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DE69200899T2 - Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine. - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine.

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DE69200899T2
DE69200899T2 DE69200899T DE69200899T DE69200899T2 DE 69200899 T2 DE69200899 T2 DE 69200899T2 DE 69200899 T DE69200899 T DE 69200899T DE 69200899 T DE69200899 T DE 69200899T DE 69200899 T2 DE69200899 T2 DE 69200899T2
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control
speed
engine
value
deviation
Prior art date
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DE69200899T
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Hiroshi Ikeda
Katsuhiko Kawai
Kazuhiro Nakai
Yasuhito Takasu
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Denso Corp
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NipponDenso Co Ltd
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Priority claimed from JP15281892A external-priority patent/JP3374409B2/ja
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Motors mit interner Verbrennung (Brennkraftmaschine) und insbesondere auf eine Motordrehzahl-Steuereinrichtung zum optimalen Steuern der Motordrehzahl in Übereinstimmung mit der modernen Steuertheorie.
  • Eine solche, auf der modernen Steuertheorie basierende Motordrehzahl-Steuereinrichtung ist mit einem Beobachter zum Abschätzen eines internen Zustands auf der Grundlage von eingegebener und abgegebener Steuerinformation versehen, wobei die Steuereingangsgröße die Ansaugluftmenge oder die Zündzeitsteuerung ist und die Steuerausgangsgröße die Motordrehzahl (Leerlaufdrehzahl des Motors) und das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-25175 offenbart ist. Auch wenn der interne Zustand eines Drehzahlsteuersystems durch Zustandsvariable zur Bestimmung einer notwendigen Steuereingangsgröße (gesteuerte Ansaugluftmenge) repräsentiert ist, ruft die moderne Steuerung andererseits das Problem hervor, daß es notwendig ist, die Zustandsvariablen durch Herstellen eines Beobachters zu erfassen, wobei die Herstellung bzw. der Aufbau des Beobachters viel Zeit erfordert und große Schwierigkeiten begründet, da es notwendig ist, geeignete Parameter und dergleichen durch eine Anzahl von Simulationen auszuwählen. Da der Beobachter in Übereinstimmung mit einem dynamischen Modell eines gesteuerten Objekts aufgebaut wird, hängt die Beobachtung der Zustandsvariablen zudem lediglich von der Genauigkeit bei dem Aufbau des dynamischen Modells des Drehzahlsteuersystems ab, so daß es demzufolge erforderlich ist, zur Erhöhung der Beobachtungsgenauigkeit der Zustandsvariablen aufgrund des Beobachters die Modellierung des gesteuerten Objekts mit hoher Genauigkeit durchzuführen, wodurch das Modell kompliziert wird. Deshalb ist es aufgrund der Erhöhung der Belastung bzw. Anforderungen der Steuerberechnungen und dergleichen schwierig, die Steuerung in der Praxis durchzuführen. Die japanische vorläufige Patentveröffentlichtung Nr. 64-8336 (entspricht US-Patent Nr. 4,785,780) offenbart deshalb eine Leerlaufdrehzahl-Steuereinrichtung, die die Leerlaufdrehzahl durch Steuerung der Ansaugluftmenge (ein Steuereingangssignal) ohne Einsatz des Beobachters steuert. Bei einer solchen Leerlaufdrehzahl-Steuereinrichtung ist jedoch das Problem vorhanden, daß das Ansprechvermögen eine Grenze aufgrund der Verzögerung (Totzeit) des Luftsystems (Kapazität des Stoßwellentanks, Hub und dergleichen) besitzt und daß es beim Überschreiten dieser Grenze schwierig ist, die Steuerung auf der Basis von zwei Steuereingangsgrößen einschließlich der Zündzeitsteuerung durchzuführen. Darüber hinaus ist es im Fall der Durchführung einer optimalen Steuerung auf der Basis eines Systems mit mehreren Eingangsgrößen (mehrere Arten von Steuergrößen) entsprechend der herkömmlichen Technik der Rechenaufwand extrem vergrößert, was es schwierig macht, den gegenwärtigen Fahrzeugcomputer, der eine begrenzte Rechengeschwindigkeit besitzt, einzusetzen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung zu schaffen, die zum leichten und optimalen Steuern eines Betriebszustandswerts imstande ist.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinrichtung in Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 1 geschaffen.
  • Gemäß dieser Erfindung wird weiterhin eine Steuereinrichtung in Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 8 bereitgestellt.
  • Die Aufgabe und die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch klarer ersichtlich. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Darstellung einer Motordrehzahl-Steuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2A eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Motorsolldrehzahl und der Temperatur des Kühlwassers oder der Außentemperatur;
  • Fig. 2B eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Zündsollzeit-Steuerung und der Motordrehzahl;
  • Fig. 3 eine prinzipielle Anordnung des Ausführungsbeispiels dieser Erfindung;
  • Fig. 4 ein Blockschaltbild, das ein Luftsystem und ein Zündsystem zur Steuerung der Motor-Leerlaufdrehzahl veranschaulicht; und
  • Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine des Ausführungsbeispiels zur Steuerung der Leerlaufluftmenge und der Zündzeitpunktsteuerung zeigt.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Motordrehzahl-Steuereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die bei einer in einem Motorfahrzeug angebrachten Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Gemäß Fig. 1 ist die Maschine 10 ein Viertaktmotor mit vier Zylindern und Zündfunken-Zündung, wobei die Ansaugluft durch einen Luftfilter 21, einen Luftströmungsmesser 22, ein Ansaugrohr 23, einen Stoßwellentank 24 und ein Ansaugverzweigungsrohr 25 in die jeweiligen Zylinder eingeführt und der Brennstoff von einem Brennstofftank (nicht gezeigt) unter Druck derart zugeführt wird, daß er zu Brennstoffeinspritzventilen 26a bis 26d, die in dem Ansaugverzweigungsrohr 25 angeordnet sind, zugeführt und in die jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Weiterhin ist in der Maschine 10 ein Verteiler 29 zum Verteilen von elektrischen Hochspannungssignalen von einem Zündfunkengenerator 27 auf Zündkerzen 28a bis 28d für die jeweiligen Zylinder, ein Drehzahlsensor 30, der in dem Verteiler 29 zur Erfassung der Drehzahl Ne der Maschine 10 angeordnet ist, ein Drosselsensor 32 zur Erfassung des Öffnungsmaßes TH eines Drosselventils bzw. einer Drosselklappe 31, ein Wassertemperatursensor 33 zur Erfassung der Temperatur Thw des Kühlwassers der Maschine 10 und ein Ansauglufttemperatursensor 34 zur Erfassung der Temperatur Tam der in die Maschine 10 eingeführten Einsaugluft vorhanden. Der Drehzahlsensor 30 ist so angeordnet, daß er einem synchron mit der Kurbelwelle der Maschine 10 drehbaren ringförmigen Zahnrad gegenüberliegt, und derart ausgelegt, daß er ein zur Motordrehzahl proportionales Impulssignal erzeugt, das 24 Impulse bei jeder einzelnen Umdrehung (720ºCA (Kurbelwellenwinkel)) der Maschine 10 enthält. Der Drosselsensor 32 gibt ein analoges Signal ab, das dem Öffnungsausmaß TH des Drosselventils 31 entspricht, und erzeugt weiterhin ein Ein/Aus-Signal mit Hilfe eines Leerlaufschalters für die Erfassung des Zustands, daß das Drosselventil 31 im wesentlichen im voll geschlossenem Zustand ist.
  • Zusätzlich ist in dem Ansaugluftsystem der Maschine 10 eine Bypaßpassage 40 für die Umgehung des Drosselventils 31 vorgesehen, die zur Steuerung der Ansaugluftmenge AR beim Leerlaufzustand des Motors 10 dient. Die Bypaßpassage 40 enthält Luftführungsrohre 42, 43 und ein Luftsteuerventil 44 (im folgenden als ISC-Ventil bezeichnet). Dieses ISC- Ventil 44 weist als Basis ein Steuerventil mit linearem Solenoid auf, bei dem die Luftdurchgangsfläche (Luftzuführungsmenge) zwischen den Luftführungsrohren 42 und 43 durch die Position eines Tauchkolbens 46, der in einem Gehäuse 45 beweglich angeordnet ist, steuerbar ist. Ferner ist das ISC-Ventil 44 derart ausgelegt, daß der Tauchkolben 46 normalerweise durch eine Kompressionsschraubenfeder 47 zur Festlegung der Luftdurchgangsfläche auf 0 vorgespannt ist, und der Tauchkolben 46 durch Zuführung eines Erregerstroms zu einer Erregerspule 48 derart angetrieben wird, daß er den Luftdurchgang öffnet. Dies bedeutet, daß die Menge der Umgehungsluftströmung durch kontinuierliche Steuerung des Erregerstroms der Erregerspule 48 steuerbar ist. In diesem Fall wird der Erregerstrom für die Erregerspule 48 in Übereinstimmung mit einem sogenannten Pulsbreitenmodulationsverfahren (PWM = pulse width modulation) gesteuert, so daß das Tastverhältnis der Breite des an die Erregerspule 48 angelegten Impulses gesteuert wird. Hierbei ist es ebenfalls möglich, als ISC-Ventil 44 ein Ventil mit Membransteuerung, ein durch einen Schrittmotor gesteuertes Ventil oder ein sonstiges Ventil einzusetzen. Ebenso wie die Brennstoffeinspritzventile 26a bis 26d und die Zündeinrichtung (Zündgenerator) 27 wird die Aktivierung des ISC- Ventils 44 durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20 gesteuert.
  • Die elektronische Steuereinheit 20 ist als eine arithmetische und logische Recheneinheit aufgebaut, die im wesentlichen eine bekannte Zentraleinheit (CPU) 52, einen Festwertspeicher (ROM) 52, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 53, ein Unterstützungs-RAM 54 und weitere Elemente besitzt, die gegenseitig über einen gemeinsamen Bus 59 miteinander gekoppelt sind und über den gemeinsamen Bus 59 mit einem Eingangsanschluß 56 für die Eingabe der Erfassungssignale von den vorstehend erwähnten Sensoren und weiterhin mit einem Ausgangsanschluß 58 zum Abgeben von Steuersignalen an die jeweiligen Betätigungsglieder gekoppelt sind. Dies bedeutet, daß die elektronische Steuereinheit 20 die Ansaugluftmenge AR, die Ansauglufttemperatur Tam, das Drosselöffnungsausmaß TH, die Kühlwassertemperatur Thw, die Motordrehzahl Ne und weitere Parameter über den Eingangsanschluß 56 aufnimmt und die Brennstoffeinspritzmenge τ, die Zündzeitsteuerung Iq, das Öffnungsausmaß θ des ISC-Ventils und weitere Größen auf der Grundlage der eingegebenen Daten berechnet und in Übereinstimmung mit dem Berechnungsergebnis Steuersignale über den Ausgangsanschluß 58 an die Brennstoffeinspritzventile 26a bis 26d, die Zündeinrichtung 27, das ISC-Ventil 44 und weitere Einrichtungen abgibt. Nachstehend wird von diesen Steuerungen die Leerlaufdrehzahlsteuerung beschrieben.
  • Die elektronische Steuereinheit 20 ist vorab in Übereinstimmung mit dem nachstehenden Verfahren zur Durchführung der Leerlaufdrehzahlsteuerung ausgelegt.
    • 1.) Modelieren eines gesteuerten Objekts (Identifizierung)
  • Als ein Modell eines Systems zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl der Maschine 10 wird ein Modell mit autoregressiv sich bewegendem Durchschnitt eingesetzt, das eine Totzeit p (= 0, 1, 2, ...) und eine Ordnung [n, m) besitzt. Weiterhin wird eine Störung d für die Annäherung in Betracht gezogen. Das auf dem Modell mit autoregressiv sich bewegendem Durchschnitt basierende Modell des Leerlaufdrehzahl-Steuersystems läßt sich wie folgt annähern:
  • Ne(i) = a1 Ne(i-1) + a2 Ne(i-2) + ... an Ni(i-n) + b u(i-1-p) + b2 u(i-2-p) + ... bm u(i-m-p) + d(i-1) + c1 u'(i-1-p') + c2 u'(i-2-p') + ... + cm' u'(i-m'-p')
  • ... (1)
  • Hierbei bezeichnet
  • Ne: die Drehzahl der Brennkraftmaschine,
  • u : den Steuerwert des ISC-Ventils,
  • u': den Steuerwert der Zündeinrichtung, und
  • d : die Störung.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Modell mit autoregressiv sich bewegendem bzw. gleitendem Mittelwert mit n = 2, m = 1 und m' = 2 eingesetzt. Folglich läßt sich die vorstehende Gleichung (1) unter den Bedingungen p = 6 und p' = 1 folgendermaßen umschreiben:
  • Ne(i) = a1 Ne(i-1) + a2 Ne(i-2) + b1 u(i-7) + d(i-1) + c1 u'(i-2) + c2 u'(i-3)
  • ... (2)
  • Hierbei ist u als DOP und u' als AOP ausgedrückt.
    • 2.) Methode des Ausdrückens von Zustandsvariablen X
  • Die vorstehende Gleichung (2) wird folgendermaßen umgeschrieben, wenn die Zustandsvariablen X(i) = [X1(i) X2(i) X3(i) X4(i) ... X10(i)]T eingesetzt werden:
  • Hierbei ist X1(i) = Ne(i), X2(i) = Ne(i-1), X3(i) = DOP(i-1), X4(i) = DOP(i-2), X5(i) = DOP(i-3), X6(i) = DOP(i-4), X7(i) = DOP(i-5), X8(i) = DOP(i-6), X9(i) AOP(i-1), X10(i) = AOP(i-2). Folglich ist es möglich, X(i) = [Ne(i), Ne(i-1), DOP(i-1), ..., DOP(i-6), AOP(i-1), AOp(i-2)]T zu benutzen.
  • (Alle Zustandsgrößen sind bekannt.)
    • 3.) Entwurf des Reglers
  • Ein genereller optimaler Regler besitzt keine Funktion der Konvergierung der Ausgangsgröße auf einen Sollwert. Demgemäß ist es für die Leerlaufdrehzahlsteuerung notwendig, einen verbesserten Systemregler zu benutzen, in den der Unterschied (e(i) = NT(i) - Ne(i)) zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl eingespeist wird. Dieses Ausführungsbeispiel basiert daher auffolgendem:
  • lime (i) T 0
  • i T∞
  • Dies bedeutet, daß das System zur Durchführung der Steuerung derart, daß die gesteuerte Frequenz dem eingegebenen festen Sollwert nachfolgt, so ausgelegt ist, daß der Fehler e1(i) = NT(i) - Ne(i) auf 0 konvergiert bzw. gebracht wird und der Fehler e2(i) = AT(i) - ADP(i) ebenfalls auf 0 gebracht wird, wodurch zwei Eingangsgrößen und zwei Ausgangsgrößen erzielt werden. Hierbei bezeichnet NT(i) die Solldrehzahl und AT(i) die Soll-Zündzeitsteuerung. Fig. 2A zeigt die Solldrehzahl NT(i), während in Fig. 2B die Soll- Zündzeitsteuerung AT(i) dargestellt ist. Dabei wird davon ausgegangen, daß
  • d(i) = d(i-1), Nt(i) = NT(i-1) und AT(i) = AT(i-1).
  • Wenn weiterhin q als das Zeitübergangs-Anwendungssystem auf e1(i+1) = NT(i+1) - Ne(i+1) für die Bildung des verbesserten Systems angewendet wird, ergibt sich die nachfolgende Gleichung:
  • (1-q&supmin;¹) e1(i+1) = (1-q&supmin;¹) {NT(i+1) - Ne(i+1)}
  • = - (1-q&supmin;¹) Ne(i+1)
  • = - a1 (1-q&supmin;¹) Ne(i)
  • - a2 (1-q&supmin;¹) Ne(i-1)
  • - b1 (1-q&supmin;¹) DOP(i-6)
  • - c1 (1-q&supmin;¹) AOP(i-1)
  • - c2 (1-q&supmin;¹) AOP(i-2)
  • e1(i+1)=e1(i)-a1(1-q&supmin;¹)Ne(i)
  • - a2 (1-q&supmin;¹) Ne(i-1)
  • - b1 (1-q&supmin;¹) DOP(i-6)
  • - c1 (1-q&supmin;¹) AOP(i-1)
  • - c2 (1-q&supmin;¹) AOP(i-2)
  • Wenn ferner (1-q-1) bei e2(i) = AT(i) - AOP(i) eingesetzt wird, ergibt sich die nachstehende Gleichung:
  • (1-q&supmin;¹) e2(i) = (1-q&supmin;¹) {AT(i) - AOP(i)} = - (1-q&supmin;¹) AOP(i)
  • e2(i)=e2(i-1)-(i-q&supmin;¹)AOP(i)
  • Somit läßt sich die nachstehende Gleichung als Zustandsgleichung in dem verbesserten System erhalten:
  • Zu diesem Zeitpunkt ist die Bewertungsfunktion die folgende und der optimale Regler wird auf der Grundlage der Bewertungsfunktion entworfen.
    • 4.) Entwurf des optimalen Reglers
  • Wenn die Zustandsrückkopplung unter Bezugnahme auf die vorstehend erwähnten Gleichungen (4) und (5) durchgeführt wird, ergibt sich:
  • Somit ergibt sich:
  • Falls
  • eingesetzt wird, ergibt sich hierbei
  • DI(i) = DI(i-1) + K&sub1;&sub1; (NT(i) - Ne(i))
  • In gleicher Weise:
  • AI(i) = AI(i-1) + K12 (At(I-1) - AOP(i-1))
  • Im Fall des Luftsystems gilt:
  • Hierbei gilt:
  • DI(i) = DI(i-1) + K&sub1;&sub1; (NT(i) - Ne(i)) (7)
  • AI(i) = AI(i-1) + K&sub1;&sub2; (AT(i-1) - AOP(i-1)) (8)
  • Diese sind der akkumulierte Wert der Abweichung zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl und der akkumulierte Wert der Abweichung zwischen der Soll-Zündzeitsteuerung und der Ist-Zündzeitsteuerung während der Zeit des Leerlaufs.
  • Weiterhin gilt im Fall der Zündzeitsteuerung:
  • Hierbei gilt:
  • DI'(i) = DI'(i-1) + K&sub1;&sub1;' (NT(i) - Ne(i)) ....(10)
  • AI'(i) = AI'(i-1) + K&sub1;&sub2;' (AT(i-1) - AOP(i-1)) ....(11)
  • Diese sind der akkumulierte Wert der Abweichung zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl und der akkumulierte Wert der Abweichung zwischen der Soll-Zündzeitsteuerung und der Ist-Zündzeitsteuerung während des Leerlaufbetriebs.
  • Die vorstehend erwähnte optimale Rückkopplungsverstärkung K = [K1 bis K12, K1' bis K12'] hängt von den Modellkonstanten a1, a2, b1, c1, c2 ab. Demgemäß muß die optimale Rückkopplungsverstärkung K zur Sicherstellung der Stabilität (Robustheit) des Systems bezüglich der aktuellen Veränderung (Parameterveränderung) des Systems zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl unter Vorwegnahme der Veränderungen der Modellkonstanten a1, a2, b1, c1, c2 ausgelegt werden. Folglich wird die Simulation in Erwartung der aktuell möglichen Änderungen der Modellkonstanten a1, a2, b1, c1, c2 durchgeführt, wodurch die optimale Rückkopplungsverstärkung K derart bestimmt wird, daß die Stabilitätsanforderung erfüllt ist. Als Faktoren der Veränderung sind die zeitablaufsabhängige Veränderung wie etwa die Verschlechterung des Leistungsverhaltens des ISC-Ventils 44 und die Verstopfung der Bypaßpassage, die Veränderung der Last usw. zu berücksichtigen. Daher ist es angebracht, eine Mehrzahl von optimalen Rückkopplungsverstärkungen (beispielsweise eine, die einer großen Lastveränderung entspricht, und eine andere, die einer kleinen Lastveränderung entspricht) vorab festzulegen und in Abhängigkeit von dem Lastveränderungszustand umzuschalten.
  • Auch wenn die vorstehende Beschreibung im Hinblick auf die Modellierung des gesteuerten Objekts, die Methode der Anzeige der Zustandsvariablen, die Auslegung des Reglers und die Bestimmung der optimalen Rückkopplungsverstärkung gegeben wurde, sind diese bereits vorab bestimmt, so daß die elektronische Steuereinheit 20 die Steuerung lediglich in Abhängigkeit von den Ergebnissen, d.h. von den vorstehend erwähnten Gleichungen (6) bis (11) durchführt.
  • Fig. 3 zeigt die hauptsächliche Anordnung des Ausführungsbeispiels dieser Erfindung. in Fig. 3 ist zur Steuerung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine auf eine Sollgeschwindigkeit eine Leerlaufdrehzahl-Steuereinrichtung vorhanden, die zur Bestimmung der Steuergröße einer Leerlauf- Luftmengensteuereinrichtung auf der Grundlage der durch eine Drehzahlerfassungseinrichtung (Drehzahlsensor 30) erfaßten Drehzahl des Motors ausgelegt ist, wobei die Leerlauf- Luftmengensteuereinrichtung zur Steuerung der Ansaugluft menge während des Leerlauf zustands des Motors dient. Die Leerlaufdrehzahl-Steuereinrichtung ist mit einem Abschnitt 201 zur Abgabe einer Zustandsvariablen, einem Abschnitt 202 zum Aufsummieren von Drehzahlabweichungen, einem Abschnitt 203 zum Aufsummieren von Abweichungen der Zündzeitsteuerung und einem Abschnitt 204 zur Berechnung einer Luftsystem- und Zündsystem-Steuergröße ausgestattet. Der Abschnitt 201 zur Abgabe der Zustandsvariablen gibt die Drehzahl des Motors, die Steuergröße der Leerlauf-Luftinengensteuereinrichtung und die Zündzeitsteuerungs-Steuergröße der Zündeinrichtung 27 als Zustandsvariable ab, die den internen Zustand eines dynamischen Modells des Motors repräsentieren. Der Abschnitt 202 zum Aufsummieren der Drehzahlabweichung summiert die Abweichung zwischen der Solldrehzahl und der erfaßten Drehzahl des Motors auf. Der Abschnitt 203 zur Aufsummierung der Abweichungen der Zündzeitsteuerung summiert die Abweichung zwischen der Soll-Zündzeitsteuerung und der erfaßten Zündzeitsteuerung auf. Weiterhin berechnet der Abschnitt 204 für die Berechnung der Luftsystem- und Zündsystem-Steuergröße die Steuergröße der Leerlauf-Luftmengensteuereinrichtung und die Zündzeit-Steuergröße der Zündeinrichtung 27 auf der Grundlage der optimalen Rückkopplungsverstärkungen für das Luftsystem und das Zündsystem, die in Übereinstimmung mit dem dynamischen Modell, den Zustandsvariablen, dein Drehzahlabweichungswert und dem Zündzeitsteuerungs-Abweichungswert vorab bestimmt sind.
  • Dies bedeutet, daß der Abschnitt 201 zur Abgabe der Zustandsvariablen in der Leerlaufdrehzahl-Steuereinrichtung zunächst als die für den internen Zustand des Systems repräsentativen Zustandsvariablen X zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl die erfaßte Motordrehzahl Ne, die Steuergröße DOP der Leerlauf-Luftmengensteuereinrichtung bis zum aktuellen Zeitpunkt und die Zündzeit-Steuergröße AOP der Zündeinrichtung 27 abgibt. Zweitens bzw. danach berechnet der Abschnitt 204 zur Berechnung der Luftsystem- und Zündsystem-Steuergröße die Steuergröße DOP der Leerlauf-Luftmengensteuereinrichtung und die Zündzeit-Steuergröße AOP der Zündeinrichtung 27 auf der Grundlage der Zustandsvariablen X des aufsummierten Werts der Abweichung zwischen der Solldrehzahl NT und der Leerlaufdrehzahl Ne, der von dem Abschnitt 202 zur Aufsummierung der Drehzahlabweichung abgegeben wird, des von dem Abschnitt 203 zur Aufsummierung der Zündzeitabweichung abgegebenen akkumulierten Werts der Abweichung zwischen dem Soll-Zündzeitpunkt AT und dem Ist- Zündzeitpunkt AOP, und der optimalen Rückkopplungsverstärkungen K und K', wodurch die Steuereinrichtung und die Zündeinrichtung 27 auf der Grundlage der berechneten Steuergrößen DOP und AOP derart gesteuert werden, daß die Leerlaufdrehzahl Ne auf die Sollldrehzahl NT gebracht wird.
  • Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Luftsystems und des Zündsystems zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl, die auf der Grundlage der vorstehend angegebenen Gleichungen (6) bis (11) aufgebaut sind. In Fig. 4 sind diejenigen Teile, die denjenigen in Fig. 3 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen und Buchstaben bezeichnet. Auch wenn hier die Z-1- Umwandlung zur Erzielung der Steuergröße DOP(i-1) und weiterer Größen aus DOP(i) eingesetzt wird, entspricht dies der Vorgehensweise, daß die vorhergehende Steuergröße DOP(i-1) und weitere zuvor in dem RAM 53 gespeichert und zum Zeitpunkt der nächsten Steuerung ausgelesen und benutzt werden.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird nachstehend eine detailliertere Beschreibung hinsichtlich der Leerlauf-Luftmengensteuerung und der Zündzeitsteuerung gegeben, die durch die elektronische Steuereinheit 20 durchzuführen sind. Als Reaktion auf das Einschalten einer Spannungsquelle führt die elektronische Steuereinheit 20 diese Arbeitsroutine gemäß Fig. 5 zusätzlich zu der Brennstoffeinspritzsteuerung und weiterer Vorgänge durch. Dieser Ablauf beginnt mit einem Schritt 100 für die Initialisierung. Hierbei dient die Initialisierung zum Beispiel zum Einstellen der die Anzahl von Abtastungen anzeigenden Variablen i auf 0 und zum Einstellen der anfänglichen Werte des Luftsystems und des Zündsystems in einem vorbestimmten Bereich des RAM 53 in der nachstehenden Weise:
  • DOP(-1) = DOP(-2) = DOP(-3) = DOP(-4) = DOP(-5) = DOP(-6) = DOP 0
  • AOP(-1) = AOP(-2) = AOP 0
  • DI(0) = DIO, AI(0) = 0, DI'(0) = DIO, AΓ(0) = 0
  • Danach wird ein Schritt 110 zur Auslesung der von dem Drehzahlsensor 30 abgegebenen Ist-Leerlaufdrehzahl Ne(i) über den Eingangsanschluß 56 abgearbeitet, wonach ein Schritt 120 zur jeweiligen Bildung der Steuergröße DOP(i) des ISC-Ventils 44 und der Steuergröße AOP(i) des Zündzeitpunkts auf der Grundlage der optimalen Rückkopplungsverstärkungen K, K' und der Zustandsvariablen X durchgeführt wird. Hierbei wird bei der ersten Abarbeitung des Schritts 120 unmittelbar nach der Initialisierung der Vorgang bei Ne(i) = Ne(i-1) bewirkt. Bei einem Schritt 130 werden das ISC-Ventil 44 und die Zündeinrichtung 27 über den Ausgangsanschluß 58 unter Heranziehung der in dieser Weise erhaltenen Steuergrößen (bei diesem Ausführungsbeispiel Tastverhältnis) DOP(i) und AOP(i) gesteuert, wobei die Steuergrößen DOP(i) und AOP(i) in einem Schritt 140 gespeichert und als DOP(i-1) und AOP(i-1) in einem vorbestimmten Bereich des RAM 53 für die nachfolgende Verarbeitung aktualisiert werden. Hieran schließt sich ein Schritt 150 an, der zum Erhalt und zur Aufsummierung der Abweichung zwischen der Solldrehzahl NT und der Leerlaufdrehzahl Ne(i) sowie weiterhin zum Erhalt und zur Aufsummierung der Abweichung zwischen dem Soll-Zündzeitpunkt AT(i-1) und dem Zündzeitpunkt AOP(i-1) dient, dem ein Schritt 160 zur Aufstufung der Variablen i um 1 nachfolgt. Danach kehrt der Arbeitsablauf zu dem Schritt 110 für eine Wiederholung zurück.
  • Gemäß dem in dieser Weise ausgelegten Ausführungsbeispiel der Drehzahlsteuereinrichtung sind die Zustandsvariablen X(i), die für den internen Zustand des Systems zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl der Maschine 10 repräsentativ sind, unter direkter Ausnutzung der früheren Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen Ne(i), Ne(i-1), DOP(i-1), ..., DOP(i-6), AOP(i-1), AOP(i-2) desselben Systems, des akkumulierten Werts der Abweichung zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl und des akkumulierten Werts der Abweichung zwischen dem Soll-Zündzeitpunkt und dem Ist-Zeitpunkt ausgelegt und es werden Werte, die durch Multiplikation der zuvor erwähnten optimalen Rückkopplungsverstärkungen K und K' bezüglich der die Zustandsvariablen X(i) bildenden Werte erhalten wurden, auf summiert. Hierdurch ist es möglich, die Steuergröße DOP(i) des ISC-Ventils 44 und die Steuergröße AOP(i) der Zündeinrichtung 27 zu bestimmen. Folglich ist es möglich, die Leerlaufdrehzahl der Maschine 10 mit extrem hoher Genauigkeit und Stabilität sowie mit einfachem Aufbau zu steuern, ohne daß ein Beobachter oder dergleichen erforderlich ist. Dies bedeutet, daß es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich ist, den Aufbau zu vereinfachen, hohes Ansprechvermögen und Stabilität zu realisieren, die Anzahl der Herstellungsschritte, die Kosten und die Berechnungszeit zu verringern und die Steuercharakteristik zu verbessern, da die Leerlaufdrehzahl auf der Grundlage der beiden Eingangsgrößen (Luftmenge und Zündzeitpunkt) ohne Einsatz eines Beobachters steuerbar ist.
  • Auch wenn bei der vorstehenden Beschreibung das ISC- Ventil 44 das gesteuerte Objekt ist, ist es ebenfalls möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis, den Verbrennungsdruck, das Klopfen oder andere Parameter der Maschine als gesteuertes Objekt heranzuziehen. Weiterhin ist es möglich, als Steuereingangsgröße die Brennstoffeinspritzmenge, die Menge der Abgasrückführung (EGR = exhaust gas recirculation) oder andere Größen anstelle der Luftmenge und der Zündzeitsteuerung heranzuziehen.

Claims (8)

1. Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), die mit einer Betriebszustandswert-Erfassungseinrichtung (30) zum Erfassen eines Betriebszustandswerts der Maschine (10); einer ersten Steuervorrichtung (31, 40) zum Steuern einer ersten Steuergröße, die den Betriebszustandswert der Maschine (10) beeinflußt; und einer Sollwert-Steuervorrichtung (20) zum Bestimmen einer Steuergröße der ersten Steuervorrichtung auf der Grundlage des erfaßten Betriebszustandswerts der Maschine (10) für die Steuerung des erfaßten Betriebs zustandswerts ausgestattet ist, wobei die Steuereinrichtung aufweist:
einen Zustandsvariablen-Ausgabeabschnitt (201) zum Abgeben des erfaßten Betriebszustandswerts der Maschine (10), der Steuergröße der ersten Steuervorrichtung und einer zweiten Steuergröße, die den Betriebszustandswert der Maschine beeinflußt, als Zustandsvariable, die einen internen Zustand eines dynamischen Modells der Maschine repräsentieren,
einen Betriebszustandswert-Abweichungsaufsummierungsabschnitt (202) zum Aufsummieren einer Abweichung zwischen dem Sollwert und dem erfaßten Betriebszustandswert für die Bildung eines akkuinulierten Betriebszustandswert-Variationswerts,
einen zweiten Steuergrößenabweichungs-Aufsummierungsabschnitt (203) zum Aufsummieren einer Abweichung zwischen einem Sollwert für die zweite Steuergröße und der erfaßten zweiten Steuergröße für die Bildung eines zweiten aufsummierten Steuergrößen-Abweichungswerts, und
einen ersten und einen zweiten Steuergrößen-Berechnungsabschnitt (240) für das gesteuerte System, der zum Berechnen der Steuergröße der ersten Steuervorrichtung (31, 40) und der zweiten Steuergröße auf der Grundlage optimaler Rückkopplungsverstärkungen von ersten und zweiten gesteuerten Systemen, die auf der Grundlage des dynamischen Modells, der Zustandsvariablen, des akkumulierten Betriebszustandswert-Abweichungswerts und des zweiten akkumulierten Steuergrößen-Abweichungswerts vorherbestimmt sind, dient.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Steuervorrichtung (31,40) eine Einrichtung zum Steuern einer Menge von in die Maschine einzuführender Ansaugluft ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Steuergröße die Menge der Ansaugluft und die zweite Steuergröße eine Zündzeitsteuerung ist, die durch eine Zündeinrichtung (27) der Maschine vorzunehmen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Betriebszustandswert eine Drehzahl der Maschine ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansaugluftmengen-Steuervorrichtung (31, 40) eine Bypass-Kanaleinrichtung (40) zum Umgehen eines Drosselventils (31) sowie eine in dem Bypass-Kanal (40) vorgesehene Ventileinrichtung (44) aufweist und die Ventileinrichtung derart ausgelegt ist, daß sie in Übereinstimmung mit einem Tastverhältnis eines an diese angelegten Steuersignals steuerbar ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustandsvariablen direkt auf der Grundlage des vorhergehenden Betriebszustandswerts und erster und zweiter Steuergrößen, die in einer Speichereinrichtung gespeichert sind, und der akkumulierten Werte gebildet sind.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steuergrößen-Berechnungsabschnitt die Steuergröße der ersten Steuervorrichtung (31, 40) und die zweite Steuergröße berechnet, wobei Werte, die durch Multiplizieren der optimalen Rückkopplungsverstärkungen und des die Zustandsvariablen bildenden Werts erhalten sind, summiert werden.
8. Geschwindigkeitssteuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), die mit einer Drehzahlerfassungseinrichtung (30) zum Erfassen einer Leerlaufdrehzahl der Maschine (10), einer Luftmengen-Steuereinrichtung (31, 40) zum Steuern einer Ansaugluftmenge der Maschine (10) dann, wenn sich die Maschine (10) im Leerlauf zustand befindet, und einer Geschwindigkeitssteuervorrichtung (20) zum Bestimmen einer Steuergröße der Luftmengen-Steuervorrichtung (31, 40) auf der Grundlage der erfaßten Leerlaufdrehzahl der Maschine für die Steuerung der erfaßten Motorleerlaufdrehzahl auf eine Sollgeschwindigkeit ausgestattet ist, wobei die Einrichtung aufweist:
einen Zustandsvariablen-Ausgabeabschnitt (201) für die Abgabe der erfaßten Leerlaufdrehzahl der Maschine (10), der Steuergröße der Luftinengen-Steuervorrichtung (31, 40) und einer Zündzeitsteuerungs-Steuergröße einer Zündvorrichtung (27) der Maschine (10) als Zustandsvariable, die einen internen Zustand eines dynamischen Modells der Maschine repräsentieren,
einen Drehzahlabweichungs-Aufsummierungsabschnitt (202) zum Aufsummieren einer Abweichung zwischen der Sollgeschwindigkeit und der erfaßten Maschinenleerlaufdrehzahl zum Bilden eines aufsummierten Drehzahlvariationswerts,
einen Zündzeitsteuerungsabweichungs-Aufsummierungsabschnitt (203) zum Aufsummieren einer Abweichung zwischen einer Soll-Zündzeitsteuerung und einer aktuellen, erfaßten Zündzeitsteuerung zur Bildung eines aufsummierten Zündzeitsteuerungs-Abweichungswerts, und
einen Luftsystem- und Zündsystem-Steuergrößen-Berechnungsabschnitt (240) für die Berechnung der Steuergröße der Luftmengen-Steuervorrichtung (31, 40) und der Zündzeitsteuerungs-Steuergröße der Zündvorrichtung (27) auf der Grundlage optimaler Rückkopplungsverstärkungen eines Luftsystems und eines Zündsystems, die auf der Grundlage des dynamischen Modells, der Zustandsvariablen, des aufsummierten Drehzahlabweichungswerts und des aufsummierten Zündzeitsteuerungs-Abweichungswerts vorbestimmt sind.
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