用于创建调节器的非线性模型的计算模型的方法和设备的制作方法
用于创建调节器的非线性模型的计算模型的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定调节系统（1）的计算模型的方法，调节系统尤其是为用于控制内燃机的气体质量流的调节器，该方法具有如下步骤：提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；分解（S1）该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化（S2），以便获得离散化后的非线性部分的计算模型；借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化（S3），以便获得离散化后的线性部分的计算模型；将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合（S5），以便获得调节系统（1）的计算模型。
【专利说明】用于创建调节器的非线性模型的计算模型的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于创建物理系统尤其是用于控制发动机系统中的气体质量流的调节器的计算模型的方法。
【背景技术】
[0002]为了设计调节器和用于调节机电一体化致动器系统譬如用于内燃机中的节流阀的调节器，以及为了其计算机仿真，通常创建差分方程组，其映射其物理特性。尽管使用简化函数来映射摩擦等，但差分方程组是非线性的。
[0003]此外，不连续譬如在复位弹簧等(即具有分区域不同的特征的复位弹簧)的非线性弹簧特征曲线中是特别的挑战，其目前只能在较大困难度下在所基于的差分方程组中映射。
[0004]此外，这些方程式必须为了计算而在时间上被离散化，以便获得计算模型。离散化常常导致数学上不可解的方程组，方程组因此必须迭代地即通常利用高时间开销来求解。这通常对于实时应用而言是不可接受的，因为例如用于内燃机的控制设备仅具有有限的计算能力。
[0005]对映射物理系统的计算模型的另一要求在于足够的精度，因为要不然会出现不期望的效果，譬如在调节时的振动或在将计算模型用于诊断目的时的误诊断。
[0006]通常，描述物理系统的非线性方程式并不能利用常用的显式离散化方法来稳定地离散化。因此，为了使控制设备中的计算开销最小化，常常进行简化。例如，基于简单摩擦模型或忽略执行器驱动的电感。
[0007]印刷物US 6，668，214描述了一种借助模型在考虑时滞的情况下的自适应调节，由此要代替调节驱动装置的摩擦和电感。
[0008]印刷物:S.Kopf 等人的 “Automatic model-based Controller design for anelectronic throttle (电子节流阀的基于模型的自动控制器设计)”(达姆施塔特理工大学和IAV ACC 2010年，慕尼黑)，为了模型化调节系统使用简单滑动摩擦模型。
[0009]印刷物:Z.Rem 等人的 “On methods for automatic modelling of dynamicsystems with friction and their application to electromechanical throttles(动带有摩擦的的动态系统的自动模型化方法及其在机电节流阀的应用)”(第49届IEEEConference on Decision and Control, 2010 年 12 月 15 至 17 日)公开了一种带有简化模型的调节器，该调节器可以简单离散化。然而，在此也可以忽略电感并且将复位弹簧假定为简单的复位弹簧。
[0010]在印刷物DE 10 2008 043 965中公开了空气系统模型的隐式离散化。
【发明内容】
[0011]根据本发明，设计了一种根据权利要求1的用于创建用于调节系统的非线性模型的计算模型的方法以及一种根据并列权利要求的设备、发动机系统、计算机程序和计算机程序产品。
[0012]此外，本发明的其他有利扩展方案在从属权利要求中予以说明。
[0013]根据第一方面，设计一种用于创建用于调节系统尤其用于控制内燃机的气体质量流的调节器的计算模型的方法。该方法包括如下步骤:
-提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；
-分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；
-借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型；
-借助第二离散化方法将差分方程组的非线性部分离散化；
-将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统的计算模型。
[0014]上述方法的构思在于，尽可能不简化映射物理模型的差分方程组并且将其分解成线性部分和非线性部分。线性部分和非线性部分于是可以彼此独立地求解。这能够实现在不简化的情况下也将物理模型离散化并且在具有有限计算能力的控制设备中实施。未简化的模型的使用具有如下优点，可以减小振荡的危险和诊断的不精确性。
[0015]此外，差分方程组的非线性表现可能是由于调节器的调节环节的摩擦特性和静摩擦特性和/或由于调节系统的部件的非连续的特征曲线而引起的。
[0016]此外可以设计为，第一离散化方法对应于Tustin方法和/或第二离散化方法对应于隐式方法，尤其是隐式欧拉方法。
[0017]根据一种实施形式，第一离散化方法可以对应于Tustin方法，其中由Tustin方法得到的用于离散化后的线性部分的计算模型的超前通过考虑dT/2的延迟来补偿。
[0018]可以设计为，所获得的调节系统的计算模型通过迭代方法来求解。
[0019]可以确定区间，在该区间中存在调节系统的计算模型的解，其中所获得的调节系统的计算模型通过迭代方法在该区间内求解。
[0020]根据另一方面，设计一种设备，尤其是计算单元，用于确定调节系统尤其是用于控制内燃机的气体质量流的调节器的计算模型，其中该设备被构造为:
-提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；
-分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；
-借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型；
-借助第二离散化方法将差分方程组的非线性部分离散化；
-将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统的计算模型。
[0021]根据另一方面，设置有发动机系统，其具有内燃机、用于调节气体质量流的调节系统和控制设备，其中根据上述方法所确定的用于调节系统的计算模型使用在控制设备中。
[0022]根据另一方面，该计算机程序设置有程序代码介质，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上尤其是在上述设备中实施时执行上述方法的所有步骤。[0023]根据另一方面，设计了一种计算机程序，其包含程序代码，程序代码存储在计算机可读的数据载体上，并且程序代码在其在数据处理装置上实施时执行上述方法。
【发明内容】
[0024]本发明的优选的实施例以下借助附图予以详细阐述。其中:
图1示出了要模型化的物理系统的节流阀调节器的示意图；
图2示出了用于阐明创建映射图1的物理模型的特性的计算模型的方法的流程图；以
及 图3示出了用于阐明图1的调节系统的复位弹簧的弹簧特征曲线的曲线图。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了用于对调节环节2的位置进行调节的调节系统I。以下借助节流阀阀调节器描述了用于创建尽可能精确地映射调节系统I的物理模型并且例如适于使用在具有有限计算机容量的控制设备中的计算模型的方法，其中该节流阀调节器可以将节流阀作为调节环节2进行调节。然而也可能的是，下述方法应用于其他调节系统，其物理特性可通过非线性的差分方程式来描述。
[0026]调节环节2借助调节驱动器3来运动。调节驱动器3可以被构造为电磁致动器，该致动器例如可以被构造为直流电动机、电子换向电动机或步进电动机。借助位置传感器4可以检测和分析实际由调节环节2占据的位置。
[0027]调节驱动器3由控制设备10激励，以便驶向调节环节2的确定位置。为了实施用于调节环节2的支承调节，控制单元10从位置传感器4获得关于实际位置的反馈，即调节环节2的实际位置以及关于调节转矩的说明，例如通过由调节驱动器3所吸收的电流的电流说明。
[0028]尤其是在使用支承调节的观察模型的情况下以及为了诊断支承调节，用于物理调节系统I的计算模型可以在控制单元10中实施。例如，如果由位置传感器4提供的位置信号对于导数具有过小的解，则调节系统I的调节速度也可以借助计算模型来计算。此外，尤其是对于整个系统的运行而言在敏感区域中需要对调节系统I的功能进行监控，其方式是借助计算模型执行对调节系统I的功能的释然性检验。
[0029]对于上述调节系统I的模型化而言使用如下方程式:
【权利要求】
1.一种用于确定调节系统(I)的计算模型I的方法，调节系统尤其是为用于控制内燃机的气体质量流的调节器，该方法具有如下步骤: -提供具有至少一个非线性表现的差分方程组； -分解(Si)该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分； -借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化(S2)，以便获得离散化后的线性部分的计算模型； -借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化(S3)，以便获得离散化后的非线性部分的计算模型； -将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合(S5)，以便获得调节系统(I)的计算模型。
2.根据权利 要求1所述的方法，其中，差分方程组的非线性表现是由于调节器的调节环节(2)的摩擦特性和静摩擦特性和/或由于调节系统(I)的部件的非线性的特征曲线而引起的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一离散化方法对应于Tustin方法和/或第二离散化方法对应于隐式方法。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，第一离散化方法对应于Tustin方法，并且其中由Tustin方法得到的用于离散化后的线性部分的计算模型的超前通过考虑dT/2的延迟来补偿(S3)。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中所获得的用于调节系统(I)的计算模型通过迭代方法来求解。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定区间，在该区间中存在调节系统(I)的计算模型的解，并且其中所获得的调节系统(I)的计算模型通过迭代方法在该区间内求解。
7.一种设备，尤其是计算单元，用于确定调节系统(I)的计算模型，所述调节系统尤其是用于控制内燃机的气体质量流的调节器，其中该设备被构造为: -提供具有至少一个非线性表现的差分方程组； -分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分； -借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型； -借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化，以便获得离散化后的非线性部分的计算模型；以及 -将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统(I)的计算模型。
8.一种发动机系统，其具有:内燃机、用于调节气体质量流的调节系统(I)和控制设备(1)，其中用于调节系统(I)的计算模型使用在控制设备中，所述计算模型根据权利要求1至6之一所述的方法来确定。
9.一种计算机程序，其具有程序代码介质，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上尤其是在根据权利要求7的设备上实施时执行根据权利要求1至6之一所述的方法的所有步骤。
10.一种计算机程序产品，其包含程序代码，程序代码存储在计算机可读数据载体上并且程序代码在其实施在 数据处理装置上时执行根据权利要求1至6之一所述的方法。
【文档编号】G05B13/00GK103454912SQ201310215018
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月4日
【发明者】A.瓦格纳, R.比尔勒 申请人:罗伯特·博世有限公司
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定调节系统（1）的计算模型的方法，调节系统尤其是为用于控制内燃机的气体质量流的调节器，该方法具有如下步骤：提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；分解（S1）该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化（S2），以便获得离散化后的非线性部分的计算模型；借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化（S3），以便获得离散化后的线性部分的计算模型；将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合（S5），以便获得调节系统（1）的计算模型。
【专利说明】用于创建调节器的非线性模型的计算模型的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于创建物理系统尤其是用于控制发动机系统中的气体质量流的调节器的计算模型的方法。
【背景技术】
[0002]为了设计调节器和用于调节机电一体化致动器系统譬如用于内燃机中的节流阀的调节器，以及为了其计算机仿真，通常创建差分方程组，其映射其物理特性。尽管使用简化函数来映射摩擦等，但差分方程组是非线性的。
[0003]此外，不连续譬如在复位弹簧等(即具有分区域不同的特征的复位弹簧)的非线性弹簧特征曲线中是特别的挑战，其目前只能在较大困难度下在所基于的差分方程组中映射。
[0004]此外，这些方程式必须为了计算而在时间上被离散化，以便获得计算模型。离散化常常导致数学上不可解的方程组，方程组因此必须迭代地即通常利用高时间开销来求解。这通常对于实时应用而言是不可接受的，因为例如用于内燃机的控制设备仅具有有限的计算能力。
[0005]对映射物理系统的计算模型的另一要求在于足够的精度，因为要不然会出现不期望的效果，譬如在调节时的振动或在将计算模型用于诊断目的时的误诊断。
[0006]通常，描述物理系统的非线性方程式并不能利用常用的显式离散化方法来稳定地离散化。因此，为了使控制设备中的计算开销最小化，常常进行简化。例如，基于简单摩擦模型或忽略执行器驱动的电感。
[0007]印刷物US 6，668，214描述了一种借助模型在考虑时滞的情况下的自适应调节，由此要代替调节驱动装置的摩擦和电感。
[0008]印刷物:S.Kopf 等人的 “Automatic model-based Controller design for anelectronic throttle (电子节流阀的基于模型的自动控制器设计)”(达姆施塔特理工大学和IAV ACC 2010年，慕尼黑)，为了模型化调节系统使用简单滑动摩擦模型。
[0009]印刷物:Z.Rem 等人的 “On methods for automatic modelling of dynamicsystems with friction and their application to electromechanical throttles(动带有摩擦的的动态系统的自动模型化方法及其在机电节流阀的应用)”(第49届IEEEConference on Decision and Control, 2010 年 12 月 15 至 17 日)公开了一种带有简化模型的调节器，该调节器可以简单离散化。然而，在此也可以忽略电感并且将复位弹簧假定为简单的复位弹簧。
[0010]在印刷物DE 10 2008 043 965中公开了空气系统模型的隐式离散化。
【发明内容】
[0011]根据本发明，设计了一种根据权利要求1的用于创建用于调节系统的非线性模型的计算模型的方法以及一种根据并列权利要求的设备、发动机系统、计算机程序和计算机程序产品。
[0012]此外，本发明的其他有利扩展方案在从属权利要求中予以说明。
[0013]根据第一方面，设计一种用于创建用于调节系统尤其用于控制内燃机的气体质量流的调节器的计算模型的方法。该方法包括如下步骤:
-提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；
-分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；
-借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型；
-借助第二离散化方法将差分方程组的非线性部分离散化；
-将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统的计算模型。
[0014]上述方法的构思在于，尽可能不简化映射物理模型的差分方程组并且将其分解成线性部分和非线性部分。线性部分和非线性部分于是可以彼此独立地求解。这能够实现在不简化的情况下也将物理模型离散化并且在具有有限计算能力的控制设备中实施。未简化的模型的使用具有如下优点，可以减小振荡的危险和诊断的不精确性。
[0015]此外，差分方程组的非线性表现可能是由于调节器的调节环节的摩擦特性和静摩擦特性和/或由于调节系统的部件的非连续的特征曲线而引起的。
[0016]此外可以设计为，第一离散化方法对应于Tustin方法和/或第二离散化方法对应于隐式方法，尤其是隐式欧拉方法。
[0017]根据一种实施形式，第一离散化方法可以对应于Tustin方法，其中由Tustin方法得到的用于离散化后的线性部分的计算模型的超前通过考虑dT/2的延迟来补偿。
[0018]可以设计为，所获得的调节系统的计算模型通过迭代方法来求解。
[0019]可以确定区间，在该区间中存在调节系统的计算模型的解，其中所获得的调节系统的计算模型通过迭代方法在该区间内求解。
[0020]根据另一方面，设计一种设备，尤其是计算单元，用于确定调节系统尤其是用于控制内燃机的气体质量流的调节器的计算模型，其中该设备被构造为:
-提供具有至少一个非线性表现的差分方程组；
-分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分；
-借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型；
-借助第二离散化方法将差分方程组的非线性部分离散化；
-将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统的计算模型。
[0021]根据另一方面，设置有发动机系统，其具有内燃机、用于调节气体质量流的调节系统和控制设备，其中根据上述方法所确定的用于调节系统的计算模型使用在控制设备中。
[0022]根据另一方面，该计算机程序设置有程序代码介质，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上尤其是在上述设备中实施时执行上述方法的所有步骤。[0023]根据另一方面，设计了一种计算机程序，其包含程序代码，程序代码存储在计算机可读的数据载体上，并且程序代码在其在数据处理装置上实施时执行上述方法。
【发明内容】
[0024]本发明的优选的实施例以下借助附图予以详细阐述。其中:
图1示出了要模型化的物理系统的节流阀调节器的示意图；
图2示出了用于阐明创建映射图1的物理模型的特性的计算模型的方法的流程图；以
及 图3示出了用于阐明图1的调节系统的复位弹簧的弹簧特征曲线的曲线图。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了用于对调节环节2的位置进行调节的调节系统I。以下借助节流阀阀调节器描述了用于创建尽可能精确地映射调节系统I的物理模型并且例如适于使用在具有有限计算机容量的控制设备中的计算模型的方法，其中该节流阀调节器可以将节流阀作为调节环节2进行调节。然而也可能的是，下述方法应用于其他调节系统，其物理特性可通过非线性的差分方程式来描述。
[0026]调节环节2借助调节驱动器3来运动。调节驱动器3可以被构造为电磁致动器，该致动器例如可以被构造为直流电动机、电子换向电动机或步进电动机。借助位置传感器4可以检测和分析实际由调节环节2占据的位置。
[0027]调节驱动器3由控制设备10激励，以便驶向调节环节2的确定位置。为了实施用于调节环节2的支承调节，控制单元10从位置传感器4获得关于实际位置的反馈，即调节环节2的实际位置以及关于调节转矩的说明，例如通过由调节驱动器3所吸收的电流的电流说明。
[0028]尤其是在使用支承调节的观察模型的情况下以及为了诊断支承调节，用于物理调节系统I的计算模型可以在控制单元10中实施。例如，如果由位置传感器4提供的位置信号对于导数具有过小的解，则调节系统I的调节速度也可以借助计算模型来计算。此外，尤其是对于整个系统的运行而言在敏感区域中需要对调节系统I的功能进行监控，其方式是借助计算模型执行对调节系统I的功能的释然性检验。
[0029]对于上述调节系统I的模型化而言使用如下方程式:
【权利要求】
1.一种用于确定调节系统(I)的计算模型I的方法，调节系统尤其是为用于控制内燃机的气体质量流的调节器，该方法具有如下步骤: -提供具有至少一个非线性表现的差分方程组； -分解(Si)该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分； -借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化(S2)，以便获得离散化后的线性部分的计算模型； -借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化(S3)，以便获得离散化后的非线性部分的计算模型； -将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合(S5)，以便获得调节系统(I)的计算模型。
2.根据权利 要求1所述的方法，其中，差分方程组的非线性表现是由于调节器的调节环节(2)的摩擦特性和静摩擦特性和/或由于调节系统(I)的部件的非线性的特征曲线而引起的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一离散化方法对应于Tustin方法和/或第二离散化方法对应于隐式方法。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，第一离散化方法对应于Tustin方法，并且其中由Tustin方法得到的用于离散化后的线性部分的计算模型的超前通过考虑dT/2的延迟来补偿(S3)。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中所获得的用于调节系统(I)的计算模型通过迭代方法来求解。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定区间，在该区间中存在调节系统(I)的计算模型的解，并且其中所获得的调节系统(I)的计算模型通过迭代方法在该区间内求解。
7.一种设备，尤其是计算单元，用于确定调节系统(I)的计算模型，所述调节系统尤其是用于控制内燃机的气体质量流的调节器，其中该设备被构造为: -提供具有至少一个非线性表现的差分方程组； -分解该差分方程组，以便得到可通过线性差分方程式描述的线性部分和可通过非线性差分方程式描述的非线性部分； -借助第一离散化方法来将差分方程组的线性部分离散化，以便获得离散化后的线性部分的计算模型； -借助第二离散化方法来将差分方程组的非线性部分离散化，以便获得离散化后的非线性部分的计算模型；以及 -将差分方程组的离散化后的线性部分和离散化后的非线性部分的计算模型组合，以便获得调节系统(I)的计算模型。
8.一种发动机系统，其具有:内燃机、用于调节气体质量流的调节系统(I)和控制设备(1)，其中用于调节系统(I)的计算模型使用在控制设备中，所述计算模型根据权利要求1至6之一所述的方法来确定。
9.一种计算机程序，其具有程序代码介质，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上尤其是在根据权利要求7的设备上实施时执行根据权利要求1至6之一所述的方法的所有步骤。
10.一种计算机程序产品，其包含程序代码，程序代码存储在计算机可读数据载体上并且程序代码在其实施在 数据处理装置上时执行根据权利要求1至6之一所述的方法。
【文档编号】G05B13/00GK103454912SQ201310215018
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月4日
【发明者】A.瓦格纳, R.比尔勒 申请人:罗伯特·博世有限公司
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