DE102017211961A1

DE102017211961A1 - Verfahren zum Durchführen einer Positionsregelung für ein Stellsystem

Info

Publication number: DE102017211961A1
Application number: DE102017211961.6A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Michael Schmidt; Ulf Mueller; Benedikt Alt; Fabien Chmielowiec; Kerstin Haller; Sina Degenfeld-Schonburg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Positionsregelung für ein zumindest teilweise selbsthemmendes Stellsystem, das eine Position mindestens einer Komponente eines technischen Systems stellt, wobei das Stellsystem und die mindestens eine Komponente eine Regelstrecke bilden, die mittels eines mathematischen Modells beschrieben wird, das wiederum durch mindestens einen Parameter definiert wird, wobei zum Ansteuern des Stellsystems eine Regelung und eine Vorsteuerung durchgeführt werden, bei denen jeweils das mathematische Modell der Regelstrecke berücksichtigt wird, und wobei die Parameter des mathematischen Modells während des Betriebs unter Berücksichtigung einer Abweichung zwischen einer erwarteten und einer tatsächlichen Position der Komponente angepasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Positionsregelung für ein zumindest teilweise selbsthemmendes Stellsystem und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. Das vorgestellte Verfahren findet insbesondere Anwendung bei einem Ventil-Verstellhubsystem in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs und zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Regelgesetz mit einem Adaptionsverfahren auf Veränderungen in der Regelstrecke anpasst.
Stand der Technik
Ein Stellsystem, das auch als Stellgeber bezeichnet wird, wird in technischen Systemen eingesetzt, wenn eine Ausgangsgröße dieses Systems beeinflusst werden soll.
Stellsysteme in Antriebssystemen mit einem Verbrennungsmotor werden in vielen Fällen auf eine Sollposition geregelt. Ein Beispiel hierfür stellt der Nockenwellensteller dar, der mechanisch mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist und durch ein hydraulisches oder elektrisches Verstellsystem die Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle verdreht. Durch dieses Stellsystem werden die Zeitpunkte zum Öffnen und Schließen der Ein- und/oder Auslassventile des Motors beeinflusst. Neben diesen Zeitpunkten zum Öffnen und Schließen der Ventile lässt sich auch der Hub der Ventile beeinflussen.
Als ein mögliches Stellsystem wird hierzu ein sogenanntes Ventil-Verstellhubsystem betrachtet, wie dies auf der Einlassseite in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Hierbei wird mit dem Ventil-Verstellhubsystem die Position einer Exzenterwelle gestellt, mit der sich dann ein bestimmter Ventilhub einstellt. Hierzu umfasst das Ventil-Verstellsystem einen Motor, typischerweise einen Elektromotor, mit dem die Exzenterwelle verdreht werden kann. Die Winkelposition des Motors steht dabei in Zusammenhang mit dem Hub des gestellten Ventils. Daher kann vorgesehen sein, zur Steuerung oder Regelung der Position des Ventils eine Steuerung bzw. Regelung der Winkelposition des Motors zu verwenden.
In einer Ausführung umfasst das Ventil-Verstellhubsystem einen elektrischen Antrieb und ein vollständig oder teilweise selbsthemmendes Getriebe, z. B. ein Schneckengetriebe, mit dem eine Exzenterwelle angetrieben wird. Das selbsthemmende Getriebe hat die Eigenschaft, dass die gestellte Position bestehen bleibt, ohne dass ein weiteres Regeln erforderlich ist. Bei einem nicht selbsthemmenden Getriebe muss die Position, auch nachdem diese einmal eingestellt wurde, fortlaufend geregelt werden.
Ändert sich der Exzenterwinkel der Exzenterwelle, so ändert sich über eine entsprechende Kinematik auch der Maximalhub bei den Ventilen auf der Einlassseite des Verbrennungsmotors. Damit lässt sich die Frischluftmasse einstellen, die in den Zylinder strömt. Um die Frischluftmasse möglichst präzise einstellen zu können, wird der Exzenterwinkel üblicherweise auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt, da der Ventilhub üblicherweise nicht gemessen werden kann.
Bei bekannten Verfahren wird während der transienten Phase ein PID-Regler mit positions- und richtungsabhängiger, stationärer Vorsteuerung aktiviert. Damit kann der Exzenterwinkel ausgehend von einem Ausgangswert auf einen neuen Sollwert eingestellt werden. Während der stationären Phase wird der PID-Regler deaktiviert und das Tastverhältnis so vorgesteuert, dass sich der Ventilhub unter nominellen Bedingungen nicht ändert. Dabei hilft die vollständige oder teilweise Selbsthemmung des Getriebes, den erforderlichen Stellaufwand deutlich zu reduzieren. Allerdings lassen sich stationäre Regelabweichungen zwischen Sollwert und Istwert im Exzenterwinkel nicht mehr beeinflussen, und somit wird es auch bei der Frischluftmasse eine entsprechende Abweichung geben.
Zu berücksichtigen ist, dass es beim Ventil-Verstellhubsystem aufgrund von Schwankungen der Batteriespannung, Fertigungstoleranzen, Temperatur-, Alterungseffekten und sonstigen Störeinflüssen zu Abweichungen zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Exzenterwinkels und damit auch in der Frischluftmasse kommen kann. Diese Unsicherheiten sind in bisher bekannten Verfahren, z. B. in der aktuellen Softwarefunktion des Motorsteuergeräts, nicht berücksichtigt und führen zu einer Abweichung zwischen Soll- und Istwert der Frischluftmasse.
Andere bekannte Verfahren beschäftigen sich ebenfalls mit der Positionsregelung bzw. der adapativen Positionsregelung von Stellsystemen am Verbrennungsmotor im Kraftfahrzeug:
Aus der Druckschrift DE 10 2005 002 384 A1 ist ein Verfahren zur Positionierung eines elektrohydraulischen Stellers bekannt, der zur Betätigung eines Gaswechselventils dient. Im Rahmen des Verfahrens wird ein Gaskraftparameter ermittelt, der bspw. mittels eines Kennfelds oder einer Kennlinie bestimmt werden kann.
Die Druckschrift DE 10 2012 209 384 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen einer adaptiven Positionsregelung für ein Stellsystem. Das Verfahren beschreibt insbesondere, wie eine adaptive Positionsregelung bei einer elektronischen Drosselklappe eingesetzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 8 vorgestellt. Es werden weiterhin ein Computerprogramm nach Anspruch 10 und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß Anspruch 11 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Es wird somit ein adaptives Verfahren für ein elektromechanisches Positioniersystem für ein Stellsystem vorgestellt, mit dem eine Positionsregelung durchgeführt werden kann. Das Verfahren wird mit einem Stellsystem mit teilweise oder vollständig selbsthemmendem Getriebe durchgeführt. Im Rahmen des Verfahrens wird ein Modell, insbesondere ein mathematisches Modell einer Regelstrecke, die typischerweise das Stellsystem umfasst, berücksichtigt. Auf diese Weise kann das Stellsystem dynamisch gesteuert und/oder geregelt werden.
Das vorgestellte Verfahren sieht den Einsatz eines adaptiven Positionsreglers vor, der die eingangs genannten Unsicherheiten und Störeinflüsse entsprechend kompensieren kann. Bei diesem adaptiven Positionsregler können die dynamischen Streckenparameter und die stationären Störeinflüsse in Echtzeit geschätzt werden. Damit ist es möglich, die entsprechenden Parameter in einer Vorsteuerung und im Regler bei Änderungen der Regelstrecke entsprechend nachzuführen. Zu beachten ist, dass die Schätzung der dynamischen Streckenparameter und der stationären Störeinflüsse hierzu kontinuierlich oder zumindest in vorgegebenen Betriebszuständen des Systems erfolgen sollte.
Bei dem vorgestellten Verfahren ist vorgesehen, ein adaptives Verfahren für elektromechanische Positioniersysteme für ein Stellsystem mit teilweise oder vollständig selbsthemmendem Getriebe zu erweitern. Insbesondere ist bekannt, dass sich durch das vorstehend genannte Getriebe richtungsabhängige Störeinflüsse einstellen, die den Einsatz eines adaptiven Verfahrens zur Steuerung oder Regelung bisher erschwert haben. Damit können die Vorteile, die ein Stellsystem mit adaptivem Regler bietet, auch für ein Positioniersystem mit dem vorstehend genannten Getriebe genutzt werden.
Das beschriebene Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:

a) Unsicherheiten aufgrund von Schwankungen der Batteriespannung, Fertigungstoleranzen, Temperatur-, Alterungseffekten und sonstigen Störeinflüssen können gezielt kompensiert werden. Das Positioniersystem verhält sich damit gegenüber einem überlagerten System, z. B. einer Füllungssteuerung, immer wie ein nominelles Positioniersystem.
b) Mit dem adaptiven Positionsregler kann ein Mehrfachaufwand in der Funktionsentwicklung und in der Applikation reduziert werden. Dies betrifft insbesondere den Fall, wenn das Stellsystem bei einem Einsatz an unterschiedlichen Motoren konstruktiv angepasst werden muss. Bisher war in diesem Fall eine erneute Applikation erforderlich. Durch die Adaption identifiziert sich das System entweder kontinuierlich oder in zuvor festgelegten Betriebszuständen und passt seine Regelparameter daraufhin auf die individuelle Regelstrecke hin an.
c) Ein durch einen Austausch des Stellsystems bedingtes verändertes Verhalten der Regelstrecke kann ohne Anpassung der Steuergerätesoftware erfolgen.
d) Es gibt erweiterte Diagnosemöglichkeiten durch das Verhalten der adaptierten Parameter, sowohl dynamisch als auch quasi stationär.

Dem beschriebenen Verfahren liegt in Ausgestaltung ein vereinfachtes mathematisches Modell zugrunde, mit dem das Ein-/Ausgangsverhalten der Regelstrecke, an dessen Eingang ein Tastverhältnis und an dessen Ausgang ein Exzenterwinkel anliegt, beschrieben wird. Hierzu wird in der aktuellen Realisierung für den elektrischen Antrieb ohne Rückstellfeder angenommen, dass sich die Winkelgeschwindigkeit bei einer Änderung im Tastverhältnis mit einer zeitlichen Verzögerung aufbaut. Demzufolge wird sich der Exzenterwinkel vergrößern, bis ein mechanischer Anschlag erreicht ist oder bis dieser Bewegung mit einem entgegengesetzten Tastverhältnis entgegengewirkt wird.
Die Art und Weise, wie schnell sich eine Änderung im Tastverhältnis auf eine Winkeländerung auswirkt, hängt dabei maßgeblich vom Arbeitspunkt des Systems, wie bspw. Temperatur und Drehzahl des Verbrennungsmotors, sowie von Effekten aus der Serienstreuung und der Alterung ab. Neben der aktuellen Realisierung könnten auch andere mathematische Modelle, bspw. ein Modell dritter Ordnung oder Modelle höherer Ordnung, bei dem vorliegenden Regelungskonzept verwendet werden.
Die vorgestellte Anordnung dient zur Durchführung des Verfahrens und ist bspw. in einem Steuergerät eines Verbrennungsmotors integriert bzw. als solches ausgebildet. Ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens kann auf einer elektronischen Recheneinheit dieses Steuergeräts ausgeführt werden. Dieses Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium abgelegt sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 zeigt eine Ausführung eines Ventil-Verstellhubsystems.
2 zeigt eine Ausführung der vorgestellten Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
3 zeigt in einem Diagramm eine Ausführung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
4 zeigt in einem Diagramm die Anordnung aus 3 in detaillierter Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Ventilhubeinrichtung bzw. ein Ventil-Verstellhubsystem, die bzw. das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Darstellung, die zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips dient, zeigt eine Nockenwelle 102, ein Ventil 104 und eine Drosselklappe 106. Außerdem ist in der Darstellung eine minimale Position 108 einer Exzenterwelle dargestellt.
2 zeigt eine mögliche Ausführung der vorgestellten Anordnung zum Durchführen des Verfahrens, welche insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Vorsteuerung 202, die in diesem Fall als dynamische Vorsteuerung ausgebildet ist, einen Regler 204, in diesem Fall einen PID-Regler mit Kompensator, eine quasistationäre Vorsteuerung 206 zur Kompensation der stationären Störeinflüsse und eine Regelstrecke 208. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass sowohl die Vorsteuerung 202 als auch der PID-Regler 204 mit Kompensator und die quasistationäre Vorsteuerung 206 Modellparameter umfassen, die mit Hilfe eines Adaptionsverfahrens kontinuierlich oder zumindest in zuvor festgelegten Betriebszuständen nachgeführt werden.
Es ist weiterhin ein Parameterschätzer 209 vorgesehen, der der Vorsteuerung 202 und dem Regler 204 die Streckenparameter liefert. Außerdem ist eine Einheit zur Kennlinienadaption 211 vorgesehen, die der quasistationäre Vorsteuerung 206 die adaptierten Kennlinienwerte zur Verfügung stellt.
Bei dem vorgestellten Verfahren und der beschriebenen Anordnung wird in Ausgestaltung auf Basis des vereinfachten mathematischen Modells ein Regler vorgeschlagen, der das dynamische Verhalten des Modells explizit berücksichtigt. Hierzu wird insbesondere eine dynamische Vorsteuerung verwendet, die zum einen aus dem Sollwert des Exzenterwinkels eine realisierbare Trajektorie berechnet, die im Folgenden als prädizierter Sollwert bezeichnet wird. Zum anderen wird auf Grundlage des mathematischen Modells aus dem zeitlichen Verlauf im Sollwinkel auf den erforderlichen Verlauf im Tastverhältnis zurückgerechnet. Dabei werden Stellgrößenbeschränkungen explizit mit berücksichtigt. Auf diese Weise wird der PID-Regler, der zusätzlich die Regelabweichung zwischen dem prädizierten Sollwert und dem Ist-Exzenterwinkel minimieren soll, maßgeblich entlastet. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass das Regelgesetz mit einer entsprechend hohen Robustheit ausgelegt werden kann.
Der PID-Regler 204 kann bei dem vorliegenden Verfahren für ein nominelles Verhalten des Positioniersystems ausgelegt sein. Sollte sich das Systemverhalten ändern, wird die Regeldifferenz aus prädiziertem Sollwert und Istwert mit einem dynamischen Kompensator entsprechend skaliert. Damit kann der PID-Regler 204 immer mit festen Reglerparametern betrieben werden und es ist kein Gainscheduling, d. h. keine Abhängigkeit der Reglerparameter von Temperatur, Drehzahl oder anderen Parametern des Verbrennungsmotors, erforderlich. Allerdings sollte darauf geachtet werden, dass die Streckenparameter aus dem mathematischen Modell im dynamischen Kompensator dem tatsächlichen Systemverhalten entsprechen. Der Kompensator ist mit dem Regler 204 vorgeschaltet und normiert die Regeldifferenz für diesen.
Beim vorliegenden Stellsystem würde sich der Exzenterwinkel infolge einer Änderung im Tastverhältnis nicht ständig weiter erhöhen, sondern aufgrund der Rückstellfeder und weiteren Störungen, wie bspw. Reibmomente, Störmomente durch die Nockenwellenbewegung usw., abgebremst werden. Bei dem vorliegenden Regelkonzept gemäß 2 können diese quasistationären Störeinflüsse zum Großteil durch die quasistationäre Vorsteuerung 206 kompensiert werden. Diese stationären Störeinflüsse hängen maßgeblich von dem aktuellen Exzenterwinkel und der entsprechenden Verstellgeschwindigkeit ab. Wenn sich das System bewegt, sollten bei dem Positioniersystem mit vollständig oder teilweise selbsthemmendem Getriebe die vollen Feder-, Reib- oder Störmomente kompensiert werden. Sobald das System stillsteht, kann die Selbsthemmung ausgenutzt werden.
Für die Steuerung bedeutet dies, dass in diesem Fall mit deutlich reduziertem Tastverhältnis vorgesteuert werden kann. Damit wird der Gesamt-Stellaufwand ebenfalls deutlich reduziert, was sich positiv auf den Energieverbrauch des Positioniersystems auswirkt. Damit die vorstehend genannten stationären Regelabweichungen minimiert werden, sollte der PID-Regler 204 allerdings zusätzlich aktiviert bleiben, insbesondere wenn die Differenz aus Sollwert und Istwert des Exzenterwinkels zu groß wird.
Da sowohl die dynamische Vorsteuerung 202 als auch der dynamische Kompensator im PID-Regler 204 auf dem vorstehend genannten mathematischen Modell aufbauen, müssen die entsprechenden Modellparameter je nach Arbeitspunkt des Systems, wie bspw. Temperatur, nachgeführt werden. Hierzu kann ein rekursiver Parameterschätzer, der bspw. auf Basis der Methode der kleinsten Fehlerquadrate arbeitet, verwendet werden, der aus dem Gesamt-Tastverhältnis, dem Tastverhältnis aus der Einheit zur Kompensation der stationären Störeinflüsse 206, dem gemessenen Exzenterwinkel, der berechneten Winkelgeschwindigkeit und der berechneten Winkelbeschleunigung die Modellparameter für das dynamische Modell berechnen kann.
Für diese Schätzung der dynamischen Streckenparameter kann auch prinzipiell ein Modellabgleich-Verfahren eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird aus dem gemessenen Positionssignal eine Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle berechnet. Hierzu kann z. B. ein Hochpassfilter eingesetzt werden. Diese berechnete Winkelgeschwindigkeit wird mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit verglichen, die auf Basis der Eingangsgröße der Regelstrecke, in diesem Fall dem Tastverhältnis, ermittelt wird. Hierzu wird ein Modell der Regelstrecke verwendet, das aus der Eingangsgröße der Regelstrecke die entsprechende Winkelgeschwindigkeit berechnen kann. Stimmt dieses Modell mit der Regelstrecke überein, so stimmen auch die beiden Winkelgeschwindigkeiten überein. Falls die Winkelgeschwindigkeiten aber voneinander abweichen, so müssen die Parameter im Modell entsprechend so verändert werden, dass die Abweichung in den Winkelgeschwindigkeiten wieder minimiert ist. Hierzu kann u. a. ein Gradientenabstiegsverfahren eingesetzt werden. Die daraus berechneten Modellparameter werden dann ebenso in der dynamischen Vorsteuerung, im Kompensator und im Störgrößenbeobachter verwendet.
Allerdings ist die Echtzeit-Schätzung der dynamischen Streckenparameter mit beiden vorstehend genannten Verfahren nur möglich, wenn sich das System mit einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit bewegt. Ansonsten sollten die entsprechenden Modellparameter auf dem zuletzt gültigen Wert eingefroren werden.
Anstelle der quasistationären Vorsteuerung 206 gibt es in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung mindestens zwei Alternativen, die zur Kompensation der stationären Störeinflüsse verwendet werden können. Zum einen kann ein Störgrößenbeobachter eingesetzt werden. Dieser Störgrößenbeobachter zeichnet sich dadurch aus, dass die Störeinflüsse, die auf den Eingang der Regelstrecke wirken, kontinuierlich in Echtzeit bestimmt und auf den Eingang der Regelstrecke aufgeschaltet werden. Dadurch lassen sich Störeinflüsse, die auf den Eingang der Regelstrecke wirken, kompensieren. Zum anderen kann man in der Einheit zur Kompensation der stationären Störeinflüsse auch eine Vorsteuerung verwenden, bei der die erforderliche Stellgröße zur Kompensation der stationären Störeinflüsse in zumindest einer entsprechenden Kennlinie abgelegt ist, die zumindest von einer weiteren Größe, wie bspw. der Sollgröße für den Exzenterwinkel abhängt.
Damit die Kennlinien aus der quasistationären Vorsteuerung 206 dem tatsächlichen Systemverhalten entsprechen, sollten auch diese Kennlinien regelmäßig nachgeführt werden. Hierzu wird bspw. im Nachlauf des Steuergeräts, typischerweise nach Ausschalten der Zündung und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors gleich null, eine Überprüfung des gesamten Verstellbereichs durchgeführt. Die Prüfung fährt den unteren mechanischen Anschlag und anschließend den oberen mechanischen Anschlag an. Erfolgt diese Fahrt mit langsamer bis mittlerer Geschwindigkeit, so kann die Kennlinie in der Vorsteuerung nachgeführt werden, die bei der Kompensation während der transienten Phasen verwendet wird. Anstelle dieser Überprüfung des gesamten Stellbereichs im Nachlauf kann diese Prüfung auch in einer anderen Betriebsart, unter anderem auch im laufenden Betrieb, wenn der Verstellbereich mit langsamen bis mittleren Geschwindigkeiten durchfahren wird, durchgeführt werden.
Um die Kennlinie für die stationären Phasen nachzuführen, sollten bestimmte Exzenterwinkelpositionen geregelt angefahren werden. Sobald sich das System nicht mehr bewegt, wird das Tastverhältnis so lange langsam verringert, bis sich die Exzenterwinkelposition wieder ändert. Damit lässt sich dann ein minimal erforderliches Haltetastverhältnis bestimmen, mit dem unter Berücksichtigung des selbsthemmenden Getriebes eine bestimmte Position beibehalten werden kann. Neben dieser Möglichkeit, das minimal erforderliche Haltetastverhältnis zu bestimmen, sind auch andere Verfahren denkbar. Ein solches Verfahren sieht bspw. vor, mit einer Kennlinie vorzusteuern, welche das minimal erforderliche Tastverhältnis bei Selbsthemmung bzw. teilweiser Selbsthemmung nicht explizit berücksichtigt. Stattdessen könnten bspw. auch höhere Tastverhältnisse vorgesteuert werden.
Um die Kennlinien nachzuführen, kann ein Verfahren verwendet werden, das aus dem Verlauf des Exzenterwinkels und des Tastverhältnisses und einer entsprechenden Basiskennlinie eine der vorstehend genannten Kennlinien adaptieren kann. Hierbei unterteilt die Basiskennlinie den Verstellbereich je nach Anzahl der Stützpunkte in eine bestimmte Menge von Intervallen. Bewegt sich das System nun zunächst in einem beliebigen und dann in einem benachbarten Intervall, so wird das jeweilige Tastverhältnis dazu entsprechend zwischengespeichert. Anschließend kann das Tastverhältnis an der Stützstelle zwischen den beiden benachbarten Intervallen linear interpoliert werden. Durchläuft man den gesamten Verstellbereich, so entsteht aus dem Verlauf der interpolierten Tastverhältnisse über dem Verstellbereich schließlich die neue Kennlinie. Für die Randwerte der Kennlinie kann man den benachbarten Wert annehmen, der nicht am Rand liegt. Ebenso sind auch Extrapolationsansätze möglich, um die Randwerte der Kennlinie entsprechend dem sonstigen Verlauf der Kennlinie abzuschätzen.
Anstelle der in 2 gezeigten quasistationären Vorsteuerung kann, wie zuvor bereits erwähnt, auch ein Störgrößenbeobachter eingesetzt werden. Auf diese Ausführung wird in den 3 und 4 eingegangen. Zu beachten ist, dass die quasistationäre Vorsteuerung und der Störgrößenbeobachter auch in Kombination eingesetzt werden können.
3 zeigt eine Anordnung 300 zur Durchführung des Verfahrens. Diese Anordnung dient zur Durchführung einer adaptiven Positionsregelung. Die Darstellung zeigt einen Regler 302, eine dynamische Vorsteuerung 304, eine Strecke 306, einen Störgrößenbeobachter 308 und einen Parameterschätzer 310, der dem Regler 302, der Vorsteuerung 304 und dem Störgrößenbeobachter 308 die Streckenparameter liefert. Mit Bezugsziffer 307 ist der Eingang des Systems, die Sollgröße, bezeichnet.
Der Regler 302, bspw. ein PD-Regler mit einem Kompensator zur Skalierung der Regeldifferenz ermöglicht die Verwendung von festen Reglerparametern, d. h. es ist kein Gainscheduling der Reglerparameter erforderlich. Die Vorsteuerung 304 berücksichtigt ausdrücklich ein dynamisches Modell des Systems. Dadurch lässt sich der Stellaufwand für den Regler 302 bei Sprüngen in der Führungsgröße deutlich verringern. Der Störgrößenbeobachter 308 vergleicht den Ausgang des Reglers 302 mit dem Ausgang des Systems. Damit können nichtlineare Störeinflüsse kompensiert werden.
Der Störgrößenbeobachter 308 vergleicht insbesondere die Stellgröße aus Vorsteuerung 304 und Regler 302 mit den Systemausgängen der Strecke 306. Dazu wird der Systemausgang über das inverse Modell in eine Stellgröße umgerechnet und auf den Ausgang des Reglers 302 aufgeschaltet.
4 zeigt die Anordnung 300 aus 3 in detaillierterer Darstellung. Diese Darstellung zeigt den Regler 302, die dynamische Vorsteuerung 304, die Strecke 306 und den Störgrößenbeobachter 308. Im Detail ist in der Darstellung zu erkennen:

an einem Eingang 402 die Sollgröße für den Exzenterwinkel $θ_{s p}$
in einem ersten Block 404 $\frac{1}{{(τ_{f w d} s + 1)}^{2}}$
in einem zweiten Block 406 $\frac{\hat{a} s^{2} + \hat{b} s}{{(τ_{f w d} s + 1)}^{2}}$
an einem Ausgang 408 das Tastverhältnis aus der dynamischen Vorsteuerung $u_{f w d}$
ein Ausgang 416 mit der prädizierten Größe für die Exzenterwinkelposition $θ_{p r e d}$
ein Eingang 420 das Gesamt-Tastverhältnis $u_{d u t y}$
ein Block 422 mit dem dynamischen Kompensator $\frac{\hat{a} s + \hat{b}}{a_{n o m} s + b_{n o m}}$
ein Block 424 mit dem PID-Regler $k_{p} + \frac{k_{i}}{s} + \frac{k_{d} s}{τ_{d} s + 1}$
ein Ausgang 426 mit dem Tastverhältnis aus dem Regler $u_{c t r l}$
ein Block 430 mit dem dynamischen Filter $\frac{1}{{(τ_{d i s t} s + 1)}^{2}}$
ein Block 432 mit dem dynamischen Filter $\frac{\hat{a} s + \hat{b}}{τ_{d i s t} s + 1}$
ein Block 434 mit dem dynamischen Filter $\frac{s}{τ_{d i s t} s + 1}$
ein Ausgang 436 mit der Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle $\dot{θ}$
ein Block 440 mit dem Anlaufverhalten der Regelstrecke $\frac{1}{a s + b}$
ein Block 442 mit dem Integralanteil der Regelstrecke $\frac{1}{s}$
ein Ausgang 446 mit der Istgröße für den Exzenterwinkel $θ$
ein Eingang 448 mit dem geschätzten Tastverhältnis für die unbekannten Eingangsstörungen $u_{d i s t}$
und ein Eingang 450 mit dem Tastverhältnis der Last $u_{L a s t}$

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005002384 A1 [0010]
DE 102012209384 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Durchführen einer Positionsregelung für ein zumindest teilweise selbsthemmendes Stellsystem, das eine Position mindestens einer Komponente eines technischen Systems stellt, wobei das Stellsystem und die mindestens eine Komponente eine Regelstrecke (208, 306) bilden, die mittels eines mathematischen Modells beschrieben wird, das wiederum durch mindestens einen Parameter definiert wird, wobei zum Ansteuern des Stellsystems eine Regelung und eine Vorsteuerung durchgeführt werden, bei denen jeweils das mathematische Modell der Regelstrecke (208, 306) berücksichtigt wird, und wobei die Parameter des mathematischen Modells während des Betriebs unter Berücksichtigung einer Abweichung zwischen einer erwarteten und einer tatsächlichen Position der Komponente angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Stellsystem ein Ventil-Verstellhubsystem (100) in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zusätzlich eine quasistationäre Vorsteuerung (206) durchgeführt wird, bei der ein mathematisches Modell der Regelstrecke (208, 306) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zusätzlich eine Störgrößenbeobachtung durchgeführt wird, bei der ein mathematisches Modell der Regelstrecke (208, 306) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine dynamische Vorsteuerung (202, 304) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Parameter mit Hilfe eines Modellabgleich-Verfahrens angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Parameter rekursiv und auf Basis der kleinsten Fehlerquadrate abgeschätzt werden.
Anordnung zum Durchführen einer Positionsregelung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, die zusätzlich einen Störgrößenbeobachter (308) aufweist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit, insbesondere einer mobilen Recheneinheit, ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.