DE10022614A1

DE10022614A1 - Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Verstellantriebs beweglicher Teile

Info

Publication number: DE10022614A1
Application number: DE2000122614
Authority: DE
Inventors: Markus G Kliffken; Joerg Wolf; Holger Thoelke; Hartmut Krueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2001-12-06
Also published as: WO2001086363A1; AU2001260072A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Verstellantriebs beweglicher Teile, insbesondere von Fenstern und Schiebedächern von Kraftfahrzeugen, bei dem für einen Verstellvorgang charakteristische Messdatenvektoren (u, y) erfasst und hinsichtlich eines abnormalen Zustandes überwacht werden und bei Auftreten eines abnormalen Zustandes ein Korrekturwert zum Ansteuern des Verstellantriebs gebildet wird. Eine zuverlässige Erfassung eines interessierenden Zustandes während des Verstellvorganges und eine geeignete Steuerung des Verstellantriebs werden dadurch erreicht, dass die Messdaten (u, y) einer Erkennungseinrichtung zugeführt werden, in der ein Modell (M) eines Gesamtsystems aus einem Modell des Stellantriebs (M1) und einem Modell der Störung (M2) hinterlegt ist, dass unter Zugrundelegung des Modells (M) mindestens ein Zustandsvektor (x) zum Feststellen eines abnormalen Zustandes in Echtzeit dynamisch geschätzt wird (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Verstellantriebs beweglicher Teile, insbesondere von Fenstern und Schiebedä chern von Kraftfahrzeugen, bei dem für einen Verstellvorgang charakteristische Messdatenvektoren erfasst und hinsichtlich eines abnormalen Zustandes über wacht werden und bei Auftreten eines abnormalen Zustandes ein Korrekturwert zum Ansteuern des Verstellantriebs gebildet wird.

Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise bei einem Einklemmschutz für auto matisch verstellbare Fenster, Schiebedächer oder Türen von Fahrzeugen verwen det und (ohne vorhandenen druckschriftlichen Beleg) als bekannt angenommen. Dabei werden direkte Verfahren, bei denen die Einklemmkraft mit im Fenster bereich geeignet angeordneten Sensoren unmittelbar erfasst und zur Steuerung des Verstellantriebs benutzt wird, um z. B. den Antrieb zu stoppen oder umzukehren, und indirekte Verfahren unterschieden, bei denen mit der Antriebskraft bzw. Einklemmkraft in Zusammenhang stehende Messgrößen, z. B. ein Antriebs strom oder die Antriebsgeschwindigkeit herangezogen werden, um z. B. eine Ein klemmsituation festzustellen. Beide Verfahren sind zum einen wegen der anzu bringenden Sensoren und zum anderen wegen der Maßnahmen beim Auswerten relativ aufwendig, wenn ein abnormaler Zustand zuverlässig erkannt werden soll.

In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin (R.35690) ist vorge schlagen, einen Verstellprozess mittels eines Modells zu beschreiben und er fasste Prozessgrößen durch Vergleich mit in einer Erkennungseinrichtung abge legten Prozessgrößen zu bewerten, in Abhängigkeit des Vergleichs Korrektur größen für den Verstellprozess zu ermitteln und diesen mit der Korrekturgröße zu beeinflussen. Dem Modell liegt eine Differentialgleichung zugrunde, mit der die während des Verstellprozesses wirkenden Kräfte berücksichtigt werden und mit einem Parameter-Identifikationsmodell beispielsweise aus einer Federsteifigkeit und einem Dämpfungsterm auf eine Einklemmsituation geschlossen wird. Alter nativ ist dem Verfahren ein Beobachtungsmodell zugrunde gefegt, um eine be stimmte Ausgangsgröße aufzufinden und zu optimieren, indem sie in Abhängig keit einer gemessenen Eingangsgröße berechnet wird. Mit dieser Vorgehens weise lässt sich mit relativ wenig Aufwand ein abnormaler Zustand, wie etwa ein Einklemmzustand, zuverlässig feststellen und auch leicht von anderen Zu ständen unterscheiden, da der Prozessverlauf in die Auswertung einbezogen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem mit möglichst wenig Aufwand der Verstellvorgang hinsichtlich abnormaler Zustände sicher bewertbar und der Verstellantrieb ent sprechend steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Messdaten einer Erkennungseinrichtung zugeführt werden, in der ein Modell eines Gesamtsystems aus einem Modell des Stellantriebs und einem Modell der Störung hinterlegt ist, und dass unter Zugrundelegung des Modells mindestens ein Zustandsvektor zum Feststellen eines abnormalen Zu standes in Echtzeit dynamisch geschätzt wird.

Durch Einbeziehung des Modells der Störung zusätzlich zu dem Modell des Stell antriebs (Strecke) in das Modell des Gesamtsystems und der Schätzung des min destens einen Zustandes, beispielsweise der Verstellkraft auf der Basis dieses Modells des Gesamtsystems wird eine zuverlässige Aussage über den interessie renden Zustand erhalten, wobei verschiedene Zustände unterschieden werden können und der Verstellantrieb jeweils geeignet gesteuert werden kann. Bei spielsweise lässt sich eine Einklemmkraft in einem Einklemmfall von einer Schwergängigkeit des Antriebs, wie er z. B. aufgrund längerer Nichtbenutzung oder in einem Gefrierzustand auftritt, durch den Verlauf des Zustandes unter scheiden. Auch momentane Kraftänderungen durch Erschütterungen während des Fahrens, durch die ein Grenzwert zum Abschalten des Verstellantriebs mo mentan unterschritten werden kann, führen nicht unmittelbar zum Abschalten des Verstellantriebs.

Eine zuverlässige Bewertung wird beispielsweise auf der Grundlage der Maß nahmen erreicht, dass das Modell des Antriebs die Form

_M = A_M x_M + B_Mu_M + E_M C_S x_S, mit x_M(t = 0) = x_M0

y_M = C_M x_M.

und das Modell der Störung die Form

_S= A_S x_S, mit x_S(t = 0) = x_S0

besitzen, wobei
x_M Antriebszustandsvektor
_M erste Ableitung des Antriebszustandes nach der Zeit
x_S Störungszustandsvektor
_S erste Ableitung des Störungszustandsvektors nach der Zeit
A_M Antriebsparameter
u_M Eingangsgrößenvektor des Antriebs
B_M Eingangsparameter
E_M weiterer Antriebsparameter
A_S Störungsparameter
C_S weitere Störungsparameter
x_MO Anfangswertvektor des Antriebs
y_M Messgrößenvektor des Antriebs
C_M noch weiterer Antriebsparameter
x_SO Anfangswertvektor der Störung
t Zeit
bedeuten.

Der mindestens eine Zustand kann dadurch zuverlässig geschätzt werden, dass das Modell des Gesamtsystems in der Form

zugrunde gelegt wird, wobei
x einen Zustandsvektor
die erste Ableitung des Zustandsvektors nach der Zeit
A eine Systemmatrix
B eine Eingangsmatrix bzw. einen Eingangsvektor
C eine Messmatrix
bedeuten.

Geeignete Maßnahmen bestehen dabei weiterhin darin, dass der mindestens eine Zustand mittels eines Beobachtersystems oder Kalman-Filter-Systems nach der Beziehung

= (A - L C) + B u + L y

geschätzt werden, wobei
L eine Rückführmatrix
Schätzwert des Zustandsvektors
Schätzwert der ersten Ableitung des Zustandsvektors
bedeuten.

Für die Überwachung und Steuerung ist weiterhin vorteilhaft, dass als Zustand eine Kraft und/oder eine zeitliche Änderung derselben geschätzt wird/werden und eine Einklemmkraft erfasst wird.

Weitere günstige Maßnahmen zur Bewertung des Verstellvorganges bestehen darin, dass als Zustandsvektor eine Verstellgeschwindigkeit und/oder ein Stromverlauf des Verstellantriebs geschätzt wird/werden.

Für die Erfassung eines abnormalen Zustandes kann es weiterhin günstig sein, dass zum Kompensieren impulsförmiger Störungen ein Tiefpassfilter mit einer zum Erkennen des abnormalen Zustandes geeigneten Zeitkonstanten benutzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung für ein Modell eines Gesamtsystems eines Verstellvorganges,

Fig. 2 eine Blockdarstellung mit einer Struktur eines Beobachters,

Fig. 3A, 3B und 3C zeitliche Verläufe einer Geschwindigkeit, einer Kraft und eines Stroms während eines Verstellvorganges, jeweils in einem tat sächlichen und einem geschätzten Verlauf.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Modell M eines Gesamtsystems für einen Verstell vorgang bzw. Verstellprozess eines beweglichen Teils, wie z. B. eines Fensters, Schiebedaches oder einer automatisch betätigten Tür eines Kraftfahrzeuges, setzt sich zusammen aus einem Modell M1 eines Antriebs (Strecke) und einem Modell M2 einer Störung. Das Modell der Störung beinhaltet dabei den mathe matischen Zusammenhang zwischen der ersten zeitlichen Ableitung eines Stö rungszustandsvektor _S und dem Störungszustandsvektor x_S mit einem Stö rungsparameter A_S. Zu einem Zeitpunkt t = 0 hat der Störungszustandsvektor einen Anfangswertvektor x_SO. Im Verlauf des Verstellvorganges kann der Stö rungszustandsvektor x_S einer Beeinflussung durch einen weiteren Störungspara meter C_S, wie z. B. einer Federkraft oder einer Dämpfung beeinflusst sein. Am Ausgang des Modells M2 der Störung ergibt sich eine Kopplungsgröße z_M, die dem Modell M1 des Antriebs zugeordnet wird.

In dem Modell M1 des Antriebs ist ein mathematischer Zusammenhang der ers ten zeitlichen Ableitung eines Antriebszustandsvektors _M und einer Summe aus dem mit einem Antriebsparameter A_M gewichteten Antriebszustandsvektor x_M, einem mit einem Eingangsparameter B_M gewichteten Eingangsgrößenvektor u_M des Antriebs und der mit einem weiteren Antriebsparameter E_M gewichteten Kopplungsgröße z_M zugrunde gelegt, wobei zu dem Zeitpunkt t = 0 der Antriebs zustand den Anfangswertvektor x_MO besitzt. Dem Modell M1 des Antriebs wird eine Eingangsgröße zugeführt, und es liefert eine Ausgangsgröße, wie die entsprechenden Pfeile angeben.

Zum Schätzen eines interessierenden Zustandes, beispielsweise einer Verstell kraft zum Erkennen eines abnormalen Zustandes, wie einer auftretenden Einklemmkraft beim Einklemmen eines Körperteils, wird eine dynamische Schätzung in Echtzeit durchgeführt, wobei beispielsweise ein Luenberger-Beobachter oder ein Kalman-Filter verwendet wird. Die Struktur eines Beobachters BO ist in Fig. 2 dargestellt. Dem Beobachter BO wird ein Eingangsgrößenvektor u über eine Eingangsmatrix B oder einen Eingangsvektor zugeführt. Der Eingangsgrößenvek tor u wird außerdem einer realen Strecke SR zugeführt, an deren Ausgang ein Messgrößenvektor y erhalten wird. Der Messgrößenvektor y wird über einen Summationspunkt und eine Rückführung L auf einen weiteren Summationspunkt am Ausgang der Eingangsmatrix B zurückgeführt. Das in dem weiteren Summa tionspunkt gebildete Signal wird über ein Integrierglied auf eine Summa tionsstelle gegeben, dem ein anfänglicher Schätzwert des Zustandsvektors ₀ aufgeschaltet wird, so dass sich im Anschluss an diese Summationsstelle ein Schätzwert des Zustandsvektors ergibt, der einerseits einer Messmatrix C zugeführt wird und andererseits über eine Systemmatrix A auf die weitere Summationsstelle rückgekoppelt wird. Am Ausgang der Messmatrix C ergibt sich ein geschätzter Messgrößenvektor , der mit negativem Vorzeichen auf den Summationspunkt gegeben wird.

In dem Modell M des Gesamtsystems aus dem Modell M1 des Antriebs (Strecke) und dem Modell M2 der Störung sind die mathematischen Zusammenhänge nach folgenden Gleichungen hinterlegt:

_M = A_M x_M + B_M u_M + E_M C_S x_S, mit x_M(t = 0) = x_M0

y_M = C_M x_M.

_S = A_S x_S, mit x_S(t = 0) = x_S0

wobei die Formelzeichen den vorstehenden Angaben entsprechen und außerdem y_M einen Messgrößenvektor des Antriebs (Ausgangsgröße) und C_M einen noch weiteren Antriebsparameter darstellen. Mit dem Ausdruck E_M C_S x_S ist eine Kopplung zwischen dem Modell M1 des Antriebs und dem Modell M2 der Stö rung beschrieben. Als Modell M des Gesamtsystems ergibt sich der mathema tische Zusammenhang:

Die Formelzeichen entsprechen dabei den vorstehend angegebenen Formelzei chen.

Zur dynamischen Echtzeit-Schätzung der Zustände, also z. B. auch der Einklemm kraft, kann der Beobachter bzw. ein Kalman-Filter gemäß dem mathematischen Zusammenhang

= (A - L c) + B u + L y

eingesetzt werden.

Wie gut eine solche Schätzung funktioniert, ist in den Fig. 3A bis 3C dargestellt, in denen der tatsächliche Verlauf (durchgezogene Kurve) einer Antriebsgeschwindigkeit, einer Kraft und eines Stroms des Antriebs der Schätzung (punk tierter Kurvenverlauf) gegenübergestellt sind. Für die Geschwindigkeit ist der Gesamtverlauf vom Einschalten bis zum Stillstand aufgrund eines als Feder mo dellierten eingeklemmten Gegenstandes dargestellt, dessen Wirkung bei t = 1 s einsetzt. Die Schwankungen entstehen durch Störungen, wie sie bei einer Fahrt über eine Schlechtwegstrecke vorkommen. Die Störungen wirken als Kräfte auch auf die Scheibe. Nach einem Einklemmereignis zurzeit t = 1 s ergibt sich die Kraft zusätzlich aufgrund einer Federwirkung des eingeklemmten Gegenstandes. Es ist zu erkennen, wie die Schätzung sich dabei leicht verzögert an den tat sächlichen Wert (Originalwert) angleicht und somit eine schnelle Detektion eines Einklemmens erlaubt. Mit einem einfachen Vergleich mit einem gewünschten Grenzwert (z. B. 100 N) lässt sich nun anhand der Kraft unmittelbar ein Ein klemmen erkennen. Dabei kann ein Einschwingverhalten vorteilhafterweise auch als Tiefpass-Filter berücksichtigt werden, um impulsförmige Störungen zu un terdrücken. Auch der Stromverlauf während des Einklemmens sowie die Ge schwindigkeit werden sehr gut geschätzt, wie ersichtlich.

Mit dem Modell M kann aus dem Verlauf des Zustandsvektors x also auch auf die Art und Ursache der Einflüsse geschlossen werden, beispielsweise auf eine allgemeine Schwergängigkeit infolge von Witterungseinflüssen oder Alterung. In diesem Falle wird sich beispielsweise der Kraftverlauf über den Verstellweg im Wesentlichen parallel zu einem grundsätzlichen Verlauf verlagern. Interessiert dabei ein absoluter Wert des Zustandsverlaufs nicht, so können charakteristi sche Ereignisse aufgrund von Änderungen des Zustandsverlaufs durch Differenz bildung zu unterschiedlichen Zeiten oder an unterschiedlichen Stellen des Ver stellweges z. B. durch Differenzieren gebildet werden.

Die Parameter des Systems (also der Matrizen A, B, C) müssen nicht konstant sein, sondern können von den Zustandsvektoren oder den Eingangsgrößen abhängen oder sich aufgrund äußerer Einflüsse ändern. Diese Änderungen lassen sich bei der Schätzung berücksichtigen, wodurch verbesserte Ergebnisse erhalben werden. Die Auswertung ist dabei vergleichbar einem nichtlinearen Beobachter oder einem sogenannten erweiterten Kalman-Filter. Z. B. können auf diese Weise eine Änderung der Reibeinflüsse oder Schwergängigkeiten sowie Temperatureinflüsse berücksichtigt werden.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Verstellantriebs bewegli cher Teile, insbesondere von Fenstern und Schiebedächern von Kraftfahr zeugen, bei dem für einen Verstellvorgang charakteristische Messdaten vektoren (u, y) erfasst und hinsichtlich eines abnormalen Zustandes überwacht werden und bei Auftreten eines abnormalen Zustandes ein Korrekturwert zum Ansteuern des Verstellantriebs gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten (u, y) einer Erkennungseinrichtung zugeführt werden, in der ein Modell (M) eines Gesamtsystems aus einem Modell des Stellan triebs (M1) und einem Modell der Störung (M2) hinterlegt ist, und dass unter Zugrundelegung des Modells (M) mindestens ein Zustandsvek tor (x) zum Feststellen eines abnormalen Zustandes in Echtzeit dynamisch geschätzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (M1) des Antriebs die Form
_M = A_M x_M+ B_M u_M + E_M C_S x_S, mit x_M(t = 0) = x_M0
y_M = C_M x_M.
und das Modell (M2) der Störung die Form
_S = A_S x_S, mit x_S(t = 0) = x_S0
besitzen, wobei
x_M Antriebszustandsvektor
_M erste Ableitung des Antriebszustandes nach der Zeit
x_S Störungszustandsvektor
_S erste Ableitung des Störungszustandsvektors nach der Zeit
A_M Antriebsparameter
u_M Eingangsgrößenvektor des Antriebs
B_M Eingangsparameter
E_M weiterer Antriebsparameter
A_S Störungsparameter
C_S weitere Störungsparameter
x_MO Anfangswertsvektor des Antriebs
y_M Messgrößenvektor des Antriebs
C noch weiterer Antriebsparameter
x_SO Anfangswertsvektor der Störung
bedeuten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (M) des Gesamtsystems in der Form
zugrunde gelegt wird, wobei
x einen Zustandsvektor
die erste Ableitung des Zustandsvektors nach der Zeit
A eine Systemmatrix
B eine Eingangsmatrix bzw. einen Eingangsvektor
C eine Messmatrix
bedeuten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsvektor (x) mittels eines Beobach tersystems oder Kalman-Filter-Systems nach der Beziehung
= (A - L c) + B n + L y
geschätzt werden, wobei
L eine Rückführmatrix
Schätzwert des Zustandsvektors
Schätzwert der ersten Ableitung des Zustandsvektors
bedeuten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsvektor (x) eine Kraft und/oder eine zeitliche Änderung derselben geschätzt wird/werden und eine Einklemmkraft erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsvektor (x) eine Verstellgeschwindigkeit und/oder ein Stromverlauf des Verstellantriebs geschätzt wird/werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kompensieren impulsförmiger Störungen ein Tiefpassfilter mit einer zum Erkennen des abnormalen Zustandes geeigneten Zeitkonstanten benutzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Parameter des Systems bei der Schätzung berück sichtigt werden.