DE69416008T2

DE69416008T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung einer klimaanlage für fahrzeuge

Info

Publication number: DE69416008T2
Application number: DE69416008T
Authority: DE
Inventors: Gerhard Allan Franklin Mi 48025 Dage; Leighton Ira Ann Arbor Mi 48104 Davis; Robert Wayne Ann Arbor Mi 48105 Matteson; Thomas Francis Dearborn Mi 48124 Sieja
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: KR100295307B1; DE69416008D1; JPH08512006A; KR960703475A; EP0739506B1; WO1995001592A1; EP0739506A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Steuersysteme zur Regelung von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen (sog. Heiz-, Ventilations- und Klimatisierungs-Anlagen, HVAC), und insbesondere auf Verfahren und Systeme zur Steuerung von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen unter Einsatz einer unscharfen Logik (sog. Fuzzy-Logik).
Die vorliegende Anmeldung ist mit den US-Patentanmeldungen 083757 und 083589 verwandt, mit dem Titel "Method And Control System For Controlling An Automotive HVAC System To Prevent The Discharge Of Air Within A Predetermined Temperature Range (Verfahren und Steuersystem zur Steuerung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zur Vermeidung von Luftaustritt in einem bestimmten Temperaturbereich)" und "Method And System For Modifying A Linear Control Algorithm Which Controls An Automotive HVAC System (Verfahren und System zur Abänderung eines linearen Steueralgorithmus zur Steuerung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage)".
Ein grundsätzliches Ziel von Heiz-, Ventilations- und Klimaanlagen (HVAC) in Kraftfahrzeugen ist der Komfort der Fahrzeuginsassen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wichtig, daß die Konstruktion des Systems, welches die Bedingungen im Fahrgastraum herstellt, die Beziehungen zwischen Komfort und den diesen Komfort beeinflussenden Variablen berücksichtigt. Das menschliche Wohlbefinden ist eine komplexe Reaktion, die physische, biologische und psychologische Reaktionen auf gegebene Bedingungen beinhaltet. Wegen dieser Komplexität jedoch muß der Konstrukteur zahlreiche Variablen und deren mögliche Wechselwirkungen bei der Konstruktionsstrategie eines solchen Steuersystems oder Steuergerätes beachten.
Bei einem Versuch, die vielen Variablen zu messen und zu steuern, die den Komfort beeinflussen, werden moderne Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit zahlreichen Sensoren und Stellmechanismen versehen. Eine typische Anlage kann einen Temperatursensor im Fahrgastinnenraum aufweisen, einen weiteren, der die äußere Umgebungstemperatur mißt, und wieder weitere, welche verschiedene Temperaturen der inneren Systemteile messen. Der Insasse kann über eine Einstellkonsole oder eine andere Einstellvorrichtung einen gewissen Einfluß auf das System ausüben. Zusätzliche Sensoren, welche die Aufheizung durch Sonneneinstrahlung, die Luftfeuchtigkeit usw. messen, können ebenfalls in dem System vorhanden sein. Die Stellglieder können ein Gebläse mit regelbarer Drehzahl beinhalten, Mittel zur Änderung der Lufttemperatur, Kanäle und Klappen zur Richtungssteuerung und zur Verhältnissteuerung von Frischluft und Umwälzungsluft.
Dem Steuergerät obliegt dann die Aufgabe, die Spanne der möglichen Bedingungen zu sortieren, zu bestimmen, was zum Erzielen von Komfort nötig ist, und die Steuerung der zur Verfügung stehenden Stellglieder zu koordinieren. Das Problem der Steuerung mit mehreren Eingängen, mehreren Ausgängen, paßt in keine geeignete Kategorie herkömmlicher Steuertheorien. Das Leistungskriterium, nämlich Komfort, ist keine genau definierte Formel, sondern ein empirisch ermitteltes, bisweilen widersprüchliches Ziel. Insbesondere ist die Komfortregelung nicht das gleiche wie eine Temperaturregelung. Das Ansprechverhalten des Systems sowie die Relation von Systemvariablen und gewünschter Leistung, also Komfort, ist selten linear. Auch muß festgehalten werden, daß trotz aller Stellglieder und Variablen, die der Steuerung zur Verfügung stehen, Bedingungen existieren können, unter welchen Komfort nicht erreichbar ist.
Aufgrund praktischer Erwägungen in bezug auf Größe, Energieverbrauch und Kosten, und in bezug auf den breiten denkbaren Bereich von Bedingungen, welchen ein Kraftfahrzeug ausgesetzt sein kann, kann es vorkommen, daß die Systemanlage ganz einfach nicht in der Lage ist, die gewünschten Bedingungen zu liefern. All diese Erwägungen führen zu einer Regelproblemstellung, die weit von dem entfernt ist, was man normalerweise in der klassischen Regeltheorie anzutreffen pflegt.
Angesichts dieser Schwierigkeiten bringen die meisten Regelsystemkonstruktionen das zur Anwendung, was bekannt ist - lineare Regelung - und ergänzen diese durch eingeflickte spezifische Reaktionen, um besonderen Umständen wenn nötig gerecht zu werden. In anderen Worten, typische automatische Regelsysteme für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen bringen eine lineare Proportionalregelung zum Einsatz, um eine behagliche innere Umgebung zu bewahren. Lineare Proportionalregelung stößt jedoch an zwei klare Grenzen, vom Standpunkt des subjektiven Komfortgefühls eines Insassen betrachtet: erstens gibt es in jeder Klimaanlage bestimmte Regelsituationen, die von Natur aus nicht linear verlaufen, und zweitens ist es nicht möglich, Komfort für die Insassen einfach dadurch zu schaffen, daß man die Temperatur in der Nähe eines gewünschten Wertes hält, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Die Konstruktion eines typischen Regelsystems für eine Klimaanlage beginnt mit der Aufgabe, für die Insassen annehmbaren Komfort auch bei extremen hohen und tiefen Außenumgebungsbedingungen zu schaffen, die bei einem Fahrzeug angetroffen werden können. Bei diesen Bedingungen fordert das Regelsystem den Betrieb der Klimaanlage mit ihrer größtmöglichen Leistung in der einen Richtung oder in der anderen. Konstruktionserwägungen drehen sich dabei um die Leistungsfähigkeit der Anlage und die Wirksamkeit der Wärmeübertragung, um mit diesen Extrembedingungen fertig zu werden. Das Regelsystem ist dann effektiv gesättigt, bis eines oder mehrere der Eingangssignale anzeigt/anzeigen, daß ein gewisser Grad an Komfort erreicht ist.
Ab diesem Punkt beginnt das System, die Regelung der Gebläsedrehzahl schwächer einzustellen, die Luftaustrittsstelle (d. h. die Betriebsart) umzustellen, und das relative Mischungsverhältnis von Kaltluft und Warmluft zu ändern. Der einfachste Weg zur Regelung in diesem Bereich ist, daß man die Regelung entlang einer geraden Linie zwischen den beiden Extremen führt. Ein solcher linearer Steueralgorithmus stellt die Ausgänge in geeigneter Weise ein, und seine Parameter sind auf der Grundlage der Anfangspunkte der beiden Extrembereiche leicht zu bestimmen. Mit einer gut durchdachten Klimaanlage und genügend Zeit zur Entwicklung können die Beiwerte so abgestimmt werden, daß akzeptable Komfortwerte für eine ganze Reihe von Betriebsbedingungen erreicht werden. Die lineare Strategie ist recht verständlich und leicht in die Praxis umsetzbar. Für einen kleinen Mikroprozessor ist das Wesentliche der Regelung in einigen wenigen Codelinien festgehalten.
Die lineare Strategie stößt selbstverständlich an Grenzen, wenn es darum geht, nichtlineare Bereiche zu behandeln. Alle Klimaanlagen verhalten sich in einigen ihrer Betriebsbereiche nichtlinear. Die Wärmeübertragung in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl ist nicht linear. Der Beginn jeder beliebigen Leistungsabgabegrenze einer Anlage beeinflußt in nichtlinearer Weise ihr gewünschtes Ansprechverhalten. Faktoren, die die Anlagengrenzen beeinflussen, können über zusätzliche Sensoren verfolgt werden - so z. B. die Korrelation zwischen Motorkühlwassertemperatur (ECT - engine coolant temperature) und dem Heizungswärmetauscher - aber auch hier ist das Verhältnis wieder nichtlinear. Die übliche Vorgehensweise, besondere nichtlineare Situationen zu verarbeiten, ist der Einsatz von anhand der Logik vorgenommenen Veränderungen der normalen linearen Strategie, wenn solche Situationen erkannt werden. So kann bei kalter Witterung, wenn ECT unter einem bestimmten Schwellenwert liegt und damit anzeigt, daß der Heizungswärmetauscher den Fahrgastraum nicht aufheizen kann, das Gebläse abgeschaltet werden.
Diese besondere Lösung des Problems nichtlinearer Bereiche bringt ein anderes Problem mit sich. Bei einem Zweipunkt-ECT- Schwellenwertschalter führt das Zusammenwirken mit der linearen Strategie zu Schwierigkeiten. Beim Überschreiten des ECT-Schwellenwertes schaltet der Schalter das Gebläse ein. Da das Fahrzeug noch kalt ist, geht das Gebläse sofort auf seine höchste Einstellung und schafft damit zwei Probleme. Das erste ist der Geräuschpegel des mit voller Leistung laufenden Gebläses. Das zweite Problem ist, daß die gesamte kalte Restluft in der Anlage direkt auf die Füße des Kunden geblasen wird und so Unbehaglichkeit hervorruft.
Zusätzlich zu diesen üblichen Schwierigkeiten bringen neuere Fahrzeugbaureihen zusätzliche Probleme mit sich, die nicht so leicht zu bewältigen sind. Die bei derzeitigen Fahrzeugkonstruktionen übliche Reduzierung des Bauraumes im Innenraum und unter der Motorhaube bewirkt, das die Transferfunktion für die Ausgangstemperatur noch weiter nichtlinear wird, insbesondere beim Betrieb in Extrembereichen der Umgebungstemperatur.
Das Ansprechverhalten einer "scharfen" (im Gegensatz zur "unscharfen") Logik in einer Steuerstrategie paßt nicht gut, wenn Behaglichkeit für den Menschen das Ziel ist. Abrupte Änderungen der Umgebungsbedingungen werden von den meisten Menschen als unangenehm empfunden. Gewiß kann der Effekt von plötzlichen Änderungen, wie sie bei Sprüngen in einer "scharfen" Steuerlogik hervorgerufen werden, durch Eingangs- oder Ausgangsfilter abgeschwächt werden. Auch ist es möglich, daß einige der resultierenden Bedingungen von dem Insassen nicht als unbehaglich empfunden werden. So hat z. B. die Aufwärmphase der Heizung, ob linear oder nichtlinear, keine Auswirkung auf den Komfort an einem warmen Tag, wenn das System mit maximaler Kühlleistung läuft.
Wie bereits erwähnt wird Komfort von den meisten Menschen in nicht besonders präzisen Angaben beschrieben. Fragt man Leute, wie sie ihre Umgebung beschreiben, so erhält man Antworten wie "etwas kühl", "angenehm" oder "zu heiß". Der Komfort einer Person kann leicht mit derartigen Angaben ausgedrückt werden, es ist jedoch wesentlich schwieriger, diese Ausdrücke quantitativ zu erfassen. Die unpräzise Art der Beschreibung von Komfort lädt zum Einsatz einer sog. unscharfen bzw. Fuzzy-Logik (engl.: "fuzzy logic") bei der Bestimmung einer Strategie für die Komfortregelung ein. Unscharfe Logik bietet Verfahren zur Integration von vage ausgedrücktem Wissen, mit welchen dennoch eine genaue berechenbare Antwort erreichbar ist.
Unscharfe Logik ist eine Methode zur Verarbeitung von Wissen, welches einen gewissen Grad von Unsicherheit bzw. Ungenauigkeit enthält. Die Grundlagen der unscharfen Logik wurden 1960 von L. H. Zadeh in dem Aufsatz: "Fuzzy Sets (Unscharfe Mengen)", in der Inform. Contr., 8, Seite 338-353, 1965, dargestellt.
In modernen konstruktiven Anwendungen ist unscharfe Logik meistens bei Regelungsproblemen in Form eines besonderen Verfahrens anzutreffen, das als "Max-Min-Inferenz" der unscharfen Regelung bezeichnet wird, wie es Ebrahim Mamdani in seinem Aufsatz "Application of Fuzzy Logic to Approximate Reasoning Using Linguistic Synthesis (Die Anwendung einer unscharfen Regelung zur Annäherung an Denkvorgänge unter Einsatz linguistischer Synthese)", IEEE Transactions on Computers, C26 (1977), Nr. 12, Seite 1182-1191. Dieses Verfahren integriert die näherungsweise Kenntnis eines unter verschiedenen Bedingungen geeigneten Ansprechverhaltens einer Steuerung in einen Satz von Regeln zur Berechnung einer bestimmten Steueraktion. Die Regeln werden mittels "IF" ("wenn die Situation zutrifft") und "THEN" ("dann ergreife die entsprechende Steuermaßnahme") ausgedrückt. Das Maß, in welchem eine gegebene Aktion vorgenommen wird, hängt von dem Grad ab, in welchem die entsprechenden Bedingungen zutreffen. Der linguistische Ausdruck einer Situation oder daraus resultierenden Steueraktion wird über spezifische "Zugehörigkeitsfunktionen" in eine eindeutige Rechnung umgewandelt. Eine Zugehörigkeitsfunktion quantifiziert, was mit einem Satz wie "die Temperatur liegt hoch" gemeint ist, und zwar indem sie den Zugehörigkeitsgrad zur Klasse "hoch" definiert, in Abhängigkeit von der Eingabevariablen, nämlich der Temperatur.
Die US-Patentschrift Nr. 5,148,977 verwendet einen Infrarotsensor zur Messung der Wandtemperatur, und verwendet diesen Wert zur Änderung der Raumtemperatur unter Einsatz einer Fuzzy-Regelung.
Die US-Patentschrift Nr. 5,156,013 offenbart eine Steuervorrichtung für einen Adsorptionskühler mit einem Generator. Die Erwärmung des Generators wird anhand einer Berechnung unter Einsatz von Fuzzy-Logik gesteuert. Der Fuzzy-Logikalgorithmus wendet eine Auswahl von Zugehörigkeitsfunktionen für Eingänge und Ausgänge in einer Standardmatrizenoperation zur Berechnung eines Ausgabewertes in einem normalen Berechnungsvorgang an.
Die US-Patentschrift Nr. 4,914,924 ermittelt eine Fahrerabsicht sowie den Zustand in einem Klimatisierungssystem, um ein Gleichgewicht der widersprüchlichen Kompromisse zwischen Antriebsleistung und Klimaanlagenleistung zu erreichen. Die Fahrerabsicht wird über einen Drosselklappen-Stellungsgeber und einen Präferenzenschalter gemessen. Der Zustand der Klimatisierung wird über die üblichen, in den meisten Systemen anzutreffenden Zusatzsensoren gemessen. Normale Fuzzy-Logikinferenz wird direkt zum Aussortieren der Kompromisse sowie zur Ausführung der üblichen Funktionen einer Klimaregelung eingesetzt.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur automatischen Steuerung und Regelung einer Heiz-, Ventilations- und Klimatisierungsanlage (HVAC) für ein Fahrzeug gestellt, welches einem Fahrgastraum des Fahrzeuges einen Luftstrom zuführt, wobei das System ein Gebläse mit regelbarer Drehzahl aufweist, Mittel zur Änderung der Lufttemperatur, Luftleitkanäle, Stellglieder mit verschiedenen Steuerstellungen zur Steuerung der Richtung des Luftstromes und des Verhältnisses von Frischluft zu rückgeführter Luft, und Sensoren zur Erfassung der Temperatur im Fahrgastraum, der Umgebungstemperatur und einer Ziel-Soll-Temperatur, wobei besagtes Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bestimmen der Differenz zwischen der Temperatur innerhalb des Fahrgastraumes und der Ziel-Soll-Temperatur zur Erzielung eines Differenzsignals;
Bestimmen von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und der Gebläsedrehzahl, und zwischen dem Differenzsignal und den Steuerpositionen der Stellglieder; und
Erzeugen von Steuersignalen zur Steuerung der Positionen der Stellglieder und der Gebläsedrehzahl, so daß die Anlage Luft in den Fahrgastraum einleitet, deren Temperatur und Durchflußmenge auf dem Differenzsignal, den Zugehörigkeitsfunktionen und den Fuzzy-Regeln basieren,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Steueralgorithmus zur Berechnung einer Fuzzy-Variablen einsetzt, die anhand der Umgebungstemperatur und des besagten Differenzsignals aufgearbeitet ist, zur Änderung der Stellung der Temperatur-Mischerklappe im System, so daß die Austrittstemperatur des besagten Luftstromes geregelt wird, wobei der Steueralgorithmus so wirkt, daß er besagte Austrittstemperatur unter der unteren Grenze eines auszuschließenden Temperaturbereiches hält, wenn er sich besagtem Bereich von unten her nähert, und so, daß er besagte Austrittstemperatur über dem auszuschließenden Bereich hält, wenn er sich diesem von oben her nähert, so daß die Beziehung zwischen besagter Austrittstemperatur und der Stellung der Mischerklappe einer Hystereseschleife folgt.
Weiterhin umfaßt die Erfindung ein Steuersystem nach Anspruch 6.
Die Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert; dabei zeigt:
Fig. 1: ein schematisches Diagramm, welches ein Lüftungssystem darstellt, das mittels des Verfahren und dem Steuersystem nach der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann;
Fig. 2: ein schematisches Blockdiagramm des Steuer- und Regelsystems nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a bis 3e: graphische Darstellungen eines Regelsatzes für die Gebläsedrehzahl mit Vorderglied und entsprechenden Folgeglied-Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 4: eine graphische Ansprechflächenkarte, wie sie sich aus dem Regelsatz der Fig. 3a bis 3e ergibt;
Fig. 5a bis 5e: graphische Darstellungen eines Modusschalt-Regelsatzes mit Vorderglied und entsprechenden Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 6: eine graphische Ansprechflächenkarte, wie sie sich aus dem Regelsatz der Fig. 5a bis 5e ergibt;
Fig. 7a bis 7h: graphische Darstellungen eines Versatz- Regelsatzes mit Vorderglied und entsprechenden Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 8a bis 8c: graphische Darstellungen eines Regelsatzes zur Ziel-Angleichung mit Vorderglied und entsprechenden Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 9: einen Graphen einer variablen Ziel-Angleichung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur;
Fig. 10a bis 10C: graphische Darstellungen eines Regelsatzes einer Verstärkungsvariablen G&sub3; mit Vorderglied und entsprechenden Folgeglied-Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 11a bis 11C: graphische Darstellungen Regelsatzes einer Verstärkungsvariablen G&sub4; mit Vorderglied und entsprechenden Folgeglied-Zugehörigkeitsfunktionen;
Fig. 12: einen Graphen der Austrittstemperatur gegenüber der Mischerklappenstellung, wobei auszuschließende Temperaturen durch eine Hystereseschleife dargestellt werden;
Fig. 13: Graphen der Gebläsemotorspannung und der Mischerklappenstellungen gegenüber der Temperatur im Fahrzeuginnenraum;
Fig. 14: Graphen der Temperatur im Fahrgastraum gegenüber der Umgebungstemperatur, jeweils für den bisherigen Stand der Technik und für die vorliegende Erfindung, bei einem Sollwert von 75 Grad;
Fig. 15: einen Graphen der Gebläsedrehzahl gegenüber der Motorkühlmitteltemperatur während der Aufwärmphase der Heizung;
Fig. 16: ein schematisches Diagramm eines Modelles des Luftbehandlungssystems nach Fig. 1; und
Fig. 17: ein schematisches Diagramm für ein Beispiel einer einzelnen Wechselwirkung zwischen einem Luftvolumen mit einer gegebenen Eingangstemperatur und einem Teil des Luftbehandlungssystems.
In der Regel wird die Temperaturregelung innerhalb eines Kraftfahrzeuges durch diverse Stellglieder bewerkstelligt, um so die Temperatur und die Durchflußmenge der dem Fahrgastraum des Fahrzeuges zugeführten Luft einzustellen. Fig. 1 zeigt schematisch ein Lüftungssystem in einer HVAC-Anlage (Heiz-, Ventilations- und Klimatisierungsanlage) oder Klimaanlage, die allgemein mit 20 bezeichnet ist. Das System 20 beinhaltet eine Anordnung von Stellgliedern oder -Klappen 22, 24, 26 und 28 für den Entfrosterbetrieb über das Armaturenbrett, Fußraumheizung, Temperaturmischung und Außenluftumwälzung. Die Klappen 22, 24 und 28 werden wie in Fig. 1 dargestellt in herkömmlicher Weise über (nicht dargestellte) Unterdruck-Antriebe zwischen ihren verschiedenen Unterdruck-, Teilunterdruck- und Null-Unterdruck-Stellungen betätigt. Die Klappe 26 wird ebenfalls in herkömmlicher Art und Weise von einem elektrischen Servomotor angetrieben.
Das System 20 enthält auch einen Regel-Gebläsemotor bzw. Ventilator 30 mit einem Gebläserad 32.
Des weiteren beinhaltet das System Heiz- und Kühlelemente wie z. B. einen Heizungskörper 34 und einen Verdampferkörper 36 in einer typischen Fahrzeug-Klimaanlage. Jeder der obengenannten Komponenten steht in Verbindung mit einem Kanalsystem 38 zur Steuerung der Temperatur, der Strömungsrichtung und des Verhältnisses von frischer Luft zu umgewälzter Luft.
Zur automatischen Steuerung und Regelung der Temperatur und des Luftdurchsatzes in dem Fahrgastraum werden Bedingungen in und außerhalb des Raumes von Sensoren erfaßt, und ein elektronisches Steuergerät erzeugt Signale zur Steuerung der Stellglieder der Anlage, je nach den von den Sensoren ermittelten Bedingungen. Wie Fig. 2 zeigt, liefert eine typische Sensorausstattung des HVAC- Systems Signale, welche die Temperatur im Fahrzeuginnenraum, die Außen- bzw. Umgebungslufttemperatur, die Motorkühlwassertemperatur (ECT), die Luftaustrittstemperatur sowie die Sonnenbestrahlung dar stellen. Zusätzlich dazu ist ein Soll-Signal oder ein Soll-Temperaturwert vorgesehen, welches/welcher die gewünschte Temperatur anzeigt, die vom Fahrer von Hand eingestellt wird. Ein Signal "Fahrzeuginnenraum-Temp-Soll-Temperatur" dagegen (Innenraumtemperatur minus Soll-Temperatur) und ein Signal Soll-75 (Soll-Temperatur minus 24ºC bzw. 75º Fahrenheit) wird jeweils erzeugt bzw. errechnet.
Die Signale werden einer elektronischen Steuerung 40 als Eingabewerte zugeführt, nachdem sie in einer Aufbereitungsschaltung aufbereitet wurden. Die Steuerung 40 skaliert die Eingabesignale und gibt skalierte Ausgabesignale für eine Gerätesteuerung 44 ab, die wiederum die Klappen 22 bis 28 steuert, so daß die Temperatur und der Luftdurchsatz geregelt werden und letztendlich der Komfort des Fahrers und der Fahrgäste im Fahrzeug erhalten wird.
Bezieht man sich nun auf Fig. 16, so ist dort ein Austrittstemperaturmodell dargestellt, das auf einem körperlichen Modell der Klimaanlage nach Fig. 1 aufbaut. Es wird dabei davon ausgegangen, daß das Verfahren zur Erzielung eines Luftvolumens mit einer bestimmten Temperatur in eine Reihe von Wechselwirkungen zwischen Luftvolumen und den verschiedenen Elementen im System zerlegt werden kann. Fig. 17 zeigt ein Beispiel einer solchen Wechselwirkung zwischen dem Luftvolumen mit einer Temperatur TEin und einem Element der Anlage mit einer Temperatur TElement. Die Temperatur der Einlaßluft "fällt" in Richtung der Temperatur des Elements, und zwar je nachdem, wie lange die Luft mit dem Element in Berührung ist. Die resultierende Temperatur der Luft nach dieser Wechselwirkung ist durch folgende Gleichung gegeben:
TAUS = TEin + (TElement - TEin) · (1 - eΔt/t1)
wobei TElement die Temperatur des Bauteiles ist, t eine Interaktionszeit, und t&sub1; eine Zeitkonstante für die Wechselwirkung. Diese Formel gewährleistet, daß die resultierende Temperatur zwischen TElement und TEin liegt. Die "Interaktionszeit" oder Dauer der Wechselwirkung ist abhängig von der Gebläsedrehzahl: man kann normalerweise erwarten, daß die Interaktionszeit umgekehrt proportional zur Gebläsedrehzahl ist, bei Wechselwirkungen mit dem Heizungskörper 34 jedoch zeigen die Daten eine direkte Proportionalität an.
Das System nach Fig. 16 beginnt mit Luft mit einer Temperatur von entweder TUmgebung oder TInnenraum, je nach der Stellung der Umwälzklappe 28. Diese Luft wirkt zunächst mit dem Körper der Klimaanlage oder Verdampfer 36 zusammen (vorausgesetzt, kein Wärmetausch findet über das Gebläserad 32 statt), und wird dann von der Mischerklappe 26 in zwei Strömungswege geteilt. Ein Bruchteil der Luft wirkt mit dem Heizungskörper 34 zusammen, und der restliche Teil umgeht denselben, um dann wieder auf die aufgewärmte Luft zu treffen und sich mit ihr zu vermischen. Hierbei wird angenommen, daß der Luftanteil, der zum Heizungskörper 34 geleitet wird, direkt proportional zur Mischerklappenstellung ist (statt dessen kann aber auch jede andere, besser abgestimmte Funktion eingesetzt werden). Die abschließende Wechselwirkung findet mit den Wänden des Auslaßkanals nach der Mischerklappe 26 statt.
Angenommen, die Wände liegen auf TInnenraum, dann hängt die Interaktionszeit wie der Wert TWand von den Klappenstellungen ab. Die verschiedenen Parameter dieses Modells werden entweder nach gesundem Menschenverstand oder zu den Daten passend "von Hand" gewählt. So wird man z. B. 44 Grad für TVerdampfer einsetzen, ECT (Kühlwassertemperatur) für THeizung und wie bereits erwähnt TInnenraum für TWand. Die Zeitkonstanten für die Wechselwirkungen werden alle willkürlich eingestellt. Z. B. zeigen die Daten an, daß t&sub1; groß ist, d. h. TB ~ TVerdampfer. Wie bereits erwähnt ist die Interaktionszeit im Falle des Heizungskörpers 34 proportional zur Gebläsedrehzahl.
Die Einsetzung der Parameter kann auch über eine strenger wissenschaftliche Prozedur erfolgen, wie z. B. nach der Methode der kleinsten Quadrate.
Der berechnete Wert für die Austrittstemperatur auf der Grundlage dieses Modells wird mit einer 15-Sekunden-Zeitkonstante gefiltert, um so einen Endwert zu ergeben, der von der unten beschriebenen bevorzugten Steuerstrategie benutzt wird. Diese Vorgehensweise vermeidet die Notwendigkeit eines weiteren Sensors und gibt dennoch die Austrittstemperatur bis auf wenige Grad der tatsächlichen Werte genau an.
Ein Steueralgorithmus ist eine Bezeichnung für den mathe matischen Prozeß, der die Sensoreingabewerte aufnimmt und Steuerausgangssignale liefert. Weiter unten wird eine Steuerstrategie im einzelnen beschrieben, die auf einer "unscharfen" oder Fuzzy-Logik basiert, wie sie von den Regelsätzen 46 in Fig. 2 zur Steuerung der Temperaturregulierung und des Fahrgastkomforts veranschaulicht ist.
Im Blockdiagramm des Fuzzy-Logiksystems nach Fig. 2 werden die Sensoreingänge aufbereitet, skaliert und einem Fuzzy-Inferenzmotor der Steuerung 40 zugeführt. Regelsätze der diversen Steuerfunktionen - Gebläsedrehzahl, Versatz, Ziel-Sollwert, Modusumschaltung, Umschaltung Luftumwälzung/Frischluft, Termkalibrierung usw. liefern dem Inferenzmotor die Einzelheiten für die auszuführende Strategie. Die Fuzzy-Ausgabewerte werden skaliert und den Routinen zur Steuerung der Motoren, Stellantriebe und Klappen zugeführt, welche den Luftstrom in den Fahrgastraum erzeugen bzw. aufbereiten. Die Regelbasis für die Steuerung bestimmt die Organisation der Strategie in einer Weise, welche eine leichte Kalibrierung und Angleichung des Regelvorganges ermöglicht.
Steueralgorithmen sollten berücksichtigen, daß ein bestimmter Bereich von Austrittstemperaturen nicht als sehr angenehm empfunden wird. Die übliche Vorgehensweise ist dann, das Luftprodukt der Anlage zu "verstecken", wenn seine Temperatur in einem bestimmten Bereich liegt. Die Luft wird dadurch "versteckt", daß sie teilweise durch den Entfrosterauslaß und teilweise auf den Boden, d. h. den Fußraum gelenkt wird, statt durch den Austritt im Armaturenbrett. Die vorliegende Anmeldung beschreibt jedoch ein Mittel, über welches ein unangenehmer Temperaturbereich gar nicht erst erzeugt wird, wobei aber trotzdem die Regelung und der Komfort für die Insassen erhalten wird.
Der Luftausschlußalgorithmus arbeitet so, daß eine Luftaustrittstemperatur knapp unter der unteren Grenze des unangenehmen Bereiches gehalten wird, wenn sie sich diesem Bereich von unten her nähert, und daß die Austrittstemperatur knapp über dem unbehaglichen Bereich gehalten wird, wenn sie sich diesem von oben her nähert. Fig. 12 zeigt einen Graphen der Abhängigkeit der Luftaus trittstemperatur von der Stellung der Mischerklappe (wobei andere Variablen gleichbleibend gehalten werden), aus dem der Bereich der ausgeschlossenen Temperaturen hervorgeht. Die Annäherung an diesen Bereich wird durch ein beliebiges von einer Reihe von Verfahren ermittelt: die effektive Messung der Austrittstemperatur, Modellbildung der Austrittstemperatur anhand der bekannten Sensor- und Stellantriebsinformationen, oder wenn die Mischerklappe eine besondere obere oder untere Stellung unter bestimmten Bedingungen der Umgebungstemperatur und der Soll-Temperaturen einnimmt. Wie in Fig. 2 wird die Mischerklappenstellung im Sinne des Rücklaufpfeiles an die Steuerung 44 zurückgemeldet.
Die praktische Anwendung der Strategie erfolgt durch Berechnung einer Variablen, die als Fuzzy_Modus bezeichnet wird, bestimmt von der Umgebungstemperatur und einem Regelfehler, wie es Fig. 6 darstellt, wo andere Variablen wie Sonneneinstrahlung und Austrittstemperatur als konstant angenommen werden. Der Wert dieser Variablen bestimmt, wann Modusübergänge auftreten (wie die Pfeile in Fig. 12 andeuten). Ist der gegenwärtige Modus "Fußraum", und überschreitet diese Variable einen gewissen Schwellenwert, wird der Modus auf "Armaturenbrett" umgeschaltet (d. h., der Unterdruckantrieb bewegt die Fußraum-Klappe 24 in ihre NV-Stellung und die Entfroster-Klappe in ihre V-Stellung. Ist der gegenwärtige Modus "Armaturenbrett", und sinkt diese Variable unter einen bestimmten Schwellenwert, wird der Modus umgeschaltet auf "Fußraum" (d. h., der Unterdruckantrieb stellt die Fußraum-Klappe 24 in ihre V-Stellung, und die Armaturenbrett-Klappe 22 in ihre V-Stellung).
Fig. 6 zeigt den Wert für Fuzzy_Modus als Funktion eines Regelfehlers und der Umgebungstemperatur (diese Größen sind von -1 bis 1 skaliert dargestellt, statt in ihren tatsächlichen Wertbereichen von -20 bis +20 für den Regelfehler, und von 10 bis 120 für die Umgebungstemperatur). Der L-förmige flache Bereich in der Mitte der Fläche entspricht Nullwerten. Die Größe dieses Bereiches bestimmt die Hysterese beim Umschalten zwischen den Modi.
Die nachstehende Gleichung 1 zeigt eine Formel einer Steuerung nach dem bisherigen Stand der Technik. Der berechnete Steuer wert wird skaliert und sowohl für die Gebläsedrehzahl also auch für die Betätigung der Mischerklappe eingesetzt. Die Beiwerte K1, K2, K3 und K4 sind konstante Verstärkungsfaktoren, die kalibriert werden müssen, um den Effekt ihrer jeweiligen Terme auf das Regelergebnis zu kompensieren
Steuerwert = Versatz - K&sub1; · Sonne + K&sub2; · (Sollwert-75) + K&sub3;· (75-Umgebung) + K&sub4; · (Sollwert-Innenraum) (1)
Bei der erfindungsgemäßen unscharf-linearen bzw. Fuzzy- Steuerung nimmt die Berechnung die gleiche Form an wie in der vorstehenden Formel 1, nur sind jetzt einige der Beiwerte und Variablen Fuzzy-Ausgabevariablen. Betrachtet man z. B.:
FL_Wert = Versatz - G&sub1; · Summe + G&sub2; (Sollwert-75) + G&sub3; · (75-Umgebung) + G&sub4; · (Ziel-Innenraum) (2)
worin alle unterstrichenen Symbole Fuzzy-Ausgangsvariablen darstellen, die in Abhängigkeit von den Sensoreingängen berechnet werden. Unter "Fuzzy-Ausgangsvariable" sind hier solche Variablen zu verstehen, die anhand der Sensoreingänge gemäß dem üblichen Fuzzy-Min- Max-Algorithmus unter Einsatz eines Regelsatzes berechnet wurden, wie er in dem weiter oben erwähnten Aufsatz von Mamdani beschrieben wurde. Diese Form bietet in ihrem Steuerverhalten selbstverständlich auch die Möglichkeit einer linearen Steuerung, sie kann jedoch auch in geeigneter Weise nichtlinear sein und beinhaltet auch eine direkte Fuzzy-Regelung, wie nachstehend erläutert wird.
Durch die Wahl eines beliebigen der diversen Verstärkungsfaktoren als Fuzzy-Variable kann eine Kalibriermischung erreicht werden. Nehmen wir einmal an, es sind im Wintertest Kalibrierwerte von 0,45 für G&sub4; erzielt worden, 0,50 im Frühling und 0,60 im Sommer. Der in den Fig. 11a bis 11c dargestellte Fuzzy-Abwägeprozeß kann zum Mischen dieser Kalibrierwerte in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur auf sinnvolle Weise verwendet werden. Es braucht kein Kalibrierwert abgemacht oder ausgewählt zu werden, statt dessen wird die Umgebungstemperatur als Indikator dafür genommen, welche Kalibrierungen bei der Bestimmung des Wertes für G&sub4; in Frage kommen.
Die Fuzzy-Variable "Ziel" in der Gleichung 2 kann dafür eingesetzt werden, Veränderungen in der Regelung zu kompensieren, die ganz logisch mit Änderungen der Sollwerte aus physikalischen, mechanischen oder gar psychologischen Gründen verbunden sind. Nimmt man z. B. einmal an, daß bestimmt wird, daß das, was die meisten Kunden mit einem Sollwert von 72 Grad meinen, "behaglich" ist, ein Sollwert mit genau diesem Wert für die meisten Bedingungen - aber je nach Jahreszeit ist dieser in unterschiedliche Temperaturen zu übersetzen. Im Winter kann "behaglich" eine tatsächliche Temperatur von 75 Grad bedeuten, obwohl der Kunden-Sollwert 72 Grad ist. Im Sommer kann es ein tatsächlicher Wert von 68 Grad für eine Einstellung von 72 Grad sein. Fig. 11a bis 11c veranschaulicht, wie diese "Bedeutungsverschiebung beim Kunden" über die Fuzzy-Variable Ziel kompensiert wird. Man wählt Ziel = Sollwert + Zielangleichung, wobei Zielangleichung sich entsprechend dem Graphen verhält.
Die Fuzzy-Variable Versatz in Gleichung 2 wird zum Ausgleich aller nichtlinearen Effekte eingesetzt, die nicht leicht in eine der obengenannten Kategorien eingeordnet werden können. Die Fig. 7a-7h zeigen die Zugehörigkeitsfunktionen, welche die Versatzwerte definieren. Wenn man z. B. bei einem Start bei kalter Witterung den Luftstrom über den Heizkörper 34 abblocken will, so daß sich der Motor schneller erwärmen kann, dann sollte ein Versatz gewählt werden, dessen Fuzzy-Variable die Motortemperatur ist. Der Wert für den Versatz würde mit dem üblichen Kalibrierwert und einem Wert gemischt, der den Heizkörper 34 in Abhängigkeit von der Motortemperatur vollständig abschalten würde, und zwar in der gleichen Weise, wie die Verstärkungsfaktoren je nach der Umgebungstemperatur vermischt werden.
Die Fuzzy-Variable G&sub3; in Gleichung 2 wird zum Ausgleich einer höheren Wärmeverlustrate verwendet, wenn die Außentemperatur sehr tief liegt. Man zählt dann einfach eine Regel hinzu, die besagt, daß wenn UMGEB TIEF liegt, G&sub3; hoch (in bezug auf einen Normalwert) sein soll.
All diese Eigenschaften ergeben die Vorteile einer nichtlinearen Steuerung, wie sie z. B. eine direkte Fuzzy-Logiksteuerung schaffen könnte, jedoch in einer weniger aufwendigen natürlicheren Organisation, die eine leichtere Kalibrierung und Einstellung mit dementsprechend kürzerer Entwicklungszeit ermöglicht.
Bezieht man sich nun nochmals auf die Fig. 1 und 2 in Kombination mit den Fig. 3a-3e und Fig. 4, so kann die gewünschte Gebläsegeschwindigkeit einer Kraftfahrzeug-Heiz- und Klimaanlage 20 als Funktion eines Temperaturfehlers (Temperatur im Innenraum - Soll-Temperatur) und der Motorkühlwassertemperatur (ECT) angesehen werden. Ist der Fehler nur gering, dann wird eine niedrige Gebläsegeschwindigkeit gewünscht. Ist der Fehler positiv und groß (d. h., es ist innen warm), ist eine hohe Gebläsedrehzahl zur Kühlung des Fahrgastraumes notwendig. Ist der Fehler negativ (es ist innen kalt) und der Motor ist noch kalt, ist eine kleine Drehzahl zum Entfrosten erforderlich, ist dagegen der Motor warm, wird eine hohe Drehzahl zum Heizen des Fahrgastraumes gefordert. Die Beschreibungen "kleiner Fehler", "hohe Drehzahl" usw. werden von den Zugehörigkeitsfunktionen in dem in den Fig. 3a-3e dargestellten Regelsatz bestimmt.
In den Fig. 3a-3e wird der Grad, bis zu welchem eine Regel zutrifft, anhand der Zugehörigkeitsfunktionen des Vorwertes auf der linken Seite berechnet, die von ihren jeweiligen Eingabevariablen abhängig sind. Die Zugehörigkeitsfunktionen des Folgewertes auf der rechten Seite bestimmen den Grad der Steueraktion (Gebläsedrehzahl), der anzulegen ist, wenn die Vorwert-Bedingung zutrifft.
Die heuristischen Regeln zur Bestimmung der Gebläsedrehzahl sind folgende:
1. Liegt die Innenraumtemperatur nahe an der Soll-Temperatur, ist die Gebläsedrehzahl eher niedrig;
2. Ist die Innenraumtemperatur hoch, dann ist die Gebläsedrehzahl eher hoch;
3. Ist die Umgebungstemperatur sehr hoch oder sehr niedrig, und die Innenraumtemperatur ist nahe der Soll-Temperatur, dann strebt die Gebläsedrehzahl zu einer mittleren Drehzahl;
4. Ist der Innenraum-Sollwert negativ und die Motorkühl wassertemperatur hoch, dann ist die Gebläsedrehzahl eher hoch; und
5. Ist die Umgebungstemperatur niedrig, und die Motorkühlwassertemperatur ist niedrig, dann wird eine niedrige Gebläsedrehzahl angestrebt.
Auf diese Weise ändert sich die Gebläsedrehzahl mit der Motorkühlwassertemperatur ECT (37,7-82,2ºC bzw. 100-180ºF); die Gebläsedrehzahl steigt allmählich an, um so die Restluft unbemerkt auszustoßen; und die Geräuschentwicklung des Gebläses ist aufgrund der langsamen Drehzahlzunahme kleiner.
Eine Auswertung dieser fünf Regeln ergibt die in Fig. 4 gezeigten Reaktionen. Anders ausgedrückt, Fig. 4 stellt die Ansprechflächenkarte dar, die sich aus den Regelsätzen in den Fig. 3a bis 3e ergibt. Die Gebläsedrehzahl ist eine Funktion der Motorkühlwassertemperatur (ECT) und der Differenz von Innenraumtemperatur minus Soll-Temperatur. Die Temperaturdifferenz und ECT sind in Einheiten nach Grad Fahrenheit angegeben, und die Gebläsedrehzahl ist in bezug auf die am Gebläseventilator angelegte Spannung gegeben. Diese eher nichtlineare Reaktion ergibt Sinn für jede der in den genannten Regeln beschriebenen Bedingungen, interpoliert jedoch einen glatten Übergang zwischen den Bereichen.
Fuzzy-Logik ist naturgemäß nichtlinear. Eine lineare Regelung läßt sich aber auch durch Fuzzy-Steuerung verwirklichen, und es ist möglich, die Fuzzy-Steuerung wenn gewünscht linear zu machen. Bei vielen Regelsystemen ist Nichtlinearität mit Problemen verbunden. Die sich aus der Fuzzy-Steuerung ergebenden Linearitätsabweichungen sind jedoch die ganz natürliche Folge der gewünschten Logikstrategie. Ist die Strategie für das Problem geeignet, dürfte sich keine besondere Schwierigkeit mit der sich ergebenden nichtlinearen Reaktion ergeben. Es können auch beliebige andere Methoden, wie z. B. Referenztafeln, das gleiche Ergebnis bringen, wie man es in Fig. 4 sieht. Andererseits ist die beschreibende Organisation, die zu diesem Ansprechverhalten führt, besonders leicht und verständlich im Falle von Fuzzy-Logik. Die Organisation der Steuerstrategie in Form eines Regelsatzes jedoch macht gerade eine Strategie mit Fuzzy-Logik leicht zu verstehen und einzuhalten.
Ein weiteres Merkmal des Fuzzy-Logik-Algorithmus ist, daß die Reaktion in einer beliebigen gegebenen Ecke (im vorliegenden Beispiel z. B. die Höhe der Gebläsedrehzahl zur Enteisung) separat eingestellt werden kann, ohne die Reaktionen anderswo zu beeinträchtigen. Erfordert ein bestimmter Bereich des Regelraumes besondere Beachtung, kann eine Regel zugefügt werden, um eine befriedigende Regelung zu gewährleisten, ohne die Steueraktion in anderen Bereichen des Regelraumes zu beeinträchtigen.
Betrachtet man nun noch einmal Fig. 2, so verwendet die Fuzzy-Logik-Klimasteuerung 40 vorzugsweise einen Mikroprozessor Motorola 68HC11 für ihre Berechnungen. Dieser Mikroprozessor hat 512 Byte RAM-Speicherraum und 12 Kilobyte eingebauten ROM-Speicherraum. Er arbeitet mit einem 8 Megahertz-Taktgeber, welcher eine Laufzeit von 500 Nanosekunden ergibt. Ein 8-Kanal-Analog-Digital- Wandler ist in den Mikroprozessor integriert. Vier der acht Kanäle werden zum Messen der Eingabewerte verwendet, welche von dem Steuersystem verwendet werden, nämlich: Umgebungstemperatur (aussen), Motorkühlwassertemperatur, Innenraumtemperatur und Sonneneinstrahlung. Ein weiterer Eingabewert des Systems ist die Soll- Temperatur, die von den Fahrzeuginsassen über Einstellknöpfe an der Vorderseite der Regelkonsole eingestellt werden kann. Die Systemausgänge sind: Lufteinlaßmodus, Luftaustrittsmodus (Frischluft oder Umwälzluft), Mischerklappenstellung und Gebläsedrehzahl. Letztere beiden Ausgänge haben kontinuierliche Werte, die ersten beiden dagegen diskrete Werte. Die Steuerberechnungen in der Fuzzy-Logik empfängt skalierte Eingabewerte und erzeugt einen einzigen Ausgabewert. Da vier Systemausgänge bestehen, liegen vier Regelsätze vor. Für die Ausgänge mit kontinuierlichen Werten ist der Ausgang der Fuzzy-Logik skaliert und wird direkt angewendet; für die diskreten Ausgänge werden die Ausgangsvariablen mit Schwellenwerten verglichen, welche besondere Modi oder die Herstellung besonderer Zustände des Systems bewirken.
Die Steuerung 40 wird vorzugsweise primär in C-Sprache programmiert, die in Mikroprozessor-Anweisungen umgesetzt (cross-as- sembled) wird. Jeder Fuzzy-Regelsatz ist in den Fuzzy-Motor als ein Satz von Tabellen eingegliedert, die zuvor in eine Form umgewandelt wurden, die eine effiziente Berechnung in der Laufzeit ermöglicht. Die Fuzzy-Logik-Steuerprozedur wird als Teil der Hauptschleife aufgerufen, die alle 30 Millisekunden ausgeführt wird. Der Fuzzy- Logikmotor belegt etwa 600 Byte im ROM-Speicher und benutzt während der Ausführung 12 Byte im RAM-Speicher. Die Ausführungszeit für eine Fuzzy-Berechnung beträgt im typischen Falle 20 Millisekunden.
Bezieht man sich nochmals auf Fig. 2, sind die wesentlichen Eingänge für den Fuzzy-Motor die Fahrzeuginnenraum-Temperaturdifferenz und die absolute Motorkühlwassertemperatur. Die Soll- bzw. Ziel-Temperatur erhält man aus einer linearen Kombination von Innenraum-Soll-Temperatur und den 75-Umgebungstemperatur- und Soll- Temperatur-75-Temperaturdifferenzen, zusammen mit dem Eingang vom Sonneneinstrahlungssensor. Die Ziel-Temperatur ist als diejenige Fahrzeug-Innenraumtemperatur definiert, welche das System anstrebt, um einen Fehler gleich Null zu erreichen.
Beim Betrieb mit warmem Motor beschreibt die Kurve Gebläsemotorspannung über Ziel-Temperatur einen in etwa "V"-förmige Verlauf, wobei die kleinste Gebläsespannung bei Ziel-Temperatur vorliegt. Weicht die Fahrzeug-Innenraumtemperatur von der Ziel-Temperatur ab, nimmt die Gebläsespannung zu beiden Seiten des Zielwertes zu. Durch entsprechende Gestaltung der Zugehörigkeitskurven der Eingabewerte der Fuzzy-Logik erhält man eine optimale Gebläsespannung für jede Innenraum-Ziel-Temperaturabweichung.
In der Warmlaufphase oder bei einem Kaltstart unter Heizbedingungen treten die Fuzzy-Regeln in Aktion, die ihre Eingänge aus der Motorkühlwassertemperatur erhalten. Ist die Kühlwassertemperatur ECT kleiner als CELO Temp. (43,3ºC bzw. 110ºC), wird die Gebläsespannung auf einem Minimum gehalten, und der Entfrostermodus ist aktiv. Bei CELO-Temperatur erfolgt ein Modussprung in den Mischmodus. Der Mischmodus bleibt für 10 Sekunden aktiv, dann folgt der Fußraum-Modus. Über CELO Temp. und weiter bis auf 82,2ºC bzw. 180ºF erfolgt eine allmähliche Erhöhung der Gebläseausgangsleistung, bis schließlich ein Höchstwert erreicht wird, der normalerweise bei Bedingungen mit warmem Motor vorliegt. Dieses allmäh liche Hochfahren des Gebläses wird durch die entsprechende Gestaltung der Fuzzy-Logikregeln gesteuert, welche ECT und die Temperaturdifferenz Innenraum-Ziel-Temperatur berücksichtigen.
Die Mischerklappenstrategie ist in Form einer linearen Kombination von Innenraum-Soll-Temperatur, 75-Umgebung und Soll-75 sowie der Werte für die Sonneneinstrahlung eingerichtet. Die Mischerklappen-Betätigung wird verbessert durch ein Merkmal, das bestimmte Luftaustrittstemperaturen ausschließt. Da es unerwünscht ist, warme Luft aus den Armaturenbrettkanälen und kalte Luft aus den Fußraum- Kanälen auszustoßen, wird die Mischerklappenstellung in bestimmten Positionen verriegelt, um so ungeeignete Luftaustrittstemperaturen zu vermeiden, wenn man sich den Modusübergängen nähert. Diese Verriegelungsstellungen gehen mit der Modussprunghysterese einher und ergeben eine koordinierte Steuerung zwischen Luftaustrittstemperaturen und Modussprüngen.
Zusätzlich kann zur besseren Koordination der Luftaustrittstemperaturen und der Modussprünge der Mischmodus nur im Automatikbetrieb angewählt werden, bei einer Umschaltung vom Armaturenbrett- auf den Fußraum-Modus. Bei Modusumschaltungen können die Positionen der Sekundärklappen leicht verzögert verstellt werden, so daß die Mischerklappe Zeit hat, ihre neue Ziel-Position zu erreichen, bevor effektive Modusübergänge erfolgen.
Betrachtet man nun die Fig. 5a bis 5e, kann der gewünschte Modus für die Luftführung im HVAC-System 20 als eine Funktion der Umgebungstemperatur und der Temperaturabweichung (Lineartemperatur - Soll-Temperatur) angesehen werden. Beschreibungen werden durch die Zugehörigkeitsfunktionen in dem in Fig. 5a bis Fig. 5e dargestellten heuristischen Regelsatz wie folgt definiert:
1. Liegt der Innenraum-Sollwert hoch, geht die Moduswahl eher in Richtung Armaturenbrett;
2. Liegt der Innenraum-Sollwert tief, geht die Moduswahl eher in Richtung Fußraum;
3. Liegt die Innenraumtemperatur nahe der Soll-Temperatur, geht die Moduswahl eher auf eine Mittelstellung zwischen Fußraum und Armaturenbrett;
4. Liegt der Innenraum-Sollwert tief, und die Umgebungstemperatur ist niedrig, wird eher der Modus Fußraum gewählt; und
5. Liegt der Innenraum-Sollwert hoch, und die Umgebungstemperatur ist hoch, wird eher der Modus Armaturenbrett gewählt.
Eine Auswertung dieser fünf Regeln ergibt die in Fig. 6 dargestellten Reaktionen.
Das Verfahren und System nach der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Vorteile. So kann der Komfort der Insassen z. B. einfacher über einen breiteren Bereich von Betriebsbedingungen gehalten werden. Insbesondere wird die Komfortleistung bei schwankender Umgebungstemperatur als merklich besser empfunden als bei der linearen Strategie nach dem bisherigen Stand der Technik. Fig. 14 zeigt das Ansprechverhalten des Systems auf einen gleichmäßigen Anstieg der Umgebungstemperatur, und wie stark es sich von der bestehenden linearen Strategie unterscheidet. Es stimmt mit ihr in den Extrembereichen und bei mittleren Temperaturen überein, wurde jedoch in Versuchen so abgestimmt, daß es den Komfort erhöht und in anderen Bereichen unterschiedlich reagiert.
Das System ist auch in der Lage, besonderen Kundenwünschen in bestimmten Betriebsbereichen zu entsprechen. Drehzahlschwankungen des Gebläses werden damit abgeschafft, womit auch das Problem der ungleichförmigen Gebläsegeräusche abnimmt. Ein anderer Bereich von Kundenwünschen, nämlich der des Einsetzens der Gebläsedrehzahl bei kaltem Wetter, wurde oben bereits besprochen. Das Verfahren und das System paßt sich dem allmählichen Temperaturanstieg des Motorkühlwassers an, indem es die Gebläsedrehzahl langsam steigert, dem System erlaubt, die restliche Kaltluft unbemerkt aus den Kanälen auszustoßen, und das Gebläse allmählich auf seine in den Fig. 3a-3e dargestellte Idealdrehzahl zu bringen. Der Verlauf der Kurve des Gebläsedrehzahlanstieges kann durch Anpassen der Zugehörigkeitsfunktionen in den Fig. 3a-3e auf den jeweiligen Bedarf zugeschnitten werden.
Der Einsatz der vorliegenden Erfindung in einer Steuerstrategie für Klimaanlagen ergibt einen erhöhten Komfort für die Insassen. Die Möglichkeit, eine allmähliche nichtlineare Reaktion maßzu schneidern, erlaubt die Ausbildung einer Strategie, welche bestimmten Situationen gerecht werden kann, die bisher nicht sehr elegant gelöst wurden. Insbesondere sind solche heiklen Punkte wie die Gebläsedrehzahlzunahme während des Warmlaufens bei kalter Witterung und der Ausgleich der Umgebungstemperatur durch den geeigneten Einsatz der zusätzlichen Flexibilität verbessert worden, welche die vorliegende Erfindung bietet.
Neue Fahrzeugprogramme und die Erfordernisse gleichzeitiger Konstruktionsarbeit lassen immer weniger Zeit zur Entwicklung neuer automatischer Klimaregelungsstrategien. Folglich sollte die Regelstrategie zur gleichen Zeit entwickelt werden, in der auch das HVAC-System o. Heiz- und Klimatisierungssystem konstruiert wird. Der Aufbau und die Flexibilität der vorliegenden Erfindung erlauben die Entwicklung einer Reihe von Regelgrundsätzen, bevor die Merkmale des HVAC-Systems überhaupt festgelegt sind.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Steuerung einer Heiz-, Ventilations- und Klimaanlage (HVAC) für ein Fahrzeug, welche einen Luftstrom in einen Fahrgastraum des Fahrzeuges einleitet, wobei das System ein Gebläse mit regelbarer Drehzahl aufweist, Mittel zur Veränderung der Lufttemperatur, Kanäle, Stellglieder mit verschiedenen Steuerstellungen zur Steuerung der Richtung des Luftstromes und des Verhältnisses zwischen frischer und umgewälzter Luft, und Sensoren zum Erfassen der Temperatur im Fahrgastraum, der Umgebungstemperatur und einer Ziel-Soll-Temperatur, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bestimmen der Differenz zwischen der Temperatur innerhalb des Fahrgastraumes und der Ziel-Soll-Temperatur zur Erzielung eines Differenzsignales;

Bestimmen von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und der Gebläsedrehzahl und zwischen dem Differenzsignal und den Steuerstellungen der Stellglieder; und

Erzeugen von Steuersignalen zur Einstellung der Positionen der Stellglieder und der Gebläsedrehzahl, so daß das System Luft in den Fahrgastraum einleitet, deren Temperatur und Durchflußmenge auf dem Differenzsignal, den Zugehörigkeitsfunktionen und den Fuzzy -Regeln basieren,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren einen Steueralgorithmus zur Berechnung einer Fuzzy-Variablen beinhaltet, die anhand der Umgebungstemperatur und des besagten Differenzsignals aufbereitet ist, so daß die Position einer im System enthaltenen Temperaturmischerklappe verändert werden kann, so daß die Austrittstemperatur des besagten Luftstromes geregelt wird, wobei der Steueralgorithmus derart wirkt, daß er besagte Austrittstemperatur unter der unteren Grenze eines auszuschließenden Temperaturbereiches hält, wenn er sich diesem Bereich von unten her nähert, und daß er die besagte Austrittstemperatur über dem auszuschließenden Bereich hält, wenn er sich diesem von oben her nähert, so daß die Relation zwischen besagter Austrittstemperatur und der Mischerklappenstellung einer Hystereseschleife folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem den Schritt der Erstellung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und den Steuerstellungen der Stellglieder aufweisend, und worin der Schritt der Erzeugung auch auf der Umgebungstemperatur basiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem den Schritt der Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und der Gebläsedrehzahl aufweisend, und worin der Schritt der Erzeugung auch auf der Umgebungstemperatur basiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin einer der Sensoren die Temperatur der Sonneneinstrahlung erfaßt, und worin das Verfahren außerdem den Schritt der Erstellung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Temperatur der Sonneneinstrahlung und den Steuerpositionen der Stellglieder beinhaltet, und worin der Schritt der Erzeugung auch auf der Temperatur der Sonneneinstrahlung basiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin einer der Sensoren die Motortemperatur erfaßt, und worin das Verfahren außerdem den Schritt der Erstellung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy- Regeln zwischen Motortemperatur und Gebläsedrehzahl enthält, und worin der Schritt der Erzeugung auch auf der Motortemperatur basiert.

6. Regelsystem zur automatischen Regelung eines Heiz-, Ventilations- und Klimasystems (HVAC) für ein Fahrzeug, welches einen Luftstrom in einen Fahrgastraum des Fahrzeuges einleitet, wobei das HVAC-System ein Gebläse (30, 32) mit regelbarer Drehzahl aufweist, Mittel zur Veränderung der Lufttemperatur, Kanäle (38), Stellglie der (22, 24, 26, 28) mit verschiedenen Steuerstellungen zur Steuerung der Richtung des Luftstromes und des Verhältnisses zwischen frischer und umgewälzter Luft, und Sensoren zum Erfassen der Temperatur im Fahrgastraum, der Umgebungstemperatur und einer Ziel- Soll-Temperatur, wobei das System noch folgendes aufweist:

Mittel (42) zur Bestimmung einer Differenz zwischen der Temperatur im Innenraum und der Ziel-Soll-Temperatur zur Ermittlung eines Differenzsignales;

Mittel (40, 46) zur Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen dem Differenzsignal und der Gebläsedrehzahl und zwischen dem Differenzsignal und den Steuerstellungen der Stellglieder; und

Mittel (44) zur Erzeugung von Steuersignalen zur Steuerung der Positionen der Stellglieder (22, 24, 28) und der Gebläsedrehzahl (32), so daß das HVAC-System Luft in den Fahrgastraum einleitet, deren Temperatur und Durchflußmenge auf dem Differenzsignal, den Zugehörigkeitsfunktionen und den Fuzzy-Regeln basieren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steueralgorithmus zur Berechnung einer Fuzzy-Variablen eingesetzt wird, die anhand der Umgebungstemperatur und des besagten Differenzsignals erstellt wird, so daß die Stellung einer Temperaturmischerklappe (26) in dem System derart verändert wird, daß die Austrittstemperatur des besagten Luftstromes geregelt wird, wobei der Steueralgorithmus derart wirksam ist, daß er besagte Austrittstemperatur unter der unteren Grenze eines auszuschließenden Temperaturbereiches hält, wenn er sich diesem Bereich von unten her nähert, und daß er die besagte Austrittstemperatur über dem auszuschließenden Bereich hält, wenn er sich diesem von oben her nähert, so daß die Relation zwischen besagter Austrittstemperatur und der Mischerklappenstellung einer Hystereseschleife folgt.

7. System nach Anspruch 6, worin einer der Sensoren die Motortemperatur erfaßt, und worin das System außerdem Mittel zur Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Motortemperatur und der Gebläsedrehzahl enthält, und worin die Mittel zur Erzeugung die Steuersignale auch anhand der Motortemperatur erzeugen.

8. System nach Anspruch 6, außerdem Mittel zur Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und den Steuerpositionen der Stellglieder aufweisend, und worin die Mittel zur Erzeugung die Steuersignale auch anhand der Umgebungstemperatur erzeugen.

9. System nach Anspruch 6, worin einer der Sensoren die Temperatur der Sonneneinstrahlung erfaßt, und worin das System des weiteren Mittel zur Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Temperatur der Sonneneinstrahlung und den Steuerpositionen der Stellglieder umfaßt, und worin die Mittel zur Erzeugung die Steuersignale auch anhand der Temperatur der Sonneneinstrahlung erzeugen.

10. System nach Anspruch 6, außerdem Mittel zur Bestimmung von Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Regeln zwischen der Umgebungstemperatur und der Gebläsedrehzahl beinhaltend, und worin die Mittel zur Erzeugung die Steuersignale auch anhand der Umgebungstemperatur erzeugen.