用于确定调节系统中的物理量的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于确定调节系统（1）中的物理量（R、L、C

说明书

技术领域

本发明涉及调节系统，尤其是用于确定这样的调节系统中的物理量的方法。

背景技术

为了驱动调节系统，尤其在其使用在调节装置中时，实时地需要关于一个或多个物理量的说明。然而，设置传感器来检测每个所需的物理量非常费事并且此外由于结构上的限制始终不可能为了检测每个所需的物理量而设置各自的传感器。

例如，在机电调节系统中，需要通过机电转换器例如致动器来了解电流，因为由此可以推断出致动器的温度和欧姆电阻。对于没有设置电流传感器的系统而言，仅知晓不足够精确的估计模型，其容差大。尤其是，具有机电转换器的在没有电流传感器的情况下运行的调节系统因此必须非常保守地设计。这从功率、结构空间和成本方面来看是不利的。

发明内容

根据本发明，设计了一种根据权利要求1的用于确定调节系统中的物理量的方法以及根据并列权利要求的设备、调节系统、计算机程序和计算机程序产品。

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。

根据第一方面，设计一种用于确定调节系统中的物理量的值的方法。该方法包括如下步骤：

- 提供计算模型，该计算模型映射调节系统的特性，其中该计算模型包括模型函数和一个或多个参数；

- 在一个或多个时刻确定至少一个系统量；

- 根据一个或多个在不同时刻所确定的至少一个系统量的值确定计算模型的参数；

- 根据所述一个或多个所确定的参数确定所述物理量的值。

上述方法的构思在于确定描述调节系统的计算模型的参数并且根据这样所确定的参数来确定物理量。该方式基于如下观察：尤其在非线性调节系统中参数并非是恒定的，而是与一个或多个物理量有关。以此方式可能的是，尤其是在使用实时参数确定的系统中通过简单评估实时确定的参数来确定物理量，而不必使用相应的传感器。

此外，调节环节的位置和/或电激励量尤其是调节系统的调节驱动器的激励电压用作所述一个或多个系统量。

根据一种实施形式，在调节系统的调节驱动器中可以确定温度或电流作为物理量。

此外，可以以规律的间隔尤其是实时地重新确定参数。

根据一种实施形式，物理量可以借助相关函数根据确定的参数来确定。

根据所述一个或多个参数可以确定一个或多个另外的物理量，其中借助所述另外的力和离散化后的线性差分方程式确定待确定的物理量。

根据另一方面，设计一种设备，尤其是计算单元，用于确定调节系统中的物理量的值，其中所述设备被构造为，

- 提供计算模型，该计算模型映射调节系统的特性，其中该计算模型包括模型函数和一个或多个参数；

- 在一个或多个时刻确定至少一个系统量的值；

- 根据一个或多个在不同时刻所确定的至少一个系统量的值确定计算模型的参数；

- 根据所述一个或多个所确定的参数确定所述物理量的值。

根据另一方面，该计算机程序设置有程序代码装置，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。

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。

附图说明

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示出了作为调节系统中的节流阀调节器的示意图，在该调节系统中要确定物理量；

图2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；以及

图3示出了用于阐明确定图1的调节系统的物理量的方法的流程图。

具体实施方式

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1。用于确定在调节系统1中并非通过相应的传感器检测的物理量的方法以下借助节流阀调节器来描述，该节流阀调节器可以将节流阀作为调节环节2来调节。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，以便确定物理量。

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。调节驱动器3可以由供给源（未示出）供给电流。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。

调节驱动器3借助控制设备10激励，以便通过合适的供电（Bestromung）行驶至调节环节2的确定位置。为了执行调节环节12的位置调节，控制单元10从位置传感器4获得关于实际位置即调节环节2的实际位置的反馈。此外，控制单元10可以获得关于调节转矩的说明，例如关于由调节驱动器3记录的电流的电流说明。

尤其是在使用位置调节(Lageregelung)的观察模型的情况下以及为了诊断位置调节，用于物理调节系统1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分辨率，则调节系统1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1的功能进行监控，其方式是借助计算模型执行对调节系统1的功能的似然性检验。

为了将上述带有直流电动机作为调节驱动器3的调节系统1模型化，使用如下方程式：

其中量R对应于机电调节驱动器3的绕组电阻，L对应于机电调节驱动器3的绕组的电感，I对应于通过机电调节驱动器3的调节电流，以及Cm为电动机常数和K_gear是变速器传动比，其可以与调节器电流I无关地说明调节转矩。此外，U对应于施加到调节系统的机电调节驱动器上的电压并且对应于调节环节3的瞬时位置。

当复位弹簧具有非线性特性时，模型化在物理上尽可能精确地描绘调节系统1的模型方程式的挑战在此尤其是对摩擦和通过调节环节2的复位弹簧施加的复位转矩的描述。

表达式A（p_pre-p_post）描述了通过在调节环节2之上存在的压力差施加到调节环节2的转矩。在带有中间悬架的节流阀的情况下，该项可以假设为零，因为作用压力同样作用于节流阀的两个半部上。其他干扰转矩还可以通过增加预给定的M_st?r而加以考虑。

与目前的调节系统的物理模型化相比，为了描述摩擦使用详细的摩擦模型，例如根据Dahl的模型。适用于：

在此，是非线性部分。可替选地，也可以区分静摩擦与滑动摩擦。

在复位弹簧方面必须考虑，复位弹簧具有弹性常数的情况，该弹性常数与调节环节2的偏转或位置有关地是非线性的。典型地，节流装置中的复位弹簧设置有在零位的范围中的提高的弹性常数，以便在激励转矩有损耗的情况下可以保证可靠地复位到确定原位。而在零位处，弹簧力为零。弹性常数和在调节环节2上的复位弹簧的特性的示例性曲线在图2的曲线图中示出。为此适用于：

其中对应于上面描述摩擦特性的差分方程式的线性部分而对应于上面描述摩擦特性的差分方程式的非线性部分。在图2的曲线图中，M_max对应于最大可能的复位转矩，M_min对应于最小可能的复位转矩，对应于复位弹簧的最大偏转，M_LHmin确定在调节角度处的复位转矩，以及M_LHmax确定在调节角度处的复位转矩，其中在M_LHmin与M_LHmax之间弹簧特征曲线具有提高的坡度。

在描述上述调节系统1时，所使用的摩擦模型以及具有非线性特性的复位弹簧的模型得到非线性的差分方程组。

以下，将通过非线性差分方程组描述的模型分解成线性部分和非线性部分。

根据上述方程式得到如下差分方程组：

根据U=U*+U_{nicht_linear}分解为线性部分U^*和非线性部分U_{nicht_linear}得到：

非线性部分于是对应于

以下现在根据离散化方法来离散化差分方程式的线性部分。这可以借助Tustin方法来实施。Tustin转换基于Laplace变换和变换对应于

按照Laplace变换由线性差分方程式得到：

由此根据Tustin转换一起得到

其中

和

其中，其中

Tustin离散化具有如下优点：其得到具有简单计算规则的计算模型，所述计算规则利用只有比较低计算能力的微处理器可以以简单方式计算。尤其是，离散化后的计算模型不包含指数方程式等。

然而，Tustin离散化引起了离散化结果的优点，其必须被补偿以便改善结果。补偿可以通过设置dT/2的逼近延迟而根据

进行。适用于

以下，作为起始条件适用于：

当时，则；以及

当和时，则。

这将如下方程式简化为：

其中

以下借助图3的流程图描述了根据上述计算模型确定物理量的方法。

在步骤S1中提供计算模型之后，相应的参数α、μ、κ、β、γ、δ、η和由此参数a、b、c、d变得规则，也就是说在预给定的时刻或实时地重新计算。为此，在步骤S2中，在确定的时刻检测一个或多个系统量（状态量）并且根据其在步骤S3中借助计算模型由此确定参数α、μ、κ、β、γ、δ、η或由此a、b、c、c、d中的一个或多个。这可以通过上述离散化后的差分方程式的相应变形来进行。

根据待确定的参数α、μ、κ、β、γ、δ、η的数目可能需要再两个或多于两个的时刻或在两个或多于两个的工作点处确定所述一个或多个系统量。为此，以合适的方式存储所检测的系统量的历史。在上面要确定的七个参数α、μ、κ、β、γ、δ、η的情况下足以确定系统量（t_k）和。参数α、μ、κ、β、γ、δ、η例如可以通过应用递归方法（递归最小二乘法或梯度方法）来确定。

通过对方程组求解可以在时间段t_k-6到t_k上平均地确定参数α、μ、κ、β、γ、δ、η。如果为了确定计算模型的参数α、μ、κ、β、γ、δ、η不能直接或由于例如量化结果而不能精确地根据测量确定调节环节3的位置的时间导数，则可以通过模型仿真调节环节3的位置的时间导数。

根据这样确定的参数在步骤S4中可以确定任何在计算模型中所使用的物理量，即绕组电阻R、绕组的电感L、电动机常数Cm、变速器传动比K_gear、绕组温度T，惯性转矩J、绕组电流I。

在步骤S4之后，跳回至步骤S1并且重新执行步骤S1至S4。

例如当要确定由调节驱动器3吸收的电流而不进行直接的电流测量时，则在假设弹性常数C_s已知的情况下，例如通过在安装或投入运行之前的测量由参数a、b、c、d导出电感L、惯性转矩J、参数Cm、Kgear、电阻R和粘滞摩擦系数D的方程组。在忽略粘滞摩擦系数D的情况下得到如下的简化方程式：

如果D不能忽略并且只能被计算，则得到

为了确定电流强度I，差分方程式：

以常见方式求解。

当调节器尤其是调节驱动器3的温度要被确定为物理量时，则通过相关函数可以将温度与参数的值或由此确定的物理量相关，例如借助查找表、相关函数等。查找表或相关函数例如可以在投入使用之前被创建，例如通过将调节系统1加热到确定的温度并且确定参数α、β、γ、δ或a、b、c、d和由此确定的物理量R、L。为此，测量可以在执行器的不同温度时进行，并且在温度与各参数a至d之间的相关性可以离线地确定。也就是说，

实时确定的计算模型的参数用作至反函数f^-1a、f^-1b、f^-1c、...的输入用以这样地确定温度。可用函数越多并且函数越单调，则所计算的温度的精度就越高。