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WO2008034453A1 - Adaptive steuerungs- und regelvorrichtung für ein brennstoffzellensystem und verfahren hierzu - Google Patents

Adaptive steuerungs- und regelvorrichtung für ein brennstoffzellensystem und verfahren hierzu Download PDF

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WO2008034453A1
WO2008034453A1 PCT/EP2006/009140 EP2006009140W WO2008034453A1 WO 2008034453 A1 WO2008034453 A1 WO 2008034453A1 EP 2006009140 W EP2006009140 W EP 2006009140W WO 2008034453 A1 WO2008034453 A1 WO 2008034453A1
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WO
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control
base
value
pilot
module
Prior art date
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Application number
PCT/EP2006/009140
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Blum
Arnulf Sponheimer
Su Zhou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG, Ford Global Technologies LLC filed Critical Daimler AG
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Priority to DE112006004010T priority patent/DE112006004010A5/de
Priority to US12/442,057 priority patent/US20100087934A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a control and regulating device for controlling at least one controlled variable of a system according to the preamble of claim 1, a fuel cell system with one or the control u.
  • Control device a method for controlling at least one controlled variable of a system and a corresponding computer program.
  • Controls and controls are used to automatically run any system in operation. Especially in the field of vehicle technology regulations and controls are nowadays indispensable.
  • published patent application DE 101 600 51 A1 discloses a system and a method for monitoring a motor vehicle subsystem.
  • it is proposed to determine an actual operating variable of a subsystem of the vehicle, to assess the functionality of the subsystem to be monitored based on the determined actual operating variable and output a control signal in accordance with the result of the judgment, so that an operating state of the motor vehicle in accordance with Actuator is affected.
  • the determination of the actual operating variable of the subsystem takes place via the interrogation of predetermined characteristic curves which, for example, output a corresponding actual engine torque as a function of a detected wheel force component.
  • the characteristic curves can optionally be adapted adaptively, whereby they are generated or changed in the course of the operating time of the entire system, so that relationships between detected wheel force component and actual actual engine torque can always be precisely taken from these.
  • the published patent application DE 4228053A1 relates to a method for cylinder-specific characteristic control and adaptation for the electronic control of multi-cylinder internal combustion engines.
  • This method which relates exclusively to a control, provides that a characteristic field used during operation is continuously optimized adaptively with respect to at least one target variable at the points of the parameter space given by the operating parameters of the respective individual cylinder.
  • control device which at the same time applies pre-control of the manipulated variables by means of characteristic curve or characteristic map and control of the manipulated variables by means of an additive control component.
  • precontrol allows a direct access to the manipulated variables and thus to the control variables, so that a very high dynamic range can be achieved.
  • PID or state controllers for generating the additive control component allows slow-dynamic or stationary system states to be readjusted.
  • Such Control devices are the closest prior art.
  • the invention has for its object to improve a generic control devices in terms of control quality and also propose a corresponding system in the form of a fuel cell system, a corresponding method and a corresponding computer program.
  • the control u. Control device is suitable and / or designed to control at least one controlled variable of a system.
  • the system is realized in particular as a non-linear system and / or embodied in the form of a fuel cell system.
  • At least one controlled variable of the system is controlled, but optionally two or more controlled variables of the system can be controlled, the controlled variables being controlled either independently of one another or at least part of the controlled variables interdependently of one another.
  • the control u. Control device is preferably designed as electronic processing device, such as a control device, personal computer, microcontroller, DSP, embedded system or the like.
  • the control device comprises a pilot control module and a memory module assigned to the pilot control module, in which pilot control data are stored and / or stored.
  • the pre-control module allows direct penetration to the controlled variable of the system, so that at a rapid operating point change of the system, the feedforward control reacts instantaneously or almost instantaneously.
  • the pilot control module is designed so that a pilot control value is determined on the basis of a setpoint value of the controlled variable from the stored pilot control characteristic data.
  • control device comprises a control module, which is designed for example as a PID or state controller, wherein the control module is designed to control the controlled variable.
  • control module performs, for example, a deviation of the controlled variable detected by a sensor from the reference variable or setpoint specification.
  • the control device is designed in terms of programming and / or circuitry, so that the precontrol value and the control component each contribute to a control value, wherein the control value is used to control the at least one controlled variable of the system and / or used.
  • the pilot control module and the control module can optionally be arranged parallel to each other, in particular such that the pilot control value and the control component are added to form the control value.
  • Another alternative is given if the pre-control value and the actual value of the manipulated variable are present at the input of the control module, so that in this way the pre-control value provides a contribution to the control value.
  • Control device which is adapted to adapt the pilot control data in the memory module adaptively during the term of the control device or the system.
  • the combination of closed-loop control and feedforward control is, in principle, able to control systems even when the pilot control data is faulty or obsolete due to wear or varying system tolerances.
  • the dynamic response of the system is adversely affected.
  • the use of adaptive pilot control data enables an exact pre-control, which means that ideally the control ratio is close to 0 or equal to 0, and thus a robust system behavior with quickly adjustable system states is guaranteed in each case. At least the control part and thus the control deviation are limited in the control device according to the invention in a small area.
  • the pilot control data are designed as a one-dimensional characteristic in particular, as a two-dimensional or multidimensional characteristic field, or as a corresponding raster characteristic or corresponding raster characteristic.
  • a practical realization consists, for example, in storing the pilot control data as a look-up table (LUT) in the memory module.
  • the pilot control data is composed of a basic characteristic curve / field and a delta characteristic curve / field, wherein the adaption only changes the delta characteristic curve / field.
  • the storage and the change of the pilot control data is achieved, for example, by describing the map / -line contents in the RAM / ROM memory area of the memory module.
  • the memory contents are preferably persistent after switching the control device off and on again in the memory module.
  • the adaptation module is designed to adapt the pilot control data on the basis of stationary or quasi-stationary control components.
  • the present invention provides at runtime adjustable pilot control data, in particular an adjustable map or delta map, before by the default map contents are changed in the respective operating point to the particular stationary control component.
  • the adaptation process is preferably carried out on the basis of control components which are taken from the control module and / or the system in a stationary and / or quasi-stationary state.
  • a routine is used to check whether the system is in a stationary state and then determines the control component that is established by the control module and uses it for adaptation.
  • the adaptation module is designed such that the adaptation of the pilot control data via a
  • the stationary control component converted to the existing support points of the pilot control data and the resulting share attributed in the case of a map / line to the current base value or in the case of a delta map is entered directly as a delta value to the basic map.
  • the adaptation module in order to avoid feedback of the controller with the pilot module during the adaptation process, is designed such that the degree of adaptation of Vor Kunststoffkennlves in particular per adaptation process in particular significantly less than 1 (100%), preferably in the range of 1% to 50% is formed. This measure serves to decouple the adaptation process from the control or at least largely decouple it by deliberately keeping the degree of adaptation small.
  • the adaptation of the pilot control data takes place only for those interpolation points that are not currently in the range of the operating point of the system, ie, for example, with a time delay.
  • the pilot control data is updated only after leaving the respective operating point.
  • control variable is designed to act on one or more of the following systems: air compressor, exhaust throttle, Befeuchterbypass- throttle, control valves and / or recirculation pump of the fuel cell system.
  • control device is particularly suitable for controlling components whose system properties depend strongly on changing environmental conditions or wear and / or aging.
  • a fuel cell system is claimed with a control and regulating device according to one of the preceding claims or with any selection of features of the control device just described.
  • Another object of the invention relates to a method for controlling at least one controlled variable of a system, in particular one or the fuel cell system, in particular using a control and regulating device according to one of the preceding claims.
  • a precontrol value is determined on the basis of a desired value of the controlled variable from stored pilot control data, and based on the nominal value of the controlled variable and possibly additionally the pilot control value, a control component is determined, based on the pilot control value and the control component Control value is formed.
  • the method is characterized in that the pilot control characteristics are adapted adaptively during the runtime of the system.
  • the present invention provides a run-time adjustable map or delta map, in which the default map contents are changed in the respective operating point, in particular by a steady state rule.
  • the method is first checked via a routine, if the system is in a steady state and then determines the adjusting itself by the controller rule share, which is used in a further step to adapt the pilot control data.
  • Another object of the invention relates to a computer program with program code means for carrying out the method according to the invention, when the computer program is executed on a computer or a control device according to one of claims 1 to 9.
  • Figure 1 is a block diagram of a control device as a first embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows in the form of a block diagram a control device 1 as a first exemplary embodiment of the invention.
  • the control device 1 has a first input 2, which is designed to receive a desired value y d .
  • a second input 3 serves to receive an actual value y m .
  • the control device 1 comprises a control value output 4, to which the determined control value u is applied.
  • the control device 1 with respect to the inputs and outputs of a classic control or regulation, wherein a measured or otherwise determined actual value y m a target value y d is tracked by a control value u is generated and output.
  • the control or control path 5 is formed, for example, as one or more components of a fuel cell system (not shown).
  • the controlled system 5 has a controlled variable y, act on the via a non-illustrated actuator, the manipulated variable u and possibly disturbances v.
  • the actual value of the controlled variable y is measured by a sensor 6, which generates the actual value y m on the basis of the measurement and applies it to the second input 3.
  • a sensor 6 For the simplified representation of the embodiment, only one controlled variable y and a sensor 6 was selected.
  • several of each other dependent or independent control variables y are controlled or controlled or the actual value of the controlled variable y is detected by other methods, such as relative measurement, derivation, estimation or the like.
  • the control device 1 has two mutually parallel signal paths, wherein a first signal path comprises a control and the second signal path comprises a pilot control.
  • Target value y d of the controlled variable y in a differential element 7 together.
  • the control difference is passed to a controller 8, which determines a rule share u adder .
  • the control component u adder is finally fed into an adder 9, which combines the control component with other values, as will be explained below.
  • the second signal path, concerning the precontrol, is divided into two subpaths, which supply a precontrol value u base or du base to the adder 9.
  • the sub-path positioned further above in FIG. 1 leads from the first input 2 to the setpoint value y d to an LUT module 10, in which a basic map is stored. Based on the setpoint value y ⁇ , the precontrol value u base is determined from the basic map in the LUT module 10 and, as already explained, transferred to the adder 9.
  • the lower sub-path in FIG. 1 leads the desired value y d into a dLUT module 11, which has a delta map.
  • the target value y d is assigned a delta preceding control value du base , which in turn is supplied to the adder 9.
  • the delta map is in the dLUT module 11 in response to temporal changes of the controlled system 5, such as wear, aging, pollution, etc, adap ⁇ ted.
  • the division of a pilot module into a LUT module 10 and a dLUT module 11 is not mandatory.
  • the basic map and the delta map can also be combined to form a common map, which is adaptively adapted to changes during the runtime of the controlled system 5.
  • the characteristic map is only one-dimensional, ie designed as a characteristic, or comprises two, three or more dimensions.
  • the current measured actual value y m and the current control component u adder are additionally supplied to it.
  • the delta map is at the respective operating point y m to the
  • Rule portion u adder changed.
  • the adaptation is based on the consideration that with an optimally set delta map the rule part would have to aim for zero.
  • the size of the rule portion is a quality measure of the quality, in particular the timeliness of the delta map.
  • the delta map with the rule component u adder in the operating point y m or in the corresponding support point corrected. During the implementation, it is ensured that the control component u adder has stabilized , ie is stationary or quasi-stationary.
  • the degree of adaptation (degree of adaptation of the pilot value in the map) is chosen to be significantly less than 1 (100%) and / or a temporal decoupling of the adaptation of the map value in the respective operating point.
  • the control device 1 comprises the pilot control module, which is formed by the LUT module 10 and the dLUT module 11, and which converts a linearized transfer function.
  • the control device 1 can be regarded as a look-up table (LUT) based controller for non-linear processes.
  • a look-up table is a state field which can be represented as follows: wherein the control values y d (i) cR x ⁇ 2 on the
  • Control values u base (i) cR are mapped, wherein the state field has been determined for example by offline measurements. Since the look-up table shown is formed as a grid or raster characteristic ⁇ line lying between the raster points or bases values are determined by an interpolation method.
  • look-up tables for one-dimensional or two-dimensional fields are usually needed for practical use, only these will be shown below. Higher dimensional look-up tables are also usable in principle.
  • control values are calculated according to the following equation, + 0
  • weighting factors are formed as follows:
  • the control component u adder of the controller 8 should be close to or equal to zero.
  • the value of u adder ⁇ t) in the steady state, ie in the stationary or quasi-stationary state a characteristic value for the accuracy of the pilot control data, in particular for the heights or values of the node adjacent to the current working or support point.
  • An arbitrary desired value y d ⁇ ) requires a manipulated variable which is formed according to FIG. 1 from u adder ( ⁇ ) + u base ( ⁇ ).
  • the infinite sign stands for the settled, stationary and / or quasi-stationary state.
  • the required control value can also be called
  • the new rule component is limited within a narrow band. This condition can be met by the optimal solution of the following equation:
  • the pseudoinverse can be calculated as follows: '/ Jt + ' / + U + '/ + U + 1 + ' / ⁇ + l
  • Step 1 Check whether generally share a dder exceeds a threshold u. This is eg due to the condition
  • a step 2 the immediately adjacent interpolation points of the characteristic field are calculated to the desired value yd (t);

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Abstract

Es wird eine Steuerungsvorrichtung (1) zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße y eines Systems (5), insbesondere eines Brennstoffzellensystems, mit einem Vorsteuerungsmodul (10, 11) und einem zugeordneten Speichermodul, in dem Vorsteuerkenndaten abgelegt und/oder ablegbar sind, wobei das Vorsteuerungsmodul (10, 11) zur Durchführung einer Vorsteuerung ausgebildet ist, indem auf Basis eines Soll-Wertes y_d der Regelgröße aus den Vorsteuerkenndaten ein Vorsteuerwert u_base, du_base ermittelt wird, und mit einem Regelungsmodul (8), welches zur Regelung der Regelgröße y ausgebildet ist, indem auf Basis des Ist-Wertes y_m der Regelgröße y ein Regelanteil u_adder ermittelt wird, und wobei die Steuerungsvorrichtung (1) ausgebildet ist, dass der Vorsteuerwert u_base, du_base und der Regelanteil u_adder jeweils einen Beitrag zu einem Stellwert (u) liefern, vorgeschlagen, und mit einem ein Adaptionsmodul, welches ausgebildet ist, um die Vorsteuerkenndaten in dem Speichermodul adaptiv während der Laufzeit der Steuerungsvorrichtung (1) anzupassen. Hierdurch ist es möglich, eine Regel- und Steuerungsvorrichtung an ein infolge Alterungserscheinungen geändertes Betriebsverhalten des Systems anzupassen. Besagte Vorrichtung ist lernfähig.

Description

ADAPTIVE STEUERUNGS-UND REGELVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN HIERZU
Die Erfindung betrifft eine Steuerungs - und Regelvorrichtung zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße eines Systems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit einer oder der Steuerungs- u. Regelvorrichtung, ein Verfahren zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße eines Systems sowie ein entsprechendes Computerprogramm .
Regelungen und Steuerungen werden verwendet, um beliebige Systeme im Betrieb automatisiert zu führen. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik sind Regelungen und Steuerungen heutzutage nicht mehr wegzudenken.
Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 101 600 51 Al ein System und ein Verfahren zur Überwachung eines Kraftfahrzeug-Teilsystems. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, eine Ist-Betriebsgröße eines Teilsystems des Fahrzeugs zu ermitteln, anhand der ermittelten Ist- Betriebsgröße die Funktionsfähigkeit des zu überwachenden Teilsystems zu beurteilen und nach Maßgabe des Beurteilungsergebnisses ein Stellsignal auszugeben, so dass ein Betriebszustand des Kraftfahrzeugs nach Maßgabe des Stellsignals beeinflusst wird. Die Ermittlung der Ist- Betriebsgröße des Teilsystems erfolgt über die Abfrage von vorbestimmten Kennlinien, die beispielsweise in Abhängigkeit von einer erfassten Radkraft-Komponente ein entsprechendes Ist-Motormoment ausgeben. Die Kennlinien können optional adaptiv angepasst werden, wobei sie im Laufe der Betriebszeit des Gesamtsystems erzeugt oder geändert werden, so dass Zusammenhänge zwischen erfasster Radkraft-Komponente und tatsächlichem Ist-Motormoment aus diesen immer genau entnommen werden können.
Die Offenlegungsschrift DE 4228053A1 betrifft ein Verfahren zur zylinderspezifischen Kennliniensteuerung und -anpassung für die elektronische Steuerung von Mehrzylinder- Brennkraftmaschinen. Dieses Verfahren, welches ausschließlich eine Steuerung betrifft, sieht vor, dass ein verwendetes Kennlinienfeld während des Betriebs fortlaufend an den durch die Betriebsparameter des jeweiligen einzelnen Zylinders gegebenen Punkten des Parameterraums hinsichtlich zumindest einer Zielgröße adaptiv optimiert wird.
Aus der Regelungstechnik ist es außerdem bekannt, dass bei geregelten, insbesondere nicht-linearen Systemen eine Steuerungsvorrichtung verwendet wird, die zugleich eine Vorsteuerung der Stellgrößen mittels Kennlinie oder Kennfeld und eine Regelung der Stellgrößen mittels einem additiven Regelanteil anwendet. Der Vorteil einer derartigen Steuerungsvorrichtung liegt darin, dass die Vorsteuerung einen direkten Durchgriff auf die Stellgrößen und damit auf die Regelgrößen ermöglicht, so dass eine sehr hohe Stelldynamik erreichbar ist. Die Verwendung von PID- oder Zustandsreglern zur Erzeugung des additiven Regelanteils erlaubt dagegen, langsam-dynamische oder stationäre Systemzustände nachzuregeln . Derartige Steuerungsvorrichtungen bilden den nächstkommenden Stand der Technik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Steuerungsvorrichtungen hinsichtlich der Regelqualität zu verbessern und zudem ein entsprechendes System in Form eines Brennstoffzellensystems, ein entsprechendes Verfahren sowie ein entsprechendes Computerprogramm vorzuschlagen.
Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche beansprucht beziehungsweise sind durch die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Figuren als Erfindung offenbart.
Die erfindungsgemäße Steuerungs- u. Regelvorrichtung ist geeignet und/oder ausgebildet zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße eines Systems. Das System ist insbesondere als nicht-lineares System realisiert und/oder in Form eines Brennstoffzellensystems verkörpert. Es wird mindestens eine Regelgröße des Systems kontrolliert, optional können jedoch zwei oder mehr Regelgrößen des Systems kontrolliert werden, wobei die Regelgrößen entweder unabhängig voneinander oder zumindest ein Teil der Regelgrößen in gegenseitiger Abhängigkeit voneinander kontrolliert werden.
Die Steuerungs- u. Regelvorrichtung ist bevorzugt als elektronische Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, so zum Beispiel als Steuergerät, Personalcomputer, Mikrokontroller, DSP, Embedded System oder ähnlichem.
Die Steuerungsvorrichtung umfasst ein Vorsteuerungsmodul und ein dem Vorsteuerungsmodul zugeordnetes Speichermodul, in welchem Vorsteuerkenndaten abgelegt und/oder ablegbar sind. Das Vorsteuerungsmodul ermöglicht einen direkten Durchgriff auf die Regelgröße des Systems, so dass bei einer schnellen Betriebspunktänderung des Systems die Vorsteuerung unverzögert oder nahezu unverzögert reagiert. Das Vorsteuerungsmodul ist so ausgebildet, dass auf Basis eines Soll-Wertes der Regelgröße aus den abgelegten Vorsteuerkenndaten ein Vorsteuerwert ermittelt wird.
Ferner umfasst die Steuerungsvorrichtung ein Regelungsmodul, welches beispielsweise als PID- oder Zustandsregler ausgebildet ist, wobei das Regelungsmodul zur Regelung der Regelgröße ausgebildet ist. Dabei führt das Regelungsmodul eine zum Beispiel über eine Sensorik erfasste Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße oder Sollwertvorgabe nach.
Die Steuerungsvorrichtung ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, so dass der Vorsteuerwert und der Regelanteil jeweils einen Beitrag zu einem Stellwert liefern, wobei der Stellwert zur Kontrolle der wenigstens einen Regelgröße des Systems verwendet wird und/oder verwendbar ist. Das Vorsteuerungsmodul und das Regelungsmodul können dabei optional parallel zueinander angeordnet sein, insbesondere derart, dass der Vorsteuerwert und der Regelanteil zur Bildung des Stellwertes addiert werden. Eine andere Alternative ist gegeben, wenn der Vorsteuerwert und der Ist-Wert der Stellgröße an dem Eingang des Regelungsmoduls anliegen, so dass auf diese Weise der Vorsteuerwert einen Beitrag zu dem Stellwert liefert.
Erfindungsgemäß ist ein Adaptionsmodel in der
Steuerungsvorrichtung vorgesehen, welches ausgebildet ist, um die Vorsteuerkenndaten in dem Speichermodul adaptiv während der Laufzeit der Steuerungsvorrichtung beziehungsweise des Systems anzupassen. Bei der Erfindung wurde erkannt, dass die Kombination von Regelung und Vorsteuerung zwar prinzipiell in der Lage ist, Systeme auch bei durch Verschleiß oder variierende Systemtoleranzen fehlerbehaftete oder veraltete Vorsteuerkenndaten zu kontrollieren. Allerdings wurde festgestellt, dass aufgrund des Ausgleichs dieser Fehler durch die Regelung die Stelldynamik des Systems nachteilig beeinflusst wird. Durch die Verwendung von adaptiven Vorsteuerkenndaten wird eine exakte Vorsteuerung ermöglicht, die dazu führt, dass im Idealfall der Regelanteil nahe 0 oder gleich 0 ist, und damit ein robustes Systemverhalten mit schnell einstellbaren Systemzuständen in jedem Fall gewährleistet wird. Zumindest sind der Regelanteil und damit die Regelabweichung bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung in einem kleinen Bereich begrenzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vorsteuerkenndaten als insbesondere eindimensionale Kennlinie, als zwei- oder mehrdimensionales Kennfeld, beziehungsweise als entsprechende Rasterkennlinie oder entsprechendes Rasterkennfeld ausgebildet. Eine praktische Realisierung besteht beispielsweise darin, die Vorsteuerkenndaten als look-up table (LUT) in dem Speichermodul abzulegen. Bei der Implementierung kann ergänzend vorgesehen sein, dass die Vorsteuerkenndaten aus einer Basiskennlinie/-feld und einer Deltakennlinie/-feld zusammengesetzt werden, wobei durch die Adaption nur die Deltakennlinie/-feld verändert wird. Technisch wird die Speicherung und die Änderung der Vorsteuerkenndaten beispielweise durch Beschreiben der Kennfeld/-linieninhalte im RAM/ROM-Speicherbereich des Speichermoduls gelöst. Die Speicherinhalte sind dabei bevorzugt persistent nach Ab- und wieder Anschalten der Steuerungsvorrichtung im Speichermodul weiterhin vorhanden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Adaptionsmodul zur Adaption der Vorsteuerkenndaten auf Basis von stationären oder quasi-stationären Regelanteilen ausgebildet. Damit sieht die vorliegende Erfindung zur Laufzeit einstellbare Vorsteuerkenndaten, insbesondere ein einstellbares Kennfeld oder Delta-Kennfeld, vor, indem die voreingestellten Kennfeldinhalte im jeweiligen Arbeitspunkt um den insbesondere stationären Regelanteil verändert werden.
Der Adaptionsvorgang wird vorzugsweise auf Basis von Regelanteilen durchgeführt, die dem Regelmodul und/oder dem System in einem stationären und/oder quasi-stationären Zustand entnommen sind. Bei einer bevorzugten Ausführung wird über eine Routine geprüft, ob sich das System in einem stationären Zustand befindet und dann der sich durch das Regelmodul einstellende Regelanteil ermittelt und zur Adaption herangezogen.
Bevorzugt ist das Adaptionsmodul derart ausgebildet, dass die Adaption der Vorsteuerkenndaten über ein
Flächeninterpolationsverfahren beziehungsweise im Falle einer Kennlinien über ein Linearinterpolationsverfahren umgesetzt wird, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der stationäre Regelanteil auf die vorliegenden Stützstellen der Vorsteuerkenndaten umgerechnet und der sich ergebende Anteil im Falle eines Kennfeldes/-linie auf den aktuellen Stützwert zugerechnet oder im Falle eines Deltakennfeldes direkt als Deltawert zum Basiskennfeld eingetragen wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Steuerungsvorrichtung ist, um Rückkopplungen des Reglers mit dem Vorsteuermodul während des Adaptionsvorgangs zu vermeiden, das Adaptionsmodul so ausgebildet, dass der Adaptionsgrad der Vorsteuerkenndaten insbesondere pro Adaptionsvorgang insbesondere deutlich kleiner als 1 (100 %) , vorzugsweise im Bereich von 1% bis 50% ausgebildet ist. Diese Maßnahme dient dazu, dass der Adaptionsvorgang von der Regelung entkoppelt oder zumindest weitgehend entkoppelt wird, indem das Maß der Adaption gezielt klein gehalten wird.
Alternativ und/oder ergänzend erfolgt die Adaption der Vorsteuerkenndaten nur für solche Stützpunkte, die sich nicht aktuell im Bereich des Arbeitspunktes des Systems befinden, also zum Beispiel zeitversetzt. Beispielsweise werden die Vorsteuerkenndaten erst nach Verlassen des jeweiligen Arbeitspunktes aktualisiert.
Bei einer bevorzugten praktischen Realisierung der Steuerungsvorrichtung für den Anwendungsfall eines Brennstoffzellensystems ist die Regelgröße so ausgebildet, dass sie auf eine oder mehrere der nachfolgenden Systeme wirkt: Luftkompressor, Abgasdrosselklappe, Befeuchterbypass- drosselklappe, Regelventile und/oder Rezirkulationspumpe des Brennstoffzellensystems. Besonders geeignet ist die Steuerungsvorrichtung nämlich zur Ansteuerung von Komponenten, deren Systemeigenschaften stark von sich ändernden Umgebungsbedingungen oder Verschleiß und/oder Alterung abhängen.
Gemäß dem Anspruch 9 wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerungs und Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche beziehungsweise mit einer beliebigen Auswahl von Merkmalen der eben beschriebenen Steuerungsvorrichtung beansprucht .
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße eines Systems, insbesondere eines oder des Brennstoffzellensystems, insbesondere unter Verwendung einer Steuerungs und Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf Basis eines Soll-Wertes der Regelgröße aus abgelegten Vorsteuerkenndaten ein Vorsteuerwert ermittelt und auf Basis des Soll-Wertes der Regelgröße und gegebenenfalls zusätzlich des Vorsteuer-Wertes ein Regelanteil ermittelt, wobei auf Basis des Vorsteuer- Wertes und des Regelanteils ein Stellwert gebildet wird.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerkenndaten während der Laufzeit des Systems adaptiv angepasst werden. Damit sieht die vorliegende Erfindung ein zur Laufzeit einstellbares Kennfeld oder Deltakennfeld vor, in dem die voreingestellten Kennfeldinhalte im jeweiligen Arbeitspunkt insbesondere um einen stationären Regelanteil verändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst über eine Routine geprüft, ob sich das System in einem stationären Zustand befindet und dann der sich durch den Regler einstellende Regelanteil ermittelt, der in einem weiteren Schritt zur Adaption der Vorsteuerkenndaten herangezogen wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur.
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Steuerungsvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Steuerungsvorrichtung 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Steuerungsvorrichtung 1 weist einen ersten Eingang 2 auf, der zur Aufnahme eines Soll-Wertes yd ausgebildet ist. Ein zweiter Eingang 3 dient zur Aufnahme eines Ist-Wertes ym . Als Ausgang umfasst die Steuerungsvorrichtung 1 einen Stellwertausgang 4, an dem der ermittelte Stellwert u anliegt. Damit entspricht die Steuerungsvorrichtung 1 im Hinblick auf die Ein- und Ausgänge einer klassischen Steuerung oder Regelung, wobei ein gemessener oder auf andere Weise ermittelter Ist-Wert ym einem Soll-Wert yd nachgeführt wird, indem ein Stellwert u erzeugt und ausgegeben wird.
Die Regel- oder Steuerstrecke 5 ist beispielsweise als eine oder mehrere Komponenten eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Regelstrecke 5 weist eine Regelgröße y auf, auf die über ein nicht dargestelltes Stellglied der Stellwert u sowie gegebenenfalls Störungen v wirken. Der Ist-Wert der Regelgröße y wird durch einen Sensor 6 gemessen, der auf Basis der Messung den Ist-Wert ym erzeugt und an den zweiten Eingang 3 anlegt. Für die vereinfachte Darstellung des Ausführungsbeispiels wurde nur eine Regelgröße y sowie ein Sensor 6 gewählt. Bei komplexeren Ausführungsformen können zugleich mehrere voneinander abhängige oder auch unabhängige Regelgrößen y geregelt beziehungsweise gesteuert werden oder die Erfassung des Ist- Werts der Regelgröße y erfolgt über andere Methoden, wie zum Beispiel Relativmessung, Ableitung, Schätzung oder dergleichen.
Ausgehend von den Eingängen 2 und 3 weist die Steuerungsvorrichtung 1 zwei parallel zueinander verlaufende Signalpfade auf, wobei ein erster Signalpfad eine Regelung und der zweite Signalpfad eine Vorsteuerung umfasst.
In dem ersten Signalpfad laufen der Ist-Wert ym und der
Soll-Wert yd der Regelgröße y in einem Differenzglied 7 zusammen. Die Regeldifferenz wird an einen Regler 8 übergeben, der einen Regelanteil uadder ermittelt. Der Regelanteil uadder wird schließlich in einen Addierer 9 gegeben, der den Regelanteil mit anderen Werten zusammenfasst, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Der zweite Signalweg, die Vorsteuerung betreffend, teilt sich in zwei Unterpfade auf, die einen Vorsteuerwert ubase beziehungsweise dubase an den Addierer 9 liefern.
Der in Fig. 1 weiter oben positionierte Unterpfad führt von dem ersten Eingang 2 den Soll-Wert yd zu einem LUT-Modul 10, in dem ein Basiskennfeld abgelegt ist. Anhand des Sollwertes yά wird aus dem Basiskennfeld im dem LUT-Modul 10 der Vorsteuerwert ubase ermittelt und - wie bereits erläutert - an den Addierer 9 übergeben. Der untere Unterpfad in der Figur 1 führt den Soll-Wert yd in ein dLUT-Modul 11, welches ein Deltakennfeld aufweist. In dem dLUT-Modul 11 wird dem Soll-Wert yd ein Deltavorsteuerwert dubase zugeordnet, der wiederum dem Addierer 9 zugeführt wird.
Während bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Fig. 1 das Basiskennfeld in dem LUT-Modul über die Zeit unverändert bleibt, wird das Deltakennfeld in dem dLUT-Modul 11 in Abhängigkeit von zeitlichen Veränderungen der Regelstrecke 5, wie zum Beispiel Verschleiß, Alterung, Verschmutzung etc, adap¬ tiert. Die Aufteilung eines Vorsteuerungsmoduls in ein LUT- Modul 10 und ein dLUT-Modul 11 ist nicht zwingend. Genauso kann das Basiskennfeld und das Deltakennfeld auch zu einem gemeinsamen Kennfeld zusammengefasst sein, welches während der Laufzeit der Regelstrecke 5 adaptiv an Veränderungen an- gepasst wird. Es ist auch möglich, dass das Kennfeld nur eindimensional, also als Kennlinie ausgebildet ist, oder zwei, drei oder mehr Dimensionen umfasst.
Zur Adaption des Deltakennfelds in dem dLUT-Modul 11 werden diesem neben dem Soll-Wert yd zusätzlich der aktuell gemessene Ist-Wert ym und der aktuelle Regelanteil uadder zugeführt. Wie nachfolgend noch ausführlich dargelegt wird, wird das Deltakennfeld im jeweiligen Arbeitspunkt ym um den
Regelanteil uadder verändert. Der Adaption liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einem optimal eingestellten Deltakennfeld der Regelanteil gegen Null streben müsste. Damit ist die Größe des Regelanteils ein Qualitätsmaß für die Güte, insbesondere die Aktualität des Deltakennfeldes. Zur a- daptiven Anpassung des Deltakennfelds wird das Deltakennfeld mit dem Regelanteil uadder in dem Arbeitspunkt ym bzw. in der entsprechenden Stützstelle korrigiert. Bei der Umsetzung wird sichergestellt, dass der Regelanteil uadder eingeschwungen ist, also stationär oder quasi stationär ausgebildet ist. Um eine Rückkopplung zwischen Regler 8 und Vorsteuerungsmodul 10 bzw. 11 zu vermeiden, wird der Adaptionsgrad (Maß der Anpassung des Vorsteuerwertes im Kennfeld) deutlich kleiner 1 (100%) gewählt und/oder eine zeitliche Entkopplung der Adaption des Kennfeldwertes im jeweiligen Arbeitspunkt vorgesehen.
Zur besten Erläuterung des Adaptionsvorgangs des Deltakennfelds wird im Folgenden eine mathematische Herleitung des Adaptionsvorgangs vorgestellt, welche eine mögliche Ausführung beziehungsweise Darstellung des Adaptionsvorgangs repräsentiert:
Die Steuerungsvorrichtung 1 umfasst das Vorsteuerungsmodul, welches aus dem LUT-Modul 10 und dem dLUT-Modul 11 gebildet ist, und welches eine linearisierte Übertragungsfunktion umsetzt. Bei einer besonders praktischen Ausbildung wird die Übertragungsfunktion durch eine Vorsteuerungsfunktion ubase = LUT(yj) repräsentiert. In diesem Fall kann die Steuerungsvorrichtung 1 als look-up table (LUT) basierter Kontroller für nicht lineare Prozesse angesehen werden.
Mathematisch gesehen ist ein look-up table (LUT) ein Zu- standsfeld, welches wie folgt dargestellt werden kann:
Figure imgf000014_0001
wobei die Stellwerte yd(i)cRxυ2 auf die
Stellwerte ubase(i)cR abgebildet werden, wobei das Zustandsfeld beispielsweise durch Offlinemessungen ermittelt worden ist. Da die gezeigte look-up table als Rasterfeld oder Rasterkenn¬ linie ausgebildet ist werden zwischen den Rasterpunkten oder Stützpunkten liegende Werte durch ein Interpolationsverfahren ermittelt .
Nachdem für den praktischen Einsatz meist nur look-up tables für eindimensionale oder zweidimensionale Felder benötigt werden, werden im Folgenden nur diese dargestellt. Höher di- mensionale look-up tables sind prinzipiell aber ebenfalls verwendbar.
Für eine eindimensionale look-up table ψbase{i)-LUT(yd(i)),i-\,Nj, z.B. in der Form:
Figure imgf000015_0004
wird der Vorsteuerwert u^ase zum Zeitpunkt t wie folgt be¬ rechnet: ubase(O = ιkubase(k) + ιk+\ubase(k + ι) wobei die Gewichtungsfaktoren wie folgt berechnet werden.
Figure imgf000015_0001
Für zweidimensionale look-up tables, die wie folgt dargestellt sind :
Figure imgf000015_0002
Z . B .
Figure imgf000015_0003
Figure imgf000016_0005
werden die Stellwerte gemäß der nachfolgenden Gleichung berechnet,
Figure imgf000016_0001
+ 0
wobei die Gewichtungsfaktoren wie folgt ausgebildet sind:
Figure imgf000016_0002
und die Bereiche wie folgt berechnet werden:
Figure imgf000016_0003
4/ + 1Λ) = [yw (Λ + 1) - yu Jγ2d - y2d \
Figure imgf000016_0004
Für ein besseres Verständnis dieser Art der Vorsteuerung wird auf den wissenschaftlichen Artikel von O. Nelles und A. Fink; Tool zur Optimierung von Rasterkennfeldern, 42 (2000), Heft 5, atp verwiesen, dessen Offenbarung insbesondere im Hinblick auf die Berechnung der Vorsteuerungswerte vollständig hiermit via Referenzierung eingefügt wird. Zum Zwecke der Vereinfachung wird im weiteren die Durchführung des Adaptionsvorgangs anhand einer eindimensionale look-up table aufgezeigt. Mehrdimensionale Kennfelder oder LUT' s werden in analoger Weise adaptiv angepasst .
Bei optimaler Auslegung und Einstellung der look-up table sollte idealerweise der Regelanteil uadder des Reglers 8 nahe oder gleich 0 sein. Somit ist der Wert von uadder{t) im eingeschwungenen Zustand, also im stationären oder quasi stationären Zustand, ein Kennwert für die Genauigkeit der Vorsteuerkenndaten, insbesondere für die Höhen bzw. Werte der dem aktuellen Arbeits- oder Stützpunkt benachbarten Knoten.
Ein beliebiger Soll-Wert yd{∞) erfordert einen Stellwert, der gemäß Fig. 1 aus uadder(∞)+ubase(∞) gebildet ist. Das unendlich-Zeichen steht dabei jeweils für den eingeschwungenen, stationären und/oder quasi stationären Zustand.
Der erforderliche Stellwert kann auch als
Uadder(∞)+ubase(∞)+Aubase(∞) geschrieben werden. Der Korrekturwert Δubase(∞) zu dem Vorsteuerwert ubase(∞) ist notwendig, wenn der Wert des Regelanteils uadder{∞) zu groß ist. Ein geeigneter, neuer Regelanteil uadder(∞) des Reglers 8 sollte dementsprechend durch den Korrekturwert Δwtoe(∞) erreicht werden. Aufgrund der Identität uadder{∞)+ubase(∞)+Aubase{∞)=uadder{∞)+ubase(∞) sollte der neue Regelanteil wie folgt geschrieben werden können: Uadder(∞)= u^∞)-Δu^(∞)= u^∞)-[lkΔu^(k)+lMAubase{k+l)] .
Vorzugsweise ist der neue Regelanteil innerhalb eines engen Bandes begrenzt. Diese Bedingung kann durch die optimale Lösung der nachfolgenden Gleichung erfüllt werden:
lkAubase(k)+ lk+\Aubase(k + l)= uaddeΛ∞)
Wie allgemein bekannt , hat j ede Gleichung der Form Ax - b eine Lösung in Form von x* = A+b mit der Moore-Penrose
Pseudoinversen A+ = AT[AAT) somit wird die erforderlich Lösung der oberen Gleichung wie folgt gegeben :
ΔHase = L+uadder(∞)
wobei Aub * ase
Figure imgf000018_0001
+ Ϋjf und die Pseudoinverse
'* + **+i
Z = [/A,/A+1] ist. Um eine geeignete Verteilung der Beteiligung von verschiedenen Regelanteilen uad({er(∞) zu dem gleichen
Deltavorsteuerwert
Figure imgf000018_0002
zu erreichen wird eine begrenzte Aktualisierungsrate wie folgt vorgeschlagen:
Δub * ase = r\L+uadder(∞) , wobei η = 0,01...0,5 ist .
Für den Fall der zweidimensionalen look-up-tables kann die Pseudoinverse wie folgt berechnet werden: '/Jt + '/+U + '/+U+1 + '/Λ+l
$ * ♦ * ♦ T* mit ΔMόfl5e = [Aubase(l,k),Aubase(l + \,k),Aubase(l + l,k + \),Aubase(l,k + I)J
Insgesamt kann der adaptive Algorithmus zur Aktualisierung der Vorsteuerkenndaten wie folgt geschrieben werden:
Schritt 1: Überprüfung ob der Regelanteil uadder einen Grenzwert überschreitet. Dies wird z.B. durch die Bedingung
f" überprüft. Falls der Grenzwert
Figure imgf000019_0001
überschritten ist, wird der Adaptionsvorgang eingeleitet, andernfalls erfolgt kein Adaptionsvorgang;
In einem Schritt 2 werden die unmittelbar benachbarten Stützpunkte des Kennfeldes zu dem Sollwert yd(t) berechnet;
In einem Schritt 3 wird die Pseudoinverse L+ der Bewertungsfunktion L entsprechend der oberen Gleichungen berechnet;
In einem Schritt 4 wird das Kennfeld entsprechend der nachfolgenden Gleichung aktualisiert:
new ..old
UIZ = <ase + Aubase + ^uadder(∞).

Claims

Patentansprüche
1. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße (y) eines Systems (5) , insbesondere eines Brennstoffzellensystems,
mit einem Vorsteuerungsmodul (10, 11) und einem zugeordneten Speichermodul, in dem Vorsteuerkenndaten abgelegt und/oder ablegbar sind, wobei das Vorsteuerungsmodul (10, 11) zur Durchführung einer Vorsteuerung ausgebildet ist, indem auf Basis eines Soll- Wertes (y_d) der Regelgröße aus den Vorsteuerkenndaten ein Vorsteuerwert (u_base, du_base) ermittelt wird,
und mit einem Regelungsmodul (8) , welches zur Regelung der Regelgröße (y) ausgebildet ist, indem auf Basis des Ist-Wertes (y_m) der Regelgröße (y) ein Regelanteil (u_adder) ermittelt wird,
und wobei die Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) ausgebildet ist, dass der Vorsteuerwert (u_base, du_base) und der Regelanteil (u_adder) jeweils einen Beitrag zu einem Stellwert bzw. einer Stellgröße (u) liefern,
gekennzeichnet durch ein Adaptionsmodul, welches ausgebildet ist, um die Vorsteuerkenndaten in dem Speichermodul adaptiv während der Laufzeit der Steuerungsvorrichtung (1) anzupassen.
2. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerkenndaten als Kennlinie, Kennfeld bzw. Rasterkennlinie oder Rasterkennfeld ausgebildet sind.
3. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionsmodul zur Adaption der Vorsteuerkenndaten auf Basis von Regelanteilen (u_adder) ausgebildet ist.
4. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Adaption verwendeten Regelanteile (u_adder) bei einem stationären und/oder quasi-stationären Zustand des Regelmoduls (8) und/oder des Systems (5) entnommen sind.
5. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaption der Vorsteuerkenndaten über ein Flächeninterpolationsverfahren und/oder ein Linearinterpolationsverfahren erfolgt .
6. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsgrad der Vorsteuerkenndaten pro Adaptionsvorgang kleiner als 100%, vorzugsweise im Bereich von 1% bis 50% ausgebildet ist.
7. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaption der Vorsteuerkenndaten nur bei aktuell ungenutzten Vorsteuerkenndaten erfolgt.
8. Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße auf eine oder mehrere Systeme, wie z.B. den Luftkompressor, der Abgasdrosselklappe,
Befeuchterbypassdrosseiklappe, Druckregelventilen und/oder Rezirkulationspumpe des Brennstoffzellensystems wirkt .
9. Brennstoffzellensystem mit einer Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur Kontrolle von wenigstens einer Regelgröße eines Systems 5(), insbesondere eines oder des Brennstoffzellensystems, insbesondere unter Verwendung der Steuerungs- und Regelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei auf Basis eines Soll-Wertes (y_d) der Regelgröße aus abgelegten Vorsteuerkenndaten ein Vorsteuerwert (u_base, du_base) ermittelt wird,
wobei auf Basis des Ist-Wertes (y_m) der Regelgröße ein Regelanteil (u_adder) ermittelt wird,
wobei auf Basis des Vorsteuerwerts (u_base, du_base) und des Regelanteils (u_adder) ein Stellwert (u) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerkenndaten während der Laufzeit des Systems adaptiv angepasst werden.
11. Computerprogramm mit Mitteln zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 10, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird.
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