WO2013064541A1 - Reglerstruktur - Google Patents

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WO2013064541A1
WO2013064541A1 PCT/EP2012/071570 EP2012071570W WO2013064541A1 WO 2013064541 A1 WO2013064541 A1 WO 2013064541A1 EP 2012071570 W EP2012071570 W EP 2012071570W WO 2013064541 A1 WO2013064541 A1 WO 2013064541A1
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static
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AVL List GmbH
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    • F02D2041/1431—Controller structures or design the system including an input-output delay

Definitions

  • the invention relates to a controller structure, in particular for a motor control system for vehicles, with functional units designed as a modular system, wherein a plurality of functional units can be combined into one unit via software interfaces.
  • DE 42 39 711 AI describes a method and an apparatus for controlling a vehicle, with at least two subsystems, one of which is a motor control system.
  • a uniform interface to the engine control system is provided which reduces cross-coupling between the subsystems and allows for independent application and mastering of each subsystem.
  • the known controller structures relate to a modularization of controller structures formed by hardware components.
  • the calculation steps within the controller structure is generally - due to a "grown" structure - monolithically constructed with corresponding stepwise improved controller software.
  • Feedforward control, feedback control, anti-windup and possibly dead time compensation are combined in today's applications in engine control units and strongly intertwined. This circumstance makes gradual parameterization and testing difficult.
  • the object of the invention is to facilitate maintainability, testability and parameterizability, in particular of automatic control circuits.
  • the controller structure has as functional units at least one static pilot module and at least one module from the group of dynamic pilot module, feedback control module, anti-windup module and dead time compensation module.
  • the entire controller structure is thus built up by special software-based submodules.
  • the software interfaces are designed so that individual modules can also be omitted.
  • the static pilot module may have at least one input for at least one instantaneous operating point, at least one first output for at least one static actuator value dependent on the current operating point, and at least one second output for at least one corresponding necessary static setpoint, wherein the static pilot module is configured to provide at least one static setpoint and at least one corresponding necessary static actuator value depending on the current operating point to determine.
  • the static pilot control module supplies the static setpoint values that depend on the current operating point and the corresponding static required stator values.
  • the dynamic pre-control module may have at least one first input for at least one static actuator value, at least one second input for at least one static nominal value, at least one first output for at least one dynamic actuator value, and at least one second output for at least one filtered sensor value, wherein the dynamic pre-control module is designed to determine from at least one static actuator value and at least one static setpoint at least one dynamic actuator value and at least one filtered sensor value.
  • the dynamic feedforward module thus provides a filtered sensor value which, in the ideal case, corresponds to the output of the link when the corresponding dynamic actuator values act at the line input.
  • the dynamic precontrol can also include a part for disturbance compensation.
  • the feedback control module advantageously has at least one first input for at least one dynamic actuator value, at least one second input for at least one filtered nominal value, at least one third input for at least one corrected sensor value and at least one output for at least one infinite actuator signal the feedback control module is adapted to provide, in the event of a deviation between the expected filtered sensor value and a corrected sensor value, an infinite actuator signal composed of a current pilot value and a feedback portion for correcting the deviation.
  • the control module allows a static accuracy, even if unknown disturbances act on the track or the track behavior deviates from the nominal behavior.
  • the output signal consists of the instantaneous pilot control value extended by the feedback component for correcting the deviation.
  • an observer as part of the feedback controller can improve the behavior of the feedback control.
  • the anti-windup module has at least one first input for at least one indefinite actuator signal, at least one second input for at least one time-compensated sensor value, at least one third input for at least one actuator limit, at least one first output for a limited actuator signal and at least a second output for at least one corrected actuator value, wherein the anti-windup module is formed from at least one unlimited actuator signal, at least one actuator limit and at least one dead time compensated sensor value, at least a limited actuator value and at least one corrected by the proportion of the actuator limit sensor value to investigate.
  • the anti-windup module essentially prevents the unlimited increase of the integrator part in the regulator, which is caused by actuator limitations.
  • the infinite actuator signal and the actuator limits together with the dead-time compensated sensor values represent the inputs.
  • the limited actuator values and the sensor value corrected by the proportion of the actuator limit constitute the outputs of the anti-windup module.
  • the dead time compensation module has at least one first input for at least one sensor variable and at least one first output for at least one dead time compensated sensor value, wherein the dead time compensation module is designed to be preferably after Principle of the Smith predictor from at least one sensor size to determine at least one dead time compensated sensor value.
  • the structure of a Smith predictor is described, for example, in "Rapid Control Prototyping", Abel D., Bolling A., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006.
  • the dead time Kompenstations module may further comprise at least a second input and at least a second output for at least a limited actuator value, preferably the dead time Kompenstations module is designed to pass through the limited whilrwert unchanged.
  • the dead-time compensation in the dead-time compensation module improves the control loop behavior in the presence of known dead times in the track.
  • the actuator signal is not changed, but the sensor sizes are corrected according to the principle of the so-called "Smith predictor". The invention is explained in more detail below with reference to FIG.
  • the Fig. shows a controller structure RS with multiple controller modules connected to a total controller.
  • G denotes the route to be controlled.
  • the controller structure RS relates to the controller core. This means that from the perspective of the controller core, sensors and actuators are counted to the distance G, with a subordinate position control is assumed.
  • the controller algorithm R represents a part of the control software.
  • U are the controller values, y the sensed sensor values.
  • the evaluation of the control algorithm R takes place cyclically and the control is thus time-discrete.
  • tuning parameters are designated parameters which remain open and can be changed until the end of parameterization of the controller as superordinate setting parameters or design degrees of freedom, without requiring an adaptation of the other controller parameters.
  • in operation here refers to Operation during, for example, a motor calibration (application) in which the final controller settings are worked out and tested.
  • the controller structure RS of the overall controller includes the following modules and their interfaces:
  • the static pilot control module R ffs supplies the static setpoint values r s dependent on the instantaneous operating point z and the corresponding necessary static adjuster values u s .
  • the dynamic pilot module Rff d supplies a filtered setpoint value y ff (corresponds to the expected sensor value), which in the ideal case corresponds to the output of the path G, if the corresponding dynamic actuator values u ff act on the line input.
  • the dynamic pre-control module Rffd may also include a part for disturbance compensation.
  • the feedback control module R fb allows static accuracy, even if unknown disturbances affect the track G or if the track behavior deviates from the nominal behavior.
  • the infinite actuator value u c forming the output signal consists of the instantaneous pilot control value Udff extended by a feedback component for correcting the deviation.
  • an observer as part of the feedback control module R fb can improve the behavior of the control.
  • the anti-windup module R aw essentially prevents the unlimited growth of the integrator part in the controller, which is caused by actuator limitations.
  • the dead time compensation module R de i improves the control loop behavior in the presence of dead times in the distance G.
  • the actuator signal u sat is not changed, but the sensor quantities y are corrected according to the Smith predictor principle to the time-compensated sensor value y nb .
  • the path to be controlled G is in this case a multi-size system.
  • the principle can be used for single as well as for multi-variable control.
  • the signals at the module interfaces are vector-valued signals of the same order.
  • the sequence of the series connection of the individual modules plays a decisive role in the overall behavior of the control loop. Changing the order generally has a negative effect on the properties of the control loop. The order of the individual modules can thus not be reversed.
  • Output Calculation of an output as a function of the inputs and the internal states and update: Updating of the respective internal states depending on the inputs.
  • the calculation of the new actuator signal u sa t (limited actuator value) of the total controller requires a certain order of the output calculations of the modules on the basis of the penetration terms in the modules. This calculation order is not unique.
  • anti-windup module R aw For selected modules (for example, anti-windup module R aw ), it is also possible to perform implementations with delayed input values, which becomes necessary if the order of computation can not be met due to the higher-order software architecture. In most cases, additional storage elements are necessary in these cases.
  • the controller structure RS supports the omission of single or multiple modules, as well as the replacement of different implementations of a module.
  • An overall regulation can, but need not, contain individual modules.
  • Requirements for the overall control can be broken down into individual requirements for modules. Certain requirements can be fulfilled by activating, deactivating or adding modules.
  • the parameterization can be done sequentially - in contrast to a simultaneous or iterative parameterization of the entire control. This reduces the effort of the parameterization.
  • the parameters and modules are better assignable to specific requirements. This plays a major role in the creation of tests (and their reusability) and in the security of the software.
  • the standardized modules allow grouping of the calculation rules of the control, resulting in significant advantages in the creation, maintenance, testing, adjustment and operation of the control.
  • the interfaces are designed so that individual modules can be omitted.
  • the controller structure RS finds particular application in the implementation of a discrete control on an electronic control unit of a vehicle, where the corresponding calculation rule is performed cyclically.
  • a concrete example of a controller structure is the air path control of a diesel engine. This is located on an engine control unit. There, the turbocharger actuator and the exhaust gas recirculation flap are regulated in such a way that two time-variable target values are reached as well as possible at any time. But other regulations of internal combustion engines can serve as an example: For example, the control of the combustion center of gravity (alternative diesel combustion), or the lambda control in gasoline engine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Reglerstruktur (RS), insbesondere für eine Motorsteuerung für Fahrzeuge, mit als modulares System ausgebildeten Funktionseinheiten, wobei mehrere Funktionseinheiten über Schnittstellen zu einer Einheit zusammenfassbar sind. Um die Wartbarkeit, Testbarkeit und die Parametrierbarkeit zu verbessern, ist vorgesehen, dass die Reglerstruktur (RS) als Funktionseinheiten zumindest ein statisches Vorsteuermodul (Rffs) und zumindest ein Modul aus der Gruppe dynamisches Vorsteuermodul (Rffd), Rückführ-Regelungs-Modul (Rfb), Anti-Windup-Modul (Raw) und Totzeit-Kompensations-Modul (Rdel) aufweist.

Description

Reglerstruktur
Die Erfindung betrifft eine Reglerstruktur, insbesondere für eine Motorsteuerung für Fahrzeuge, mit als modulares System ausgebildeten Funktionseinheiten, wobei mehrere Funktionseinheiten über Software-Schnittstellen zu einer Einheit zusammenfassbar sind.
Aus der EP 1 950 096 Bl ist es bekannt, Funktionseinheiten als modulares System auszubilden, wobei die Funktionseinheiten über mechanische und elektrische Schnittstellen zu einer stabilen Einheit zusammenfassbar sind .
Weiters ist es aus der DE 10 2006 005 557 AI bekannt, einen Kontroller für ein Fahrzeug mit verschiedenen Teilmodulen auszuführen.
Die DE 42 39 711 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeuges, mit zumindest zwei Teilsystemen, von denen eines ein Motorsteuersystem ist. Dabei wird eine einheitliche Schnittstelle zum Motorsteuerungssystem hin zur Verfügung gestellt, welche Querkoppelungen zwischen den Teilsystemen verringern und eine unabhängige Applikation und Beherrschung jedes Teilsystems erlaubt.
Die bekannten Reglerstrukturen betreffen eine durch Hardwarekomponenten gebildete Modualisierung von Reglerstrukturen. Die Berechnungsschritte innerhalb der Reglerstruktur ist im Allgemeinen - aufgrund einer "gewachsenen" Struktur - mit entsprechend schrittweise verbesserter Reglersoftware monolithisch aufgebaut.
Vorsteuerung, Rückführregelung, Anti-Windup und eventuell Totzeitkompensation sind in heutigen Anwendungen in Motorsteuergeräten kombiniert und stark verflochten. Dieser Umstand erschwert eine schrittweise Parametrierung sowie das Testen erheblich.
Speziell bei Mehrgrößenreglungen führt dies zu einem enorm hohen Aufwand bei Änderungen im Regelalgorithmus, da die Regelung als Ganzes betroffen ist. Ver- sionierung, Komponententest, sowie Betriebsmodenumschaltungen werden erheblich nachteilig von einer nichtmodularen Softwarestruktur beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung ist es, Wartbarkeit, Testbarkeit und Parametrierbarkeit insbesondere automotiver Regelkreise zu erleichtern. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Reglerstruktur als Funktionseinheiten zumindest ein statisches Vorsteuermodul und zumindest ein Modul aus der Gruppe dynamisches Vorsteuermodul, Rückführ-Regelungs-Modul, Anti- Windup-Modul und Totzeit-Kompensations-Modul aufweist.
Die gesamte Reglerstruktur wird somit durch spezielle softwarebasierte Teilmodule aufgebaut. Die Software-Schnittstellen sind derart gestaltet, dass einzelne Module auch weggelassen werden können.
Das statische Vorsteuermodul kann zumindest einen Eingang für zumindest einen momentanen Betriebspunkt, zumindest einen ersten Ausgang für zumindest einen vom momentanen Betriebspunkt abhängigen statischen Stellerwert und zumindest einen zweiten Ausgang für zumindest einen entsprechenden notwendigen statischen Sollwert aufweisen, wobei das statische Vorsteuermodul ausgebildet ist, um zumindest einen statischen Sollwert und zumindest einen entsprechenden notwendigen statischen Stellerwert in Abhängigkeit des momentanen Betriebspunktes zu ermitteln. Dabei liefert das statische Vorsteuerungsmodul die vom momentanen Betriebspunkt abhängigen statischen Sollwerte und die entsprechenden statisch notwendigen Stellerwerte.
Das dynamische Vorsteuermodul kann zumindest einen ersten Eingang für zumindest einen statischen Stellerwert, zumindest einen zweiten Eingang für zumindest einen statischen Sollwert, zumindest einen ersten Ausgang für zumindest einen dynamischen Stellerwert, und zumindest einen zweiten Ausgang für zumindest einen gefilterten Sensorwert aufweisen, wobei das dynamische Vorsteuermodul ausgebildet ist, um aus zumindest einem statischen Stellerwert und zumindest einem statischen Sollwert zumindest einen dynamischen Stellerwert und zumindest einen gefilterten Sensorwert zu ermitteln. Das dynamische Vorsteuerungsmodul liefert somit einen gefilterten Sensorwert, der im idealen Fall dem Ausgang der Strecke entspricht, wenn die entsprechenden dynamischen Stellerwerte am Streckeneingang wirken. Die dynamische Vorsteuerung kann auch einen Teil zur Störgrößenkompensation beinhalten.
Das Rückführ-Regelungs-Modul weist vorteilhafter Weise zumindest einen ersten Eingang für zumindest einen dynamischen Stellerwert, zumindest einen zweiten Eingang für zumindest einen gefilterten Solllwert, zumindest einen dritten Eingang für zumindest einen korrigierten Sensorwert und zumindest einen Ausgang für zumindest ein unbegrenztes Stellersignal auf, wobei das Rückführ-Regelungs- Modul ausgebildet ist, um - bei einer Abweichung zwischen dem erwarteten gefilterten Sensorwert und einem korrigierten Sensorwert - ein unbegrenztes Stellersignal zu liefern, welches sich aus einem momentanen Vorsteuerwert und einem Rückführanteil zur Korrektur der Abweichung zusammensetzt. Das Rück- führ-Regelungsmodul ermöglicht somit eine statische Genauigkeit, auch wenn unbekannte Störungen auf die Strecke wirken oder das Streckenverhalten vom nominellen Verhalten abweicht. Bei einer Abweichung zwischen dem erwarteten Sensorwert und einem korrigierten Sensorwert besteht das Ausgabesignal aus dem momentanen Vorsteuerwert erweitert um den Rückführanteil zur Korrektur der Abweichung. Im Falle von starkem Messrauschen kann ein Beobachter als Teil des Rückführreglers das Verhalten der Regelung verbessern.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Anti-Windup-Modul zumindest einen ersten Eingang für zumindest ein unbegrenztes Stellersignal, zumindest einen zweiten Eingang für zumindest einen zeitkompensierten Sensorwert, zumindest einen dritten Eingang für zumindest eine Stellerbegrenzung, zumindest einen ersten Ausgang für ein begrenztes Stellersignal und zumindest einen zweiten Ausgang für zumindest einen korrigierten Stellerwert aufweist, wobei das Anti- Windup-Modul ausgebildet ist, um aus zumindest einem unbegrenzten Stellersignal, zumindest einer Stellerbegrenzung und zumindest einem totzeitkompensierten Sensorwert, zumindest einen begrenzten Stellerwert und zumindest einen um den Anteil der Stellerbegrenzung korrigierten Sensorwert zu ermitteln. Das Anti-Windup-Modul verhindert im Wesentlichen das unbegrenzte Anwachsen des Integratorteils im Regler, welches durch Stellerbegrenzungen verursacht wird . Das unbegrenzte Stellersignal und die Stellerlimitierungen stellen zusammen mit den totzeitkompensierten Sensorwerten die Eingänge dar. Die begrenzten Stellerwerte und der um den Anteil der Stellerbegrenzung korrigierte Sensorwert bilden die Ausgänge des Anti-Windup-Moduls.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Totzeit-Kompenstations-Mo- dul zumindest einen ersten Eingang für zumindest eine Sensorgröße und zumindest einen ersten Ausgang für zumindest einen totzeitkompensierten Sensorwert aufweist, wobei das Totzeit-Kompenstations-Modul ausgebildet ist, um vorzugsweise nach dem Prinzip des Smith Prädiktors aus zumindest einer Sensorgröße zumindest einen totzeitkompensierten Sensorwert zu ermitteln. Die Struktur eines Smith Prädiktors wird beispielsweise in "Rapid Control Prototyping", Abel D., Bölling A., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, beschrieben. Das Totzeit- Kompenstations-Modul kann weiters zumindest einen zweiten Eingang und zumindest einen zweiten Ausgang für zumindest einen begrenzten Stellerwert aufweisen, wobei vorzugsweise das Totzeit-Kompenstations-Modul ausgebildet ist, um den begrenzten Stellerwert unverändert durchzuschleusen . Die Totzeitkompensation im Totzeit-Kompensations-Modul verbessert das Regelkreisverhalten beim Vorhandensein von bekannten Totzeiten in der Strecke. Dabei wird das Stellersignal nicht verändert, die Sensorgrößen werden jedoch nach Prinzip des sogenannten "Smith-Prädiktors" korrigiert. Die Erfindung im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert.
Die Fig . zeigt eine Reglerstruktur RS mit mehreren zu einem Gesamtregler verschalteten Reglermodulen. Dabei ist mit G die zu regelnde Strecke bezeichnet.
Die Reglerstruktur RS betrifft den Reglerkern. Dies bedeutet, dass aus der Sicht des Reglerkerns, Sensoren sowie Aktuatoren zur Strecke G gezählt werden, wobei eine unterlagerte Positionsregelung vorausgesetzt wird .
Der Regleralgorithmus R stellt einen Teil der Steuerungssoftware dar. Mit u sind die Stellerwerte, mit y die erfassten Sensorwerte bezeichnet. Die Auswertung des Regelalgorithmus R erfolgt zyklisch und die Regelung ist somit zeitdiskret.
Für die Struktur der Regelung wird hier ein modularer Aufbau vorgeschlagen. Dabei bestimmen einzelne Module, jedes für sich, bestimmte Eigenschaften des Regelkreises. Die Module sind so konzipiert, dass die spezielle Eigenschaften jedes Moduls in ihrer Wirkung im Betrieb über so genannte Tuningfaktoren einstellbar bleiben. Als Tuningparameter werden hier Parameter bezeichnet, die bis zum Ende der Parametrierung des Reglers als übergeordnete Einstellparameter beziehungsweise Entwurfsfreiheitsgrade offen bleiben und verändert werden können, ohne dass dadurch eine Anpassung der anderen Reglerparameter notwendig wird , sind Die Bezeichnung„im Betrieb" bezieht sich hier auf den Betrieb während beispielsweise einer Motorabstimmung (Applikation), bei der die entgültigen Reglereinstellungen erarbeitet und getestet werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Module entfallen zu lassen oder zu deaktivieren, wenn auf die entsprechenden Eigenschaften verzichtet werden kann. Die einzelnen Module weisen Parameter und eindeutige Vorschriften zur Berechnung auf. Vorteilhafter Weise teilen sich verschiedene Module gemeinsame Parameter und reduzieren dadurch weiter die Gesamtzahl der nötigen Reglerparameter und somit die Größe des in der Implementierung benötigten Speichers.
In der Fig . ist die Verschaltung aller Reglermodule zu einem Gesamtregler abgebildet. Die Reglerstruktur RS des Gesamtreglers beinhaltet folgende Module und deren Schnittstellen :
1. Statisches Vorsteuermodul Rw«:
Das statische Vorsteuermodul Rffs liefert die vom momentanen Betriebspunkt z abhängigen statischen Sollwerte rs und die entsprechenden notwendigen statischen Stellerwerte us. 2. Dynamisches Vorsteuermodul R^:
Das dynamische Vorsteuermodul Rffd liefert einen gefilterten Sollwertwert yff (entspricht dem erwarteten Sensorwert), der im idealen Fall dem Ausgang der Strecke G entspricht, wenn die entsprechenden dynamischen Stellerwerte uff am Streckeneingang wirken. Das dynamische Vorsteuermodul Rffd kann auch einen Teil zur Störgrößenkompensation beinhalten.
3. Rückführ-Reqelunqs-Modul R«,:
Das Rückführ-Regelungsmodul Rfb ermöglicht statische Genauigkeit, auch wenn unbekannte Störungen auf die Strecke G einwirken oder wenn das Streckenverhalten vom nominellen Verhalten abweicht. Bei einer Abweichung zwischen dem erwarteten Sensorwert (entspricht dem gefilterten Sollwert yff) und dem korrigierten Sensorwert ynsat besteht der das Ausgabesignal bildende unbegrenzte Stellerwert uc aus dem momentanen Vorsteuerwert Udff erweitert um einen Rückführanteil zur Korrektur der Abweichung . Im Fall von starkem Messrauschen kann ein Beobachter als Teil des Rückführ-Regelungs-Moduls Rfb das Verhalten der Regelung verbessern.
4. Anti-Windup-Modul Rg»,:
Das Anti-Windup-Modul Raw verhindert im Wesentlichen das unbegrenzte Anwachsen des Integrator-Teils im Regler, welches durch Stellerbegrenzungen verursacht wird . Das unbegrenzte Stellersignal uc und die Stellerli- mitierungen U|im stellen zusammen mit den totzeitkompensierten Sensorwerten ynd die Eingänge dar. Die begrenzten Stellerwerte usat und der um den Anteil der Stellerbegrenzung korrigierte Sensorwert ynsat bilden die Ausgänge des Anti-Windup-Moduls RaW.
5.
Figure imgf000007_0001
Das Totzeit-Kompensations-Modul Rdei verbessert das Regelkreisverhalten beim Vorhandensein von Totzeiten in der Strecke G. Dabei wird das Stellersignal usat nicht verändert, die Sensorgrößen y werden jedoch nach dem Prinzip des Smith-Prädiktors zum zeitkompensierten Sensorwert ynb korrigiert.
Die zu regelnde Strecke G ist im vorliegenden Fall ein Mehrgrößensystem.
Das Prinzip ist aber sowohl für Ein- als auch für Mehrgrößenregelungen anwendbar. Im Falle der Mehrgrößenregelung sind die Signale an den Modulschnittstellen vektorwertige Signal der gleichen Ordnung .
Die Reihenfolge der Hintereinanderschaltung der Einzelmodule spielt eine entscheidende Rolle für das Gesamtverhalten des Regelkreises. Eine Änderung der Reihenfolge wirkt sich im Allgemeinen negativ auf die Eigenschaften des Regelkreises aus. Die Reihenfolge der einzelnen Module kann somit nicht vertauscht werden.
Da einige der Module dynamische Systeme beinhalten ( Rffd, Rfb, RaW, Rdei) und diese untereinander verschaltet sind, ist bei der Implementierung (als diskreter Regler) die Einhaltung einer speziellen Reihenfolge bei der Berechnung erforderlich. Alle dynamischen Reglermodule, also solche, die sogenannte innere Zustände besitzen, müssen jeweils zwei Arten von Berechnungsmethoden zur Verfügung stellen :
Output: Berechnung eines Ausgangs in Abhängigkeit der Eingänge und der inneren Zustände und update: Aktualisierung der jeweiligen inneren Zustände in Abhängigkeit der Eingänge.
Die Berechnung des neuen Stellersignals usat (begrenzter Stellerwert) des Ge- samtregelers erfordert auf Grund der Durchgriffsterme in den Modulen eine bestimmte Reihenfolge der Ausgangsberechnungen der Module. Diese Berechnungsreihenfolge ist nicht eindeutig .
Figure imgf000008_0001
Nach den jeweiligen Ausgangsberechnungen (output) sind die entsprechenden Ausgangssignale der Module aktualisiert.
Die Aktualisierung der inneren Zustände des Reglers kann in beliebiger Reihenfolge stattfinden. Eine mögliche Berechnungsreihenfolge wäre: Modul Variable Methode
R-ffd Ynsat update
R-fb Uc update
Raw Usat update
Rdel Usat update
Für ausgewählte Module (zum Beispiel Anti-Windup Modul Raw) ist es möglich, auch Realisierungen mit verzögerten Eingangswerten durchzuführen, was notwendig wird, wenn die Berechnungsreihenfolge auf Grund der übergeordneten Softwarearchitektur nicht eingehalten werden kann. Es sind in diesen Fällen meist zusätzliche Speicherelemente nötig.
Die Reglerstruktur RS unterstützt das Weglassen einzelner oder mehrerer Module, sowie das Auswechseln verschiedener Umsetzungen eines Moduls. Eine Gesamtregelung kann, muss aber nicht, einzelne Module enthalten.
Änderungen in den Modulen können punktuell durchgeführt werden, ohne andere Module zu beeinflussen. Die Modul-Entwicklung und -Verwaltung sowie Versio- nierung kann dadurch parallelisiert werden. Aus den Modulen können bibliotheksartig rasch verschiedene Kombinationen zusammengestellt werden. Durch mehrere Gleichteile wird die Versionierung stark entlastet und die Softwarequalität erheblich erhöht.
Anforderungen an die Gesamtregelung können in einzelne Anforderungen an Module zerlegt werden. Bestimmte Anforderungen können über die Aktivierung, De- aktivierung oder Hinzunahme von Modulen erfüllt werden. Die Parametrierung kann sequentiell erfolgen - zum Unterschied zu einer gleichzeitigen oder iterativen Parametrierung der gesamten Regelung . Dadurch sinkt der Aufwand der Parametrierung.
Die Parameter und Module sind besser spezifischen Anforderungen zuordbar. Dies spielt eine große Rolle in der Erstellung von Tests (und deren Wiederverwendbarkeit) und in der Absicherung der Software.
Durch die standardisierten Module wird eine Gruppierung der Berechnungsvorschriften der Regelung ermöglicht, was zu wesentlichen Vorteilen bei der Erstellung, Wartung, Prüfung, Einstellung und beim Betrieb der Regelung führt.
Die Schnittstellen sind derart gestaltet, dass einzelne Module weggelassen werden können.
Im Falle, dass der dynamische Vorsteuerungsmodul Rffd entfällt, gilt:
Yff Entfällt das Rückführ-Regelungs-Modul Rfb, dann ist
Uc = Uff. yff und Vnsat werden nicht benötigt. Entfällt das Anti-Windup-Modul Raw so gilt:
Usat= Uc
ynsat = ynd -
Bei einer wegfallenden Totzeitkompensation gilt:
Figure imgf000010_0001
Die Verwendung gemeinsamer Parameter in den Modulen kann zu einer drastischen Reduktion der Anzahl der gesamten zur Beschreibung notwendigen Parameter führen. Das reduziert die Berechnungszeit, den Einstellaufwand, den Speicheraufwand und den Änderungsaufwand . Praktischerweise können die Parameter der Module vom Arbeitspunkt z abhängig sein.
Anwendung findet diese Möglichkeit speziell bei "modellbasierten Regelungen", wo in den Modulen jeweils auch mathematische Teile beziehungsweise Parameter davon verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Reglerstruktur RS findet insbesondere Anwendung bei der Umsetzung einer diskreten Regelung auf einem elektronischen Steuergerät eines Fahrzeugs, wo die entsprechende Berechnungsvorschrift zyklisch ausgeführt wird .
Ein konkretes Beispiel einer Reglerstruktur ist die Luftpfadregelung eines Dieselmotors. Diese befindet sich auf einem Motorsteuergerät. Dort wird der Turboladersteller und die Abgasrückführklappe so geregelt, dass zu jedem Zeitpunkt zwei zeitlich variable Zielwerte möglichst gut erreicht werden. Aber auch andere Regelungen von Brennkraftmaschinen können als Beispiel dienen : Beispielsweise die Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage (alternative Dieselverbrennung), oder die Lambda-Regelung beim Ottomotor.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Reglerstruktur (RS), insbesondere für eine Motorsteuerung für Fahrzeuge, mit als modulares System ausgebildeten Funktionseinheiten, wobei mehrere Funktionseinheiten über Schnittstellen zu einer Einheit zusammenfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerstruktur (RS) als Funktionseinheiten zumindest ein statisches Vorsteuermodul (Rffs) und zumindest ein Modul aus der Gruppe dynamisches Vorsteuermodul (Rffd), Rückführ-Regelungs-Modul (Rfb), Anti-Windup-Modul (Raw) und Totzeit-Kompensations- Modul (Rdei) aufweist.
2. Reglerstruktur (RS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Vorsteuermodul (Rffs) zumindest einen Eingang (Effs) für zumindest einen momentanen Betriebspunkt (z), zumindest einen ersten Ausgang (AffSi) für zumindest einen vom momentanen Betriebspunkt abhängigen statischen Stellerwert (us) und zumindest einen zweiten Ausgang (Affsi) für zumindest einen entsprechenden notwendigen statischen Sollwert (rs) aufweist, wobei der statische Vorsteuermodul (Rffs) ausgebildet ist, um zumindest einen statischen Sollwert (rs) und zumindest einen entsprechenden notwendigen statischen Stellerwert (us) in Abhängigkeit des momentanen Betriebspunktes (z) zu ermitteln.
3. Reglerstruktur (RS) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Vorsteuermodul (Rffd) zumindest einen ersten Eingang (Effdi) für zumindest einen statischen Stellerwert (us), zumindest einen zweiten Eingang (Effd2) für zumindest einen statischen Sollwert (rs), zumindest einen ersten Ausgang (Affdi) für zumindest einen dynamischen Stellerwert (uff), und zumindest einen zweiten Ausgang (Affd2) für zumindest einen gefilterten Sensorwert (yff) aufweist, wobei das dynamische Vorsteuermodul (Rffd) ausgebildet ist, um aus zumindest einem statischen Stellerwert (us) und zumindest einem statischen Sollwert (rs) zumindest einen dynamischen Stellerwert (uff) und zumindest einen gefilterten Sensorwert (yff) zu ermitteln.
4. Reglerstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gefilterte Sensorwert (yff) dem Ausgang (y) der zu regelnden Strecke (G) entspricht, wenn die entsprechenden dynamischen Stellerwerte (uff) am Eingang der zu regelnden Strecke (G) wirken.
5. Reglerstruktur (RS) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführ-Regelungs-Modul (Rfb) zumindest einen ersten Eingang (Efbi) für zumindest einen dynamischen Stellerwert (uff), zumindest einen zweiten Eingang (Efb2) für zumindest einen gefilterten Sollwert (yff), zumindest einen dritten Eingang (Efb3) für zumindest einen korrigierten Sensorwert (ynsat) und zumindest einen Ausgang (Afb) für zumindest ein unbegrenztes Stellersignal (uc) aufweist, wobei das Rückführ-Regelungs-Modul ( Rfb) ausgebildet ist, um - bei einer Abweichung zwischen dem erwarteten gefilterten Sensorwert (yff) und einem korrigierten Sensorwert an (ynsat) - ein unbegrenztes Stellersignal (uc) zu liefern, welches sich aus einem momentanen Vorsteuerwert (udff) und einem Rückführanteil zur Korrektur der Abweichung zusammensetzt.
6. Reglerstruktur (RS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anti-Windup-Modul (Raw) zumindest einen ersten Eingang ( Eawi) für zumindest ein unbegrenztes Stellersignal (uc), zumindest einen zweiten Eingang (Eaw2) für zumindest ein zeitkompensierten Sensorwert (ynd), zumindest einen dritten Eingang (EaW3) für zumindest eine Stellerbegrenzung ( uiim), zumindest einen ersten Ausgang (Aawi) für ein Stellerwert (uSat) und zumindest einen zweiten Ausgang für zumindest einen korrigierten Stellerwert (ynd) aufweist, wobei das Anti-Windup-Modul ( RaW) ausgebildet ist, um aus zumindest einem unbegrenzten Stellersignal (uc), zumindest einer Stellerbegrenzung (uMm) und zumindest einem totzeitkompensierten Sensorwert (ynci), zumindest einen begrenzten Stellerwert (usat) und zumindest einen um den Anteil der Stellerbegrenzung ( uiim) korrigierten Sensorwert (ynsat) zu ermitteln.
7. Reglerstruktur (RS) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Totzeit-Kompenstations-Modul ( Rdei) zumindest einen ersten Eingang (Eden) für zumindest eine Sensorgröße (y) und zumindest einen ersten Ausgang (Adeii) für zumindest einen totzeitkompensierten Sensorwert (ynd) aufweist, wobei das Totzeit-Kompenstations-Modul (Rdei) aus¬ gebildet ist, um vorzugsweise nach dem Prinzip eines Smith-Prädiktors aus zumindest einer Sensorgröße (y) zumindest einen totzeitkompensierten Sensorwert (ynci) zu ermitteln.
8. Reglerstruktur (RS) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Totzeit-Kompenstations-Modul ( Rdei) zumindest einen zweiten Eingang ( Edei2) und zumindest einen zweiten Ausgang (Adei2) für zumindest einen begrenzten Stellerwert (usat) aufweist, wobei vorzugsweise das Totzeit-Kompenstations-Modul ( Rdei) ausgebildet ist, um den begrenzten Stellerwert (usat) unverändert durchzuschleusen.
9. Reglerstruktur (RS) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei der Module (Rffs, Rffd, Rfb, Raw, Rdei) ge¬ meinsame Parameter verwendet werden.
10. Reglerstruktur (RS) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerstruktur (RS) in einen Regleralgorithmus (R) implementiert ist.
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