用于創建調節器的非線性模型的計算模型的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于確定調節系統（1）的計算模型的方法，調節系統尤其是為用于控制內燃機的氣體質量流的調節器，該方法具有如下步驟：提供具有至少一個非線性表現的差分方程組；分解（S1）該差分方程組，以便得到可通過線性差分方程式描述的線性部分和可通過非線性差分方程式描述的非線性部分；借助第一離散化方法來將差分方程組的線性部分離散化（S2），以便獲得離散化后的非線性部分的計算模型；借助第二離散化方法來將差分方程組的非線性部分離散化（S3），以便獲得離散化后的線性部分的計算模型；將差分方程組的離散化后的線性部分和離散化后的非線性部分的計算模型組合（S5），以便獲得調節系統（1）的計算模型。
【專利說明】用于創建調節器的非線性模型的計算模型的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于創建物理系統尤其是用于控制發動機系統中的氣體質量流的調節器的計算模型的方法。
【背景技術】
[0002]為了設計調節器和用于調節機電一體化致動器系統譬如用于內燃機中的節流閥的調節器，以及為了其計算機仿真，通常創建差分方程組，其映射其物理特性。盡管使用簡化函數來映射摩擦等，但差分方程組是非線性的。
[0003]此外，不連續譬如在復位彈簧等(即具有分區域不同的特征的復位彈簧)的非線性彈簧特征曲線中是特別的挑戰，其目前只能在較大困難度下在所基于的差分方程組中映射。
[0004]此外，這些方程式必須為了計算而在時間上被離散化，以便獲得計算模型。離散化常常導致數學上不可解的方程組，方程組因此必須迭代地即通常利用高時間開銷來求解。這通常對于實時應用而言是不可接受的，因為例如用于內燃機的控制設備僅具有有限的計算能力。
[0005]對映射物理系統的計算模型的另一要求在于足夠的精度，因為要不然會出現不期望的效果，譬如在調節時的振動或在將計算模型用于診斷目的時的誤診斷。
[0006]通常，描述物理系統的非線性方程式并不能利用常用的顯式離散化方法來穩定地離散化。因此，為了使控制設備中的計算開銷最小化，常常進行簡化。例如，基于簡單摩擦模型或忽略執行器驅動的電感。
[0007]印刷物US 6，668，214描述了一種借助模型在考慮時滯的情況下的自適應調節，由此要代替調節驅動裝置的摩擦和電感。
[0008]印刷物:S.Kopf 等人的 “Automatic model-based Controller design for anelectronic throttle (電子節流閥的基于模型的自動控制器設計)”(達姆施塔特理工大學和IAV ACC 2010年，慕尼黑)，為了模型化調節系統使用簡單滑動摩擦模型。
[0009]印刷物:Z.Rem 等人的 “On methods for automatic modelling of dynamicsystems with friction and their application to electromechanical throttles(動帶有摩擦的的動態系統的自動模型化方法及其在機電節流閥的應用)”(第49屆IEEEConference on Decision and Control, 2010 年 12 月 15 至 17 日)公開了一種帶有簡化模型的調節器，該調節器可以簡單離散化。然而，在此也可以忽略電感并且將復位彈簧假定為簡單的復位彈簧。
[0010]在印刷物DE 10 2008 043 965中公開了空氣系統模型的隱式離散化。
【發明內容】
[0011]根據本發明，設計了一種根據權利要求1的用于創建用于調節系統的非線性模型的計算模型的方法以及一種根據并列權利要求的設備、發動機系統、計算機程序和計算機程序產品。
[0012]此外，本發明的其他有利擴展方案在從屬權利要求中予以說明。
[0013]根據第一方面，設計一種用于創建用于調節系統尤其用于控制內燃機的氣體質量流的調節器的計算模型的方法。該方法包括如下步驟:
-提供具有至少一個非線性表現的差分方程組；
-分解該差分方程組，以便得到可通過線性差分方程式描述的線性部分和可通過非線性差分方程式描述的非線性部分；
-借助第一離散化方法來將差分方程組的線性部分離散化，以便獲得離散化后的線性部分的計算模型；
-借助第二離散化方法將差分方程組的非線性部分離散化；
-將差分方程組的離散化后的線性部分和離散化后的非線性部分的計算模型組合，以便獲得調節系統的計算模型。
[0014]上述方法的構思在于，盡可能不簡化映射物理模型的差分方程組并且將其分解成線性部分和非線性部分。線性部分和非線性部分于是可以彼此獨立地求解。這能夠實現在不簡化的情況下也將物理模型離散化并且在具有有限計算能力的控制設備中實施。未簡化的模型的使用具有如下優點，可以減小振蕩的危險和診斷的不精確性。
[0015]此外，差分方程組的非線性表現可能是由于調節器的調節環節的摩擦特性和靜摩擦特性和/或由于調節系統的部件的非連續的特征曲線而引起的。
[0016]此外可以設計為，第一離散化方法對應于Tustin方法和/或第二離散化方法對應于隱式方法，尤其是隱式歐拉方法。
[0017]根據一種實施形式，第一離散化方法可以對應于Tustin方法，其中由Tustin方法得到的用于離散化后的線性部分的計算模型的超前通過考慮dT/2的延遲來補償。
[0018]可以設計為，所獲得的調節系統的計算模型通過迭代方法來求解。
[0019]可以確定區間，在該區間中存在調節系統的計算模型的解，其中所獲得的調節系統的計算模型通過迭代方法在該區間內求解。
[0020]根據另一方面，設計一種設備，尤其是計算單元，用于確定調節系統尤其是用于控制內燃機的氣體質量流的調節器的計算模型，其中該設備被構造為:
-提供具有至少一個非線性表現的差分方程組；
-分解該差分方程組，以便得到可通過線性差分方程式描述的部分和可通過非線性差分方程式描述的非線性部分；
-借助第一離散化方法來將差分方程組的線性部分離散化，以便獲得離散化后的線性部分的計算模型；
-借助第二離散化方法將差分方程組的非線性部分離散化；
-將差分方程組的離散化后的線性部分和離散化后的非線性部分的計算模型組合，以便獲得調節系統的計算模型。
[0021]根據另一方面，設置有發動機系統，其具有內燃機、用于調節氣體質量流的調節系統和控制設備，其中根據上述方法所確定的用于調節系統的計算模型使用在控制設備中。
[0022]根據另一方面，該計算機程序設置有程序代碼介質，以便當計算機程序在計算機或相應的計算單元上尤其是在上述設備中實施時執行上述方法的所有步驟。[0023]根據另一方面，設計了一種計算機程序，其包含程序代碼，程序代碼存儲在計算機可讀的數據載體上，并且程序代碼在其在數據處理裝置上實施時執行上述方法。
【發明內容】
[0024]本發明的優選的實施例以下借助附圖予以詳細闡述。其中:
圖1示出了要模型化的物理系統的節流閥調節器的示意圖；
圖2示出了用于闡明創建映射圖1的物理模型的特性的計算模型的方法的流程圖；以
及 圖3示出了用于闡明圖1的調節系統的復位彈簧的彈簧特征曲線的曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了用于對調節環節2的位置進行調節的調節系統I。以下借助節流閥閥調節器描述了用于創建盡可能精確地映射調節系統I的物理模型并且例如適于使用在具有有限計算機容量的控制設備中的計算模型的方法，其中該節流閥調節器可以將節流閥作為調節環節2進行調節。然而也可能的是，下述方法應用于其他調節系統，其物理特性可通過非線性的差分方程式來描述。
[0026]調節環節2借助調節驅動器3來運動。調節驅動器3可以被構造為電磁致動器，該致動器例如可以被構造為直流電動機、電子換向電動機或步進電動機。借助位置傳感器4可以檢測和分析實際由調節環節2占據的位置。
[0027]調節驅動器3由控制設備10激勵，以便駛向調節環節2的確定位置。為了實施用于調節環節2的支承調節，控制單元10從位置傳感器4獲得關于實際位置的反饋，即調節環節2的實際位置以及關于調節轉矩的說明，例如通過由調節驅動器3所吸收的電流的電流說明。
[0028]尤其是在使用支承調節的觀察模型的情況下以及為了診斷支承調節，用于物理調節系統I的計算模型可以在控制單元10中實施。例如，如果由位置傳感器4提供的位置信號對于導數具有過小的解，則調節系統I的調節速度也可以借助計算模型來計算。此外，尤其是對于整個系統的運行而言在敏感區域中需要對調節系統I的功能進行監控，其方式是借助計算模型執行對調節系統I的功能的釋然性檢驗。
[0029]對于上述調節系統I的模型化而言使用如下方程式:
【權利要求】
1.一種用于確定調節系統(I)的計算模型I的方法，調節系統尤其是為用于控制內燃機的氣體質量流的調節器，該方法具有如下步驟: -提供具有至少一個非線性表現的差分方程組； -分解(Si)該差分方程組，以便得到可通過線性差分方程式描述的線性部分和可通過非線性差分方程式描述的非線性部分； -借助第一離散化方法來將差分方程組的線性部分離散化(S2)，以便獲得離散化后的線性部分的計算模型； -借助第二離散化方法來將差分方程組的非線性部分離散化(S3)，以便獲得離散化后的非線性部分的計算模型； -將差分方程組的離散化后的線性部分和離散化后的非線性部分的計算模型組合(S5)，以便獲得調節系統(I)的計算模型。
2.根據權利 要求1所述的方法，其中，差分方程組的非線性表現是由于調節器的調節環節(2)的摩擦特性和靜摩擦特性和/或由于調節系統(I)的部件的非線性的特征曲線而引起的。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，第一離散化方法對應于Tustin方法和/或第二離散化方法對應于隱式方法。
4.根據權利要求1或3所述的方法，其中，第一離散化方法對應于Tustin方法，并且其中由Tustin方法得到的用于離散化后的線性部分的計算模型的超前通過考慮dT/2的延遲來補償(S3)。
5.根據權利要求1或4所述的方法，其中所獲得的用于調節系統(I)的計算模型通過迭代方法來求解。
6.根據權利要求5所述的方法，其中確定區間，在該區間中存在調節系統(I)的計算模型的解，并且其中所獲得的調節系統(I)的計算模型通過迭代方法在該區間內求解。
7.一種設備，尤其是計算單元，用于確定調節系統(I)的計算模型，所述調節系統尤其是用于控制內燃機的氣體質量流的調節器，其中該設備被構造為: -提供具有至少一個非線性表現的差分方程組； -分解該差分方程組，以便得到可通過線性差分方程式描述的線性部分和可通過非線性差分方程式描述的非線性部分； -借助第一離散化方法來將差分方程組的線性部分離散化，以便獲得離散化后的線性部分的計算模型； -借助第二離散化方法來將差分方程組的非線性部分離散化，以便獲得離散化后的非線性部分的計算模型；以及 -將差分方程組的離散化后的線性部分和離散化后的非線性部分的計算模型組合，以便獲得調節系統(I)的計算模型。
8.一種發動機系統，其具有:內燃機、用于調節氣體質量流的調節系統(I)和控制設備(1)，其中用于調節系統(I)的計算模型使用在控制設備中，所述計算模型根據權利要求1至6之一所述的方法來確定。
9.一種計算機程序，其具有程序代碼介質，以便當計算機程序在計算機或相應的計算單元上尤其是在根據權利要求7的設備上實施時執行根據權利要求1至6之一所述的方法的所有步驟。
10.一種計算機程序產品，其包含程序代碼，程序代碼存儲在計算機可讀數據載體上并且程序代碼在其實施在 數據處理裝置上時執行根據權利要求1至6之一所述的方法。
【文檔編號】G05B13/00GK103454912SQ201310215018
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年6月3日 優先權日:2012年6月4日
【發明者】A.瓦格納, R.比爾勒 申請人:羅伯特·博世有限公司