WO2002061517A1

WO2002061517A1 - Regelungseinrichtung und verfahren zum regeln des dynamischen verhaltens eines rades

Info

Publication number: WO2002061517A1
Application number: PCT/DE2002/000360
Authority: WO
Inventors: Jingsheng Yu
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2002-08-08
Also published as: DE10104600A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung zum Regeln des kinematischen Verhaltens von wenigstens einem Rad (22) eines Fahrzeuges, wobei die Regelungseinrichtung einen Regler (10) aufweist, dem eine Führungsgrösse (w) und eine Rückführgrösse (r) zugeführt wird und der eine Reglerausgangströsse (u) liefert. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Reglerausgansgrösse (u) ein auf das Rad (22) einwirkendes Gesamtmoment (Mab) ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln des Kinamatischen Verhaltens von wenigstens einem Rad (22) eines Führungsgrösse (w) und einer Rückführgrösse (r) zu einem Regler (10), und das Ausgeben einer Regler-ausgangsgrösse (u) aus dem Regler (10) vorsieht. Auch bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist vorgesehen, dass die Reglerausgangsgrösse (u) ein auf das Rad (22) einwirkendes Gesamtmoment (Ma) ist.

Description

Regelungseinrichtung und Verfahren zum Regeln des dynamischen Verhaltens eines Rades

Die vorliegende -Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung zum Regeln des dynamischen Verhaltens von wenigstens einem Rad eines Fahrzeuges, wobei die Regelungseinrichtung einen Regler aufweist, dem eine Führungsgröße und eine Rückführgröße zugeführt wird und der eine Regleraus- gangsgröße liefert. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung -ein Verfahren zum Regeln des kinematischen Verhaltens von wenigstens einem Rad eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren vorsieht: Zuführen einer Führungsgröße und einer Rückführgröße zu einem Regler, und Ausgeben einer Reglerausgangsgröße aus dem Regler.

Stand der Technik

Im Gegensatz zu einer Steuerung, bei der die Einflussnah- rae auf das zu steuernde System ohne Kontrolle der Ä.ufga- bengröße gemäß einem Steuergesetz und im Rahmen -einer Wirkungskette erfolgt, erlaubt eine Regelung den Einfluss unvorhersehbarer Störungen und Parameteränderungen, auf den gewünschten Signalzusammenhang zwischen dem Ist- und dem Sollwert der Regelgröße weitgehend auszuschalten. Die einer Regelungseinrichtung zu Grunde liegende Ai fgabe besteht also allgemein darin, einer Ausgangsgröße eines technischen Systems durch eine Stellgröße ein Sollverhalten, da-s heißt .ein gewünschtes . Verhalten, aufzuprägen, und zwar gegen den Einfluss einer Störgröße,^' die nur unvollständig bekannt ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Regelstrecke, beispielsweise das kinematische Verhalten von wenigstens einem Rad eines Fahrzeuges, laufend beobachtet und die so gewonnene Information wird zur Veränderung der Stellgröße derart verwendet, dass diese trotz der Störgrößeneinwirkung die Ausgangsgröße an den gewünschten Verlauf (Sollverlauf) angleicht.

Zu den gattungsgemäßen Regelungseinrichtungen zählen beispielsweise das Antiblockiersystem (ABS), die Anti- schlupfregelung (ASR) und die Fahrdynamikregelung (FDR) .

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das eine bekannte Regelungseinrichtung zum Regeln des dynamischen Verhaltens eines Rades 22 eines Fahrzeugs zeigt. Diese Regelungseinrichtung kann beispielsweise Bestandteil einer Antischlupfregelung sein. Gemäß Figur 1 wird einem Regler 10 eine Führungsgröße w ^'zugeführt, die im dargestellten Fall durch einen Sollwert für die Winkelgeschwindigkeit gebildet ist. Der Regler 10 erzeugt: ein Reglerausgangssignal u, das ein Bremsmoment Mb angibt, das auf das Rad 22 auszuüben ist, damit die Regelgröße x, das heißt die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22, erreicht wird. Das Reglerausgangssignal u, das das Bremsmoment Mb angibt, wird einem Stellglied zuge- führt, das durch eine Bremsvorrichtung 21 gebildet ist. Die Bremsvorrichtung 21 übt ein entsprechendes Bremsmo^¬ ment Mb auf das Rad 22 aus, wobei der eigentliche Stel- ler, beispielsweise die Hydraulik, in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. um den Regelkreis zu schließen, u fasst eine Messeinrichtung 30 den Istwert der Winkelgeschwindigkeit ω und führt diesen Istwert als Rückführgröße r dem Regler 10 zu. Auf das Rad 22, das gemeinsam mit dem Stellglied 21 die Regelstrecke 20 bildet, wirkt neben dem Bremsmoment Mb auch ein Antriebsmoment Ma, das von einem nicht dargestellten An- • triebsmotor des Fahrzeugs erzeugt wird. Wie dies Figur 1 zu entnehmen ist, geht .das Antriebsmoment Ma gemäß dem Stand der Technik nicht direkt in die Regelung ein, sondern die Wirkung des Antriebsmo ents Ma wird nur indirekt über die Rückführgröße r berücksichtigt.

Allgemein ist es im Zusammenhang mit beispielsweise Antiblockiersystemen, Antischlupfregelungen und Fahrdynamikregelungen bekannt, zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Rades einen Regler zu verwenden, dem als Führungsgröße beispielsweise eine Sollwinkelgeschwindigkeit des Rades zugeführt wird, wobei die dem Regler ebenfalls zugeführte ^■ Rückführgröße dann durch die Istwi.nkel- geschwindigkeit gebildet ist. Der Regler liefert eine Reglerausgangsgröße, die beispielsweise ein Bremsmoment angeben kann, das auf das entsprechende Rad auszuüben ist. Die für die bekannten Systeme verwendeten Regler sind durch Hardware und Software verwirklicht, wobei das die Reglerausgangsgröße bildende Bremsmoment über eine Sammlung von If-Then-Anweisungen ermittelt wird. Das heißt, der Regler ist bei den bekannten Systemen nicht ■ von der Raddynamik abgeleitet, sondern durch die Beobachtung der physkalischen Reaktionen des Fahrzeuges experimentell bestimmt. Da jedoch neben dem Bremsmoinent noch weitere Momente, beispielsweise das von einem Verbrennungsmotor erzeugte Antriebsmoment, auf das Rad wirken, uss der Regler bei den bekannten Systemen ständig den Motorzustand abfragen, beispielsweise die Motordrehzahl, die Abwürgeneigung und dergleichen, da das dynamische Verhalten des Rades anderenfalls nicht hinreichend geregelt werden kann. Diese Vorge ensweise wurde bei den bekannten Systemen gewählt, weil das dynamische Verhalten des Rades eins Fahrzeugs sehr komplex und von Nichtlinea- ritäten geprägt ist. Wenn die Reglerausgangsgröße beispielsweise durch das Bremsmoment gebildet ist, erfolgt die Einstellung des Bremsmoments bei den bekannten Systemen völlig unabhängig vom Antriebsmoment, das heißt, es existiert keine gesetzmäßige Verknüpfung von Bremsmoment und Antriebsmoment.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung zum Regeln des dynamischen Verhaltens von wenigstens einem Rad eines Fahrzeuges vorgesehen ist, dass die Reglerausgangsgröße ein auf das Rad einwirkendes Gesaπttmo- ent ist, können alle das Gesamtmoment bildenden Ei zel- omente bei der Regelung direkt berücksichtigt werden.

Gleiches gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, be i dem ebenfalls vorgesehen ist, dass die Reglerausgangs große ein auf das Rad einwirkendes Gesamtmoment ist. Die folgenden Ausführungen beziehen sich sowohl auf die erfindungsge äße Regelungseinrichtung als auch auf das erfindungsgemäße Verfahren.

Das Gesamtmoment, das die Reglerausgangsgröße bildet, kann ein auf das Rad wirkendes An riebsmoment und ein auf das Rad wirkendes Bremsmoment umfassen. Wenn das auf das Rad wirkende Antriebsmoment bei der Regelung direkt berücksichtigt wird, ist es beispielsweise möglich, auf die beim Stand der Technik erforderlichen Abfragen des Motorzustandes zu verzichten oder diese zumindest deutlich einzuschränken. Der Regler kann dadurch trotz verbesserter Funktion einfacher Aufgebaut werden, wodurch Kosten gesenkt werden können.

Das dynamische Verhalten des Rades wird vorzugsweise über eine sogenannte Regelgröße geregelt. Diese Regelgröße kann beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit des Rades oder die Bahngeschwindigkeit des Rades sein, wobei diese beiden Größen^" bekanntermaßen über eine Konstante verknüpft sind. In einigen Fällen kann es jedoch ebenso sinnvoll sein, andere, das dynamische Verhalten des Rades beschreibende Größen als Regelgröße zu verwenden, beispielsweise die Winkelbeschleunigung des Rades oder die Bahnbeschleunigung des Rades. Allerdings ist die Messung von Beschleunigungsgrößen häufig mit einem höheren Aufwand verbunden.

Die dem Regler zugeführte Rückführgröße, die Infoπαatio- nen über das unbekannte Verhalten von auf das Rad wirkenden Störgrößen enthält, kann ebenfalls die Winkelgeschwindigkeit des Rades oder die Bahngeschwindigkei des Rades sein. Üblicherweise wird die Rückführgröße bei Regelungseinrichtungen entsprechend der Regelgröße gewählt. Die Rückführgröße wird im Allgemeinen über eine geeignete Messeinrichtung erfasst. Eine derartige Mess- einrichtung dient in der Regel nicht zum wertmäßigen Erfassen der Regelgröße, sondern in erster Linie zur Umformung dieser Regelgröße in eine zur weiteren Verarbeitung besser geeignete Größe. Zur weiteren Verarbeitung besonders geeignet sind elektrische Größen, insbesondere die Spannung, da diese nach einer entsprechenden Analog/Digitalwandlung durch geeignete Datenverarbeitungseinrichtungen weiter verarbeitet werden kann. Die Rückführgröße wird mit der Führungsgröße verglichen, die von außen vorgegeben wird und die im allgemeinen proportional zum Sollverlauf ist. Dieser Vergleich von Rückführgröße und Führungsgröße erfolgt allgemein in einem Vergleichsglied, in dem die sogenannte Regeldifferenz gebildet wird. Ist die Rückführgröße eine elektrische Spannung, so gibt man auch die Führungsgröße als elektrische Spannung vor. Die Differenzbildung kann dann in der Eingangsschaltung eines elektronischen Verstärkers erfolgen, wo die Differenzspannung gebildet wird. Selbstverständlich!, ist es ebenfalls möglich, die Differenz digital zu bestimmen, wenn sowohl die Rückführgröße als. auch die Führungsgroße in digitaler Form vorliegen.

Insbesondere wenn die Regelgröße und die Rückführrgröße durch die Winkelgeschwindigkeit des Rades oder die Bahngeschwindigkeit des Rades gebildet' sind, gibt die Füh- rungsgröße vorzugsweise eine Sollwinkelgeschwindi-gkeit oder eine Sollbahngeschwindigkeit an. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ^' eine Bremsvorrichtung und das Rad Bestandteil einer Regelstrecke, und der Bremsvorrichtung wird ein erstes Signal zugeführt, das das Bremsmo- ment angibt. Die Bremsvorrichtung bildet in diesem Fall das Stellglied, das neben dem sogenannten Steller Bestandteil der Stelleinrichtung ist. Die Stelleinrichtung hat insbesondere die Aufgabe, den niedrigen Leistungspegel der Regeldifferenz auf den Leistungspegel der Strecke anzuheben, um bei Abweichungen von Führungsgröße und Rückführgröße, das heißt bei vorhandenen Regeldif erenzen, die Regelgröße an den Sollverlauf anzugleichen.

Insbesondere wenn die Bremsvorrichtung und das Rad Be- standteil der Regelstrecke sind und der Bremsvorrichtung das erste Signal zugeführt wird, das das Bremsmoment angibt, kann die vorliegende Erfindung vorsehen, dass das Gesamtmoment von dem auf -das Rad wirkenden Antriebsmoment Ma und dem auf das Rad wirkenden Bremsmoment Mb wie folgt abhängt:

Mab = Ma - Mb,

und dass das der Bremsvorrichtung zugeführte erste Signal aus der Reglerausgangsgröße u = Mab wie folgt gebildet wird:

Mb = Ma - Mab.

Diese Vorgehensweise basiert auf der Tatsache, das s das Antriebsmoment über ein anderes Stellglied als die Bremsvorrichtung auf das Rad übertragen wird, das Antriebsmo- ment jedoch in dem -vom Regler bestimmten Gesamtmoment enthalten ist.

In vielen Fällen wirkt auf das Rad zumindest zeitweise ein Störmoment, das beispielsweise durch Reibkräfte, Fahrbahnunebenheiten, die Fahrbahnsteigung und dergleichen hervorgerufen wird. Um dieses Störmoment berücksichtigen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Regler • das Gesamtmoment aus einem linearen Momentanteil und einem Störmomentanteil zusammensetzt.

Der lineare Momentanteil kann in diesem Fall von einem Linearregler geliefert werden, der dann Bestandteil des Reglers ist. Als Linearregler kommt beispielsweise ein P-, ein PI- oder ein PID-Linearregler in Beträcht. Ein P- Glied ist ein proportionales Übertragungsglied. Es handelt sich um ein statisches Element, das lediglich eine Verstärkung oder eine Abschwächung des jeweiligen Eingangssignals bewirkt. Das I-Glied ist ein integrierendes Übertragungsglied, das eine zeitliche Integration des Eingangssignals zum Ausgangssignal bewirkt. Bei einem PI- Glied handelt es sich um eine entsprechende Kombination, nämlich um eine Parallelschaltung von einem P- und einem I-Glied. Beim D-Glied, das als solches physika isch- technisch' nicht realisierbar ist, handelt es sich um ein differenzierendes ^• Übertragungsglied, wobei die entsprechende Kombination des PID-Gliedes durch reale Regler jedoch hinreichend approximiert werden kann.

Da die auf das Rad wirkenden Störmomente messtechtnisch schwer oder gar nicht zu erfassen sind, sieht eine bevor- zugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass der Störmomentanteil geschätzt wird.

Zu dieser Schätzung des Störmomentanteils kann beispiels- weise ein sogenannter Zustandsbeobachter verwendet werden. Ein derartiger, dem Fachmann an sich bekannter Zustandsbeobachter hat vereinfacht ausgedrückt die Aufgabe, Schätzwerte für messtechnisch nicht oder nur schwer erfassbare Messgrössen zu erzeugen. Der Grundgedanke be- steht darin, ein mathematisches Modell der Regelstrecke durch eine geeignete Schaltung und/oder geeignete Hard- und Software zu realisieren. Die von dem Regler erzeugte Reglerausgangsgröße wird dann nicht nur der realen Strecke sondern auch dem mathematischen Modell zugeführt, das^' Schätzwerte für die gewünschten Zustandsgrößen beziehungsweise die erforderlichen Messgrößen liefert. Dass durch diese Vorgehensweise lediglich Schätzwerte bereitgestellt werden können, liegt insbesondere daran, dass der reale Anfangszustand der Strecke häufig unbekannt ist, weshalb es in der Regel unmöglich ist, an dem mathematischen Streckenmodell den exakten Anfangszustand einzustellen. Der Entwurf des Zustandsbeobachters kann jedoch derart durchgeführt werden, dass die geschä-tzten Werte gegen die realen Werte konvergieren, so dass die Genauigkeit des geschätzten Störmomentanteils hinreichend hoch ist. Dem Zustandsbeobachter wird das gleiche Signal wie der Strecke zugeführt, wie dies in der Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zustandsbeobachter den Störmomentanteil auf der Grundlage des Gesamtmoments und wenigstens einer kinematischen Rad-Zustands große schätzt. Als kinematische Rad-Zustandsgröße kommen insbesondere die Winkelgeschwindigkeit des Rades oder die Bahngeschwindigkeit des Rades sowie entsprechende zeitliche Ableitungen in Frage.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Dynamik des Rades durch das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben wird. Dabei bezeichnet ω die Winkelgeschwindigkeit des Rades, fι,(ω, Mab) den linearen Anteil des auf das Rad wirkenden Moments und fs(ω, Mab) das gesamte auf das Rad wirkende Störmoment. Diesem mathematischen Modell liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das dynamische Verhalten eines Rades immer als die Summe von zwei Teilen betrachtet werden kann. Der lineare Anteil f_L(ω, Mab) entspricht dabei dem Verhalten eines frei laufenden Ra- des, während das Störmoment f_L(ω, Mab) das komplexe nicht lineare Verhalten des Rades wiederspiegelt . Hier und im folgenden handelt es sich bei den mit einem Punkt gekennzeichneten Größen um die erste Ableitung der entsprechenden Größe nach der Zeit.

Der Zustandsbeobachter kann durch die Gleichung

= Ax + bu

definiert werden. Dabei geben A und b Systemparameter an. Die Reglerausgangsgröße u entspricht dem auf das Rad auszuübenden Gesamtmoment Mab Der Zustandsvektor ist durch x = [ώ, ήs]^τ gegeben, wobei dieser Zustandsvektor die geschätzte Winkelgeschwindigkeit ώ des Rades und eine weitere Zustandsgröße ήs enthält, die später erläutert wird. Bei der genannten Gleichung handelt es sich um eine der allgemeinen Form nach dem Fachmann bekannte Vektordifferenzialgleichung, die üblicherweise bei der Beschreibung dynamischer Systeme mit Hilfe von Zustands- größen verwendet wird . Bezüglichen der näheren mathematischen Zusammenhänge wird daher auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen .

Den Bestandteil ήs des Zustandsvektors erhält man, indem der Störmomentanteil f_s (ω, Mab) neben ω als weitere Zustandsgröße definiert wird . Die Differentiation von ήs wird dabei vorzugsweise durch ein lineares Modell ersetzt, um die mathematische Auswertung zu - erleichtern . Diese Approximation ist gültig, da während einer re lativ kurzen maximalen Schätzungszeit von beispielsweise 1 00 ms stets ein linearer Verlauf angenommen werden kann .

Eine weitere Möglichkeit zum Angeben des auf das Rad wirkenden Störmoments sieht ebenfalls vor, dass die Dynamik des Rades durch das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben wird, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rades (22), fι(ω, Mab) ^'den bekannten linearen Anteil des auf das Rad wirkenden Moments und fs(ω_r Mab) das gesamte auf das Rad wirkende Störmoment angibt, und dass ώ zur Bestimmung von f_s(ω, Mab) gemessen wird. Allerdings verursacht die Messung vom ώ in der Praxis häufig Probleme, die beispielsweise durch Messrauschen und Filterungen verursacht werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Reglerrealisierung vereinfacht werden kann, da die Störgrößen nicht wie bis jetzt durch IF-THEN Anweisungen abgefragt werden, sondern insgesamt automatisch geschätzt werden. Somit sind die Parametereinstellungen auch stark reduziert.

Dem Fachmann ist klar, dass die verschiedenen Ausfü - rungsformen der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Weise verwirklicht werden Können. Beispielsweise wird bevorzugt, den gesamten Regler oder Teile des Reglers durch entsprechende Hard- und Software zu verwirklichen. Insbesondere in diesem Fall kann eine zeitdiskrete Regelungseinrichtung geschaffen werden, die mit relativ geringem Aufwand an verschiedene Fahrzeugtypen angepasst werden kann. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, auf analoge Schaltungskomponenten zurückzugreifen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer zum Stand der Technik zählenden Regelungseinrichtung zum Regeln des dynamischen Verhaltens von einem Fahrzeugr ad; Figur 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinrich- tung;

Figur 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung;

Figur 4 ein Blockschaltbild einer Regelstrecke mit zugehörigem Zustandsbeobachter;

Figur 5 die Kurvenverläufe für eine Antischlupfregelung gemäß dem Stand der Technik; und

Figur 6 die Kurvenverläufe für eine Antischlupfregelung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 2 ist ein Blockschaltbild, das eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtu g zum Regeln des kinematischen Verhalten eines Rades 22 eines Fahrzeugs zeigt. In Figur 2 wird einem Regler 10 eine Führungsgröße w zugeführt, die gemäß Figur 2 durch einen Sollwinkelgeschwindigkeitswert ω_s gebildet ist. Im unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Stand der Technik liefert der Regler 10 eine Reglerausgangsgröße u_r die durch ein Gesamtmoment Mab gebildet ist. Dieses Gesamtmoment Mab -hängt von dem auf das Rad 22 wirkenden Antriebs- moment Ma und dem auf das Rad 22 wirkenden Bremsmoment Mb wie folgt ab:

Mab = Ma - Mb.

Das Antriebsmoment Ma wird dabei von einem in Figur 2 nicht dargestellten Antriebsmotor des Fahrzeugs erzeugt. Das auf das Rad 22 wirkende Antriebsmoment Ma ist entweder bekannt, beispielsweise über eine Motorsteuerung oder -regelung, oder es wird über eine geeignete, in Figur 2 mit 40 bezeichnete Messeinrichtung erfasst. Eine Bremsvorrichtung 21 bildet das Stellglied und erzeugt das Bremsmoment Mb, das auf das Rad 22 wirkt. Die Bremsvorrichtung 21 und das Rad 22 bilden gemeinsam die Regel- strecke 20. Die Regelgröße x ist gemäß Figur 2 durch die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 gebildet. Eine Messeinrichtung 30 erfasst die aktuelle Winkelgeschwindigkeit ω des- Rades 22 und führt diese -als Rückführgröße r dem Regler 10 zu. Da in der Reglerausgangsgröße u = Mab das Antriebsmoment Ma berücksichtigt ist, muss das dem Stellglied beziehungsweise der Bremsvorrichtung 21 zugeführte Bremsmoment über die Beziehung

Mb = Ma -Mab

bestimmt werden. Zu diesem Zweck ist ein Subtrahier er 50 vorgesehen, der die entsprechende Rechenoperation durchführt. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass die hier und im Folgenden einzeln beschrie- benen Komponenten, beispielsweise der Subtrahieren 50, nicht zwingend einzelne Schaltungskomponenten sind, sondern beispielweise zusammen mit dem Regler 10 durch ge- eignete Hard- und Software verwirklicht werden können. Das in diesem Sinn von dem Subtrahierer 50 berechnete Bremsmoment Mb wird über ein geeignetes Signal dem Stellglied 21 zugeführt. Dieses Stellglied 21 übt dann ein entsprechendes Bremsmoment Mb auf das Rad 22 aus.

Obwohl dies in Figur 2 nicht dargestellt ist, ist es dort, wie auch in allen anderen Fällen, problemlos möglich, anstelle der Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 eine -andere Größe als Regelgröße x, Rückführgröße r und Führungsgröße w zu verwenden, solange sich das dynamische Verhalten des Rades 22 durch diese Größe hinreichend beschreiben lässt.

Figur 3 ist ein Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung darstellt. Gemäß Figur 3 bilden wiederum ein Rad 22 eines Fahrzeuges und ein Stellglied in Form einer Bremsvorrichtung 21 die Regelstrecke 20. Als Regelgröße x dient auch bei dieser Ausführungsform die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22. Die Regelgröße x = ω wird über eine geeignete Messeinrichtung 30 erfasst und in ein Signal, beispielsweise eine Spannung, umgeformt, die zur Weiterverarbeitung als Rückführgröße r geeignet ist. Auch im in Figur 3 dargestellten Fall wird die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 als Rückführgröße r einem insgesamt mit 10 bezeichneten Regler zugeführt. Diesem Regler 10 wird weiterhin eine Führungsgröße w zugeführt, die durch einen Sollwinkelgeschwindigkeitswert ω_s gebildet ist. Auf das Rad 22 kann neben einem durch die Bremsvorrichtung 21 erzeugten Bremsmoment Mb weiterhin ein Antriebsmoment Ma wirken, das von einem nicht dargestellten Antriebs-motor des Fahrzeugs erzeugt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem das Reglerausgangssignal das Bremsmoment Mb ist, gibt der Regler 10 gemäß Figur 3 als Reglerausgangssignal u ein Gesamtmoment Mab aus, das auf das Rad ^'22 auszuüben ist, um die Sollwinkelgeschwindigkeit ω zu erhalten. Dieses Gesamtmoment Mab hängt dabei wieder über die Beziehung

Mab = Ma - Mb

von dem auf das Rad 22 wirkenden Antriebsmoment Ma und dem auf das Rad 22 wirkenden Bremsmoment Mb ab. Eine derartige Wahl der Reglerausgangsgröße u ist vorteilhaft, weil das auf das Rad 22 wirkende Antriebsmoment Ma über die Rückführgröße r = ω mit erfasst wird. Allerdings kann diese Reglerausgangsgröße u = Mab nicht direkt der Bremsvorrichtung 21 zugeführt werden, sondern ein Subtrahierer 50 muss auch bei dieser Ausführungsform das Brems- moment Mb zunächst über die Beziehung

Mb = Ma Mab

Bestimmen. Das Antriebsmoment Ma ist entweder bekannt, beispielsweise über die Motorsteuerung, oder es wird über eine geeignete Messeinrichtung 40 erfasst und in ein geeignetes Signal umgewandelt. Insoweit entspricht die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Regelungseinrichtung der Ausführungsform von Figur 2.

Gemäß Figur 3 wirkt jedoch auf das Rad 22 weiterhin ein Störmoment Ms, das beispielsweise durch Reibungskräfte, Fahrbahnunebenheiten oder die Fahrbahnsteigung verursacht werden kann. Auch dieses Störmoment, das nichtlinear sein kann, wird von der in Figur 3 dargestellten Regelungseinrichtung berücksichtigt. Zu diesem Zweck muss das dynamische Verhalten des Rades 22 näher untersucht werden. Es 5 hat sich gezeigt, dass dieses dynamische Verhalten des Rades 22 immer als die Summe von zwei Teilen betrachtet werden kann: Ein einem freilaufenden Rad entsprechendes lineares Verhalten und ein komplexes nichtlineares Verhalten. Ausgehend von dieser Überlegung kann die Dynamik 10 des Rades 22 durch das Modell

ώ = fι,(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben werden, wobei fι(ω, Mab) den linearen Anteil

15 des auf das Rad 22 wirkenden Moments und f_s(ω, Mab) das gesamte auf das Rad 22 wirkende Störmoment angibt. Bei- dem in Figur 3 dargestellten Regler 10 wird der lineare Momentanteil Ml von einem Linearregler 11 geliefert. Zu diesem Zweck subtrahiert ein - Subtrahierer 13 von dem als

20 Führungsgröße zugeführten Sollwinkelgeschwindigkeitswert ω_s den zurückgeführten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 und erzeugt so eine Regeldifferenz e. Diese Regeldifferenz e wird dem Linearregler 11 zugeführt, der beispielsweise ein P-, PI- oder PID-Linearregler sein

25 kann. Das gesamte auf das Rad 22 wirkende Störmoment Ms ist messtechnisch nur schwer oder gar nicht zu erfassen. Daher umfasst der Regler 10 gemäß Figur 3 einen Zustandsbeobachter 12, dem sowohl das Gesamtmoment Mab als auch die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 zugeführt wird.

30. Der Zustandsbeobachter 12 liefert einen geschätzten Störmomentanteil Ms. Um das Gesamtmoment Mab als Regleraus- gangsgröße u zur Verfügung zu stellen, addiert ein Äddie- rer 14 den von dem Linearregler 11 gelieferten linearen Momentanteil Ml mit dem vom Beobachter geschätzten Störmomentanteil Ms. Dadurch wird das auf Rad wirkende Störmoment kompensiert.

Figur 4 ist ein- Blockschaltbild, das eine mögliche Aus- führungsform für den Zustandsbeobachter 12 zeigt. Auf das Rad 22 wirkt ein Antriebsmoment Ma, das von einem nicht dargestellten Antriebsmotor erzeugt wird. Weiterhin wirkt ein Störmoment Ms auf das Rad 22, wobei das Störmoment Ms beispielsweise durch Reibkräfte, Fahrbahnunebenheiten oder die Fahrbahnsteigung erzeugt werden kann. Hier und in allen anderen Fällen können selbstverständlich auch andere Einflüsse in das Störmoment Ms eigehen. Ein Stell- glied in Form einer Bremsvorrichtung 21 erzeugt ein Bremsmoment Mb, das ebenfalls auf das Rad 22 wirk. Ein in Figur 4 nicht dargestellter Regler liefert eine Reglerausgangsgröße u, die ein Gesamtmoment Mab angibt, das von dem auf das Rad 22 wirkenden Antriebsmoment Ma und dem auf das Rad 22 wirkenden Bremsmoment Mb gemäß der Beziehung

Mab = Ma - Mb

abhängt. Das Gesamtmoment Mab sowie das Antriebsmoment Ma werden einem Subtrahierer 50 zugeführt, der über die Beziehung

Mb = Ma - Mab das Bremsmoment Mb liefert, das der Bremsvorrichtung 21 zugeführt wird. Die Dynamik des Rades 22 wird über das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben, wobei fι,(ω, Mab) den linearen Anteil des auf das Rad 22 wirkenden Moments und fs(co, Mab) das gesamte auf das Rad 22 wirkende Störmoment angibt . Die Regelgröße x ist im dargestellten Fall die Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22. Die Regelgröße x wird durch eine geeignete Messeinrichtung 30 erfasst, die dem Zustandsbeobachter 12 die aktuelle Winkelgeschwindigkeit des Rades 22 liefert. Auch die Reglerausgangs- große u = Mab wird dem Zustandsbeobachter 12 zugeführt. Im dargestellten Fall ist der Zustandsbeobachter 12 durch die Gleichung

x = Ax + bu

definiert. Sowohl die Matrix A als auch der Parameter b geben dabei Systemparameter an. Der Zustandsvektor ^'hat die Form x = [ώ, ή_s]^τ. Dabei ist ώ die geschätzte Winkelgeschwindigkeit des Rades 22 und ή_B ist eine weitere Zustandsgröße, die über den Störmomentanteil f_s(ω, Mab) definiert wird. Bei dem in Figur 4 dargestellten Fall ist vorgesehen,^' dass die Differentiation von ήs durch ein lineares Modell ersetzt wird, um die Berechnung zu vereinfachen. Diese Linearisierung ist insbesondere für kurze Schätzungszeitintervallen von beispielsweise 100 ms gültig. Aus der Zustandsgröße ήs lässt sich der: geschätzte Störmomentanteil fs in bekannter Weise wiederge- winnen, wobei hinsichtlich der genauen mathematischen Zusammenhänge auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird. Obwohl der Zustandsbeobachter 12 nur einen Schätzwert f_s für den Störmomentanteil fs(ω, Mab) lie- fert, konvergiert dieser Schätzwert mit zunehmender Zeit gegen den tatsächlichen Störmomentanteil fs(ω, Mab), so dass insgesamt eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden kann.

Figur 5 zeigt die über der Zeit aufgetragenen Kurvenverläufe für eine Antischlupfregelung gemäß dem Stand der Technik für ein Rad auf einer μ-Splitt-Strasse . Dabei zeigt die mit 120 bezeichnete Kurve das auf das Rad 22 wirkenden Antriebsmoment Ma, das von dem Antriebsmotor des Fahrzeuges erzeugt wird. Die mit 130 bezeichnete Kurve zeigt das Bremsmoment Mb, das von der Bremsvorrichtung 21 auf das Rad 22 übertragen wird. Die mit 140 bezeichnete Kurve zeigt die Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit, die proportional ^• zur Führungsgröße w=ω_s ist. Die mit 150 gekennzeichnete Kurve zeigt den Bremsdruck und die mit 170 gekennzeichnete Kurve zeigt die Radgeschwindigkeit, die proportional zur tatsächlichen Winkelgeschwindigkeit ω des Rades 22 ist.

Weiterhin zeigt die Kurve 110 die von einem Zustandsbeobachter 12 geschätzten Störmomente Ms und die Kurve 160 zeigt die von dem Zustandsbeobachter 12 geschätzte Radgeschwindigkeit. Diese vom Zustandsbeobachter 12 geschätzten Werte sind jedoch bei der Regelung gemäß Figur 5 nicht verwendet worden, sondern nur zur Veranschaulichung dargestellt. Den Kurvenverläufen von Figur 5 ist zu entnehmen, dass das Rad 22 ungefähr zum Zeitpunkt t=121,5s einen unerwünschten Schlupf aufweist. Auf diesen Schlupf reagiert der bekannte Regler mit einem Aufbau des Bremesmoments Mb, wobei ein entsprechender Bremsdruck erzeugt wird. Ungefähr zum Zeitpunkt t=124s ist die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht.

Figur 6 zeigt die entsprechenden Kurvenverläufe für eine Antischlupfregelung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Regeleinrichtung prinzipiell einen Aufbau entsprechend den Figuren 3 und 4 mit einem P-Linearregler 11 und einem Zustandsbeobachter 12 aufwies. Die Bezeichnung der Kurven entspricht denen von Figur 5, wobei in Figur 6 eine weitere Kurve 180 die vorgegebene Radgeschwindigkeit bezeichnet .

Ebenso wie Figur 5 betrifft auch 'Figur 6 eine Antischlupfregelung für ein Rad auf einer μ-Splitt-Str asse, und es ist zu erkennen, dass das Rad 22 ungefähr: zum Zeitpunkt t=21s einen Schlupf aufweist. Auf diesen Schlupf reagiert die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung, indem die Bremsvorrichtung 21 ein entsprechendes Bremsmoment Mb aufbaut. Im Unterschied zu der Regelung gemäß Figur 5 wird bei der erfindungsgemäßen Regelung gemäß Figur 6 jedoch auch das Motorantriebsmoment Ma bei der Regelung direkt berücksichtigt und die Störmomente Ms werden kompensiert. Ungefähr zum Zeitpunkt t=22,5s ist die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung sind nur zu illust rati- ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene^' Änderung und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche

1. Regelungseinrichtung zum Regeln des dynamischen Verhaltens von wenigstens einem Rad (22) eines Fahrzeuges, wobei die Regelungseinrichtung einen Regler (10) aufweist, dem eine Führungsgröße (w) und eine Rückführgröße (r) zugeführt wird und der eine Reglerausgangsgröße (u) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerausgangsgröße (u) ein auf das Rad (22) einwirkendes Gesamtmoment (Mab) ist.

2. Regelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge enn- zeichnet, dass das Gesamtmoment (Mab) ein auf das Rad

(22) wirkendes Antriebsmoment (Ma) und ein auf das Rad (22) wirkendes Bremsmoment (Mb) umfasst.

3. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische

Verhalten des Rades (22) über eine Regelgröße (x) geregelt wird, und dass die Regelgröße (x) die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rades (22) oder die Bahngeschwindigkeit (v) des Rades (22) ist.

4. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführrgröße (r) die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rades (22) oder die Bahngeschwindigkeit (v) des Rades (22) ist.

5. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgroße

(w) eine Sollwinkelgeschwindigkeit (ω_s) oder eine Soll- bahnschwindigkeit (v_s) angibt.

6. Regelungseinrichtüng nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung (21) und das Rad (22) Bestandteil einer. Regelstrecke (20) sind, und dass der Bremsvorrichtung (21) ein erstes Signal zugeführt wird, das das Bremsmoment '(Mb) angibt.

7. Regelungseinrichtung nach einem -der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmoment

(Mab) von dem auf das Rad (22) wirkenden Antriebsmoment

(Ma) und dem auf das Rad (22) wirkenden Bremsmoment (Mb) wie- folgt abhängt: Mab = Ma - Mb, und dass das ^■ der

Bremsvorrichtung (21) zugeführte erste Signal aus der

Reglerausgangsgröße (Mab) wie folgt gebildet wird:

Mb = Ma - Mab.

8. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Rad (22) zumindest zeitweise ein Störmoment (Ms) wirkt, und dass der Regler (10) das Gesamtmoment (Mab) aus einem linearen Momentanteils (Ml) und einem Störmomentanteil (Ms) zu- sammensetzt.

9. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Momentanteil (Ml) von einem Linearregler (11) geliefert wird, der Bestandteil des Reglers (10) ist.

10. Regelungseinrichtung nach - einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearregler

(11) ein P-, PI- oder PID-Linearregler ist.

11. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störmomentanteil (Ms) geschätzt wird.

12. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte

Störmomentanteil (Ms) von einem Zustandsbeobachter (12) geliefert wird.

13. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (12) den Störmomentanteil (Ms) auf der Grundlage des Gesamtmoments (Mab) und wenigstens einer kinematischen Rad-Zustandsgröße schätzt.

14. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynami des Rades (22) durch das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_Ξ(ω, Mab)

beschrieben wird, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rades (22), fι,(ω, Mab) den linearen Anteil des auf das Rad wirkenden Moments und fs(ω, Mab) das gesamte auf das Rad wirkende Störmoment angibt.

15. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (12) durch die Gleichung

x = A + bu

definiert wird, wobei A und b Systemparameter angeben, u das auf das Rad (22) wirkende Gesamtmoment Mab angibt und = [ώ, ήs]¹ der Zustandsvektor ist, der die geschätzte Winkelgeschwindigkeit ώ des Rades (22) und eine weitere Zustandsgröße ήs enthält.

16. ^'Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störmomentanteil f$(ω, Mab) als weitere Zustandsgröße ήs definiert wird, und dass die Dif erentiation von ήs durch ein lineares Modell ersetzt wird.

17. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Dynamik des Rades (22) durch das Modell

ω f_L(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben wird, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rades (22), fι,(ω, Mab) den bekannten linearen Anteil des auf das Rad wirkenden Moments und f_s(ω, Mab) das gesamte auf das Rad wirkende Störmoment angibt, und dass ύ> zur Bestimmung von f_Ξ(ω, Mab) gemessen wird.

18. Verfahren zum Regeln des kinematischen Verhaltens von wenigstens einem Rad (22) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren vorsieht:

- das Zuführen einer Führungsgröße (w) und einer Rückführgröße (r) zu einem Regler (10) , und

- das Ausgeben einer Reglerausgangsgröße (u) aus dem. ^' Regler (10),

dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerausgangsgröße (u) ein auf das Rad (22) einwirkendes Gesamtmoment (Mab) ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmoment (Mab) ein auf das Rad (22) wirkendes Antriebsmoment (Ma) und ein auf das Rad (22) wirkendes Bremsmoment (Mb) umfasst.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Verhalten des Rades

(22) über eine Regelgröße (x) geregelt wird, und dass die Regelgröße (x) die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rades

(22) oder die Bahngeschwindigkeit (v) des Rades (22) ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführgröße (r) die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Rades (22) oder die Bahngeschwindigkeit (v) des Rades (22) ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeich.net, dass die Führungsgröße (w) eine Sollwin- kelschwindigkeit (ω_s) oder eine Sollbahngeschwindigkeit (v_s) angibt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung (21) und das Rad (22) Bestandteil einer Regelstrecke (20) sind, und dass der Bremsvorrichtung (21) ein erstes Signal zugeführt wird, das das Bremsmoment (Mb) angibt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtmoment (Mab) von dem auf das Rad (22) wirkenden Antriebsmoment (Ma) und dem auf das Rad (22) wirkenden Bremsmoment (Mb) wie folgt abhängt: Mab = Ma - Mb, und dass das der Bremsvorrich- ^' tung (21) zugeführte erste Signal aus der Reglerausgangsgröße (Mab) wie folgt gebildet wird: Mb = Ma - Mab.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, da.durch gekennzeichnet, dass auf das Rad (22) zumindest zeitweise ein Störmoment (Ms) wirkt, und dass der Regler (10) das Gesamtmoment (Mab) aus einem linearen Momentanteils (Ml) und einem Störmomentanteil (Ms) zusammensetzt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Momentanteil (Ml) von einem Linearregler (11) geliefert wird, der Bestandteil des Reglers (10) ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearregler (11) ein P- , PI- oder PID-Linearregler ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Störmomentanteil (Ms) geschätzt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Störmomentanteil (Ms) von einem Zustandsbeobachter (12) geliefert wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (12) den Störmomentanteil (Ms) auf der Grundlage des Gesamtmoments (Mab) und wenigstens einer kinematischen Rad- Zustandsgrσße schätzt.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, da.durch gekennzeichnet, dass die Dynamik des Rades (22) durch das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_Ξ(ω, Mab)

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (12) durch die folgende Gleichung

x Ax + bu definiert wird, wobei A und b Systemparameter angeben, u das auf das Rad (22) wirkende Gesamtmoment Mab angibt und x = [ώ, ήs] der Zustandsvektor ist, der die geschätzte Winkelgeschwindigkeit ώ des Rades (22) und eine weitere Zustandsgröße ήs enthält.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Störmomentanteil f_s(ω, Mab) als weitere Zustandsgröße ήs definiert wird, und dass die Differentiation von ήs durch ein lineares Modell ersetzt wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Dynamik des Rades (22) durch das Modell

ώ = f_L(ω, Mab) + f_s(ω, Mab)

beschrieben wird, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rades (22), f (ω, Mab) den bekannten linearen Anteil des auf das Rad wirkenden Moments und fs(ω, Mab) das gesamte auf das Rad wirkende Störmoment angibt, und dass ώ zur Bestimmung von fs(ω, Mab) gemessen wird.