DE3605117A1 - Vorrichtung zur regelung der fahrzeuggeschwindigkeit - Google Patents
Vorrichtung zur regelung der fahrzeuggeschwindigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur
Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Vorrichtung,
mittels der eine konstante Geschwindigkeit mit minimalem Kraftstoffverbrauch eingehalten wird, wobei die Regelung entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich eines zu regelnden Objekts durchgeführt wird, und wobei das zu regelnde Objekt die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs und den Kraftübertragungsmechanismus bzw. das Getriebe umfaßt.
Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Vorrichtung,
mittels der eine konstante Geschwindigkeit mit minimalem Kraftstoffverbrauch eingehalten wird, wobei die Regelung entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich eines zu regelnden Objekts durchgeführt wird, und wobei das zu regelnde Objekt die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs und den Kraftübertragungsmechanismus bzw. das Getriebe umfaßt.
Bei bekannten Geschwindigkeitsregelvorrichtungen für
Fahrzeuge, wie Automobile, wird die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung erfaßt und dann der Öffnungsgrad der
Drosselklappe einer Brennstoffkraftmaschine des Fahrzeugs derart geregelt, daß die Abweichung der erfaßten Fahr-
Fahrzeuge, wie Automobile, wird die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung erfaßt und dann der Öffnungsgrad der
Drosselklappe einer Brennstoffkraftmaschine des Fahrzeugs derart geregelt, daß die Abweichung der erfaßten Fahr-
17.02.1986 · 6' "Γ, "X&Wr"l5Npöl5^3«-.di
zeuggeschwindigkeit von einer voreingestellten konstanten
Geschwindigkeit zu null wird. Eine derartige Regelvorrichtung ist beispielsweise aus der japanischen Patentveröffentlichung
59-33874 und ebenfalls aus einer Nachanmeldung hiervon der US-PS 4 047 506 bekannt.
Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es wünschenswert, daß die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs nicht von der
konstanten Geschwindigkeit abweicht, und daß mögliche Abweichungen unterdrückt werden. Des weiteren ist es
wünschenswert, daß der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine so klein als möglich gemacht wird.
Be'i der bekannten Regelvorrichtung für die Fahrzeuggeschwindigkeit
wird jedoch die Regelung der Kraftstoffmenge unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit durch
das Justieren der Drosselklappe bewirkt, und daher treten zwischen diesen beiden Regelsystemen Interferenzen bzw.
gegenseitige Beeinflussungen auf, wenn man die Ansprechcharakteristik
bzw. das Regelverhalten verbessern möchte. Insbesondere wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit absinkt,
' die Drosselklappe geöffnet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen und dann wird die
zugeführte Luftmenge erhöht, um die Kraftstoffzufuhr zu
erhöhen. Folglich wird die Fahrzeuggeschwindigkeit erhöht. Inszwischen regelt das Regelsystem für den Kraftstoff
die Kraftstoffzufuhr, um den Kraftstoffverbrauch
zu optimieren. Folglich wird die Leistung des Motors verringert, was wiederum zu einer verringerten Fahrzeuggeschwindigkeit
führt. In dieser Weise werden die oben erwähnten Regelschritte wiederholt durchgeführt, was zu
einem Schwingen des Systems führt. Folglich variiert die Fahrzeuggeschwindigkeit um den gegebenen Sollwert.
Bei dieser bekannten Regelvorrichtung für die Fahrzeuggeschwindigkeit
ist die Ansprech- bzw. Regelcharakteri-
18.02.1986 · 7- 'ξ ^K&Ws 4βϊ?00=156°3°~θΓ
stik des Regelsystems nicht befriedigend, da das Regelsystem
nicht auf dynamischen Charakteristika bzw. dynamischen Parametern, wie beispielsweise der tragen
Masse, basiert. Wenn ein Fahrzeug auf einer bergigen Straße mit Steigungen und Gefälle gefahren wird? variiert
die Fahrzeuggeschwindigkeit drastisch.
A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemaß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mittels
der unter Verwendung der sogenannten modernen Regelungstheorie die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen konstanten
Geschwindigkeitswert geregelt wird, wobei die sugeführte
Luftmenge einen minimalen Kraftstoffverbrauch verursacht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer
Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanxsmus als ein geregeltes Objekt geschaffen, das folgendes aufweist:
eine Detektorvorrichtung für die Zufuhrluftmenge
zum Erzeugen eines Luftzufuhrsignals, das kennzeichnend für den der Brennkraftmaschine zugeführten Luftstrom ist,
eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung zum Erzeugen
eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals? kennzeichnend für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs v eine
Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung über die Luft und Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt werden,
wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung des Luftstroms und/oder der der Brennkraftmaschine züge-
18.02.1986
K&W:;16MDQ155^-01
führten Kraftstoffmenge geregelt wird, eine Sollgeschwindigkeitseinstellvorrichtung
zum Einstellen einer konstanten Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit entsprechend dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein
Reisemodus ausgewählt ist, einer Sollwerteinstellvorrichtung für die Zufuhrluftmenge zum Einstellen einer
Luftzufuhr entsprechend einem minimalen Kraftstoffverbrauch, der es ermöglicht, daß eine konstante Reisegeschwindigkeit
auf der Basis eines Korrelationsmusters zwischen der Kraftstoffmenge und der Luftzufuhr, das
entsprechend der konstanten Sollgeschwindigkeit voreingestellt wird, beibehalten wird und einen optimalen Zustandsregler
mit zusätzlichem Integralteil (integral-added optimal regulator) zum Bestimmen der konstanten SoIl-
bzw. Reisegeschwindigkeit aufgrund der Sollzufuhrluftmenge, und von Reglereingangs- bzw. Reglerausgangswerten
des geregelten Objekts, von einem Rückkopplungsbetrag bzw. von Rückkopplungsbeträgen zu der Regelgröße bzw. zu
den Regelgrößen der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung auf der Basis einer Arbeitsgleichung bzw. auf
der Basis von Arbeitsgleichungen, die zur Abschätzung des inneren Zustands des geregelten Objekts verwendet werden,
und die entsprechend einem dynamischen Modell eines Systems bezüglich des geregelten Objekts im voraus festgelegt
werden, und auch auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten,
wobei der optimale Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil dann eines oder mehrere Reglersignale
auf der Basis des festgelegten Rückkopplungsbetrag bzw. der festgelegten Rückkopplungsbeträge an
die Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung ausgibt.
17.02.1986 ··»· '; 'KSWs ;l@WD01563^Ql.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das unerwünschte Schwingen bzw» Oszillieren
der Fahrzeuggeschwindigkeit effektiv verhindert wird, während die Ansprech- bzw. Regelcharakteristik verbessert
wird, und die Variationen der Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen vernachlässigbar kleinen Wert vermindert werden,
selbst wenn ein Kraftfahrzeug auf hügeligen Straßen gefahren wird. Diese Vorteile ergeben sich aufgrund der
Anwendung der Mehrvariablenregelung (multi-variable feedback control) gemäß der modernen Regelungstheorie.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein minimaler Kraftstoffverbrauch gewährleistet
ist, unabhängig davon, ob dauernde Abweichungen oder Variationen der Abmessungen des Motors oder der zugehörigen
Peripheriegeräte vorhanden sind, da der minimale Kraftstoffverbrauch mittels einer lernenden Logik gefunden
wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
eine Sollzufuhrluftmenge auf einen Wert festgelegt wird, der die zugeführte Kraftstoffmenge auf der Basis einer
Korrelation zwischen der zugeführten Luftmenge und der zugeführten Kraftstoffmenge minimiert, wenn die Fahrgeschwindigkeit
konstant gemacht wird«, Die Regelvorrichtung ist als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem
Integralteil (integral-added optimal regulator) ausgebildet, der den Rückkopplungsbetrag auf der Basis
optimaler Reglerkoeffizienten (optimal feedback gain)
bestimmt, die entsprechend einem dynamischen Modell des Systems bezüglich der Funktion eines zn regelnden Objekts
unter Einschluß der Brennkraftmaschine vorbestimmt worden sind.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
17.02.1986 IV -.. K£W: 1651001563-01/
W l Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie-
= genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand
der Zeichnung.
Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Diagramm der grundlegenden Struktur der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm, das den
Zusammenhang zwischen der Kraftstoffmenge und der zugeführten Luftmenge während der Fahrt des
Automobiles zeigt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine und der zugehörigen Peripheriegeräte als
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm des Regelsystems der Ausführungsform
gemäß Fig. 3,
Fig. 5 ein Blockdiagramm, das zur Identifizierung eines
Modells des Systems der Ausführungsform von Figs. 3 und 4 verwendet wird,
Fig. 6 ein Signalflußdiagramm, das zur Aufstellung der
Übertragungsfunktion verwendet wird,
Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Regelung mittels eines
optimalen Zustandsreglers mit zusätzlichem Integralteil gemäß der beschriebenen Ausführungsform,
Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Regelungsablaufs zur Minimierung
des Kraftstoffverbrauchs, und
• Λπ · · ·.
17.02.1986 '" ; SSW:
Fig. 9 einen Graphen, der die Regelcharakteristik der beschriebenen Ausführungsform zeigt.
In der nachfolgen Beschreibung werden gleiche oder entsprechende Teile und Elemente durchgehend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet»
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der grundlegenden Struktur der vorliegenden Erfindung.
Das zu regelnde Objekt ist eine Brennkraftmaschine und ein Kraftübertragungsmechanismus eines Fahrzeugmotors.
Das geregelte Objekt wird mit dem Bezugszeichen Ml bezeichnet und eine Drosselklappe M3 des Motors spricht
auf eine Drosselklappenbetätigungsvorrichtung M4 anf die
wiederum auf ein Signal θ aus einem optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil MlO anspricht, der
später beschrieben wird. Das geregelte Objekt Ml ist mit einer oder mehreren Einspritzdüsen M2, einem Zufuhrluftmengenmesser
bzw. einer Zufuhrluftmengenmeßvorrichtung M5, einer Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung M6
und einer Hilfsdetektorvorrichtung M7 ausgerüstet. Die Kombination der Einspritzdüse M2, der Drosselklappe M3
und der Drosselklappenbetätigunysvorrichtung M4 wird nachfolgend als Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung
MIl bezeichnet. Das Regelungssystem gemäß Fig« I umfaßt
des weiteren eine Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge und eine Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung
M8. Die verschiedenen genannten Bauteile und Vorrichtungen sind miteinander verbunden und
bilden eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei diese Vorrichtung folgendes aufweist:
die Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung MIl,
durch die Luft und Kraftstoff der Brennkraftmaschine des geregelten Objekts Ml zugeführt werden„ der Zufuhrluftmengenmeßvorrichtung
M5, der Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung M6 und der Hilfsdetektorvorrichtung M7,
17.02.1986 **' -; K&W: 1 ÖND'015 63-.Ql'
Einstellung
36051
wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung der zugeführten Luftmenge und/oder der dem Motor zugeführten
Kraftstoffmenge geregelt wird, eine Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung M8 zum Einstellen
einer konstanten Fahrgeschwindigkeit entsprechend einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein Fahrmodus festgelegt
ist, eine Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge, die einer minimalen Kraftstoffmenge
entspricht, mittels der die Reisegeschwindgikeit bzw. Fahrgeschwindigkeit auf der Basis eines Korrelationsmusters,
das entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit vorbestimmt wird, zwischen der Kraftstoffmenge und der zugeführten
Luftmenge aufrechterhalten wird, einen optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil MlO
(integral-added optimal regulator) zum Festlegen des Rückkopplungsbetrags bzw. der Rückkopplungsbeträge der
Regelgröße bzw. der Regelgrößen auf der Basis einer Bestimmungsgleichung bzw. Bestimmungsgleichungen (operating
equation), die zur Abschätzung des inneren Zustands des geregelten Objekts Ml verwendet werden, die entsprechend
einem dynamischen Modell des Systems bezüglich des geregelten Objekts Ml vorbestimmt sind, und optimaler Reglerkoeffizienten
(optimal feedback gain) durch Empfang der Sollzufuhrluftmenge, der Fahrgeschwindigkeit und der
Führungsgröße(n) des geregelten Objekts Ml, und zur Ausgabe von einem oder mehreren Regelsignalen basierend auf
dem festgelegten Rückkopplungsbetrag, bzw. Rückkopplungsbeträgen zu der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung
MIl.
Die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge ist zur Einstellung einer Zufuhrluftmenge ausgelegt,
die die zugeführte Kraftstoffmenge bei einer gegebenen
Fahrzeuggeschwindigkeit folgendermaßen minimiert:
17.02.1986 " **' *· ffl: >
Fig. 2 zeigt ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm, durch
das die Beziehung zwischen zugeführten Kraftstoffmenge FR
und der zugeführten Luftmenge AR während der Fahrt eines Automobiles darstellt. Es sei angenommen, daß ein Kraftfahrzeug
sich gemäß einem Punkt "b" bewegt, wobei die
zugeführte Luftmenge Ab und die zugeführte Kraftstoffmenge Fb ist. Es versteht sich, daß die vorherige Geschwindigkeit beibehalten wird, selbst wenn die zugeführte Luftmenge um ΔΑο erhöht und die zugeführte Kraftstoffmenge um 4Fo verringert wird, so daß die zugeführte Kraftstoffmenge FR minimal wird. (Siehe Punkt "a", definiert durch Aa und Fa). Während die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge zur Festlegung
der zugeführten Luftmenge ausgelegt ist, die eine mini-
zugeführte Luftmenge Ab und die zugeführte Kraftstoffmenge Fb ist. Es versteht sich, daß die vorherige Geschwindigkeit beibehalten wird, selbst wenn die zugeführte Luftmenge um ΔΑο erhöht und die zugeführte Kraftstoffmenge um 4Fo verringert wird, so daß die zugeführte Kraftstoffmenge FR minimal wird. (Siehe Punkt "a", definiert durch Aa und Fa). Während die Sollwerteinstellvorrichtung M9 für die zugeführte Luftmenge zur Festlegung
der zugeführten Luftmenge ausgelegt ist, die eine mini-
male Kraftstoffmenge FR bei einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit
SPDG ermöglicht, wird die Vorrichtung M9 gemäß der folgenden elektronischen Regelvorrichtung geregelt.
Die elektronische Regelvorrichtung umfaßt einen Mikroprozessor
MPU und Speichervorrichtungen in Form von ROMs und RAMs und periphere Bauteile, darunter Eingabe/Ausgabe-Bauteile.
Der Mikroprozessor dient zur Durchführung
der Regelung, so daß der Fahrzustand des Fahrzeugs sich
der Regelung, so daß der Fahrzustand des Fahrzeugs sich
einem Sollzustand annähert, wobei ein durch die Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung
M8 eingestellter Sollwert und Variable des geregelten Objekts verwendet
werden, wobei ein Rückkopplungsbetrag verwendet wird, der durch optimale Regelerkoeffizienten festgelegt wird, die wiederum mittels eines dynamischen Modells eines Systems bezüglich des Primärantriebs (prime mover) des Fahrzeugs und dem Kraftübertragungsmechanismus des Fahrzeugs festgelegt sind. Hierfür umfaßt die elektronische Regelvorrichtung einen optimalen Zustandsregler MIO mit zusätz-
werden, wobei ein Rückkopplungsbetrag verwendet wird, der durch optimale Regelerkoeffizienten festgelegt wird, die wiederum mittels eines dynamischen Modells eines Systems bezüglich des Primärantriebs (prime mover) des Fahrzeugs und dem Kraftübertragungsmechanismus des Fahrzeugs festgelegt sind. Hierfür umfaßt die elektronische Regelvorrichtung einen optimalen Zustandsregler MIO mit zusätz-
lichem Integralteil, der optimale Reglerkoeffizienten unter
Verwendung einer Sollzufuhrluftraenge, die durch die
. A.
18.02.1986 - K&W: 1'6ND 015 6.3-.01
Sollwerteinstellvorrichtung für die zugeführte Luftmenge M9 eingestellt worden ist, und der bzw. den Variablen des
geregelten Objekts Ml festlegt.
Ein Verfahren zum Aufbau eines derartigen optimierten Zustandsreglers mit zusätzlichem Integralteil ist im Detail,
beispielsweise in dem Buch "Linear System Control Theory" von Katsuhisa Furuta, Verlag Shokodo Japan, 1976,
beschrieben. Eine Übersicht über dieses Verfahren zur ^o Bildung eines solchen Reglers wird nachfolgend gegeben:
In der folgenden Beschreibung bezeichnen die Bezugszeichen F, X, A, j3, C, y, u, L, G, Q, R, T, P Vektoren bzw.
T T Matrizen. Ein hochgestelltes , z.B. A , bezeichnet eine
transponierte Matrix. Mit einem hochgestellten , z.B.
A bezeichnet man eine inverse Matrix. Ein Symbol *"* ,
z.B. X bezeichnet einen Schätzwert bzw. eine Näherung. Ein Symbol ""* , z.B. C bezeichnet einen durch ein anderes
System behandelten Betrag, d.h. einen Zustandsbeobachter (state observer), der nachfolgend nur noch als Beobachter
(observer) bezeichnet wird, wobei dieser Betrag durch Transformation oder ähnliches von dem System erzeugt
wird, das ein geregeltes Objekt darstellt. Ein Symbol, "*", z.B. y*, bezeichnet einen Sollwert bzw. eine Sollgröße.
In der modernen Regelungstheorie ist es bekannt, daß bei der Regelung eines zu regelnden Objekts, d.h. in diesem
Fall der Brennkraftmaschine und dem Kraftübertragungsmechanismus, das dynamische Verhalten des geregelten Objekts
in einem diskreten Zeitsystem wie folgt beschrieben wird:
X (k) = A · X (k-1) + B · u (k-1) ... (1)
y (k) = C · X (k) ... (2)
17.02.1986 ;
Die Gleichung 1 wird Zustandsgieichung und die Gleichung (2) wird Ausgangsgleichung genannt. Der Ausdruck X (k)
bezeichnet die Zustandsvariablen, die den inneren Zustand des geregelten Objekts Ml darstellen. Der Term η (k) bezeichnet
Vektoren, die Variablen umfassen, die kennzeichnend für die Führungsgröße (Reglereingang) des geregelten
Objekts Ml sind. Der Term y (k) bezeichnet Vektoren, die Variablen umfassen, die den Reglerausgangs des
zu regelnden Objekts Ml darstellen. Die Gleichungen (1) und (2) sind jeweils in einem diskreten Zeitsystem
beschrieben und die Laufvariable "k" bezeichnet den Wert zum jetzigen Zeitpunkt, während die Laufvariable "k-1"
den Wert zu einem Zeitpunkt bezeichnet, der einen Abtastzyklus
vor dem jetzigen Zeitpunkt liegtβ
Die Zustandsvariablen X (k), die die internen Zustände des geregelten Objekts Ml kennzeichnen, stellen Informationen
die Systemgeschichte betreffend dar, die notwendig und hinreichend zur Voraussage der zukünftigen Entwicklung
des Regelungssystems sind. Damit wird das dynamische Modell des System, die Betriebsweise des geregelten Objekts
Ml betreffend, deutlich, und wenn wir die Vektoren bzw. Matrizen A, B und C der Gleichungen (1) und (2)
festlegen, ist es möglich, das zu regelnde bzwo das geregelte
Objekt unter Verwendung der Zustandsvariablen X (k) optimal zu regeln. Ein derartiges Regelsystem muß erweitert
und entwickelt werden, was nachfolgend beschrieben wird.
Es ist schwierig, von so einem komplexen Objekt, wie das
geregelte Objekt Ml mit einer Brennkraftmaschine, theoretisch ein genaues dynamisches Modell zu erstellen, und
es ist daher notwendig, dieses durch Experimente zu finden. Es wird ein Verfahren zur Erstellung eines solchen
Modells vorgestellt, das Systemidentifikation genannt wird, wobei das geregelte Objekt Ml unter einem gegebenen
17.02.1986 ' nv* KSW: 162JD0156-3-01
Zustand betrieben wird, wird das Modell entsprechend der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) konstruiert,
mit denen eine lineare Näherung des gegebenen Zustands durchgeführt wird. Daher kann, obwohl das dynamische
Modell bezüglich der Betriebsweise für den Fall des geregelten Objekts Ml mit einer Brennkraftmaschine
nicht-linear ist, eine lineare Näherung durch Aufteilung in eine Mehrzahl von normalen Betriebszuständen durchgeführt
werden, und es ist daher möglich, jedes dieser dynamischen Modelle festzulegen.
Falls das zu regelnde Objekt von der Art ist, von dem vergleichsweise leicht ein physikalisches Modell aufgestellt
werden kann, kann das Modell, d.h. die Matrizen A, B und C des dynamischen Systems durch Systemidentifikation
festgelegt werden, was wiederum mittels eines Verfahrens, wie z.B. in dem Frequenzgangverfahren oder der
Spektralanalyse bzw. Schwingungsanalyse durchgeführt werden kann. Für den Fall eines geregelten Objekts in
Form eines mehrvariabligen Systems, wie der Brennkraftmaschine, ist es jedoch schwierig, ein derartiges physikalisches
Modell aufzustellen, das genau approximiert wird, und in einem solchen Fall wird das dynamische Modell
mittels dem Verfahren der kleinsten Quadrate (least square method) dem Verfahren mit instrumentellen Variablen
(instrumental variable method) oder der On-Line-Identifikation erzeugt.
Ist einmal ein dynamisches Modell festgelegt, wird der Betrag der Rückkopplung aus den Zustandsvariablen X (k)
den Reglerausgängen y (k) und den zugehörigen Sollwerten y (k) festgelegt, so daß die Führungsgröße u (k) theoretisch
und optimal festgelegt wird. In einem System mit einer Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanismus
können die Variablen, die die Funktion bzw. die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine direkt beeinflussen,
17.02.1986 . KiWs 1"5NPO15635-01.
wie die tatsächlich angesaugte Luftmenge und das dynamische Verhalten der Verbrennung, oder die Menge des
Kraftstoffs in dem Verbrennungsgemisch, dem Ausgangsdrehmoment der Brennkraftmaschine, etc. als Zustandsvariable
X (k) behandelt werden. Die meisten dieser Variablen sind jedoch nur schwer direkt zu messen, Deshalb ist
in der elektronischen Regeleinheit eine Vorrichtung, ein sogenannter Zustandsbeobachter bzw. Beobachter vorgesehen,
mit dem es möglich ist, die Zustandsvariablen des Systems unter Verwendung der Führungsgrößen bzw» Reglereingänge
und der Reglerausgänge des Systems abzuschätzen. Dies ist der sogenannte Beobachter der modernen Regelungstheorie
und es sind verschiedene Arten von Beobachte'rn und verschiedene Arten zu deren Festlegung bekannt.
Dies ist im Detail beispielsweise in der Veröffentlichung "Mechanical System Control" von Katsuhisa Furuta, Verlag
Ohm Co. Ltd., 1984, beschrieben und der Beobachter kann als ein Beobachter minimaler Ordnung (minimal order observer)
oder als ein in endlicher Zeit ausregelnder Beobachter (finite time settling observer) entsprechend der
Art des zu regelnden Objekts ausgestaltet werden, d.h. in diesem Fall entsprechend einem System, dessen Hauptbestandteile
die Brennkraftmaschine und der Kraftübertragungsmechanismus sind.
Die elektronische Regeleinheit steuert die Einspritzdüsen M2 und die Drosselklappenbetätigungsvorrichtung M4 in
einem erweiterten System unter Verwendung gemessener Zustandsvariablen oder unter Verwendung von Zustandsvariablen
X (k), die mittels des oben erwähnten Beobachters abgeschätzt worden sind, und einem akkumulierten Wert,
der durch Akkumulierung der Differenzen zwischen einer Sollzufuhrluftmenge, die durch die Sollwerteinstellerrichtung
für die zugeführte Luftmenge M9 eingestellt worden ist, und einer aktuell zugeführten Luftmenge
erhalten worden ist, und auch einem akkumulierten Wert
17.02.1986 . KSW: 16ND01563-01
der Differenzen zwischen der durch die Fahrzeuggeschwindigkeitseinstellvorrichtung
M8 eingestellten Fahrzeuggeschwindigkeit und der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit,
indem ein optimaler Rückkopplungsbetrag aus diesen beiden Werten und aus vorbestimmten optimalen Reglerkoeffizienten
gebildet wird. Diese akkumulierten Werte sind notwendig, da die Sollwerte der Betriebszustände
in Abhängigkeit der Anforderungen des geregelten Objekts Ml variieren. Bei der Regelung eines Servo- bzw.
Regelungssystems wird im allgemeinen verlangt eine Regelung zur Eliminierung der bleibenden Regelabweichung
zwischen dem Sollwert und einer aktuellen Regelgröße durchzuführen, und dies entspricht der Notwendigkeit der
Berücksichtigung von l/S (Integration der £. Ordnung in
einer Übertragungsfunktion. Für den Fall, daß eine Zustandsgleichung
mit der übertragungsfunktion des Systems erstellt wird, welches mittels Systemidentifikation, wie
oben beschrieben, bestimmt wird, ist es vorteilhaft, einen solchen integrierten Betrag im Hinblick auf die
Stabilität gegenüber Rauschen einzuschließen. In der vorliegenden Erfindung gilt /C=I, d. h. es wird die Integration
erster Ordnung berücksichtigt. Wenn daher der akkumulierte Wert zur Erweiterung des Systems in die oben
genannte Zustandsvariable X (k) eingeführt wird, um einen Rückkopplungsbetrag aus diesen Werten und vorbestimmten
optimalen Reglerkoeffizienten F festzulegen, werden die Reglereingänge des zu regelnden Objekts als ein optimaler
Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil festgelegt.
Als nächstes wird der Zusammenhang mit den optimalen Reglerkoeffizienten
beschrieben. In einem optimalen bzw. angepaßten Regler, dem, wie oben beschrieben, ein integrales
Element angefügt wird, wird der Weg zum Auffinden einer Führungsgröße, die einen Leistungsindex bzw. ein
Gütekriterium J minimiert, klar gemacht, während auch bekannt ist, daß die optimalen Reglerkoeffizienten auch
18.02.1986
aus einer Lösung der Riccati-Gleichung, den Matrizen A,
B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2) und den für das Gütekriterium verwendeten Wichtungsparametern
(siehe oben erwähntes Buch) abgeleitet werden können. Hierzu werden die Wichtungsparameter anfänglich
willkürlich festgelegt, um die Wichtung bei der Regelung, durch das Gütekriterium J, des Verhaltens der Brennkraftmaschine
usw. zu verändern. Es ist möglich, einen optimalen Wert durch Wiederholung der Simulation durch
Änderung der Wichtungsparameter um einen gegebenen Betrag aus dem Verhalten der Betriebszustandvariablen festzulegen,
der sich als Ergebnis einer Simulation ergibt, die mit einem großen Computer und einem willkürlich vorgegebenen
Wichtungsparameter durchgeführt wird» Als Ergebnis werden auch optimale Reglerkoeffizienten F festgelegt.
Deshalb ist die elektronische Regeleinheit in der Vorrichtung zur Regelung einer Brennkraftmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung als ein optimaler Zustandsregler niit zusätzlichem Integralteil ausgebildet, wobei ein
dynamisches Modell der Brennkraftmaschine usw. verwendet wird, das vorhergehend durch Systemidentifikation festgelegt
wird und die Parameter des darin enthaltenen Beobachters und optimale Reglerkoeffizienten F usw. werden
vorausgehend durch Simulation unter Verwendung der Brennkraftmaschine und des Kraftübertragungsmechanismus
festgelegt.
Es ist erläutert worden, daß die Zustandsvariablen X(k) den inneren Zustand der Brennkraftmaschine uswo kennzeichnende
Größen sind, es ist jedoch nicht notwendig, daß diese Variablen einer tatsächlichen physikalischen
Größe entsprechen und sie können deshalb als ein Vektor mit einer passenden Ordnung festgelegt werden»
35
17.02.1986 * . KSW :c 1'6ND 01563;-OiL '
.* '"' *■"' '"3605Ϊ17
Die Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung mit der oben beschriebenen
Struktur funktioniert so, daß die zugeführte Luftmenge entsprechend einer minialen Kraftstoffmenge, mittels
der eine konstante Reisegeschwindigkeit beibehalten werden kann, durch die Sollwerteinstellvorrichtung M9
für die zugeführte Luftmenge festgelegt wird, und die Brennkraftmaschine arbeitet mit dieser zugeführten Luftmenge
und dieser minimalen Kraftstoffmenge. Folglich wird erwartet, daß die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf eine
konstante Geschwindigkeit mit minimalem Kraftstoffverbrauch
geregelt wird. Da des weiteren die Regelvorrichtung auf der Basis der modernen Regelungstheorie konstruiert
worden ist, wird auch erwartet, daß die Abweichungen der Fahrzeuggeschwindigkeit von der konstanten
Fahrzeuggeschwindigkeit während des Fahrens auf einen sehr kleinen Wert gedrückt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand
der Zeichnungen im Detail beschrieben. Fig. 3 ist ein schematisches strukturelles Diagramm, das die Brennkraftmaschine
und die zugehörigen peripheren Bauteile zeigt, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden. Fig. 4 ist ein Diagramm des Regelungssystems,
das ein Regelungsmodell eines Systems zeigt, bei dem die Betriebs- bzw. Arbeitszustände der
Brennkraftmaschine geregelt werden. Die Figs. 5 und 6 sind Blockdiagramme zur Beschreibung der Systemidentifikation.
Die Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel einer Regelung zeigt, die durch eine elektronische Regeleinheit
durchgeführt wird. Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel der Regelung zur Bestimmung der zugeführten
Luftmenge zeigt, bei der der Kraftstoffverbrauch minimal wird. Diese Zeichnungen werden in der genannten
Reihenfolge nachfolgend beschrieben.
17.02.1986 '
Fig. 3 zeigt einen Vierzylinder-Viertakt-Ottomotor bzw. -Brennkraftmaschine 1 in Verbindung mit einem einzigen
Zylinder und in der Reihenfolge von dem stromaufwärts liegenden Teil mit einem nicht dargestellten Luftfilter,
einem Luftmengenmesser 3 zur Messung der zugeführten Luftmenge AR, einem Zufuhrluft-Temperatursensor 5 zum
Erfassen der Temperatur Tha der zugeführten Luft, einer Drosselklappe 7 zur Regelung der zugeführten Luftmenge,
einem Ausgleichsbehälter 9 und elektromagnetischen Einspritzdüsen 11. Die Auspuffgase der Brennkraftmaschine
werden über einen Auspuff 14 mit einem nicht dargestellten Abgasreiniger, Schalldämpfer usw. nach außen abgeführt.
Eine Verbrennungskammer bzw. ein Zylinder weist einen Kolben 15, ein Einlaßventil 17, ein Auslaßventil
19, eine Zündkerze 21 usw. auf. Diese Teile werden jedoch nicht beschrieben, da deren Funktion bekannt ist. In die
Zündkerze 21, die zur Erzeugung einer Entladung mittels einer von einer Zündspule 24 über einen Verteiler 25 zugeführten
Hochspannung ausgelegt ist, ist ein Halbleiterdrucksensor 27 eingebaut, um den Verbrennungsdruck,
d.h. die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine bzw. das Ausgangsdrehmoment T zu erfassen.
Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine 1 einen Kühlflüssigkeitstemperatursensor
29 zum Erfassen der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit, einen in den Verteiler eingebauten Drehzahlsensor 31 zur Ausgabe eines Impulssignals
mit einer Frequenz, die der Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1 entspricht, einen Zylinderbestimmungssensor
33 zur Ausgabe eines Einzelimpulses für jede Umdrehung (720 Kröpfwinkel(crank angle)) der Brennkraftmaschine
1 auf. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 7 wird mittels einer Drosselklappenbetätigungsvorrichtung 35
gesteuert, dessen Primärantrieb ein Gleichstrommotor ist Das Bezugszeichen 37 bezeichnet in Fig. 3 einen Gaspedalsensor
zum Erfassen des Öffnungsgrades bzw. des Betätigungsgrades Acc eines Gaspedals 38.
17.02.1986 ΛΛ , Κ&Ή: 16Nt)OxS 65-01 :.
Bei der Brennkraftmaschine 1 mit zugehörigen peripheren Geräten, die den erwähnten Aufbau aufweisen, werden die
Kraftstoffeinspritzmenge FR, der Öffnungsgrad der Drosselklappe
θ usw. durch einen elektronischen Regelschaltkreis 40 geregelt. Der elektronische Regelschaltkreis 40
wird aus einer Batterie 43 über einen Zündschalter 41 mit elektrischer Energie versorgt und umfaßt einen herkömmlichen
Mikroprozessor bzw. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPÜ) 44, ein ROM 45, ein RAM 46, ein Sicherungs-RAM
47 (Backup-RAM), ein Eingabebauteil 49, ein Ausgabebäuteil 51 usw., wobei die genannten Bauteile und
Bauelemente über einen Bus 53 miteinander verbunden sind.
Das Eingabebauteil 49 des elektronischen Regelschaltkreises 40 empfängt aus entsprechenden Sensoren Signale,
die kennzeichnend für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine und dem eigenen Betriebszustand sind. Insbesondere
umfaßt er nicht dargestellte Eingabeeinheiten zum Empfang von Signalen aus einer Luftmengenmeßvorrichtung
3, kennzeichnend für die zugeführte Luftmenge AR für die Temperatur Tha der zugeführten Luft aus dem Zufuhrluft-Temperatursensor
5, für die Fahrzeuggeschwindigkeit aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 55, für die
Kühlflüssigkeitstemperatur Thw aus dem Kühlflüssigkeitssensor 29, für die Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1
aus dem Drehzahlsensor 31, für die Zylinderbestimmung aus dem Zylinderbestimmungssensor 33 und ein Signal aus einem
Setzschalter 56 zum Festlegen, ob der Reisemodus angewählt ist oder nicht.
Das Ausgabebauteil 51 gibt Regelsignale aus, um über die Drosselklappenbetätigungsvorrichtung 35 den Öffnungsgrad
θ der Drosselklappe 7, die Kraftstoffeinspritzmenge FR
durch Öffnen und Schließen der Kraftstoffeinspritzdüsen
18.02.1986 . «23· K«f:«l6ND015jff3«-Ol·
ündspule
36051
! bzw. -ventile 11 und den Zündzeitpunkt über die Zündspule
24 zu steuern. Die Regelung durch den Mikroprozessor des elektronischen Regelschaltkreises 40 wird später im
Detail anhand der Flußdiagramme der Figuren 6 und 7
beschrieben.
Nun wird das Regelungssystem des elektronischen Regelschaltkreises
40 anhand des Funktionsblockdiagramms von Fig. 4 beschrieben und insbesondere wird das Auffinden
C der Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung
(1) und der Ausgangsgleichung (2) mittels Systemidentifikation und auch das Verfahren zum Auffinden des Beobachters
und der Reglerkoeffizienten F, die darauf basieren, anhand von konkreten Beispielen beschrieben. Fig.
g 4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das nicht einen konstruktiven
Aufbau zeigt. Das in Fig. 4 gezeigte Regelungssystem wird in der Praxis durch Ausführung einer
Reihe von in dem Flußdiagramm in Fig. 6 gezeigten Programmen auf der Basis eines diskreten Zeitsystems reali siert·
In Fig. 4 ist eine konstante Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit SPD* eine Fahrzeuggeschwindigkeit zu
einem Zeitpunkt, in dem der Setzschalter 56 ausgeschaltet wird, und diese Geschwindigkeit wird in einer Einstellvorrichtung
für die Reisegeschwindigkeit Pl eingespeichert. Eine Sollzufuhrluftmenge AR* wird durch eine
Sollwerteinstellvorrichtung für die zugeführte Luftmenge P2 als ein Wert eingestellt, der einen minimalen Kraftstoffverbrauch
bewirkt. Das Verfahren hierzu wird später im Detail anhand von Fig. 8 beschrieben, wobei die kon-
stante Reisegeschwindigkeit SPD , eine aktuelle erfaßte Reisegeschwindigkeit SPD und eine Kraftstoffeinspritzmenge
FR verwendet wird. Ein erster Integrator P3 wird zur Erzeugung eines akkumulierten Wertes ZSPD(k) durch
18.02.1986 0^ KSWi.I6NK>03.563-01..-
Akkumulierung der Abweichungen SSPD der aktuellen Reisegeschwindigkeit
von der konstaten Reisegeschwindigkeit SPD verwendet, während ein zweiter Integrator P4 zur Erzeugung
eines akkumulierten Wertes ZAR (k) durch Akkumulierung der Abweichungen SAR der aktuellen zugeführten
Luftmenge AR von der Sol!zufuhrluftmenge AR verwendet
wird.
Das Bezugszeichen P5 bezeichnet eine Störungsextrahiervorrichtung,
die von verschiedenen Werten (ARa, Na) Störungskomponenten unter Gleichgewichtsbedingungen in Verbindung
mit der zugeführten Luftmenge AR und der Drehzahl N extrahiert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das
dynamische Modell, das einen weiten Bereich des kontrollierten Objekts Ml erfaßt, durch Bilden linearer dynamischer
Modelle in Verbindung mit einer Vielzahl von Betriebszuständen konstruiert wird, indem der Zustand der
Brennkraftmaschine 1 als die Abfolge einer Vielzahl solcher Gleichgewichtszustände aufgefaßt wird, um eine lineare
Approximation eines nicht-linearen Systems durchzuführen. Deshalb werden die Variablen (AR, SPD) des geregelten
Objekts Ml als Störungsterme /AR (= AR - ARa), /SPD (= SPD - SPDa) relativ zu einem vorbestimmten
nächstkommenden Arbeitspunkt behandelt. Die Führungsgröße zu dem geregelten Objekt Ml, d.h. der Öffnungsgrad 0 der
Drosselklappe, eine Regelgröße, die sich auf die Kraftstoff einspritzmenge FR bezieht, die durch die oben erwähnten
Integratoren P3 und P4, den Beobachter P6 und das Bestimmungsbauteil P7 für den Rückkopplungsbetrag erzeugt
werden, werden ebenfalls als Störungskomponenten /θ und
/fr behandelt.
Der Beobachter P6 erzeugt abgeschätzte Zustandsvariable X
(k)durch Abschätzung der Zustandsvariablen X (k), die den inneren Zustand des geregelten Objekts darstellen, wobei
die Störungsterme /θ und /fr der Führungsgröße und die
Störungsterme cTaR und efsPD der Regler ausgabe verwendet
17.02.1986 * ΚΑ*:ΜόΝΠ0Ι3·633-01..-:..
21 "' " "*3605Ϊ'17
werden, und die abgeschätzten Zustandsvariablen X (k) und die oben erwähnten akkumulierten Werte ZSPD (k) und ZAR
(k) werden mit den optimalen Reglerkoeffizienten ELn dem Bestimmungsbauteil P7 für den Rückkopplungsbetrag multipliziert,
um Manipulationsbeträge (/"θ, </iFR) zu erhalten«,
Da der Satz der Manipulationsbeträge («Γθ, d~FR) Störungsterme
bezüglich dem Reglereingang bzw. den Führungsgrößen entsprechend dem Gleichgewichtsbetriebszustand, der durch
die Störungsextrahiervorrichtung P5 ausgewählt worden ist, darstellen, werden die Variablen θ und FR der Betriebsbedingung
des geregelten Objekts Ml durch Addition von Referenzsetzwerten (reference setting values) 8a und
FRa entsprechend dem Gleichgewichtszustand und den Störungskomponenten
in einem Referenzsetzwertadditionsbauteil
P8 (reference setting value adding portion) festgelegt.
Damit ist der Aufbau des Regelungssystems kurz beschrieben. Der Grund, warum die Reglerausgänge bzw. Stellgrößen
(AR, SPD) und die Regelereingänge bzw. Führungsgrößen (Θ, FR) bei dieser Ausführungsform verwendet werden, ist, daß
diese Variablen grundlegende Werte bezüglich der Ausgaben der Regelgrößen Ml sind. Daher wird bei dieser Ausführungsform
das geregelte Objekt bzw. die geregelten Variablen Ml als ein mehrvariabliges System mit zwei Eingängen
und zwei Ausgängen aufgefaßt. Zusätzlich können hierzu beispielsweise noch der Zündzeitpunkt und die
rückgeführte Abgasmenge als Größen die Ausgangsleistung des geregelten Objekts Ml betreffend verwendet werden und
diese Größen können bei der Konstruktion eines Modellsystems berücksichtigt werden. Das oben erwähnte Modell mit
zwei Eingängen und zwei Ausgängen wird nachfolgend zur Konstruktion des dynamischen Modells des geregelten Objekts
Ml verwendet und zusätzlich hierzu werden die Kühlflüssigkeitstemperatur Thw und die Temperatur Tha der
zugeführten Luft zu der Brennkraftmaschine 1 als Faktoren
17.02.1986
verwendet, die das dynamische Verhalten des Systems ändern. Die Kühlflüssigkeitstemperatur Thw usw. ändern
nicht die Struktur des Regelungssystems des geregelten Objekts Ml, sie ändern jedoch dessen dynamisches Zustandsverhalten.
Wenn daher das dynamische Modell in Verbindung mit dem Regelungssystem des geregelten Objekts
konstruiert wird, werden die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C, der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung
(2) entsprechend der Kühlflüssigkeitstemperatur Thw usw. der Brennkraftmaschine 1 festgelegt.
Vorstehend wurde der konstruktive Aufbau der Brennkraftmaschine 1 und die Struktur des Regelungssystems anhand
eines Systems mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen als ein Beispiel für die Regelung der abgegebenen Leistung
des geregelten Objekts Ml beschrieben. Nun wird die Konstruktion des dynamischen Modells durch tatsächliche
Systemidentifikation, die Erzeugung des Beoabachters P6 und die Festlegung optimaler Reglerkoeffizienten F
beschrieben.
Zuerst wird ein dynamisches Modell des geregelten Objekts Ml konstruiert. Fig. 5 ist ein Diagramm, das das System
des geregelten Objekts Ml unter Gleichgewichtsbetriebsbedingungen als ein System mit zwei Eingängen und zwei
Ausgängen dargestellt durch Übertragungsfunktionen Gl(z) bis G4(z) zeigt. Die Laufvariable (z) kennzeichnet
ζ-Transformationen der abgetasteten Werte der Eingangs/-Ausgangs-Signale
und es wird angenommen, daß Gl(ζ) bis G4(z) von passender Ordnung sind. Damit ist die gesamte
Ubertragungsfunktionsmatrix G(z) gegeben durch:
17.02.1986 .
Wenn bei einem System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, wie dem geregelten Objekt Ml dieser Ausführungsform, Interferenzen zwischen dem Eingangs- und Ausgangsvariablen
auftreten, ist es extrem schwierig, ein physikaiisches Modell aufzustellen. In einem solchen Fall ist
es möglich, die Übertragungsfunktion durch Simulation mittels der sogenannten Systemidentifikation zu erzeugen.
Das Verfahren der Systemidentifikation ist im Detail in
der Veröffentlichung "System Identification" von Setsuo Sagara, Society of Instrument and Control Engineers
(SICE) of Japan, 1981 beschrieben und die Identifikation wird hier nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate
durchgeführt.
Das geregelte Objekt Ml wird in einen vorbestimmten Betriebszustand
versetzt und die Variationen cTq des Drosselklappenöffnungsgrades
wird zu null gemacht, um ein passendes Testsignal als die Variation cTfr der zugeführten
Kraftstoffmenge zu addieren und die Eingabedaten oTfr
zu diesem Zeitpunkt und die Variation e^SPD der Reisegeschwindigkeit
als ein Ausgang werden N mal abgetastet. Dies wird als Eingabedatenreihe £u(i)J = £<iFRiJ und als
Ausgabedatenreihe £y(i)J = £cf SPDiJ mit i = 1, 2, 3 ... N,
ausgedrückt. Hier kann das System als ein System mit einem Eingang und einem Ausgang betrachtet werden und die
Übertragungsfunktion Gl (z) ist gegeben durch:
Gl (z) = B (z~ )/A (z~ ) ...(3)
daher gilt:
-1 -n Gl (z) = (bO+bl«z +... +bn»z )/
-1 -2 -n
(1+al'z +a2«z + ... +an· ζ ) ...(4)
-1
Hierbei ist ζ ein Einheitsschiebeoperator, für den gilt
Hierbei ist ζ ein Einheitsschiebeoperator, für den gilt
ζ . x(k) = x(k-l).
17.02.1986
Κ&Ά;: 16ND0ISο3 ■-01
TA
Wenn wir die Parameter al bis an und bO bis bn in der
Gleichung (4) aus den Eingabe- und Ausgabedatenreihen ^u(i)j und (y(i)j bestimmen, läßt sich die Übertragungsfunktion
Gl (z) festlegen. Diese Parameter werden in der Systemidentifikation unter Verwendung der Methode der
kleinsten Quadrate festgelegt, so daß der folgende Ausdruck einen minimalen Wert annimmt:
Jo= Σ [{y(k)+al-y(k-D + · · -+an-y(k-n) }-k=n
CbO«u(k)+bl-u(k-l)-+--«+bn-u(k-n) }]2
(5)
Bei der beschriebenen Ausführungsform wurden die entsprechenden Parameter unter der Annahme von η = 2 erzeugt.
Für diesen Fall ist ein Signalflußdiagramm des Systems in Fig. 6 gezeigt und unter Verwendung der Zustandsvariablen
Xl (k) können die Zustands- und die Ausgangsgleichung hiervon durch die Gleichungen (6) und
(?) ausgedrückt werden:
Xl(ktl)
X2(k+1)
= Z
0 -a2
1 -al
y(k) = [0 1]
XKk)
X2(k)
XKk)
X2(k)
XKk)
X2(k)
b2
bl
u(k)
(6)
(7)
17.02.1986 * OCO · K&Vfi
25 ""
Unter Verwendung der Parameter A 1', B I1, Cl1 für die
Parameter A, B, C für den Fall, daß es sich um ein System mit einem Eingang und einem Ausgang handelt, ergibt
sich:
/O -a2 \ r -.T
/ B I1 = Ib2 bll
Al1=/ r V
I C 1' = [.Ο ζ/
V λ ~al/
Bei dieser Ausführungsform ergeben sich folgende Parameter in Verbindung mit Gl (ζ):
" fal a2] = f-1.91 0.923}
/bO bl bj = [θ 4.86x10 4.73x10 J
/bO bl bj = [θ 4.86x10 4.73x10 J
Nach dem gleichen Verfahren lassen sich die Übertragungsfunktionen
G2 (z) bis G6 (z) und auch die Systemparameter A 21 bis A 41, B 21 bis B 41 und C 21 bis C 4"
berechnen, nämlich die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung (1) und der Ausgangsgleichung (2)
f est&glegjien.
Auf diese Weise wird das dynamische Modell für die vorliegende Ausführungsform durch Systemidentifikation erzeugt
und dieses dynamische Modell kann in der Art festgelegt werden, daß eine lineare Approximation in der Umgebung
eines Zustands erfüllt wird, in dem sich das unter einem gegebenen Zustand betriebene geregelte Objekt befindet.
Daher wird die Übertragungsfunktion Gl (z) bis G4 (z) jeweils durch das obige Verfahren in Verbindung mit
einer Mehrzahl von Gleichgewichtsbetriebszuständen erzeugt, und die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C in den jeweiligen
Zustandsgieichungen (1) und Ausgangsgleichungen (2) werden erzeugt, wo die Beziehung zwischen den Eingängen
und Ausgängen davon innerhalb der Störungsgrößen erfüllt ist.
18.02.1986 '30' Κ&νί: X6NDXliS63f0l·
l' Nun wird das Verfahren zum Festlegen des Beobachters P6
beschrieben. Das Gopinath-Verfahren zur Festlegung des Beobachters ist im einzelnen in der Veröffentlichung
"Basic System Theory" von Katsuhisa Furuta und Akira Sano/ Verlag Corona Co., Ltd., 1978, beschrieben und bei
dieser Ausführungsform wird der Beobachter als ein Beobachter mit minimaler Ordnung (minimal order observer)
festgelegt.
Der Beobachter P 6 wird zur Abschätzung der interen Zustandsvariablen
X (k) des geregelten Objektes Ml aus den Störungskomponenten (/AR, /SPD) der Variablen des
Reglerausgangs des geregelten Objekts Ml und aus den Störungskomponenten («To, ^FR) der Variablen des Reglereingangs
verwendet. Der Grund, weswegen die durch den Beobachter P6 abgeschätzten Zustandsvariablen X (k) als
Zustandsvariablen X (k) bei der Regelung des geregelten Objekts Ml verwendet werden können, wird nachfolgend erläutert.
Es sei angenommen, daß der Ausgang X (k) aus dem Beobachter P6 gemäß der folgenden Gleichung (9) erzeugt
wird:
X (k) = ( A - L · C) · X (k-1)
+ B · u (k-1)+ L · y (k-1) ...(9)
In Gleichung (9) ist L eine willkürlich vorgegebene Matrix. Durch Modifikation der Gleichungen (1), (2) und (9)
ergibt sich:
J
= (A - L · C ) ["x (k-1) - X (k-llj ...(10)
Wird daher die Matrix L so gewählt, daß ein Eigenwert der
Matrix (A - L · C) sich innerhalb eines Einheitskreises X
(k) -> X (k) mit k -><» befindet, ist es folglich möglich,
17.02.1986
: °i°6NDpi5S"3r-01-
die internen Zustandsvariablen des geregelten Objekts Ml unter Verwendung der vorherigen Reihen u (*), y (*) des
Eingangsregelungsvektors u (k) und des Ausgangsvektors y (k) genau abzuschätzen.
Die Vektoren bzw. Matrizen A, B, C der Zustandsgieichung
(1) und der Ausgangsgleichung (2) werden beide durch Systemidentifikation mittels der Methode der kleinsten
Quadrate bestimmt und können mittels einer Ähnlichkeitstransformation in die folgende Observable mit kanonischer
Struktur unter Betrachtung der neuen Zustandsvariablen X (k) = T · X (k) mit der nichtsingulären Matrix T umgeformt
werden, da das System beobachtbar ist.
X (k) = A 0 · X (k-1) + B 0«u(k-l) ...(H)
y(k) = C~~Ö · X"(k). ...(12)
-1 -1
Hierbei ist AO=T · A · T , B 0 = T »Β, CO=C
und es ergeben sich die folgenden Gleichungen bei Verwendung einer passenden nichtsingulären Matrix T.
AO =
0 0
1 0 0 1
1 -an
(13)
B 0 = CSl 62 ··· ßn]
C 0 = [0 0 ·· · 1]
(14) (15)
17.02.1986
K&W.S "Χ 6ND(SlS63-01
r 3605.* 17
Nun sei die Matrix L durch L = £-*<l -0(2 ... -Ofnj
ersetzt und wir können einen in endliche Zeit ausregelnden Beobachter (finite time settling observer) unter
Verwendung der folgenden Gleichungen (13), (14) und (15)
Verwendung der folgenden Gleichungen (13), (14) und (15)
5 festlegen:
AO-L-CO =
(o o
1 0 0 1
0 !
0 i 0 j
0 0
Dabei werden A 0, B 0 und C 0 mittels Ähnlichkeitstransformation
aus A, B und C erzeugt und es ist auch gesichert, daß die Regelung mittels der Zustandsgleichung
durch diese Operation korrekt wiedergegeben wird.
durch diese Operation korrekt wiedergegeben wird.
Während der Beobachter P6 unter Verwendung der Vektoren
bzw. Matrizen A, B und C der mittels Systemidentifikation erzeugten Zustandsgleichung festgelegt worden ist, wird
bzw. Matrizen A, B und C der mittels Systemidentifikation erzeugten Zustandsgleichung festgelegt worden ist, wird
der Ausgang des Beoabachters nachfolgen durch X (k) ausgedrückt.
Nun wird das Verfahren zum Auffinden der optimalen Reglerkoeffizieten
(optimal feedback gain) F beschrieben. Da dieses Verfahren im einzelnen in der oben erwähnten Veröffentlichung
"Linear System Control Theory" erläutert
ist, werden nachfolgend nur die Ergebnisse unter Weglassung der Details aufgezeigt. Verwendet man
ist, werden nachfolgend nur die Ergebnisse unter Weglassung der Details aufgezeigt. Verwendet man
«Tu (k) = u (k) - u (k-1) <fy (k) = y(k) - y (k-1)
18.02.1986 .33· Κβϊί:·ϋβΝρ.0Ϊ56*3·ί·01-.*."■:"
in Verbindung mit den Variablen u (k) der Reglereingänge und die Variablen y (k) der Reglerausgänge, wodurch sich
ein optimaler Reglereingang u (k) ergibt, wird das nachfolgende Gütekriterium J minimiert, führt dies zur Lösung
eines Regelungsproblems mittels eines optimalen Zu-
standsreglers mit zusätzlichem Integralteil in Bezug auf
das Regelungssystem des geregelten Objekts Ml.
J= Σ C Oy (k)· Q · 6y (k) + on T (k). R · 6u (k)]
k=0
Hierbei bezeichnen Q und R Wichtungsparametermatrizen und k bezeichnet die Zahl der Abtastungen, die zu Beginn der
Regelung O ist, während die rechte Seite der Gleichung
(19) ein Audruck in sogenannter quadratischer Form unter Verwendung der diagonalen Matrizen Q und R ist.
(19) ein Audruck in sogenannter quadratischer Form unter Verwendung der diagonalen Matrizen Q und R ist.
Hierbei ergeben sich die optimalen Reglerkoeffizienten F
mittels:
^T -1 _T ...(20)
F=- (R +B · P · B) ·Β·Ρ·Ά
In Gleichung 20 ist A und B gegeben durch
Ί -CO-AO
JH) / ...(21)
30
30
17.02.1986
. 34-
K&Wi -IS1ND a 15 6 3"- Ol
Des weiteren ist P eine Lösung der folgenden Riccati-Gleichung:
P =
10 15
A - A <
A +
B + R )
-1
(23)
Hierbei dient das Gütekriterium J von Gleichung (19) zur
Reduzierung der Abweichung der Betriebszustandsvariablen y (k), d. h. der Variablen y (k) die die zugeführte
Luftmenge </ar und die Fahrgeschwindigkeit <fsPD umfassen,
von dem Sollwert y* (k), mit den Variablen u (k) =[o& cTfrJ als Reglereingänge des zu regelnden geregelten
Objects Ml. Die Wichtung der Regelung der Variablen u (k) der Reglereingänge kann durch Änderung der
Werte der Wichtungsparametermatrizen Q und R verändert werden. Daher können die Zustandsvariablen X(k) als abgeschätzte
Zustandsvariable X (k) unter Verwendung der Gleichung (9) erzeugt werden, wenn man die optimalen Reglerkoeffizienten
F unter Verwendung der Gleichung (20) und durch Erzeugung von P durch Lösung der Gleichung (23)
mit willkürlich gewählten Wichtungsparametermatrizen Qund R erzeugt, wobei das dynamische Modell des geregelten
Objekts Ml, d. h. die Matrizen A,B,C, die den oben erwähnten
Matrizen AB, C entsprechen, die zuvor erzeugt worden sind. Daher ergeben sich die Variablen u (k) des
Reglereingangs des geregelten Objekts Ml auf folgende Weise:
u (k) = F«£xl(k), X2(k) ... Xn(k) ZSPD(k) ZAR(k)J
35
18.02.1986 · O^' K&U-. ·1£Νϋθ1563·ίΟ1·.-· r.
Durch wiederholte Simulation mit den Wichtungsparametermatrizen
Q und R, die solange verändert werden, bis sich eine optimale Regelcharakteristik ergibt, werden die optimalen
Reglerkoeffizienten F erzeugt«,
Damit ist die Konstruktion des dynamischen Modells des Regelungssystems des geregelten Objekts mittels Systemidentifikation
unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate beschrieben und die Festlegung des in
endlicher Zeit ausregelnden Beobachters und die Berechnung der optimalen Reglerkoeffizienten F werden im voraus
durchgeführt und die aktuelle Regelung mit der elektronischen Regelungseinheit 40 wird nur unter der Verwendung
der Ergebnisse hiervon durchgeführt.
Nun wird eine tatsächliche von dem elektronischen Regelschal tkreis 40 durchgeführte Regelung anhand des Flußdiagramms
von Fig. 7 beschrieben. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird eine Größe, die im momentanen Verarbeitungszyklus
behandelt wird, als eine Größe mit der Laufvariable (k) und eine Größe, die im vorhergehenden
Zyklus bearbeitet worden ist, wird mit der Laufvariablen (k-1) dargestellt.
Nachdem der Reisemodus durch den Setzschalter 56 ausgewählt worden ist, führt der Mikroprozessor 44 einen
Schritt 100 und die nachfolgenden Schritte wiederholt durch. Als erstes wird in dem Schritt 100 der Ausgangszustand
des geregelten Objekts, d.h. die Zufuhrluftmenge
AR (k-1), die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (k-1) usw. aus den entsprechenden Sensoren eingelesen.
In einem nachfolgenden Schritt 110 wird, wenn der Setzschalter
56 ausgeschaltet ist, die in dem RAM 46 gespeicherte Reisegeschwindigkeit SPD ausgelesen, und dann wird
in einem Schritt 120 eine Sollzufuhrluftmenge AR so
18.02.1986 -Ο»* K&t?: 16ND01563r01 ■
festgelegt, daß der Kraftstoffverbrauch durch die Brennkraftmaschine
1 minimal wird und diese Berechnung wird in einer Weise geregelt, wie sie später anhand von Fig. 8
beschrieben werden wird. Diese Verarbeitungsschritte entsprechen den Funktionen der Einstellvorrichtungen Pl
und P2 von Fig. 4.
In einem Schritt 130 wird die Abweichung SSPD (k-1) einer
aktuellen erfaßten Fahrgeschwindigkeit SPD (k-1) von den konstanten Reisegeschwindigkeit SPD und die Abweichung
SAR (k-1) von einer aktuell zugeführten Luftmenge AR (k-1) von der Sollzufuhrluftmenge AR erzeugt. In einem
nachfolgenden Schritt 140 werden die jeweiligen in dem Schritt 130 erzeugten Abweichungen akkumuliert, um den
akkumulierten Wert ZSPD (k) mit ZSP (k) = ZSPD (k-1) + SSPD (k-1) und dem anderen akkumulierten Wert ZAR (k) =
ZAR (k-1) + SAR (k-1) zu erzeugen. Diese Prozeßschritte
entsprechen der Funktion der Integratoren P3 und P4 in Fig. 4.
In einem folgenden Schritt 150 wird aus dem in Schritt 100 gelesenen Ausgangszustand des geregelten Objekts unter
den Gleichgewichtszuständen, die die lineare Approximation erfüllen, wenn das dynamische Modell des geregelten
Objekts Ml konstruiert wird, ein nächstkommender Zustand, der nachfolgend als Arbeitspunkt ARa, SPDa bezeichnet
wird, erzeugt. In einem Schritt 160 ergibt sich der in Schritt 100 gelesene Ausgangszustand des geregelten
Objekts Ml als Störungskomponenten (<TaR, fsPO) bezüglieh
der Gleichgewichtszustandspunkte (ARa, SPDa). Diese Bearbeitung entspricht der Funktion der Störungsextrahiervorrichtung
P5 von Fig. 4.
In einem nachfolgenden Schritt 170 wird die Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1 eingelesen,
und da sich das dynamische Modell der Brennkraft-
18.02.19 86
· 3τ· Κ&φ-5C6ND|)"l56°3r0l·""
...3R0.5117
Cunlflus-
maschine 1 entsprechend der Temperatur Thw der KühJ sigkeit ändert, werden die Parameter A O, B O, L, und die
im Beobachter im voraus für die jeweiligen Temperaturen Thw der Kühlflüssigkeit vorbereiteten optimalen Regler-
5 koeffizienten F ausgewählt.
In einem Schritt 180 wird mittels der folgenden Gleichung (25) unter Verwendung der in dem Schritt 170 gewählten
Größen A 0, B 0, L, der Störungskomponenten (/AR, /SPD),
die in dem Schritt 160 erzeugt worden sind, den im vorherigen Zyklus erzeugten Zustandsvariablen X (k-1) =
/xi(k-l) X2(k-2) ...X4(k-1)} , den Störungskomponenten
fFR(k-l), /θ (k-1) der Kraftstoffeinspritzmenge FR(k-l)
und des Öffnungsgrades θ(k-1) der Drosselklappe, die
beide in dem vorhergehenden Zyklus erzeugt worden sind, die neue Zustandsvariable X (k) erzeugt» Diese Bearbeitung
entspricht der Funktion des Beobachters P6 in Fig. und dieser Beoabachter P6 ist bei dieser Ausführungsform
als ein in endlicher Zeit ausregelnder Beoabachter ausgelegt. Es wird folgende Berechnung durchgeführt:
X (k) =lß~O - L C~b] X (k-1) + Wo ·[<Tfr(k-l), <f6Ck-l)J
+ L ·f/AR(Ic-I) iTsPD(k-lj>J ...(25)
In einem folgenden Schritt 190 werden die in Schritt 180 erzeugten geschätzten Zustandsvariablen X (k), die in
dem Schritt 140 erzeugten akkumulierten Werte ZSPD (k), ZAR (k), die im voraus vorbereiteten und in dem Schritt
170 ausgewählten Reglerkoeffizienten, gegeben durch
-fl2 ... -fl4 fl5 -f22 ... -f24 f25
als Vektoren multipliziert, um die Störungskomponenten /"FR (k) und <Te(k) des Manipulationsbetrags mit /sfFR(k)
/■0(kj]= F >[x (k) ZSPD(k) ZAR(k)7 zu erzeugen. Das
3#
17.02.1986 * JO . K&Wi aSNDQl§63-01
entspricht der Funktion des Bestimmungsbauteiles P7 für
den Rückkopplungsbetrag aus Fig. 4.
In einem Schritt 2 00 werden die in dem Schritt 190 erzeugten
Störungskomponenten /FR(k), <f9(k) der Manipulationsbeträge
den entsprechenden Manipulationsbeträgen FRa, θ-a an den Gleichgewichtszustandspunkten zuaddiert
und es ergeben sich die Manipulationsbeträge FR(k)f 6(k),
die den Kraftstoffeinspritzdüsen 11 und der Drosselklap-. penbetätigungsvorrichtung 35 der Brennkraftmaschine 1
aktuell zugeführt werden.
In einem folgenden Schritt 210 wird der Wert "k" für die Anzahl der Abtastungen um eins inkrementiert und die erläuterte
Serie von Prozeßschritten 100 bis 210 ist beendet.
Durch kontinuierliche Durchführung der erläuterten Regelung führt die elektronische Regeleinheit 40 eine Regelung
unter Verwendung optimaler Reglerkoeffizienten als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil
durch, der das geregelte Objekt Ml auf die konstante Fahrgeschwindigkeit SPD und die Sollzufuhrluftmenge AR
einregelt.
Nun wird eine Programmroutine beschrieben, die zur Erzeugung der Sollzufuhrluftmenge AR für den Schritt 12 0
dient. In dieser in dem Flußdiagramm von Fig. 8 gezeigten Routine wird die Sollzufuhrluftmenge AR , die den Kraftstoffverbrauch
minimiert, durch die nachfolgenden Schritte berechnet, während die gleiche konstante Reisegeschwindigkeit
SPD(k) beibehalten wird. In der folgenden Beschreibung wird der Sollwert des vorhergehenden Zyklus
mittels AR (k-1) ausgedrückt und der neu errechnete Sollwert für den momentanen Zyklus wird durch AR (k)
,._ ausgedrückt.
17.02.1986 «39* K&wl *C§NDqi^63^01 ·_">;"
Die Programmroutine beginnt mit einem Schritt 300, in dem
bestimmt wird, ob die konstante Reisegeschwindigkeit SPD (k) gleich dem vorherigen Wert SPD (k-1) ist, und ob
die momentane Reisegeschwindigkeit SPD (k) gleich der konstanten Reisegeschwindigkeit SPD (k) ist. Für den
Fall, daß keine dieser beiden Gleichungen erfüllt ist, hat das Regelungssystem keinen Gleichgewichtszustand erreicht
und es wird daher festgelegt, daß das Bestimmen der Zufuhrluftmenge, die den Kraftstoffverbrauch minimiert,
nicht durchgeführt werden kann, und der Funktionsablauf verzweigt zu einem Schritt 310. Es wird die Zufuhr
luftmenge AR (SPD), die aus einer voreingestellten Tabelle unter Verwendung der Reisegeschwindigkeit SPD
vorgegeben wird, als die Sollzufuhrluftmenge AR (k) festgelegt. Danach geht der Programmablauf zu dem
Schleifenende NEXT über, um die Programmroutine zu beenden. Unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 7
wird die Sollzufuhrluftmenge AR (k) in dem Schritt aus der Tabelle unter der Annahme abgeleitet, daß das
geregelte Objekt Ml sich in einem Einschwingzustand befindet.
Da andererseits das geregelte Objekt Ml als sich im Gleichgewichtszustand befindlich betrachtet wird, wenn
gilt SPD (k) = SPD (k-1) und SPD (k) = SPD (k), ist es dann möglich, die Zufuhrluftmenge aufzusuchen, die den
Kraftstoffverbrauch minimiert. Der Funktionsablauf geht
zu einem Schritt 320 über. In dem Schritt 320 wird festgelegt, ob eine Marke (Flag) Fs "1" ist oder nicht. Da
der Wert der Marke Fs vor Beginn der Suche null ist, führt die Abfrage zu "nein" und es wird zu einem Schritt
330 übergegangen. In dem Schritt 330 wird die Marke Fs unter Annahme auf "1" gesetzt, daß die Suche nach der
Zufuhrluftmenge, bei der die Reisegeschwindigkeit SPD (k)
gleich der konstanten Reisegeschwindigkeit SPD (k) mit minimalem Kraftstoffverbrauch beibehalten werden kann.
18.02.1986 * W * ; K&W;: i.6ND01563'~Ol
begonnen wird und ein Koeffizient D kennzeichnend für die
Suchrichtung, d.h. entweder die Richtung des Vermehrens der zugeführten Luftmenge oder die Richtung des Verminderns
der zugeführten Luftmenge, wird auf "1" gesetzt, während ein Zähler Cs zum Zählen der Anzahl der Durchführungen
dieser Prozesse auf "0" gesetzt wird.
In einem nachfolgenden Schritt 340 wird geprüft, ob der Wert des Zählers Cs null überschritten hat oder nicht. Da
unmittelbar nach dem Start der Suche Cs = 0 gilt, verzweigt der Betriebsablauf zu einem Schritt 350, um die
Sollzufuhr luftmenge AR (k) um DxAAR ausgehend von
dem vorhergehenden Sollwert AR (k-1) zu verändern, d.h. zu erhöhen. In einem folgenden Schritt 360 wird der Wert
des Zählers Cs um 1 inkrementiert, um die vorliegende Programmroutine über das Schleifenende NEXT zu beenden.
Nachdem die Suche gestartet worden ist, wenn diese Routine ausgeführt wird, ergeben die Abfragen in den
Schritten 320 und 340 in beiden Flällen "ja". Der Betriebsablauf geht über zu einem Schritt 370, um zu prüfen,
wie die Störungskomponenten cTfr (k) in.Verbindung
mit der Kraftstoffeinspritzmenge FR (k) bezüglich der
Gleichgewichtszustandspunkte im Vergleich mit den Störungskomponenten ^FR (k-1) des vorhergehenden Zyklus
geändert werden.
Wenn der Wert /FR(k) - <TFR(k-l) kleiner als ein vorbestimmter
Wert -AF ist, wird davon ausgegangen, daß die Kraftstoffeinspritzmenge noch weiter reduziert werden
kann und der Schritt 350 und die nachfolgenden Schritte werden zur Fortführung der Suche durchgeführt. Dies ist
bezeichnend für eine Situation in Fig. 5, wobei man sich von dem Punkt "b" dem Punkt "a" nähert.
18.02.19 86 * M ' K&H: Ϊ6ΝΟΡΪ5θ3*-01· ^
Wenn andererseits der Wert^FR(k) -e/FR(k-1) größer
als der vorbestimmte Wert AF ist, wird davon ausgegangen,
daß sich die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht und der Wert des Suchrichtungskoeffizienten D wird in einem
Schritt 380 auf "-1" gesetzt, um die Suchrichtung umzukehren. Dann werden die zuvor erwähnten Schritte 350 und
360 durchgeführt. Daher wird die Sollzufuhrluftmenge AR
(k) reduziert und der Öffnungsgrad θ der Drosselklappe wird reduziert werden. Dies entspricht einer Suche in
einer Richtung von Punkt "c" zu dem Punkt "a" in Fig. 2.
Durch die Suche in Richtung Verminderung der Kraftstoffeinspritzmenge
wird ein Punkt gefunden, für den gilt, daß der Wert cTFR(k) - cTFR(k-l) innerhalb der gegebenen
Abweichung +4F liegt. Das ist der Punkt, der der Zufuhrluftmenge entspricht, bei der der Kraftstoffverbrauch
während des Fahrens minimal wird. Dann wird davon ausgegangen, daß die Suche beendet ist und die Marke Fs wird
in einem Schritt 390 auf "0" gesetzt. In einem folgenden Schritt 400 wird die zu diesem Zeitpunkt erhaltene Sollzufuhr
luftmenge AR (k-1) mit einem Wert aus einer Tabelle ersetzt, die die Zufuhrluftmenge durch die Reisegeschwindigkeit
SPD festlegt, d.h. AR (SPD) = AR (k-1). In einem nachfolgenden Schritt 410 wird der Wert von AR
(k-1) aufgefrischt, weil die zuvor festgelegte Sollzufuhrluftmenge
AR (k-1) auch in dem momentanen Zyklus verwendet wird. Dann wird diese Routine durch das
Schleifenende NEXT beendet.
Wenn demnach ein Suchprozeß beendet ist, wird die Suche durch die Prozeßschritte von Anfang an und den Schritten
320, 330 und 340 fortgesetzt.
Durch wiederholte Ausführung der Regelungsroutine gemäß den Fig. 7 und 8 regelt die Vorrichtung zur Regelung der
. U-
17.02.1986 ' kei' K&K: 1&ΝΟΘ1563-01
Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur die Fahrzeuggeschwindigkeit auf die konstante
Reisegeschwindigkeit, sondern bewirkt auch, daß der Kraftstoffverbrauch minimal wird, wie dies oben beschrieben
ist. Hier ist das System, das das geregelte Objekt Ml regelt, ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem
Integralteil (integral-added optimal regulator), bei dem durch Reglerkoeffizienten eine optimale
Rückkopplung erreicht wird, so daß die Steuerung des Drosselklappenöffnungsgrades ö und der Kraftstoffeinspritzmenge
FR schnell ansprechend und stabil realisiert werden, was mit den bisherigen konventionellen Techniken
nicht möglich war. Folglich wird das Fahrverhalten des Fährzeugs nicht gestört und es ist damit möglich, den
Kraftstoffverbrauch FR durch Veränderung des Öffnungsgrades θ der Drosselklappe zu minimieren.
Da das dynamische Modell sich auch mit der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1 verändert,
wird die Regelung durch Umschalten der Parameter des Beobachters und der optimalen Reglerkoeffizienten in Abhängigkeit
der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit durchgeführt, wodurch eine stabile Regelung unabhängig von den
Änderungen der Temperatur Thw der Kühlflüssigkeit ermöglicht wird.
Es ist damit nun möglich, die Kraftstoffeinspritzmenge
für die Brennkraftmaschine 1 zu optimieren, d.h. zu minimieren, da ein derartig hervorragendes Ansprechen und
Stabilität zum ersten Mal realisiert worden sind. Obwohl auch bisher schon die Suche nach der minimalen Kraftstoff
einspritzmenge durch Ansteuerung der Drosselklappe durch eine Betätigungsvorrichtung mittels herkömmlicher
Regelung möglich war, konnten solche Konstruktionen in der Praxis nicht eingesetzt werden, da deren Reaktion
bzw. Ansprechverhalten dürftig und die Stabilität gering war.
18.02.1986 . HO' Κ&Έ :\16ΝΠ015« 3 Γ- 01. .τ
Fig. 9 zeigt die Charakteristik der Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit
SPD, die der vorgegebenen konstanten Reisegeschwindigkeit SPD bzw. der Sollgeschwindigkeit folgt.
Während bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform das geregelte Objekt Ml mit der Brennkraftmaschine 1 und
dem Kraftübertragungsmechanismus als ein System mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen aufgefaßt worden ist, weil
die Kraftstoffeinspritzmenge FR und der Öffnungsgrad 0
der Drosselklappe als Eingänge und die Zufuhrluftmenge AR und die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD als Ausgänge betrachtet
worden sind, um den optimalen Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil durch Konstruktion eines dynamischen
Modells unter Verwendung von Systemidentifikation mittels dem Verfahren der kleinsten Quadrate zu bilden,
ist es auch möglich, ein Modell eines Systems unter Berücksichtigung anderer Eingänge und Ausgänge passend zu
der verwendeten Brennkraftmaschine und dem Kraftübertragungsmechanismus
zu konstruieren, ohne den Kern der Erfindung zu ändern bzw. ohne deren Schutzumfang zu verlassen.
Wie vorstehend im Detail beschrieben worden ist, wird bei
der Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Sollzufuhrluftmenge
als ein Wert festgelegt, der den Kraftstoffverbrauch auf der Basis einer Korrelation zwischen der Zufuhrluftmenge
und dem Kraftstoffverbrauch minimiert, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit
konstant gehalten wird. Die Regelung ist als ein optimaler Zustandsregler mit zusätzlichem
Integralteil aufgebaut, der den Rückkopplungsbetrag auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten bestimmt, die
entsprechend dem dynamischen Modell des Systems bezüglich der Betriebsweise eines geregelten Objekt, das eine
Brennkraftmaschine umfaßt, im voraus bestimmt worden sind.
17.02.1986 - i/t* - Κ&ν?:-1"6NDpTSSS1-01
Damit sind ein hervorragendes Ansprechverhalten und eine
hohe Stabilität realisiert worden, die bei bisherigen konventionellen Brennkraftmaschinen mit einer Drosselklappenansteuerung
nicht erreicht werden konnten, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine konstante Reisegeschwindigkeit
geregelt wird und sich der besondere Vorteil ergibt, daß der Kraftstoffverbrauch minimiert
ist. Folglich bereitet die vorliegende Erfindung ein besonders angenehmes Fahrgefühl, während die Regelungscharakteristik
bemerkenswert verbessert worden ist, so daß der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges drastisch
reduziert wird.
Die beschriebene Ausführungsform ist nur beispielhaft für die vorliegende Erfindung und für den Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet ergeben sich ohne weiteres viele Abänderungen und Modifikationen, ohne daß dabei der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen werden würde.
20
20
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Brennkraftmaschine und einem Kraftübertragungsmechanismus
als ein geregeltes Objekt, gekennzeichnet durch
a) eine Detektorvorrichtung (M5) für die Zufuhrluftmenge
zum Erzeugen eines Luftzufuhrsignals,
das kennzeichnend für den der Brennkraftmaschine zugeführten Luftstrom ist,
b) eine Fahrzeuggeschwindigkeitsdetektorvorrichtung (M6) zum Erzeugen eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals
kennzeichnend für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs,
c) eine Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung (MIl) über die Luft und Kraftstoff der Brenn=·
18.02.1986 ", K&W: 16Μ)01563>·02
kraftmaschine zugeführt werden, wobei die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Einstellung des
Luftstroms und/oder der der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge geregelt wird,
d) eine Sollgeschwindigkeitseinstellvorrichtung (M8)
zum Einstellen einer konstanten Reisegeschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit entsprechend
dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal, wenn ein Reisemodus ausgewählt ist,
e) einer Sollwerteinstellvorrichtung (M9) für die Zufuhrluftmenge zum Einstellen einer Luftzufuhr
entsprechend einem minimalen Kraftstoffverbrauch,
der es ermöglicht, daß eine konstante Reisegeschwindigkeit auf der Basis eines Korrelationsmusters
zwischen der Kraftstoffmenge und der Luftzufuhr, das entsprechend der konstanten
Sollgeschwindigkeit voreingestellt wird, beibehalten wird;und
f) einen optimalen Zustandsregler (MIO) mit zusätzlichem
Integralteil (integral-added optimal regulator) zum Bestimmen der konstanten Soll- bzw.
Reisegeschwindigkeit aufgrund der Sollzufuhrluftmenge, und von Reglereingangs- bzw. Reglerausgangswerten
des geregelten Objekts, von einem Rückkopplungsbetrag bzw. von Rückkopplungsbeträgen
zu der Regelgröße bzw. zu den Regelgrößen der Kraftstoff/Luftgemisch-Zufuhrvorrichtung (MIl) uf
der Basis einer Arbeitsgleichung bzw. auf der Basis von Arbeitsgleichungen, die zur Abschätzung
des inneren Zustands des geregelten Objekts verwendet werden, und die entsprechend einem dynamischen
Modell eines Systems bezüglich des geregeregelten Objekts im voraus festgelegt werden,
17.02.1986 ; £
und auch auf der Basis von optimalen Reglerkoeffizienten, wobei der optimale Zustandsregler mit
zusätzlichem Integralteil dann eines oder mehrere Regelsignale auf der Basis des festgelegten Rückkopplungsbetrag
bzw. der festgelegten Rückkopplungsbeträge an die Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung
ausgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, XO daß der optimale Zustandsregler mit zusätzlichem Integralteil
folgendes aufweist?
a) eine zustandsbeobachtende Einheit (Zustandsbeobachter
bzw. Beobachter) (P6) zum Abschätzen von Zustandsvariablen passender Ordnung kennzeichnend
für den inneren dynamischen Zustand des Regelungssystems unter Verwendung von Betriebszuständen
und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, wobei Parameter verwendet werden die auf der
Basis des dynamischen Modells des Systems bezüglich des Betriebs der Brennkraftmaschine im voraus
festgelegt worden sind,
b) einer akkumulierenden Einheit (P4f P3) zum Akkumulieren
der Differenzen zwischen den Sollwerten der Zufuhrluftmenge und der erfaßten Zufuhrluftmenge
bzw. der Differenzen zwischen der Sollgeschwindigkeit bzw. der konstanten Reisegeschwindigkeit
und der erfaßten FahrEeuggeschwindigkeit, und
c) einem Bestimmungsbauteil (P7) für den oder die
Rückkopplungsbeträge zu der Kraftstoff/Luftgemisch-Zuführvorrichtung
(MIl) unter Verwendung der Reglerkoeffizienten, die auf der Basis des dynamischen
Models des Systems im voraus festgelegt
17.02.1986 ·■· «&W
36g51
worden sind, der abgeschätzten Zustandsvariablen und der akkumulierten Werte.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoff/Luftgemisch Zuführvorrichtung (MlI) folgendes aufweist:
a) ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzdüsen (M2),
die in einem Einlaß der Brennkraftmaschine an- IQ geordnet sind und die auf Steuersignale ansprechen,
um Kraftstoff so zuzuführen, daß die Kraftstoffzufuhr dadurch geregelt ist,
"" b) einer in dem Einlaß angeordneten Drosselklappe
(M2), und
c) einer Drosselklappenbetätigungsvorrichtung (M4) zum Einstellen des Öffnungsgrads (Θ) der Drosselklappe
(M2) entsprechend einem Steuersignal.
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