DE10113538B4 - Regulating device and control method - Google Patents
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Abstract
Regelvorrichtung umfassend einen Regler (R), der zumindest eine Eingangsgröße (E) erhält und aus dieser zumindest eine Stellgröße (U) bestimmt, welche einem Steller einer Regelstrecke (S) zugeführt wird, wobei ein neuronaler Korrekturgeber (NAM) vorgesehen ist, der zumindest eine Prozessgröße (P2) aus der Regelstrecke, zumindest einen Teil der Reglereingangsgrößen (E = V1(Msoll, Mist, P1)) und zumindest einen Teil der vom Regler bestimmten Stellgrößen (U) erhält und derart ausgebildet ist, um aufgrund dieser Eingangsgrößen ein Korrektursignal (K) zu erzeugen, wobei der Korrekturgeber (NAM) derart ausgebildet ist, – zum einen mindestens ein Korrektursignal (K) zu erzeugen, welches mit der oder den Stellgrößen (U) zu einer korrigierten Stellgröße (UK) algebraisch verkettet wird, – und zum anderen eine Adaption von den, den neuronalen Korrekturgeber (NAM) in seiner Wirkungsweise beeinflussenden internen Parameter her beizuführen, wobei die Adaption des Korrekturgebers (NAM) mit einem Online-Lernalgorithmus in Echtzeit durchgeführt wird.Control device comprising a controller (R) which receives at least one input variable (E) and from this determines at least one manipulated variable (U) which is fed to an actuator of a controlled system (S), with a neural correction transmitter (NAM) being provided which at least a process variable (P2) from the controlled system, at least some of the controller input variables (E = V1 (Msoll, Mist, P1)) and at least some of the manipulated variables (U) determined by the controller and is designed to generate a correction signal based on these input variables (K), the correction transmitter (NAM) being designed in such a way - on the one hand, to generate at least one correction signal (K) which is algebraically concatenated with the manipulated variable or variables (U) to form a corrected manipulated variable (UK), - and on the other hand, an adaptation of the internal parameters influencing the neural correction transmitter (NAM) in its mode of operation, the adaptation of the correction transmitter (NAM) with an onli ne learning algorithm is carried out in real time.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Echtzeitregler mit neuronaler Adaption zur Steuerung von Verbrennungsmotoren.The present invention relates to a control device and a control method. More particularly, the present invention relates to a real time neural adaptation controller for controlling internal combustion engines.
Bei Regelvorrichtungen bzw. Regelverfahren wird einem Regler zumindest eine Eingangsgröße zugeführt, die dieser zu zumindest einer Stellgröße verarbeitet, welche dann einem Aktor in einer Regelstrecke zugeführt wird. Mittels des Aktors wird eine dann Verstellung herbeigeführt, die am Ende der Regelstrecke wiederum zu einer Regelantwort (Response) führt. Aufgrund von verschiedenen Einflüssen, wie beispielsweise Toleranzen und Alterungserscheinungen, kann es zu Abweichungen im Streckenverhalten kommen. Um eine optimale Regelgüte zu erhalten, wird eine Echtzeitadaption des Reglers an diese Abweichungen vorgeschlagen.In control devices or control methods, at least one input variable is fed to a controller, which processes it to at least one manipulated variable, which is then supplied to an actuator in a controlled system. By means of the actuator then an adjustment is brought about, which in turn leads to a rule response (response) at the end of the controlled system. Due to various influences, such as tolerances and signs of aging, deviations in the course behavior may occur. In order to obtain an optimal control quality, a real-time adaptation of the controller to these deviations is proposed.
Obwohl sich die vorliegende Erfindung allgemein auf Regelvorrichtungen und Regelverfahren richtet, werden die Zusammenhänge nachfolgend insbesondere anhand eines Beispiels mit einem Verbrennungsmotor erläutert.Although the present invention is generally directed to control devices and control methods, the relationships are explained below, in particular with reference to an example with an internal combustion engine.
Bedingt durch Bauteiltoleranzen und Alterungsprozesse kommt es bei Verbrennungsmotoren zu einer bestimmten Serienstreuung der Aktoren und der zu regelnden Strecke. Gerade bei der Berechnung von Größen zur Motorsteuerung wird diese Streuung derzeit adaptiv über bestimmte, feste Korrekturwerte ausgeglichen, die einfach eine lineare Korrektur der Stellgröße bewirken oder betriebsbereichsselektive, konstante Korrekturwerte darstellen. Insbesondere bei der Bestimmung der einem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftmasse wird eine globale lineare Korrektur der Stelleingriffe durchgeführt. Die Adaption der Korrekturwerte erfolgt hierbei herkömmlicherweise anhand der Rückführung des Luftmassenunterschieds zwischen der vorgegebenen und der gemessenen Luftmasse. Das Adaptionsverfahren ist sowohl für Drosselklappensysteme als auch für Systeme mit variabler Ventilsteuerung ein lineares Verfahren, das die Korrekturwerte durch mehrmalige Integration des Luftmassenunterschieds iterativ ermittelt.Due to component tolerances and aging processes, internal combustion engines experience a certain amount of series dispersion of the actuators and the path to be controlled. Especially in the calculation of quantities for motor control, this scattering is currently compensated adaptively over certain fixed correction values which simply cause a linear correction of the manipulated variable or represent operating range-selective, constant correction values. In particular, when determining the fresh air mass supplied to an internal combustion engine, a global linear correction of the control actions is performed. The adaptation of the correction values is conventionally carried out on the basis of the return of the air mass difference between the predetermined and the measured air mass. The adaptation method is a linear procedure for throttle valve systems as well as for systems with variable valve timing, which iteratively determines the correction values by multiple integration of the air mass difference.
Der Einfluss der Streuungen auf die Regelstrecke und die Aktoren ist im allgemeinen jedoch nicht-linearer Natur. Lineare Korrekturmodelle vermögen deswegen – auch im besten Fall – nur eine allgemeine mittlere lineare Korrektur für alle Betriebspunkte darzustellen. Andererseits ist eine Korrektur über eine physikalisch-empirische Modellbildung oftmals sehr aufwendig.However, the influence of scattering on the controlled system and the actuators is generally non-linear. Therefore, even in the best case, linear correction models can only represent a general average linear correction for all operating points. On the other hand, a correction via a physical-empirical modeling is often very expensive.
Alternativ zur Verwendung von physikalisch-empirischen Modellen bei der Korrektur von Betriebsgrößen ist die Verwendung neuronaler Modelle bekannt.As an alternative to the use of physical-empirical models in correcting operational quantities, the use of neural models is known.
Rein neuronale Modelle eignen sich allerdings wegen eines hohen Rechenzeitbedarfs beim Belernen nur bedingt zur Integration in einen adaptiven Reglerablauf. Deshalb werden sie meist off-line belernt, d. h. die Ergebnisse werden in der Motorsteuerung abgelegt und bleiben dort unverändert. Zudem ist ein Lernvorgang nur im off-line-Modus geeignet kontrollierbar.Purely neural models, however, are only of limited suitability for integration into an adaptive controller sequence because of the high computational time required for learning. Therefore, they are usually taught off-line, d. H. The results are stored in the engine control and remain unchanged there. In addition, learning is only suitably controllable in off-line mode.
Hybridmodelle, wie beispielsweise aus der
Ferner ist aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welche bzw. welches eine Online-Adaption an nicht-lineare Streuungen bei den vorgenannten Reglern bzw. Regelverfahren ermöglicht. Object of the present invention is to provide a control device and a control method of the type mentioned, which or which allows an online adaptation to non-linear variations in the aforementioned controllers or control methods.
Diese Aufgabe wird alternativ durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 8 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features mentioned in claims 1 and 8 alternatively.
Vorliegend wird ein Regler, insbesondere ein Echtzeitregler, verwendet, der aus zumindest einer Eingangsgröße zumindest eine Stellgröße ermittelt. Dabei kann es sich bei dem Regler um einen üblichen Regler aus dem Stand der Technik handeln. dessen Regelkonzept auf einem physikalischen Prozessmodell, einem empirischen Ansatz oder einem Entwurf auf Basis einer dynamischen Prozessidentifikation beruht.In the present case, a controller, in particular a real-time controller, is used which determines at least one input variable from at least one input variable. In this case, the controller may be a conventional controller from the prior art. whose control concept is based on a physical process model, an empirical approach or a design based on dynamic process identification.
Zusätzlich zum Regler ist ein neuronaler Korrekturgeber vorgesehen, der zumindest einen Teil der Reglereingangsgrößen und zumindest einen Teil der Reglerausgangsgrößen (Stellgrößen) erhält. Der neuronale Korrekturgeber ist ausgebildet. um aufgrund seiner Eingangssignale zumindest ein Korrektursignal zu erzeugen, welches mit der oder den Stellgrößen des Reglers algebraisch zu einer oder mehreren korrigierten Stellgröße bzw. Stellgrößen verkettet wird. Zudem dienen die dem neuronalen Korrekturgeber zugeführten Größen der eigenen Adaption. Dabei werden die den neuronalen Korrekturgeber in seiner Wirkungsweise beeinflussenden internen Parameter geändert (belernt). Der vorgestellte Reglertyp bzw. das vorgestellte Reglerverfahren eignen sich insbesondere zur Regelung von Prozessen, die rein physikalisch-empirisch schwierig zu modellieren sind.In addition to the controller, a neural correction transmitter is provided which receives at least a portion of the controller input variables and at least a portion of the controller output variables (manipulated variables). The neural correction transmitter is designed. in order to generate at least one correction signal on the basis of its input signals, which is algebraically linked to the one or more manipulated variables of the controller to one or more corrected manipulated variables or manipulated variables. In addition, the quantities supplied to the neural correction generator are used for their own adaptation. In the process, the internal parameters influencing the neural correction transmitter are changed (learned). The introduced controller type or the proposed controller method are particularly suitable for controlling processes that are difficult to model physically-empirically.
Die algebraische Verkettung kann beliebig gewählt werden, beispielsweise kann eine einfache Summation gewählt sein. Bei einer Summation bestimmt sich die Ausgangsgröße aus der Summe der Stellgröße vom Regler und des Korrekturanteils vom neuronalen Korrekturgeber.The algebraic concatenation can be chosen arbitrarily, for example, a simple summation can be selected. At a summation, the output variable is determined from the sum of the manipulated variable from the controller and the correction component from the neural correction transmitter.
Beispielsweise können beim Einsatz der Regelvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen alle Motoren des gleichen Typs mit dem gleichen physikalisch-empirischen Modellanteil im Regler ausgestattet werden. Das adaptive neuronale Modell aus dem neuronalen Korrekturgeber kann dann die spezielle Motoranpassung gewährleisten. Die Modellierung des Modells für den Regler lässt sich bei genauerer Kenntnis der Störeinflüsse auch ohne weiteres erweitern. ohne dass auf den neuronalen Anteil Einfluss genommen werden muss. Der neuronale Anteil belernt sich stets nach dem jeweils vorgegebenen Algorithmus.For example, when using the control device in a motor vehicle to compensate for component tolerances, all motors of the same type can be equipped with the same physical-empirical model component in the controller. The adaptive neural model from the neural corrector can then ensure the specific motor matching. The modeling of the model for the controller can also be easily extended with more precise knowledge of the disturbing influences. without having to influence the neural component. The neural component is always taught according to the given algorithm.
Bei Bedarf kann der neuronale Korrekturgeber gezielt abgeschaltet werden. so dass der Eingang für den Aktor der Regelstrecke gleich der Stellgröße aus dem Regler ist. Natürlich können neben den vorgenannten Eingangsgrößen für den neuronalen Korrekturgeber auch weitere Eingangsgrößen. wie weitere Prozessgrößen. insbesondere Messgrößen und interne Größen des Reglers ausgewählt und dem Korrekturgeber als Eingangsgrößen zugeführt werden.If necessary, the neural corrector can be switched off in a targeted manner. so that the input for the actuator of the controlled system is equal to the manipulated variable from the controller. Of course, in addition to the above-mentioned input variables for the neural correction generator also other input variables. like other process variables. in particular, measured variables and internal variables of the controller are selected and supplied to the correction transmitter as input variables.
Gemäß einer Ausführungsform ist es von Vorteil, die Werte der internen adaptierbaren Parameter des neuronalen Korrekturgebers zu beschränken, um unplausible Ausgaben bzw. unerwünschte Lerneffekte zu vermeiden. Als Netzwerktyp für den neuronalen Korrekturgeber kann beispielsweise ein sog. „LOLIMOT-Netzwerk” verwendet werden (vgl. Nelles, Lolimot, lineare Modelle zur Identifikation nichtlinearer, dynamischer Systeme, Automatisierungstechnik 45, 1997), das sich durch besonders vorteilhafte Eigenschaften beim Lernvorgang sowie bei Interpolation und Extrapolation auszeichnet. Dieses Netzwerk bildet einen mehrdimensionalen nichtlinearen unbekannten funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen ab.According to one embodiment, it is advantageous to limit the values of the internal adaptable parameters of the neural correction transmitter in order to avoid implausible outputs or unwanted learning effects. As a network type for the neural corrector, for example, a so-called "LOLIMOT network" can be used (compare Nelles, Lolimot, Linear Models for the Identification of Nonlinear, Dynamic Systems, Automatisierungstechnik 45, 1997), which is characterized by particularly advantageous properties during the learning process and in Interpolation and extrapolation distinguishes. This network maps a multi-dimensional nonlinear unknown functional relationship between input variables and output variables.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die einzige beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Blockschaltweise eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung.An embodiment of the present invention will be explained in more detail with reference to the single accompanying drawing. The drawing shows a schematic block diagram of an embodiment of a control device according to the invention.
Das Reglermodell der vorliegenden Ausführungsform wird bei einem Luftmassenstromabgleich eines Verbrennungsmotors angewendet. Jedoch ist bereits vorab anzumerken, dass das Modell allgemein gültig und für viele Regelvorgänge verwendbar ist.The regulator model of the present embodiment is applied to air mass flow adjustment of an internal combustion engine. However, it should be noted in advance that the model is generally valid and usable for many control operations.
Beim vorliegenden Modell ist ein Regler R vorgesehen, der aus der Luftmassenstrom-Abweichung des angeforderten Luftmassenstroms Msoll vom gemessenen Istwert Mist und weiteren Prozessmessgrößen P1 lineare Werte U (= Reglerausgangssignal) (vorliegend m = Steigungswert und b = Offsetwert) für den angeforderten Luftmassenstrom liefert. Dazu werden dem Regler R die vorher genannten Größen Msoll, Mist und P1 zugeführt.In the present model, a regulator R is provided, which is intended from the air mass flow deviation of the requested air mass flow M from the measured actual value is M and other process measurement variables P 1 linear values U (= controller output signal) (in this case m = slope value and b = offset value) required for the Air mass flow supplies. For this purpose, the regulator R is supplied with the previously mentioned quantities M soll , M and P 1 .
Vorliegend werden die Eingangsgrößen Msoll, Mist und P1 im Block V1, der in der Praxis durch einen Filter realisiert ist, zu einem Vektor E zusammengefasst. Der Regler R erzeugt aus diesen Größen die als Stellsignal wirkenden linearen Werte U.In the present case, the input variables M soll , M ist and P 1 are combined in block V 1 , which in practice is realized by a filter, into a vector E. The controller R generates from these quantities the linear values U.sub.S acting as a control signal.
Überdies ist vorliegend ein optional zuschaltbares, neuronales Adaptionsmodell NAM als Korrekturgeber vorgesehen, welches als Eingangsgrößen zumindest einen Teil der Eingangssignale E sowie das Reglerausgangssignal U erhält. Die Auswahl der konkreten Eingangsdaten für das neuronale Adaptionsmodell NAM findet in einem zweiten Filter V2 statt, dem die vorgenannten Werte E und U zugeführt sind. Die Auswahl der Eingangdaten für das neuronale Adaptionsmodell NAM im Filter V2 findet in festgelegter Weise statt.Moreover, in the present case, an optionally switchable, neural adaptation model NAM is provided as a correction transmitter, which receives at least a portion of the input signals E and the controller output signal U as input variables. The selection of the concrete input data for the neural adaptation model NAM takes place in a second filter V 2 , to which the aforementioned values E and U are fed. The selection of the input data for the neural adaptation model NAM in the filter V 2 takes place in a fixed manner.
Optional werden dem neuronales Adaptionsmodell NAM noch weitere Prozessparameter zugeführt. Vorliegend ist dies in Form von P2 die Öltemperatur T. Überdies können dem Filter noch interne Größen des Reglers R, vorliegend Rl (Trigger-Bits), zur Verfügung gestellt werden.Optionally, further process parameters are supplied to the neural adaptation model NAM. In the present case this is in the form of P 2, the oil temperature T. Moreover, the filter internal variables of the regulator R, in this case R l (trigger bits), are provided.
Das als Korrekturgeber fungierende neuronale Adaptionsmodell NAM liefert einen Korrekturwert K, der im folgenden additiv berücksichtigt und mit der Stellgröße U zu einer korrigierten Stellgröße UK gekoppelt wird. Die algebraische Verkettung kann in der jeweils angemessenen Form beliebig gewählt werden. Ferner werden unter Zuhilfenahme von Sollwerten für den Messparameter P2 (vorliegend die Öltemperatur T) und den Luftmassenstrom die internen Parameter des Korrekturgebers NAM in Echtzeit adaptiert (belernt). Dies ist mittels dem den NAM Korrekturgeber durchkreuzenden Pfeil angedeutet.The neural adaptation model NAM which acts as a correction generator supplies a correction value K, which in the following is considered additively and coupled to the manipulated variable U to form a corrected manipulated variable U K. The algebraic concatenation can be chosen arbitrarily in the appropriate form. Furthermore, with the aid of setpoint values for the measuring parameter P 2 (in the present case the oil temperature T) and the air mass flow, the internal parameters of the correction transmitter NAM are adapted (taught) in real time. This is indicated by the arrow crossing the NAM correction generator.
Das verwendete neuronale Netz führt im weitesten Sinne eine nichtlineare mehrdimensionale Regression durch und kann bezüglich einer Untermenge der Parameter mit linearen Trainingsalgorithmen online belernt werden. Natürlich sind viele Netzwerktypen mit ähnlichen Eigenschaften denkbar, die aus der Literatur auch allgemein bekannt sind.The neural network used in the broadest sense performs a non-linear multidimensional regression and can be taught online with respect to a subset of the parameters using linear training algorithms. Of course, many types of networks with similar properties are conceivable, which are also well known in the literature.
Um unplausible Ausgaben des Korrekturgebers bzw. unerwünschte Lerneffekte zu vermeiden, ist es möglich, die Werte der internen adaptierbaren Parameter zu beschränken. Beispielsweise ist das oben bereits erwähnte LOLIMOT-Netzwerk zu verwenden, das sich durch besonders vorteilhafte Eigenschaften beim Lernvorgang auszeichnet. Es bildet einen mehrdimensionalen nichtlinearen unbekannten funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen und additiver Korrektur der Ausgangsgrößen ab. Dabei bestimmen sich die Ausgaben aus der Summe einzelner linearer Modelle, die mit nichtlinearen normierten Gewichtsfaktoren multipliziert werden. Die Parameter dieser linearen und nichtlinearen Funktionen lassen sich unabhängig voneinander während des Betriebs in der Steuerung schrittweise mit minimalem Rechenaufwand anpassen, ohne auf zurückliegende Eingabewerte zurückgreifen zu müssen. Beschränkt man dabei den Lernvorgang auf die Parameter der linearen Funktionen, konvergiert der Algorithmus bei korrekter Wahl der Lernrate mathematisch garantiert gegen die minimale quadratische Abweichung gegenüber der abzubildenden Restkorrektur. Ist diese Restkorrektur eine lineare Funktion des Eingangsnetzwerkes, lernt das Netzwerk diesen Zusammenhang exakt. Die nichtlinear eingerechneten Funktionsparameter erlauben eine weitgehende Plastizität des Netzes, die das Anwendungsspektrum erweitert. Bei Bedarf lässt sich auch diese Adaption durch geeignete Wahl der entsprechenden Lernrate robust gestalten.In order to avoid implausible outputs of the corrector or unwanted learning effects, it is possible to limit the values of the internal adaptable parameters. For example, the above-mentioned LOLIMOT network is to be used, which is characterized by particularly advantageous properties during the learning process. It maps a multi-dimensional nonlinear unknown functional relationship between input quantities and additive output correction. The outputs are determined by the sum of individual linear models, which are multiplied by nonlinear normalized weighting factors. The parameters of these linear and nonlinear functions can be independently adjusted during operation in the controller step by step with minimal computational effort, without having to resort to past input values. Limiting the learning process to the parameters of the linear functions, the algorithm converges mathematically guaranteed with correct choice of the learning rate against the minimum quadratic deviation compared to the residual correction to be imaged. If this residual correction is a linear function of the input network, the network learns this connection exactly. The non-linearly calculated function parameters allow an extensive plasticity of the network, which extends the application spectrum. If necessary, this adaptation can also be made robust by a suitable choice of the corresponding learning rate.
Wird das Netzwerk in einer normierten Form definiert, so können Ein und Ausgangsgrößen mit beliebigen Wertebereichen verwendet werden. Damit können die Modelle ohne aufwendige Parameteranpassungen übertragen werden. Dies gibt die Möglichkeit eines universell verwendbaren unabhängigen adaptiven Moduls für Fahrzeugsteuerungen.If the network is defined in a standardized form, inputs and outputs with arbitrary value ranges can be used. This allows the models to be transferred without complex parameter adjustments. This gives the possibility of a universally usable independent adaptive module for vehicle controls.
Im oben beschriebenen, vorliegenden Anwendungsfall wird ein Wert bei der Luftmassenstromkorrektur des Leerlaufs mit variabler Ventilsteuerung mit einem adaptiven physikalisch-neuronalen Modell modelliert. Unter Verwendung eines vorhandenen Massenstromkorrekturwertes des angeforderten und korrigierten Soll-Luftmassenstroms und der Motoröltemperatur T als Eingangsgröße errechnet das neuronale Modell den additiven Korrekturwert K für den Luftmassenstrom im Leerlaufbetrieb. Es bildet somit einen eindimensionalen nichtlinearen unbekannten funktionalen Zusammenhang zwischen additiver Restkorrektur der Luftmassendifferenz und der Öltemperatur ab.In the present application described above, a value in the air mass flow correction of the idle with variable valve timing is modeled with an adaptive physical-neuronal model. Using an existing mass flow correction value of the requested and corrected target mass air flow and the engine oil temperature T as an input, the neural model calculates the additive air mass flow correction value K in idle mode. It thus maps a one-dimensional nonlinear unknown functional relationship between additive residual correction of air mass difference and oil temperature.
Damit ist vorliegend ein adaptives Modell zur Echtzeitregelung mit einem konventionellen Regler, der beispielsweise eine Grundfunktion abdeckt, und einem neuronalen Korrekturgeber angegeben, der die Reglerausgabe hinsichtlich der Regelgüte optimiert. Dieser Prozess läuft automatisch ab und generiert keine zusätzlichen Modellierungs- oder Auslegungsaufwände.In the present case, an adaptive model for real-time control with a conventional controller, which covers, for example, a basic function, and a neural correction transmitter, which optimizes the controller output with regard to the control quality, are provided. This process runs automatically and does not generate any additional modeling or design effort.
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