DE3023350C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektronischen Regeln der Drehzahl einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Einrichtung zum elektronischen Regeln der Drehzahl ist aus der DE-OS 21 09 693 bekannt. Dort ist eine elektronische Drehzahlregelung mit PID-Verhalten und einer Steuerungsmöglichkeit des Proportionalitätsbereichs von 0 bis 10% beschrieben. Erreicht wird dies durch Verändern des Drehzahl-Soll-Werts in Abhängigkeit vom Füllungs-Ist-Wert.

Bei einem solchen elektronischen Regler treten bei sehr steilen Kennlinien, d. h. bei sehr hohen Verstärkungen, Instabilitäten auf. Wird aus Stabilitätsgründen die Integrationsgeschwindigkeiten 1/TE (Änderungsgeschwindigkeit der Reglerzustandsgröße) sehr klein gewählt, so bewirkt dies, daß bei einer schnellen Änderung von Betriebsparamtern wie z. B. der Motorlast bei Lastabwurf oder Lastaufnahme für eine geraume Zeit die Mengenvorgabe, die vor der Änderung bestand, aufrechterhalten bleibt, bis sich der Reglerzustand dem neuen Betriebspunkt angepaßt hat. So besteht z. B. bei einem langsamen Regler die Gefahr, daß bei Lastabwurf durch den Kraftstoffüberschuß die zulässige Drehzahl weit überschritten wird. Auf der anderen Seite besteht die Gefahr bei schnellen Reglern, daß Instabilitäten auftreten. Dies ist im Hinblick auf geforderte Sicherheit, Zuverlässigkeit und gutes Fahrverhalten bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung höchst unerwünscht.

Auch die Einrichtung gemäß der DE-OS 18 02 217 weist diese Nachteile auf. Diese Schrift beschreibt einen Geschwindigkeitsregler für Flugzeuge, bei dem die Verstärkung des Reglers abhängig vom Vergleich zwischen Geschwindigkeits-Soll-Wert und Geschwindigkeits-Ist-Wert ist. Es kann auch bei dieser Einrichtung entweder nur eine gute Stabilität des Regelkreises oder eine große Regelgeschwindigkeit erzielt werden.

Aus der DE-OS 27 15 408 ist eine Regeleinrichtung für wählbare Drehzahlen bei Brennkraftmaschinen bekannt. Diese Einrichtung umfaßt einen I-Regler, dem in bestimmten Betriebszuständen ein P-Regler zugeschaltet wird, wobei die Verstärkung des Reglers fest eingestellt ist. Auch diese Einrichtung besitzt die obigen Nachteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zum elektronischen Regeln der Drehzahl einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung die Regeleinrichtung so zu verbessern, daß eine große Regelgeschwindigkeit bei gleichzeitiger ausgezeichneter Stabilität erreicht wird. Das heißt, daß auch bei sehr steilen Abregelkennlinien der Regelkreis stabil bleibt.

Durch die Zwangssteuerung der vorgeschlagenen Reglereinrichtung wird eine große Regelgeschwindigkeit bei gleichzeitiger ausgezeichneter Stabilität erreicht. Mit dieser Einrichtung lassen sich nun bei elektronischen Reglern steile Abregelkennlinien ebenso sicher beherrschen wie bei den bekannten, rein mechanischen Systemen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei, das relativ einfache Bereitstellen von Begrenzungslinien, die der jeweiligen Abregelkennlinie benachbart sind.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigten Fig. 1 ein grobes Blockschaltbild der elektronischen Regeleinrichtung, Fig. 2 Kennlinien zum Verständnis des Regelverhaltens sowie der möglichen Ausbildungsart des Rückkopplungskreises. In den Fig. 3a und 3b sind zur Erläuterung der Begrenzungslinien dieses in ein Regelkennfeld eingezeichnet und die Auswirkung eines Lastsprungs erklärt. Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit eines steuerbaren PI-Reglers und Fig. 5 schließen ein Flußdiagramm entsprechend der Wirkungsweise des Gegenstandes von Fig. 1, wobei dieses Flußdiagramm auch Grundlage der Programmierung eines in einem Prozeßrechner ausgebildeten Reglers sein kann.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild die elektronische Regeleinrichtung für die Drehzahl einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung beim Dieselmotor. Mit 10 ist ein Fahrpedal bezeichnet, das einen Winkel-Spannungs-Wandler 11 betätigt. Diesem Wandler schließt sich eine Reihenschaltung von Vergleichspunkt 12, Maximalwert-Auswahlstufe 13, Vergleichspunkt 14 und Regler 15 an, dem wiederum ausgangsseitig ein Stellglied 16 für die Regelstange der Brennkraftmaschine 17 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal des Reglers 15 wird über eine Rückkopplungsstufe 18 auf den Minus-Eingang des Vergleichspunktes 12 geschaltet. Ein Leerlaufdrehzahl-Sollwertgeber 20 stellt für die Maximalwert-Auswahlstufe 13 das zweite Eingangssignal zur Verfügung. Ein Drehzahlsignal von einem Drehzahlgeber 21 bildet das Signal am Minus-Eingang des Vergleichspunktes 14.

Mit 23 und 24 ist je ein Kennfeldgenerator bezeichnet, die eingangsseitig mit Drehzahlgeber 21 und Wandler 11 verknüpft sind und ausgangsseitig mit je einer Vergleichsstufe 25 und 26 in Verbindung stehen. Ihr weiteres Eingangssignal erhalten die beiden Vergleichsstufen 25 und 26 vom Ausgang des Reglers 15. Sein Steuereingang 27 ist über Schalter 28 und 29 mit den Ausgängen der Kennfeldgeneratoren 23 und 24 verbindbar, wobei die Schalter 28 und 29 durch die Ausgangssignale der Vergleichsstufen 25 und 26 gesteuert werden.

Die prinzipielle Wirkungsweise eines Teiles der in Fig. 1 angegebenen Regeleinrichtungen ist seit langem bekannt. Einer bestimmten Fahrpedalstellung entspricht ein bestimmter Drehzahlsollwert am Ausgang des Wandlers 11. Der Drehzahlsollwert wird über die nachfolgende Subtraktionsstelle (Vergleichspunkt 12) vom Ausgangssignal des Reglers 15 so beeinflußt, daß sich für eine größer werdende gewünschte Kraftstoffmenge ein kleiner werdender Drehzahlsollwert einstellt. Dieser Wert wird mit demjenigen für die Leerlaufdrehzahl verglichen, es folgt ein Vergleichspunkt 14 für die tatsächliche Istdrehzahl, und der nachfolgende Regler 15 bildet ein Ausgangssignal abhängig von der jeweils momentanen Abweichung vom Drehzahlsollwert. Das Ausgangssignal des Reglers 15 stellt die gewünschte Kraftstoffmenge QK dar, und über das Stellwerk 16 und die mit ihm gekoppelte Regelstange wird der Brennkraftmaschine 17 die entsprechende Kraftstoffmenge zugeführt. Mit der gerade beschriebenen Zeile des Gegenstandes von Fig. 1 läß sich im wesentlichen das aus Fig. 2a ersichtliche Kennfeld bilden. Bei der Leerlaufdrehzahl nLL ergibt sich im stationären Fall eine senkrechte Linie, bedingt durch die Ausblendung der Rückkopplung durch die Maximalwert-Auswahlstufe 13. Die einzelnen abfallenden Kennlinien lassen sich entspechend der Fahrpedalstellung verschieben.

Fig. 2b zeigt mögliche Funktionsverläufe der Rückkopplungsstufe 18, wobei der Subtraktionswert Δ n soll für die Soll-Drehzahl über der gewünschten Kraftstoffmenge QK aufgetragen ist und sich im Fall einer konstanten Rückführrate die ausgezogene gerade Linie ergibt. Gestrichelt gezeichnet sind noch zwei Funktionsverläufe im Hinblick auf eine unter Umständen gewünschte Nichtlinearität bei der Rückkopplung.

Fig. 3 veranschaulicht anhand eines vereinfachten Kennlinienfeldes die Steuerung des Reglers 15 von Fig. 1 im Sinne einer Manipulation des Reglerzustandes. Mit der ausgezogene Linie IR ist dabei eine Abregelkurve dargestellt. Mit SO ist eine obere Begrenzungslinie bezeichnet; in entsprechender Weise markiert SU eine untere Begrenzungslinie. Diese beiden Begrenzungslinien sind Abregelkennlinien mit reinem Proportionalverhalten.

Wesentlich ist nun, daß keine Reglermanipulation eintritt, solange sich eine Mengen- oder Drehzahlabweichung im schraffierten Bereich, also zwischen den beiden Begrenzungskennlinien bewegt. Eine Steuerung des Reglers tritt jedoch bei einer zu großen Abweichung insoweit ein, als dann diese Abweichung auf eine der beiden Begrenzungslinien eingeengt wird.

Fig. 3b veranschaulicht das gewünschte Verhalten im Falle eines Lastabwurfs bei der Brennkraftmaschine, wobei der Ausgangspunkt mit 30 markiert ist. Bei einem Lastsprung auf den Punkt 31 steigt die Drehzahl an, erreicht im Punkt 32 die obere Begrenzungslinie SO, läuft auf ihr entlang nach unten immer noch im Sinne einer größer werdenden Drehzahl und verläßt bei 33 wieder bei einem QK-Wert unterhalb des Zielpunktes 31 diese obere Begrenzungslinie, um spiralförmig letztlich den Zielpunkt zu erreichen.

Je näher nun diese obere Begrenzungslinie am Ausgangspunkt liegt, desto schneller erfolgt die Einregelung. Allerdings sind der Annäherung Grenzen gesetzt, z. B. aus Gründen der Stabilität und des Regelverhaltens. Fallen beide Begrenzungslinien zusammen, erhält man dasselbe instabile Verhalten wie bei einem P-Regler mit vergleichbarer Steilheit.

Im Hinblick auf optimale Begrenzungslinien erweist es sich als zweckmäßig, wenn sie abhängig von Istdrehzahl und der Fahrpedalstellung (Drehzahlsollwert) sind.

Der Realisierung des in Fig. 3b dargestellten Signalverhaltens im Zusammenhang mit den Begrenzungslinien dienen die in Fig. 1 dargestellten Kennfeldgeneratoren 23 und 24 mit den nachfolgenden Vergleichsstufen 25 und 26. In beiden als Block dargestellten Kennfeldgeneratoren 23 und 24 sind Kennlinien eingezeichnet, bei denen die Ab­ regelung bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgt. Der Kennfeldgenerator 23 stellt dabei die obere Begrenzungslinie SO bereit, während der zweite Kennfeldgenerator 24 die untere Begrenzungslinie SU liefert. Überschreitet der Ausgangswert des Reglers 15 einen der beiden Ausgangssignalwerte der Kennfeldgeneratoren 23 und 24, dann schaltet entsprechend einer der beiden Schalter 28 und 29 und verbindet infolgedessen den Ausgang des betreffenden Kennfeldgenerator 23 oder 24 mit dem Steuereingang des Reglers 15. Auf diese Weise wird dann der jeweilige Kennfeldwert direkt in den Regler 15 eingespeist.

Ein Beispiel für einen steuerbaren PI-Regler 15 zeigt Fig. 4. Sein Hauptbestandteil ist ein gegengekoppelter Verstärker 35, wobei im Gegenkopplungszweig eine Reihenschaltung von Kondensator 36 und Widerstand 37 liegt. Eingangsseitig ist noch ein Widerstand 38 angeordnet. Am nicht- invertierenden Eingang des Verstärkers 35 ist schließlich noch die Verbindungsstelle eines aus zwei Widerständen 39 und 40 bestehenden Spannungsteilers zwischen den Betriebsspannungsleitungen angeschlossen.

Die Ladung des Kondensators 36 (I-Anteil) des Reglers 15 kann dadurch zu diskreten Zeitpunkten gesetzt oder geändert werden, indem dem Kondensator 36 kurzzeitig ein festes Potential aufgeprägt wird. Dies erfolgt mittels einer über den Eingang 27 steuerbaren Spannungsquelle 41. Diese steuerbare Spannungsquelle 41 sorgt im Gegensatz zu einer möglichen steuerbaren Stromquelle nicht für eine Änderung der Integrationszeitkonstante, sondern definiert innerhalb kürzester Zeit (t→o) den Energiezustand des Kondensators des PI-Reglers.

Im Hinblick auf die aus Genauigkeitsgründen wünschenswerte Rechensteuerung auch bei Dieselbrennkraftmaschinen kann die Programmierung in Anlehnung an das Flußdiagramm von Fig. 5 erfolgen. Nach diesem Flußdiagramm wird in einem ersten Programmteil 45 aus einer bestimmten Fahrpedalstellung ein Drehzahlsollwert ermittelt, von dem in einem nachfolgenden Programmteil 46 ein vom Ausgangssignal des Reglers rückgekoppelter Wert abgezogen wird. Es folgt eine Abfragestufe 47 entsprechend der Maximalwert-Auswahlstufe 13 von Fig. 1, die einen kleiner werdenden Drehzahlsollwert (bedingt durch Stufe 46) auf den vorgegebenen Leer­ laufdrehzahlsollwert begrenzt. Der PI-Regler 15 von Fig. 1 entspricht einem Programmblock 48, in dem der Kraftstoffmengensollwert nach folgender Formel ermittelt wird:

Darin bedeuten Kp ein beliebiger konstanter Faktor, Δ n die momentane Drehzahlabweichung, Ts die Abtastzeit, Ti die Integrationszeitkonstante.

Es folgen Programmteile 49 und 50 zur jeweiligen Bildung der oberen und unteren Begrenzungslinie SO und SU. Daran schließt sich eine Abfrageeinheit 51 bezüglich des unteren Grenzwertes an sowie eine weitere Abfrageeinheit 52, um die nachfolgende Überwachung (Vergleichsstelle 53) mit der Begrenzungslinie 50 bei Leerlaufdrehzahl auszuschalten. Schließlich können nicht dargestellte weitere Abfrage- und Begrenzungsprogrammteile hinzukommen.

Mit der beschriebenen elektronischen Reglereinrichtung für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung ist die Realisierung sehr steiler Abregelkennlinien bei stabilem Regelverhalten möglich.

Wesentlichstes Merkmal der oben beschriebenen Erfindung ist nun, daß der Reglerzustand bzw. sein Ausgangssignal durch die obere und untere Begrenzungsline zwangsgesteuert wird, wenn ein Kraftstoffmengensignal eine Begrenzungslinie über- oder unterschreitet. Aus diesem Grund wird mit der vorgeschlagenen Regeleinrichtung eine große Regelgeschwindigkeit bei gleichzeitiger ausgezeichneter Stabilität erreicht.

Claims (4)

1. Einrichtung zum elektronischen Regeln der Drehzahl einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,
mit einem Geber (21) für die Ist-Drehzahl,
mit einem Geber (11) für eine Soll-Drehzahl entsprechend der Stellung eines Fahrpedals (10),
mit Mitteln (14) zum Vergleich von Soll- und Ist-Drehzahl,
mit einem wenigstens Proportional-Integral (PI)-Verhalten oder eine Rückkopplung (18; R) aufweisenden PI-Regler (15; 48) mit Abregelkennlinien in einem Drehzahl- Kraftstoffmengen-Kennfeld und
mit einem vom Ausgangssignal des Reglers (15; 48) gesteuerten Stellglied (16) zur Einstellung der der Brennkraftmaschine (17) zuzuführenden Kraftstoffmenge,
gekennzeichnet durch
Mittel (23, 24; 49, 50) zum Bilden eines durch Begrenzungslinien (SO, SU) vorgegebenen Bereichs beiderseits jeder Abregelkennlinie (IR),
Mittel (25, 26; 51, 53) zum Vergleichen, ob das Ausgangssignal des Reglers (15; 48) in dem vorgegebenen Bereich liegt, und
Mittel (23, 24, 25, 26, 28, 29) zum Begrenzen des Ausgangssignals des Reglers (15; 48) auf einen durch die Begrenzungslinie (SO, SU) gegebenen Wert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Begrenzungslinien (SO, SU) vorgegebene Bereich abhängig von der Ist-Drehzahl und/oder der Fahrpedalstellung gebildet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bilden der Begrenzungslinien (SO, SU) Kennfeldgeneratoren (23, 24) sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch Mittel (18; R) zur Rückkopplung vom Ausgang des Reglers (15; 48) auf den Eingang des Reglers (15; 48) zur Veränderung der Soll-Drehzahl proportional oder entsprechend einer Kennlinie.