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DE102020000327B4 - Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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DE102020000327B4
DE102020000327B4 DE102020000327.3A DE102020000327A DE102020000327B4 DE 102020000327 B4 DE102020000327 B4 DE 102020000327B4 DE 102020000327 A DE102020000327 A DE 102020000327A DE 102020000327 B4 DE102020000327 B4 DE 102020000327B4
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Abstract

Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über ein Verbrennungsmodell (4) die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder bestimmt werden, bei dem das Verbrennungsmodell (4) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit eines Modellwerts (E[X]) adaptiert wird, wobei der Modellwert (E[X]) aus einem ersten Gauß-Prozessmodell (14) zur Darstellung eines Grundgitters und einem zweiten Gauß-Prozessmodell (15) zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten berechnet wird, bei dem von einem Optimierer (3) ein minimiertes Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts über eine Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte bestimmt wird und bei einem aufgefundenen minimierten Gütemaß die Einspritzsystem-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellwert (E[X]) hinsichtlich einer vorgegebenen Monotonie überwacht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Das Verhalten einer Brennkraftmaschine wird maßgeblich über ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Leistungswunsches bestimmt. Hierzu sind in der Software des Motorsteuergeräts entsprechende Kennlinien und Kennfelder appliziert. Über diese werden aus dem Leistungswunsch die Stellgrößen der Brennkraftmaschine berechnet, zum Beispiel der Spritzbeginn und ein erforderlicher Raildruck. Mit Daten bestückt werden diese Kennlinien/Kennfelder beim Hersteller der Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf. Die Vielzahl dieser Kennlinien/Kennfelder und die Wechselwirkung der Kennlinien/Kennfelder untereinander verursachen allerdings einen hohen Abstimmungsaufwand.
  • Aus der nicht vorveröffentlichen DE 10 2018 006 312 A1 1 ist ein Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einem Sollmoment über ein Verbrennungsmodell die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der von Einspritzsystem-Stellgliedern bestimmt werden. Das Verbrennungsmodell wird im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine adaptiert. Dabei wird ein erstes Gauß-Prozessmodell zur Darstellung eines Grundgitters und ein zweites Gauß-Prozessmodell zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten verwendet. Es werden Trendinformationen aus Messgrößen eines Einzylinder-Prüfstands erzeugt und eine Abweichung dieser Messgrößen zu dem ersten Gauß-Prozessmodell unter Einhaltung der Trendinformationen minimiert. Die Trendinformationen können im Sinne einer monotonen Funktion abgespeichert werden.
  • Aus der DE 10 2015 204 218 A1 eine Vorgehensweise bekannt, wie für ein Funktionsmodell zur Berechnung von Funktionen, das in einem Steuergerät zur Steuerung eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird, ein geeigneter Eingangsdatenpunkt ermittelt wird. Das Funktionsmodell kann dabei ein Gauß-Prozessmodell sein.
  • Aus der DE 10 2015 203 210 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, mit denen Reglerparameter für einen Regler erzeugt werden, dessen Reglerparameter in Abhängigkeit von Größen einer Regelstrecke variieren. Es wird ein Gauß-Prozessmodell dazu verwendet, die Reglerparameter in Abhängigkeit von den Größen einer Regelstrecke zu bestimmen.
  • In der Praxis wird versucht den Abstimmungsaufwand durch die Verwendung von mathematischen Modellen zu reduzieren. So beschreibt zum Beispiel die DE 10 2018 001 727 A1 ein modellbasiertes Verfahren, bei dem in Abhängigkeit eines Soll-Moments über ein Verbrennungsmodell die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und über ein Gaspfadmodell die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder berechnet werden. Aus den Einspritzsystem- und den Gaspfad-Sollwerten berechnet dann ein Optimierer ein Gütemaß und verändert die Sollwerte mit dem Ziel einer Minimumfindung innerhalb eines Prädiktionshorizonts. Bei aufgefundenem Minimum setzt dann der Optimierer die Einspritzsystem- und Gaspfad-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine. Ergänzend ist aus dieser Fundstelle bekannt, dass das Verbrennungsmodell im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines Modellwerts adaptiert wird, wobei der Modellwert wiederum über ein erstes Gauß-Prozessmodell zur Darstellung eines Grundgitters und über ein zweites Gauß-Prozessmodell zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten berechnet wird. Bei Prüfstandsversuchen hat es sich nun gezeigt, dass die Adaption in ungünstigen Betriebssituationen lokale Minima für die Optimierung verursachen kann. Das Ergebnis der Optimierung entspricht dann nicht dem globalen Optimum für den Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das zuvor beschriebene Verfahren hinsichtlich einer besseren Güte weiterzuentwickeln.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, bei dem der Modellwert hinsichtlich einer vorgegebenen Monotonie überwacht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Ergänzung zu der aus der DE 10 2018 001 727 A1 bekannten Vorgehensweise. Berechnet wird der Modellwert aus dem ersten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung des Grundgitters und dem zweiten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten. Definiert ist Monotonie im Sinne eines ansteigenden Trends mit positivem Soll-Gradienten für den Modellwert oder im Sinne eines abfallenden Trends mit negativem Soll-Gradienten für den Modellwert. Überwacht wird die Monotonie indem der Gradient des Modellwerts im Betriebspunkt ausgewertet wird. Bei festgestellter Monotonieabweichung wird die Monotonie korrigiert indem Datenpunkte des zweiten Gauß-Prozessmodells zum Erreichen der Monotonie geglättet werden. Mit anderen Worten: Die im zweiten Gauß-Prozessmodell abspeicherten Datenpunkte werden durch die Glättung soweit verschoben bis die Monotonie wieder der Vorgabe entspricht. Bei einer Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells über das zweite Gauß-Prozessmodell werden die Monotonieeigenschaften des ersten GaußProzessmodells unverändert gelassen.
  • Durch die Überwachung der Monotonie wird der Einfluss von zum Beispiel Messfehlern, also nicht korrekten Datenwerten, erheblich reduziert. Sichergestellt ist dadurch, dass das Verbrennungsmodell sich physikalisch korrekt und gutmütig verhält. Da der Optimierer auf das Verbrennungsmodell zurückgreift, sind hinreichend genau Einspritzsystem-Sollwerte und ein globales Optimum gewährleistet. Zudem bleibt die Extrapolationsfähigkeit des Verbrennungsmodells unverändert erhalten.
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
    • 1 ein Systemschaubild,
    • 2 ein Blockschaltbild,
    • 3 ein Diagramm,
    • 4 eine Tabelle,
    • 5 ein Diagramm zum Modellverhalten,
    • 6 ein Blockschaltbild und
    • 7 einen Programm-Ablaufplan.
  • Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer modellbasierten, elektronisch gesteuerten Brennkraftmaschine 1, zum Beispiel eines Dieselmotors mit einem Common-Railsystem. Der Aufbau der Brennkraftmaschine und die Funktion des Common-Railsystems sind beispielsweise aus der DE 10 2018 001 727 A1 bekannt. Die Eingangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 2 sind mit den Bezugszeichen EIN und MESS dargestellt. Unter dem Bezugszeichen EIN sind beispielsweise der Leistungswunsch des Bedieners, die Bibliotheken zur Festlegung der Emissionsklasse MARPOL (Marine Pollution) der IMO oder der Emissionsklasse EU IV / Tier 4 final, und die maximale mechanische Bauteilbelastung zusammengefasst. Typischerweise wird der Leistungswunsch als Soll-Moment, als Soll-Drehzahl oder als eine Fahrpedalstellung vorgegeben. Die Eingangsgröße MESS kennzeichnet sowohl die unmittelbar gemessenen physikalischen Größen als auch die daraus berechneten Hilfsgrößen. Die Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 2 sind die Sollwerte für die unterlagerten Regelkreise und der Spritzbeginn SB sowie das Spritzende SE.
  • Innerhalb des elektronischen Steuergeräts 2 sind ein Verbrennungsmodell 4, eine Adaption 6, eine Glättung 7, ein Gaspfadmodell 5 und ein Optimierer 3 angeordnet. Sowohl das Verbrennungsmodell 4 als auch das Gaspfadmodell 5 bilden das Systemverhalten der Brennkraftmaschine 1 als mathematische Gleichungen ab. Das Verbrennungsmodell 4 bildet statisch die Vorgänge bei der Verbrennung ab. Im Unterschied hierzu bildet das Gaspfadmodell 5 das dynamische Verhalten der Luftführung und der Abgasführung ab. Das Verbrennungsmodell 4 beinhaltet Einzelmodelle zum Beispiel für die NOx- und Rußentstehung, für die Abgastemperatur, für den Abgasmassenstrom und für den Spitzendruck. Diese Einzelmodelle wiederum werden in Abhängigkeit der Randbedingungen im Zylinder und den Parametern der Einspritzung festgelegt. Bestimmt wird das Verbrennungsmodell 4 bei einer Referenz-Brennkraftmaschine in einem Prüfstandslauf, dem sogenannte DoE-Prüfstandslauf (DoE: Design of Experiments). Beim DoE-Prüfstandslauf werden systematisch Betriebsparameter und Stellgröße mit dem Ziel variiert, das Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von motorischen Größen und Umweltrandbedingungen abzubilden. Ergänzt wird das Verbrennungsmodell 4 um die Adaption 6 und die Glättung 7. Ziel der Adaption ist es, das Verbrennungsmodell an das reale Verhalten des Motorsystems anzupassen. Die Glättung 7 wiederum dient zur Überwachung und Einhaltung der Monotonie.
  • Nach Aktivierung der Brennkraftmaschine 1 liest der Optimierer 3 zunächst beispielsweise die Emissionsklasse, die maximalen mechanischen Bauteilbelastungen und das Soll-Moment als Leistungswunsch ein. Anschließend wertet der Optimierer 3 das Verbrennungsmodell 4 aus und zwar hinsichtlich des Sollmoments, der Emissionsgrenzwerte, der Umweltrandbedingungen, zum Beispiel der Feuchte phi der Ladeluft, der Betriebssituation der Brennkraftmaschine und der Adaptionsdatenpunkte. Definiert wird die Betriebssituation insbesondere durch die Motordrehzahl, die Ladelufttemperatur und den Ladeluftdruck. Die Funktion des Optimierers 3 besteht nun darin, die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder und die Gaspfad-Sollwerte zur Ansteuerung der Gaspfad-Stellglieder zu bewerten. Hierbei wählt der Optimierer 3 diejenige Lösung aus, bei der ein Gütemaß minimiert wird. Berechnet wird das Gütemaß J als Integral der quadratischen Soll-Istabweichungen innerhalb des Prädiktionshorizonts. Beispielsweise in der Form: J = ∫ [ w 1 ( NOx ( SOLL ) − NOx ( IST ) ] 2 + [ w 2 ( M ( SOLL ) − M ( IST ) ] 2 + [ w 3 ( … ) ] + …
    Figure DE102020000327B4_0001
  • Hierin bedeuten w1, w2 und w3 entsprechende Gewichtungsfaktoren. Bekanntermaßen ergeben sich die Stickoxidemission NOx aus der Feuchte der Ladeluft, der Ladelufttemperatur, dem Spritzbeginn SB und dem Raildruck. In die tatsächlichen Istwerte, zum Beispiel dem NOx-lstwert oder dem Abgastemperatur-Istwert, greift die Adaption 9 ein. Eine ausführliche Beschreibung des Gütemaßes und der Abbruchkriterien können der DE 10 2018 001 727 A1 entnommen werden.
  • Minimiert wird das Gütemaß, indem vom Optimierer 3 zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Gütemaß berechnet wird, anschließend die Einspritzsystem-Sollwerte sowie die Gaspfad-Sollwerte variiert werden und anhand dieser ein zweites Gütemaß innerhalb des Prädiktionshorizonts prognostiziert wird. Anhand der Abweichung der beiden Gütemaße zueinander legt dann der Optimierer 3 ein minimales Gütemaß fest und setzt dieses als maßgeblich für die Brennkraftmaschine. Für das in der Figur dargestellte Beispiel sind dies für das Einspritzsystem der Soll-Raildruck pCR(SL), der Spritzbeginn SB und das Spritzende SE. Der Soll-Raildruck pCR(SL) ist die Führungsgröße für den unterlagerten Raildruck-Regelkreis 8. Die Stellgröße des Raildruck-Regelkreises 8 entspricht dem PWM-Signal zu Beaufschlagung der Saugdrossel. Mit dem Spritzbeginn SB und dem Spritzende SE wird der Injektor unmittelbar beaufschlagt. Für den Gaspfad bestimmt der Optimierer 3 mittelbar die Gaspfad-Sollwerte. Bei dem dargestellten Beispiel sind dies ein Lambda-Sollwert LAM(SL) und ein AGR-Sollwert AGR(SL) zur Vorgabe für den unterlagerten Lambda-Regelkreis 9 und den unterlagerten AGR-Regelkreis 10. Bei Verwendung einer variablen Ventilsteuerung werden die Gaspfad-Sollwerte entsprechend angepasst. Die Stellgrößen der beiden Regelkreise 9 und 10 entsprechen dem Signal TBP zur Ansteuerung des Turbinen-Bypasses, dem Signal AGR zur Ansteuerung des AGR-Stellglieds und dem Signal DK zur Ansteuerung der Drosselklappe. Die rückgeführten Messgrößen MESS werden vom elektronischen Steuergerät 2 eingelesen. Unter den Messgrößen MESS sind sowohl unmittelbar gemessene physikalische Größen als auch daraus berechnete Hilfsgrößen zu verstehen. Bei dem dargestellten Beispiel werden der Lambda-Istwert und der AGR-Istwert eingelesen.
  • Die 2 zeigt in einem Blockschaltbild das Zusammenwirken der beiden Gauß-Prozessmodelle zur Adaption des Verbrennungsmodells und zur Festlegung des Modellwerts E[X], Gauß-Prozessmodelle sind dem Fachmann bekannt, zum Beispiel aus der DE 10 2014 225 039 A1 oder der DE 10 2013 220 432 A1 . Ganz allgemein wird ein Gaußprozess definiert durch eine Mittelwertfunktion und eine Kovarianzfunktion. Die Mittelwertfunktion wird häufig zu Null angenommen oder ein linearer/polynomieller Verlauf eingeführt. Die Kovarianzfunktion gibt den Zusammenhang beliebiger Punkte an. Ein erster Funktionsblock 11 beinhaltet die DoE-Daten (DoE: Design of Experiments) des Vollmotors. Ermittelt werden diese Daten für eine Referenz-Brennkraftmaschine bei einem Prüfstandslauf, indem im stationär fahrbaren Bereich der Brennkraftmaschine alle Variationen der Eingangsgrößen über deren gesamten Stellbereich ermittelt werden. Diese Daten kennzeichnen mit hoher Genauigkeit das Verhalten der Brennkraftmaschine im stationär fahrbaren Bereich. Ein zweiter Funktionsblock 12 beinhaltet Daten, welche an einem Einzylinderprüfstand gewonnen werden. Beim Einzylinderprüfstand lassen sich diejenigen Betriebsbereiche einstellen, zum Beispiel große geodätische Höhe oder extreme Temperaturen, die bei einem DoE-Prüfstandslauf nicht abgeprüft werden können. Diese wenigen Messdaten dienen als Grundlage für die Parametrierung eines physikalischen Modells, welches das globale Verhalten der Verbrennung grob richtig wiedergibt. Das physikalische Modell stellt das Verhalten der Brennkraftmaschine in extremen Randbedingungen grob dar. Über Extrapolation wird das physikalische Modell vervollständigt, sodass ein normaler Betriebsbereich grob richtig beschrieben wird. In der 2 ist das extrapolationsfähige Modell mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Aus diesem wiederum wird das erste Gauß-Prozessmodell 14 (GP1) zur Darstellung eines Grundgitters erzeugt.
  • Die Zusammenführung der beiden Mengen von Datenpunkten bildet das zweite Gauß-Prozessmodell (GP2) 15. Damit werden Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, welche durch die DoE-Daten beschrieben sind, auch durch diese Werte festgelegt und werden Betriebsbereiche, für die keine DoE-Daten vorliegen, durch Daten des physikalischen Modells wiedergegeben. Da das zweite Gauß-Prozessmodell 15 im laufenden Betrieb adaptiert wird, dient es zur Darstellung der Adaptionspunkte. Ganz allgemein gilt also für den Modellwert E[X], siehe Bezugszeichen 16: E [ X ] = GP 1 + GP 2
    Figure DE102020000327B4_0002
  • Hierbei entsprechen GP1 dem ersten Gauß-Prozellmodell zur Darstellung des Grundgitters, GP2 dem zweiten Gauß-Prozessmodell zur Darstellung der Adaptionsdatenpunkte und der Modellwert E[X] der Eingangsgröße sowohl für die Glättung als auch für den Optimierer, zum Beispiel einem NOx-lstwert oder einem Abgastemperatur-Istwert. Durch den Doppelpfeil in der Figur sind zwei Informationswege dargestellt. Der erste Informationsweg kennzeichnet die Datenbereitstellung des Grundgitters vom ersten Gauß-Prozessmodell 14 an den Modellwert 16. Der zweite Informationsweg kennzeichnet die Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells 14 über das zweite Gauß-Prozessmodell 15.
  • In der 3 ist in einem Diagramm das erste Gauß-Prozessmodell für den Einzelspeicherdruck pES, welcher auf Maximaldruck pMAX normiert ist, dargestellt. Auf der Ordinate ist der gemessene NOx-Wert aufgetragen. Innerhalb des Diagramms sind die am Vollmotor ermittelten DoE-Datenwerte mit einem Kreuz gekennzeichnet. Die Datenpunkte aus dem ersten Gauß-Prozessmodell sind als Kreis dargestellt. Erzeugt werden diese Datenpunkte, indem aus den Daten des Einzylinderprüfstands der Trend bestimmt wird und die DoE-Daten gut abgebildet werden. Beispielsweise sind dies die drei Datenwerte der Punkte A, B und C. In einem ersten Schritt wird die Lage der Datenwerte, also die Trendinformation, zueinander ermittelt. Da sich aus dem Datenwert des Punkts B ein höherer NOx-Istwert als am Punkt A ergibt, ist die Funktion in diesem Bereich monoton. Für den Datenwert am Punkt C gilt dies in analoger Betrachtungsweise, das heißt, der NOx-Istwert am Punkt C ist höher als am Punkt B. Für die Datenwerte A bis C ergibt sich daher als Trendinformation: monoton und linear ansteigend. In einem zweiten Schritt wird dann die Abweichung (Modellfehler) dieser Datenwerte zu den DoE-Daten minimiert. Mit anderen Worten: Es wird eine mathematische Funktion bestimmt, welche bestmöglich die DoE-Datenwerte unter Berücksichtigung der Trendinformation abbildet. Für die Datenwerte A, B und C ist dies die monotone, lineare und ansteigende Funktion F1. Eine Funktion F2 ist durch die Datenwerte A, D und E nur als monoton gekennzeichnet. Eine Funktion F3 ist durch die Datenwerte A, F und G abgebildet. Mit Blick auf die 4 verhalten sich die exemplarisch dargestellten Messgrößen Einzelspeicherdruck pES, Kraftstoffmasse mKrSt, Spritzbeginn SB, Raildruck pCR und Ladelufttemperatur TLL entsprechend der Funktion F1, das heißt, monoton und linear ansteigend. Die Messgröße Motordrehzahl nIST verhält sich entsprechend der Funktion F3, also unbeschränkt. Unbeschränkt bedeutet, dass zu dieser Messgröße keine Trendinformation vorliegt. Der Ladeluftdruck pLL verhält sich monoton fallend. Wie aus der 3 ebenfalls ableitbar ist, können Zwischenwerte, beispielsweise der Datenwert H, extrapoliert werden. Das Modell ist also extrapolationsfähig (2: 13). Die Bestimmung des ersten Gauß-Prozessmodells erfolgt automatisiert, das heißt, Expertenwissen ist nicht erforderlich. Die automatisierte Extrapolationsfähigkeit des Modells wiederum garantiert ein hohes Maß an Robustheit, da in unbekannten Bereichen das Modell anhand der Trendinformationen keine Extrema oder sprungförmigen Reaktionen zulässt.
  • Die 5 zeigt ein Diagramm zum Verhalten des Verbrennungsmodells. In der Zeichnung ist auf der Abszisse eine erste Größe X dargestellt, beispielsweise der Einzelspeicherdruck (4: pES). Auf der Ordinate ist eine zweite Größe Y dargestellt, beispielsweise der NOx-Wert. Mit dem Bezugszeichen 17 ist als strichpunktierte Linie der Verlauf des ersten Gauß-Prozessmodells GP1, also des Grundgitters, in Abhängigkeit der ersten Größe X und der zweiten Größe Y dargestellt. Die strichlierte Linie 18 kennzeichnet den Verlauf des Modellwerts E[X] im Ausgangszustand, das heißt, ohne Glättung. Berechnet wird der Modellwert E[X] aus der Summe von erstem und zweitem Gauß-Prozessmodell. Die durchgezogene Linie 19 kennzeichnet einen geglätteten Verlauf des Modellwerts E[X]. Als ordinatenparallele Linie 20 ist ein Arbeitspunkt, Abszissenwert AP, der Größe X eingezeichnet.
  • Der weiteren Erläuterung zur 5 ist eine Monotonie mit einem positiv ansteigenden Trend und einem positiven Soll-Gradienten im ersten Gauß-Prozessmodell zugrunde gelegt. Ergänzend ist für das Modellverhalten festgelegt, dass die Monotonieeigenschaft des ersten Gauß-Prozessmodells durch das zweite Gauß-Prozessmodell nicht verändert werden darf und die Monotonieeigenschaften am aktuellen Arbeitspunkt, also dem Betriebspunkt, garantiert werden. Nachdem der aktuelle Arbeitspunkt AP erfasste wurde, wird der zum Arbeitspunkt korrespondierende Modellwert E[X], hier: E(AP), berechnet. Danach wird der Modellverlauf E[X] im Arbeitspunkt E(AP) ausgewertet. Im Arbeitspunkt AP zeigt der Modellwertverlauf 18 einen fallenden Trend mit negativem Ist-Gradienten. Verursacht wird dieses Verhalten durch ein lokales Maximum des Modells, was wiederum ein lokales Minimum bei der Berechnung des Gütemaßes bewirkt. In Konsequenz berechnet dann der Optimierer anhand des Modellwerts nicht passende Stellgrößen für die unterlagerten Regelkreise. Mit anderen Worten: der Modellwert E[X], welcher aus dem ersten und zweiten Gauß-Prozessmodell berechnet wird, widerspricht der geforderten Monotonieeigenschaft, sodass der Optimierer nicht den optimalen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einstellt.
  • Das Verfahren nach der Erfindung sieht nun vor, dass die Monotonie des Modellwerts überwacht wird und bei einer festgestellten Verletzung der Monotonie das Verbrennungsmodell geglättet wird. Konkret erfolgt dies über die Veränderung der Adaptionsdatenwerte des zweiten Gaußprozessmodells. Wie in der Figur dargestellt, wird daher ein gespeicherter Datenpunkt YD mit den Koordinaten (xD/yD) in Richtung des Grundgitters (Linie 17) verändert. Der Abszissenwert bleibt bei diesem Beispiel konstant. Die Veränderung gegenüber dem ursprünglichen Datenpunkt YD wird möglichst klein ausgeführt. Dies kann als Minimierung der quadratischen Abweichung der geglätteten Datenpunkte in folgender Form beschrieben werden: min YG ∑ ( YD ( i ) − YG ( i ) ) 2 unter Ber u ¨ cksichtigung der Monotonieeigenschaft
    Figure DE102020000327B4_0003
  • Hierin bezeichnet YD den gespeicherten Datenpunkt, i eine Laufvariable und YG den geglätteten Datenpunkt an der Stelle xD. Über die Beziehung (3) wird also der gespeicherte Datenpunkt YD und damit die Modellwertkurve 18 zur Erreichung der vorgegebenen Monotonieeigenschaft in Richtung des Verlaufs 17 des ersten GaußProzessmodells verändert. Zur Sicherstellung, dass die Prädiktion vor der Glättung und nach der Glättung identisch ist, wird ein Offset genutzt. Siehe hierzu die Figur.
  • Die 6 zeigt das Verfahren nochmals in einem Blockschaltbild. Die Eingangsgröße ist hier die Größe MESS, welche den aktuellen Betriebspunkt kennzeichnet. Die Ausgangsgröße entspricht den Stellgrößen SG für die unterlagerten Regelkreise. Im Funktionsblock Adaption 6 wird aus der Größe MESS und den bereits gespeicherten Datenpunkten der Modellwert E[X] berechnet. Bestimmt wird dieser über das erste Gauß-Prozessmodell zur Darstellung des Grundgitters und über das zweite Gauß-Prozessmodell zur Berechnung von Adaptionsdatenwerten. In Übereinstimmung mit der 5 wird bei dieser Darstellung von der Adaption 6 an die Glättung 7 eine Menge von Datenwerten yD, eine Menge von Abszissenwerten xD und eine inverse Kovarianzmatrix inv(KD) weitergegeben. Über die Glättung 7 wird die vorgegebene Monotonie anhand des Soll-Gradient im Arbeitspunkt überwacht und bei festgestellter Verletzung der Monotonie das Verbrennungsmodell geglättet. Von der Glättung 7 werden dann an das Verbrennungsmodell 4 und damit an den Optimierer 3 die geglätteten Werte yG, die geglätteten Werte xG, die zugehörige inverse Kovarianzmatrix inv(KG) sowie der entsprechende Offset weitergegeben.
  • In der 7 ist die Erfindung in einem Programm-Ablaufplan dargestellt. Der Programm-Ablaufplan ist eine Ergänzung zu dem aus der DE 10 2018 001 727 A1 bekannten Programm-Ablaufplan. Bei S1 werden die Messwerte MESS eingelesen und bei S2 ein Modellwert E[X] über das erste und zweite Gauß-Prozessmodell berechnet, hier: der Modellwert E(AP) im Arbeitspunkt. Anschließend wird bei S3 der Ist-Gradient am Arbeitspunkt bestimmt. Bei S4 wiederum wird die Monotonie anhand des Vergleichs des Soll- mit dem Ist-Gradient geprüft. Bei Vorzeichengleichheit wird zum Punkt A zurückverzweigt. Wurde bei S4 eine Verletzung der Monotonie erkannt, so wird bei S5 der gespeicherte Datenpunkt YD über die Beziehung (3) mit dem Ziel einer Vorzeichengleichheit des Gradienten und unter Einhaltung der Monotonie zum geglätteten Datenpunkt YG verändert. Bei S6 wird dann der Offset berechnet und hiermit anschließend bei S7 ein geglättetes Verbrennungsmodell erzeugt. Das geglättete Verbrennungsmodell wiederum ist eine Eingangsgröße des Optimierers, das heißt, es wird in das Hauptprogramm zurückgekehrt.
  • Bezugszeichen
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Elektronisches Steuergerät
    3
    Optimierer
    4
    Verbrennungsmodell
    5
    Gaspfadmodell
    6
    Adaption
    7
    Glättung
    8
    Raildruck-Regelkreis
    9
    Lambda-Regelkreis
    10
    AGR-Regelkreis
    11
    Erster Funktionsblock (DoE-Daten)
    12
    Zweiter Funktionsblock (Daten Einzylinder)
    13
    Modell, extrapolationsfähig
    14
    Erstes Gauß-Prozessmodell (GP1)
    15
    Zweites Gauß-Prozessmodell (GP2)
    16
    Modellwert
    17
    Verlauf GP1
    18
    Verlauf Modellwert, Ausgangszustand
    19
    Verlauf Modellwert, geglättet
    20
    Linie

Claims (7)

  1. Verfahren zur modellbasierten Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem in Abhängigkeit eines Sollmoments über ein Verbrennungsmodell (4) die Einspritzsystem-Sollwerte zur Ansteuerung der Einspritzsystem-Stellglieder bestimmt werden, bei dem das Verbrennungsmodell (4) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit eines Modellwerts (E[X]) adaptiert wird, wobei der Modellwert (E[X]) aus einem ersten Gauß-Prozessmodell (14) zur Darstellung eines Grundgitters und einem zweiten Gauß-Prozessmodell (15) zur Darstellung von Adaptionsdatenpunkten berechnet wird, bei dem von einem Optimierer (3) ein minimiertes Gütemaß innerhalb eines Prädiktionshorizonts über eine Veränderung der Einspritzsystem-Sollwerte bestimmt wird und bei einem aufgefundenen minimierten Gütemaß die Einspritzsystem-Sollwerte als maßgeblich zur Einstellung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine (1) gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellwert (E[X]) hinsichtlich einer vorgegebenen Monotonie überwacht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Monotonie im Sinne eines ansteigenden Trends mit positivem Soll-Gradienten für den Modellwert (E[X]) vorgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Monotonie im Sinne eines abfallenden Trends mit negativem Soll-Gradienten für den Modellwert (E[X]) vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Monotonie der Gradient des Modellwerts (E[X]) im Betriebspunkt ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestellter Monotonieabweichung die Monotonie korrigiert wird, indem Datenpunkte des zweiten Gauß-Prozessmodells (15) zum Erreichen der vorgegebenen Monotonie geglättet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend zur Monotonie die lineare Abhängigkeit von Eingangsgrößen des Verbrennungsmodells (4) zum Modellwert (E[X]) überwacht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Rückanpassung des ersten Gauß-Prozessmodells (14) über das zweite Gauß-Prozessmodell (15) die Monotonieeigenschaften des ersten Gauß-Prozessmodells (14) unverändert gelassen werden.
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