EP3781446A1

EP3781446A1 - Verfahren zum ansteuern eines ventils und entsprechende vorrichtung

Info

Publication number: EP3781446A1
Application number: EP19716873.5A
Authority: EP
Inventors: Matthias Schanzenbach; Andreas Schmidtlein; Frank Haefele; Ruben Obenland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2021-02-24
Also published as: CN112020460A; US11650606B2; DE102018206114A1; WO2019201620A1; JP7101806B2; US20210072773A1; CN112020460B; JP2021517951A

Abstract

Verfahren zum Ansteuern eines Ventils (5) mit einem elektromagnetischen Ventilantrieb (6), durch welchen elektrischer Strom (7) geleitet wird, um das Ventil (5) zu öffnen, zu schließen oder es in einer geöffneten oder geschlossenen Stellung zu halten, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Empfangen eines Öffnungssignals (8), b1) Ermitteln eines angepassten Öffnungssignals (27), welches an physikalische Grenzen des Ventils oder des Ventilantriebs angepasst ist, und b2) Ermitteln eines Vorsteuerungssignals (9) zur Vorsteuerung eines elektrischen Stroms zum Antrieb eines elektrischen Ventilantriebs zum Öffnen des Ventils in Reaktion auf das angepasste Öffnungssignal (27). c) Berechnen eines Ansteuerungssignals (11) zur Ansteuerung des Ventilantriebs unter Verwendung des Vorsteuerungssignals (9), und d) Ausgabe des Ansteuerungssignals (11).

Description

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Ansteuern eines Ventils und entsprechende Vorrichtung

Stand der Technik

Heutige Bremsregelsysteme nutzen elektromechanische Ventile um

Druckmodulationen in einem ABS oder ESP Eingriff (Fahrdynamik

Regeleingriffe) umzusetzen. Die eingesetzten Aktuatoren (zum Beispiel

Magnetventile) werden mittels einer elektrischen Spannung angesteuert, und entsprechend ihrem Aufbau werden damit hydraulische oder pneumatische Medien oder auch mechanische Bauteile gesteuert oder geregelt. Da an diese fahrdynamischen Eingriffe immer mehr Anforderungen gestellt werden

(Druckstellgüte, Reproduzierbarkeit, Dynamik, Geräusch beim Schalten, etc.) werden damit auch immer mehr Anforderungen an deren Steller gestellt. Ein sehr kritischer Punkt bei ABS- und ESP-Systemen ist unter anderem die

Bremsperformance (Bremsweg) und bei komfortrelevanten Funktionen das Schaltgeräusch. Je kleiner der Bremsweg werden soll, desto schneller und präziser müssen die Magnetventile Ihren Sollwert erreichen, um die

Druckvorgaben des übergeordneten Bremsreglers zu erfüllen. Die Endstufen dieser Ventile werden über geregelte oder ungeregelte Spannungsendstufen betrieben.

Offenbarung der Erfindung

Hier beschrieben werden soll ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils, welches so optimiert ist, dass ein Sollwert sich schnell (hier der Strom im

Magnetkreis des Ventils) einstellt, ohne dass ungewollte Überschwinger auftreten und ohne dass das System zu schwingen anfängt, oder dass das Ventil so langsam angesteuert werden kann, dass es möglichst sanft öffnet oder schließt. Das hier beschriebene System ist darüber hinaus robust gegen Quereinflüsse. Zudem ermöglicht das System über einen modellgestützten Ansatz eine relevante Systemgröße (Widerstand der Spule) zu schätzen und sich damit schnell an vorhandene Bedingungen zu adaptieren. Das hier beschriebene Verfahren zum Ansteuern eines Ventils mit einem magnetischen Ventilantrieb, durch welchen elektrischer Strom geleitet wird, um das Ventil zu öffnen, zu schließen und es in einer geöffneten oder geschlossenen Stellung zu halten, weist folgende Schritte auf: a) Empfangen eines Öffnungssignals,

bl) Ermitteln eines angepassten Öffnungssignals, welches an physikalische Grenzen des Ventils oder des Ventilantriebs angepasst ist,

b2) Ermitteln eines Vorsteuerungssignals zur Vorsteuerung eines elektrischen Stroms zum Antrieb eines elektrischen Ventilantriebs zum Öffnen des Ventils in Reaktion auf das angepasste Öffnungssignal,

c) Berechnen eines Ansteuerungssignals zur Ansteuerung des Ventilantriebs unter Verwendung des Vorsteuerungssignals, und

d) Ausgabe des Ansteuerungssignals.

Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn es ferner folgenden Schritt umfasst:

b3) Empfangen eines elektrischen Stromsignals, welches einen elektrischen Strom durch den Ventilantrieb repräsentiert,

wobei in Schritt c) bei der Berechnung des Ansteuerungssignals zusätzlich das in Schritt b3) empfangene Stromsignal verwendet wird.

Üblicherweise werden in Bremsregelsystemen Magnetventile verwendet, die durch das Verhalten eines PTl-Gliedes (R-L-Regelkreis) beschreibbar sind. Zusätzlich erfolgt eine Regelung der Magnetventile. Das bedeutet, dass ein Ist- strom durch die Magnetventile gemessen und berücksichtigt wird. Dies ist notwendig, weil je nach Betriebsbedingungen sehr unterschiedliche Lasten vorhanden sind. Unterschiedliche Lasten können beispielsweise durch temperaturbedingte Änderungen des Spulenwiderstandes oder durch

Änderungen des Drucks in den Leitungen ausgelöst werden. Änderungen des Drucks in den Leitungen umfassen insbesondere auch Abhängigkeiten des Drucks in den Leitungen, die durch das Ventil geschlossen oder freigegeben werden können. Daher kann der Strom durch das Magnetventil nicht mit einer reinen Steuerung eingestellt werden. Durch eine typische Strom-Regelung ist allerdings eine Rückkopplung in der Ansteuerung der Magnetventile vorhanden. Rückkopplungen bringen prinzipielle Probleme mit sich. Die relevanteste

Problematik ist die Schwingungsanfälligkeit einer Regelung. Regler benötigen einen oder mehrere Regelzyklen um die Sollwerte einzuregeln. Bei der

Verwendung von Reglern sollte daher sichergestellt sein, dass diese über die Serientoleranzen stabil sind.

In Schritt a) des beschriebenen Verfahrens wird zunächst ein Öffnungssignal empfangen. Ein Öffnungssignal ist ein Signal, welches den Öffnungszustand des Ventils betrifft. Es kann sich um ein Signal zum Öffnen oder um ein Signal zum Schließen des Ventils handeln.

Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren wird nach dem Empfangen eines Öffnungssignals in Schritt a) und in Schritt bl) und b2) ein Vorsteuerungssignal ermittelt/berechnet. Je nach Art und Gestaltung des Öffnungssignals kann ein anderes Ansteuerungssignals notwendig sein. Das Vorsteuerungssignal ist ein geschätztes, besonders geeignetes Ansteuerungssignal mit welchem der Ventilantrieb angesteuert wird.

Die Schritte bl) und b2) bilden einen zweistufigen Prozess zur Bestimmung des Vorsteuerungssignales.

In Schritt bl) erfolgt ein Ermitteln eines angepassten Öffnungssignals, welches an physikalische Grenzen des Ventils oder des Ventilantriebs angepasst ist.

In Schritt b2) erfolgt ein Ermitteln eines Vorsteuerungssignals zur Vorsteuerung eines elektrischen Stroms zum Antrieb eines elektrischen Ventilantriebs zum Öffnen des Ventils in Reaktion auf das angepasste Öffnungssignal,

Ein Vorteil einer guten Vorsteuerung zu einer Regelung ist, dass die

Vorsteuerung (für sich genommen) nicht schwingen kann. Damit wäre zumindest die Stabilität nahezu unabhängig von den Serientoleranzen. Zusätzlich ist allerdings für eine Ansteuerung des Ventils auch eine Regelung notwendig, weil die Vorsteuerung nicht sämtliche möglichen Einflüsse, die auf das Ventil wirken, ausreichend berücksichtigen kann.

In Schritt c) erfolgt die Berechnung eines Ansteuerungssignals zur Ansteuerung des Ventilantriebs. In Schritt d) wird das berechnete Ansteuerungssignal ausgegeben - beispielsweise an den Ventilantrieb. Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn es ferner folgenden Schritt umfasst:

In Schritt c) wird zusätzlich ein gemessener elektrischer Strom bzw. ein

Parameter (ein Signal), welches für einen tatsächlich durch den Ventilantrieb fließenden Strom repräsentativ ist, empfangen. Dieser elektrische Storm bzw. dieser Parameter kann gemessen und/oder nur aus anderen Messgrößen berechnet werden.

In Schritt c) wird bei der Berechnung des Ansteuerungssignals bevorzugt der gemessene Strom (gemessen gemäß Schritt b3)) und eine modellierter Strom (erzeugt gemäß den Schritten bl) und b2)) , welcher durch die Vorsteuerung sehr gut der Realität entspricht, mit einander verglichen und eine mögliche Abweichung in einer Änderung der Systemparameter (Widerstand) interpretiert.

Bevorzugt erfolgt in weiteren Verfahrensschritten e) und f) eine Rückmeldung von Systemparameter an die Vorsteuerung. Wie beschrieben können

Systemparameter (wie der Widerstand) durch eine Abweichung zwischen dem gemessenen Strom und dem berechneten Strom bestimmt werden. Bevorzugt können die weiteren Verfahrensschritte e) und f) wie folgt beschrieben werden. f) Berechnen bzw. Schätzen eines neuen Datensatz von Systemparametern der Vorsteuerung (z.B. Widerstand).

g) Rückmeldung von neu berechneten bzw. neu geschätzten

Systemparametern (insbesondere des Widerstandes) an die Vorsteuerung, insbesondere um Modellfehler auch in der Vorsteuerung zu

berücksichtigen.

Die Verfahrensschritte e) und f) können zeitlich vor, nach oder parallel zu Verfahrensschritt d) ausgeführt werden.

Bevorzugt fließen durch die Berechnung in Schritt c) das Vorsteuerungssignal und das gemessene elektrische Stromsignal zusammen, um unter

Berücksichtigung beider Signale ein besonders geeignetes Ansteuerungssignal zur Ansteuerung des Ventilantriebs zu berechnen. Dieses Ansteuerungssignal wird dann in Schritt d) ausgegeben.

Mit einer Ausgabe des Ansteuerungssignals ist bei allen Verfahrensvarianten des hier beschriebenen insbesondere gemeint, dass das Ansteuerungssignal dem Ventilantrieb zur Verfügung gestellt wird. Das Ansteuerungssignal kann beispielsweise eine Ausgangsspannung sein, die an den Ventilantrieb angelegt wird.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Vorsteuerungssignal mit einem Ventilmodell ermittelt wird.

Ein Ventilmodell bildet das Verhalten des Ventils im jeweiligen Betriebspunkt nach. Mit Hilfe des Ventilmodels kann das Verhalten des Ventils in Reaktion auf ein Ansteuerungssignal prognostiziert werden. Das Ventilmodell besteht bevorzugt aus mindestens einer linearen Differentialgleichung, welche das zeitverzögerte Verhalten des Ventils auf das Ansteuerungssignal beschreibt. Dieses zeitverzögerte Verhalten betrifft insbesondere den elektrischen Strom durch den Ventilantrieb, welcher sich in Folge einer Veränderung des

Ansteuerungssignal zeitverzögert verändert.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Ventilmodell ein

Verzögerungsverhalten erster Ordnung des Ventils modelliert.

Ein Verzögerungsverhalten 1. Ordnung wird auch als PTl-Verhalten bezeichnet. Mit einem PTl-Verhalten kann der Ventilantrieb effizient als Ventilmodell nachempfunden werden. Ein PTl-Verhalten kann einfach und kosteneffizient in einem simuliert werden. Es hat sich heraus gestellt, dass durch ein PTl- Verhalten eine ausreichend gute Prognose des Ventilverhaltens in Reaktion auf das Ansteuerungssignal möglich ist. Das Ventilmodell kann auch mehrere Verzögerungselemente mit PTl-Verhalten beinhalten, welche miteinander verknüpft sind, um das Ventilverhalten nachzubilden. Das Ventilmodell kann auch Verzögerungselemente höherer Ordnung (PT2, PT3, etc.) beinhalten.

Weiterhin bevorzugt ist, wenn eine Zeitkonstante des Ventilmodells mit einer Zeitkonstante des Ventilantriebs übereinstimmt. Durch übereinstimmende Zeitkonstanten von Ventilmodell und Ventilantrieb wird erreicht, dass das Ventilmodell in seinem Verzögerungsverhalten dem

Ventilantrieb nachempfunden ist. Wenn der Ventilantrieb und das Ventilmodell mehrere Zeitkonstanten aufweisen, stimmen diese Zeitkonstanten bei

Ventilantrieb und Ventilmodell bevorzugt ebenfalls miteinander überein. Es ist auch möglich, dass der Ventilantrieb tatsächlich ein Verzögerungsverhalten höherer Ordnung hat, welches insbesondere mehrere kleine Zeitkonstanten umfasst und durch ein PTl-Element mit einer längeren Zeitkonstante

approximiert wird.

In der Vorsteuerung können allerdings auch beliebige andere Zeitkonstanten hinterlegt sein, insbesondere, wenn die Vorsteuerung einen

Zustandsvariablenfilter umfasst. Bevorzugt ist, das eine der in der Vorsteuerung hinterlegten Zeitkonstanten mit der Zeitkonstante des„realen“ Ventilantriebs übereinstimmt. Insbesondere diese Zeitkonstante ist dem Ventilmodell zugehörig, welches das Verhalten des„realen“ Ventilantriebs nachbildet.

Auch besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in dem Ventilmodell eine Schätzung des elektrischen Widerstands des Ventilantriebs genutzt wird.

Darüber hinaus besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in dem

Ventilmodell eine Schätzung der Induktivität des Ventilantriebs genutzt wird.

Der Widerstand kann sowohl fest hinterlegt werden, als auch in jedem

Berechnungsschritt neu geschätzt werden. Je nach dem in welchem Umfeld das Ventil eingesetzt wird, ist es von Vorteil den Widerstand bei jedem Schritt zu schätzen um die Vorsteuerung möglichst effizient zu gestalten.

Der elektrische Widerstand und die Induktivität des Ventilantriebs definieren ganz wesentlich das Verzögerungsverhalten (PT1- Verhalten) zwischen einer

Veränderung des Ansteuerungssignals und dem elektrischen Strom durch den Ventilantrieb. Insofern ist es vorteilhaft die Schätzungen dieser Parameter in dem Ventilmodell zu berücksichtigen.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt d) eine Vorsteuerung und ein Regler genutzt werden, um das Ansteuerungssignal zu bestimmen. Außerdem vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in der Vorsteuerung ein inverses PTl-Element angewendet wird.

Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in der Vorsteuerung ein

Zustandsvariablenfilter angewendet wird.

Besonders bevorzugt ist der Zustandsvariablenfilter einem Ventilmodell vorgeschaltet. Besonders bevorzugt wird der Zustandsvariablenfilter zur

Durchführung von Schritt bl) genutzt, um das angepasste Öffnungssignal zu erzeugen. Besonders bevorzugt wird das Ventilmodell zur Durchführung von Schritt b2) genutzt, um das Vorsteuerungssignal bzw. in dem Fall, dass kein zusätzlicher Regler verwendet wird, auch direkt das Ansteuerungssignal zu erzeugen.

Der Zustandsvariablenfilter ist eine regelungstechnisches Element, welches typischerweise gleicher Ordnung ist wie die Regelstrecke selbst. Mit Hilfe des Zustandsvariablenfilters ist es möglich, einen gewünschten Signalverlauf zu erzeugen, den die Strecke einnehmen soll (hier bevorzugt der Öffnungszustand des Ventils) . Die Zustandsvariablen, die der Strecke mit Hilfe der Vorsteuerung aufgeprägt werden sollen, werden mit dem Zustandsvariablenfilter so angepasst, dass diese realen physikalischen Gegebenheiten bzw. insbesondere auch physikalischen Grenzen Rechnung tragen. Ein in Schritt a) empfangenes

Öffnungssignal ist beispielsweise eine Sprungfunktion. Das reale Ventil kann allerdings aufgrund konstruktionsbedingter physikalischer Grenzen nicht schlagartig geöffnet werden. Bevorzugt wird daher in Schritt bl) von dem

Zustandsvariablenfilter aus dem Öffnungssignal ein angepasstes Öffnungssignal erzeugt, welches den physikalischen Grenzen Rechnung trägt. Aus einem Öffnungssignal, welches einer Sprungfunktion von 0 (geschlossen) auf 1

(geöffnet) entspricht wird von dem Zustandsvariablenfilter beispielsweise ein von 0 auf 1 entsprechendem Öffnungssignal erzeugt, welches ein Verlauf eines PT-1- Verhaltens entspricht.

Hier auch beschrieben werden soll ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Ventils mit einem elektrischen Ventilantrieb, welches zur Durchführung des

beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die im Zusammenhang mit dem beschriebenen Verfahren geschilderten Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das beschriebene Steuergerät anwendbar und übertragbar. Gleiches gilt für die im Zusammenhang mit dem beschriebenen Steuergerät geschilderten Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale, die auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar sind.

Ein solches Steuergerät bildet bevorzugt ein eigenständiges Modul, welches zur Erzeugung eines geeigneten Ansteuerungssignals für den Ventilantrieb als Reaktion auf ein Öffnungssignal vorgesehen bzw. eingerichtet ist. Das

Öffnungssignal beschreibt die Vorgabe, wie sich das Ventil verhalten soll und es wird üblicherweise von einem übergeordneten Steuergerät bereitgestellt. Das hier behandelte Steuergerät erhält das Öffnungssignal und bevorzugt darüber hinaus ein Stromsignal, welches die tatsächliche Situation in dem Ventilantrieb bzw. den tatsächlich in dem Ventil bzw.in dem Ventilantrieb vorliegenden Strom repräsentiert.

Hier auch beschrieben werden soll ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren beziehungsweise alle Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Darüber hinaus soll ein

maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt werden, auf dem das

Computerprogramm gespeichert ist.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines beschriebenen Ventils,

Fig. 2: eine Regelung einer Strecke mit einem Regler und einer Vorsteuerung,

Fig. 3: eine Regelung einer PTl-Strecke mit einem Regler und einer

Vorsteuerung,

Fig. 4: eine Steuerung einer Strecke, mit vorgegebenem Signalverlauf yt(t)

Fig. 5: ein Beispiel einer zu regelnden Strecke, Fig. 6: einen Invertierer mit einer Strecke,

Fig. 7: einen ZustandsvariablenDilter ohne Stellgrößenbegrenzung,

Fig. 8: einen ZustandsvariablenDilter mit Stellerbegrenzung,

Fig. 9: ein Sprungantwortverhalten mit einer reinen Vorsteuerung (ohne Regler) aber unterschiedlich bedatete Zustandsvariablenfilter,

Fig. 10: ein Fig. 9 entsprechendes Sprungantwortverhalten in einer anderen Darstellung, und

Fig. 11: ein Regelkonzept mit einer Streckenbeobachtung zur Vorsteuerung und Widerstandschätzung.

Fig. 1 zeigt ein Ventil 5 mit einem Steuergerät 13 zur Ansteuerung dieses Ventils 5. Das Ventil 5 hat einen Fluidblock 14, welcher beispielsweise eine Leitung, eine Engstelle und einen Ventilkörper umfasst, mit welchem das Ventil 5 geöffnet und geschlossen werden kann. Der Fluidblock 14 bzw. insbesondere der Ventilkörper des Fluidblocks 14 werden von einem Ventilantrieb 6 des Ventils 5 gesteuert. Der Ventilantrieb 6 ist insbesondere eine elektrische Spule bzw. ein Elektromagnet, der eine magnetische Kraft ausüben kann, die auf den Fluidblock 14 bzw.

insbesondere auf einen beweglichen Ventilkörper in dem Fluidblick 14 wirkt, um das Ventil 5 zu öffnen oder zu schließen bzw. allgemein den Öffnungszustand des Ventils 5 zu verändern.

Das Steuergerät 13 ist dazu eingerichtet, ein Öffnungssignal 8 zu empfangen. In dem Öffnungssignal 8 ist bevorzugt eine Information enthalten wie der

Öffnungszustand des Ventils 5 verändert werden soll. Aus dem Öffnungssignal 8 erzeugt das Steuergerät 13 ein geeignetes Ansteuerungssignal 11, mit welchem der Ventilantrieb in Reaktion auf dieses Öffnungssignal 8 zielgerichtet

angesteuert wird. Um das Ansteuerungssignal 11 geeignet zu erstellen, sind in dem Steuergerät 13 ein Ventilmodell 12 und ein Zustandsvariablenfilter 23 hinterlegt. Weitere Details zur Verknüpfung von Ventilmodell 12 und

Zustandsvariablenfilter 23 sind im Folgenden anhand der weiteren Figuren beschrieben. Das Steuergerät 13 kann darüber hinaus dazu eingerichtet sein, Ventilparameter 15 zu erfassen. Ventilparameter 15 sind gemessene,

tatsächliche Parameter des Ventilbetriebs. Die Werte solcher Parameter können bei der Erstellung eines geeigneten Ansteuerungssignal 11 berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann das Steuergerät 13 ein Stromsignal 10 empfangen, welches den aktuell durch den Ventilantrieb 6 strömenden Strom repräsentiert. Ein Stromsignal 10 des Ventilantriebs 6 ist ebenfalls sehr vorteilhaft, um geeignete Ansteuerungssignale 11 für den Ventilantrieb 6 zu ermitteln.

Fig. 2 zeigt eine allgemeine Darstellung eines Regelkreises mit einer

Vorsteuerung 17 und einem Regler 18 zur Steuerung einer Strecke 24. Die Strecke 24 entspricht dem Ventil 5 bzw. dem Ventilantrieb. Durch die

Kombination von Vorsteuerung 17 und Regler 18 wird eine besonders schnelle, effiziente und genaue Regelung der Strecke 24 erreicht. Das in Fig. 1

beschriebene Steuergerät 13 wird von dem Regler 18 und der Vorsteuerung 17 gebildet. Ein Öffnungssignal 8 wird von links auf den Regler 18 und die

Vorsteuerung 17 aufgeschaltet. Die Vorsteuerung 17 wirkt direkt auf die Strecke 24. Die Strecke 24 wird mit einem Sensor 19 überwacht. Dies kann

beispielsweise ein Stromsensor sein, der ein Stromsignal 10 erzeugt, welches auf dem elektrischen Strom 7 basiert, welcher hier als Ausgangsgröße der Strecke 24 betrachtet wird. Aus dem Stromsignal 10 und dem Öffnungssignal 8 wird ein Regelfehler 20 berechnet, welcher als Eingangsgröße für den Regler 18 dient. Aus dem von der Vorsteuerung 17 ermittelten Vorsteuerungssignal und dem Ausgang des Reglers 18 wird ein Ansteuerungssignal 11 für die Strecke 24 (das Ventil 5 bzw. den Ventilantrieb des Ventils 5) bestimmt.) Hier wird angenommen, dass der Regler-Block das Stellglied mit beinhaltet.

Der Regler 18 ist in Fig. 3 als Bestandteil der Gesamtschaltung mit abgebildet.

Es sind jedoch auch Ausführungsvarianten ohne Regler 18 möglich,

insbesondere, wenn die Vorsteuerung ausreichend genau ist bzw. ggf. sogar eine Störgrößenkompensation aufweist, die es ermöglicht, Störgrößen so zu kompensieren, dass eine zusätzliche Regelung nicht mehr notwendig ist.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Regelkreises aus Fig. 2, wobei gleiche Elemente hier mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Strecke 24 wird hier als PTl-Element 21 angenommen. Die Vorsteuerung ist hier eine Kombination aus Zustandsvariablenfilter 23 und Invertierer 22. Eine solche Vorsteuerung wird auch prädiktive Vorsteuerung genannt. Der Zustandsvariablenfilter 23 berechnet einen Signalverlauf, der auch „Trajektorie“ genannt werden kann. Dieser Signalverlauf bzw. diese Trajektorie entspricht einem Wunschverlauf unter Berücksichtigung physikalischer Grenzen, welche die Ausgangsgrößen 7 erfüllen sollen. Mit dem Inverter 22 wird die Trajektorie in die eigentliche Stellgröße überführt.

Die Fig 4 verdeutlicht eine reine Vorsteuerung 17 zur Steuerung einer Strecke 24 ohne dass ein Regler vorgesehen ist. Die Bezeichnungen der einzelnen

Elemente entsprechen Fig. 2 und Fig. 3.

Die Wirkung des Zustandsvariablenfilter 23 soll anhand von Fig. 4 erläutert werden. Für den Zustandsvariablenfilter 23 sind folgende Größen relevant. y_w(t) = zeitlicher Sollwertverlauf, den die Ausgangsgröße annehmen soll. Dies entspricht beispielsweise dem Öffnungssignal,

y_t(£) = zeitlicher Verlauf, den die Ausgangsgröße physikalisch max. annehmen kann, und, dies entspricht beispielsweise dem angepassten

Öffnungssignal

u(t) = Stellgröße u(t) so dass y(t) = y_t(£). Dies entspricht beispielsweise dem Vorsteuerungssignal bzw. dem Ansteuerungssignal

Ein PTl-Verhalten kann wie folgt beschrieben werden:

Die in den Fig. 2 bis 4 beschriebene Strecke wird für den hier behandelten Fall eines Ventils bzw. eines Ventilantriebs als zu regelnde Strecke in Fig. 5 kurz erläutert. Fig. 5 zeigt ein Diagramm der elektrischen Eigenschaften eines Ventilantriebs mit Widerstand R, Induktivität L, anliegender Spannung U und aus der Spannung resultierendem Strom i. Damit wird die Magnetspule des

Ventilantriebs elektrisch beschrieben. Die Magnetventilspule kann wie in Fig. 5 dargestellt beschrieben werden. Somit ergibt sich folgende Differentialgleichung: Nun will man u(t) so wählen, dass sich das gewünschte Ausgangsverhalten einstellt. Somit benötigt man einen Block, der als Ausgang das gewünschte Signal u(t) ausgibt um y(t) zu erreichen. Dies wird durch einen Invertierer-Block erreicht, der als Ausgang u(t) hat aber dafür i(t) und - i(t) als Eingangsgrößen

benötigt.

Die Darstellung von Strecke und Invertierer-Block ist in Fig. 6 dargestellt, wo die Vorsteuerung 17 mit dem Invertierer 22 und dem Zustandsvariablenfilter 23 nochmal dargestellt ist. Von dem Zustandsvariablenfilter 23 werden an den Invertierer 22 beispielsweise angepasste Öffnungssignale 27 weiter gegeben, die von dem Zustandsvariablienfilter 23 aus Öffnungssignalen 8 ermittelt wurden (Schritt bll). Der Invertierer 22 führt dann Schritt b2) durch.

Es ist nun erforderlich, für ein gewünschtes Ausgangsverhalten y(t) die

Eingangsgrößen i(t) und so zu berechnen, dass sich das

Wunschverhalten einstellt bzw. das die Einstellung des Wunschverhaltens überhaupt physikalisch möglich ist. Der Block, der dies leistet, ist der

beschriebene Zustandsvariablenfilter 23, der auch als Signalgenerator bezeichnet werden kann. Der Zustandsvariablenfilter 23 hat als Eingang ein Signal y _w (t) und berechnet die Ausgangsgrößen i(t) und so dass diese

direkt in den oben genannten Invertierer-Block eingespeist werden kann.

Dieser Zustandsvariablenfilter 23 ist in Fig. 7 nochmal detaillierter dargestellt. Wenn die Regel-Strecke ein PTl-Verhalten aufweist, kann für den

Zustandsvariablenfilter 23 auch ein PTl-Verhalten verwendet werden. Die Kreisverstärkung des Zustandsvariablenfilter 23 ist„1“, und die Dynamik des Verhaltens kann über eine Zeitkonstante des Zustandsvariablenfilter 23 „Tau_ZVF“ =„Zeitkonstante des Zustandsvariablenfilter“ festgelegt werden. Nun ist es im Regelfall so, dass die Stellgröße (in diesem Fall die Spannung im Fahrzeug) begrenzt ist. Berücksichtigt man diese Stellgrößenbegrenzung (also die maximal mögliche Spannung) direkt gleich im Zustandsvariablenfilter 23, so bewirkt dies eine Begrenzung der maximalen Gradienten des Stromes. Die maximal mögliche Spannung der maximal möglichen Gradienten können einen Vektor bilden, der hier als Ganzes als angepasstes Öffnungssignal 27 betrachtet wird. Grundsätzlich (in allen Ausführungsvarianten) kann das angepasste Öffnungssignal 27 ein Vektor sein, welcher mehrere Einzelgrößen betreffend den Öffnungszustand des Ventils umfasst. Grundsätzlich (in allen

Ausführungsvarianten) kann das Öffnungssignal 8 ebenfalls ein Vektor sein, welcher mehrere Einzelgrößen betreffend den Öffnungszustand des Ventils umfasst.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Zustandsvariablenfilters 23, welcher aus dem Öffnungssignal 8 das angepasste Öffnungssignal 27 erzeugt. Bei dieser Variante eines Zustandsvariablenfilters 23 erfolgt eine

Stellgrößenbegrenzung, die beispielsweise dem Zweck dient, physikalische Grenzen zu berücksichtigen. In Kombination des Zustandsvariablenfilter 23 mit dem Invertierer-Block bewirkt dies, dass die Stellgrößenbegrenzung maximal ausgenutzt werden kann.

Die Verwendung einer Ansteuerung zum Ansteuern eines Ventilantriebs mit Zustandsvariablenfilter 23 ergibt die in Fig. 9 und in Fig. 10 dargestellten Sprungantwortverhalten. Gemäß Fig. 9 und Fig. 10 ist das Antwortverhalten jeweils ohne Verwendung eines Reglers neben der Vorsteuerung simuliert. Zum Vergleich ist jeweils das Verhalten mit einem Regler (3) in den Diagrammen geplottet.

Die Abbildungen Fig. 9 und Fig. 10 zeigen die Ergebnisse eines

Gesamtsystemverhaltens unter Verwendung des hier beschriebenen

Ansteuerkonzeptes und des hier beschriebenen Regelverfahrens bestehend aus ZustandsvariablenDilter, Invertierer-Block und einer Strecke mit PTl-Verhalten.

Der obere Teilbereich der Diagramme in den Figuren zeigt jeweils das zeitliche Verhalten der Stellgröße 4 bei verschiedenen Zeitkonstanten des

Zustandsvariablenfilters. Der untere Teilbereich der Diagramme in den Figuren zeigt die folgenden Signale:

den Sollsprung (1), welcher als Vorgabewert auf das System bestehend aus Vorsteuerung und Strecke aufgegeben wird.

den tatsächlichen Verlauf des Stromes (3), der sich als Antwort auf den Sollsprung (1) einstellt. Der Strom (3) wurde hier zum Vergleich der Dynamik geplottet und wurde mit einem Standard PI-Regler geregelt,

der berechnete Verlauf des Ausgangsstromes (2), der durch Simulation des Systems aus Vorsteuerung und Strecke erreicht wird. Fig. 9 und Fig. 10 zeigt die Darstellung von einer Sprungantwort mit

verschiedenen Zeitkonstanten des Zustandsvariablenfilter ohne zusätzlichen Regler. Fig. 10 zeigt das gleiche Verhalten wie Fig. 9. Fig. 10 zeigt allerdings in einer gestreckten Darstellung ein das Startintervall des in Fig. 9 dargestellten Verhaltens im Detail.

Die Darstellung der Sprungantworten soll zeigen, dass mit einer reinen

Vorsteuerung die gleiche Dynamik zum Zeitpunkt des Ansteuerns erreicht wird wie mit einem Ansteuerkonzept mit P-I-Regler, welcher sehr dynamisch ausgelegt ist. Die Kurvenverläufe 4 zeigen jeweils das simulierte

Antwortverhalten mit einer Vorsteuerung. Die Kurvenverläufe 3 zeigen jeweils ein real gemessenes Antwortverhalten, welches mit einem PI-Regler erreicht werden kann.

Man sieht an den Simulationsergebnissen im unteren Plot, dass es möglich ist, durch eine entsprechende Vorsteuerung (Zustandsvariablenfilter und Invertierer der Strecke) die gleiche Dynamik zu erreichen, wie mit einem Regler üblichen Typs ohne Vorsteuerung, der sehr aggressiv ausgelegt ist. Dazu muss die Zeitkonstante am Zustandsvariablenfilter entsprechend gewählt werden. Der große Vorteil der Vorsteuerung ist hier allerdings, dass die vorgesteuerte Ausgangsgröße ohne Überschwinger den Sollwert einstellt. Dies kann mit einem konventionellen Regler mit dieser Geschwindigkeit nicht erreicht werden.

Zudem kann bei einem Konzept mit einer Vorsteuerung umfassend einen Zustandsvariablenfilter die Dynamik gezielt situativ gewählt/angepasst werden, so dass entweder sehr hohe Dynamik oder sehr geringe Dynamik vorgegeben werden kann. Das gezielte Einstellen einer geringen Dynamik kann zum

Erreichen eines geräuschoptimiertem Schaltens von Vorteil sein.

Im oberen Plot der Fig 9 und der Fig. 10 sind verschiedene Stellgrößenverläufe 4 zu erkennen, die den Verlauf der Stellgröße bei verschiedenen Zeitkonstanten des Zustandsvariablenfilter zeigen. Hat der Zustandsvariablenfilter die gleiche Zeitkonstante wie die Strecke selbst, wird der Sprung am Eingang auch als Sprung am Ausgang ausgegeben, allerdings mit der entsprechenden

Verstärkung welche für das Erreichen des Endwertes nötig ist (hier u = R · y w ). Ist die Zeitkonstante des ZVF (mit Berücksichtigung der Stellerbegrenzung) kleiner als die Zeitkonstante der Strecke, so kann am oberen Plot erkannt werden, dass die Stellgröße nahezu automatisch so lange wie benötigt auf dem Maximum des Stellers gehalten wird.

Das hier beschriebene Konzept der Vorsteuerung für Ventilansteuerungen kann insbesondere für Bremsregelsysteme verwendet werden. Bei

Bremsregelsystemen ist es möglich, das Konzept insbesondere für folgende Zwecke zu nutzen:

Ventilansteuerung mit reiner Vorsteuerung

Ventilansteuerung mit Vorsteuerung und Regler (Regler optimiert für das Ausregeln der Regelabweichung bzw. Störgrößen)

als Ventilansteuerung mit besonderen Anforderungen an den Stromverlauf (Trajektorienplanung des Stromes).

Darüber hinaus ist dieses Konzept in nahezu allen Anwendungen mit

Magnetventilen einsetzbar. Es bietet sich insbesondere an, wenn die

Anforderungen an die Zeitkonstante der Strecke hoch sind.

Zudem von Vorteil ist die zusätzliche Durchführung der weiter oben

beschriebenen zusätzlichen Verfahrensschritte f) und g). umfassend die

Rückführung des geschätzten bzw. berechneten Systemparameters

(insbesondere des Systemparameters Widerstand). Durch diese zusätzlichen Schritte kann sichergestellt werden, dass sich je nach Auslegung des

Beobachters der Widerstand innerhalb von wenigen Millisekunden adaptiert. Das bedeutet, dass eine Abweichung des Widerstandes bereits innerhalb eines ABS- Ansteuerzyklus ausgeregelt werden kann. Ein solcher Ansteuerungszyklus hat beispielsweise eine Länge von ca. 200 Millisekunden.

Eine linearisierte Umsetzung des dem hier beschriebenen Verfahren zu Grunde liegenden Konzepts in Hardware kann durch folgende Gleichungen beschrieben werden.

Schritt 1 berechnet die Soll-Trajektorie des Stromes. Schritt 2 berechnet die benötigte (Ansteuer-)Spannung für die Solltrajektorie des Stromes.

Der Dritte Schritt limitiert die Spannung auf die maximal verfügbare Spannung

Ul_un = i / tH i II ⁾ itl . Itl ü.l . ! )

Der vierte Schritt berechnet nun den maximal möglichen Strom, welcher durch die Begrenzung der Spannung möglich ist.

Da im realen Einsatz aufgrund Toleranzen und Bauteilstreuungen und natürlich auch durch Änderungen der Umgebungsbedingungen, welche nicht alle erfasst werden können, Abweichungen entstehen, empDiehlt sich eine Kombination aus Vorsteuerung und Regler, wie sie insbesondere in Fig. 3 auch dargestellt ist.

Der hier vorgestellte Regelansatz soll bei einer Ventilansteuerung, wie sie in vielen Anwendungen vorkommt, die Änderungen (Widerstand, Spannung, etc.), welche durch die Vorsteuerung nicht kompensiert werden können, ausregeln.

Im ersten Ansatz wird eine Luenberger- Beobachter- Struktur verwendet, welche jedoch durch eine Widerstandsschätzung ergänzt wird.

Fig. 11 zeigt die übersichtliche Struktur von realer Strecke 24 umfassend das Ventil 5 und das Ventil 6 und daneben stehendem Ventilmodell 12, die durch diese Umsetzung in Hardware in einem Steuergerät 13 realisiert ist. Das Ventilmodell 12 kann auch durch einen sogenannten Beobachter ergänzt werden, der die reale Strecke 24 permanent überwacht und das Ventilmodell 12 und die reale Strecke 24 in Übereinstimmung bringt. Der Beobachter dient dazu, das Verhalten der Strecke 24, bzw. des Ventils 5 bzw. des Ventilantriebs 6 zu beobachten. Der Beobachter ist mit in dem Ventilmodell 12 realisiert. Im ersten Schritt wird die Stromabweichung als Widerstandsabweichung interpretiert, die Korrekturgröße und Einheit ist im Verstärker-Gain K_Observ enthalten. Im Anschluss wird das AR integriert und der Term R + AR gebildet. Nun wird im weiteren durch geschickte Umformung daraus ein fracdidt berechnet welches dann in den Beobachter mit einDiießt.

Schritt 1:

Schritt 2:

Schritt 3:

R · A i! r r i(i

L R A R l. fl

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Ansteuern eines Ventils (5) mit einem

elektromagnetischen Ventilantrieb (6), durch welchen elektrischer Strom (7) geleitet wird, um das Ventil (5) zu öffnen, zu schließen oder es in einer geöffneten oder geschlossenen Stellung zu halten, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:

a) Empfangen eines Öffnungssignals (8),

bl) Ermitteln eines angepassten Öffnungssignals (27), welches an physikalische Grenzen des Ventils oder des Ventilantriebs angepasst ist, und

b2) Ermitteln eines Vorsteuerungssignals (9) zur Vorsteuerung eines elektrischen Stroms zum Antrieb eines elektrischen Ventilantriebs zum Öffnen des Ventils in Reaktion auf das angepasste

Öffnungssignal (27).

c) Berechnen eines Ansteuerungssignals (11) zur Ansteuerung des Ventilantriebs unter Verwendung des Vorsteuerungssignals (9) , und

d) Ausgabe des Ansteuerungssignals (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgenden Schritt:

b3) Empfangen eines elektrischen Stromsignals (10), welches einen elektrischen Strom durch den Ventilantrieb (6) repräsentiert, wobei in Schritt c) bei der Berechnung des Ansteuerungssignals (11) zusätzlich das in Schritt b3) empfangene Stromsignal verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vorsteuerungssignals (9) mit einem Ventilmodell (12) ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ventilmodell ein

Verzögerungsverhalten erster Ordnung des Ventils modelliert.

5. Verfahren nach einem Ansprüche 3 und 4, wobei eine Zeitkonstante des Ventilmodells (12) mit einer Zeitkonstante des Ventilantriebs (6) übereinstimmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in dem Ventilmodell (12) ein elektrischer Widerstand des Ventilantriebs geschätzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei in dem Ventilmodell (12) eine Induktivität des Ventilantriebs geschätzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) eine Vorsteuerung (17) und ein Regler (18) genutzt werden, um das Ansteuerungssignal (11) zu bestimmen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in der Vorsteuerung (17) ein inverses PTl-Element (22) angewendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in der Vorsteuerung (17) ein Zustandsvariablenfilter (23) angewendet wird.

11. Steuergerät (13) zur Ansteuerung eines Ventils (5) mit einem

elektrischen Ventilantrieb (6), welches zur Durchführung des

beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.

12. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren

beziehungsweise alle Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.