Temperatur-Sollwert (T_s) bestimmt eine eingangsseitige Summierstufe der äußeren Re­ geleinrichtung (1) die Regeldifferenz (dTi). Letztere wird ebenso wie das Ausgangssignal eines weiteren Temperatursensors (5) einer zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrich­ tung (1) zugeführt.

Dieser weitere Temperatursensor (5) ist im Luftstrom (13) der­ jenigen Luft angeordnet, die vom Wärmetauscher (10) einer zuge­ hörigen Heizungsanlage in den Fahrzeuginnenraum mit der vom Sensor (5) gemessenen Einblaslufttemperatur (Tb) einströmt und das Medium zur Innentemperaturregelung darstellt. Der Wärmetau­ scher (10) wird von einem Heißwasserkreislauf (11) erhitzt und erwärmt seinerseits die von außerhalb des Fahrzeugs hereinströ­ mende Luft (12) auf die Einblaslufttemperatur (Tb). Zur Regu­ lierung dieser Temperatur ist im Wasserkreislauf (11) ein durchflußsteuerndes Taktventil (9) angeordnet, wodurch der Wär­ meübertrag vom Wasserkreislauf (11) auf den Luftstrom (12, 13) mittels getakteter Durchflußsteuerung des Wasserkreislaufs (11) einstellbar ist.

Aus der Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) und der Ein­ blasluft-Isttemperatur (Tb) gewinnt die zentrale Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) ein Stellgrößensignal (Tb_s) das ein zeitverzögerndes PT₁-Glied (7) beaufschlagt. Das Ausgangssignal (Tb_sv) dieses Zeitverzögerungsgliedes (7) ist dann als Führungsgröße der inneren Regeleinrichtung (2) zuge­ führt. Als Regelgrößensignal dient der inneren Regeleinrichtung (2) das Ausgangssignal des Einblasluft-Temperatursensors (5). Eine eingangsseitige Summierstufe der inneren Regeleinrichtung (2) bildet die Regeldifferenz (dTb=Tb-Tb_sv) aus dem Einblas­ lufttemperatur-Istwert (Tb) und dem zeitverzögert von der äu­ ßeren Regeleinrichtung (1) führungsgrößenseitig der inneren Regeleinrichtung (2) zugeführten Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_sv). Diese Regeldifferenz (dTb) beaufschlagt wiederum eine zentrale Reglereinheit (8) der inneren Regeleinrichtung (2), die daraus in Verbindung mit einer systemspezifisch vorgegebe­ nen Kennlinie, die in Fig. 2 genauer dargestellt ist, als Stellgröße ein Taktsignal mit bestimmtem Taktverhältnis (TV) zur Ansteuerung des Taktventils (9) erzeugt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Kennlinie beträgt das Taktverhält­ nis (TV) bei einer Einblaslufttemperatur-Regeldifferenz (dTb) kleiner als -10 K 100%, d. h. daß das Taktventil (9) vollständig geöffnet ist und folglich ein maximaler Wärmeübertrag auf die Einblasluft vorliegt, wenn die Einblasluft-Isttemperatur (Tb) um mehr als 10 K unter der vom äußeren Regelkreis vorgegebenen Einblasluft-Solltemperatur (Tb_sv) liegt. Von diesem Punkt der Kennlinie bei -10 K aus fällt das Taktverhältnis bei ansteigen­ der Einblaslufttemperatur-Regeldifferenz (dTb) zunächst stärker und dann schwächer werdend stetig ab, bis es den Wert Null er­ reicht, wenn diese Regeldifferenz (dTb) +10 K beträgt. In letz­ terem Fall ist dann das Taktventil (9) vollständig geschlossen, so daß der Wasserkreislauf (11) des Wärmetauschers (10) abge­ sperrt ist und kein Wärmeübergang auf die Einblasluft mehr er­ folgt. Selbstverständlich ist der Kennlinienverlauf systemspe­ zifisch und beispielsweise auf den jeweils betrachteten Fahr­ zeugtyp und die verwendete Heizungsanlage passend einzustellen.

Nachfolgend wird das von der Anordnung der Fig. 1 unter Verwen­ dung der Kennlinie nach Fig. 2 durchgeführte Regelverfahren nä­ her erläutert, wobei zuerst der Aufheizfall betrachtet wird.

Das Verhalten der Heizungsregelung nach einer Aktivierung der­ selben, d. h. beispielsweise nach Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs, ist abhängig vom gemessenen Anfangswert der in diesem Beispiel als für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativer Temperaturparameter gewählten Innenraumtempera­ tur-Regeldifferenz (dTi), die die Differenz von Isttemperatur­ wert abzüglich Solltemperaturwert angibt. Hierzu werden sowohl ein unterer (dTi_SGu) wie auch ein oberer Innenraumtemperatur- Regeldifferenz-Startbetriebsgrenzwert (dTi_SGu) vorgegeben, wo­ bei die Grenzwerte in diesem Beispiel auf dTi_SGu=-8 K sowie dTi_SGo=+2 K gesetzt sind.

Liegt die anfängliche Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) in dem durch diese beiden Startbetriebsgrenzwerte (dTi_SGu, dTi_SGo) begrenzten Intervall, so wird dies von der zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) als geringe Abweichung vom Regelgleichgewicht interpretiert und sofort eine PI-Regelung aktiviert, welche laufend iterativ die Einblasluft- Solltemperatur (Tb_s) nach der Rekursionsgleichung

Tb_s(k)=Tb_s(k-1)-V·dTi(k)-V·(t₀/t_n-1)·dTi(k-1)

berechnet, wobei V ein proportionaler Verstärkungsfaktor, t_n eine systembedingte Reglerzeitkonstante, t₀ die Periodendauer eines Regeltaktes, z. B. t_o=3s und k die Zahl der Iterations­ schritte bezeichnen. Als Anfangswert (Tb_s(0)) wird der anfäng­ lich gemessene Einblaslufttemperatur-Istwert (Tb) gewählt, so daß die Einblastemperatur-Regeldifferenz (dTb) anfangs auf Null gesetzt ist. Die Regelung beginnt, wie aus Fig. 2 zu ersehen, unter diesen Bedingungen mit einem Taktverhältnis (TV) von ca. 8% und nähert sich dann langsam dem gewünschten Innenraumtem­ peratur-Sollwert. Alternativ kann als Anfangswert (Tb_s(0)) auch ein aus einem Speicher der zentralen Reglereinheit (6) der äu­ ßeren Regeleinrichtung (1) ausgelesener Wert verwendet werden, der dort zum Schluß eines vorangegangenen Regelungsbetriebs abgespeichert wurde. Der weitere Regelungsbetrieb erfolgt eben­ falls mit dieser PI-Regelung, und zwar auch dann, wenn durch starke äußere Störgrößeneinflüsse, wie z. B. Sonneneinstrahlung, die Innentemperatur-Regeldifferenz (dTi) kurzfristig in einen Bereich außerhalb des durch die obigen Grenzwerte (dTi_SGu, dTi_SGo) definierten Intervalls gerät.

Liegt die gemessene anfängliche Innenraumtemperatur-Regeldif­ ferenz (dTi) unterhalb des unteren Startbetriebsgrenzwertes dTi_SGu=-8 K, d. h. die Innenraumanfangstemperatur (Ti) ist merk­ lich zu gering, so wird zunächst von der zentralen Reglerein­ heit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) nicht die PI-Regelung aktiviert. Vielmehr erkennt diese zentrale Reglereinheit (6) diesen Startzustand der Regelung als große Abweichung vom angestrebten Regelgleichgewicht, d. h. vom eingefahrenen Regel­ betrieb, und führt in einer Startphase einen maximal gegen­ regelnden Betrieb in folgender Form durch. Die zentrale Regler­ einheit (6) gibt einen Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_s) als Offset-Wert der Form

Tb_soff=Tb+x_SH

ab, wobei sie auf den ihr zu diesem Zweck vom entsprechenden Sensor (5) zugeführten Einblaslufttemperatur-Istwert (Tb) zum Zeitpunkt der Aktivierung der Regelung den zusätzlichen, zeit­ unabhängig vorgegebenen Temperaturwert (x_SH) hinzuaddiert. Aus obiger Beziehung folgt, daß in diesem Startbetrieb bei anfäng­ licher großer negativer Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) die Einblaslufttemperatur-Regeldifferenz (dTb) der inne­ ren Regeleinrichtung (2) wegen der Beziehung dTb=Tb-Tb_sv dem negativen Wert dieses zeitunabhängigen Zusatztemperaturwertes (x_SH) voll bzw. unter Berücksichtigung der zeitverzögernden Zu­ leitung des Einblaslufttemperatur- Sollwerts (Tb_s) an die innere Regeleinrichtung (2) jedenfalls annähernd entspricht. Der Zusatzwert (x_SH) läßt sich daher so vorwählen, daß zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist, daß die Einblaslufttemperatur- Regeldifferenz (dTb) unterhalb von -10 K liegt. Daraus folgt, daß bei diesem Fall der anfänglichen Unterschreitung des unte­ ren Startbetriebsgrenzwertes (dTi_SGu) durch die Innenraumtem­ peratur-Regeldifferenz (dTi) die Regelungsanlage das Taktventil (9) in einer Startphase zu 100%, d. h. vollständig, geöffnet hält. Der Wasserdurchfluß durch den Wärmetauscher (10) und da­ mit der Wärmeübergang auf die in den Innenraum einzublasende Luft (13) wird damit zunächst maximal gehalten. Dies bewirkt, daß die Regelung schnellstmöglich versucht, den Bereich be­ tragsmäßig kleiner Innenraumtemperatur-Regeldifferenzen wieder zu erreichen. Dieser maximal gegenregelnde Startbetrieb wird aufrecht erhalten, bis die Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) einen vorgegebenen unteren Innenraumtemperatur-Regeldif­ ferenz-Umschaltgrenzwert (dTi_Gu) überschreitet, der auf dTi_Gu=-1 K gesetzt ist. Die Aufheizphase gestaltet sich auf diese Weise sehr kurz bei 100%iger Heizleistungsausnutzung. Da die PI-Regelung in dieser Phase deaktiviert ist, ist diese Auf­ heizphase nicht zeitdiskret und somit unabhängig von der Auf­ heizgeschwindigkeit des Kühlwassers im Motor und anderen Zeit­ konstanten des Fahrzeugs.

Sobald durch die maximale Wärmezufuhr die Innenraumtemperatur- Regeldifferenz (dTi) den unteren Umschaltgrenzwert von -1 K überschritten hat, wird zur Einblasluft-Sollwertbestimmung der PI-Reglerteil der zentralen Reglereinheit (6) in der äußeren Regeleinrichtung (1) aktiviert, der die Regelung ab diesem Zeitpunkt gemäß der obigen Rekursionsformel als PI-Regelung weiterführt. Als Startwert wird der PI-Regelung hierbei ein anfänglicher Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_s(0)) gemäß der Beziehung Tb_s(0)=Tb+x_OH zugeordnet. Hierbei ist der nunmehr zum Einblaslufttemperatur-Istwert (Tb) hinzuaddierte Temperaturwert (x_OH) so gewählt, daß beim Umschalten auf die PI-Regelung die Taktung des Ventils (9) mit dem passenden Taktverhältnis einge­ leitet wird. Dies hängt von der herrschenden Außentemperatur ab. Ist diese bekannt, z. B. über einen entsprechenden Außentem­ peratursensor, so kann der Zusatzwert (x_OH) davon abhängig ausgelegt werden, wobei der Zusatzwert (x_OH) um so größer ist, je tiefer die Außentemperatur ist. Ist die Außentemperatur nicht bekannt, bleibt die Regelung dennoch funktionsfähig. Der Zusatzwert (x_OH) wird dann auf eine bestimmte Außentemperatur so ausgelegt, daß sich für diese ein optimaler Einschwingvor­ gang ergibt. Bei abweichenden Außentemperaturen entstehen dann zwar geringfügig unterschiedliche Einschwingvorgänge, diese sind jedoch für die Fahrzeuginsassen kaum spürbar. Die einmal aktivierte PI-Regelung wird auch dann weiter aufrechterhalten, wenn aufgrund äußerer Störgrößeneinflüsse die Innenraumtempera­ tur-Regeldifferenz (dTi) unter den unteren Umschaltgrenzwert (dTi_Gu) absinkt, da die PI-Regelung eine solche Regeldifferenz im laufenden Regelbetrieb im Gegensatz zum Startbetrieb, z. B. bei Motorkaltstart, problemlos auszuregeln vermag.

Beim Ausschalten der Zündung kann der letzte, von der PI-Rege­ lung berechnete Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_s) aus der Rekursionsformel in einem Speicher der zentralen Reglereinheit (6) abgespeichert werden. Bei einem anschließenden Warmstart­ fall, in dem die PI-Regelung von Anfang an aktiviert wird, kann dann dieser abgespeicherte Wert gemäß der oben angesprochenen Alternative wieder als Anfangswert eingelesen werden. Zur Ent­ scheidung, ob ein Warmstart vorliegt, prüft die zentrale Reg­ lereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) wie gesagt, ob die anstehende Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) sich oberhalb des zugehörigen vorgegebenen unteren Startbetriebs­ grenzwertes (dTi_SGu) von -8 K befindet. Dieselbe PI-Regelungsak­ tivierung mit dem abgespeicherten Anfangswert der Einblasluft­ temperatur kann durchgeführt werden, wenn bei eingeschalteter Zündung die zuvor inaktive Heizungsanlage des Fahrzeugs vom Benutzer aktiviert wird.

In einer alternativen Vorgehensweise wird statt der Innenraum­ temperatur-Regeldifferenz die Kühlwassertemperatur des den Wärmetauscher (10) der Fahrzeugheizungsanlage durchfließenden Kühlwassers als für den anfänglichen Regelsystemzustand reprä­ sentativer Temperaturparameter herangezogen. Die Kühlwassertem­ peratur (T_Kw) wird in diesem Fall von einem nicht gezeigten Sensor erfaßt und der zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) zugeführt. Diese vergleicht die gemessene anfängliche Kühlwassertemperatur (T_Kw) mit einem Kühlwassertem­ peratur-Startbetriebgrenzwert (T_KwG), der beispielhaft auf T_KwG=65°C gesetzt ist. Ist die anfängliche Kühlwassertemperatur (T_Kw) größer als dieser Grenzwert (T_KwG), so wird dies als ein Warmstart interpretiert, bei dem es möglich ist, die anfäng­ liche Regelabweichung sehr schnell bereits durch die PI-Rege­ lung zu beseitigen. Dementsprechend wird dann sofort die oben beschriebene PI-Regelung aktiviert. Wenn die anfängliche Kühl­ wassertemperatur (T_Kw) jedoch unterhalb dieses Startbetriebs­ grenzwertes (T_KGw) liegt, so wird dies als Kaltstart erkannt, bei dem die Erreichung der gewünschten Innentemperatur allein mittels der PI-Regelung unerwünscht lange dauern würde. Deshalb wird in diesem Fall zunächst der maximal gegenregelnde Regelbe­ trieb durch Einstellen der Offset-Einblasluftsolltemperatur (Tb_soff) durchgeführt, wie dies oben ausführlich beschrieben ist. Sobald dann wieder der untere Innenraumtemperatur-Regel­ differenz-Umschaltgrenzwert - (dTi_Gu) von -1 K erreicht ist, schaltet die Regelung auf die PI-Regelung um, mit der der weitere Regelbetrieb erfolgt.

Ein konkreter Aufheizvorgang für den Kraftfahrzeuginnenraum nach einem Kaltstart ist in Fig. 3 dargestellt. Anfänglich liegt die Einblaslufttemperatur (Tb), deren zeitlicher Verlauf durch die strichpunktierte Linie wiedergegeben ist, nur knapp über 0°C und die Fahrzeuginnenraumtemperatur (Ti) nur leicht darüber. Eingestellt ist eine Fahrzeuginnenraum-Solltemperatur (T_s) von +22°C. Der untere Innenraumtemperatur-Regeldifferenz- Startbetriebgrenzwert von dTi_SGu=-8 K ist folglich unterschrit­ ten und die äußere Regeleinrichtung (1) erzeugt als Stellgröße (Tb_s) zunächst den Offset-Wert als um den Zusatzwert (x_SH) er­ höhten Wert der Einblaslufttemperatur (Tb), wobei der Zusatz­ wert (X_SH) auf +20 K gesetzt ist. Das sich durch das Zeitver­ zögerungsglied (7) ergebende Führungsgrößensignal (Tb_SV) für die innere Regeleinrichtung (2), das dem zeitverzögerten Stell­ größensignal der äußeren Regeleinrichtung (1) entspricht, ist in Fig. 3 gestrichelt gezeichnet. Bis zum Zeitpunkt (t1) stei­ gen die Einblaslufttemperatur (Tb) unter stets voll geöffnetem Wasserkreislauf-Taktventil (9) und mit ihr synchron der rechne­ risch vorgegebene Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_s) um den Wert (x_SH) verschoben kontinuierlich mit steigender Heizwasser­ temperatur stark an.

Zum Zeitpunkt (t1), d. h. vorliegend nach etwa 5 Minuten, er­ reicht die Innenraumtemperatur (Ti) einen nur noch um 1 K gegen­ über dem eingestellten Innenraumtemperatur-Sollwert (T_s) gerin­ geren Wert. Durch die daraus resultierende Überschreitung des Umschaltgrenzwertes von dTi_Gu=-1 K durch die Innenraumtempera­ tur-Regeldifferenz (dTi) schaltet die zentrale Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) auf die PI-Regelung um, wobei anfänglich zum Zeitpunkt (t1) der Offset-Wert für den Einblaslufttemperatur-Sollwert (Tb_s) vom Wert Tb+x_SH auf den Wert Tb+x_OH als Startwert der PI-Regelung zurückgenommen wird. Der Zusatzwert (x_OH) beträgt hierbei +5 K. Dies bewirkt ein anschließend stetiges Abfallen des zeitverzögerten Einblasluft­ temperatur-Sollwerts (Tb_sv) und damit der Führungsgröße für die innere Regeleinrichtung (2), wobei die weitere Änderung des Einblaslufttemperatur-Sollwerts (Tb_s) in der zentralen Regler­ einheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) mittels der oben angegebenen Rekursionsformel erfolgt und im weiteren zeitlichen Verlauf ebenfalls stetig auf den zur Innenraumtemperatur-Regel­ differenz Null führenden Endwert abklingt. Die Meßkurve für die Fahrzeuginnenraum-Isttemperatur (Ti) zeigt, wie die Isttempera­ tur durch die maximal gehaltene Heizleistung in der Startphase bis zum Zeitpunkt (t1) rasch ansteigt und dann mittels der zum Zeitpunkt (t1) einsetzenden PI-Regelung mit nur geringen auf­ tretenden Regeldifferenzen (dTi) auf dem vorgegebenen Sollwert (T_s) gehalten wird.

Mit der Regelungsanordnung nach Fig. 1 ist auch die Durch­ führung des Temperaturregelungsverfahrens in Form einer nach­ folgend beschriebenen Kühlung des Fahrzeuginnenraums mittels einer vorhandenen Fahrzeugklimaanlage möglich.

Dazu wird zunächst bei kleinen angeforderten Einblasluft-Soll­ temperaturen die von außen kommende Luft durch den Kältesatz der Klimaanlage maximal abgekühlt und diese abgekühlte Luft dann als eingangsseitiger Luftstrom (12) dem Wärmetauscher (10) zugeführt, wonach die Regelungsanordnung nach Fig. 1 durch pas­ sendes Dazuheizen die gewünschte Blaslufttemperatur (Tb) ein­ stellt. Die Regelung erfolgt dann weitestgehend analog zum Heizbetrieb wie folgt.

Liegt eine anfängliche Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) von größer als ein vorgewählter oberer Innenraumtemperatur- Regeldifferenz-Startbetriebsgrenzwert (dTi_SGo) von dTi_SGo=+2 K vor, wird dies als große Regelabweichung von der zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1), d. h. als ein Kaltstart, erkannt und in der Startphase die Einblasluft- Solltemperatur als Offset-Wert der Form Tb_s =Tb-x_SK eingestellt, wobei also wiederum ein in diesem Fall negativer Zusatzwert (-x_SK) zur Einblasluft-Isttemperatur (Tb) addiert wird. Die Größe des zusätzlichen Temperaturwertes (x_SK) wird so gewählt, daß die Einblasluft-Regeldifferenz (dTb=Tb-Tb_sv) für die innere Regeleinrichtung (2) trotz Zeitverzögerungsglied (7) mit Si­ cherheit größer als +10 K bleibt. Aus der Kennlinie von Fig. 2 ergibt sich dann, daß das Taktventil (9) ganz geschlossen bleibt, so daß folglich der maximal abgekühlte Luftstrom (12) ohne Erwärmung im Wärmetauscher (10) den Einblasluftstrom (13) bildet. Im Fall merklich zu großer anfänglicher Innenraumtem­ peratur, d. h. bei einer Regeldifferenz (dTi=Ti-T_s) größer als +2 K, wird auf diese Weise die maximale Kühlleistung der Klima­ anlage ausgenutzt, um den Fahrzeuginnenraum schnellstmöglich abzukühlen.

Sobald durch die maximal zugeführte Kälteleistung die Innen­ raumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) den oben angegebenen, vor­ gewählten oberen Umschaltgrenzwert (dTi_Go) von dTi_Go=+1 K unter­ schreitet, wird dies als Erreichen des Bereichs kleiner positi­ ver Regeldifferenzen erkannt und die PI-Regelung innerhalb der zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) aktiviert, mit der die Regelung im folgenden weitergeführt wird. Als Startwert (Tb_s(0)) der Einblasluft-Solltemperatur wird im Umschaltzeitpunkt für die PI-Regelung wiederum ein Startwert der Form Tb-x_OK vorgegeben, wobei der zur Einblas­ luft-Isttemperatur (Tb) aufaddierte, in diesem Fall negative, Temperaturzusatzwert (-x_OK) so vorgegeben wird, daß das Ventil (9) mit passendem Taktverhältnis getaktet wird, so daß der durch die Regelungsumschaltung auftretende Einschwingvorgang schnellstmöglich abklingt. Es genügt wiederum, den Zusatzwert (x_OK) auf eine bestimmte Außentemperatur abzustimmen. Bei vorhandener Information über die Außentemperatur kann diese selbstverständlich zur Einstellung des Zusatzwertes (x_OK) ver­ wendet werden.

Der Fall einer anfänglichen Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) von weniger als dTi_SGo=+2 K wurde bereits oben abgehan­ delt. Selbstverständlich kann alternativ zur anfänglichen Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) wiederum die anfäng­ liche Kühlwassertemperatur zur Entscheidung über einen Warm­ start mit sofortiger PI-Regelung oder einen Kaltstart mit vor­ angehender maximaler Gegenregelung herangezogen werden.

Wie sich aus obigem ergibt, ermöglicht das beschriebene Rege­ lungsverfahren für die mit einer Fahrzeugklimaanlage verbundene Regelungsanordnung sowohl eine schnellstmögliche Aufheizung als auch eine schnellstmögliche Abkühlung des Fahrzeuginnenraums jeweils nach Überschreiten eines vorwählbaren Grenzwertes der anfänglichen Abweichung der Innenraumtemperatur von ihrem be­ nutzerseitig eingestellten Sollwert oder der anfänglichen Kühl­ wassertemperatur. Durch die besondere, rechnerisch ermittelte Vorgabe der Einblasluft-Solltemperatur während einer solchen maximalen Gegenregelung bei großen anfänglichen Regelabweichun­ gen, durch die dieser Sollwert parallel mit der tatsächlichen Einblasluft-Isttemperatur fortwährend mitgeführt wird, liegt dieser Einblaslufttemperatur-Sollwert bei Erreichen des Berei­ ches betragsmäßig kleiner Innenraumtemperatur-Regeldifferenzen und damit bei Aktivierung der PI-Regelung bereits auf dem rich­ tigen, der Außentemperatur angepaßten Wert. Zum Ausgleichen der großen anfänglichen Regeldifferenzen wird jeweils die in der Anlage vorhandene Heiz- und/-oder Kühlleistung voll zur Gegen­ steuerung ausgenutzt. Durch die nachfolgende Aktivierung der PI-Regelung ist ein Außentemperatursensor nicht zwingend erfor­ derlich, der eingestellte Innenraumtemperatur-Sollwert läßt sich vielmehr auch ohne Kenntnis der Außentemperatur zuverläs­ sig einregeln.

Der Regelungsalgorithmus und damit seine Programmierung in eine Steuereinheit, die vorzugsweise in der zentralen Reglereinheit (6) der äußeren Regeleinrichtung (1) enthalten ist, bleibt aus­ reichend einfach, so daß zudem nur wenig Speicherplatz erfor­ derlich ist. Die zentrale Reglereinheit (6) der äußeren Regel­ einrichtung (1) kann selbstverständlich weitere Funktionen im Fahrzeug steuern oder regeln bzw. Teil einer multifunktionellen Steuer- und Regeleinrichtung im Fahrzeug sein.

Das Regelungsverfahren läßt sich sehr einfach auf die verschie­ denartigen Anwendungsfälle anpassen. Insbesondere kann die Re­ gelungsanordnung nach Fig. 1 durch passende Auswahl der Start- und der Umschaltgrenzwerte sowie der Temperaturzusatzwerte (x_SH, x_OH, x_SK und x_OK) rasch und problemlos für verschieden­ artige Fahrzeuge verwendet werden. Zudem ist es selbstverständ­ lich möglich, mehrere, den anfänglichen Regelsystemzustand charakterisierende Temperaturparameter zu wählen und den maxi­ mal gegenregelnden Anfangsbetrieb bei Überschreiten eines oder aller diesbezüglichen Grenzwerte durchzuführen. Die obige Be­ schreibung bezieht sich zwar konkret auf ein einkanaliges Tem­ peraturregelungssystem, das Regelungsverfahren läßt sich jedoch problemlos auch für gebräuchliche zweikanalige Fahrzeugklimaan­ lagen, d. h. mit getrennten Kanälen rechts und links, anwenden. Dabei können die vorzugebenden Parameterwerte entweder für den linken und rechten Kanal getrennt oder aber als Mittelwerte für beide Kanäle jeweils gemeinsam vorgegeben werden.

Es ist zudem ohne weiteres möglich, das Regelungsverfahren mit­ tels einer gegenüber derjenigen der Fig. 1 modifizierten Rege­ lungsanordnung durchzuführen und es beispielsweise zur Tempera­ turregelung von Innenräumen in Gebäuden zu benutzen, wobei das regelungsaktive Medium dann z. B. das Wasser einer Zentralhei­ zungsanlage sein kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Innenraums, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei dem

• - mit einem inneren Regelkreis die Temperatur (Tb) eines auf den Innenraum thermisch einwirkenden Mediums geregelt wird und
• - die Mediumsolltemperatur (Tb_s) als Führungsgröße für den inneren Regelkreis von einem äußeren Regelkreis in Abhän­ gigkeit von der Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) vorgegeben wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens ein Startbetriebsgrenzwert (T_KwG, dTi_SGu) für einen für den anfänglichen Regelsystemzustand reprä­ sentativen Temperaturparameter sowie wenigstens ein Innen­ raumtemperatur-Regeldifferenz-Umschaltgrenzwert (dTi_Gu) vorgegeben werden,
• - daß zu Beginn jeder Aktivierung der Regelung der Istwert des für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentati­ ven Temperaturparameters mit dem vorgegebenen Startbetriebsgrenzwert (T_Kwg, dT_isGu) verglichen wird und bei überschrittenem Startbetriebsgrenzwert (T_Kwg, dT_isGu)
• - mit dem äußeren Regelkreis zunächst eine Offset-Solltem­ peratur (Tb_soff) des Mediums derart bestimmt wird, daß durch den inneren Regelkreis ein maximal gegenregelnder Wert der Stellgröße (TV) eingestellt wird, bis die Innen­ raumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) einen betragsmäßig kleineren Wert als der vorgegebene Regeldifferenz-Um­ schaltgrenzwert (dTi_Gu) annimmt, wonach die Regelung durch Ermittlung der Solltemperatur (Tb_s) des Mediums mittels einer PI-Regelung weitergeführt wird, und andernfalls
• - die Regelung sofort durch Ermittlung der Solltemperatur (Tb_s) des Mediums mittels einer PI-Regelung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur (Tb_s) des Mediums als Stellgröße des äußeren Regelkreises dem inneren Regelkreis mittels eines Zeit­ verzögerungsgliedes (7) zeitverzögert als Führungsgröße (Tb_sv) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom äußeren Regelkreis als Offset-Solltemperatur (Tb_soff) des Mediums die Summe aus der Isttemperatur (Tb) des Mediums und einem vorwählbaren, zeitunabhängigen Zusatzwert (x_SH, x_SK) gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß durch die PI-Regelung die Solltemperatur (Tb_s) des Mediums fortwährend iterativ nach einer Rekursionsgleichung ermittelt wird, wobei als Solltemperatur-Startwert die Summe aus der Ist­ temperatur (Tb) des Mediums und einem vorwählbaren Zusatzwert (x_OH, z_OK) vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorwählbare Zusatzwert (x_OH, z_OK) zur Solltemperatur- Startwertbestimmung in Abhängigkeit von der Isttemperatur eines Außenraumes, dem das Medium entnommen wird, vorgewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein negativer unterer (dTi_Gu) und ein positiver oberer Innenraumtemperatur-Regeldifferenz-Umschaltgrenzwert (dTi_Go) vorgegeben werden, wobei nach einem anfänglichen maximal gegen­ regelnden Regelbetrieb auf den PI-Regelbetrieb umgeschaltet wird, sobald die Innenraumtemperatur-Regeldifferenz (dTi) einen Wert im Intervall zwischen diesen beiden Grenzwerten (dTi_Gu, dTi_Go) erreicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativer Temperaturparameter die anfängliche Innenraumtemperatur-Regel­ differenz (dTi) gewählt und ein diesbezüglicher unterer (dTi_SGu) sowie oberer Startbetriebsgrenzwert (dTi_SGo) vorge­ geben werden, wobei der der nachfolgenden PI-Regelung voran­ gehende maximal gegenregelnde Regelungsbetrieb durchgeführt wird, wenn die Innenraumtemperatur-Regeldifferenz zu Beginn den unteren Grenzwert (dTi_SGu) unterschreitet oder den oberen Grenzwert (dTi_SGo) überschreitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für eine Kraft­ fahrzeugheizungs- oder -klimaanlage mit einem kühlwasserdurch­ flossenen Wärmetauscher zur Erwärmung in den Innenraum einströ­ mender Luft und mit Kühlwassertemperaturmessung, dadurch gekennzeichnet, daß als für den anfänglichen Regelsystemzustand repräsentativer Temperaturparameter die Kühlwassertemperatur gewählt und ein diesbezüglicher Grenzwert (T_KwG) vorgegeben wird, bei dessen anfänglichem Unterschreiten der der späteren PI-Regelung voran­ gehende, maximal gegenregelnde Regelungsbetrieb durchgeführt wird.