WO2018029144A1 - Verfahren zur prädiktiven steuerung - Google Patents

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WO2018029144A1
WO2018029144A1 PCT/EP2017/069945 EP2017069945W WO2018029144A1 WO 2018029144 A1 WO2018029144 A1 WO 2018029144A1 EP 2017069945 W EP2017069945 W EP 2017069945W WO 2018029144 A1 WO2018029144 A1 WO 2018029144A1
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Florian Freund
Bernhard Klingseis
Holger Lang
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1406—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method with use of a optimisation method, e.g. iteration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/1412—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using a predictive controller
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    • F02D2041/1433—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using a model or simulation of the system

Definitions

  • the invention relates to a method for the predictive control and / or regulation of a drive in a motor vehicle having a motor control.
  • Realization in production vehicles e.g. Critical quantities of the combustion process in an engine control unit such as exhaust gas temperature, filling level, raw emissions, efficiencies, consumption, etc., but which are required by the engine control to perform its control functions, various methods are used.
  • a widely used method is that of the characteristic curves, which can represent a one-dimensional relationship, or those of the characteristic diagrams, which are two- or multi-dimensional
  • Bayesian regressions are not used “online”, ie during normal operation of the vehicle, but “offline”, for example in a calibration phase of an engine.
  • the present invention has for its object to provide a cost-effective method that makes it possible to simplify the control of a drive while his dy ⁇ namic behavior is improved.
  • the invention achieves this object by means of a method for the predictive control and / or regulation of a drive in a motor vehicle having the features of the independent claim. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a method for predictive control and / or regulation of a drive in a motor vehicle is specified with a motor control, wherein the control and / or regulation is dependent on a desired operating goal. It is provided that optimal manipulated variables for dynamic situations on the controller side are determined, wherein the determination of the optimal manipulated variables is based at least partially on the temporal actual value profile for ⁇ at least one controlled variable.
  • the operating objective of a motor vehicle represents the logical and temporal sequence of all operating states of a drive.
  • the motor control and / or regulation determines how the drive motor is used in order to achieve desired properties of the drive.
  • the time profile of the controlled variable includes stored data from the controlled variable past.
  • the time profile of the controlled variable comprises predictions.
  • the time profile flows in such a way that for each prediction a number x is set for the past moments to be considered. It is advantageous if the number x is determined experimentally and stored as a characteristic.
  • the predictions are modeled from different scenarios, wherein a first scenario, the temporal evolution of the controlled variable under the current boundary conditions, a second scenario, the temporal evolution of the controlled variable with minimal intervention of the manipulated variable and a third scenario, the temporal evolution of the controlled variable at Maximum intervention of the manipulated variable includes.
  • the operating target is a desired medium pressure and / or a desired energy efficiency of the engine. Further, as control variables at least one of the quantities amount of fuel, one type of riding position Kraftstoffbe-, an ignition timing or a quantity of air drawn ⁇ zoom.
  • the individual control variables will be weighted differently, the weighting being based on the dynamics or other criteria.
  • the method according to the invention can be provided in a motor vehicle. Accordingly, a motor vehicle with an internal combustion engine, which is equipped with a motor control, forms a further subject of the invention, wherein the motor control is arranged to carry out the method described above.
  • FIG. 1 shows an exemplary flowchart of a method according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram showing the actual value gradients of controlled variables over a period of time t.
  • FIG. 1 shows, in one exemplary embodiment, how the desired values for air quantity, fuel quantity and engine speed can be determined for a medium-pressure request. From the nominal values resp.
  • the setpoint curves can be used to control the air path-adjusting controllers, and the air-path dynamics can be modeled from the resulting setting positions, thus allowing an air-volume prediction (actual value prediction) below the given values
  • Boundary conditions arise. Furthermore, the fuel-carrying controllers can prematurely terminate complex calculation options, such as an anti-collision management for multipole injections, in good time and set the optimum boundary conditions for the quantity to be deposited (eg Fuel pressure) determine and adjust.
  • the confirmed dynamic limits (per minimum and maximum) in defined time profiles then yield the prediction horizons Req X, Req Y, Req Z shown in FIG.
  • FIG. 2 illustrates on the basis of a diagram actual value curves Var X, Var Y, Var Z of three different controlled variables X, Y, Z over a period of time t.
  • the predictive operating strategies explained in more detail in FIG. 1 are graphically represented in FIG. 2 as a 2-dimensional graph.
  • the abscissa plots the time, three different prediction horizons Req.sub.x, Req.sup.Y, Req.sub.z of actual value progressions of three controlled variables X, Y, Z.
  • the prediction horizons Req X, Req Y, Req Z are discretized and subdivided into time steps of suitable length (vertical dashed lines).
  • the minimum curves are Var X min., Var Y min., Var Z min. and the maximum curves Var X max., Var Y max. , Var Z max. of three controlled variables X, Y, Z, which are the operating objective of the respective prediction horizons Req X, Req Y, Req Z available.
  • the maximum curves are Var X max., Var Y max. , Var Z max. of three controlled variables X, Y, Z, which are the operating objective of the respective prediction horizons Req X, Req Y, Req Z available.
  • the operating strategy selects that trajectory which best implements the desired operating target, for example a desired mean pressure and / or a desired energy efficiency of the engine, wherein at least one of the quantities fuel quantity, a type of fuel provision, an ignition time, or an air quantity is used as manipulated variables can be.
  • optimal control variables can also be determined in dynamic situations by, for example, weighting the individual control variables differently and / or weighting based on dynamics or other criteria.

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Abstract

Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung eines Antriebes in einem Kraftfahrzeug mit einer Motorsteuerung angegeben, wobei die Steuerung und/oder Regelung abhängig von einem gewünschten Betriebsziel erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass optimale Stellgrößen für dynamische Situationen auf der Reglerseite bestimmt werden, wobei die Bestimmung der optimalen Stellgrößen zumindest teilweise auf dem zeitlichen Ist-Wert-Verlauf zumindest einer Regelgröße basiert.

Description

Beschreibung
Verfahren zur prädiktiven Steuerung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung eines Antriebes in einem Kraftfahrzeug mit einer Motorsteuerung.
Für die Bestimmung von Stellgrößen in Fahrzeugsteuergeräten, die nicht oder nur sehr aufwändig (und damit zu teuer für eine
Realisierung in Serienfahrzeugen) gemessen werden können, z.B. kritischer Größen des Verbrennungsprozesses in einem Motorsteuergerät wie Abgastemperatur, Füllungsstand, Rohemissi- onswerte, Wirkungsgrade, Verbrauch, etc., welche aber von der Motorsteuerung zur Ausführung seiner Steuerfunktionen benötigt werden, werden verschiedene Methoden verwendet.
Eine weit verbreitete Methode ist die der Kennlinien, welche einen eindimensionalen Zusammenhang darstellen können, oder die der Kennfelder, welche einen zwei- oder mehrdimensionalen
Zusammenhang darstellen können. Diese Kennfelder lassen sich über Stützstellen definieren/speichern und die Vorhersage der Zielgröße für bestimmte Eingabewerte lässt sich aus den be¬ nachbarten Stützstellen interpolieren, z.B. linear oder durch Splines.
Andere Methoden gehen von in der Regel stark vereinfachten physikalischen Modellen aus, welche oft auch durch Kennfelder dargestellt werden. Im Automotive- Bereich werden sogenannte Bayes ' sehe Regressionen nicht „online", das heißt während des regulären Betrieb des Fahrzeugs, sondern „offline", also zum Beispiel in einer Kalibrierungsphase eines Motors, eingesetzt.
Wenn Kennfelder zur Charakterisierung der Zusammenhänge ver- wendet werden, hat man oft einen hohen Applikationsaufwand oder eine geringe Prognosegenauigkeit bei mehrdimensionalen Zu¬ sammenhängen. Für eine effiziente Ansteuerung einer Brennkraftmaschine wird in Reglern auf den IST-Wert zurückgegriffen und auf Abweichungen zum Sollwert eine Führungsgröße oft in Abhängigkeiten von beeinflussenden Parametern geregelt. Bei der Erstellung eines zuverlässigen physikalischen Modells entsteht ein hoher Entwicklungsaufwand und nicht immer ist die Entwicklung eines nicht zu stark vereinfachten physikalischen Modells möglich, insbesondere bei den komplexen Abläufen des Verbrennungsprozesses, welche neben der Thermodynamik z.B. auch Chemie und Strömungsmechanik beinhalten müsste. Für die bekannten Verfahren gilt, dass sie keine Aussagen über die er- wartete Genauigkeit machen. Insbesondere bei kritischen
Zielgrößen kann dies jedoch wichtig sein, um eine zuverlässige Steuerung oder Regelungsstrategie zu gewährleisten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren aufzuzeigen, das es ermöglicht, die Steuerung eines Antriebes zu vereinfachen, während sein dy¬ namisches Verhalten verbessert wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung eines Antriebes in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung eines Antriebes in einem Kraftfahrzeug mit einer Motorsteuerung angegeben, wobei die Steuerung und/oder Regelung abhängig von einem gewünschten Betriebsziel erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass optimale Stellgrößen für dynamische Situationen auf der Reglerseite bestimmt werden, wobei die Bestimmung der optimalen Stellgrößen zumindest teilweise auf dem zeitlichen Ist-Wert-Verlauf zu¬ mindest einer Regelgröße basiert. Das Betriebsziel eines Kraftfahrzeugs stellt dabei die logische und zeitliche Abfolge aller Betriebszustände eines Antriebs dar. Über die Motor- Steuerung und/oder Regelung wird festgelegt , in welcher Weise der Antriebsmotor eingesetzt wird, um gewünschte Eigenschaften des Antriebs zu erreichen. Aufgrund der dynamischen Vorhersage und der dynamischen Limit Prädiktion ist es zum einen möglich für aggregierte Informationen und für komplexere Modelle aus den Vorhersagewerten einfacher Zusammenhänge ebenfalls dynamische Limits und Ist-Wert-Prädiktionen zu bestimmen und zum anderen können, im Falle von Abweichungen Maßnahmen eingeleitet werden, die es ermöglichen auf dynamische Anforderungen effizienter zu reagieren .
Vorteilhafterweise umfasst der zeitliche Verlauf der Regelgröße abgespeicherte Daten aus der Regelgrößenvergangenheit.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der zeitliche Verlauf der Regelgröße Prädiktionen umfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform fließt der zeitliche Verlauf derart mit ein, dass für jede Prädiktion eine Anzahl x für die zu berücksichtigenden vergangenen Momente festgelegt wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Anzahl x experimentell bestimmt und als Kennlinie gespeichert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Prädiktionen aus unterschiedlichen Szenarien modelliert, wobei ein erstes Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße unter den aktuellen Randbedingungen, ein zweites Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße bei minimalem Eingriff der Stellgröße und ein drittes Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße bei maximalem Eingriff der Stellgröße beinhaltet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Betriebsziel ein gewünschter Mitteldruck und/oder eine gewünschte Energieeffizienz des Motors ist. Ferner werden als Stellgrößen zumindest eine der Größen Kraftstoffmenge, eine Art der Kraftstoffbe- reitstellung, ein Zündzeitpunkt, oder eine Luftmenge heran¬ gezogen .
Vorteilhafterweise werden die einzelnen Regelgrößen unter- schiedlich Gewichtet werden, wobei die Gewichtung auf Basis der Dynamik oder anderer Kriterien erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Dementsprechend bildet auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine, das mit einer Motorsteuerung ausgerüstet ist, einen weiteren Gegenstand der Erfindung, wobei die Motorsteuerung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der Figur dargestellt ist. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen :
Fig. 1 einen beispielhaften Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Diagramm, das Ist-Wert Verläufe von Regelgrößen über einen Zeitraum t wiedergibt.
Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel, wie für einen Mitteldruckwunsch die Sollwerte für Luftmenge, Kraftstoffmenge und Motordrehzahl bestimmt werden können . Aus den Sollwerten bzw . den Sollwertverläufen können die Luftpfadstellenden Regler ausgesteuert werden und aus den sich resultierenden Stellpositionen die Luftpfaddynamik modelliert und so eine Luftmen- genprädiktion (Ist-Wert Prädiktion) unter den gegebenen
Randbedingungen (z.B. Temperatur, Luftdruck usw.) entstehen. Ferner können die Kraftstoffführenden Regler ausreichend früh auch aufwendige Rechenoptionen wie z.B. Ein Anti-Kollisions- Management für Multipulseinspritzungen rechtzeitig beenden und die optimalen Randbedingungen für die abzusetzende Menge (z.B. Kraftstoffdruck) bestimmen und einstellen. Die rückgemeldeten dynamischen Limits (je Minimum und Maximum) in definierten Zeitverläufen ergeben dann die in Figur 2 dargestellten Prädiktionshorizonte Req X, Req Y, Req Z.
Die Fig. 2 erläutert anhand eines Diagramms Ist-Wert Verläufe Var X, Var Y, Var Z von drei verschiedenen Regelgrößen X, Y, Z über einen Zeitraum t. Somit werden die in Figur 1 näher erläuterten prädiktiven Betriebsstrategien in Figur 2 anschaulich als 2-dimensionaler Graph dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit, drei verschiedene Prädiktionshorizonte Req X, Req Y, Req Z von Ist-Wert Verläufen dreier Regelgrößen X, Y, Z aufgetragen. Die Prädiktionshorizonte Req X, Req Y, Req Z werden diskretisiert und in Zeitschritte geeigneter Länge unterteilt (senkrechte ge- strichelte Linien) . Auf der Ordinatenachse sind die minimalen Verläufe Var X min., Var Y min., Var Z min. und die maximalen Verläufe Var X max., Var Y max . , Var Z max . von drei Regelgrößen X, Y, Z aufgetragen, die dem Betriebsziel der jeweiligen Prädiktionshorizonte Req X, Req Y, Req Z zur Verfügung stehen. In jedem diskreten Zeitpunkt können theoretisch alle Betriebszustände eingestellt werden. Durch die Verbindung der Betriebszustände eines Zeitpunkts mit den Betriebszuständen aus dem vorausgehenden und dem nachfolgenden Zeitpunkt entsteht ein 2-dimensionaler Graph. Durch die Diskretisierung des Zeitin- tervalls und die Einteilung in mehrere in einem Zeitschritt mögliche Betriebszustände ergeben sich für die Betriebsstrategie unterschiedliche Traj ektorien, um von der Ausgangssituation (tO) zu der am Ende des Prädiktionsintervalls zu erreichenden Zielsituation (t4) zu gelangen. Die Betriebsstrategie wählt diejenige Trajektorie aus, welche das gewünschte Betriebsziel, beispielsweise ein gewünschter Mitteldruck und/oder eine gewünschte Energieeffizienz des Motors, am besten umsetzt, wobei als Stellgrößen zumindest eine der Größen Kraftstoffmenge, eine Art der Kraftstoffbereitstellung, ein Zündzeitpunkt, oder eine Luftmenge herangezogen werden können.
Durch die Kombination verschiedener Prädiktionswerte (z.B. eines minimalen Mitteldrucks mit einem möglichst effektiven Zünd- Zeitpunkt oder eines minimalen Mitteldrucks mit einem möglichst späten Zündzeitpunkt) lassen sich auch in dynamischen Situationen optimale Stellgrößen dadurch bestimmen, dass zum Beispiel die einzelnen Regelgrößen unterschiedlich gewichtet werden und/oder die Gewichtung auf Basis der Dynamik oder anderer Kriterien erfolgt.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst auch gleichwirkende weitere Aus¬ führungsformen. Die Figurenbeschreibung dient lediglich dem Verständnis der Erfindung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung eines Antriebes in einem Kraftfahrzeug mit Motorsteuerung, wobei die Steuerung und/oder Regelung abhängig von einem gewünschten Betriebsziel erfolgt, wobei optimale Stell¬ größen für dynamische Situationen auf der Reglerseite bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der optimalen Stellgrößen zumindest teilweise auf dem zeitlichen Ist-Wert-Verlauf zumindest einer Regelgröße basiert .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Regelgröße abgespeicherte Daten aus der Regelgrößenvergangenheit umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Regelgröße Prädiktionen umfasst .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Regelgröße derart mit einfließt, dass für jede Prädiktion eine Anzahl x zu berücksichtigender Regelgrößenvergangenheiten festgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl x experimentell bestimmt und als Kennlinie ge¬ speichert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktionen aus unterschiedlichen Szenarien modelliert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße unter den aktuellen Randbedingungen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße bei minimalem Eingriff der Stellgröße beinhaltet .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Szenario die zeitliche Entwicklung der Regelgröße bei maximalem Eingriff der Stellgröße beinhaltet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsziel ein gewünschter Mit¬ teldruck und/oder eine gewünschte Energieeffizienz des Motors ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrößen zumindest eine der Größen Kraftstoffmenge, eine Art der Kraftstoffbereitstellung, ein Zündzeitpunkt, oder eine Luftmenge herangezogen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Regelgrößen unterschiedlich Gewichtet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Gewichtung auf Basis der Dynamik oder anderer Kriterien erfolgt.
14. Motorsteuerung in einem Kraftfahrzeug, wobei die Motorsteuerung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
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