Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Regeln eines reibungsbehafteten Stellsystems nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus dem Fachbuch "Einführung in die Regelungstechnik", Kapitel: Zeitoptimaler Regler, Leonhard ist die Struktur eines subzeitopti- malen Kaskadenreglers bekannt. Dessen Lageregler besitzt als nicht¬ lineares Verstarkungsglied eine vom zeitoptimalen Regler abgeleitete Wurzelkurve mit einem für kleine Regelabweichungen linearen Bereich zur Vermeidung von Grenzzyklen. Die durch die erforderliche Klein- signaldyna ik bedingte hohe Verstärkung bewirkt, zusammen mit dem Sensor- und dem Analog/Digital-Wandlerrauschen, im eingeschwungenen Zustand eine unzulässig hohe Systembelastung und Geräuschentwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines reibungsbehafteten Stellsystems anzugeben, das in Verbindung mit einem zeitoptimierten Großsignalverhalten und einem guten Klein- und Störsignalverhalten zu einer geringen Systembelastung, insbesondere zu einer geringen Lageunruhe in der Sollposition führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gleichermaßen für rotatorische als auch für translatorische Stellsysteme geeignet. Durch eine bei kleinen Regelabweichungen auf die Reibung abgestimmte nichtlineare Kennlinie des Lagereglers werden die Syste belastung und die Ge¬ räuschentwicklung wesentlich abgesenkt. Die nichtlineare Kennlinie des Lagereglers wird derart festgelegt, daß der Wert der dem Stellsystem zugeführten Größe bei einer außerhalb eines vorgebbaren Zielgebietes liegenden Regelabweichung eine Kraft oder ein Dreh¬ moment zur Folge hat, die/das zum Losreißen des Stellsystems aus der Haftung oder dem Haftmoment ausreicht, wobei die Bewegungsenergie des Stellsystems im Zielgebiet vernichtet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Implementierung auf einem Computer geeignet, da nur eine nichtlineare Kennlinie vor¬ gegeben ist, die beispielsweise in Tabellenform abgelegt sein kann oder als funktionaler Zusammenhang darstellbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens ergeben sich aus Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist die Vorgabe einer geringeren Steigung in diesem, dem Kleinsignalbetrieb entspechenden Gebiet im Vergleich zum anschließenden Großsignalgebiet. Diese Maßnahme ermöglicht ein rechtzeitiges Abbremsen des Stellsystems beim Übergang vom Gro߬ signal- zum Kleinsignalbetrieb.

Vorteilhaft ist weiterhin die zusätzliche Verwendung eines Integral¬ anteils im Lageregler. In Verbindung mit der Maßnahme, daß die nichtlineare Kennlinie innerhalb des Zielgebietes eine von Null ab¬ weichende Steigung aufweist, sorgt der Integralanteil für eine er¬ höhte stationäre Genauigkeit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht die Veränderung des Integral¬ anteils in Abhängigkeit von der Regelabweichung vor, wobei vorzugs¬ weise eine Reduzierung des Integralanteils zu Null außerhalb einer vorgebbaren Regelabweichung vorgesehen ist. Mit dieser Maßnahme ist eine Optimierung sowohl des Großsignal- als auch des •Kleinsignalver- haltens möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Regeln jedes reibungsbehafteten Stellsystems. Die Verstellung der Regelstange einer Dieselkraftstoff-Einspritzpumpe und die Verstellung eines Kraftfahrzeug-Fahrwerks sind hier nur beispielhaft genannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Beschreibung in Ver¬ bindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Figur 1 zeigt ein Strukturbild eines Regelsystems mit einem reibungsbehafteten Stellsystem, Figur 2 zeigt eine nichtlineare Kennlinie eines Lagereglers und Figur 3 zeigt einen funktionalen Zusammenhang zwischen einem Integralanteil und einer Regelabweichung.

Das in Figur 1 gezeigte Regelsystem regelt die Ausgangsgröße Xi, die dem Lage-Istwert eines reibungsbehafteten Stellsystems 10 ent¬ spricht, in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Lage-Sollwert Xs. Ein Differenzbildner 11 ermittelt aus dem Lage-Sollwert Xs und dem Lage-Istwert Xi eine Regelabweichung Δ x, die einem Lageregler 12 zugeführt wird. Der Lageregler 12 enthält ein Teil 13 mit einer nichtlinearen Kennlinie sowie ein Teil 14 mit einem Integralanteil. Die Ausgänge der Teile 13 und 14 werden in einem Summierer 15 addiert und anschließend als Eingangsgröße Ns, Vs dem Stellsystem 10 zugeführt.

Figur 2 zeigt eine nichtlineare Kennlinie 20, die im Teil 13 von Figur 1 enthalten ist. Die nichtlineare Kennlinie 20 stellt einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Regelabweichung A x und der Eingangsgröße Ns, Vs des reibungsbehafteten Stellsystems 10 her. Die Kennlinie 20 ist wenigstens aus drei Abschnitten zusammengesetzt. Kleine Regelabweichungen Δ x liegen innerhalb des Zielgebietes 21 [ΔXf (X1| . Im Zielgebiet 21 liegt der Wert der Größe Ns, Vs unterhalb des Wertes 22, der dem Reibmoment oder der Reibkraft des reibungsbehafteten Stellsystems 10 entspricht. Diese Grenze ist in Figur 2 strichliniert eingezeichnet. An das Zielgebiet 21 schließt sich ein zweites Gebiet I Η _ΔX|£| 2Jan. Die Werte der Größe Ns, Vs liegen oberhalb der Grenze 22 des Reibmoments oder der Reibkraft. Die Kennlinie weist in diesem Gebiet eine kleinere Steigung auf als in einem dritten Gebiet 24, das sich in Richtung größere Regelab¬ weichungen /ΔX[ ^ ( _L 1 anschließt. Der Bereich|_Δ |.£ I ^ 21 kann als Kleinsignalgebiet und der Bereich IΔx I > 1x2 | kann als Großsignalbereich bezeichnet werden. Sofern der Regler 12 als Software in einem Computer realisiert ist, treten an die Stelle der kontinuierlichen Kennlinie 20 diskrete Werte 25.

Figur 3 zeigt einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Regelab¬ weichung Δ x und einem Integrationsbeiwert KI des Integralanteils, der im Teil 14 des Reglers 12 von Figur 1 enthalten ist. Der Integrationsbeiwert KI entspricht dem Kehrwert der Zeitkonstanten TI eines Integrierers. Der Integrationsbeiwert KI hängt von der Regel¬ abweichungΔ x ab. Unterhalb einer vorgebbaren Grenze |Δ ι — I X-> | steigt KI auf einen bestimmten Wert an und geht bei einer Regelab¬ weichung \ 1 > ^" l X 3 Igegen Null.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert:

Das in Figur 1 gezeigte Regelsystem enthält das reibungsbehaftete

Stellsystem 10, das hier nicht näher beschrieben wird.

Die Regelgröße Xi ist eine Lage, die bei Regelabweichungen x in kürzestmöglicher Zeit dem neuen Sollwert Xs angeglichen werden soll. Es kann sich sowohl um rotatorische als auch um translatorische Stellsysteme handeln. Die Eingangsgröße eines rotatorischen Systems 10 ist beispielsweise die Vorgabe einer bestimmten Stell-Drehzahl Ns, die Eingangsgröße eines translatorischen Systems 10 beispiels¬ weise die Vorgabe einer Stell-Geschwindigkeit Vs. Nicht näher be¬ schriebene unterlagerte Regelkreise bei rotatorischen Systemen sind beispielsweise Differenzdrehzahl- und Stromregler für den Antriebs¬ motor.

Gemäß Figur 2 wird in Abhängigkeit von der Regelabweichung Δ. x der Wert für der Größe Ns, Vs anhand der vorgegebenen nichtlinearen Kennlinie 20 ermittelt. Erfindungswesentlich ist die Festlegung der nichtlinearen Kennlinie 20 derart, daß der Betrag der Größe Ns, Vs bei einer außerhalb des vorgebbaren Zielgebietes 21 liegenden Regel¬ abweichung Δ x ein Drehmoment oder eine Kraft ergibt, das die zum Losreißen des Stellsystems 10 aus dem Haftmoment oder der Haftung ausreicht und daß die Bewegungsenergie des Stellsystems 10 im Ziel¬ gebiet 2 ^' 1 vernichtet werden kann. Hierzu ist lediglich die Kenntnis des Reibmoments oder der Reibungskraft des Stellsystems 10 erforder¬ lich, das/die beispielsweise experimentell ermittelbar ist. In Figur 2 ist dieser Wert 22 strichliniert eingezeichnet. Die Werte für Ns, Vs innerhalb des Zielgebietes 21 liegen unterhalb des Wertes 22. Sofern kein Integralanteil im Lageregler 12 vorgesehen ist, weist die Kennlinie 20 im Zielgebiet 21 keine Steigung auf. Mit dieser Maßnahme kommt das Regelsystem innerhalb des Zielgebietes 21 voll¬ ständig zur Ruhe und es wird keine Energie verbraucht.

Im zweiten und dritten Gebiet 23, 24 ist der Wert der Größe Ns, Vs derart bemessen, daß die Bewegungsenergie des Stellsystems innerhalb des Zielgebietes 21 vernichtet

werden kann. Die nichtlineare Kennlinie 20 kann im zweiten Gebiet 23 die Steigung Null oder einen vorgebbaren Wert aufweisen. Vorzugs¬ weise ist die Steigung im zweiten Gebiet 23 stets geringer als die Steigung im dritten Gebiet 24. Mit dieser Maßnahme wird ein Bremsbe¬ reich für das Stellsystem 10 geschaffen, der für ein rechtzeitiges Abbremsen sorgt, falls das System 10 vom dritten Gebiet 24, das dem Großsignalbetrieb entspricht, zu kleineren Regelabweichungen Δ x hin strebt. Ohne die vorzeitige Absenkung der Steigung des dritten Gebietes 24 im zweiten Gebiet 23 bestünde die Gefahr des Über¬ schwingens.

Die statische, nichtlineare Kennlinie 20 des Lagereglers 12 kann vorteilhafterweise durch das Teil 14 von Figur 1 ergänzt werden, das einen Integralanteil enthält. Der Integralanteil erhöht die stationäre Genauigkeit. Besonders vorteilhaft ist die Maßnahme, den Integralanteil in Abhängigkeit von der Regelabweichung Δ x vorzu¬ geben. Der Zusammenhang zwischen der Regelabweichung Δ x und dem Beiwert KI des Integralanteils ist in Figur 3 gezeigt. Der Beiwert KI ist der Kehrwert der Zeitkonstante TI eines Integrieres. Die Kennlinie wird vorzugsweise derart festgelegt, daß der Maximalwert von KI bei der Regelabweichtung Δ x = Null auftritt und oberhalb eines vorgebbaren WertsJx3| der Regelabweichung Δ gegen Null geht. Der Grenzwert|x3| liegt beispielsweise im Kleinsignalbe¬ reich |Δ x I . I X2 I . Eine erste mögliche Lage des Werts [x3| ist in Figur 2 beispielhaft angegeben. Der Wert|x3[kann aber auch zu Beginn des dritten Gebietes 24 liegen, das dem Gro߬ signalbetrieb entspricht. Der in diesem Bereich zu Null reduzierte Integralanteil verhindert ein unnötiges Aufintegrieren zu hohen Werten Ns, Vs bei großen Regelabweichungen Δ x.

Der Addierer 15, der nur erforderlich ist, falls das Teil 14 vor¬ gesehen ist, addiert die Ausgangswerte der Teile 13 und 14 und gibt die Werte für die Größe Ns, Vs als Eingangsgröße zum Stellsystem 10 ab.

Der gesamte Lageregler 12 enthält also lediglich zwei Kennlinien, eine Integration und eine Summation und beansprucht dadurch nur geringe Rechenzeit, sofern das Verfahren auf einem Computer implementiert ist. Falls auf den Integral-Anteil verzichtet wird, entfällt eine Kennlinie, die Integration und die Summation.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Regelung von sämt¬ lichen reibungsbehafteten Stellsystemen 10. Beispielhaft für solche Stellsysteme werden hier die Regelstange einer Dieselkraftstoff-Ein¬ spritzpumpe und die Regelung eines Kraftfahrzeug-Fahrwerks herausge¬ griffen.