DE60222911T2 - Folgeregelung für ein elektronisches drosselklappensystem - Google Patents

Folgeregelung für ein elektronisches drosselklappensystem Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Steuersysteme und spezieller ein Nachführreglerdesign, angewendet auf ein elektronisches Drosselsystem.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein elektronisches Drosselregelungssystem steuert die Öffnung eines Drosselventils, indem ein Gleichstrom (DC)-Motor in Übereinstimmung mit einer gewünschten Drosselposition, die von einer übergeordneten Steuerung gefordert wird, betrieben wird. In dieser Drosselregelung wird ein Pulsweitenverhältnis erzeugt, basierend auf der Drosselpositionsmessung und einem Sollpositionssignal von einer übergeordneten Steuerung oder einem Gaspedalpositionssensor, der die Gaspedalposition entsprechend dem Absenkungsbetrag des Gaspedals erzeugt. Die PWM mit einem ordnungsgemäß errechneten Pulspausen-Verhältnis treibt den DC-Motor über ein Getriebe an, um das Drosselventil auf exakt die gewünschte Position zu öffnen oder zu schließen, um die Lufteinlassmenge zu dem Motor zu steuern. Eine Feedback-Kontrolle der Proportional-, Integral- und Differentialregelung (PID) wird auf den DC-Motor angewendet, um den Fehler zwischen einem Signal des Drosselöffnungssensors, der die aktuelle Drosselöffnung des Drosselventils misst, und dem Sollpositionssignal, welches ein von einem Gaspedalpositionssensor (im Pedalfolgemodus) gemessenes Signal sein kann, oder einem Signal, welches von einer übergeordneten Steuerung erzeugt wird, zu reduzieren.
  • Es war allgemeine Praxis, die Steuerkonstanten des P(Proportional)-Anteils, I(Integral)-Anteils und D(Differential)-Anteils der PID-Steuerung auf feste Mittelwerte zu setzen, um die Anforderungen unter allen Betriebsbedingungen des Systems zu erfüllen. Da die so bestimmten Steuerungskonstanten nicht die Optimalwerte für die spezifischen Betriebsbedingungen werden, insbesondere in nichtlinearen Systemen, können Antwortverhalten und Stabilität der Drosselventilsteuerung reduziert sein. Beispielsweise kann, während eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuerung die Rotationsgeschwindigkeit eines Motors auf einer vorbestimmten Geschwindigkeit unter Motorleerlaufbedingungen stabilisiert, die Ansprechempfindlichkeit des Drosselventils reduziert sein, die Stabilität muss jedoch hoch sein und die Steuerung sollte gegenüber allen Störungen wie z. B. einem Batteriespannungsabfall robust sein. Darüber hinaus kann die Stabilität des Drosselventils um ein gewisses Maß reduziert sein während einer Anfahrregelung, die die Kraft gemäß dem Straßenflächenzustand optimal auf die von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Räder steuert, aber die Ansprechempfindlichkeit muss hoch bleiben. Während einer Fahrregelung, die eine konstante Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs ohne Betätigung des Gaspedals regelt, werden sowohl hohe Ansprechempfindlichkeit als auch Stabilität verlangt. Das Ziel der Steuerung ist es, unter allen Umständen eine schnelle und stabile Nachführung zu erreichen.
  • Die fixen Mittelwerte der in existierenden PID-Regelungen verwendeten Konstanten sind nicht für jeden Bereich der Benutzung optimal. Einige existierende Regler kompensieren dies durch Anwendung einer Gain-Scheduling-PID-Regelung, d. h. ein unterschiedliches Set von Konstanten für jeden Anwendungsbereich. Jedoch reduziert die damit verbundene zusätzliche Komplexität die dynamische Nachführleistung und reduziert die Robustheit des Systems. Darüber hinaus erfordert die Kalibrierung aller Steuerparameter bei den verschiedenen Betriebsbedingungen eine extensive Arbeit.
  • Die US 6,367,449 beschreibt eine elektronische Drosselregelung mit einer Gleitmodulsteuerung, die ein Steuersignal mit einem Wert proportional einer Schaltfunktion und einem Wert basierend auf einer nichtlinearen Federkraft einer Rückstellfeder erzeugt.
  • Die EP 0 544 003 beschreibt einen Servomotor, der in der Lage ist, bei Verwendung einer konventionellen Linearsteuertechnik eine Gleitmodulsteuerung einzuführen.
  • Es besteht Bedarf an einem robusten elektronischen Drosselregelungssystem, welches empfindlich, robust und schnell ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine elektronische Steuerung und ein Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen zur Verfügung gestellt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines elektronischen Drosselregelungssystems gemäß der Erfindung.
  • 2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 ist ein Diagramm, welches die Reihenfolge des Konstruktionsprozesses und den Betriebslauf eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird jetzt im Detail beschrieben. Wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzt, haben die folgenden Ausdrücke die Bedeutung, die hier explizit damit verbunden ist, außer der Kontext diktiert dies klar anderweitig: die Bedeutung von "ein", "eine" und "der/die/das" schließt die Mehrzahl, die Bedeutung von "in" schließt "in" und "an" ein.
  • Wie in 1 in einem illustrierenden Ausführungsbeispiel gezeigt, sitzt die vorliegende Erfindung in einem Mikro-Controller 118 oder einem digitalen Signalverarbeitungs(DSP)-Chip als Teil eines Drosselregelungssystems 100. Das Drosselregelungssystem 100 umfasst einen mechanischen Teil 102 und einen elektronischen Teil 110. Der mechanische Teil 102, welcher typischerweise von einem Typ gemäß dem Stand der Technik ist, umfasst einen Drosselscheibenaktor 106, z. B. einen Gleichstrom(DC)-Betätigungsmotor, der mit der Drosselscheibe 104 Über eine Getriebeanordnung 108 gekoppelt ist. Typischerweise ist die Drosselscheibe 104 federbelastet, um auf diese Weise in Abwesenheit einer zusätzlichen Kraft aus dem Drosselscheibenaktor 106 eine konstante Position beizubehalten. Der Drosselscheibenaktor 106 ist empfindlich auf ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal aus dem elektrischen Teil 110.
  • In der Designphase umfasst der elektrische Abschnitt 110 ein Rapid Prototyping Tool 118, wie z. B. eine ADI RTS oder dspace-Autobox, deren auf dem Rapid Prototyping Tool laufender Algorithmus sowohl auf das Eingangssignal der Drosselsollposition (TPS) 116 und ein aktuelles Drosselposition-Eingangssignal 114 antwortet. Das Rapid Prototyping Tool 118 kann in einem aktuellen Betriebssystem durch einen vergleichbar funktionierenden Mikro-Controller oder DSP ersetzt werden. Das Ist-TPS-Eingangssignal 114 wird durch einen TPS-Sensor 112 erzeugt, der mit der Drosselscheibe 104 gekoppelt ist. Das Soll-TPS-Eingangssignal 116 korrespondiert mit einem externen Steuereingangssignal, das von solchen Quellen wie einem Steuereingangssignal von einem anderen Teil eines Motors oder einem Gaspedal stammt. Der Mikro-Controller 118 erzeugt ein PWM-Steuersignal, und eine integrierte Schaltung 120 verstärkt das PWM-Steuersignal 122, welches mit den Stromanschlüssen des Drosselscheibenaktors 106 verbunden ist, welches den Drosselscheibenaktor 106 auf die Sollposition bewegt.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der elektrische Teil 200 Teil einer elektronischen Drosselregelung, die einen Feedforward 222, einen PID 224, eine Gleitmodussteuerung 226 mit adaptiver Verstärkung und einen Addierer 230 umfasst. Der Feedforward 222 erzeugt ein Sollpositionssignal, welches mit dem Systemsollwert 214 korrespondiert, korrespondierend mit einer Sollposition der Drossel. Der Feedforward 222 könnte als Gleichung implementiert sein, die das Idealverhalten des Systems modelliert, oder könnte typischerweise in einer einfachen Nachschlagtabelle implementiert sein. Der PID 224 reagiert auf einen Fehlersignalgenerator 228, der ein einfacher Addierer ist, der die aktuell gemessene Position 212, gemessen von der elektronischen Drossel 208, von dem Systemsollwert 214 subtrahiert. Der PID 224 erzeugt ein erstes Rückkopplungssignal, welches das Fehlersignal kompensiert. Die Gleitmodussteuerung 226 erzeugt ein zweites Rückkopplungssignal, welches eine Lösung einer Lyapunov-Gleichung, angewendet auf das Fehlersignal, umfasst. Der Addierer 230 addiert das Feedforward-Steuersignal, das erste Rückkopplungssignal und das zweite Rückkopplungssignal, um so ein PWM-Steuersignal 232 zu erzeugen. Der PID-Term lautet: PID = Kpe + Ki ∫ edt + Kd dedt wobei Kp, Ki und Kd Konstanten sind, basierend auf einer Stabilitätsanalyse für ein mathematisches Normalmodell, und wobei e definiert ist als e = yd – ywobei yd die Drossel-Sollposition und y die Drossel-Istposition ist.
  • Die Gleitmodussteuerung (SMC) ist gegeben durch: SMC = Ksm·sgn(P11e + P12e' + P13e'')in einer vereinfachten Form: SMC = Ksm sgn(e) wobei P = (Pij) eine 3×3-Matrix ist, eine Lösung der algebraischen Lyapunov-Gleichung; wobei e' die Ableitung von e und e'' die zweite Ableitung von e ist; wobei die gleitende Verstärkung Ksm eine Variable ist, per Schätzung ausgewählt aus bekannten Eingangssignalen und Messungen, beispielsweise Ksm(k) = (E(e(k), e(k – 1), e(k – 2), e(k – 3), Ksm(k – 1)), (E(•) > 0).
  • Eine derart bestimmte SMC kann Nicht-Linearitäten, Störungen und Unsicherheiten im System effektiv kompensieren.
  • Mit der Lyapunov-Stabilitätsanalyse ist eine asymptotische Nachführung gesichert.
  • Das Folgende kann für den Designer bei der Wahl der Steuerparameter nützlich sein:
    • – Kp, Ki und Kd können gewählt werden basierend auf der Stabilitätsanalyse, durchgeführt auf dem mathematischen Modell der elektronischen Drossel.
    • – Ksm wird aktualisiert, basierend auf der Online-Schätzung der unbekannten Dynamik.
    • – P11, P12 und P13 sind Lösungen der Lyapunov-Gleichung nach der Wahl eines PID.
  • Wie in 3 dargestellt, wird die Drosselsollposition 314 von dem übergeordneten Regler erzeugt, der benutzt wird, um das Feedforward-Steuersignal 322 zu erzeugen. Dieses Signal basiert auf einem Nominalmodell des Regelungssystems und der Drosselsollposition 314. Ein mathematisches Nominalsystemmodell 340 sollte bekannt sein. Von daher ist die Fehlerdynamik 342 des Systems bestimmt und der PID-Term wird darauf basierend bestimmt 344 durch Verwendung einer Stabilitätsanalyse. Die Gleitfläche, die die Basis für den SMC-Term bildet, ist bestimmt 346, basierend auf der algebraischen Lyapunov-Gleichung oder ihrer oben angegebenen vereinfachten Form. Dies gibt Anlass für die anfängliche Gleitverstärkung 348 für das System. Typischerweise wird dieser Teil des Modells offline erzeugt unter Verwendung eines computergestützten Regelungssystem-Designtools. Wenn eine adaptive Online-Gleitverstärkung benutzt wird, kann die anfängliche Gleitverstärkung auf eine beliebige kleine Zahl gesetzt werden, in nachfolgenden Schritten wird Ksm korrekt aktualisiert.
  • Eine Schätzung der unmodulierten Dynamik 350 wird durchgeführt und die Gleitverstärkung Ksm wird 352 gewählt, basierend auf der vorgenannten Schätzung 350. Diese beiden Schritte können entweder offline oder online durchgeführt werden. Wenn offline, muss eine relativ große Konstante für Ksm gewählt werden. Wenn online, dann wird Ksm bei jedem Steuerungskreislauf aktualisiert. Die Online-Aktualisierung von Ksm ergibt ein besseres Steuerungsverhalten.
  • Die auf einem Betriebssystem durchgeführten Online-Schritte umfassen das Setzen des Reglerausgangs, basierend auf dem PID-Term, dem Feedforward-Term und dem Gleitmodus-Term, um eine Pulsweitenmodulation zu erzeugen. Diese wird in die Motorantriebselektronik 320 eingespeist, um den Drosselhebel-Steuermotor anzutreiben. Die Position des Drosselkörpers wird gemessen 330 und in den Fehlerdynamikschritt zurückgespeist.
  • Die Erfindung resultiert in einem elektronischen Drosselregelungssystem, das robust ist. Es ist ebenso empfindlicher und genauer als andere ähnliche Regelungen. Das Regelverhalten wie Nachführung und Robustheit sind sichergestellt durch das Design, basierend auf der Lyapunov-Theorie.
  • Es sollte notiert werden, dass, obwohl vorstehend eine elektronische Drosselregelung offenbart ist, die Erfindung nicht auf elektronische Drosselregelungen beschränkt ist. Somit ist der Schutzumfang der folgenden Ansprüche auf jede elektronische Regelung anwendbar. Darüber hinaus schließt der Ausdruck PID-Steuerungen der folgenden Typen ein: P, PI, PD und PID.
  • Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich illustrierende Beispiele. Es ist leicht zu erkennen, dass viele Änderungen an der speziellen Ausführungsform, die in dieser Beschreibung offenbart ist, gemacht werden können, ohne die Erfindung zu verlassen. Dementsprechend ist der Schutzumfang der Erfindung bestimmt durch die nachfolgenden Ansprüche, statt durch die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt zu werden.

Claims (9)

  1. Ein elektronischer Regler (118), umfassend: (a) einen PID (224), der einen ersten Feedback-Term erzeugen kann, welches ein Fehlersignal e kompensiert; (b) einen Gleitmodusregler (226), der einen zweiten Feedback-Term erzeugen kann, welches eine Lösung der Lyapunov-Gleichung beinhaltet, angewendet auf das Fehlersignal e mit gleitender Verstärkung, die durch eine Abschätzung der unbekannten Dynamik angepasst wird, wobei der Gleitmodusregler definiert ist durch Ksm × sgn (P11e + P12e' + P13e'') wobei Ksm die gleitende Verstärkung, P11, P12, P13 eine Lösung der Lyapunov-Gleichung und e' und e'' die Ableitung und die zweite Ableitung des Fehlersignals e sind; und (c) einen Addierer (230), der den ersten Feedback-Term und den zweiten Feedback-Term addiert, um so ein Steuersignal zu erzeugen.
  2. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Vorwärtsregler (222), der ein PWM-Puls-Pausen-Verhältnis erzeugt, basierend auf einem gewünschten Positionssignal.
  3. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 2, wobei der Addierer (230) das Signal des Vorwärtsreglers zu dem Steuersignal addiert.
  4. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, wobei der PID (224) sich in einem digitalen Signalverarbeitungschip befindet.
  5. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, wobei der PID (224) sich in einem Mikro-Kontroller befindet.
  6. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, wobei die Gleitmodusregelschaltung (226) sich in einem digitalen Signalverarbeitungschip befindet.
  7. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, wobei die Gleitmodusregelschaltung (226) sich in einem Mikro-Kontroller befindet.
  8. Elektronischer Regler (118) nach Anspruch 1, wobei der Addierer (230) sich in einem digitalen Signalverarbeitungschip befindet.
  9. Verfahren zum Steuern einer elektronischen Drossel, umfassend die Schritte: (a) Erzeugen eines ersten Feedback-Terms, welches ein Fehlersignal e kompensiert; (b) Erzeugen eines zweiten Feedback-Terms, welches eine Lösung der Lyapunov-Gleichung beinhaltet, angewendet auf das Fehlersignal, mit einer gleitenden Verstärkung, die durch eine Abschätzung der unbekannten Dynamik angepasst wird, wobei der zweite Feedback-Term nach der Gleichung Ksm × sgn (P11e + P12e' + Pe'') erzeugt wird wobei Ksm die gleitende Verstärkung, P11, P12, P13 eine Lösung der Lyapunov-Gleichung und e' und e'' die Ableitung und die zweite Ableitung des Fehlersignals e sind; und (c) Addieren des ersten Feedback-Terms und des zweiten Feedback-Terms, um so ein elektronisches Drossel-Steuer-Signal zu erzeugen.
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