Gain-Scheduling-Regelung des Ladedrucks eines Ottomotors auf Basis lokal linearer strukturierter H∞-optimaler Regler Systematische robuste Bedatung einer konventionellen Reglerstruktur

• Published in: Forschung im Ingenieurwesen Vol. 83; no. 4; pp. 907 - 920
• Main Authors: Nolteernsting, F., Oehlschlägel, T., Röthig, R., Schultalbers, M., Becker, U.
• Format: Journal Article
• Language: German
• Published: Berlin/Heidelberg Springer Berlin Heidelberg 01.12.2019
• Subjects: Engineering; Mechanical Engineering; Originalarbeiten/Originals
• ISSN: 0015-7899; 1434-0860
• DOI: 10.1007/s10010-019-00340-x

Zusammenfassung Die Ladedruckregelung ist ein wichtiger Bestandteil der Steuerung moderner Ottomotoren. Die Umsetzung moderner Regelungsverfahren für diese nichtlineare Strecke ist seit Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Publikationen. Stand der Technik für den Serienbetrieb ist dagegen eine verhältnismäßig einfache Gain-Scheduling-Struktur basierend auf PID-Reglern und stationärer Vorsteuerung. Diese Arbeit präsentiert ein serientaugliches Konzept zur Regelung des Ladedrucks und dessen experimentelle Erprobung an einem Prüfstand. Die verwendete Reglerstruktur entspricht weitgehend dem Stand der Technik, wobei die Vorsteuerung signifikant vereinfacht und ein Anti-Windup-Konzept zur systematischen Berücksichtigung von Stellgrößenbeschränkungen ergänzt wurden. Hervorzuheben ist das verwendete systematische modellbasierte Vorgehen zur H ∞ -optimalen Auslegung der strukturierten Arbeitspunktregler. Der Einsatz H ∞ -optimaler Regler erlaubt die a priori Einbeziehung quantitativer Forderungen an das Verhalten der resultierenden lokalen Regelkreise in den Entwurfsprozess. Das zugrundeliegende Reglerentwurfsverfahren erlaubt lineare Regler beliebiger Struktur. Damit eröffnet sich die Möglichkeit im Einsatz befindliche, von anwendungsorientierten Ingenieuren akzeptierte Reglerstrukturen H ∞ -optimal zu parametrieren. Die Berechnung der Parameter erfolgt zuverlässig durch die Lösung nichtkonvexer und nichtglatter Optimierungsprobleme unter Verwendung veröffentlichter Verfahren. Die Gewinnung der für den modellbasierten Reglerentwurf erforderlichen mathematischen Systembeschreibungen geschieht durch Identifikation linearer zeitinvarianter Arbeitspunktsysteme. Die experimentell erzielten Resultate zeigen im Vergleich zu einer konventionell parametrierten Ladedruckregelung deutlich die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Regelungskonzeptes. Gegenüber dem konventionellen Vorgehen zur Parametrierung auf Basis von Expertenwissen und Fahrversuchen zeichnet sich der aufgezeigte Entwurfsprozess durch das strukturierte, methodische und theoretisch fundierte Vorgehen aus. Der resultierende Entwurfsprozess ist weitestgehend automatisiert und weist einen signifikant reduzierten Ressourcen- und Zeitbedarf auf.