DE60222346T2 - Luft-Kraftstoffverhältnis-Regeleinrichtung für eine Bremskraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses für einen Motor gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Abspruchs 1 und ein Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 10.
  • Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren können dem Dokument JP 2001-164971 des Stands der Technik entnommen werden.
  • US-Patent 6.266.605 offenbart eine Anwendung eines Sliding-Mode-Regelungsprozesses auf die Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, das einem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
  • In dieser Technik nach dem Stand der Technik wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor jeweils vor und nach einem Katalysator in einem Abgasdurchgang bereitgestellt und berechnet durch einen Sliding-Mode-Regelungsprozess einen Ausgangs-Sollwert des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, für den der Ausgang des nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ein vorgegebener Wert ist.
  • Die Kraftstoffeinspritzmenge wird dann durch den Sliding-Mode-Regelungsprozess Rückkopplungsgesteuert, so dass der Ausgang des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit dem Soll-Ausgangswert übereinstimmt.
  • Die dynamische Eigenschaft des Ausgangs des nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors relativ zu dem Ausgang des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors wird als ein sekundäres diskretes Modell zur Rückkopplungsregelung ausgedrückt, durch das der Ausgang des nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit einem vorgegebenen Wert übereinstimmt. Der Ausgang des nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors nach Verstreichen einer Totzeit wird unter Verwendung des Modells auf Basis des Ausgangs des vorgeschalteten Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors geschätzt, und die Totzeit zwischen den Ausgängen der beiden Sensoren wird kompensiert.
  • Die Kompensation der Totzeit in der Technologie nach dem Stand der Technik ist zwischen dem Ausgang der beiden Sensoren begrenzt. Für die Totzeit von Kraftstoffeinspritzung bis zu dem Ausgang des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors wird keine Korrektur vorgenommen. Außerdem wird auf die Rückkopplungsregelung der Kraftstoffeinspritzmenge die klassische Proportional-Integral-Differential-Regeleinrichtung oder ein Self-Tuning-Regler verwendet.
  • Aus diesem Grund neigt das Kraftstoff-Luftverhältnis dazu, zu schwanken, wenn der Rückkopplungsgewinn im niedrigen Luftdurchsatzbereich nahe des Leerlaufs des Motors erhöht wird, wo praktisch eine große Totzeit vorliegt.
  • Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, jeweils eine Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses für einen Motor und ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses für einen Motor wie oben angegeben bereitzustellen, worin eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Sliding-Mode-Regelung mit einem großen Rückkopplungsgewinn stabilisiert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch eine Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor erreicht, die die Merkmale des Hauptanspruchs 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Nebenansprüchen dargelegt.
  • Des Weiteren wird dieses Ziel auch durch ein Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor erreicht, das die Merkmale des Hauptanspruchs 10 aufweist.
  • Dementsprechend wird eine Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor mit einer Brennkammer zur Verbrennung eines Gemisches aus Luft und Kraftstoff bereitgestellt. Die Vorrichtung weist ein Kraftstoffeinspritzventil auf, das Kraftstoff in den Motor einspritzt, um das Gemisch zu erzeugen, einen Sensor, der ein Luft- Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs aus einer Zusammensetzung von Abgas des Motors erfasst, und eine programmierbare Regeleinheit.
  • Die programmierbare Regeleinheit ist so programmiert, dass sie eine Totzeit berechnet, die eine Verzögerung zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs in der Brennkammer und der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darstellt, das durch den Sensor erfasst wird, eine geschätzte Zustandsgröße berechnet, indem sie eine Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und eine Störungs-Kompensation auf das durch den Sensor erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis anwendet, ein Maß von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis der geschätzten Zustandsgröße und eines vorgegebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über einen Sliding-Mode-Regelungsprozess berechnet, und eine Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils auf Basis des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses regelt.
  • Des Weiteren wird auch ein Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor mit einer Brennkammer zum Verbrennen eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff und einem Kraftstoffeinspritzventil, das Kraftstoff in den Motor einspritzt, um das Gemisch zu erzeugen, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs aus einer Zusammensetzung von Abgas des Motors, Berechnen einer Totzeit, die eine Verzögerung zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs in der Brennkammer und der Änderung eines erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darstellt, Berechnen einer geschätzten Zustandsgröße durch Anwenden einer Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und einer Störungskompensation auf das erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Berechnen eines Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis der geschätzten Zustandsgröße und eines vorgegebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über einen Sliding-Mode-Regelungsprozess, und Regeln einer Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils auf Basis des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen dargestellt und erläutert, wobei in den Zeichnungen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Benzinmotors ist, auf dem die vorliegende Lehre angewandt wird.
  • 2 ein Blockdiagramm ist, das eine Sliding-Mode-Regelfunktion einer Regeleinheit gemäß der vorliegenden Lehre beschreibt.
  • 3 ein Diagramm ist, das ein physikalisches Modell eines Motors zur Beschreibung eines Regelprozesses gemäß der vorliegenden Lehre zeigt.
  • 4 ein Zeitdiagramm ist, das die Sprungantwort-Eigenschaft der Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einem Zylinder und eine Änderung des aus der Zusammensetzung des Abgases des Motors ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beschreibt.
  • 5 ein Diagramm ist, das eine Änderung der Zustandsgröße eines Fehlers in einem Sliding-Mode-Regelungsprozess gemäß der vorliegenden Lehre beschreibt.
  • 6 ein Diagramm ist, das den Erstellungsprozess verschiedener Funktionen und Gleichungen beschreibt, die für den Sliding-Mode-Regelungsprozess gemäß der vorliegenden Lehre benötigt werden.
  • 7 ein Flussdiagramm ist, das eine Routine zum Berechnen eines Werts ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoffverhältnisses beschreibt, die von einer Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 8 ein Flussdiagramm ist, das eine Unterroutine zur Berechnung eines Umschaltfunktionsgewinn-Elements S beschreibt, die durch die Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 9A und 9B Zeitdiagramme sind, die eine Änderung des Werts ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zeigen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder unter Verwendung eines festen Integrationsgewinns in einem niedrigen Drehzahlbereich geregelt wird.
  • 10A und 10B Zeitdiagramme sind, die eine Änderung des Werts ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zeigen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder unter Verwendung eines festen Integrationsgewinns in einem hohen Drehzahlbereich geregelt wird.
  • 11A und 11B Zeitdiagramme sind, die eine Änderung des Werts ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zeigen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder unter Verwendung eines variablen Integrationsgewinns in dem hohen Drehzahlbereich geregelt wird.
  • 12 ein Flussdiagramm ist, das eine Unterroutine zur Berechnung eines Integrationsgewinns μ beschreibt, die von der Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 13 ein Flussdiagramm ist, das eine Unterroutine zur Berechnung einer Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion, eines linearen Eingangs ueq(n), eines nicht linearen Eingangs unl(n) und eines Gesamt-Regeleingangs Usl beschreibt, die von der Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 14 ein Blockdiagramm ist, das eine Totzeit-Kompensationsfunktion der Regeleinheit beschreibt.
  • 15 ein Blockdiagramm ist, das ein Prinzip des für eine Totzeit-Kompensation verwendeten Smith-Verfahrens beschreibt.
  • 16 ein Blockdiagramm ist, das eine Störungskorrektur zusammen mit einer Totzeit-Kompensation auf der Basis des Smith-Verfahrens beschreibt, die von der Regeleinheit angewandt werden.
  • 17 ein Blockdiagramm ist, das eine Routine zur Berechnung einer geschätzten Zustandsvariable ist, die von der Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 18 ein Flussdiagramm ist, das eine Unterroutine zur Berechnung einer Modell-Totzeit dM beschreibt, die von der Regeleinheit durchgeführt wird.
  • 19A bis 19G Zeitdiagramme sind, die eine Änderung einer Zustandsgröße x ^2(n) der geschätzten Zustandsvariable beschreiben, die den Wechsel der Modell-Totzeit dM begleitet.
  • 20 ein Flussdiagramm ist, das eine Unterroutine zur Berechnung der geschätzten Zustandsvariablen während des Wechsels der Modell-Totzeit beschreibt, die von der Regeleinheit durchgeführt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist ein Benzinmotor 1 für ein Fahrzeug mit einer Brennkammer 1A, einem Einlassdurchgang 2 und einem Abgasdurchgang 3 bereitgestellt, die jeweils über Ventile mit der Brennkammer 1A verbunden sind.
  • In dem Einlassdurchgang 2 ist eine Einlass-Drosselvorrichtung 4 bereitgestellt.
  • In dem Abgasdurchgang 3 ist eine Katalysatorvorrichtung 7 bereitgestellt, die einen Dreiwegekatalysator enthält.
  • Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch aus Kraftstoff und Luft wird der Brennkammer 1A zugeführt, wenn ein Kraftstoffeinspritzventil 5 Kraftstoff in die von der Brennkammer 1A durch den Einlassdurchgang 2 angesaugte Luft eingespritzt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt, wenn eine in der Brennkammer 1A installierte Zündkerze 6 das Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet.
  • Nach der Verbrennung wird Abgas in den Abgasdurchgang 3 ausgestoßen. Das Abgas wird durch die Katalysatorvorrichtung 7 gereinigt und anschließend in die Atmosphäre ausgestoßen.
  • Der Dreiwege-Katalysator in der Katalysatorvorrichtung 7 ist ein bekannter Katalysator, der ein Edelmetall wie beispielsweise Platin und Rhodium, und ein Sauerstoff-Speichermaterial wie beispielsweise Zeroxid, Barium oder ein unedles Metall auf einem Katalysatorträger trägt. Der Dreiwege-Katalysator beschleunigt Reduktion des Stickstoffoxids (NOx) und Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in dem Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch nahe dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis verbrennt. Er hat des Weiteren eine Sauerstoff-Speicherfunktion, die den in dem Abgas enthaltenen Sauerstoff speichert und den gespeicherten Sauerstoff abgibt, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abnimmt. Damit die Sauerstoff-Speicherfunktion richtig funktioniert, muss sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in der Brennkammer 1A verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem richtigen Bereich befinden.
  • Eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird durch eine programmierbare Regeleinheit 11 durchgeführt, die eine Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 5 regelt. Die zeitliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffeinspritzventils 5 und die zeitliche Steuerung der Zündkerze 6 werden auch von der Regeleinheit 11 geregelt.
  • Die Regeleinheit 11 umfasst einen Mikrocomputer, der mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), Festspeicher (ROM), Arbeitsspeicher (RAM) und I/O-Schnittstelle (I/O-Interface) ausgestattet ist. Es ist auch möglich, die Regeleinheit aus mehreren Mikrocomputern herzustellen.
  • Um die oben beschriebene Regelung durchzuführen, werden Erfassungsdaten von einem Drehzahlsensor 13 eingegeben, der die Drehzahl des Motors 1 erfasst, von einem Kurbeldrehwinkelsensor 12, der einen vorgegebenen Kurbeldrehwinkel des Motors 1 erfasst, einem Luftdurchsatzmessgerät 14, das eine Einlassluftmenge des Einlassdurchgangs 2 erfasst, einem Wassertemperatursensor 15, der eine Kühlwassertemperatur des Motors 1 erfasst, und von vor- und nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 16, 17, die jeweils aus der Zusammensetzung des Abgases das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in die Brennkammer 1A eingebrachten Luft-Kraftstoff-Gemischs erfassen.
  • Der vorgeschaltete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 ist vor der Katalysatorvorrichtung 7 in dem Abgasdurchgang 3 angeordnet, und der nachgeschaltete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 17 ist nach der Katalysatorvorrichtung 7 in dem Abgasdurchgang 3 angeordnet.
  • Der vorgeschaltete Luft-Kraftstoff-Sensor 16 umfasst einen sogenannten universellen Abgas-Sauerstoff-Sensor, der eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem weiten Bereich von mager bis reich erfassen kann.
  • Der nachgeschaltete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 17 umfasst einen Sauerstoff-Sensor, der den Ausgang rapide verändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs über das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis hinaus verändert.
  • Die Regeleinheit 11 berechnet auf der Basis der folgenden Voraussetzung eine Sauerstoff-Speichermenge des Dreiwege-Katalysators. Das Edelmetall, das den Dreiwege-Katalysator bildet, speichert Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit, und das Sauerstoff-Speichermaterial speichert Sauerstoff mit niedriger Geschwindigkeit.
  • Das Sauerstoff-Speichermaterial speichert weiterhin Sauerstoff, auch nachdem die Sauerstoff-Speicherkapazität des Edelmetalls gesättigt ist. Wenn bei der Sauerstoffabgabe der Anteil der Sauerstoff-Abgabemenge des Edelmetalls und der Anteil der Sauerstoff-Abgabemenge des Sauerstoff-Speichermaterials niedriger sind als ein festgelegter Anteil, wird Sauerstoff bevorzugt von dem Edelmetall abgegeben. Nachdem der Anteil der Abgabemengen den festgelegten Anteil erreicht hat, wird Sauerstoff von dem Edelmetall und dem Sauerstoff-Speichermaterial in dem festgelegten Anteil abgegeben.
  • Die Regeleinheit 11 führt die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch, indem sie aus der Sauerstoff-Speichermenge des Edelmetalls, das die Speicherung und Abgabe von Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit ausführt, einen Parameter macht. Selbst wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufgrund dieser Regelung von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verschiebt, führt Edelmetall des Dreiwege-Katalysators die Speicherung oder Abgabe von Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit aus, so dass die Verschiebung kompensiert wird. Auf diese Weise hält der Dreiwege-Katalysator die Sauerstoff-Konzentration des Abgases bei einem Wert aufrecht, der dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, und der Dreiwege-Katalysator zeigt eine hohe Abgas-Reinigungskapazität.
  • In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Sauerstoff-Speichermenge des Dreiwege-Katalysators die Sauerstoff-Speichermenge des Edelmetalls.
  • Die Regeleinheit 11 berechnet nun die Sauerstoff-Speichermenge des Dreiwege-Katalysators auf Basis des von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • Wenn die Sauerstoff-Speichermenge eine Soll-Speichermenge überschreitet, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkammer 1A zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung reich korrigiert.
  • Anders herum, wenn die Sauerstoff-Speichermenge niedriger ist als die Soll-Speichermenge, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkammer 1A zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung mager korrigiert.
  • Die Regeleinheit 11 regelt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so dass die Sauerstoff-Speichermenge gleich der Soll-Speichermenge ist. Die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird durch die Regelung der Kraftstoff-Einspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 5 umgesetzt.
  • Wenn sich bei der Berechnung der Sauerstoff-Speichermenge in dem oben genannten Regelprozess des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ein Fehler häuft, verschlechtert sich die Genauigkeit der Regelung. Daher setzt die Regeleinheit 11 die berechnete Sauerstoff-Speichermenge zurück, um den Fehler zu einem Zeitpunkt aufzuheben, wenn der Ausgang des nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 17 von reich zu mager wechselt, oder umgekehrt.
  • Die Regeleinheit 11 wendet auf die Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einen Sliding-Mode-Regelungsprozess an. Die Funktion der Regeleinheit 11 hinsichtlich des Sliding-Mode-Regelungsprozesses ist in 2 dargestellt.
  • Unter Bezugnahme auf 11 ist die Regeleinheit mit einer Einheit 21 zur Berechnung des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, einer Sliding-Mode-Regelungseinheit 22 und einer Einheit 30 zur Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge versehen.
  • In der nachfolgenden Gleichung (1) berechnet die Einheit 30 zur Berechnung des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 5. Die Kraftstoffeinspritzmenge wird hier als Impulsdauer CTI eines Einspritzimpulswellen-Signalausgangs von der Regeleinheit 11 an das Kraftstoffeinspritzventil 5 ausgedrückt. CTI = (TP·TFBYA + KATHOS)·(ALPHA + KBLRC – 1) + TS + CHOS (1)wobei
    • TP
    = Grundimpulsdauer der Kraftstoffeinspritzung,
    TFBYA
    = Soll-Äquivalenzverhältnis,
    KATHOS
    = ungeregelter Korrekturwert der Kraftstoffeinspritzmenge,
    ALPHA
    = rückkopplungsgeregelter Korrekturwert des Luft-Kraftstoffverhältnisses,
    KBLRC
    = Lernwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
    TS
    = ineffektive Einspritzimpulsdauer, und
    CHOS
    = ungeregelter Korrekturwert der Kraftstoffeinspritzmenge pro Zylinder.
  • Die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge TP ist ein Wert, der durch Addition einer Korrektur für eine Übertrittszeit von Luft aus der Drosselklappe 4 zu Brennkammer 1A zu einer Grundimpulsdauer der Kraftstoffeinspritzung erhalten wird, die dem Öffnen der Drosselklappe entspricht, das auf Basis eines Absenkmaßes eines Gaspedals, mit dem das Fahrzeug versehen ist, und der Drehzahl des Motors 1 festgelegt wird. Die Berechnung der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge TP ist aus US-Patent 5.529.043 bekannt.
  • Die Sliding-Mode-Regelungseinheit 22 umfasst eine Umschaltfunktions-Berechnungseinheit 23, eine Einheit 24 zur Berechnung des nichtlinearen Eingangs, eine Einheit 25 zur Berechnung des linearen Eingangs, ein Integrierglied 26, ein Addierglied 27, eine Umwandlungseinheit 28 und eine Korrekturbegrenzungseinheit 29.
  • Die Funktion dieser Teile wird später ausführlich beschrieben.
  • Wie oben erwähnt, basiert diese Erfindung auf einem neuen Konzept hinsichtlich der Anwendung des Sliding-Mode-Regelungsprozesses auf die Berechnung des rüc kopplungsgeregelten Korrekturwerts ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, obwohl die Anwendung eines Sliding-Mode-Regelungsprozesses auf die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allgemein bekannt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird erwartet, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkammer 1A des Motors 1 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs aufgrund der ungeregelten Korrekturwerte KATHOS und CHOS ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis darstellen.
  • Die dynamische Eigenschaft des Luft-Kraftstoff-Gemischs, die dynamische Eigenschaft des Abgases und die dynamische Eigenschaft des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 16 können daher integriert werden und als eine Übertragungsfunktion eines sekundären diskreten Systems ausgedrückt werden.
  • Vorausgesetzt, der Eingang in den Motor 1 als eine Anlage ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A, und der Ausgang aus dem Motor 1 ist das von dem nachgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 ermittelte Luft-Kraftstoff-Verhältnis, kann die Übertragungsfunktion Gen(q) des sekundären diskreten Systems ausgenommen der Totzeit als die Gleichung (2) ausgedrückt werden.
    Figure 00110001
    wobei:
    • q
    = Streuungssystem-Schaltoperator,
    a1 , a0
    = Ableitungs-Multiplikatoren und
    b1, b0
    = Ableitungs-Multiplikatoren.
  • Es ist experimentell bestätigt, dass das Verhältnis zwischen dem oben genannten Eingang und Ausgang des Motors 1 wie in 4 dargestellt ist. Daher kann die Übertragungsfunktion Geng(q) durch die Anwendung eines Autoregressionsmodells mit exogener Variable (ARX-Modell) bestimmt werden, das zur Modellierung eines linearen zeitinvarianten Systems verwendet wird.
  • Der Ansatz der System-Identifizierung unter Verwendung des ARX-Modells ist durch Tokkai 2000-291484, veröffentlicht 2000 durch das Japanische Patentamt, offenbart.
  • Es ist auch möglich, die Übertragungsfunktion Geng(q) basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate zu bestimmen.
  • Selbst in einer Anlage von einer starken, nichtlinearen Natur, wie einem Motor, kann die Sprungantwort des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in jedem Operationsbereich gemessen werden, und für jeden Operationsbereich kann eine Übertragungsfunktion ermittelt werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung eine Matrix x(n) als mat x(n) bezeichnet wird.
  • Die Übertragungsfunktion Geng(q) des sekundären diskreten Systems wird durch die nachfolgenden Zustandsgleichungen (3) und (4) beschrieben, die einen Zustandsraum-Ausdruck des sekundären diskreten Systems darstellen.
    Figure 00120001
    wobei:
    • mat A
    = Systemmatrix,
    mat B
    = Eingangsmatrix,
    mat C
    = Ausgangsmatrix,
    mat x(n)
    = Zustandsvariable,
    mat y(n)
    = Ausgang,
    u(n)
    = Eingang,
    a1, a0
    = Elemente der Systemmatrix mat A und
    b1, b0
    = Elemente der Eingangsmatrix mat B.
  • Die Elemente a1, a0 der Systemmatrix A sind mit den Ableitungs-Multiplikatoren a1, a0 der Gleichung (2) identisch, und die Elemente b1, b0 der Eingangsmatrix B sind mit den Ableitungs-Multiplikatoren b1, b0 der Gleichung (2) identisch.
  • Der Eingang u(n) ist das von der Impulsdauer CTI des Kraftstoffeinspritz-Impulssignals berechnete Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A, und der Ausgang y(n) ist das von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Die in der Gleichung (3) und (4) verwendete Zustandsvariable wird durch eine Matrix ausgedrückt.
  • Die Regeleinheit 11 regelt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A wiederholt in einem festgesetzten Intervall. Der Index (n) der Gleichungen (3) und (4) bezeichnet einen Wert bei der derzeitigen Gelegenheit, und der Index (n + 1) bezeichnet einen Wert bei der nächsten Gelegenheit.
  • In der allgemeinen Zustandsgleichung ist m die Anzahl der Eingaben und l ist die Anzahl der Ausgaben, wobei m und 1 positive ganze Zahlen sind. Hier hat die Zustandsgleichung zwei Eingaben und zwei Ausgaben, 2a und 2b, die einfach als physikalische Messgrößen verstanden werden können. Daher gilt: m = 2 und l = 2.
  • Die Zustandsvariable matx(n) ist ein Spaltenvektor mit zwei Elementen x1(n), x2(n). Der Ausgang maty(n) ist ein Spaltenvektor mit zwei Elementen y1(n), y2(n). Die Ausgangsmatrix mat C wird so festgelegt, dass das System effektiv einen Ausgang hat. Genauer gesagt, y1(n) = x1(n), während y2(n) = 0, in Gleichung (4). Das von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis ASAF wird als y1(n) übernommen.
  • In Zusammenfassung der oben dargestellten Beziehungen erhält man die nachfolgenden Gleichungen (5) und (6). y1(n) = x1(n) = ASAF (5) y2(n) = 0 (6)
  • Die Elemente a1, a0 der Systemmatrix mat A und die Elemente b1, b0 der Eingangsmatrix mat B in der Gleichung (3) wurden bei dem Bestimmungsprozess der Übertragungsfunktion der Gleichung (2) festgelegt.
  • Betrachten Sie ein Folgeregelungssystem, das eine Zustandsvariable mat x(n) veranlasst, durch Anwendung eines Sliding-Mode-Regelungsprozesses auf das von dem diskreten System identifizierte System einer bestimmten Kreisbahn innerhalb des Zustandsraums zu folgen. Die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers des diskreten Systemmodells wird als die Differenz zwischen der Zustandsgröße mat x(n) und einer Zustandsgröße θ(n) eines der Kreisbahn entsprechenden Zielwertes angegeben, wie in der folgende Gleichung (7) gezeigt.
    Figure 00140001
    wobei:
    • e(n)
    = Zustandsgröße des Fehlers,
    θ(n)
    = Zustandsgröße des Sollwerts,
    x1(n), x2(n)
    = Elemente der Zustandsvariable x(n),
    θ1(n)
    = Sollwert von x1(n), und
    θ2(n)
    = Sollwert von x2(n).
  • Da θ1(n) in der Gleichung (7) ein Sollwert ist, wenn x1(n) = AFSAF, ist der Sollwert θ1(n) gleich dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TGABF. Die Regeleinheit 11 definiert die Umschaltfunktion des diskreten Systemmodells durch die folgende Gleichung (8). σ(n) = mat S·mat e(n) = [S1 S2]·mat e(n) = S1·{x1(n) – θ1(n)} + S2·{x2(n) – θ2(n)} = 0wobei:
    • σ(n)
    = Zustandsgröße der Umschaltfunktion,
    mat S
    = Umschaltfunktionsgewinn, und
    S1, S2
    = Elemente des Umschaltfunktionsgewinns mat S.
  • 5 zeigt eine Änderung der Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers in dem Sliding-Mode-Regelungsprozess, der auf einer Phasenebene dargestellt ist.
  • Die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers ist zunächst auf die Umschaltfunktion gezwungen, die durch die gerade Linie von dem nicht linearen Eingang dargestellt wird, der in der Zeichnung die Entfernung zwischen der Zustandsgröße und der Umschaltfunktion darstellt. Danach wird die Umschaltfunktion durch äquivalenten Regeleingang, der linearer Eingang ist, verschoben, und sie konvergiert gegen den Ursprung der Phasenebene. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Zustandsvariable mat x(n) gegen die Zustandsgröße mat θ(n) des Sollwertes konvergiert. Wenn S2 fest ist, wenn S1 , das ein Element des Umschaltfunktionsgewinns mat S ist, erhöht wird, dann erhöht sich die Neigung der Linie. In anderen Worten, der Regelgewinn erhöht sich.
  • Da es zwei Elemente der Zustandsvariablen mat x(n) gibt, wird die Umschaltfunktion als eine gerade Linie ausgedrückt und ist auf der Phasenebene einfach zu begreifen, wenn aber drei Elemente in der Zustandsvariablen mat x(n) sind, ist die Umschaltfunktion eine ebene Fläche auf der Phasenebene, und wenn die Anzahl der Elemente weiter steigt, ist die Umschaltfunktion eine superebene Fläche.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Berechnung des Regeleingangs von linearem Eingang und nichtlinearem Eingang beschrieben. In einem Durchlaufsystem mit Sliding-Mode-Bedingungen sind σ = 0 und σ = 0 Halten.
  • Hierbei wird der Differentialwert von σ als σ bezeichnet. Andererseits werden Sliding-Mode-Bedingungen in einem diskreten System durch die folgenden Gleichungen (9) und (10) ausgedrückt. σ(n) = 0 (9) Δσ(n + 1) = σ(n + 1) – σ(n) = 0 (10)
  • Gleichung (10) wird als die nachfolgende Gleichung (11) neu geschrieben. Δσ(n + 1) = σ(n + 1) – σ(n) = mat S·{mat x(n + 1) – mat θ(n + 1)} – σ(n) = mat S·{mat A x(n) + mat B·ueq(n) – mat θ(n + 1)} – (n) (11)
  • Wenn in der Gleichung (6) det (mat S·mat B)–1 ≠ 0, wird linearer Eingang, das heißt äquivalenter Regeleingang, durch die folgende Gleichung (12) ausgedrückt, worbei det für Determinante steht. mat ueq(n) = –(mat S·mat B)–1·mat S {mat A·mat x(n) – mat θ(n + 1)} – σ(n) (12)
  • Durch Umschreiben der Gleichung (12) unter Verwendung von aus den Gleichungen (3) und (4) erhaltenen Skalarwerten ergibt sich die folgende Gleichung (13).
    Figure 00160001
  • Im Folgenden wird ein nicht linearer Eingang beschrieben. Nicht linearer Eingang kann willkürlich angewandt werden.
  • Obwohl der nicht lineare Eingang als eine Funktion einschließlich einer Kompensation für die Störung ausgedrückt werden kann, ist der nicht lineare Eingang in diesem Regelsystem in einen Teil β(n) für die Störung und einen Teil α(n) für die anderen Elemente geteilt. Im Ergebnis ergibt sich die folgende Gleichung (14). unl(n) = {α(n) + β(n)}·sgn[σ(n)] (14)wobei:
    β(n) > Hmax
    • α(n), β(n)
    = positive Skalarwertfunktion, und
    Hmax
    = höchster geschätzter Störungswert.
  • sng[σ(n)] aus der Gleichung (14) drückt eine Vorzeichenfunktion aus. Gemäß dieser Funktion ist sng[σ(n)] = 1, wenn die Zustandsgröße σ(n) > 0, und sng[σ(n)] = –1, wenn die Zustandsgröße σ(n) < 0. Die Vorzeichenfunktion ist notwendig, damit der nicht lineare Eingang die Zustandsgröße des Fehlers bei der nächsten Gelegenheit, wenn die Regelung erfolgt, in Richtung der oberen Seite über die Umschaltfunktion hinaus zurücksetzt, wenn beispielsweise die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers die Linie der Umschaltfunktion aus 5 in Richtung der unteren Seite kreuzt.
  • Die Bedingungen der nicht linearen Eingabe zur Verhinderung so genannten Kontaktprellens des Ergebnisses werden durch die folgenden Beziehungen (15) und (16) ausgedrückt.
    • (i) Wenn die Zustandsgröße σ(n) > 0: 0 ȯ ≤ σ(n + 1) ≤ σ(n) (15)
    • (ii) Wenn die Zustandsgröße σ(n) < 0: σ(n) ≤ σ(n + 1) ≤ 0 (16)
  • Beziehung (15) bedeutet, dass die Zustandsgröße des Fehlers bei der nächsten Gelegenheit (n + 1) näher Null, dem Konvergenzpunkt, ist als bei der derzeitigen Regelgelegenheit (n).
  • Die Skalarwertfunktion α(n), die die bedingte Beziehung (15) erfüllt, wird unter Verwendung der folgenden Gleichung (17) berechnet, die aus der Gleichung (8) abgeleitet wird. σ(n + 1) = mat S ȯ mat e(n + 1) (17)
  • Wenn in dem durch die Zustandsgleichungen (3) und (4) ausgedrückten System die Zustandsgröße σ(n) = mat S mat e(n) ist, ist der Eingang, der die Beziehung von σ(n) = σ(n + 1) = σ(n + 2) erfüllt, der durch die Gleichung (13) berechnete lineare Ein gang. Die Gleichung (17) wird in diesem Fall durch die folgende Gleichung (18) ausgedrückt. σ(n +1) = mat S·{mat x(n + 1) – mat θ(n + 1)} = mat S·[mat A·mat x(n) + mat B·{unl(n) + ueq(n)} – mat A·mal θ(n)] = α(n) + mat S·mat B·unl(n) (18)
  • Aus der Gleichung (18) werden die Bedingungen, die die Gleichung (15) erfüllen, durch die folgende Gleichung (19) ausgedrückt. ∥mat S·mat B∥·α(n) ≤ ∥α(n)∥ (19)
  • Aus der Gleichung (19) wird die Skalarwertfunktion α(n), die die Gleichung (15) erfüllt, durch die folgende Gleichung (20) ausgedrückt. α(n) = η·∥mat S·mat B∥–1 ∥σ(n)∥ (20)wobei: n = nicht linearer Gewinn (0 < η < 1), und σ(n + 1) > σ(n) > 0.
  • Daher wird der nicht lineare Eingang unl(n) durch die folgende Gleichung (21) ausgedrückt. unl(n) = {η·∥mat S·mat B∥–1·∥σ(n)∥ + β(n)}·sgn[σ(n)] = {η·|S1·b1 + S2·b0|–1·|σ(n)| + |β(n)|}·sgn[σ(n)} (21)wobei: 0 < η < 1 und σ(n + 1) σ(n) > 0.
  • Die Gleichung (21) verhindert Kontaktgrellen, während sie eine robuste Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gegenüber äußeren Störungen bereitstellt.
  • Nachdem daher der lineare Eingang ueq(n) durch die Gleichung (13) berechnet wurde, und der nicht lineare Eingang unl(n) durch die Gleichung (21) berechnet wurde, wird der Regeleingang usl des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der der Gesamt-Regeleingang ist, durch die folgende Gleichung (22) berechnet. usl(n) = κ·∫ueq(n)dt + unl(n) (22)worin: κ = Integrationsgewinn.
  • Das erste Glied auf der rechten Seite der Gleichung (22) integriert den linearen Eingang ueq(n). Das in 2 gezeigte Integrierglied 26 ist zu diesem Zweck bereitgestellt.
  • Das Ziel des Integrierglieds 26 ist, Konvergenz gegen das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das variabel ist, zu verbessern, und die gleich bleibende Abweichung zu absorbieren.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 6 der Designflow des Sliding-Mode-Regelungsprozesses in der Entwicklungsstufe der Regeleinheit des Luft-Kraftstoff-Vehältnisses beschrieben.
  • Zunächst wird in einem Schritt S1 die Sprungantwort des von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 erfassten Luft-Kraftverhältnisses in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 1A gemessen, und es werden beispielsweise die in 4 gezeigten Ergebnisse erzielt. Die Messung der Sprungantwort wird für mehrere Zylindereinlassluftmengen Qc des Motors 1 durchgeführt, die von dem Ausgangssignal des Luftdurchsatzmessgeräts 14 berechnet werden.
  • In einem Schritt S2 wird daraufhin die zweite Befehlsübertragungsfunktion Geng(q) des diskreten Systems unter Verwendung eines ARX-Modells oder des Verfahrens der kleinsten Quadrate identifiziert. Als Ergebnis der Indentifikation werden die Elemente a1, a0 der Systemmatrix mat A und die Elemente b1, b0 der Eingangsmatrix mat B entsprechend der Einlassluftmenge Qc bestimmt. Daraufhin wird in einem Schritt S3 die Übertragungsfunktion Geng(q) auf die durch die Gleichungen (3), (4) ausgedrückten Zustandsgleichungen des sekundären Systems umgewandelt.
  • Anschließend wird in einem Schritt S4 die Umschaltfunktion σ(n) = 0 erstellt.
  • In den nachfolgenden Schritten S5, S6, S7 werden jeweils die Gleichung (13) zur Berechnung des linearen Eingangs ueq(n), die Gleichung (21) zur Berechnung des nicht linearen Eingangs unl(n), und die Gleichung (22) zur Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleingangs usl(n) erstellt.
  • Im Folgenden wird der Unterschied zwischen dem Sliding-Mode-Regelungsverfahren gemäß der vorliegenden Lehre und dem Sliding-Mode-Regelungsverfahren dargelegt, das von dem oben erwähnten Dokument des Stands der Technik, US-Patent 6.266.605 , angewandt wird.
  • Ein kanonisches System, das durch die nächste Gleichung (23) ausgedrückt wird, wird als ein Beispiel verwendet.
    Figure 00200001
    wobei: x1 ∊ Rn-m, und x2 ∊ Rn.
  • In dem Beispiel aus dem Stand der Technik wird ein Erweiterungsfeld verwendet, das durch die folgende Gleichung (24) gezeigt wird, die einen Wert z addiert, der eine Integration der Differenz eines Sollwerts θr und des Ausgangs θy zu der Zustandsvariablen ist.
    Figure 00200002
    wobei: A ∊ Rn-m, x ∊ Rn, B ∊ Rn-m, und z = ∫10 (θr – θy)dt
  • In dem Erweiterungsfeld ist die Umschaltfunktion durch die folgende Gleichung (25) definiert. σ(n) = mat S·x = S1·z + S2·x1 + x2 = 0 (25)
  • Da das integrale Glied z in der Gleichung (25) vorhanden ist, wird in dem oben genannten Erweiterungsfeld der Betrieb der nicht linearen Eingangsgleichung (21), die ursprünglich bei einem Zustandswechsel Antwort sichert, langsam, und die Robustheit gegenüber Störungen ist auch niedrig.
  • Gemäß der vorliegenden Lehre wird durch Gabe eines Integrationsglieds zu dem linearen Eingang wie in der Gleichung (22) schnelle Konvergenz gegen das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht, ohne die Antwort sogar da zu vermindern, wo ein Erweiterungsfeld verwendet wird.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 7 eine Routine zur Berechnung des Wertes ALPHA von Rückkopplungsorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beschrieben, die von der Regeleinheit 11 durchgeführt wird.
  • Diese Routine wird in einem Intervall von zehn Millisekunden durchgeführt, wenn der Motor 1 betrieben wird, indem das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrachtet wird. Alternativ kann sie in einem vorgegebenen Kurbeldrehwinkel durchgeführt werden, der von dem Kurbeldrehwinkel-Sensor 12 ermittelt wird.
  • Diese Routine entspricht der Funktion der Sliding-Mode-Regeleinheit 22 aus 2.
  • In einem ersten Schritt S11 liest die Regeleinheit 11 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TGABF, und in einem darauffolgenden Schritt S12 liest sie das Echt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFSAF:
    In einem darauf folgenden Schritt S13 werden die Zustandsgrößen x1, x2 berechnet. Aus der Gleichung (4) sind y1 = x1 und y2 = 0 erfüllt. y1 ist das von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFSAF: Die Gleichung (23) führt gleichzeitige Gleichungen mit zwei Variablen, [x1, x2], auf. Wenn diese für die Zustandsgrößen x1, x2 gelöst ist, kann x2 als eine Funktion von x1 berechnet werden. Dann kann x2 berechnet werden, wenn x1 durch das erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFSAF ersetzt wird.
  • In einem folgenden Schritt S14 wird die Umschaltfunktion σ(n) = 0 unter Verwendung der Zustandsvariable mat x(n), der Zustandsgröße θ des Sollwerts, und des Umschaltfunktionsgewinns mat S berechnet. Die Verarbeitung des Schritts S14 entspricht der Funktion der Einheit 23 zur Berechnung der Umschaltfunktion aus 2.
  • In einem anschließenden Schritt S15 wird der nicht lineare Eingang unl(n) durch die Gleichung (21) unter Verwendung der Zustandsgröße σ(n), des nicht linearen Gewinns η, des Umschaltfunktionsgewinns mat S, der Eingangsmatrix mat B, der Skalarwertfunktion β(n) und der Vorzeichenfunktion sgn[σ(n)] berechnet.
  • Die Verarbeitung des Schrittes S15 entspricht der Funktion der Einheit 24 zur Berechnung des nicht linearen Eingangs aus 2.
  • In einem nachfolgenden Schritt S16 wird der lineare Eingang ueq(n) durch die Gleichung (13) unter Verwendung der Zustandsgröße x1(n), von Sollwert σ(n), Umschaltfunktionsgewinn mat S, Eingangsmatrix mat B und Systemmatrix mat A berechnet. Die Verarbeitung des Schrittes S16 entspricht der Funktion der Einheit 25 zur Berechnung des linearen Eingangs aus 2.
  • In einem nachfolgenden Schritt S17 wird der lineare Eingang ueq(n) integriert.
  • In einem anschließenden Schritt S18 wird die Summe des Integralwertes und des nicht linearen Eingangs unl(n) als der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleingang usl(n) berechnet. Die Verarbeitung der Schritte S17, S18 entspricht der Funktion des Integrierglieds 26 aus 2.
  • In einem anschließenden Schritt S19 wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleingang usl(n) durch die folgende Gleichung (26) in den Rückkopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses umgewandelt.
    Figure 00230001
    wobei: CYLAF = Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das in der Brennkammer 1A verbrennt.
  • In der Gleichung (25) werden Einheiten von Verhältnissen in Prozentsätze umgewandelt. Die Verarbeitung des Schritts S19 entspricht der Funktion der Umwandlungseinheit 28 aus 2.
  • In einem anschließenden Schritt S20 begrenzt die Regeleinheit 11 den Rückkopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit einem vorgegebenen Begrenzungswert.
  • Verarbeitung von Schritt S20 entspricht der Funktion der Korrektur-Begrenzungseinheit 29 aus 2.
  • In dem letzten Schritt S201 wird ein Einspritz-Pulswellensignal, das dem Rückkopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Begrenzung entspricht, an das Kraftstoffeinspritzventil 5 ausgegeben.
  • Die Verarbeitung des Schrittes S201 entspricht der Funktion der Einheit 30 zur Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge aus 2.
  • Eine Regeleinheit 11 beendet die Routine nach Verarbeitung des Schrittes 201.
  • Die Gleichung (26) ist aus der folgenden Gleichung (27) reduziert.
    Figure 00240001
  • Als nächstes wird der Einstellprozess des Elements S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S beschrieben, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A rückkopplungsgeregelt wird.
  • Hierbei ist die Berechnung nur eines Elements S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S notwendig. Ein weiteres Element S2 muss aus dem später genannten Grund gleich 1 oder –1 sein.
  • Wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Brennkammer 1A plötzlich aufgrund der Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ändert, kann in der Fahrbarkeit des Fahrzeugs oder in der Abgaszusammensetzung des Motors 1 ein unerwünschter Effekt auftauchen.
  • Somit ist es notwendig, die Rückkopplungskorrekturmenge der Kraftstoffeinspritzmenge mit einem Schwellenwert zu begrenzen, um zu verhindern, dass die Änderung in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs übermäßig groß wird.
  • Auf der anderen Seite wird die Konvergenz gegen das Soll-Luft-Kraftsstoff-Verhältnis langsamer, wenn die geregelte Korrekturmenge des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einen niedrigen Wert unterdrückt wird.
  • Zusammenfassend haben die Konvergenz des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gegen das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und das Fahrverhalten des Fahrzeugs sowie die Abgaszusammensetzung des Motors unter Umständen eine Austauschbeziehung.
  • Der Integrationsgewinn μ, der eine bevorzugte Zeitkonstante hinsichtlich der Luft-Kraft-Verhältnis-Regelantwort bereitstellt, wird durch die folgende Gleichung (28) ausgedrückt. Diese Gleichung (28) erhält man aus der Gleichung (13), die den linearen Eingang ueq(n) berechnet, und aus dem Integrationsglied der rechten Seite der Gleichung (22), das den Luft-Kraftstoff-Regeleingang usl(n) berechnet.
    Figure 00250001
  • Wenn der Integrationsgewinn κ des linearen Eingangs in der Gleichung (28) gleich eins gesetzt wird, wird das Element S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S, das die Neigung der geraden Linie aus 5 darstellt, durch die folgende Gleichung (29) ausgedrückt.
    Figure 00250002
  • Da S1, berechnet durch die Gleichung 29, zwei Werte annehmen kann, führt die Regeleinheit 11 Stabilitätsunterscheidung durch und wählt den Wert aus, der höhere Stabilität bereitstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird nachfolgend eine Unterroutine zur Berechnung des Elements S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S beschrieben.
  • Diese Unterroutine wird als ein Teil der Verarbeitung des Schrittes S14 der Routine aus 7 dargestellt, die den Rückkopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet.
  • In einem Schritt S21 bestimmt die Regeleinheit 11 zunächst den Integrationsgewinn μ, der die vorgenannte bevorzugte Zeitkonstante hinsichtlich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelantwort bereitstellt.
  • Der Integrationsgewinn μ wird hierbei durch Durchführen einer in 12 gezeigten Unterroutine bestimmt, für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch auch möglich, den Integrationsgewinn μ auf einen festen Wert zu setzen, der sich empirisch als praktisch erwiesen hat.
  • In einem nachfolgenden Schritt S22, der auf dem Integrationsgewinn μ basiert, wird der Umschaltfunktionsgewinn mat S durch die Gleichung (29) berechnet.
  • Obwohl zur Berechnung des Elements S1 aus dem unten beschriebenen Grund der Wert von S2 benötigt wird, ist der Wert von S2 gleich 1, wenn das Element a0 der Systemmatrix mat A ein positiver Wert ist, und der Wert S2 ist gleich –1, wenn das Element a0 ein negativer Wert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 9A, 9B und 10A und 10B wird eine Änderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beschrieben, wenn der Integrationsgewinn μ auf einen festen Wert festgelegt wird.
  • 9A und 9B zeigen eine Änderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer niedrigen Motordrehzahl, und 10A und 10B zeigen eine Änderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer hohen Motordrehzahl.
  • Da die Kraftstoffeinspritzmenge pro Zeiteinheit mit einem Anstieg der Drehzahl eines Motors 1 ansteigt, ist bei der Berechnung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Intervallen mit festem Zeitabstand, das heißt zehn Millisekunden, die Änderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses pro einer Einspritzung bei hoher Drehzahl geringer als bei niedriger Drehzahl. Unter Bezugnahme auf die in den Figuren gezeigten Beispiele ändert sich ALPHA für zwei Prozent bei niedriger Drehzahl, während er sich bei hoher Drehzahl unter einem identischen Integrationsgewinn für fünf Prozent ändert.
  • Wenn daher der Integrationsgewinn, der auf niedrige Drehzahl angepasst ist, auf hohe Drehzahl angewandt wird, wird die Änderung des Wertes ALPHA von Rückkopp lungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses pro eine Einspritzung zu gering, und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelantwort wird schlecht sein.
  • Aus dem oben genannten Grund ist es vorteilhaft, den Wert des Integrationsgewinns entsprechend der Drehzahl des Motors 1 zu ändern, um die RegelungsAntwort des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem geeigneten Bereich zu behalten.
  • 11A und 11B zeigen eine Anderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn der Integrationsgewinn entsprechend der Drehzahl eines Motors 1 festgelegt ist.
  • Durch Auswahl eines unterschiedlichen Integrationsgewinnes entsprechend der Drehzahl eines Motors 1 kann die Anderung des Wertes ALPHA von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses pro einer Einspritzung auf fünf Prozenz erhöht werden, was dem Wert entspricht, der in dem Fall der 9A und 9B erzielt wird.
  • Die Abszissenachse dieser Diagramme ist ein Kurbeldrehwinkel, und eine senkrechte gestrichelte Linie zeigt den Abstand des Ref-Signals, das ein Kurbeldrehwinkelsensor 12 an einer vorgegebenen Umdrehungsposition des Motors 1 ausgibt.
  • Ref-Signal wird bei einem Viertakt-Vierzylindermotor in Intervallen von 180 Grad ausgegeben.
  • Die Unterroutine aus 8 zur Berechnung des Elements S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S ist bereitgestellt, um die oben genannte Voraussetzung zu erfüllen.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 12 die Unterroutine zur Einstellung des Integrationsgewinns μ beschrieben. Diese Unterroutine wird in dem Schritt S21 der Unterroutine aus 8 durchgeführt.
  • Zunächst wird in einem Schritt S31 die Drehzahl Ne des Motors 1 gelesen. Die Drehzahl Ne wird von der Signaleingabe von dem Kurbeldrehwinkelsensor 12 an die Regeleinheit 11 erhalten.
  • In einem anschließenden Schritt S32 wird unter Bezugnahme auf das Kennfeld einer Eigenschaft, wie in der Figur gezeigt, ein Korrekturfaktor KNE entsprechend der Drehzahl Ne erhalten.
  • In einem nachfolgenden Schritt S33 wird der Integrationsgewinn μ durch Multiplikation eines Integrationsgewinn-Basiswerts μ0 mit dem Korrekturfaktor KNE berechnet. Dabei ist der Integrationsgewinn-Basiswert ein fester Wert, der an die Mindestdrehzahl eines Motors 1 angepasst ist.
  • In dem Schritt S21 aus 8 wird daher das Element S1 des Umschaltfunktionsgewinns mat S unter Verwendung des Integrationsgewinns berechnet, der entsprechend der Drehzahl des Motors 1 eingestellt ist.
  • Die Regeleinheit 11 wendet das so berechnete Umschaltfunktionsgewinn-Element S1 für die Berechnung des nichtlinearen Eingangs in dem Schritt S15 und für die Berechnung des linearen Eingangs in dem Schritt S16 der Routine aus 7 an.
  • Im Folgenden wird unten die Berechnung des nicht linearen Eingangs und des linearen Eingangs unter Verwendung des Umschaltfunktionsgewinn-Elements S1 genau beschrieben Zunächst wird die Gleichung (8), die die Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion definiert, unter Verwendung der Gleichung (7) in die folgende Gleichung umgewandelt. σ(n) = mat S·mat e(n) = S1·{x1(n) – θ1} + S2·{x2(n) – θ2) = S1·{x1(n) – θ1} – S2·a0·{x1(n – 1) – θ1} (30)
  • Das Vorzeichen der Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers muss sich geändert haben, wenn die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers die Linie der in 5 gezeigten Umschaltfunktion kreuzt.
  • Daher müssen das Vorzeichen des ersten Glieds und das Vorzeichen des zweiten Glieds der rechten Seite der Gleichung (30) unterschiedlich sein.
  • Aus der obigen Logik können die folgenden Bedingungen hergeleitet werden.
    • (i) Wenn a0 > 0, S2 = 1, und
    • (ii) wenn a0 < 0, S2 = –1.
  • Die Zustandsgröße σ(n) der Schaltfunktion in jeder der oben genannten Bedingungen kann unter Verwendung der Elemente durch die folgenden Gleichungen (31) und (32) ausgedrückt werden.
    • (i) Wenn a0 > 0: σ(n) = S1·{x1(n) – θ1} + {x2(n) – θ2} (31)
    • (ii) Wenn a0 < 0: σ(n) = S1·{x1(n) – θ1} – {x2(n) – θ2} (32)
  • Wenn darüber hinaus die oben genannten Bedingungen (i) und (ii) auf die Gleichung (13) des linearen Eingangs, die Gleichung (21) des nicht linearen Eingangs, den Gesamt-Regeleingang, und die Gleichung (22) des Gesamt-Regeleingangs oder des Regeleingangs des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses angewandt werden, erhält man die folgenden Gleichungen (33)–(38).
  • Die tatsächliche Berechnung der Schritte S15–S17 der Routine aus 7 wird unter Verwendung dieser Gleichungen (33)–(38) durchgeführt.
  • Linearer Eingang
    • (i) Wenn a0 > 0: ueq(n) = (S1·b1 + b0)–1·(a1·S1 + a0 + 1)·{x1(n) – θ1(n)} (33)
    • (ii) Wenn a0 < 0: ueq(n) = (S1·b1 – b0)–1·(a1 – S1 – a0 – 1)·{x1(n) – θ1(n)} (34)
  • Nicht linearer Eingang
    • (i) Wenn a0 > 0: unl(n) = {η|S1·b1 + b0|–1|σ(n)| + β(n)}·sgn[σ(n)] (35)wobei: 0 < η < 1 und σ(n + 1 )σ(n) > 0.
    • (ii) Wenn a0 < 0: unl(n) = {η|S1·b1 – b0|–1|σ(n)| + β(n)}·sgn[σ(n)] (36)wobei: 0 < η < 1 und σ(n + 1) σ(n) > 0.
  • Gesamt-Regeleingang
    • (i) Wenn a0 > 0: usl(n) = κ·∫[(S1·b1 + b0)–1(a1·S1 + a0 + 1)·{x1(n) – θ1(n)}]·dt + {η|S1·b1 + b0|–1|σ(n)| + β(n)}·sgn[σ(n)] (37)
    • (ii) Wenn a0 < 0: usl(n) = κ·∫[(S1·b1 – b0)–1(a1·S1 – a0 – 1)·{x1(n) – θ1(n)}]·dt + {η|S1·b1 – b0|–1|σ(n)| + β(n)}·sgn[σ(n)] (38)
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 13 eine von der Regeleinheit 11 durchgeführte Unterroutine für die Berechnung der Zustandsgröße σ(n) des Fehlers, des linearen Eingangs ueq(n), des nicht linearen Eingangs unl(n), und des Gesamt-Regeleingangs usl beschrieben.
  • Diese Unterroutine entspricht der Berechnungsverarbeitung der Schritte S14 bis S18 der Routine aus 7, wird aber entsprechend dem positiven/negativen Vorzeichen des Elements a0 der Systemmatrix mat A genauer beschrieben.
  • Die Regeleinheit 11 bestimmt zunächst in einem Schritt S41, ob das Vorzeichen des Elements a0 positiv ist.
  • Wenn das Vorzeichen des Elements a0 positiv ist, wird die Verarbeitung von Schritten S42 bis S45 durchgeführt. Wenn das Vorzeichen des Elements a0 nicht positiv ist, wird die Verarbeitung von Schritten S46 bis S49 durchgeführt.
  • In dem Schritt S42 wird die Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion durch die Gleichung (31) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S43 wird der lineare Eingang ueq(n) durch die Gleichung (33) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S44 wird der nicht lineare Eingang unl(n) durch die Gleichung (35) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S45 wird der Gesamt-Regeleingang usl(n) durch die Gleichung (37) berechnet. Nach der Verarbeitung des Schrittes S45 beendet die Regeleinheit 11 die Unterroutine.
  • Auf der anderen Seite wird in dem Schritt S46 die Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion durch die Gleichung (32) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S47 wird der lineare Eingang ueq(n) durch die Gleichung (34) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S48 wird der nicht lineare Eingang unl(n) durch die Gleichung (36) berechnet.
  • In dem darauf folgenden Schritt S49 wird der Gesamt-Regeleingang usl(n) durch die Gleichung (38) berechnet. Nach der Verarbeitung des Schrittes S49 beendet die Regeleinheit 11 die Unterroutine.
  • Der von der Regeleinheit 11 durchgeführte Sliding-Mode-Regelungsprozess des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist oben beschrieben.
  • In der Beschreibung wird bisher davon ausgegangen, dass der Motor 1 ein einfaches System ohne Totzeit ist. In der Realität kann jedoch die Totzeit nicht ignoriert werden, um eine genaue Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors durchzuführen.
  • Die Regeleinheit 11 verfügt über eine Zustandsschätzeinheit 31 zur Verarbeitung der Totzeit, wie in 14 dargestellt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass 2 ein Blockdiagramm ist, das nur zur Erklärung der Sliding-Mode-Regelfunktion der Regeleinheit 11 gemäß dieser Erfindung bereitgestellt ist, und 14 ein Blockdiagramm ist, das den Aufbau der gesamten Regelfunktion der Regeleinheit 11 zeigt.
  • Die Zustandsschätzeinheit 31 ist mit einer Einheit 32 zur Berechnung des Zylinereinlass-Luft-Kraft-Verhältnisses, einer Modell-Zeitplaneinheit 33, einer Einheit 34 zum Berechnen der Zustandsvariable des Anlagenmodells, und einer Einheit 35 zum Berechnen der Variable des geschätzten Zustands ausgestattet.
  • Die jeweiligen Funktionen dieser Einheiten werden später unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm aus 17 erläutert.
  • Zunächst wird die von der Regeleinheit 11 durchgeführte Verarbeitung der Totzeit beschrieben.
  • Der Grundgedanke für die Regelung einer Anlage mit Totzeit wird nachstehend genau erklärt.
  • Hier ist der Motor 1, der eine Totzeit in der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hat, das Regelungsobjekt der Regeleinheit 11; daher wird er in der nachfolgenden Beschreibung als eine geregelte Anlage bezeichnet.
  • Die geregelte Anlage kann durch die folgenden Gleichungen (39) und (40) ausgedrückt werden. mat x(n + 1) = mat A·mat x(n) + mat B·u(n – d) (39) mat y(n) = mat C·mat x(n) (40)wobei:
    • mat x(n)
    = Zustandsgröße der geregelten Anlage,
    mat y(n)
    = Ausgang der geregelten Anlage,
    u(n – d)
    = Eingang der geregelten Anlage,
    mat A
    = Systemmatrix der geregelten Anlage,
    mat B
    = Eingangsmatrix der geregelten Anlage,
    mat C
    = Ausgangsmatrix der geregelten Anlage, und
    d
    = Totzeit der geregelten Anlage.
  • Beim Vergleich der Gleichung (39) mit der Gleichung (3) ist der einzige Unterschied, dass u(n) aus der Gleichung (3) in der Gleichung (39) durch u(n – d) ersetzt ist.
  • Die Gleichung (40) ist identisch mit der Gleichung (4).
  • Die Gleichungen (3) und (4) sind Zustandsgleichungen für eine Anlage ohne Totzeit. Im Gegensatz zu der geregelten Anlage wird eine Anlage ohne Totzeit im Folgenden als ein Anlagenmodell bezeichnet.
  • Um die Zustandsgleichungen für die geregelte Anlage von denen des Anlagenmodells zu unterscheiden, wird in der nachstehenden Beschreibung der Zustandsvariablen des Anlagenmodells das tiefgestellte Suffix M angehängt.
  • Gemäß dieser Schreibweise werden die Zustandsgleichungen (3) und (4), die für das Anlagenmodell stehen, in die folgenden Gleichungen (41) und (42) umgeschrieben. mat xM(n + 1) = mat A·mat xM(n) + mat B·u(n) (41) mat yM(n) = mat C·mat xM(n) (42)worin:
    • mat xM(n)
    = Zustandsgröße des Anlagenmodells,
    mat yM(n)
    = Ausgang des Anlagenmodells,
    u(n)
    = Eingang des Anlagenmodells,
    mat A
    = Systemmatrix des Anlagenmodells,
    mat B
    = Eingangsmatrix des Anlagenmodells,
    mat C
    = Ausgangsmatrix des Anlagenmodells, und
    mat x(n)
    = Zustandsvariable.
  • Obwohl die Übertragungsfunktion Geng(z) des Anlagenmodells mit der Gleichung (2) ausgedrückt wird, wird die Übertragungsfunktion Geng(z) der geregelten Anlage mit der folgenden Gleichung (43) ausgedrückt.
    Figure 00340001
    wobei:
    • a1, a0
    = Ableitungsmultiplikator,
    b1, b2
    = Ableitungsmultiplikator, und
    d
    = Totzeit.
  • US-Patent 5.544.039 offenbart den Korrekturansatz unter Verwendung des in 15 gezeigten Smith-Verfahrens, um die Wirkung der Totzeit, unter der die geregelte Anlage leidet, zu kompenieren.
  • Das Smith-Verfahren ist ein Kompensationsverfahren für die Totzeit, das von O.J.M. Smith, Lehrstuhl für Elektroingenieur- und Computerwissenschaften, University of California, Berkeley, entwickelt wurde.
  • Gemäß dem Smith-Verfahren wird die Zustandsvariable mat x(n + dM) der geregelten Anlage nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM mit der folgenden Gleichung (44) ausgedrückt.
  • Die Zustandsvariable der geregelten Anlage nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM wird in der folgenden Beschreibung als eine geschätzte Zustandsvariable bezeichnet.
    Figure 00340002
    wobei: mat x ^(n + dM) = geschätzte Zustandsvariable.
  • Die obige Gleichung (44) wird unter Verwendung der Gleichungen (41) und (42) in die folgende Gleichung (45) umgewandelt. mat x ^(n) = mat x(n + dM) = mat Ad·mat x(n) + mat xM(n) – mat Ad·mat xM(n – dM) (45)
  • mat xM(n – dM) der rechten Seite der Gleichung (45) ist die Zustandsvariable des Anlagenmodells nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM. Obwohl das Smith-Verfahren auf den Sollwerteingang eine gewünschte Antwort aufbringen kann, ist bekannt, dass das Obergangsverhalten über einer Störung nicht notwendigerweise gut ist.
  • Um diesen Nachteil zu verbessern, ist das Hinzufügen eines Störungskompensators bekannt, wie in 16 gezeigt.
  • Ein Verfahren zur Erstellung des Störungskompensators ist beispielsweise durch „Control of Dead Time System", herausgegeben vom Verlag Corona unter der Aufsicht der Society of Measurement and Automatic Control veröffentlicht.
  • Bei der Luft-Kraftstoff-Regelvorrichtung gemäß dieser Erfindung wird Forschung über die tatsächlichen dynamischen Eigenschaften eines Modells in 16 gezeigt, und die Übertragungsfunktion M(z) wurde basierend auf dem Forschungsergebnis erstellt.
  • Um das Forschungsergebnis zusammenzufassen, kann die geschätzte Zustandsvariable mat aufgrund der Beobachtbarkeit der Zustandsvariable x(n) durch die nachfolgenden Gleichungen (46), (47) oder die Gleichung (48) ausgedrückt werden. mat x ^(n) = mat x(n + dM) = mat M(n)·{mat x(n) – mat xM(n – dM)} + mat xM(n) (46) mat M(n) = 1 (47) mat x ^(n) = mat x(n + dM) mat x(n) – mat xM(n – dM) + mat xM(n) (48)wobei:
    • mat x ^(n)
    = Zustandsvariable der geregelten Anlage nach Verstreichen der Modelltotzeit dM,
    mat x(n)
    = Zustandsvariable der geregelten Anlage,
    mat xM(n)
    = Zustandsvariable des Anlagenmodells,
    mat xM(n – dM)
    = Zustandsvariable des Anlagenmodells nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM, und
    mat M(n)
    = Systemmatrix des Störungskompensators.
  • Wenn die Gleichung (48) mit Skalarwerten ausgedrückt wird, werden die Zustandsgrößen x ^1(n) und x ^2(n) der geschätzten Zustandsvariable mat x ^(n) durch die folgenden Gleichungen (49) und (50) ausgedrückt. In der nachfolgenden Beschreibung werden x ^1(n) und x ^2(n) als eine geschätzte Zustandsgröße bezeichnet. x ^1(n) = x1(n + dM) = x1(n) – x1M(n – dM) + x1M(n) (49) x ^2(n) = x2(n + dM) = x2(n) – x2M(n – dM) + x2M(n) (50)
  • Im Folgenden wird nun die Bedeutung beschrieben, die die Gleichung (48) in Bezug auf einen Fall impliziert, wo keine Störung vorliegt, und einen Fall, wo eine Störung vorliegt.
  • (i) Wenn keine Störung vorliegt:
  • Vorausgesetzt, es liegt keine Störung vor, und die Modellanlage stellt genau die geregelte Anlage dar, sollte das zweite Glied der rechten Seite der Gleichung (48), das heißt, die Zustandsvariable mat xM(n – dM) des Anlagenmodells nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM gleich der Zustandsvariablen mat x(n) sein, die tatsächlich beobachtet werden kann. In diesem Fall kann die Gleichung (48) daher in die folgende Gleichung (51) umgeschrieben werden. mat xM(n – dM) = mat x(n) (51)
  • Mit anderen Worten besteht die rechte Seite der Gleichung (48) nur aus dem dritten Glied mat xM(n).
  • Die Zustandsvariable mat xM(n) des Anlagenmodells ist ein geschätzter Wert der Zustandsvariable x(n), der in der geregelten Anlage nach Verstreichen der tatsächlichen Totzeit d erfasst wird, so dass er als die geschätzte Zustandsgröße x ^1(n) betrachtet werden kann.
  • In diesem Fall führt die Regeleinheit 11 eine Rückflussregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem Motor 1 durch, indem sie die geschätzte Zustandsgröße x ^1(n) als Parameter verwendet.
  • (ii) Wenn eine Störung vorliegt:
  • Vorausgesetzt, eine Last g aufgrund der Störung wird ausgeübt, oder das Anlagenmodell kann die geregelte Anlage nicht korrekt darstellen, liefert die Zustandsvariable xM(n – dM) des Anlagenmodells nach Verstreichen der Modell-Totzeit dM ein von der tatsächlich später beobachteten Zustandsvariable mat x(n) der geregelten Anlage unterschiedliches Ergebnis.
  • In diesem Zustand kann das zweite Glied der rechten Seite der Gleichung (48) nicht weggelassen werden.
  • Wenn es sich bei der Störung g hier um Sprungeingang handelt, oder die Zustandsvariable mat x(n) der geregelten Anlage eine Sprungantwort ist, nimmt die Zustandsvariable mat xM(n) den selben Wert an wie die Zustandsvariable xM(n – dM), wenn die Modell-Totzeit dM tatsächlich verstrichen ist.
  • Wenn die Systemmatrix M(n) des Störungskompensators gleich 1 ist, besteht die rechte Seite der Gleichung (46) nur aus der Zustandsvariable mat x(n) der geregelten Anlage, die tatsächlich beobachtet wird.
  • In diesem Fall führt die Regeleinheit 11 Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, indem sie die Zustandsvariable mat x(n) der geregelten Anlage als einen Parameter verwendet. Obwohl es sich nicht um eine Rückkopplungsregelung handelt, die auf dem geschätzten Zustand basiert, kann die Wirkung der Störung beseitigt werden.
  • Daher kann in 16 die Kombination der Totzeitkompensation nach dem Smith-Verfahren und der Störungskompensation umgesetzt werden, indem die Übertragungsfunktion M(z) des Störungskompensators gleich 1 gesetzt wird.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 17 eine Routine zur Berechnung der geschätzten Zustandsvariable mat x ^(n) beschrieben.
  • Diese Routine entspricht der Funktion der Zustandsschätzeinheit 31 aus 14 und wird in Intervallen von zehn Millisekunden durchgeführt, wenn der Motor 1 mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, das äquivalent dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
  • Zunächst berechnet die Regeleinheit 11 die Zustandsgrößen x1(n) und x2(n) in einem Schritt S51.
  • x1(n) ist hierbei gleich dem von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFSAF. x2(n) wird durch die Gleichung (66) berechnet, die später beschrieben wird. Die Zustandsvariable mat x(n) wird aus diesen Zustandsgrößen x1(n) und x2(n) bestimmt.
  • In einem Schritt S52 wird die Zylindereinlassluftmenge Qc durch die folgende Gleichung (52) berechnet. Die Gleichung (52) berechnet die Zylindereinlassluftmenge Qc durch Durchführen einer Umkehrberechnung aus der Grund-Kraftstoffeinspritzimpulsdauer TP.
    Figure 00390001
    worin:
    • Qc
    = Zylindereinlassluftmenge (Kilogramm/Zyklus),
    TP
    = Grund-Kraftstoffeinspritzimpulsdauer (Millisekunde/Zyklus), und
    KCONST#
    = Konstante (Millisekunde/Kilogramm).
  • In einem darauf folgenden Schritt S53 werden die Systemmatrix mat A, die Eingangsmatrix mat B und die Modell-Totzeit dM des Anlagenmodells auf Basis der Zylindereinlassluftmenge Qc berechnet, indem eine in 18 gezeigte Unterroutine durchgeführt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 18 liest die Regeleinheit 11 in einem ersten Schritt S61 die Zylindereinlassluftmenge Qc.
  • In einem Schritt 62 werden entsprechend der Zylindereinlassluftmenge Qc die Elemente a1 und a2 der Systemmatrix mat A und die Elemente b1 und b2 der Eingangsmatrix mat B bestimmt.
  • Die dynamische Eigenschaft des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Motors ist von starker, nicht linearer Natur, abhängig von dem Betriebsbereich des Motors.
  • Dementsprechend kann ein einziges Modell von dynamischer Eigenschaft nicht die dynamische Eigenschaft des Motors für alle Betriebsbereiche darstellen. Die Systemmatrix mat A und die Eingangsmatrix mat B variieren je nach Betriebsbereich, und die Zustandsgleichung des Anlagenmodells des sekundären diskreten Systems wird je nach dem Betriebsbereich auch unterschiedlich sein.
  • Um eine solche Bedingung richtig zu bewältigen, ist der Betriebsbereich des Motors 1 entsprechend der Zylindereinlassluftmenge Qc in acht Bereiche unterteilt, und die den entsprechenden Betriebsbereichen angepassten Werte a1, a0, b1 und b0 werden vorher festgelegt und in dem Speicher der Regeleinheit 11 vorgespeichert.
  • Wenn der Motor 1 in Betrieb ist, bestimmt die Regeleinheit 11 in dem Schritt S62 zunächst den Betriebsbereich entsprechend der in dem Schritt S61 berechneten Zylindereinlassmenge Qc, und wählt dann eine Gruppe von den Elementen a1, a0, b1 und b0 aus, die dem festgelegten Betriebsbereich #1 bis #8 entspricht.
  • Wenn beispielsweise die Zylindereinlassluftmenge Qc ein Wert zwischen Qc1 und Qc2 ist, legt die Regeleinheit 11 fest, dass der Betriebsbereich einem Bereich #2 entspricht, und setzt die Werte der Elemente a1, a0, b1 und b0 den für den Bereich #2 vorgespeicherten Werten gleich.
  • In einem Schritt S63 berechnet die Regeleinheit 11 die Modell-Totzeit dM , indem sie, wie in der Figur beschrieben, ein Kennfeld basierend auf der Zylindereinlassmenge Qc durchsucht.
  • Die Modell-Totzeit dM weist eine derartige Eigenschaft auf, dass sie einen höheren Wert annimmt, wenn die Zylindereinlassmenge Qc kleiner wird.
  • Die Totzeit von der Änderung der Kraftstoffeinspritzung bis zum Erfassen der sich daraus ergebenden Änderung in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch den vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 hängt von der Strömungsgeschwindigkeit der Zylindereinlassluft ab und ist groß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist.
  • Dementsprechend kann eine einzige Modell-Totzeit nicht den gesamten Strömungsgeschwindigkeitsbereich der Zylindereinlassluft abdecken.
  • Um die optimale Modell-Totzeit einzustellen, werden daher für die Modell-Totzeit dM entsprechend der Zylindereinlassluftmenge Qc verschiedene Werte zugeordnet.
  • Nach Durchführung der Verarbeitung des Schrittes S63 beendet die Regeleinheit die Unterroutine.
  • Unter nochmaliger Bezugnahme auf 17 berechnet die Regeleinheit 11 nach der Berechnung der Systemmatrix mat A, der Eingangsmatrix mat B und der Modell- Totzeit dM des Anlagenmodells in dem Schritt S53 in einem Schritt S54 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis CYLAF des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A.
  • Bei dieser Berechnung berechnet die Regeleinheit 11 zunächst durch die folgende Gleichung (53) eine Kraftstoffeinspritzimpulsdauer TIPSCYL. TIPSCYL = TP·TFBYA·(ALPHA + KBLRC – 1)worin:
    • TP
    = Grund-Kraftstoffeinspritzpulsdauer,
    TFBYA
    = Soll-Äquivalenzverhältnis,
    ALPHA
    = Rückkopplungskorrekturwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, und
    KBLRC
    = Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Lernwert.
  • Der von der Gleichung (53) verwendete Rückkopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist ein Wert, der durch die unmittelbar vorangehende Ausführung der Routine aus 7 erhalten wird.
  • Was den Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Lernwert KBLRC betrifft, wird auch der aktuellste Wert angewendet, der zum Zeitpunkt der Ausführung dieser Unterroutine erhältlich ist.
  • Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Lernwert KBLRC ist ein Wert, der auf Basis des Rückkopplungskorrekturwerts ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet wird. Das Berechnungsverfahren des Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Lernwerts KBLRC wird durch US-Patent 6.014.962 offenbart.
  • Die Verwendung des Rückkopplungskorrekturwerts ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Lernwerts KBLRC für die Berechnung der Krafstoffeinspritz-Impulsdauer TIPSCYL basiert auf dem folgenden Grund.
  • In dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 oder dem Kraftstoffeinspritzventil 5, die ein Teil der geregelten Anlage darstellen, besteht eine individuelle Differenz.
  • Wenn die Kraftstoffeinspritz-Impulsdauer TIPSCYL aus einem Wert berechnet wird, der nicht von dem Rücckopplungskorrekturwert ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Lernwert KBLRC korrigiert worden ist, ist in der Zustandsgleichung des Anlagenmodells aufgrund der individuellen Differenz des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 16 oder des Kraftstoffeinspritzventils 5 ein Fehler vorhanden.
  • Die Anwendung des Rücckopplungskorrekturwerts ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Lernwerts KBLRC für die Berechnung der Kraftstoffeinspritz-Impulsdauer TIPSCYL verhindert, dass ein solcher Fehler in die Zustandsgleichung des Anlagenmodells aufgenommen wird, selbst wenn in dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 oder in dem Kraftstoffeinspritzventil 5 eine individuelle Differenz vorliegt.
  • Die Regeleinheit 11 berechnet mit der folgenden Gleichung (54) eine Kraftstoffeinspritzmenge Fc.
    Figure 00420001
    wobei
    • Fc
    = Kraftstoffeinspritzmenge (Kilogramm/Zyklus),
    TIPSCYL
    = Krafstoffeinspritz-Impulsdauer (Millisekunde/Kilogramm), und
    KCONST#
    = Konstante (Millisekunde/Kilogramm).
  • Ein Luftüberschussfaktor λcyl wird durch die folgende Gleichung (55) ausgedrückt.
    Figure 00420002
  • Dementsprechend wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis CYLAF des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A durch die folgende Gleichung (56) ausgedrückt.
    Figure 00430001
  • Die Zylindereinlassluftmenge Qc ist der durch die Gleichung (52) berechnete Wert, und die Kraftstoffeinspritzmenge Fc ist der durch die Gleichung (54) berechnete Wert.
  • Die oben genannte Gleichung (27) erhält man durch Ersetzen der Gleichungen (52) und (54) durch die Gleichung (55).
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 17 setzt die Regeleinheit 11 in einem Schritt S55 den Eingang u(n) gleich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis CYLAF des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A.
  • In einem darauf folgenden Schritt S56 berechnet die Steuereinheit 11 die Zustandsgrößen x1M(n) und x2M(n) des Anlagenmodells durch die Gleichung (41), indem sie den Eingang u(n), die Systemmatrix mat A und die Eingangsmatrix mat B verwendet. Die Zustandsvariable mat xM(n) des Anlagenmodells ist entsprechend den Zustandsgrößen x1M(n) und x2M(n) festgelegt.
  • In einem darauf folgenden Schritt S57 berechnet die Steuereinheit 11 die geschätzten Zustandsgrößen x ^1(n) und x ^2(n) aus der Zustandsvariable mat x(n) der geregelten Anlage, der Zustandsvariable mat xM(n) des Anlagenmodells, und der Modell-Totzeit dM durch die Gleichungen (45) und (50).
  • Die geschätzte Zustandsvariable x ^(n) wird entsprechend den geschätzten Zustandsgrößen x ^1(n) und x ^2(n) festgelegt.
  • Nach der Verarbeitung des Schrittes S57 beendet die Steuereinheit 11 die Routine.
  • Der Schritt S53 entspricht der Funktion der Modellzeitplaneinheit 33 aus 14. Die Schritte S54 und S55 entsprechen der Funktion der Einheit 32 zur Berechnung des Zylinderinlass-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus 14. Der Schritt S56 entspricht der Funktion der Einheit 34 für die Berechnung der Anlagenmodell-Zustandsvariable aus 14. Der Schritt S57 entspricht der Funktion der Einheit 35 zur Berechnung der geschätzten Zustandsvariable aus 14.
  • Die Verarbeitung in der Zustandsschätzeinheit 31 wird unten auf Basis der Zustandsgrößen auf praktische Weise beschrieben.
  • Die Einheit 34 zur Berechnung der Anlagenmodell-Zustandsvariable berechnet aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis CYLAF des Luft-Krafstoff-Gemischs in der Brennkammer 1A, das dem Eingang u(n) des Anlagenmodells bei der derzeitigen Gelegenheit (n) entspricht, ein Modell-Luft-Kraftstoffverhältnis, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, das bei der derzeitigen Gelegenheit (n) an den derzeitigen Motorbetriebsbereich angepasst ist.
  • Die Einheit 35 zur Berechnung der geschätzten Zustandsvariable berechnet aus dem Modell-Luft-Kraftstoff-Verhältnis CYLAF und dem von dem Luft-Krafstoff-Verhältnis-Sensor 16 bei der derzeitigen Gelegenheit (n) ermittelten Luft-Krafstoff-Verhältnis ein geschätztes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das von dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16, das der Katalysatoreinrichtung 7 vorgeschaltet ist, nach der Modell-Totzeit dM ab der derzeitigen Gelegenheit (n) gemessen werden soll, indem sie die vorgenannte Kombination der Smith-Totzeitkompensation und der Störungskompensation aus 16 anwendet.
  • Nach Eingang des geschätzten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von der Einheit 35 zur Berechnung der geschätzten Zustandsvariable berechnet die Umschaltfunktionsberechnungseinheit 23 der Sliding-Mode-Regeleinheit 22 die Umschaltfunktion der derzeitigen Gelegenheit (n) auf Basis des geschätzten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses TGABF durch die folgende Gleichung (57), die die vorgenannte Gleichung (8) ersetzt. σ(n) = S1·{x ^1(n) – θ1(n)} + S2·{x ^2(n) – θ2(n)} = 0 (57)wobei:
    • σ(n)
    = Zustandsgröße,
    S1
    = Element des Umschaltfunktionsgewinns mat S, und
    S2
    = Element des Umschaltfunktionsgewinns mat S.
  • Die den linearen Eingang berechnende Einheit 25 der Sliding-Mode-Regeleinheit 22 berechnet den linearen Eingang durch die folgenden Gleichungen (58) und (59) an Stelle der vorgenannten Gleichung (12). mat ueq(n) = –(mat S·mat B)–1·mat S·{mat A – mat x ^(n) – mat θ(n + 1)} – σ(n) (58)
  • Die folgende Gleichung (59) ergibt sich durch Umschreiben der Gleichung (58) unter Verwendung von durch die Gleichungen (48) und (57) gegebenen Skalarwerten.
    Figure 00450001
  • Wenn sich der Betriebsbereich des Motors 1 von einem Bereich mit geringer Modell-Totzeit dM zu einem Bereich mit einer hohen Modell-Totzeit dM ändert, erhöht sich der Fehler in der geschätzten Zustandsgröße x ^2(n).
  • Insbesondere wurde experimentell bewiesen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fluktuiert, wenn eine auf einer hohen Modell-Totzeit dM basierende Verzögerungskompensation auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angewandt wird, das auf Basis der Kraftstoffeinspritzmenge in dem Bereich mit einer geringen Modell-Totzeit dM berechnet wurde.
  • Die Zustandsgröße x2(n) und ihr Sollwert θ2(n) der geregelten Anlage, und die Zustandsgröße x2M(n) und die geschätzte Zustandsgröße x ^2(n) des Anlagenmodells haben eine Beziehung, die durch die folgenden Gleichungen (60) bis (63) spezifiziert ist. θ2(n) = –a0·θ1(n) + b0·u(n – dM – 1) (60) x2(n) = –a0·x1(n – 1) + b0·u(n – dM – 1) (61) x2M(n) = –a0·x1M(n – 1) + b0·u(n-1) (62) x ^2(n) = x2(n + dM) = x2(n) – x2M(n – dM) + x2M(n) (63)
  • Die Gleichungen (60) bis (62) ergeben sich wie folgt.
  • Da aus der Gleichung (40) y(n) = x1(n) gilt, ist der Soll-Ausgangswert θ1(n) auch der Sollwert der Zustandsgröße x1(n). Durch Erweitern der Gleichung (39) erhält man die folgenden Gleichungen (64) und (65). x1(n + 1) = –a1·x1(n) + x2(n) + b1·u(n – d) (64) x2(n + 1) = –a0·x1(n) + b0·u(n – d) (65)
  • Wenn in der Gleichung (65) n + 1 durch n ersetzt wird, erhält man die folgende Gleichung (66). x2(n) = –a0·x1(n – 1) + b0·u(n – 1 – d) (66)
  • Die Gleichung (66) unterscheidet sich von der Gleichung (62), indem x2(n) Totzeit enthält, während x2M(n) keine Totzeit enthält.
  • In anderen Worten erhält man die Gleichung (62), indem man die Totzeit d aus der Gleichung (66) heraus nimmt.
  • Der Sollwert der Zustandsgröße x2(n) wird im Hinblick auf die Gleichung (65) mit der folgenden Gleichung (67) ausgedrückt. θ2(n + 1) = –a0·θ1(n) + b0·u(n – d) (67)
  • Wenn n + 1 in der oben genannten Gleichung (67) durch n ersetzt wird, erhält man die folgende Gleichung (68). θ2(n) = –a0·θ1(n – 1) + b0·u(n – d – 1) (68)
  • Da die Beziehung θ1(n) = θ1(n – 1) gilt, erhält man die folgende Gleichung 60 aus der Gleichung (68).
  • 19A bis 19G zeigen ein Beispiel, worin die Modell-Totzeit dM sich aufgrund der Verringerung der Zylindereinlassluftmenge Qc von zwei auf drei ändert, und sich der Sollwert thets2(n) der Zustandsgröße entsprechend verringert. Es wird angenommen, dass der Eingang u(n) des Anlagenmodells sich nicht ändert.
  • In diesem Fall verringern sich beide Zustandsgrößen x2(n) und x2M(n) entsprechend der Verringerung des Sollwerts θ2(n).
  • Die geschätzte Zustandsgröße x ^2(n) wird zu dem Zeitpunkt, wenn sich die Modell-Totzeit dM von zwei auf drei ändert, durch die folgende Gleichung (69) berechnet, die man aus der Gleichung (63) erhält. x ^2(n) = x2(n) – x2M(n – 3) + x2M(n) (69)
  • Die Gleichung (69) schätzt in dem derzeitigen Zyklus n eine Zustandsgröße x2(n + 3) eines Zyklus n + 3.
  • Es wird angenommen, dass sich die Zustandsgrößen x2(n) und x2M(n) in dem derzeitigen Zyklus n von drei auf eins verringern, wie in 19D und 19E gezeigt.
  • Dementsprechend sind in dem derzeitigen Zyklus n beide Zustandsgrößen x2(n) und x2M(n) gleich 1. Die Zustandsgröße x2M(n – 3) ist eine Zustandsgröße des Zyklus n – 3 und ist gleich 3. Daher wird die Gleichung (59) in dem derzeitigen Zyklus n wie folgt berechnet. x ^2(n) = 1 – 3 + 1 = –1 (70)
  • Dieser Wert der geschätzten Zustandsgröße x ^2(n) ist kleiner als die Zustandgröße x2(n).
  • Wie in 19G gezeigt, hält der Zustand, wo die geschätzte Zustandsgröße x ^2(n) gleich –1 ist, bis unmittelbar vor dem Zyklus n + 3 an, und die geschätzte Zustandsgröße x ^2(n) wird 1, was identisch ist mit dem Wert der Zustandsgröße x2(n) in dem Zyklus n + 3.
  • x ^2(n), welches ein geschätzter Wert der Zustandsgröße ist, ist jedoch vorzugsweise während des Zeitraums von dem Zyklus n bis zu dem Zyklus n + 3 gleich 1, wie in einer gestrichelten Linie aus 19G gezeigt. In anderen Worten wird ein Fehler erzeugt, wenn die Gleichung (63) in diesem Abschnitt angewandt wird, um die geschätzte Zustandsgröße x ^2(n) zu berechnen. Dieser Fehler wird im Folgenden als Modellfehler bezeichnet.
  • Um die Erzeugung des Modellfehlers zu vermeiden, verhindert die Regeleinheit 11, dass die Gleichung (63) in der Berechnung der geschätzten Zustandsgröße x ^2(n + dM) angewandt wird, bis die Modell-Totzeit dM nach der Erhöhung der Modell-Totzeit dM verstrichen ist, und setzt die x ^2(n + dM) gleich der Zustandsgröße x2(n). Man kann sagen, die Regeleinheit 11 verhindert, dass die Störungskompensation und Totzeit während dieser Zeit auf die Regelung des Luft-Krafstoff-Verhältnisses angewandt werden.
  • Die Regeleinheit 11 führt die oben genannte Verarbeitung in dem Schritt S57 unter Verwendung einer Unterroutine aus 20 durch.
  • Unter Bezugnahme auf 20 liest die Regeleinheit 11 in einem Schritt S71 zunächst die Modell-Totzeit dM, die in dem Schritt S63 der Unterroutine aus 18 gefunden wurde.
  • In einem darauf folgenden Schritt S72 bestimmt die Regeleinheit, ob die Modell-Totzeit dM größer ist als der Wert, der bei der unmittelbar vorangehenden Gelegenheit verwendet wurde, als die Unterroutine ausgeführt wurde.
  • Wenn die Modell-Totzeit dM größer ist als der unmittelbar vorangegangene Wert, setzt die Regeleinheit 11 die geschätzte Zustandsvariable mat x ^(n) in einem Schritt S73 gleich der Zustandsvariable mat x(n). In anderen Worten wird die geschätzte Zustandsvariable x ^2(n) gleich der Zustandsgröße x2(n) gesetzt.
  • Wenn die Modell-Totzeit dM nicht größer ist als der unmittelbar vorangegangene Wert, legt die Regeleinheit 11 in einem Schritt S74 fest, ob die nach der Erhöhung der Modell-Totzeit dM verstrichene Zeit größer ist als die Modell-Totzeit dM.
  • In anderen Worten legt die Regeleinheit 11 fest, ob die derzeitige Gelegenheit dem Zeitraum der Erzeugung des Modellfehlers aus 19G entspricht.
  • Wenn die verstrichene Zeit die Modell-Totzeit dM nicht erreicht, führt die Regeleinheit die Verarbeitung des Schrittes S73 aus, damit die geschätzte Zustandsvariable mat x ^(n) gleich der Zustandsvariable mat x(n) bleibt.
  • Wenn die verstrichene Zeit die Modell-Totzeit dM erreicht hat, berechnet die Regeleinheit 11 die geschätzte Zustandsvariable x ^(n), indem sie die vorgenannte Kombination der Smith-Totzeitkompensation und der Störungskompensation durch die Gleichung (63) anwendet.
  • Nach der Verarbeitung des Schrittes S73 oder des Schrittes S75 beendet die Regeleinheit 11 die Unterroutine.
  • Die oben beschriebene Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß dieser Erfindung wird wie folgt zusammengefasst.
  • Die Regeleinheit 11 kompensiert die Totzeit von der Festsetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch die Kraftstoffeinspritzung bis zur Erfassung durch den vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Sensor 16, indem sie eine Kombination der Smith-Totzeitkompensation und der Störungskompensation anwendet. Die Regeleinheit 11 regelt danach die Kraftstoffeinspritzenge durch den Sliding-Mode-Regelungsprozess, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nach der Kompensation gleich dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
  • Die Zustandsschätzeinheit 31 nähert die dynamische Eigenschaft des Abgasflusses des Motors 1 und diejenige des vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Sensors 16 durch die Übertragungsfunktion eines sekundären diskreten Systems an, das eine Totzeit aufweist. Die Übertragungsfunktion wird durch die Anwendung eines ARX-Modells identifiziert.
  • Aufgrund dieses Prozesses wird die Übertragungsfunktion des sekundären diskreten Systems mit Totzeit in die Zustandsgleichungen umgewandelt, die die geregelte Anlage darstellen.
  • Auf der anderen Seite werden die dynamische Eigenschaft des Abgasflusses eines imaginären Motors ohne Totzeit und diejenige eines imaginären vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhaltnis-Sensors ohne Totzeit durch die Übertragungsfunktion eines sekundären diskreten Systems ohne Totzeit angeglichen. Die Übertragungsfunktion wird durch die Anwendung eines ARX-Modells identifiziert.
  • Aufgrund dieses Prozesses wird die Übertragungsfunktion des sekundären diskreten Systems ohne Totzeit in die Zustandsgleichungen umgewandelt, die das Anlagenmodell darstellen. Des Weiteren erhält man auf Basis der Zustandsvariable mat x(n), die für die geregelte Anlage mit Totzeit steht, der Zustandsvariable xM(n), die für das An lagenmodell ohne Totzeit steht, und der Modell-Totzeit dM eine Zustandsgleichung, auf die die Smith-Totzeitkompensation und Störungskompensation angewandt werden.
  • Die Sliding-Mode-Regeleinheit 22 berechnet die Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariable x ^(n) und dem Sollwert mat θ(n) der Zustandsvariable als die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers. Dann multipliziert sie die Zustandsgröße mat e(n) des Fehlers mit dem Umschaltfunktionsgewinn mat S, um die Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion zu erhalten.
  • Auf Basis der Zustandsgröße σ(n) der Umschaltfunktion berechnet die Sliding-Mode-Regeleinheit 22 den nichtlinearen Eingang unl(n) und den linearen Eingang ueq(n), und sie berechnet schließlich den Gesamtregeleingang usl(n) durch Addition eines integrierten Wertes des linearen Eingangs usl(n) zu dem nicht linearen Eingang unl(n). Die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 5 wird entsprechend dem Gesamtregeleingang usl(n) geregelt.
  • Aufgrund des oben genannten Luft-Kraftstoff-Regelungsprozesses gemäß der vorliegenden Lehre bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors 1, der Totzeit hat, schwankt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis selbst dann nicht, wenn der Rückkopplungsgewinn erhöht wird, so dass der Rückkopplungsgewinn selbst in einem Bereich nahe des Leerlaufbereichs des Motors 1 erhöht werden kann, wo die Einlassluftmenge gering ist und die Totzeit die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stark beeinflusst.
  • Obwohl die individuelle Differenz in der Leistung des Kraftstoffeinspritzventils 5 oder in dem vorgeschalteten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 16 einen Fehler in die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bringt, wird die Wirkung einer solchen individuellen Differenz durch Berechnung der Kraftstoffeinspritz-Impulsdauer TIPSCYL unter Verwendung des Rückkopplungskorrekturwertes ALPHA des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Lernwertes KBLRC davon beseitigt.
  • Die dynamische Eigenschaft eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert mit einer Motorlast und Motordrehzahl, und ein großer Fehler wird erzeugt, wenn eine einzige Zustandsgleichung über den gesamten Betriebsbereich des Motors 1 angewandt wird.
  • Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß dieser Erfindung wendet selektiv eine Zustandsgleichung des sekundären diskreten Anlagenmodells ohne Totzeit aus den vielen Gleichungen aus, die entsprechend der Zylindereinlassluftmenge Qc festgelegt sind, die die Motorlast und die Motordrehzahl darstellt.
  • Daher kann in allen Betriebsbereichen die optimale Zustandsgleichung des sekundären diskreten Anlagenmodells ohne Totzeit verwendet werden.
  • Im Ergebnis wird über den gesamten Betriebsbereich, unabhängig von der Zahl der Verbrennungen des Motors 1 pro Zeiteinheit, eine günstige Regelantwort verwirklicht, selbst wenn Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem festen Zeitintervall durchgeführt wird.
  • Da die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre die Modell-Totzeit dM entsprechend der Zylindereinlassluftmenge Qc berechnet, ist die Modell-Totzeit dM recht nahe an der echten Totzeit, die in der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors 1 enthalten ist.
  • Wenn das Smith-Verfahren zur Totzeitkompensation verwendet wird, wenn sich die Modell-Totzeit dM erhöht hat, kann das Maß von rückkopplungsgeregelter Korrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses übermäßig groß sein und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis infolgedessen schwanken.
  • Die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre verhindert, dass die Smith-Totzeitkompensation und die Störungskompensation von der Erhöhung der Modell-Totzeit dM an bis zu dem Zeitpunkt, wenn die nach der Erhöhung der Modell-Totzeit dM verstrichene Zeit die erhöhte Modell-Totzeit dM erreicht, durchgeführt wird.
  • Dadurch tritt die Fluktuation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund übermäßiger Rückkopplungsregelung selbst dann nicht auf, wenn sich die Modell-Totzeit dM erhöht.
  • Die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre wendet selektiv entsprechend dem Betriebsbereich des Motors 1 eine unterschiedliche Übertragungsfunktion Geng(q) des sekundären diskreten Systems an. Zu diesem Zweck werden vorher durch das Verfahren der Sprungantwort in verschiedenen Betriebsbereichen verschiedene Übertragungsfunktionen Geng(q) identifiziert. Die Regeleinheit 11 führt Rückkopplungsregelung aus, indem sie einen Sliding-Mode-Regelungsprozess auf Basis der Zustandsgleichung des aus der gewählten Übertragungsfunktion Geng(q) umgewandelten sekundären diskreten Systems anwendet.
  • Daher kann ein Anlagenmodell mit mehr Genauigkeit gebaut werden, als dasjenige, das mit der Technik des Stands der Technik gebaut wird, das die Zustandsgleichung für den Sliding-Mode-Regelungsprozess aus einem physikalischen Durchlaufsystem-Modell berechnet.
  • Des Weiteren verbessern sich das Ansprechen und die Robustheit der Regelung im Vergleich zu herkömmlicher Regelung wie beispielsweise Regelung mit drei Elementen.
  • Der Sliding-Mode-Regelungsprozess erhöht sowohl das Ansprechen bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als auch dessen Robustheit im Vergleich zu einem herkömmlichen Regelungsprozess wie beispielsweise einem Proportional-Integral-Derivativ-(PID-)Regelungsprozess. Da die Umschaltfunktion durch Messung der Sprungantwort einzeln identifiziert wird, können die Umschaltfunktion und der lineare Ausgang für den Sliding-Mode-Regelungsprozess einfach erstellt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Lehre wird die Gesamtregeleingabe usl(n) auf Basis des Integrationswertes des linearen Eingangs ueq(n) berechnet, der von dem Integrierglied 26 berechnet wurde. Im Vergleich zu dem Fall, wo er direkt aus dem linearen Eingang ueq(n) berechnet wird, beseitigt dieser Prozess eine bleibende Regelabweichung, während er die Regelantwort auf einem bevorzugten Niveau beibehält.
  • Wenn dem Kraftstoffeinspritzventil 5 ein großer Regeleingang gegeben wird, um die Konvergenz des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gegen das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu beschleunigen, können sich die Fahrbarkeit des Fahrzeugs sowie die Abgasemission des Motors 1 verschlechtern. Um eine solche Situation zu vermeiden, ist es notwendig, den Umschaltfunktionsgewinn mat S und den Integrationsgewinn u entsprechend dem Betriebsbereich des Motors 1 festzulegen.
  • Die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre berechnet zunächst den Integrationsgewinn μ entsprechend der Drehzahl des Motors 1, und legt daraufhin den Umschaltfunktionsgewinn mat S fest, indem sie die Gleichung (29) verwendet, so dass das Erstellen der Umschaltfunktion einfach ist.
  • Wenn die Rückkopplungsregelung der Kraftstoffeinspritzmenge in festen Zeitintervallen durchgeführt wird, erhöht sich die Zahl der Kraftstoffeinspritzungen pro Zeiteinheit mit der Drehzahl des Motors 1, und der scheinbare Rückkopplungsgewinn verringert sich.
  • Im Ergebnis kann die Verfolgbarkeit zu dem Sollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem hohen Drehzahlbereich nicht so gut sein wie bei einem niedrigen Drehzahlbereich.
  • Da die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre den Integrationsgewinn μ entsprechend der Motordrehzahl berechnet, tritt eine Verringerung des scheinbaren Integrationsgewinns selbst dann nicht auf, wenn die Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu festen Zeitintervallen durchgeführt wird, und der optimale Integrationsgewinn wird über den gesamten Betriebsbereich des Motors hinweg erreicht.
  • Die Regeleinheit 11 gemäß der vorliegenden Lehre schaltet das Vorzeichen des Elements S2 des Umschaltfunktionsgewinns mat S entsprechend dem Vorzeichen des Elements a0 um, das den Zustand der Systemmatrix mat A darstellt, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis immer in der richtigen Richtung korrigiert wird, selbst in dem Fall, wo sich der Zustand der Systemmatrix verändert hat.
  • Das obige Ausführungsbeispiel hängt mit einer Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung einer Zustandsgleichung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen zusammen, aber die vorliegende Lehre kann auch auf eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhaltnisses unter Verwendung einer Zustandsgleichung anderer Art angewandt werden.
  • Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Lehre, obwohl das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis variiert wird, auf einen Motor anwendbar, der mit einem festen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wie beispielsweise dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, so lange er Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchführt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Regeln des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses für einen Motor (1) mit einer Brennkammer (1A) zum Verbrennen eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff, die umfasst: ein Kraftstoffeinspritzventil (5), das Kraftstoff in den Motor (1) einspritzt, um das Gemisch zu erzeugen; einen Sensor (16), der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs aus einer Zusammensetzung von Abgas des Motors (1) erfasst; und eine programmierbare Regeleinheit (11), die so programmiert ist, dass sie: eine Totzeit berechnet, die eine Verzögerung zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs in der Brennkammer (1A) und der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darstellt, das durch den Sensor (16) erfasst wird (33, S53); eine geschätzte Zustandsgröße berechnet, indem sie eine Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und eine Störungs-Kompensation auf das durch den Sensor (16) erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis anwendet (35, S57); ein Maß von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis der geschätzten Zustandsgröße und eines vorgegebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über einen Sliding-Mode-Regelungsprozess berechnet (22, S19); und eine Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils (5) auf Basis des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses regelt (30, S201), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie die Störungskompensation unter Verwendung einer Störungs-Kompensationseinrichtung (35) mit einer Übertragungsfunktion von 1 durchführt (S57).
  2. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie: eine erste Zustandsvariable des Motors (1) als eine geregelte Anlage anhand des durch den Sensor (16) erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet (35, S51); eine Einlassluftmenge in die Brennkammer (1A) anhand der Kraftstoff-Einspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils (5) berechnet; eine Systemmatrix, eine Eingangsmatrix und eine Totzeit auf Basis der Einlassluftmenge bestimmt (33, S53); das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs in der Brennkammer (1A) anhand der Einlassluftmenge als ein Eingang berechnet (32, S54, S55); eine zweite Zustandsvariable des Motors (1) als ein Anlagenmodell anhand des Eingangs, der Systemmatrix und der Eingangsmatrix berechnet (32, S54, S55); und eine geschätzte Zustandsvariable des Motors (1) als die geregelte Anlage in einem Zustand, in dem die Totzeit verstrichen ist, aus der ersten Zustandsvariable, der zweiten Zustandsvariable und der Laufzeit berechnet, indem sie die Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und die Störungskompensation anwendet (35, S57).
  3. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (1) des Weiteren so programmiert ist, dass sie eine Differenz zwischen der geschätzten Zustandsvariable und einer Soll-Zustandsvariable als Zustandsgröße eines Fehlers berechnet (23, S13), eine Zustandsgrößer der Umschaltfunktion auf Basis der Zustandsgröße des Fehlers berechnet (23, S14), einen linearen Eingang auf Basis der Zustandsgröße des Fehlers berechnet (24, S16), einen nicht linearen Eingang auf Basis der Zustandsgröße der Umschaltfunktion berechnet (24, S15), einen Gesamt-Regeleingang berechnet, indem sie einen integrierten Wert des linearen Eingangs zu dem nicht linearen Eingang addiert (26, 27, S17, S18), und das Maß von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch Umwandeln des Gesamt-Regeleingangs berechnet (28, S19).
  4. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zustandsvariable durch eine Zustandsgleichung definiert wird, die die geregelte Anlage als ein sekundäres diskretes System definiert, das eine Totzeit hat.
  5. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zustandsvariable durch eine Zustandsgleichung definiert wird, die das Anlagenmodell als ein sekundäres diskretes System definiert, das keine Totzeit hat.
  6. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie die Totzeit verlängert, wenn die Einlassluftmenge geringer wird.
  7. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie feststellt, ob die Totzeit zugenommen hat (S72) und verhindert, dass die Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren sowie die Störungskompensation während einer Periode von dem Zeitpunkt der Zunahme der Totzeit bis zum Verstreichen der Totzeit durchgeführt werden.
  8. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie die Berechnung des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Regelung der Kraftstoffeinspritzmenge auf Basis des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in festen Zeitintervallen wiederholt durchführt und die Einlassluftmenge auf Basis der aus dem aktuellsten Wert des Wertes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechneten Kraftstoffeinspritzmenge berechnet.
  9. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (11) des Weiteren so programmiert ist, dass sie die geschätzte Zustandsvariable berechnet, indem sie die Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und die Störungskompensation anwendet (S75), die durch die folgende Gleichung (A) definiert sind: x ^(n) = mat x(n + dM) = mat x(n) – mat xM(n – dM) + mat xm(n) (A) wobei dM = Totzeit, mat x ^(n) = Matrix, die die geschätzte Zustandsvariable darstellt, mat x(n) = Matrix, die die erste Zustandsvariable darstellt, mat xM(n) = Matrix, die die zweite Zustandsvariable darstellt, und mat xM(n – dM) = Matrix, die die Zustandsvariable des Anlagenmodells darstellt, nachdem die Totzeit dM verstrichen ist.
  10. Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Motor (1) mit einer Brennkammer (1A) zum Verbrennen eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff und einem Kraftstoffeinspritzventil (5), das Kraftstoff in den Motor (1) einspritzt, um das Gemisch zu erzeugen, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs aus einer Zusammensetzung von Abgas des Motors (1); Berechnen einer Totzeit, die eine Verzögerung zwischen der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemischs in der Brennkammer (1A) und der Änderung eines erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darstellt (S53); Berechnen einer geschätzten Zustandsgröße durch Anwenden einer Totzeit-Kompensation gemäß dem Smith-Verfahren und einer Störungskompensation auf das erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis (S57); Berechnen eines Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Basis der geschätzten Zustandsgröße und eines vorgegebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses über einen Sliding-Mode-Regelungsprozess (S19); und Regeln der Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils (5) auf Basis des Maßes von Rückkopplungskorrektur des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (S201), gekennzeichnet durch Durchführen der Störungskompensation unter Verwendung einer Störungs-Kompensationseinrichtung (35), die eine Übertragungsfunktion von 1 hat (S57).
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