DE19943336A1 - Verfahren zur Übersetzungsregelung oder zur Drehzahlregelung - Google Patents

Verfahren zur Übersetzungsregelung oder zur Drehzahlregelung

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Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Übersetzungsregelung für ein stufenloses Automatgetriebe eines Kraftfahrzeugs mittels einer Regelkreisstruktur, die ein nichtlineares Kompensationsglied für den Variator und Regler für die Drücke der beiden Hydraulikstrecken der Variatorscheiben und die Variatorstrecke enthält, enthält die Regelkreisstruktur einen Störgrößenbeobachter, der eine die Modellungenauigkeiten abbildende Störkraft F¶L¶ generiert, wobei die Störkraft zusammen mit dem Sollwert für den Verstellgradienten, der aufgrund externer Vorgaben begrenzt wird, die Eingangsgröße für das Kompensationsglied bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übersetzungs­ regelung/Drehzahlregelung für ein stufenloses Automatge­ triebe eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.
Ein stufenloses Automatgetriebe besteht üblicherweise u. a. aus einer Anfahreinheit, einer Vorwärts-/Rückwärts­ fahreinheit, einer Zwischenwelle, einem Differential, aus hydraulischen und elekronischen Steuereinrichtungen sowie aus einem Variator. Der Variator umfasst üblicherweise einen Pri­ mär- und einen Sekundärvariator. Bei einem Variator nach dem Umschlingungsprinzip ist der Variator üblicherweise mit paar­ weise angeordneten Kegelscheiben ausgebildet und mit einem momentenübertragenden Umschlingungselement versehen, das zwi­ schen den beiden Kegelscheibenpaaren umläuft. In einem derar­ tigen Getriebe wird die aktuelle Übersetzung durch den Lauf­ radius des Umschlingungselementes definiert, der wiederum eine Funktion der axialen Position der Kegelscheinen ist.
Nach dem Stand der Technik wird bei der Ansteuerung von stufenlosen Getrieben in der Regel die Primärdrehzahl des Variators bzw. die Motordrehzahl als Regelgröße für die Einstellung des von der übergeordneten Fahrstrategie vorge­ gebenen Betriebspunkts gewählt.
Hierbei werden üblicherweise Regelkreisstrukturen ver­ wendet, wie sie in der DE 196 06 311 A1 der Anmelderin be­ schrieben sind. Derartige Regelkreisstrukturen kombinieren eine physikalisch-mathematisch modellbasierte Linearisie­ rung der Regelstrecke mittels eines Korrekturgliedes (in­ verses Modell) mit einem linearen PID-Regler.
Nach dem Stand der Technik wird das Verhalten der Hy­ draulik empirisch und daher unvollständig im Rahmen eines sehr einfachen mechanischen Verstellmodells berücksichtigt. Dies hat ein nicht optimales Folgeverhalten des Regelkrei­ ses zur Folge, wodurch insbesondere die stationäre Genauig­ keit sowie die Grunddynamik des geschlossenen Regelkreises beeinträchtigt werden.
Des weiteren ist aus diesem Grunde die Geschwindigkeit der Ansteuerhydraulik ein "Flaschenhals" bei der Effizienz der gesamten Regelung, da diese bei tiefen Temperaturen (insbesondere unter 20°C) stark abnimmt, falls diese Tem­ peratur nicht explizit modellbasiert berücksichtigt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem genannten Stand der Technik die Hydraulik temperaturabhängig und dynamisch im Regler mitzu­ berücksichtigen, um das Grundverhalten des geschlossenen Regelkreises derart zu verbessern, dass die stationäre Ge­ nauigkeit sowie die Grunddynamik des Regelkreises bei Schub/Zug-Lastwechseln verbessert wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Geschwindigkeit der Ansteuerhydraulik wesentlich zu erhöhen und das Heraus- und Hereinverstellen aus bzw. nach LOW und OD zu verbessern.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Dementsprechend wird vorgeschlagen, aus dem Verstell­ modell des Variators mit einem Zustandsschätzverfahren eine Störkraft (Größe FL) zu schätzen. Dies geschieht er­ findungsgemäß mittels der Einführung eines Störgrößenbeob­ achters. Diese Störkraft resultiert aus prinzipbedingten Kennlinienfehlern, sonstigen stationären und dynamischen hydraulischen Steuerfehlern und hydraulischen Toleranzen sowie prinzipbedingten dynamischen Modellfehlern und Unzu­ länglichkeiten des einfach gewählten mechanischen Verstell­ modells. Die Störkraft bildet also alle Ungenauigkeiten des mathematischen Modells zum realen System ab.
Eine rein modellbasierte Kompensation der Fehler ist aufgrund des komplexen Verstellverhaltens des Variators nur durch Modelle höherer Ordnung möglich, die im Rahmen der Erfindung bewußt vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird das Verstellmodell des Variators und die temperaturabhängige Druckdynamik für beide Varia­ torscheiben im Reglermodell berücksichtigt.
Hierbei wird angenommen, dass sich der Temperaturein­ fluß im wesentlichen auf die Aktuatordynamik bzw. Ver­ stelldynamik auswirkt.
Erfindungsgemäß kann die Reglereinstellung des ent­ sprechenden nichtlinearen Kompenationsreglers automatisch nach gängigen Methoden eingestellt werden, da die Ge­ samtübertragungsfunktion linear zeitvariant ist und die Zeitvarianz nur aus den Temperaturanteilen der Hydraulik besteht, die als quasistationär angenommen wird (die Ge­ triebeöltemperatur ändert sich langsam im Vergleich zur Gesamtdynamik).
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem nichtlinearen Kompensationsverfahren nach dem Prinzip der exakten Linearisierung.
Dies bedeutet, dass das Hydraulik-Reglermodell erfin­ dungsgemäß als Block vor dem inversen Streckenmodell und dem Streckenmodell vorgezogen werden kann, so dass sich eine einfache Übertragungsfunktion ergibt.
Die gesamte Reglerauslegung inklusive der Hydrau­ likstrecken ist gemäß einem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung durch das Kompensationsreglerprinzip als tempera­ turabhängiger linearer Regelkreis möglich, der nur die Pa­ rameter Reglerverstärkung, Dämpfung und Zeitkonstante der Hydraulik, die beiderseits temperaturabhängig sind, ent­ hält.
Der mechanische Anschlag ist über den Beobachter de­ tektierbar. Damit sind die Systemgrenzen LOW und OD über den Beobachter fahrzeugspezifisch detektierbar. Weitere Streckeneigenschaften (Variatordämpfung) sind ebenfalls einstellbar oder auch detektierbar.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung am Beispiel eines Umschlingungsvariators näher erläutert. In dieser stellt Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten Reglerstruktur gemäß der Erfindung dar.
Gemäß Fig. 1 besteht die Regelkreisstruktur aus dem Kompensationsglied für den Variator, das dem inversen Mo­ dell der Variatorstrecke entspricht, Regler für die beiden Variatorscheiben (Hydraulikstrecken), die die Drücke beider Scheiben regeln, der Variatorstrecke sowie erfindungsgemäß aus dem Störgrößenbeobachter, der die Störkraft FL gene­ riert. Die als Modellfehler wirkende Störkraft bildet zu­ sammen mit dem Sollwert für den Verstellgradienten des Va­ riators, der aufgrund externer Vorgaben, wie beispielsweise einen Pumpenfördermenge begrenzt wird, die Eingangsgröße für das Kompensationsglied.
Die Hydraulikstrecken werden erfindungsgemäß über eine modellbasierte Vorsteuerung separat geführt, wobei diese Steuerung auf den geschätzten Werten für die hydraulischen Drücke p1, p2 der Druckstrecken von Primär- und Sekundär­ scheibe und deren mathematische Ableitungen 1, 2, die vom Störgrößenbeobachter des dynamischen Verstellmodells gelie­ fert werden, basiert.
Die Reglereinstellung des zugehörigen nichtlinearen Kompensationsreglers wird erfindungsgemäß automatisch (und abhängig von der Getriebeöltemperatur) nach der Methode des Betragsoptimums eingestellt. Damit wird temperaturunabhän­ gig ein gut gedämpftes, weitgehend überschwingfreies Ver­ halten erreicht. Basisdaten für die automatische Reglerein­ stellung sind gemessene Zeit- und Dämpfungskonstanten der hydraulischen Strecken.
Der Druckaufbau in einer Scheibe wird in einem Tempe­ raturarbeitspunkt näherungsweise durch eine lineare Regel­ strecke 2ter Ordnung mit Dämpfung D und Zeitkonstante T beschrieben.
Das dynamische Verstellmodell, das für den Störgrößen­ beobachter und für die Regelung verwendet wird, wird für einen Umschlingungsvariator durch folgende Gleichungen be­ schrieben:
mit
p1: Druck in Primärscheibe des Umschlingungsvariators
p2: Druck in Sekundärscheibe des Umschlingungsvariators
iv: Variatorübersetzung
FL: Störkraft, L mathematische Ableitung der Störkraft
i1: Strom auf Primärdruckregler
i2: Strom auf Sekundärdruckregler
D1,2: Dämpfungskonstanten für Primär- und Sekundärscheibe
T1,2: Zeitkonstanten für Primär- und Sekundärscheibe
d: Variatordämpfung
A1,2: Scheibenflächen der Variatorscheiben
kpks: Verhältnis der Kräfte am Umschlingungsvariator
P1,2soll: Sollwerte für die Scheibendrücke (Stellgröße des Reglers)
f(i1), f(i2): Kennlinien (im folgenden auch mit #kl bezeichnet)
c_getr: Getriebetemperatur
Die real wirksame Abhängigkeit der Variatordämpfung d von der Übersetzung wird für das Modell des Störgrößenbeob­ achters vernachlässigt.
Die Störgröße FL wird für den Störgrößenbeobachter erfin­ dungsgemäß als konstant angenommen, d. h. es wird von einer insgesamt konstanten Modellgenauigkeit ausgegangen. Somit ist die Störgröße FL nach einem regelungstechnisch bekann­ ten Schätzverfahren bestimmbar. Bekanntlich ist die Lage der Pole in der Regelungstechnik ein Maß für die Dynamik und die Stabilität eines Regfelkreises. Über die Polvorgabe ist die Änderungsgeschwindigkeit der Störgröße beliebig einstellbar.
Ziel der modellbasierten Vorsteuerung ist die Bein­ flussung der 4 hydraulischen Pollagen der beiden Drucksteu­ erstrecken von Primärvariator (Primärscheibe) und Sekun­ därvariator (Sekundärscheibe)
derart, daß die neuen 4 Pollagen (mit dem Index N versehen)
für die Druckstrecken der Primär- und Sekundärscheibe ein­ stellbar sind.
Voraussetzung dafür ist, daß der Beobachter die richti­ gen Zeitkonstanten der Hydraulik berücksichtigt. Die Vor­ steuerung erhält die Drücke p1 und p2 der Druckstrecken von Primärvariator (Primärscheibe) und Sekundärvariator (Sekun­ därscheibe) sowie deren mathematische Ableitungen 1 und 2 aus dem Störgrößenbeobachtermodell.
Aus der Übertragungsfunktion des P-geregelten ge­ schlossenen Regelkreises für das regelungstechnische Füh­ rungsübertragungsverhalten Gw(s) im Laplace-Bereich (s)(ivsoll(s): Sollübersetzung):
oder mit PI-Regelung:
werden z. B. im Tipmodus bei verschiedenen Temperaturstütz­ stellen und bei fixer Reglereinstellung Sprungantworten aufgenommen. Aus diesen Sprungantworten wird der Dämpfungs­ parameter D(c_getr) und die charakteristische System-Zeit­ konstante T(c_getr) erfindungsgemäß als Kennlinie appli­ ziert. Aus den zugehörigen hydraulischen Sprüngen der bei­ den Druckstrecken von Primär- und Sekundärscheibe werden die Parameter D1,2(c_getr)und T1,2(c_getr) ebenfalls als Kennli­ nie appliziert.
Dabei sind folgende hydraulische Übertragungsfunktio­ nen angenommen:
und
Im folgenden werden Beispiele der Initialisierung für unterschiedliche Kennlinien #kl gegeben:
Beispielinitialisierung #kl_iv_D1 (Kennlinie ps1 Dämpfung)
Beispielinitialisierung #kl_iv_T1 (Kennlinie ps1 Zeitkon­stante)
Beispielinitialisierung #kl_iv_D2 (Kennlinie ps2 Dämpfung)
Beispielinitialisierung #kl_iv_T2 (Kennlinie ps2 Zeitkon­stante)
Aus der Führungsübertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises mit P-Regelung
wird nunmehr erfindungsgemäß die Reglerverstärkung kp temperaturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
eingestellt. Damit entfällt die Parameterapplikation der Verstärkung.
Aus der Führungsübertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises mit PI-Regelung
wird nunmehr erfindungsgemäß die Reglerverstärkung kp tem­ peraturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
und der I-Anteil temperaturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
ki(c_getr) = 2D(c_getr)2
eingestellt. Dadurch entfällt eine Parameterapplikation sowohl der Verstärkung als auch des I-Anteils.

Claims (11)

1. Verfahren zur Übersetzungsregelung oder zur Dreh­ zahlregelung für ein stufenloses Automatgetriebe mit einem Variator mittels einer Regelkreisstruktur, die ein nichtli­ neares Kompensationsglied für den Variator, das dem inver­ sen Modell der Variatorstrecke entspricht, Regler für die Drücke der beiden Hydraulikstrecken des Variators enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel­ kreisstruktur einen Störgrößenbeobachter enthält, der eine die Modellungenauigkeiten abbildende Störkraft FL gene­ riert, wobei die Störkraft zusammen mit dem Sollwert für den Verstellgradienten des Variators die Eingangsgröße für das Kompensationsglied bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Störkraft FL aus dem Verstellmodell des Variators mit einem Zustandsschätzver­ fahren mittels des Störgrößenbeobachters geschätzt wird, wobei die Störkraft aus prinzipbedingten Kennlinienfehlern, sonstigen stationären und dynamischen hydraulischen Steuer­ fehlern und hydraulischen Toleranzen sowie prinzipbedingten dynamischen Modellfehlern und Unzulänglichkeiten des mecha­ nischen Verstellmodells resultiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Regelkreis die tempera­ turabhängige Druckdynamik für beide Variatorscheiben be­ rücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Druckaufbau in einer Scheibe in einem Temperaturarbeitspunkt näherungsweise durch eine lineare Regelstrecke 2ter Ordnung mit einer Dämpfung (D) und einer Zeitkonstante (T) näherungsweise beschrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Reglerauslegung inklusive der Hydraulikstrecken durch das Kompensationsreglerprinzip als temperaturabhängiger linea­ rer Regelkreis fungiert, der nur die Parameter Reglerver­ stärkung, Dämpfung und Zeitkonstante der Hydraulik, die beiderseits temperaturabhängig sind, enthält.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reg­ lereinstellung des nichtlinearen Kompenationsgliedes auto­ matisch nach gängigen Methoden linearer Regelkreise einge­ stellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Reglereinstellung des zugehö­ rigen nichtlinearen Kompensationsgliedes automatisch nach der Methode des Betragsoptimums eingestellt wird, wobei Basisdaten für die automatische Reglereinstellung gemessene Zeit- und Dämpfungskonstanten der hydraulischen Strecken sind.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrau­ likstrecken über eine modellbasierte Vorsteuerung separat geführt werden, wobei diese Steuerung auf den geschätzten Werten für die hydraulischen Drücke der Druckstrecken vom Primärvariator und Sekundärvariator (p1, p2) und deren ma­ thematischen Ableitungen (1, 2), die vom Störgrößenbeob­ achter des dynamischen Verstellmodells geliefert werden, basiert.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dynami­ sche Verstellmodell, das für den Störgrößenbeobachter und für die Regelung verwendet wird, durch folgende Gleichungen beschrieben wird:
mit
p1: Druck in Primärscheibe des Umschlingungsvariators
p2: Druck in Sekundärscheibe des Umschlingungsvariators
iv: Variatorübersetzung
FL: Störkraft, L: mathematische Ableitung der Störkraft
i1: Strom auf Primärdruckregler
i2: Strom auf Sekundärdruckregler
D1,2: Dämpfungskonstanten für Primär- und Sekundärscheibe
T1,2: Zeitkonstanten für Primär- und Sekundärscheibe
d: Variatordämpfung
A1,2: Scheibenflächen der Variatorscheiben
kpks: Verhältnis der Kräfte am Umschlingungsvariator
P1,2soll: Sollwerte für die Scheibendrücke (Stellgröße des Reglers)
f(i1), f(i2): Kennlinien (im folgenden auch mit #kl bezeichnet)
c_getr: Getriebetemperatur, wobei die Störgröße FL für den Störgrößenbeobachter als konstant angenommen wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Übertragungsfunktion des P-geregelten geschlossenen Regel­ kreises für die Übersetzung iv im Laplace- Bereich (s)(ivsoll(s): Sollübersetzung):
oder der Übertragungsfunktion mit PI-Regelung.
bei verschiedenen Temperaturstützstellen c_getr und bei fixer Reglereinstellung (kp, ki) Sprungantworten aufgenommen werden, wobei aus diesen Sprungantworten der Dämpfungspara­ meter D(c_getr) und die charakteristische System-Zeitkon­ stante T(c_getr) als Kennlinie appliziert werden und aus den zugehörigen hydraulischen der beiden Druckstrecken von Pri­ mär- und Sekundärscheibe die Parameter D1,2(c_getr) und T1,2(c_getr) ebenfalls als Kennlinie appliziert werden und wobei folgende hydraulische Übertragungsfunktionen verwen­ det werden:
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Füh­ rungsübertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises mit P-Regelung
die Reglerverstärkung kp temperaturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
eingestellt wird und dass aus der Führungsübertragungsfunk­ tion des geschlossenen Regelkreises mit PI-Regelung
die Reglerverstärkung kp temperaturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
und der I-Anteil temperaturabhängig mit der Methode des Betragsoptimums auf
ki(c_getr) = 2D(c_getr)2
eingestellt werden.
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