DE10259851B4

DE10259851B4 - Verfahren zur Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes

Info

Publication number: DE10259851B4
Application number: DE10259851.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lange Thorsten
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: DE10259851A1

Abstract

Verfahren zur Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes, wobei das Kennfeld durch die jeweiligen Betriebsgrößen des Fahrzeuges in einem kartesischen Koordinatensystem aufgespannt wird und eine Steuerung der Betriebsparameter des Kraftfahrzeuges durch das Steuergerät anhand des Kennlinienfeldes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Verhalten der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen beschreibendes Kennlinienfeld in Form eines Gleichungssystems in Abhängigkeit von Koeffizienten erstellt wird wobei eine auf der Grundlage von physikalischen Überlegungen erstellte analytische Funktion y→ = f(a→ , x→ ) zur Beschreibung des Kennlinienfeldes genutzt wird, wobei als statistische Methode zur Adaption der Parameterschätzwerte die Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird und die Ermittlung der Schätzwerte ã0, ã1, bis ãn der Koeffizienten a0, a1, bis an mittels der Optimierung des Fehlermaßes Q nach der Funktionerfolgt, indem die partiellen Ableitungen von Q nach den Komponenten des Vektors a→ alle gleich Null gesetzt werden wobei die entstehenden linearen oder linearisierten Gleichungen so umgeformt werden, dass Summen von Funktionen der Messwerte (Messwertefunktionen) über alle Messungen eingehen, deren Glieder jeweils mit dem Wichtungsfaktor wi gewichtet sind, wobei aus den während des normalen Betriebes des Kraftfahrzeuges im Steuergerät momentan ermittelten und den im Steuergerät abgespeicherten Werten der älteren Messwertefunktionen oder deren Summen oder Mittelwerten, die die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und damit die Koeffizienten des Kennlinienfeldes charakterisieren, mittels der statistischen Methode der kleinsten Fehlerquadrate Schätzwerte für die Parameter oder Koeffizienten des Gleichungssystems ermittelt werden, wobei die im Rechnungsverlauf ermittelten verschiedenen Messwertfunktionssummen oder -mittelwerte in einem mehrdimensionalen Mittelwertfilter gespeichert und durch ständige Aktualisierung adaptiert werden, so dass die Gleichung vollständig bedatet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Es ist allgemein bekannt, dass die Steuerung der Betriebsabläufe von Verbrennungsmotoren mittels elektronischer Motorsteuergeräte erfolgt. Dabei werden über Sensoren dem Motorsteuergerät ein oder mehrere Einflussfaktoren oder Funktionen davon zugeführt, die den Betrieb des Verbrennungsmotors beeinflussen. Das Motorsteuergerät verfügt über mindestens eine Speichereinheit, in der ein Kennfeld für eine Vielzahl möglicher Werte dieser Einflussfaktoren und Ausgangswerte für eine oder mehrere Zielgrößen zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors gespeichert sind. Zur Bedatung der Steuergeräte sind eine Vielzahl von Kennlinien oder Kennfeldern notwendig, die mögliche Betriebssituationen widerspiegeln. Das Kennfeld wird dabei durch die jeweiligen Betriebsgrößen des Fahrzeugs in einem kartesischen Koordinatensystem durch eine Anzahl von Stützstellen aufgespannt, wobei die jeweiligen Werte der Stützstellen einen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuges charakterisieren. Diese Kennfelder werden im Fahrzeug oder auf Prüfständen bedatet, wobei dort meist stationäre Versuchsbedingungen angestrebt werden.
Aus der DE 198 19 445 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Kennfelddaten zur Kennfeldsteuerung eines Verbrennungsmotors vorbekannt, bei dem mit Hilfe statistischer Auswerteverfahren die Anzahl der Stützstellen, an denen die Werte für Kennfelder messtechnisch am Motorprüfstand bestimmt werden, reduziert werden können. Das dabei verwendete statistische Ausgleichsverfahren ist das Verfahren der kleinsten Quadrate, wobei die Funktion beispielsweise ein Polynom ist, bei dem die Einflussfaktoren die Variablen bilden. Weiterhin wird nicht mehr jeder einzelne Kennfeldmesswert im Motorsteuergerät abgespeichert, sondern es werden lediglich die Parameter der mathematischen Funktion abgelegt, die die Abhängigkeit verschiedener Zielgrößen von unterschiedlichen Einflussfaktoren anhand der Parameter beschreiben. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von Speicherkapazität des Motorsteuergerätes.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Aufnahme der Kennfelder auf einem Motorprüfstand erfolgt, wobei die Aufnahme langwierig und aufwendig ist und nur stationäre Betriebsbedingungen beinhaltet. Die ermittelten Daten beschreiben die Verhältnisse in anderen Exemplaren des gleichen Fahrzeuges nur im Rahmen der Fertigungs- und Alterungstoleranzen. Die im Fahrbetrieb auftretenden dynamischen Fahrzustände werden dabei nicht berücksichtigt.
Aus der DE 198 05 368 A1 ist Verfahren zur Applizierung der die Kraftfahrzeugfunktionen beschreibenden Kennfeldern vorbekannt, bei dem zur Reduzierung des Applikationsaufwandes und des Speicherplatzbedarfs bei einer mathematischen Invertierbarkeit des Kennfeldes eine Rückwärtsinterpolation des Kennfeldes erfolgt.
Dieses Verfahren ist nicht zur Kennlinienadaption bei der Bedatung der Steuergeräte mit den entsprechenden Kennfeldern geeignet. Mittels dieses Verfahrens werden bei Messwerten, die nicht direkt den Stützstellen des Kennfeldes entsprechen, die Werte der dazugehörigen Kennlinie mittels linearer Interpolation ermittelt.
Aus der DE 197 49 056 C2 ist ein Steuerverfahren mit einer durch Stützstellen definierten Kennlinie vorbekannt, bei dem zur Adaption der Stützstellen eine Kennlinie vorgegeben wird, die in Abhängigkeit einer Regelabweichung und einem Verhältnis der Differenz zwischen einem Messpunkt und einer benachbarten Stützstelle und der Differenz zwischen den zwei zum Messpunkt benachbarten Stützstellen adaptiert wird.
Die deutsche Patentannmeldung DE 199 50 146 A1 zeigt ein Verfahren zur online Kalibrierung eines Luftmassensensors. Auf Basis der nach dem Lustmassensenor nachfolgenden Sensoren wie Druck- und temperatursensor werden ideale Werte des Luftmassnstromes ermittelt und mittels einer Regressionsanalyse werden Datenpaare der Sensorausgabedes Luftmassensensors modifiziert.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102 17 596 A1 beschreibt ein Regelsystem für eine Drosselklappe, bei welchem ein Modell der Drosselklappenöffnung genutzt wird und die Modellparameter mittels eines Identifizierers angepasst werden, um diese mit denen des Realsystems in Übereinstimmung zu bringen.
DE 197 41 965 C1 zeigt ein Verfahren zur Laufruheregelung bei welcher ein Modell eine Zustandsgröße für die Verbrennung schätzt und auf Basis der Abweichung dieser Zustandsgröße von einem Messwert die Motorregelung beeinflusst wird umd ie Abweichung minimal werden zu lassen, wobei das Modell in stationären betriebspunkten an Veränderungen der regelstreckenparameter z. B. durch Alterung adaptiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes zu schaffen, mit dem insbesondere bei der Bedatung des Steuergerätes die quasistationären und dynamischen Fahrzustände berücksichtigt und die Anzahl der Daten im Laufe der Auswertung wesentlich reduziert werden können und mit dem gerade die große Anzahl der Messdaten ausgenutzt wird, um die Genauigkeit der für die Bestimmung der Kennlinien benötigten Größen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die grundlegende Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Kennlinienadaption insbesondere bei der Bedatung von Steuergeräten eines Kraftfahrzeuges durch Messungen im Fahrzeug bei verschiedenen auftretenden Fahrsituationen erfolgt. Dabei wird ein das Verhalten der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen beschreibendes Kennlinienfeld in Form eines Gleichungssystems oder einer ein- oder mehrdimensionalen Tabelle jeweils in Abhängigkeit von Koeffizienten erstellt, und anhand der aus den verschiedensten Fahrsituationen ermittelten Datenmengen werden mittels einer statistischen Methode Schätzwerte für die Koeffizienten des Gleichungssystems ermittelt. Dabei werden die im Rechnungsverlauf ermittelten verschiedenen Messwertfunktionssummen oder -mittelwerte in einem mehrdimensionalen Mittelwertfilter gespeichert und durch ständige Aktualisierung adaptiert.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei der Bedatung der Steuergeräte das für den Betrieb eines Fahrzeuges bzw. sogar eines Fahrzeugexemplars typische Gemisch aus quasistationären und dynamischen Fahrzuständen automatisch berücksichtigt wird. Durch eine zeitlich gewichtete Adaption der Parameterschätzwerte finden Fertigungstoleranzen des Fahrzeugmotors und Alterungserscheinungen des Kraftfahrzeuges in dem zu erstellenden Kennlinienfeld Berücksichtigung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die angewendete statistische Methode und durch Adaptierung der Messwertfunktionssummen die Anzahl der zu berücksichtigenden Daten im Laufe der Auswertung deutlich um mehrere Größenordnungen reduziert wird. Dadurch wird die benötigte Speicherkapazität des Steuergerätes und des Filters erheblich verringert. Durch die erfindungsgemäße Kennlinienadaption wird auch die Genauigkeit der für die Bestimmung der Kennlinien benötigten Größen verbessert. Durch eine genauere Bestimmung des Kennlinienverlaufs, in dem auch die dynamischen Fahrzustände berücksichtigt werden, können bei Einsatz der ermittelten Kennfelder in einem Motorsteuergerät eines Serienfahrzeuges die Betriebsgrößen der Verbrennungsmaschine besser geregelt und gesteuert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes insbesondere zur Bedatung des Steuergeräts im Fahrbetrieb durchgeführt. Ausgangspunkt der Kennlinienadaption ist die Erstellung eines das Verhalten der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen beschreibenden Kennlinienfeldes in Form eines Gleichungssystems oder einer ein- oder mehrdimensionalen Tabelle jeweils in Abhängigkeit von Koeffizienten.
Für das auf der Grundlage von physikalischen Überlegungen erstellte Gleichungssystem werden für die darin enthaltenen unbekannten Parameter oder Koeffizienten Schätzwerte ermittelt. Die Ermittlung der Schätzwerte für die Koeffizienten erfolgt erfindungsgemäß mittels einer statistischen Methode aus den während des normalen Betriebes des Kraftfahrzeuges im Steuergerät momentan ermittelten und den im Steuergerät abgespeicherten Werten der älteren Messwertefunktionen bzw. deren Summen oder Mittelwerten, die die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und damit die Koeffizienten des Kennlinienfeldes charakterisieren. Dabei werden die im Rechnungsverlauf ermittelten verschiedenen Messwertfunktionssummen oder -mittelwerte in einem mehrdimensionalen Mittelwertfilter gespeichert und durch ständige Aktualisierung adaptiert. Damit ist die Gleichung vollständig bedatet und die Kennlinie somit bekannt.
Die auf der Grundlage von physikalischen Überlegungen erstellte analytische Funktion f zur Beschreibung des Kennlinienfeldes ist nach der Beziehung y → = f(a →, x →) beschreibbar und stellt beispielsweise ein ein- oder mehrdimensionales Polynom dar.
Bei der Bestimmung der Schätzwerte der Parameter oder Koeffizienten muss die Anzahl der Messungen größer sein als die Anzahl der gesuchten Koeffizienten. Für die angestrebte hohe Genauigkeit ist es günstig, wenn sie sogar wesentlich größer ist. Als statistische Methode zur Adaption der Parameterschätzwerte wird beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate angewendet. Dabei erfolgt die Ermittlung der Schätzwerte ã₀, ã₁, bis ã_n der Koeffizienten a₀, a₁, bis a_n mittels der Optimierung des Fehlermaßes Q nach der Funktion
Diese Forderung wird erfüllt, indem die partiellen Ableitungen von Q nach den Komponenten des Vektors a → alle gleich Null gesetzt werden. Ist f(a →, x →) nur linear von den einzelnen Komponenten des Vektors a → abhängig, so ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, das z. B. mit dem Gaußalgorithmus gelöst werden kann. Im anderen Fall ergibt sich ein nichtlineares Gleichungssystem, das jedoch um den Arbeitspunkt linearisiert werden kann, z. B. durch Anwendung des Satzes von Taylor, anschließenden Abbruch nach dem linearen Glied und Einsetzen geratener Schätzwerte für den Vektor a →. Das dann entstehende Gleichungssystem kann zunächst auch wieder nach den gleichen Verfahren wie ein von vornherein lineares gelöst werden, liefert aber nur einen ersten, doch gegen den ersten geratenen Wert verbesserten Schätzwert für den Vektor a →. Alternativ kann auch dann eine Lösung des Gleichungssystems bestimmt werden, indem die jeweils verbesserten Schätzwerte anstelle des geratenen Wertes eingesetzt werden.
Die linearen bzw. linearisierten Gleichungen lassen sich jeweils so umformen, dass Summen von Funktionen der Messwerte über alle Messungen eingehen, deren Glieder jeweils mit dem Wichtungsfaktor w_i gewichtet sind. Besonders bei großen Messreihen werden diese Summen aber so groß, dass die numerische Verarbeitung Probleme bereitete. Daher werden die kompletten Gleichungen durch die Anzahl l der Messwerte geteilt. Dadurch werden anstelle der Summen die Mittelwerte betrachtet, deren Größenordnung unabhängig von der Anzahl der Messwerte ist.
Eine Parameteränderung infolge einer hohen Laufzeit und Alterung wird dadurch berücksichtigt, dass das die Mittelwerte bildende mehrdimensionale Mittelwertfilter durch ein mehrdimensionales Vergessensfilter mit einer Zeitkonstanten ersetzt wird. Durch das Vergessensfilter wird eine möglichst große Anzahl von Messwerten berücksichtigt, die mit zunehmendem Alter der Werte gelöscht oder kontinuierlich verringert werden. Die dabei eingesetzte Zeitkonstante ist klein gegenüber den Zeiträumen, in denen eine Parameteränderung erfolgt. Die Realisierung eines Vergessensfilters mit kontinuierlicher Verringerung kann z. B. erfolgen, indem die in die Matrix eingehenden Mittelwerte z der Messwertefunktionen zur Adaption der Parameterschatzwerte zwecks Berücksichtigung der Parametertoleranzen oder Parameteränderungen zeitlich gewichtet nach der Beziehung
aus den Messwertefunktionen z_i ermittelt werden, wobei der Faktor k die Zeitkonstante des Vergessens bestimmt.
Die so erfindungsgemäß in einem Versuchsfahrzeug ermittelten Kennlinien und Kennfelder werden zur Steuerung der Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine der Serienfahrzeuge in deren Speichereinheit des Motorsteuergeräts abgelegt. Außerdem kann der Adaptionsalgorithmus im Motorsteuergerät des Serienfahrzeugs zur Anpassung des Kennlinienfeldes im Betrieb an die fahrzeugindividuellen Sensor- und Streckentoleranzen abgelegt werden. Im Speicher des Mittelwertfilters oder Vergessensfilters werden die Messwertefunktionssummen oder -mittelwerte abgelegt.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass aus dem im Versuchsfahrzeug ermittelten Kennlinienfeld in Form von Gleichungssystem, Tabelle(n) oder dergleichen die Werte für die einzelnen Stützstellen ermittelt und zur Bedatung von Steuergerätedatensätzen verwendet werden.
Eine weitere Variante sieht vor, dass die im Steuergerät an Stützstellen abgespeicherten Kennfelder und die zugehörige Interpolation durch das ermittelte und bedatete Gleichungssystem zur Beschreibung des Verhaltens der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen ersetzt werden.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Prüfstand ist grundsätzlich auch denkbar. Speziell bei einer Weiterentwicklung von Prüfständen, die dann eine möglichst große Anzahl verschiedener Fahrzustände in möglichst kurzer Zeit ermöglichen müssten, wäre das Verfahren auch dort sehr vorteilhaft einsetzbar.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

a

Koeffizient oder Parameter

ã

Parameter-Schätzwerte

a →

Parametervektor

f

analytische Funktion

i

Nummer der betrachteten Messung

l

Gesamtzahl der Messungen

k

Wert, der die Zeitkonstante des Vergessensfilters festlegt

Q

Fehlermaß

w_i

Wichtungsfaktor der i-ten Messung

x →

Vektor der Messwerte

y →

Vektor der Messwerte

z

Mittelwert der Messwertfunktionen

Claims

Verfahren zur Kennlinienadaption eines im Steuergerät eines Kraftfahrzeuges gespeicherten Kennlinienfeldes, wobei das Kennfeld durch die jeweiligen Betriebsgrößen des Fahrzeuges in einem kartesischen Koordinatensystem aufgespannt wird und eine Steuerung der Betriebsparameter des Kraftfahrzeuges durch das Steuergerät anhand des Kennlinienfeldes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Verhalten der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen beschreibendes Kennlinienfeld in Form eines Gleichungssystems in Abhängigkeit von Koeffizienten erstellt wird wobei eine auf der Grundlage von physikalischen Überlegungen erstellte analytische Funktion y → = f(a →, x →) zur Beschreibung des Kennlinienfeldes genutzt wird, wobei als statistische Methode zur Adaption der Parameterschätzwerte die Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird und die Ermittlung der Schätzwerte ã₀, ã₁, bis ã_n der Koeffizienten a₀, a₁, bis a_n mittels der Optimierung des Fehlermaßes Q nach der Funktion
erfolgt, indem die partiellen Ableitungen von Q nach den Komponenten des Vektors a → alle gleich Null gesetzt werden wobei die entstehenden linearen oder linearisierten Gleichungen so umgeformt werden, dass Summen von Funktionen der Messwerte (Messwertefunktionen) über alle Messungen eingehen, deren Glieder jeweils mit dem Wichtungsfaktor w_i gewichtet sind, wobei aus den während des normalen Betriebes des Kraftfahrzeuges im Steuergerät momentan ermittelten und den im Steuergerät abgespeicherten Werten der älteren Messwertefunktionen oder deren Summen oder Mittelwerten, die die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine und damit die Koeffizienten des Kennlinienfeldes charakterisieren, mittels der statistischen Methode der kleinsten Fehlerquadrate Schätzwerte für die Parameter oder Koeffizienten des Gleichungssystems ermittelt werden, wobei die im Rechnungsverlauf ermittelten verschiedenen Messwertfunktionssummen oder -mittelwerte in einem mehrdimensionalen Mittelwertfilter gespeichert und durch ständige Aktualisierung adaptiert werden, so dass die Gleichung vollständig bedatet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Parameteränderung infolge einer hohen Laufzeit und Alterung berücksichtigt wird, indem das Mittelwertfilter durch einen Vergessensfilter mit einer Zeitkonstanten ersetzt wird, das eine möglichst große Anzahl von Messwertfunktionssummen berücksichtigt, die mit zunehmendem Alter der Werte gelöscht, oder kontinuierlich verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante klein ist gegenüber den Zeiträumen, in denen eine Parameteränderung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Versuchsfahrzeug ermittelten Kennlinien und Kennfelder in einer Speichereinheit eines Motorsteuergeräts des Serienfahrzeugs zur Steuerung der Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsalgorithmus im Motorsteuergerät des Serienfahrzeugs zur Anpassung des Kennlinienfeldes im Betrieb an die fahrzeugindividuellen Sensor- und Streckentoleranzen abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem im Versuchsfahrzeug ermittelten Kennlinienfeld in Form von Gleichungssystem, Tabelle(n) oder dergleichen die Werte für die einzelnen Stützstellen ermittelt und zur Bedatung von Steuergerätedatensätzen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Steuergerät an Stützstellen abgespeicherten Kennfelder und die zugehörige Interpolation durch das ermittelte und bedatete Gleichungssystem zur Beschreibung des Verhaltens der Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen ersetzt wird.