Methoden zur modellbasierten Mehrgrößenleerlaufregelung eines Hybridantriebsstrangs

Die jüngere Entwicklung des Ottomotors in Personenkraftwagen steht vor allem im Zeichen strenger werdender Abgasemissionsvorschriften. Daneben existiert der Wunsch des Kunden, nach Komfort, steigender Leistung und sinkenden Betriebskosten. Diesen Anforderungen versucht die Antriebsstrangentwicklung u. a. durch kleiner werdende Gesamthubvolumina (Downsizing) und ergänzende Stellglieder (z. B. variabler Ventiltrieb) sowie der Erweiterung zum Hybridantrieb zu begegnen. Dadurch treten für die Synthese und Analyse von Regelkreisen im Bereich des Triebstrangs u. a. nichtlineare Effekte und überbestimmte (eingangsredundante) Regelprobleme in den Fordergrund. Am Beispiel des Leerlaufregelproblems eines parallelhybridisierten Antriebsstrangs werden in der vorliegenden Arbeit zwei Konzepte zur Regelkreissynthese vorgeschlagen. Das erste Konzept stellt einen Ansatz zur flachheitsbasierten modellprädiktiven Regelung (FMPR) dar. Es erlaubt die Behandlung differentiell flacher nichtlinearer Systeme und bietet die für die MPR übliche Eigenschaft der Berücksichtigung von Stell- und Ausgangsgrößenbeschränkungen. Dies wird durch die Lösung eines Optimierungsproblems mit Nebenbedingungen zur Laufzeit ermöglicht. Als vorteilhaft erweist sich hier, dass unter den Echtzeitanforderungen linearer MPR flache nichtlineare Systeme geregelt werden können, während übliche Verfahren zur nichtlinearen MPR wesentlich höhere Echtzeitanforderungen besitzen. Dennoch richtet sich dieses Konzept an zukünftige Steuergerätegenerationen. Mit dem zweiten Konzept wird ein Verfahren präsentiert, welches mit seiner Echtzeitanforderung auf heutigen Steuergeräten einsatzfähig ist. Es bedient sich dem Werkzeug der linear-quadratisch optimalen Regelung, um eingangsredundante Regelungsprobleme zu lösen. Dazu wird die Gütefunktion, welche durch ein statisches Stellgesetz minimiert wird, so angepasst, dass redundante Eingangsgrößen stationär vorzugebenden Wunschwerten folgen. Dynamisch werden jedoch alle Eingangsgrößen zur Verbesserung der Regelgüte genutzt. Die vorgestellten Konzepte werden als Leerlaufregler für den hybridisierten sowie den konventionellen Antriebsstrang eingesetzt und simulativ erprobt. Das zweite Konzept wird auch experimentell untersucht und dazu in die Momentenstruktur moderner Motorsteuerungen integriert. Die Leerlaufregelstrecke unterliegt, wie zahlreiche weitere Regelstrecken in der KFZ-Technik, ein- und ausgangsseitigen Totzeiten, welche die Regelgüte negative beeinträchtigen können. Die Totzeiten (Segmentzeit) der Verbrennungs-kraftmaschine sind zudem zeitvariant. Darüber hinaus wird durch das im Hybridantriebsstrang verbaute Zweimassenschwungrad (mechanische Lose) eine statische Nichtlinearität in Form einer Totzone in die Regelstrecke eingeführt. Um die Stabilität des geschlossenen Regelkreises unter Berücksichtigung der beschriebenen Phänomene zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein geeigneter Stabilitätstest vorgeschlagen. Er wird als Lösbarkeitsproblems einer linearen Matrixungleichung angegeben.