DE102024202377B3 - Method for controlling a combustion air ratio of an internal combustion engine and control device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine (100), aufweisend die folgenden Schritte: (a) Bestimmen einer Regelantwort (121) auf eine Regelabweichung (120) mittels eines ersten Reglers (111), wobei die Regelabweichung (120) einer Abweichung zwischen einem Ist-Wert (118) einer Regelgröße (135) und einem Soll-Wert (119) der Regelgröße (135) entspricht und die Regelgröße (135) charakteristisch für das Verbrennungsluftverhältnis ist; (b) Umsetzen der Regelantwort (121) mittels einer Stellgröße (122) als ein Eingang einer Regelstrecke (113); (c) Empfangen einer durch die Regelantwort (121) bedingten Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135), welche an oder nach einem Ausgang der Regelstrecke (113) mittels eines Messglieds (117) gemessen wird; (d) Vergleichen der gemessenen Veränderung (143, 144) der Regelgröße (135) mit einem Modell; und (e) Verändern, insbesondere Reduzieren, oder Beibehalten der Regelantwort (121) mittels eines zweiten Reglers (112) in Abhängigkeit von dem Vergleich. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Steuergerät (104) und Computerprogramm.The invention relates to a method for controlling a combustion air ratio of an internal combustion engine (100), comprising the following steps: (a) determining a control response (121) to a control deviation (120) by means of a first controller (111), wherein the control deviation (120) corresponds to a deviation between an actual value (118) of a controlled variable (135) and a target value (119) of the controlled variable (135) and the controlled variable (135) is characteristic of the combustion air ratio; (b) converting the control response (121) by means of a manipulated variable (122) as an input of a controlled system (113); (c) receiving a change (143, 144) in the controlled variable (135) caused by the control response (121), which change is measured at or after an output of the controlled system (113) by means of a measuring element (117); (d) comparing the measured change (143, 144) of the controlled variable (135) with a model; and (e) changing, in particular reducing, or maintaining the control response (121) by means of a second controller (112) depending on the comparison. The invention further relates to a corresponding control device (104) and computer program.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine sowie entsprechende Steuergeräte, die eingerichtet sind, derartige Verfahren durchzuführen.The present disclosure relates to methods for lambda control of an internal combustion engine and corresponding control devices which are configured to carry out such methods.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Bei der unvollständigen Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor werden neben Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser auch andere gasförmige Verbrennungsprodukte produziert. Dabei gibt es beispielsweise in Bezug auf die Emission von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden gesetzliche Beschränkungen. Bei der Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators (TWC) in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors werden diese Emissionen zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.During the incomplete combustion of an air-fuel mixture in an internal combustion engine, other gaseous combustion products are produced in addition to nitrogen, carbon dioxide and water. There are legal restrictions on the emission of hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides, for example. When a three-way catalyst (TWC) is used in an internal combustion engine's exhaust system, these emissions are converted to nitrogen, carbon dioxide and water.
Jedoch ist eine solche Konvertierung nur in einem stöchiometrischen Betriebspunkt optimal, welcher durch ein Verbrennungsluftverhältnis Lambda gleich eins gekennzeichnet ist. Um diesen Betriebspunkt zu erreichen, wird in einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors eine Lambdaregelung durchgeführt. Die Lambdaregelung basiert typischerweise auf den Signalen von Lambdasonden vor und hinter dem Drei-Wege-Katalysator. Für die Lambdaregelung vor dem Dreiwegekatalysator, die sogenannte Vorkatregelung, wird der Sauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator mittels einer linearen Lambdasonde gemessen. Abhängig von dem Messwert korrigiert die Regelung die eingespritzte Kraftstoffmenge aus der Vorsteuerung des Verbrennungsmotors. However, such a conversion is only optimal at a stoichiometric operating point, which is characterized by a combustion air ratio lambda equal to one. To achieve this operating point, a lambda control is carried out in an engine control unit of the combustion engine. The lambda control is typically based on the signals from lambda sensors before and after the three-way catalytic converter. For the lambda control before the three-way catalytic converter, the so-called pre-catalytic converter control, the oxygen content of the exhaust gas before the catalytic converter is measured using a linear lambda sensor. Depending on the measured value, the control corrects the amount of fuel injected from the pre-control of the combustion engine.
Mit dem Signal der zweiten Lambdasonde hinter dem Katalysator kann die Genauigkeit weiter verbessert werden.The accuracy can be further improved with the signal from the second lambda sensor behind the catalytic converter.
Die Qualität der Vorkatregelung spielt eine wichtige Rolle für die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Stabilität der Lambdaregelung. Diese Regelungseigenschaften haben wiederum direkten Einfluss auf die Emissionen, weil jede Abweichung von einem vorgegebenen Lambdazielwert oder Lambdasollwert Emissionen verursacht. Insbesondere im Hinblick auf neue, immer strengere Emissionsgesetzgebung hat eine optimale Lambdaregelung daher eine große Bedeutung.The quality of the pre-catalyst control plays an important role in the accuracy, speed and stability of the lambda control. These control properties in turn have a direct influence on emissions, because any deviation from a specified lambda target value or lambda setpoint causes emissions. Optimal lambda control is therefore particularly important in view of new, increasingly strict emissions legislation.
Für die Vorkatregelung wurden bisher häufig PI-Regler eingesetzt, welche jedoch unter bestimmten Betriebsbedingungen Stabilitätsprobleme haben. Derartige Stabilitätsprobleme können beispielsweise zu einer ständigen oder systematischen Abweichung von dem Lambdazielwert führen, wodurch sich auch die Schadstoff-Emissionen des Verbrennungsmotors verschlechtern. Zudem kann der Motorlauf unstabil werden, was die Akustik des Verbrennungsmotors oder auch die Fahreigenschaften des Fahrzeugs beeinträchtigen kann. Schlimmstenfalls können unkontrollierte Oszillationen erheblichen Schaden am Antriebssystem oder am gesamten Fahrzeug verursachen.PI controllers have often been used for pre-catalyst control, but these have stability problems under certain operating conditions. Such stability problems can, for example, lead to a constant or systematic deviation from the lambda target value, which also worsens the pollutant emissions of the combustion engine. In addition, the engine can become unstable, which can affect the acoustics of the combustion engine or the driving characteristics of the vehicle. In the worst case, uncontrolled oscillations can cause considerable damage to the drive system or the entire vehicle.
Aus den genannten Gründen werden heutzutage für die Lambdaregelung meistens robuste Regler mit einer langsamen Regelantwort eingesetzt. Dies geht jedoch zu Lasten einer optimalen Regelantwort und führt im Allgemeinen zu höheren Emissionen.For the reasons mentioned above, robust controllers with a slow control response are now mostly used for lambda control. However, this is at the expense of an optimal control response and generally leads to higher emissions.
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KURZDARSTELLUNG UND AUSFÜHRUNGSFORMENBRIEF DESCRIPTION AND EMBODIMENTS
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine und ein entsprechendes Steuergerät bereitzustellen, welche eine schnelle, genaue, aber zugleich auch robuste Regelung ermöglichen, insbesondere um Emissionen der Brennkraftmaschine zu verringern.It is therefore an object of the present disclosure to provide a method for controlling a combustion air ratio of an internal combustion engine and a corresponding control device which enable fast, precise, but at the same time robust control, in particular in order to reduce emissions of the internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein Steuergerät gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.This object is achieved by a method and a control device according to the independent patent claims. Advantageous embodiment Further developments and refinements arise from the respective dependent claims, the following description and the drawings.
So wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Bestimmen einer Regelantwort auf eine Regelabweichung mittels eines ersten Reglers, wobei die Regelabweichung einer Abweichung, insbesondere einer Differenz, zwischen einem Ist-Wert einer Regelgröße und einem Soll-Wert der Regelgröße entspricht und die Regelgröße charakteristisch für ein Verbrennungsluftverhältnis ist; (b) Umsetzen der Regelantwort mittels einer Stellgröße als ein Eingang einer Regelstrecke; (c) Empfangen einer durch die Regelantwort bedingten Veränderung der Regelgröße, welche an oder nach einem Ausgang der Regelstrecke mittels eines Messglieds gemessen wird; (d) Vergleichen der gemessenen Veränderung der Regelgröße mit einem Modell; und (e) Verändern, insbesondere Reduzieren, oder Beibehalten der Regelantwort mittels eines zweiten Reglers in Abhängigkeit von dem Vergleich.Thus, according to a first aspect, a method for controlling a combustion air ratio of an internal combustion engine is provided. The method has the following steps: (a) determining a control response to a control deviation by means of a first controller, wherein the control deviation corresponds to a deviation, in particular a difference, between an actual value of a controlled variable and a target value of the controlled variable and the controlled variable is characteristic of a combustion air ratio; (b) implementing the control response by means of a manipulated variable as an input of a controlled system; (c) receiving a change in the controlled variable caused by the control response, which is measured at or after an output of the controlled system by means of a measuring element; (d) comparing the measured change in the controlled variable with a model; and (e) changing, in particular reducing, or maintaining the control response by means of a second controller depending on the comparison.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuergerät mit einem ersten Regler und einem zweiten Regler bereitgestellt, welches eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.According to a further aspect, a control device with a first controller and a second controller is provided, which is configured to carry out the method described above.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen.According to a further aspect, a computer program is provided which comprises instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Regelstrecke beispielsweise definiert als derjenige Teil eines Regelkreises, der das zu regelnde System oder den zu regelnden Prozess enthält. Der oder die Regler des Regelkreises können eingerichtet sein, über eine oder mehrere Stellgrößen auf die Regelstrecke einzuwirken. Wenn die Stellgröße eine Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine charakterisiert und die Regelgröße ein Verbrennungsluftverhältnis oder Lambda charakterisiert, kann die Regelstrecke beispielsweise den physikalischen Zusammenhang zwischen Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine und Messung des Verbrennungsluftverhältnisses in einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgassystem beschreiben.In the context of the present disclosure, a controlled system is defined, for example, as that part of a control loop that contains the system or process to be controlled. The controller(s) of the control loop can be set up to influence the controlled system via one or more manipulated variables. If the manipulated variable characterizes a fuel injection into an internal combustion engine and the controlled variable characterizes a combustion air ratio or lambda, the controlled system can, for example, describe the physical relationship between fuel injection into the internal combustion engine and measurement of the combustion air ratio in an exhaust system downstream of the internal combustion engine.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Stellgröße beispielsweise definiert als Ausgangsgröße eines Reglers und/oder als Eingangsgröße der Regelstrecke. Die Stellgröße kann geeignet sein, die Regelgröße zu beeinflussen. Mittels der Stellgröße kann eine Regelantwort des Reglers umsetzbar sein. Beispielsweise kann die Stellgröße eine Kraftstoffeinspritzung charakterisieren.In the context of the present disclosure, a manipulated variable is defined, for example, as an output variable of a controller and/or as an input variable of the controlled system. The manipulated variable can be suitable for influencing the controlled variable. A control response of the controller can be implemented by means of the manipulated variable. For example, the manipulated variable can characterize a fuel injection.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Regelgröße beispielsweise definiert als eine Ausgangsgröße der Regelstrecke. Es kann sich um eine zu regelnde Größe handeln, die beispielsweise derart zu regeln ist, dass sie mit einem vorgegebenen Soll-Wert oder Soll-Verlauf übereinstimmt. Die Regelgröße kann etwa ein Verbrennungsluftverhältnis oder Lambda sein. Das Verbrennungsluftverhältnis kann das Verhältnis von Luft zu Brennstoff im Vergleich zu einem verbrennungsstöchiometrischen Gemisch sein oder charakterisieren. Bei dem verbrennungsstöchiometrischen Gemisch kann es sich um ein optimales Verhältnis zwischen den Reaktionspartnern handeln, beispielsweise brennbare Stoffe und Sauerstoff als Oxidationsmittel.In the context of the present disclosure, a controlled variable is defined, for example, as an output variable of the controlled system. It can be a variable to be controlled, which is to be controlled, for example, in such a way that it corresponds to a predetermined target value or target curve. The controlled variable can be, for example, a combustion air ratio or lambda. The combustion air ratio can be or characterize the ratio of air to fuel in comparison to a combustion stoichiometric mixture. The combustion stoichiometric mixture can be an optimal ratio between the reactants, for example combustible substances and oxygen as an oxidizing agent.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Messglied beispielsweise definiert als ein Messgerät am oder nach dem Ausgang der Regelstrecke, welches insbesondere eingerichtet ist, die Regelgröße direkt oder indirekt zu bestimmen. Das Messglied kann eingerichtet sein, Messwerte zu bestimmen, aus denen sich entsprechende Werte der Regelgröße ableiten lassen. Das Messgerät kann ganz oder teilweise zur Regelstrecke gehören oder aber getrennt von der Regelstrecke ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Messglied ein Messgerät sein, welches eingerichtet ist, einen Sauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine zu bestimmen, woraus sich das Verbrennungsluftverhältnis zumindest näherungsweise herleiten lässt.In the context of the present disclosure, a measuring element is defined, for example, as a measuring device at or after the output of the controlled system, which is in particular set up to determine the controlled variable directly or indirectly. The measuring element can be set up to determine measured values from which corresponding values of the controlled variable can be derived. The measuring device can belong entirely or partially to the controlled system or can be designed separately from the controlled system. For example, the measuring element can be a measuring device which is set up to determine an oxygen content in an exhaust gas of the internal combustion engine, from which the combustion air ratio can be derived at least approximately.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung und/oder das zuvor beschriebene Verfahren können vorteilhaft sein, um eine schnelle, genaue und gleichzeitig robuste Regelung zu ermöglichen.The device and/or method described above may be advantageous to enable fast, accurate and at the same time robust control.
Insbesondere bei Ungenauigkeiten in den Modellparametern für den ersten Regler oder bei Störeinflüssen auf die Regelstrecke und/oder das Messglied, etwa bei einer alternden Lambdasonde oder beim Austausch der Lambdasonde, kann ein auf schnelle oder optimale Regelung ausgelegter erster Regler Stabilitätsprobleme aufweisen. Der Regelkreis kann umso weniger stabil sein, je größer die Ungenauigkeit oder die Störung ausfallen. Infolgedessen kann bei einer Instabilität die Anpassung des Regelkreises derart beeinträchtigt sein, dass ein Ist-Regelwert eine ständige Abweichung vom Soll-Regelwert oder Soll-Regelverlauf zeigt. Das kann wiederum zu erhöhter Schadstoffemission führen.In particular, if there are inaccuracies in the model parameters for the first controller or if there are disturbances in the control system and/or the measuring element, for example in the case of an aging lambda sensor or when replacing the lambda sensor, a first controller designed for fast or optimal control can have stability problems. The greater the inaccuracy or the disturbance, the less stable the control loop can be. As a result, in the event of instability, the adjustment of the control loop can be impaired to such an extent that an actual control value shows a constant deviation from the target control value or target control curve. This can in turn lead to increased pollutant emissions.
Um derartigen Stabilitätsproblemen entgegenzuwirken, wird die gemessene Veränderung der Regelgröße mit einem Modell, beispielsweise einem Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds, verglichen, woraufhin ein zweiter Regler die Regelantwort verändert, insbesondere reduziert, oder beibehält in Abhängigkeit von dem Vergleich. Mit anderen Worten sind die durch den Vergleich bestimmten Modellabweichungen ein Anzeichen für mögliche Instabilitäten in der Regelung. Sofern solche Modellabweichungen ermittelt werden, kann die Regelantwort entsprechend geändert werden, insbesondere reduziert werden. Beispielsweise kann die Regelantwort verlangsamt werden oder ihre Amplitude reduziert werden. Dadurch kann die Robustheit der Regelung beim Auftreten von Stabilitätsproblemen erhöht werden.To counteract such stability problems, the measured change in the controlled variable is compared with a model, for example a Model of the controlled system and/or the measuring element, whereupon a second controller changes the control response, in particular reduces it, or maintains it depending on the comparison. In other words, the model deviations determined by the comparison are an indication of possible instabilities in the control. If such model deviations are determined, the control response can be changed accordingly, in particular reduced. For example, the control response can be slowed down or its amplitude reduced. This can increase the robustness of the control when stability problems occur.
Dadurch kann nicht nur die Schadstoffemission reduziert werden, sondern es kann auch der Motorlauf unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen stabilisiert werden und damit beispielsweise die Fahrakustik oder insgesamt die Fahreigenschaften verbessert werden. Weiterhin können im Sinne des Systemkomponentenschutzes schädliche Oszillationen des Antriebssystems oder des Fahrzeugs vermieden oder zumindest verringert werden.This not only reduces pollutant emissions, but also stabilizes the engine under a wide range of operating conditions, thereby improving driving acoustics or overall driving characteristics. Furthermore, harmful oscillations in the drive system or vehicle can be avoided or at least reduced in terms of system component protection.
Gemäß einer Ausführungsform ist oder umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds. Dabei können lediglich für die Regelgröße relevante Aspekte der Regelstrecke und/oder des Messglieds modelliert sein. Es kann sich demnach um ein sehr abstraktes Modell handeln, welches beispielsweise nur wenige mathematische Formeln umfasst, beispielsweise Polynomfunktionen n-ter Ordnung, und/oder eine oder mehrere Tabellen. Das Modell kann beispielsweise ein System n-ter Ordnung mit Totzeit sein, insbesondere ein System erster Ordnung mit Totzeit. Der erste Regler kann basierend auf dem Modell die Regelantwort bestimmen.According to one embodiment, the model is or comprises a model of the controlled system and/or the measuring element. Only aspects of the controlled system and/or the measuring element that are relevant to the controlled variable can be modeled. It can therefore be a very abstract model that, for example, only includes a few mathematical formulas, for example n-order polynomial functions, and/or one or more tables. The model can, for example, be an n-order system with dead time, in particular a first-order system with dead time. The first controller can determine the control response based on the model.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Abweichung zwischen dem Ist-Wert der Regelgröße und dem Soll-Wert der Regelgröße einer Differenz. Andere funktionale Abhängigkeiten sind ebenfalls möglich.According to one embodiment, the deviation between the actual value of the controlled variable and the target value of the controlled variable corresponds to a difference. Other functional dependencies are also possible.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Stellgröße charakteristisch für eine in die Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die eingespritzte Kraftstoffmenge eine typische Stellgröße bei Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses darstellt.According to one embodiment, the manipulated variable is characteristic of a quantity of fuel injected into the internal combustion engine. Such an embodiment can be advantageous because the quantity of fuel injected represents a typical manipulated variable when controlling the combustion air ratio.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Messglied eine Lambdasonde, welche einen Sauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine misst. Derartige Lambdasonden zur indirekten Messung des Verbrennungsluftverhältnisses werden typischerweise in der Lambdaregelung verwendet.According to one embodiment, the measuring element is a lambda probe which measures an oxygen content in an exhaust gas of the internal combustion engine. Such lambda probes for indirectly measuring the combustion air ratio are typically used in lambda control.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Lambdasonde in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromaufwärts eines Katalysators, insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators, angeordnet. Die Lambdasonde ist also zwischen Brennkraftmaschine und Katalysator angeordnet. Mit anderen Worten handelt es sich bei der zugehörigen Lambda-Regelung um eine sogenannte Vorkat-Regelung. Diese kann für ein emissionsarmes Betreiben des Katalysators vorteilhaft sein.According to one embodiment, the lambda probe is arranged in an exhaust system of the internal combustion engine upstream of a catalytic converter, in particular a three-way catalytic converter. The lambda probe is therefore arranged between the internal combustion engine and the catalytic converter. In other words, the associated lambda control is a so-called pre-catalytic converter control. This can be advantageous for low-emission operation of the catalytic converter.
Gemäß einer Ausführungsform werden Modellparameter des Modells zumindest teilweise durch eine Diagnose der Lambdasonde, d.h. der tatsächlich im Abgassystem eingesetzten Lambdasonde, oder einer nominalen Lambdasonde ermittelt. Für die nominale Lambdasonde kann eine Produktionstoleranz berücksichtigt sein. Eine derartige Kalibrierung des Modells kann vorteilhaft sein, um kostspielige erneute Diagnosen für eine Modelladaption zu vermeiden.According to one embodiment, model parameters of the model are determined at least partially by diagnosing the lambda probe, i.e. the lambda probe actually used in the exhaust system, or a nominal lambda probe. A production tolerance can be taken into account for the nominal lambda probe. Such a calibration of the model can be advantageous in order to avoid costly re-diagnoses for model adaptation.
Gemäß einer Ausführungsform wird der zweite Regler basierend auf nominalen Streckenparametern kalibriert. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um weitere Parameteridentifikation und Modelladaption zu vermeiden. Zudem ist keine neue Diagnose erforderlich, um die Adaption zu überwachen. Die vorhandene Diagnose des ersten Reglers auf minimal/maximal plausiblen Stelleneingriff ist weiterhin gültig. Gemäß einer Ausgestaltung beruht die automatische Einstellung der Regelungsstrategie zwischen Optimalität und Robustheit nur auf der Unbestimmtheit des Modells.According to one embodiment, the second controller is calibrated based on nominal plant parameters. Such an embodiment can be advantageous to avoid further parameter identification and model adaptation. In addition, no new diagnosis is required to monitor the adaptation. The existing diagnosis of the first controller for minimum/maximum plausible point intervention is still valid. According to one embodiment, the automatic adjustment of the control strategy between optimality and robustness is based only on the uncertainty of the model.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds und umfasst das Vergleichen: Modellieren einer Vergleichs-Regelantwort, indem ein zu dem Modell inverses Modell auf die gemessene Veränderung der Regelgröße angewendet wird, und Vergleichen der Vergleichs-Regelantwort mit der Regelantwort. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um etwaige Abweichungen vom Modell zu quantifizieren und mögliche Regelungs-Instabilitäten effektiv auszugleichen.According to one embodiment, the model comprises a model of the controlled system and/or the measuring element and comprises comparing: modeling a comparison control response by applying a model that is inverse to the model to the measured change in the controlled variable, and comparing the comparison control response with the control response. Such an embodiment can be advantageous in order to quantify any deviations from the model and to effectively compensate for possible control instabilities.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Modell ein Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds und umfasst das Vergleichen: Modellieren einer Vergleichs-Veränderung der Regelgröße mittels des Modells der Regelstrecke abhängig von der Regelantwort und Vergleichen der Vergleichs-Veränderung der Regelgröße mit der gemessenen Veränderung der Regelgröße. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um etwaige Abweichungen vom Modell zu quantifizieren und mögliche Regelungs-Instabilitäten effektiv auszugleichen.According to one embodiment, the model comprises a model of the controlled system and/or the measuring element and comprises comparing: modeling a comparison change of the controlled variable using the model of the controlled system depending on the control response and comparing the comparison change of the controlled variable with the measured change of the controlled variable. Such an embodiment can be advantageous in order to detect any deviations quantify the model's deviations and effectively compensate for possible control instabilities.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Vergleichen eine durch die Regelstrecke bestimmte Totzeit berücksichtigt, insbesondere durch ein Totzeitglied des zweiten Reglers. Eine derartige Totzeit kann entweder durch das Modell oder separat von dem Modell modelliert sein. In letzterem Fall wäre ein zeitlicher Verlauf in dem Modell nicht berücksichtigt und die Modellierung des Regeleingriffs wäre zeitsynchron. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um Veränderungen der Stellgröße und entsprechende Auswirkungen auf die Regelgröße zeitlich zuordnen zu können.According to one embodiment, a dead time determined by the controlled system is taken into account during the comparison, in particular by a dead time element of the second controller. Such a dead time can be modeled either by the model or separately from the model. In the latter case, a temporal progression would not be taken into account in the model and the modeling of the control intervention would be time-synchronous. Such an embodiment can be advantageous in order to be able to assign changes in the manipulated variable and corresponding effects on the controlled variable in time.
Gemäß einer Ausgestaltung entspricht oder korreliert die Totzeit mit einer Laufzeit von der Einspritzung des Kraftstoffs bis zur Messung des zugehörigen LambdaWerts durch das Messglied.According to one embodiment, the dead time corresponds to or correlates with a running time from the injection of the fuel to the measurement of the associated lambda value by the measuring element.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Vergleichen ein Maß für eine Abweichung der gemessenen Veränderung der Regelgröße von dem Modell bestimmt und das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort erfolgt in Abhängigkeit von dem Maß. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Regelantwort umso stärker reduziert, je größer die durch das Maß bestimmte Abweichung. Die Abhängigkeit zwischen Maß und Reduktion der Regelantwort kann monoton oder streng monoton sein. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil größere Abweichungen eine stärkere Reaktion erfordern, um Instabilitäten in der Regelung zu vermeiden.According to one embodiment, a measure for a deviation of the measured change in the controlled variable from the model is determined during the comparison and the change, in particular the reduction, of the control response takes place depending on the measure. According to one embodiment, the control response is reduced more the greater the deviation determined by the measure. The dependency between the measure and the reduction in the control response can be monotonic or strictly monotonic. Such an embodiment can be advantageous because larger deviations require a stronger reaction in order to avoid instabilities in the control.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verändern oder Beibehalten der Regelantwort durch ein Filterglied bestimmt, welches eine Sensitivität und/oder eine Geschwindigkeit charakterisiert, insbesondere in Bezug auf das Verändern oder Beibehalten der Regelantwort. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Filterglied einen Tiefpassfilter auf.According to one embodiment, the changing or maintaining of the control response is determined by a filter element which characterizes a sensitivity and/or a speed, in particular with respect to the changing or maintaining of the control response. According to one embodiment, the filter element has a low-pass filter.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Maß charakteristisch für eine Differenz zwischen der mittels der Stellgröße umgesetzten Regelantwort und der Vergleichs-Regelantwort und/oder für eine Differenz zwischen der gemessenen Veränderung der Regelgröße und der Vergleichs-Veränderung der Regelgröße.According to one embodiment, the measure is characteristic of a difference between the control response implemented by means of the manipulated variable and the comparison control response and/or of a difference between the measured change in the controlled variable and the comparison change in the controlled variable.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Maß indikativ für eine Ungenauigkeit eines oder mehrerer Modellparameter des Modells und/oder für eine von dem Modell zumindest nicht vollständig berücksichtigte Störgröße der Regelstrecke. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist eine Störgröße beispielsweise definiert als eine auf die Regelstrecke und/oder das Messglied einwirkende Größe, welche geeignet ist, die Regelgröße zu beeinflussen. Ein ungenauer Modellparameter kann beispielsweise aus einer Alterung oder einem Austausch des Messglieds, etwa einer Lambda-Sonde, resultieren. Eine Störgröße kann beispielsweise eine von außen wirkende Beschädigung des Messglieds sein, die ein pulsierendes Signal der Lambda-Sonde verursacht.According to one embodiment, the measure is indicative of an inaccuracy of one or more model parameters of the model and/or of a disturbance variable of the controlled system that is at least not fully taken into account by the model. In the context of the present disclosure, a disturbance variable is defined, for example, as a variable acting on the controlled system and/or the measuring element that is capable of influencing the controlled variable. An inaccurate model parameter can, for example, result from aging or replacement of the measuring element, such as a lambda probe. A disturbance variable can, for example, be external damage to the measuring element that causes a pulsating signal from the lambda probe.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Regler eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Maß die Robustheit der Regelung zu erhöhen. Mit anderen Worten zielt der erste Regler auf eine „optimale“, insbesondere schnelle, Regelung, während der zweite Regler eingerichtet ist, den ersten Regler im Hinblick auf eine „robuste“, insbesondere unter vielen Betriebsbedingungen stabile, Regelung zu korrigieren.According to one embodiment, the second controller is configured to increase the robustness of the control depending on the measure. In other words, the first controller aims at an "optimal", in particular fast, control, while the second controller is configured to correct the first controller with a view to a "robust", in particular stable, control under many operating conditions.
Gemäß einer Ausführungsform basiert die Regelantwort des ersten Reglers auf dem Modell, insbesondere dem Modell der Regelstrecke und/oder des Messglieds. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil der zweite Regler die Regelantwort insbesondere dann verändert, wenn die Regelantwort des ersten Reglers auf fehlerhaften Modellannahmen beruht. Insbesondere unter derartigen fehlerhaften Modellannahmen sind Instabilitäten in der Regelung zu erwarten.According to one embodiment, the control response of the first controller is based on the model, in particular the model of the controlled system and/or the measuring element. Such an embodiment can be advantageous because the second controller changes the control response in particular when the control response of the first controller is based on incorrect model assumptions. In particular under such incorrect model assumptions, instabilities in the control are to be expected.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Regler derart konfiguriert, dass eine Anstiegszeit, eine Überschwingweite, eine Ausregelzeit und ein Zustandsfehler oder stationärer Fehler für die Regelantwort berücksichtigt werden. Dabei kann die Anstiegszeit gegenüber den anderen Parametern bevorzugt sein. Die Überschwingweite kann gegenüber den verbleibenden Parametern, d.h. außer Anstiegszeit, bevorzugt sein. Eine derartige Ausführungsform kann eine „optimale“ Regelung charakterisieren.According to one embodiment, the first controller is configured such that a rise time, an overshoot, a settling time and a state error or stationary error are taken into account for the control response. The rise time can be preferred over the other parameters. The overshoot can be preferred over the remaining parameters, i.e. except rise time. Such an embodiment can characterize an "optimal" control.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Regler eingerichtet für das Verändern, insbesondere das Reduzieren, der Regelantwort zumindest eine der folgenden Maßnahmen vorzunehmen: eine Anstiegszeit zu erhöhen; eine Überschwingweite zu verringern; einen Zustandsfehler oder stationären Fehler zu verringern. Die Anstiegszeit, die Überschwingweite und/oder der stationäre Fehler können die gemessene Veränderung der Regelgröße betreffen. Eine derartige Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die genannten Maßnahmen alle zur Robustheit der Regelung beitragen.According to one embodiment, the second controller is designed to carry out at least one of the following measures for changing, in particular reducing, the control response: increasing a rise time; reducing an overshoot; reducing a state error or stationary error. The rise time, the overshoot and/or the stationary error can relate to the measured change in the controlled variable. Such an embodiment can be advantageous because the measures mentioned all contribute to the robustness of the control.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie des Steuergeräts ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantages and advantageous embodiments and further developments of the method and the control unit result from the following, in connection with the figures illustrated embodiments.
Es zeigen:
-
1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
2 und3 jeweils Regelkreise für Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
4 bis 6 verschiedene Aspekte eines Vergleichs zwischen optimaler und robuster Regelung bei Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsluftverhältnisses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
-
1 an internal combustion engine with an exhaust system and a control unit according to an embodiment of the present disclosure; -
2 and3 each show control loops for methods for controlling a combustion air ratio according to embodiments of the present disclosure; -
4 to 6 various aspects of a comparison between optimal and robust control in methods for controlling a combustion air ratio according to embodiments of the present disclosure.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In manchen Figuren sind einzelne Bezugszeichen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.Elements that are the same, similar or have the same effect are given the same reference symbols in the figures. In some figures, individual reference symbols have been omitted to improve clarity. The figures and the proportions of the elements shown in the figures to one another are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements may be shown exaggeratedly large for better representation and/or for better comprehensibility.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Mit dem optimalen Regler 111 ist ein Regler gemeint, der definierte Kriterien in Bezug auf Regelungsqualität erfüllt. Dies kann zum Beispiel ein IMC (Internal Model Regulator), MPC (Model Predictive Regulator), LQR (linear quadratic Regulator) oder ein PI Regler, insbesondere ein optimal kalibrierter PI Regler, sein. Regelungsqualität bezieht sich unter anderem auf die Signalmetriken Anstiegszeit (rise time), Anteil Überschwingung (percent overshoot), Ausregelzeit (settling time) und stationärer Fehler (steady state error), welche eine Abweichung vom Lambdazielwert charakterisieren und damit auch die Emissionen beeinflussen können.The
In
Der robuste Regler kompensiert diese Unbestimmtheit zumindest teilweise. Dafür rekonstruiert das inverse Modell 114 den Regeleingriff aus dem mittels des Messglieds 117 gemessenen Lambdasignal. Im dargestellten Regelkreis 110 ist die Modellierung durch das inverse Modell 114 zeitsynchron. Weil die Regelstrecke 113 jedoch eine Zeitverzögerung zwischen Eingang und Ausgang beinhaltet, muss diese Verzögerung durch das Totzeitglied 115 kompensiert werden. An dem Vergleichselement 124 wird demnach ein verzögerter Eingang der Regelstrecke 113 mit dem aus dem Ausgang der Regelstrecke rekonstruierten Regeleingriff verglichen.The robust controller compensates for this uncertainty at least partially. To do this, the
Der Filter 116 definiert die Dynamik und Sensitivität der Kompensation, abhängig von der durch das Vergleichselement 124 festgestellten Abweichung zwischen dem tatsächlichen und dem rekonstruierten Regeleingriff. Als Filter 116 kann beispielsweise ein Tiefpass-Filter benutzt werden. In einem idealen Fall, wenn die Unbestimmtheit gleich Null ist, liefert der robuste Regler keine Kompensation über das Reduktionselement 125, weil an dem Vergleichselement 124 keine Abweichung zwischen rekonstruiertem Regeleingriff und verspäteten aktiven Regelreingriff anliegt. Der Regelkreis verhält sich gewissermaßen optimal. Wenn allerdings die Unbestimmtheit steigt, kompensiert der robuste Regler den Ausgang des ersten Reglers 111 bzw. des optimalen Reglers, damit der Regelkreis 110 stabil bleibt.The filter 116 defines the dynamics and sensitivity of the compensation, depending on the deviation between the actual and the reconstructed control intervention determined by the
Der erste Regler 111 empfängt einen mittels des Messglieds 117 bestimmten Istwert 118 der Regelgröße sowie einen Sollwert 119 der Führungsgröße. Aus dem Vergleich des Istwerts 118 mit dem Sollwert 119 wird eine Regelabweichung 120 als Eingang des ersten Reglers 111 gebildet. In Antwort auf die Regelabweichung 120 bestimmt der erste Regler 111 eine erste Regelantwort 121, die danach in Abhängigkeit von der am Reduktionselement 125 bestimmten Modellabweichung und der daraus durch den Filter 116 ermittelten Kompensation verändert oder beibehalten wird, um eine zweite Regelantwort 121 des zweiten Reglers zu bilden. Die zweite Regelantwort 121 wird mittels einer Stellgröße 122 als Eingang der Regelstrecke 123 umgesetzt, um als Ausgang der Regelstrecke 123 einen Istwert 118 der Regelgröße zu erhalten, der mittels des Messglieds 117 gemessen wird. Durch die Kombination aus dem ersten optimalen Regler 111 und dem zweiten robusten Regler wird eine präzise und stabile Regelung des Istwerts 118 auf den Sollwert 119 ermöglicht.The
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.The invention is not limited to the embodiments by the description thereof. Rather, the invention encompasses any new feature and any combination of features, which in particular includes any combination of features in the embodiments and patent claims.
BEZUGSZEICHENREFERENCE SIGN
- 100100
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 101101
- Abgasstrangexhaust system
- 102102
- Lambdasondelambda sensor
- 103103
- Katalysatorcatalyst
- 104104
- Steuergerätcontrol unit
- 110110
- Regelkreiscontrol loop
- 111111
- erster Reglerfirst controller
- 112112
- zweiter Reglersecond controller
- 113113
- Regelstreckecontrolled system
- 114114
- inverses Modellinverse model
- 115115
- Totzeitglieddead time element
- 116116
- Filterfilter
- 117117
- Messglied / Lambdasondemeasuring element / lambda probe
- 118118
- Ist-Wert der Regelgrößeactual value of the controlled variable
- 119119
- Soll-Wert der Regelgröße / Führungsgrößetarget value of the controlled variable / reference variable
- 120120
- Regelabweichungcontrol deviation
- 121121
- Regelantwortrule response
- 122122
- Stellgrößemanipulated variable
- 123123
- Störgrößedisturbance
- 124124
- Vergleichselementcomparison element
- 125125
- Reduktionselementreduction element
- 130130
- ZeitTime
- 131131
- Anstiegszeitrise time
- 132132
- Ausregelzeitsettling time
- 133133
- Überschwingweiteovershoot
- 134134
- stationärer Fehlerstationary error
- 135135
- Regelgrößecontrolled variable
- 141141
- Regelantwort des ersten Reglerscontrol response of the first controller
- 142142
- Regelantwort des zweiten Reglerscontrol response of the second controller
- 143143
- Regelgröße zu Regelantwort des ersten ReglersControlled variable to control response of the first controller
- 144144
- Regelgröße zu Regelantwort des zweiten Reglerscontrolled variable to control response of the second controller
Claims (15)
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