DE10312840B4 - Adaptiver Regler sowie Verfahren zur Bestimmung von dessen Parametern - Google Patents

Abstract

Adaptives Regelverfahren bei welchem ein Sollwert y einer Regelgröße x vorgegeben wird, der Istwert dieser Regelgröße x gemessen und entsprechend der Differenz zwischen Soll- und Istwert der Regelgröße eine Regelabweichung e berechnet wird und gemäß einer Reglergleichung ein Stellsignal u erzeugt wird, welches einem Stellglied als Stellsignal u vorgegeben wird, wobei die Parameter P der Regelgleichung im Betrieb des Reglers entsprechend einem Optimierungskriterium M durch einen oder mehrere Optimierungsschritte angepasst werden dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungskriterium M zur Bewertung des Reglerverhaltens aus einem ersten Wert F, der die über einen definierten Zeitraum gemessene Regelabweichung e bewertet und einem über diesen Zeitraum gebildeten ersten Strafterm B, der kennzeichnend für das Oszillieren der Regelgröße x ist, gebildet wird indem das Optimierungskriterium M als Summe aus der Summe der Fehlerquadrate der Regelabweichung (Istwert-Sollwert) zu F = ∑e2 t über alle Abtastzeitpunkte t des definierten Zeitraumes und einem ersten Strafterm B, welcher aus einer Summe der Beträge der Differenzen zwischen jeweils zwei Abtastschritten B = ∑[|x(t) – x(t – a)|] gebildet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft einen adaptiven Regler, sowie ein Verfahren zur Bestimmung von dessen Parametern sowie ein Regelverfahren für einen Nockenwellensteller.
• Allgemein vorbekannt sind Regler, deren Parameter im Reglerbetrieb in Abhängigkeit von Strecken oder Reglerparametern einstellbar sind (sogenannte adaptive Regler).
• Vorbekannt ist aus der Schrift US 3,798,426 A ein Muster erkennender adaptiver Regler, die Reglerparameter werden in Abhängigkeit der Reglerabweichung beim Auftreten einer Störung angepasst. Bewertet wird dabei die Abweichung über ein definiertes Auswertungsintervall. Entsprechend dem integrierten Fehler werden die Reglerparameter adaptiert.
• Ein zur US 3,798,426 A ähnliches Verfahren ist in der CH 675779 A5 beschrieben. Offenbart ist ein Adaptionsverfahren vorzugsweise für einen PID-Regler, wobei der Adaptionsalgorithmus die Parameter nicht kontinuierlich verändert. Im Regelbetrieb werden die Spitzen des Fehlersignals, die einen definierten Schwellwert überschreiten, erfasst und auf Basis dieses Messwertes erfolgt die Berechnung der Überschwing- und/oder der Dämpfungscharakteristik der geschlossenen Regelschleife. Entsprechend dem Vergleich der berechneten Überschwing- und/oder Dämpfungscharakteristik mit einer gewünschten Überschwing- und/oder Dämpfungscharakteristik erfolgt eine Anpassung der Regelparameter.
• Weiterhin Vorbekannt ist aus der EP 0974 880 A1 ein selbsteinstellender PID-Regler. Bei diesem Regelverfahren werden I- und D-Anteil des Reglers im Reglerbetrieb adaptiert.
• Bei den genannten Regelverfahren erfolgt keine Bewertung der Schwingungen, der Regelgröße.
• Aus der DE 199 46 077 A1 ist ein Verfahren zur Lageregelung einer Nockenwelle bekannt. Bei dem beschriebenen Regelverfahren erfolgt eine Regelung mit Istwertkorrektur, wobei dem Winkelistwert ein geschätzter Vorgabewinkel hinzu addiert wird. Eine Adaption der Reglerparameter erfolgt nicht.
• Die Übersetzung einer europäischen Patentschrift DE 690 20 919 T2 offenbart ein Verfahren zum Ändern von Regelungsparametern entsprechend dem Zustand des Prozesses im Bereich der Prozesssteuerung. Dabei wird in einem adaptiven Regelungsgerät zum Überwachen und Steuern des Zustandes des Prozesses eine Differenz zwischen einem von außen vorgegebenen Sollwert und einem vom Prozess gesteuerten Istwert ermittelt. Für den Differenzwert werden PID-Regelungsparameter berechnet, um einen angepassten Wert zu erhalten. Der Prozess arbeitet gemäß dem zugeführten angepassten Wert, um den gesteuerten Istwert auszugeben. Die PID-Regelungsparameter werden anhand einer Autoabstimmungsmethode oder einer Selbstabstimmungsmethode zuvor optimal berechnet.
• Die Offenlegungsschrift DE 39 31 727 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ausregeln der Regelabweichung einer Regelstrecke, bei dem in einer Vergleichsstufe aus einer Führungsgröße und der Regelgröße die Regelabweichung und in einem Regler die entsprechende Stellgröße erzeugt wird. Die sich während des Ausregelvorgangs ergebende Regelabweichung wird mit einer vom Regler vorgegebenen Ausregelfunktion verglichen. Abhängig von dem Vergleich wird die Stellgröße des Reglers derart verändert, dass die tatsächliche Regelabweichung der vorgegebenen Ausregelfunktion bestmöglich angenähert wird. Der Ausregelvorgang wird getaktet, um die Vergleichswerte zu gewinnen und aus den Vergleichswerten mittels Analyse und Klassifizierung einen von mehreren Reglern zu aktivieren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen adaptiven Regler zu schaffen, dessen Parameter mit wenigen Optimierungsschritten im Onlinebetrieb des Reglerseinstellbar sind.
• Diese Aufgabe wird bei adaptiven Reglern erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
• Adaptive Regler werden insbesondere aufgrund des geringen Zeitaufwandes bei ihrer Einstellung sowie ihre Fähigkeit auf Änderung der Streckenparameter mit einer Änderung der Reglerparameter zu reagieren eingesetzt. Dadurch wird eine gleichbleibende Regelgüte erreicht und diese Regler sind somit für anspruchsvolle Regelaufgaben einsetzbar. Eine Vielzahl von Regelungen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren findet Anwendung. Insbesondere die Anforderungen bezüglich Verbrauch, geringer Schadstoffwerte sowie die Anforderungen der Fahrer nach Leistung und Fahrdynamik erfordern eine genaue Steuerung und Regelung des Fahrzeugmotors. Regler von Verbrennungsmotoren sind in heute serieneingesetzten Steuergeräten vornehmlich Kennfeldregler, wobei deren Parameter am Prüfstand durch die Bedatung der Kennfelder festgelegt werden. Die Bedatung ist zeitaufwendig und erfolgt weitgehend von Hand, gemäß dem Erfahrungswissen des Applikateurs. An dieser Stelle setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an, in dem ein Regelverfahren geschaffen wird, bei dem sich der Regler weitgehend selbst einstellt bzw. vorgegebene Parameter selbst optimieren. Diese Adaption kann sowohl zur Bedatung der Reglerparameter am Prüfstand als auch zur Optimierung / Adaption der Parameter bei Betrieb des Reglers im Fahrzeug erfolgen. Die Adaption findet online im Reglerbetrieb statt, wodurch sicher gestellt wird, dass die für die Regelung im Betrieb wichtigen Arbeitspunkte optimal adaptiert werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei der allgemeine Adaptionsalgorithmus sowie eine spezielle Anwendung für den Fall der Lageregelung einer Nockenwelle dargestellt wird.
• Hierbei zeigen:
• 1 einen herkömmlichen hydraulischen Nockenwellensteller und eine Anordnung des Nockenwellenstellers an der Nockenwelle,
• 2 die Struktur des Reglers mit Adaptionsblock,
• 3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Adaptionsverfahrens.
• In 1 ist ein hydraulischer Steller zum verstellen einer Nockenwelle 1 gegenüber einem Kettenrad 2 dargestellt. Das Kettenrad 2 ist mit dem Gehäuse 3 des Stellers drehfest verbunden, wobei das Gehäuse 3 in seiner Winkellage relativ zur Nockenwelle 1 verstellbar ist. Die Verstellung erfolgt durch den Druck eines Hydraulikfluides, welches in den Kammern 4, die im Gehäuse ausgearbeitet sind, eingeleitet werden kann. Die Kammern 4 sind durch Flügel 5 in 2 Abschnitte geteilt, wobei das Hydraulikfluid wahlweise in jeweils einen Abschnitt der Kammer 4 eingeleitet werden kann. Die Flügel 5 sind mit dem Rotor 6 fest verbunden, wobei eine Relativverstellung der Flügel 5 in der Kammer 4 durch den Druck des Hydraulikfluides eine Relativverstellung des Gehäuses 3 zum Rotor 6 bewirkt. Die Einleitung des Hydraulikfluides in den jeweiligen Abschnitt der Kammer 4 ist beispielsweise durch ein Magnetventil steuerbar, wobei bei herkömmlichen Ausführungen die Steuerung über das Tastverhältnis des Ansteuersignals für die Steuermagneten erfolgt.
• 2 zeigt die Struktur des Systems mit Adaptionseinheit 9. Dargestellt sind ein Regler 7 dessen Stellgröße u auf eine Regelstrecke 8 einwirkt. Am Ausgang der Regelstrecke 8 ist der Istwert der Regelgröße x messbar, welcher vor dem Regler 7 einer Summationsstelle mit negativem Vorzeichen angeschalten ist. Der Summationsstelle liegt weiterhin der Sollwert y an, sodass die Regelabweichung e (e = x – y) dem Regler 7 sowie der Adaptionseinheit 9 anliegt. Der Adaptionseinheit 9 liegt gleichzeitig der Istwert der Regelgröße x an. In der Adaptionseinheit erfolgt durch Bewertung der Regelabweichung e sowie des Istwertes x und einer darauf basierenden Optimierung die Berechnung eines Parametersatzes P für den Regler 7. Der Adaptionsalgorithmus wird nachfolgend in 3 beschrieben.
• 3 zeigt anhand eines Ablaufplanes das erfindungsgemäße Adaptionsverfahren. Dem Adaptionsalgorithmus liegen der Istwert der Regelgröße x, sowie die Regelabweichung e am Eingang an. In einem ersten Verfahrensschritt 10 werden beide Größen (x und e) über einen vordefinierten Zeitraum gespeichert. In einem weiteren Verfahrensschritt 11 wird über den Zeitraum die Summe F über das Quadrat der Regelabweichung e F = ∑e² _t über alle Abtastzeitpunkte t des betrachteten Zeitraumes gebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt 12 wird die Oszillation der Regelgröße x bewertet. Dazu wird eine Summe B der Beträge der Differenz von jeweils n Werten zu zwei verschiedenen Zeitpunkten [x(t), x(t – a)] zu

  

  gebildet (a = 1...n). Die Summe B entspricht einem Strafterm mit dem ein starkes Schwingen der Regelgröße bewertet wird und die Reglerparameter somit in Richtung eines kontinuierlichen schwingungsarmen Verlauf der Regelgröße optimiert werden können. Aus den beiden Summen B und F wird das Optimierungskriterium M für die nachfolgende Optimierung durch Addition gebildet. Es kann ein weiterer Strafterm C hinzu addiert werden, welcher den Wert der Stellgröße u bewertet. Überschreitet die Stellgröße u einen Schwellwert S, so wird in Abhängigkeit der Überschreitung des Schwellwertes S ein Wert C zum Optimierungskriterium M hinzu addiert. Auf Basis dieses Optimierungskriteriums M erfolgt nachfolgend in Verfahrensschritt 13 die Optimierung der Reglerparameter P. Zur Optimierung können herkömmliche Optimierungsalgorithmen deterministische, wissensbasierte oder stochastische Methoden verwendet werden. Das Nelder-Mead Verfahren hat sich als vorteilhafte Optimierungsmethode erwiesen, da in den ersten Optimierungsschritten eine schnelle Anpassung an die optimalen Reglerparameter erfolgt und diese Methode vergleichsweise unabhängig vom Startwert ist. Nach der Optimierung stehen neue optimierte Reglerparameter P zur Verfügung, welche dem Regler 7 als aktueller Parametersatz vorgegeben werden. Nach der Vorgabe dieser neuen Parameter startet das Verfahren erneut im Verfahrensschritt 10. Es können je nach Anforderung beliebig viele Optimierungszyklen durchgeführt werden. Das Verfahren kann gleichfalls parallel zum Reglerbetrieb kontinuierlich ablaufen, wobei ein Abbruchkriterium gemäß dem berechneten Optimierungskriterium formuliert werden kann. Weiterhin kann z. B. im Betrieb eines Fahrzeuges eine Adaption der Reglerparameter nur dann erfolgen, wenn das Optimierungskriterium einen vordefinierten Schwellwert überschreitet.
• 4 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen adaptiven Reglers auf eine Nockenwellenlageregelung. Die Nockenwelle 1 wird von einem Steller 15 relativ zu einer Kurbelwelle 16 verstellt. Die Ansteuerung des Stellers 15 erfolgt über ein Magnetventil 17, dessen Steuermagneten 18 von einem Steuergerät 19 angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt auf Basis des erfindungsgemäßen Regelalgorithmus, wobei die Reglerparameter wie vorbeschrieben in den 2 und 3 adaptiert werden. Aus den Signalen eines Sensors 20 am Kettenrad 2 der Nockenwelle 1 und eines Sensors 21 an der Kurbelwelle 1 wird die Relativlage von der Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle 61 bestimmt. Auf Basis der Parameter des Motors bzw. der Umgebungsbedingungen MP₁–MP_x wird im Steuergerät 19 der Sollwert y der Regelgröße x, hier die Relativlage von Nocken- und Kurbelwelle zueinander, berechnet. Es wird das Fehlersignal e aus der Differenz zwischen der Relativlage (Ist) von Nocken- und Kurbelwelle zueinander und der berechneten Solllage y gebildet. Das bei Abarbeitung des Regelalgorithmus berechnete Stellsignal u, hier das Ansteuersignal (Tastverhältnis) für die Steuermagneten 19 des Magnetventils 18, wird den Steuermagneten aufgeschalten. Entsprechend diesem Tastverhältnis wird das Magnetventil 18 eingestellt und steuert den Druck eines Hydraulikfluids in den Kammern 4 (siehe 1) des Stellers 15. Aufgrund der Druckbeaufschlagung wird das Kettenrad 2 relativ zur Nockenwelle 1 verstellt und damit die Relativlage von Nockenwelle 1 und Kurbelwelle 16 zueinander verändert. Diese Veränderung wird über die Sensoren 20 und 21 gemessen und im Steuergerät 19 als Istwert x der Regelgröße berechnet. Im Betrieb des Reglers wird dieser Istwert bewertet. Gemäß dem zu 1 und 2 beschriebenen Algorithmus wird das Schwingen der Regelgröße x durch den Vergleich von aufeinanderfolgenden Werten und das Aufsummieren der Abweichungen zu einem Strafterm B verglichen. Gleichzeitig wird die Regelabweichung e über die Summe der Fehlerquadrate bewertet. Die Regelabweichung e wird dabei als Differenz zwischen der Relativlage (Ist) von Nocken- und Kurbelwelle zueinander x und der berechneten Solllage y gebildet. Ein weiterer Strafterm C kann gebildet werden, der die Stellgröße u ins Verhältnis zu einem Schwellwert S setzt. Der Strafterm wird derart gebildet, dass eine zulässige Größe des Schwellwertes S für das Tastverhältnis definiert wird und ein überschreiten dieses Schwellwertes sich in einer Erhöhung des Strafterms C niederschlägt. Durch die Summenbildung zum Optimierungskriterium M = F + B + C erhält man ein Optimierungskriterium, welches sowohl die Regelabweichung e, als auch ein Schwingen der Stellgröße x beim Regelvorgang und die für das Ausregeln notwendigen Stellgrößen u bewertet. Der letzte Strafterm C ist dabei nicht unbedingt notwendig, verbessert aber das Ergebnis der Adaption. Er kann in einfachen Adaptionsalgorithmen entfallen.
• Bezugszeichenliste

1

Nockenwelle

2

Kettenrad

3

Gehäuse des Stellers

4

Kammern

5

Flügel

6

Rotor

7

Regler

8

Regelstrecke

9

Adaptionseinheit

10–14

Verfahrensschritte

15

Steller

16

Kurbelwelle

17

Magnetventil

18

Steuermagneten

19

Steuergerät

20

Sensor Nockenwelle

21

Sensor Kurbelwelle

S

Schnellwert

u

Stellgröße

x

Regelgröße

y

Sollwert

e

Regelabweichung (e = x – y)

P

Parametersatz für den Regler

F

Summe der Fehlerquadrate

B, C

Strafterm

M

Optimierungskriterium

Claims (8)

1. Adaptives Regelverfahren bei welchem ein Sollwert y einer Regelgröße x vorgegeben wird, der Istwert dieser Regelgröße x gemessen und entsprechend der Differenz zwischen Soll- und Istwert der Regelgröße eine Regelabweichung e berechnet wird und gemäß einer Reglergleichung ein Stellsignal u erzeugt wird, welches einem Stellglied als Stellsignal u vorgegeben wird, wobei die Parameter P der Regelgleichung im Betrieb des Reglers entsprechend einem Optimierungskriterium M durch einen oder mehrere Optimierungsschritte angepasst werden dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungskriterium M zur Bewertung des Reglerverhaltens aus einem ersten Wert F, der die über einen definierten Zeitraum gemessene Regelabweichung e bewertet und einem über diesen Zeitraum gebildeten ersten Strafterm B, der kennzeichnend für das Oszillieren der Regelgröße x ist, gebildet wird indem das Optimierungskriterium M als Summe aus der Summe der Fehlerquadrate der Regelabweichung (Istwert-Sollwert) zu F = ∑e² _t über alle Abtastzeitpunkte t des definierten Zeitraumes und einem ersten Strafterm B, welcher aus einer Summe der Beträge der Differenzen zwischen jeweils zwei Abtastschritten B = ∑[|x(t) – x(t – a)|] gebildet wird.
2. Adaptives Regelverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Optimierungskriteriums M weiterhin ein zweiter Strafterm C benutzt wird, der das Stellsignal u in Relation zu einem definierten Schwellwert S bewertet.
3. Adaptives Regelverfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zum Optimierungskriterium M ein weiterer Strafterm C hinzuaddiert wird, der Wert des Stellsignals u in Relation zu einem Schwellwert S als Differenz zu einem vorherigen bewertet.
4. Adaptives Regelverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Optimierung das Nealder-Mead-Verfahren benutzt wird.
5. Adaptives Regelverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelverfahren ein PID-Algorithmus ist und mittels der Adaption die Verstärkung und/oder der differentielle Anteil oder der Integralanteil adaptiert werden.
6. Adaptives Regelverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelverfahren auf die Lageregelung mindestens einer Nockenwelle (1) eines Verbrennungsmotors gegenüber der Kurbelwelle (16) angewandt wird und das Stellsignal u das Ansteuersignal für die Betätigung eines Stellers 15 einer Nockenwelle 1 ist, welcher die Relativlage von Nockenwelle 1 und Kurbelwelle 16 zueinander verstellt und die Regelgröße x die Lage der Nockenwelle 1 des Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle 16 ist.
7. Adaptive Regelung einer Nockenwellensteuerung nach dem Regelverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eine Nockenwelle (1) eines Verbrennungsmotors mittels eines Stellers (15) in ihrer relativen Lage zur Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors verstellt wird, wobei die relative Lage der Nockenwelle (1) zur Kurbelwelle (16) gemessen wird, die Regelabweichung (e) zwischen dem Sollwert (x) und dem Istwert (x) der relativen Lage der Nockenwelle zur Kurbelwelle gebildet wird und der Regelalgorithmus aus der Regelabweichung (e) ein Stellsignal (u) für den Steller (15) zum Verstellen der Nockenwelle (1) gegenüber der Kurbelwelle (15) bildet und mittels eines Adaptionsverfahrens im Betrieb der Regeleinheit mindestens einen Parameter (P) des Reglers (9) verändert werden dadurch gekennzeichnet, dass im Reglerbetrieb ein Optimierungskriterium (M) aus der über eine vorgebbare Zeitdauer bewerteten Regelabweichung (e) zwischen dem Istwertes (x) und dem Sollwert (y) der relativen Lage der Nockenwelle zur Kurbelwelle und einem weiteren Strafterm (B), der das Oszillieren des Istwertes (x) der relativen Lage der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewertet berechnet wird und anhand dieses Optimierungskriteriums (M) in mindestens einem Optimierungsschritt mindestens ein Reglerparameter (P) gemäß der Optimierung verändert wird und dem Regler (9) als neuer Parameter (P) vorgegeben wird, wobei dass das Optimierungskriterium M zur Optimierung aus der Summe der Regelabweichung, die aus der Summe der Fehlerquadrate der Abweichung (Istwert-Sollwert) zu F = ∑e² _t und dem ersten Strafterm B, welcher aus einer Summe der Beträge der Differenzen der Regelgröße x zwischen jeweils zwei Abtastschritten B = ∑[|x(t) – x(t – a)|] gebildet wird
8. Adaptive Regelung einer Nockenwellensteuerung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Optimierungskriteriums M weiterhin ein zweiter Strafterm C benutzt wird, der das Stellsignal für den Steller (15) zum Verstellen der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Relation zu einem definierten Schwellwert S bewertet.

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