DE3734477A1

DE3734477A1 - Vorrichtung zur steuerung des lenkwinkels der raeder eines fahrzeugs auf der grundlage eines mathematischen modells

Info

Publication number: DE3734477A1
Application number: DE19873734477
Authority: DE
Inventors: Taketoshi Kawabe; Ken Ito
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-10-13
Filing date: 1987-10-12
Publication date: 1988-04-21
Also published as: US4840389A; JPS6397470A; JPH0725320B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines oder mehrerer Räder eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung hat den Zweck, dem Fahrzeug ein gewünschtes Lenk-Ansprechverhalten zu verleihen.

Ein herkömmliches Lenkungs-Steuersystem wird in der provisorischen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-175180 beschrieben.

Bei diesem Steuersystem sind erste und zweite mathematische Modelle vorgesehen, die als Bezugsmodelle das gewünschte dynamische Verhalten des Fahrzeugs repräsentieren. Außerdem sind zwei mathematische Modelle vorhanden, die als Ist-Modelle das tatsächliche Verhalten des gesteuerten Fahrzeugs repräsentieren. In Abhängigkeit von dem gemessenen Lenkrad-Einschlagwinkel und der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt das Steuersystem anhand des ersten Bezugsmodells einen gewünschten Wert einer Bewegungsvariablen, die für die Gierbewegung des Fahrzeugs repräsentativ ist. Getrennt davon wird auf der Grundlage der gleichen Meßwerte anhand des zweiten Bezugsmodells ein gewünschter Wert für eine Bewegungsvariable bestimmt, die für die Querbewegung des Fahrzeugs (Slip) repräsentativ ist. Sodann wird durch das Steuersystem ein erster Optimalwert für den Lenkwinkel, d. h., den Einschlagwinkel der gelenkten Räder des Fahrzeugs, bestimmt, indem der gewünschte Wert der Gierbewegungs-Variablen in das erste Ist-Modell eingesetzt wird. Darüber hinaus wird ein zweiter Optimalwert für den Lenkwinkel bestimmt, indem der gewünschte Wert für die Querbewegungs- Variable in das zweite Ist-Modell eingesetzt wird. Schließlich wird ein gewichteter Mittelwert der ersten und zweiten Optimalwerte bestimmt, und der Lenkwinkel der Räder wird auf diesen Mittelwert eingestellt. Auf diese Weise kann durch geeignete Gewichtung der Gierbewegung und der Querbewegung eine angemessene Steuerung des Lenkwinkels erreicht werden.

Ein Nachteil dieses herkömmlichen Steuersystems besteht jedoch darin, daß mit Hilfe eines in dem Fahrzeug installierten Mikrocomputers in jedem Regelzyklus zwei Bezugsmodelle und zwei Ist-Modelle, also insgesamt vier Gleichungssysteme aufgelöst werden müssen. Aus diesem Grund ist die für einen einzelnen Regelzyklus benötigte Zeit so lang, daß es schwierig ist, eine genaue Regelung zu gewährleisten.

Zum Stand der Technik wird außerdem auf die folgenden Druckschriften hingewiesen: US-PS 46 90 431, US-PS 46 79 809, US-PS 46 79 808.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Steuervorrichtung derart weiterzubilden, daß eine genaue Steuerung der Gierbewegung und der translatorischen Querbewegung des Fahrzeugs ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels wenigstens eines lenkbaren Rades eines Fahrzeugs umfaßt Sensoren, Bezugswertbestimmungsmittel, Fahrzeugüberwachungsmittel, einen Regler und Stellmittel. Die Sensoren dienen zur Abtastung von Zuständen des Fahrzeugs und umfassen wenigstens einen Sensor zur Abtastung des Lenkrad-Einschlagwinkels und einen Sensor zur Abtastung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Bezugswertbestimmungsmittel sind mit diesen Sensoren verbunden und dienen zur Bestimmung des Wertes einer Bezugsvariablen, durch Auflösung eines als Bezugsmodell dienenden vorgegebenen mathematischen Modells mit den gemessenen Werten des Lenkrad-Einschlagwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit als Eingangsparametern. Die Fahrzeugüberwachungsmittel dienen zur Bestimmung des Wertes einer Systemvariablen, die das tatsächliche Verhalten des gesteuerten Systems, d. h., des Fahrzeugs repräsentiert. Bei dieser Systemvariablen handelt es sich um eine Linearkombination einer für die Gierbewegung des Fahrzeugs repräsentativen Variablen mit einer für die Querbewegung des Fahrzeugs repräsentativen Variablen. Durch den Regler und die Stellmittel wird der Lenkwinkel der Räder derart gesteuert, daß der Wert der Systemvariablen auf den Wert der Bezugsvariablen eingeregelt wird. Da diese Variablen sowohl die Gierbewegung als auch die Querbewegung des Fahrzeugs repräsentieren, wird eine genaue Regelung beider Bewegungskomponenten ermöglicht, obgleich in jedem Regelzyklus nur ein einziges Bezugsmodell (Gleichungssystem) gelöst wird, so daß der Regelzyklus beträchtlich verkürzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Lenkwinkel-Steuersystems;

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Steuersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionen eines Prozessors;

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Steuerverfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5A bis 5E graphische Darstellungen der Ergebnisse einer Computersimulation des Steuersystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung von Funktionen des Prozessors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 ein Flußdiagramm eines in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Unterprogramms; und

Fig. 8 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung von Funktionen des Prozessors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Steuersystem mit einer Sensorgruppe 101, die wenigstens einen Lenkrad-Einschlagwinkelsensor 101 a und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 101 b aufweist, einem Bezugswertbestimmungssystem 102 zur Bestimmung des Wertes einer Bezugs-Ausgangs-Bewegungsvariablen y _r (im folgenden kurz als Bezugsvariable y _r bezeichnet), einem Fahrzeugüberwachungssystem 103 zur Bestimmung einer System-Ausgangs-Bewegungsvariablen D* (im folgenden als Systemvariable D* bezeichnet), einem Regler 104 zur Bestimmung eines Sollwertes für den Vorderrad- oder Hinterrad-Lenkwinkel und Stellmitteln 105 zum Lenken des Fahrzeugs.

In Fig. 2 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.

Gemäß Fig. 2 ist das Lenkwinkel-Steuersystem in einem Fahrzeug (dem gesteuerten System) installiert, das linke und rechte Vorderräder 1 und 2 und linke und rechte Hinterräder 3 und 4 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Vorderräder 1 und 2 durch eine Vorderradlenkvorrichtung 5 in Form eines herkömmlichen mechanischen Lenkgetriebes gelenkt, so daß der Lenkwinkel der Vorderräder 1 und 2 entsprechend der Winkelauslenkung, d. h., des Einschlagwinkels, eines Lenkrads 6 variiert wird.

Das Lenkwinkel-Steuersystem gemäß Fig. 2 umfaßt einen Lenkrad-Einschlagwinkelsensor 7 zur Abtastung des Einschlagwinkels R _s (Lenkradeinschlag R _s ) des Lenkrads 6 des Fahrzeugs und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 8 zur Abtastung der Fahrzeuggeschwindigkeit V.

Außerdem umfaßt das Steuersystem einen Giergeschwindigkeitssensor 9, einen Quergeschwindigkeitssensor 10 und einen Querbeschleunigungssensor 11. Der Giergeschwindigkeitssensor 9 dient zur Erfassung der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs mit Hilfe eines Kreisels. Der Quergeschwindigkeitssensor 10 dient zur Erfassung der Quergeschwindigkeit V _y des Fahrzeugs mit Hilfe eines Über- Grund-Geschwindigkeitsmessers oder einer ähnlichen Einrichtung. Der Querbeschleunigungssensor 11 dient zur Erfassung der Querbeschleunigung α des Fahrzeugs mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers.

Die Sensoren 7 bis 11 sind mit einem Prozessor 12 verbunden, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Mikrocomputer gebildet wird. Der Prozessor 12 nimmt die erfaßten Werte der Größen R _s, V, , V _y und α auf und führt die Funktionen des Bezugswertbestimmungssystems 102, des Fahrzeugüberwachungssystems 103 und des Reglers 104 aus und erzeugt ein Steuersignal, das einen Sollwert für den Lenkwinkel repräsentiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Sollwert um den Sollwert für den Lenkwinkel der Hinterräder.

Das Fahrzeug besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel eine hydraulische Hinterradlenkvorrichtung 13 zum Lenken der Hinterräder 3 und 4. Das Steuersignal des Prozessors 12 wird an ein Stellglied 14 übermittelt, das entsprechend diesem Signal den Arbeitsfluiddruck steuert, der der hydraulischen Hinterradlenkvorrichtung 13 zugeführt wird. Folglich werden die Hinterräder 3 und 4 derart gelenkt, daß ihr tatsächlicher Lenkwinkel mit dem durch das Steuersignal repräsentierten Sollwert in Übereinstimmung gehalten wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die in Fig. 1 gezeigten Stellmittel 105 durch das Stellglied 14 und die hydraulische Hinterradlenkvorrichtung 13 gebildet. Die Hinterradlenkvorrichtung 13 und das Stellglied 14 werden im einzelnen in der DE-OS 35 32 246 beschrieben.

Fig. 3 zeigt Funktionsblöcke des Prozessors 12 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Prozessor 12 weist demnach einen ersten Abschnitt 21, der das Bezugswertbestimmungssystem 102 bildet, einen zweiten Abschnitt 22, der als Fahrzeugüberwachungssystem 103 dient, und einen den Regler 104 bildenden dritten Abschnitt 23 auf.

Der erste Abschnitt 21 weist ein Bezugsmodell mit einer Übertragungsfunktion erster Näherungsordnung auf, die durch die folgende Gleichung (1) angegeben wird.

In dieser Gleichung bezeichnet G(V) eine Verstärkung, die eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V ist, τ eine Zeitkonstante, die so festgelegt ist, daß das Bezugsmodell eine gewünschte Charakteristik erhält, s einen Laplace-Operator (Differentialoperator) und y _r die oben erwähnte Bezugsvariable. Bei dieser Bezugsvariablen handelt es sich um eine zusammengesetzte Bewegungsvariable des Bezugsmodells, die sich auf die Gierbewegung und die translatorische Querbewegung bezieht.

Das Bezugsmodell läßt sich wie folgt mit Hilfe einer Bewegungsgleichung ausdrücken:

_r = A _r · X _r + B _r · R _s (2)

y _r = C _r · X _r (3)

In diesen Gleichungen gilt:

A _r = -1/τ, B _r = G(V)/ τ und C _r = 1.

Die Gleichung (2) ist eine Zustandsgleichung, und die Gleichung (3) ist eine Ausgangsgleichung. Die Variable X _r ist eine Zustandsvariable, die eine Kombination einer sich auf die Gierbewegung beziehenden Zustandsgröße mit einer sich auf die Querbewegung beziehenden Zustandsgröße angibt.

Der erste Abschnitt 21 des Prozessors bestimmt einen Wert der Bezugsvariablen y _r entsprechend dem abgetasteten Lenkradeinschlag R _s und der abgetasteten Fahrzeuggeschwindigkeit V mit Hilfe mathematischer Operationen, die durch die folgenden, aus den Gleichungen (2) und (3) abgeleiteten Gleichungen (4) und (5) angegeben werden.

y _r = ∫ _r dt (4)

Der zweite Abschnitt 22 nimmt die abgetasteten Werte der Fahrzeuggeschwindigkeit V, der Giergeschwindigkeit und der Querbeschleunigung a auf und berechnet einen Wert für die Systemvariable D*, die das Ausgangsverhalten des gesteuerten Systems (des Fahrzeugs) repräsentiert, anhand der folgenden Gleichung (6).

In der Gleichung (6) ist D ein vorgegebener konstanter Gewichtsfaktor, der größer als 0 und kleiner als 1 ist. Die zusammengesetzte Systemvariable D* ist eine Linearkombination aus einer Komponente, die die Gierbewegung des Fahrzeugs repräsentiert, und einer Komponente, die die Querbewegung des Fahrzeugs repräsentiert. Die Querbeschleunigung α wird in dem Abschnitt 22 mit dem Gewichtsfaktor D gewichtet, während die Giergeschwindigkeit mit (1-D) gewichtet wird. Durch geeignete Wahl der Konstanten D kann das Steuersystem somit dem Fahrzeug eine dynamische Charakteristik zuordnen, in der der Gierbewegung oder der Querbewegung eine angemessene Bedeutung zukommt.

Darüber hinaus ist es möglich, die Charakteristik der Gierbewegung bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit und zugleich die Charakteristik der Querbewegung bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit zu verbessern, indem man den Gewichtsfaktor D als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V derart variiert, daß sich der Gewichtsfaktor D bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit dem Wert 0 und bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit dem Wert 1 annähert.

In dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (6) ist die Giergeschwindigkeit mit der Fahrzeuggeschwindigkeit V multipliziert, um die Dimensionen der ersten und zweiten Ausdrücke einander anzugleichen. Grundlage hierfür ist die in der folgenden Gleichung (7) angegebene Beziehung zwischen der Querbeschleunigung α und der Giergeschwindigkeit ,

wobei _y die translatorische Querbeschleunigung ist, die definiert ist durch

Der dritte Abschnitt 23 des in Fig. 3 gezeigten Prozessors führt eine modellgeführte Regelung durch, um die zusammengesetzte Systemvariable D*, die einen Ausgangsparameter des gesteuerten Systems, also des realen Fahrzeugs darstellt, der gewünschten Bezugsvariablen y _r nachzuführen, die ein Ausgangsparameter des Bezugsmodells ist. Zu diesem Zweck arbeitet der Abschnitt 13 als Regler mit Ausgangs-Rückkopplung, Zustands-Rückkopplung und Voraus-Kompensierung, unter Verwendung optimaler Regelverstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃. Diese Regelverstärkungen werden auf der Grundlage einer optimalen Reglertheorie bestimmt, wie weiter unten näher erläutert werden soll.

Die Ausgangs-Rückkopplung wird mit einer Basisgröße δ _{R 2} durchgeführt, die durch den Abschnitt 23 bestimmt wird, um den Wert der Systemvariablen D* an den Wert der Bezugsvariablen y _r anzugleichen. Zunächst bestimmt der dritte Abschnitt 23 eine Abweichung e zwischen der Systemvariablen D* und der Bezugsvariablen y _r. Sodann wird in dem Abschnitt 23 die Basisgröße δ _{R 2} bestimmt, indem die Abweichung integriert und das Integral mit einem Verstärkungsfaktor K₂ multipliziert wird.

Die Zustands-Rückkopplung zur Verbesserung der Stabilität der Regelung wird mit ersten und zweiten Zustandsrückkopplungs-Kompensationsgrößen δ _{R 11} und δ _{R 12} durchgeführt. Die erste Kompensationsgröße w _{R 11} wird in dem dritten Abschnitt 23 bestimmt, indem die durch den Giergeschwindigkeitssensor 9 erfaßte tatsächliche Giergeschwindigkeit mit einem Verstärkungsfaktor K₁₁ multipliziert wird, und die zweite Kompensationsgröße δ _{R 12} wird bestimmt durch Multiplikation der durch den Quergeschwindigkeitssensor 10 erfaßten tatsächlichen Quergeschwindigkeit V _y mit einem Verstärkungsfaktor K₁₂. Außerdem wird in dem dritten Abschnitt 23 eine Voraus- Kompensationsgröße w _{R 3} bestimmt, indem die gewünschte Bezugsvariable y _r mit einem Verstärkungsfaktor K₃ multipliziert wird, um die Ansprechgeschwindigkeit bei Übergängen zwischen verschiedenen Bewegungszuständen zu verbessern.

Weiterhin bestimmt der dritte Abschnitt 23 des Prozessors eine Kompensationsgröße δ _{R 4} durch Verstärkung des abgetasteten Lenkradeinschlags R _s mit einem Verstärkungsfaktor -D _PF /D _P. Diese Kompensationsgröße δ _{R 4} dient dazu, einen direkten Einfluß der Lenkungsbetätigung auf die Querbeschleunigung zu eliminieren.

Sodann wird in dem dritten Abschnitt 23 des Prozessors der Sollwert für den Hinterrad-Lenkwinkel bestimmt, indem die Kompensationsgrößen w _{R 11}, δ _{R 12}, δ _{R 3} und δ _{R 4} und die Basisgröße w _{R 2} addiert werden, wie unten in Gleichung (8) angegeben ist, und der Sollwert wird als Steuersignal ausgegeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Verstärkungsfaktoren K₁₁, K₁₂, K₂, K₃ und -D _PF /D _P in folgender Weise bestimmt.

Wenn man das reale Fahrzeug als ein System mit zwei Freiheitsgraden betrachtet, von denen sich einer auf die Giergeschwindigkeit und der andere auf die Quergeschwindigkeit V _y bezieht, so erhält man die folgenden Zustands- und Ausgangsgleichungen.

_P = A _P · X _P + B _P · w _R + B _PF · R _s (9)

D* = C _PD · X _P + D · D _P · δ _R + D · D _PF · R _s (10)

wobei:

B _P= [b₁₂ b₂₂]^T, B _PF = [b₁₁ b₂₁]^T C _PD= [D · a₂₁ (V) + V D · a₂₂ (V) ]D _PF= b₂₁, D _P = b₂₂a₁₁(V)= -2(L _F² · eK _F + L _R² · K _R )/I _Z · V a₁₂(V)= -2(L _F · eK _F - L _R · K _R )/I _Z · V a₂₁(V)= -2(L _F · eK _F - L _R · K _R )/M · V - V a₂₂(V)= -2(eK _F + K _R )/M · V b₁₁= 2L _F · eK _F /I _Z · N b₁₂= -2L _F · K _R /I _Z b₂₁= 2eK _F /M · N b₂₂= 2K _R /M

In diesen Gleichungen bezeichnen die Größen L _F, L _R, eK _F, K _R, M, I _Z und N Parameter des realen Fahrzeugs:

L _F²= Abstand zwischen der Vorderachse und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs L _R= Abstand zwischen Hinterachse und Schwerpunkt des Fahrzeugs eK _F= Kurvenführungskraftäquivalent der Vorderräder K _R= Kurvenführungskraft der Hinterräder M= Masse des Fahrzeugs I _Z= Gier-Trägheitsmoment des Fahrzeugs N= Lenkübersetzungsverhältnis des Fahrzeugs.

Der tatsächliche Lenkwinkel δ _R der Hinterräder wird durch das Stellglied 14 und die Lenkvorrichtung 13 mit dem Sollwert in Übereinstimmung gehalten. Es gilt daher:

Die Gleichung (10) erhält man, indem man die folgende Gleichung (11) für die Querbeschleunigung α in Gleichung (6) einsetzt.

α = [a₂₁(V) + V a₂₂(V) ]X _P + b₂₁ · R _s+b₂₂ · δ _R (11)

Die Abweichung zwischen der Bezugsvariablen y _r und der Systemvariablen D* ist gegen durch

e = D* - y _r (12)

Es ist daher möglich, ein erweitertes System aufzustellen, das sowohl das Bezugsmodell als auch das gesteuerte System (das Fahrzeug) einschließt, indem man die Gleichungen (2) und (3) für das Bezugsmodell, die Gleichungen (9) und (10) für das System und die Beziehung (12) verwendet und das Eingangssignal (Lenkeinschlag) als stufenweises Signal ansieht ( = 0). Nachfolgend ist die Zustandsgleichung dieses erweiterten Systems angegeben.

Der Hinterradlenkwinkel w _R, der eine Steuer-Eingangsgröße dieses erweiterten Systems bildet, ist durch die folgende Gleichung (14) gegeben.

In dieser Gleichung gilt

X _r = y _r, da C _r = 1.

Diese Gleichung (14) entspricht der Wirkungsweise des dritten Abschnitts 23 des Prozessors.

Ziel der Regelung ist es, die Abweichung e in dem erweiterten System gegen 0 gehen zu lassen, doch ist die Größe des Hinterrad-Lenkwinkels δ _R begrenzt. Aus diesem Grund wird eine durch die folgende Gleichung (15) gegebene Bewertungsfunktion (oder Kriteriumsfunktion) J eingeführt, um die Konvergenz der Abweichung e zu verbessern und gleichzeitig den Hinterrad-Lenkwinkel δ _R zu verringern.

In der Gleichung (15) sind Q und R positive Konstanten zur Gewichtung entsprechend den Fahrzeugparametern oder anderen Parametern.

Die optimalen Regelverstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃ werden auf die Werte der Koeffizienten K₁ (= [K₁₁ K₁₂]), K₂ und K₃ der Gleichung (14) eingestellt, um die Bewertungsfunktion J zu minimieren. Die Werte dieser Koeffizienten, bei denen J minimal wird, lassen sich bestimmen durch Auflösung einer Riccati-Gleichung zu der Gleichung (13) auf der Grundlage der optimalen Reglertheorie. (Dieses Verfahren ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-82359 näher beschrieben.)

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Werte der Verstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃ durch Tabellennachschlag bestimmt. Jede dieser Verstärkungen ist von der Fahrzeuggeschwindigkeit V abhängig. Deshalb wird der Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeiten V in kleine Abschnitte unterteilt, und für jede Verstärkung und jeden Abschnitt des Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs wird ein Wert vorläufig berechnet. Beispielsweise wird der Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeiten in regelmäßige Abschnitte von 5 km/h unterteilt, und in dem Intervall von 80 km/h bis 85 km/h wird für die Berechnung jedes Verstärkungsfaktors eine Fahrzeuggeschwindigkeit

V = 82,5 km/h

zugrunde gelegt. Die so erhaltenenen Werte der Verstärkungen für jeden Abschnitt des Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichs werden in Form einer Datentabelle in einem Speicher des Prozessors 12 abgelegt. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V eingegeben wird, kann der dritte Abschnitt 23 daher unmittelbar die zugehörigen Werte der Verstärkungen aus der Tabelle entnehmen.

Die Verstärkung -D _PF /D _P wird durch die oben erwähnten Fahrzeugparameter bestimmt, da

D _PF = b₂₁ = 2eK _F /M · N
und
D _P = b₂₂ = 2K _R /M ist.

Die Hinzufügung des Ausdrucks -(D _PF /D _P ) R _s auf der rechten Seite der Gleichung (14) hat den Zweck, den Ausdruck mit R _s auf der rechten Seite der Gleichung (10) zu eliminieren, der sich auf die Querbeschleunigung bezieht. Durch diese Operation wird in dem Steuersystem gemäß dem Ausführungsbeispiel eine starke Veränderung bei einem anfänglichen Ansprechen der Querbeschleunigung α verhindert, so daß die Systemvariable D* der Bezugsvariablen y _r in zufriedenstellender Weise folgt, da direkte Einflüsse des Eingangswertes der Lenkung auf die Querbeschleunigung beseitigt werden.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des von dem Prozessor 12 ausgeführten Verfahrens. Wenn der Zündschalter und damit die Spannungszufuhr eingeschaltet wird, führt der Prozessor 12 eine Initialisierungsroutine aus, und anschließend wird das in Fig. 4 gezeigte Verfahren in regelmäßigen Zeitintervallen der Länge Δ t wiederholt.

In einem ersten Schritt 31 werden die von den Sensoren 7-11 übermittelten Werte des Lenkradeinschlags R _s, der Fahrzeuggeschwindigkeit V, der Giergeschwindigkeit , der Quergeschwindigkeit V _y und der Querbeschleunigung α gelesen. Im nachfolgenden Schritt 32 wird der gewünschte Wert für die Bezugsvariable y _r bestimmt, indem der Prozessor 12 die durch die Gleichungen (4) und (5) angegebenen Operationen ausführt.

Im nachfolgenden Schritt 33 bestimmt der Prozessor 12 den Wert der Systemvariablen D* unter Verwendung der Gleichung (6) und eines Wertes von D, bei dem es sich um eine vorgegebene Konstante (oder Variable) handelt, wie zuvor erwähnt wurde. In Schritt 34 werden die optimalen Verstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃ zu dem aktuellen Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit V anhand der gespeicherten Tabelle bestimmt.

Anschließend bestimmt der Prozessor 12 in Schritt 35 den Sollwert für den Hinterrad-Lenkwinkel unter Verwendung der Gleichung (14) ( = δ _R ), und im abschließenden Schritt 36 wird der so ermittelte Sollwert als Steuersignal ausgegeben.

Fig. 5A bis 5E zeigen die Ergebnisse einer hochpräzisen Computersimulation der Arbeitsweise des Steuersystems nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 5B bis 5E repräsentiert jeweils die Kurve "a" das Ansprechverhalten als Reaktion auf eine schlagartige Änderung des Lenkradeinschlags R _s gemäß Fig. 5A, bei dem Gewichtsfaktor D = 0. Die übrigen Kurven veranschaulichen jeweils das entsprechende Ansprechverhalten für den Gewichtsfaktor

D = 1/3 (Kurve "b"),
D = 2/3 (Kurve "c") und
D = 1 (Kurve "d").

Die Kurve "e" repräsentiert jeweils die entsprechende Charakteristik eines Fahrzeugs, dessen Hinterräder nicht gelenkt werden. Die Kurve "f" in Fig. 5B repräsentiert den von dem Bezugsmodell gelieferten Bezugsparameter y _r.

Wie aus den Fig. 5A bis 5E hervorgeht, bewirkt das Steuersystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, daß für jeden Wert des Gewichtsfaktors D die Systemvariable D* exakt der Bezugsvariablen y _r nachgeführt wird und daß das Ansprechverhalten der Giergeschwindigkeit und der Querbeschleunigung α stabiler und schwingungsfreier ist als bei dem herkömmlichen Fahrzeug. Außerdem gestattet es das Steuersystem, durch geeignete Wahl des Gewichtsfaktors D eine gewünschte dynamische Charakteristik auszuwählen.

Bei dem Steuersystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nur ein einziges Bezugsmodell verwendet, so daß die für die Durchführung des Regelprogramms in jedem Regelzyklus erforderliche Zeit kürzer ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung. Es ist daher möglich, die Zykluszeit Δ t hinreichend zu verkürzen und eine genauere Steuerung zu ermöglichen.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden die aktuellen Bewegungsvariablen des Fahrzeugs erfaßt und zurückgekoppelt. Selbst wenn einige der aktuellen Fahrzeugparameter mehr oder weniger stark von den für die Berechnung der Regelverstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃ verwendeten Werten abweichen, werden solche Abweichungen durch das Regelsystem aufgefangen, so daß in jedem Fall ein angemessenes Regelverhalten gewährleistet ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 und 7 dargestellt.

Das Lenkwinkel-Steuersystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat im wesentlichen den in Fig. 1 gezeigten Aufbau, unterscheidet sich jedoch von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Giergeschwindigkeitssensor 9, der Quergeschwindigkeitssensor 10 und der Querbeschleunigungssensor 11 nicht vorhanden sind.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel führt der Prozessor 12 die in Fig. 6 gezeigten Funktionen aus. Ein Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besteht lediglich hinsichtlich des zweiten Abschnitts 41 zur Bestimmung der Systemvariablen D*. Der zweite Abschnitt 41 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß er den von dem Lenkrad-Einschlagwinkelsensor 7 erfaßten Lenkradeinschlag R _s, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 6 erfaßte Fahrzeuggeschwindigkeit V und den von dem dritten Abschnitt 23 des Prozessors erzeugten Sollwert für den Hinterrad-Lenkwinkel aufnimmt. Anhand dieser Eingangsdaten wird in dem zweiten Abschnitt 41 die Giergeschwindigkeit und die Quergeschwindigkeit V _y des Fahrzeugs anhand eines Fahrzeugmodells abgeschätzt, daß das Verhalten des Fahrzeugs in Form von ein oder mehreren Bewegungsgleichungen repräsentiert. Die Schätzwerte für die Giergeschwindigkeit und die Quergeschwindigkeit werden bei diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der oben erwähnten Gleichung (9) bestimmt. Anschließend wird mit Hilfe der Gleichung (10) die Systemvariable D* anhand des gemessenen Lenkradeinschlags R _s, des errechneten Sollwertes für den Hinterradlenkwinkel und anhand der Schätzwerte für die Giergeschwindigkeit und die Quergeschwindigkeit V _y bestimmt.

Ein Unterprogramm, anhand dessen der Prozessor 12 die Funktion des zweiten Abschnitts 41 ausführt, ist in Fig. 7 gezeigt.

In einem Schritt 51 übernimmt der Prozessor 12 die aktuellen Werte für den Lenkradeinschlag R _s, die Fahrzeuggeschwindigkeit V und den Sollwert . Im nächsten Schritt 52 wird anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit V und anhand der Werte der Fahrzeugparameter des realen Fahrzeugs die Matrix A _P mit dem Koeffizienten a₁₁(V), a₁₂(V), a₂₁(V) und a₂₂(V) bestimmt.

Im nachfolgenden Schritt 53 wird anhand der nachfolgenden Gleichung das Produkt A _P · X _P gebildet.

Für die Giergeschwindigkeit und die Quergeschwindigkeit V _y werden in dem ersten Arbeitszyklus Anfangswerte ( = 0 und V _y = 0) und in den nachfolgenden Zyklen die in dem jeweils vorausgegangenen Zyklus ermittelten Schätzwerte benutzt.

In Schritt 54 wird der Vektor _P (= [ _y]^T) bestimmt, indem die Größen A _P · X _P, B _P · δ _R und B _PF · R _s in Gleichung (9) eingesetzt werden. Im nächsten Schritt 55 wird der Schätzwert von X _P (= V _y]^T) durch Integration von _P gemäß folgender Gleichung ermittelt.

Im abschließenden Schritt 56 des Unterprogramms wird die Systemvariable D* anhand der Gleichung (10) bestimmt.

Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, steuert der Prozessor 12 den Hinterrad-Lenkwinkel durch wiederholte Ausführung des in Fig. 4 gezeigten Programms. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden in Schritt 31 als Eingangsdaten jedoch nur der Lenkradeinschlag R _s und die Fahrzeuggeschwindigkeit V aufgenommen, und anstelle des Schrittes 33 wird das Unterprogramm gemäß Fig. 7 ausgeführt. Die durch Computersimulation des Steuersystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel erhaltenen Ergebnisse stimmen im wesentlichen mit den in Fig. 5B bis 5E gezeigten Ergebnissen überein.

Mit dem Steuersystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ebenso wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel ein stabileres und konvergenteres Lenkverhalten des Fahrzeugs als bei herkömmlichen Fahrzeugen und eine präzisere Steuerung durch Verringerung der Zykluszeit erreicht. Ein weiterer Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß keine kostspieligen Sensoren wie Giergeschwindigkeitssensoren, Quergeschwindigkeitssensoren und Querbeschleunigungssensoren benötigt werden, so daß sich eine Verringerung der Herstellungskosten ergibt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind der Giergeschwindigkeitssensor 9, der Quergeschwindigkeitssensor 10 sowie der Lenkrad-Einschlagwinkelsensor 7 und der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 8 in der in Fig. 2 gezeigten Weise mit dem Prozessor 12 verbunden, es wird jedoch kein Querbeschleunigungssensor 11 benötigt. Das Steuersystem ist bei diesem Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, daß die Systemvariable D* anhand der gemessenen Giergeschwindigkeit und der gemessenen Quergeschwindigkeit V _y bestimmt wird, während bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Giergeschwindigkeit und die Querbeschleunigung verwendet wurden.

Gemäß Fig. 8 weist der Prozessor 12 des dritten Ausführungsbeispiels drei Funktions-Abschnitte 61, 62 und 63 auf.

In dem ersten Abschnitt 61 wird der gewünschte Wert einer Bezugsvariablen y _{r 2} mit Hilfe eines mathematischen Bezugsmodells bestimmt, das durch die folgenden Gleichungen gebildet wird.

_{r 2} = A _{R 2} · X _{r 2} + B _{R 2} · R _s (18)

y _{r 2} = C _{r 2} · X _{r 2} (19)

Der zweite Abschnitt 62 ermittelt mit Hilfe der nachfolgend wiedergegebenen Gleichung (20) die Systemvariable D₂* anhand der gemessenen Giergeschwindigkeit und der gemessenen Quergeschwindigkeit V _y.

D₂* = C _{PD 2} · X _p (20)

wobei

C _{PD 2} = [C₁ C₂], X _P = [ V _Y ]^T

In dieser Gleichung ist C₁ ein Gewichtsfaktor der Giergeschwindigkeit und C₂ ein Gewichtsfaktor der Quergeschwindigkeit V _y. Die Gewichtsfaktoren C₁ und C₂ werden in entsprechender Weise wie der Gewichtsfaktor D bei dem ersten Ausführungsbeispiel als geeignete Konstanten oder als geeignete Funktionen der Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegt.

In dem dritten Abschnitt 63 wird die Abweichung e der Systemvariablen D₂* von der Bezugsvariablen y _{r 2} mit Hilfe der folgenden Gleichung (21) bestimmt.

e = D₂* - y _{r 2} (21)

Optimale Regelverstärkungen K₁₁′, K₁₂′, K₂′ und K₃′ werden in gleicher Weise wie die Regelverstärkungen K₁₁, K₁₂, K₂ und K₃ bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorab bestimmt mit Hilfe der folgenden Zustandsgleichung (23), die aus den Gleichungen (9), (20) und (21) abgeleitet ist, und die optimalen Regelverstärkungen werden in Form einer Datentabelle gespeichert.

Der dritte Abschnitt 63 übernimmt die Werte dieser optimalen Regelverstärkungen, die dem aktuellen Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit V entsprechen, aus der Datentabelle und berechnet den Sollwert für den Hinterrad-Lenkwinkel unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (24).

wobei

K₁′ = [K₁₁′ K₁₂′].

Das Steuersystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ermöglicht ebenso wie die beiden ersten Ausführungsbeispiele eine präzise Steuerung des Lenkwinkels mit einem kurzen Regelzyklus. Außerdem werden bei diesem Steuersystem Abweichungen der tatsächlichen Fahrzeugparameter durch die Ausgangs-Rückkopplung mit den gemessenen tatsächlichen Bewegungsvariablen des Fahrzeugs ausgeglichen, und es wird kein kostspieliger Querbeschleunigungssensor benötigt.

Als Prozessor 12 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung kann anstelle eines Mikrocomputers auch eine Analogschaltung oder ein Analogrechner verwendet werden. Außerdem kann das Steuersystem derart ausgelegt werden, daß sowohl die Lenkwinkel der Hinterräder als auch die Lenkwinkel der Vorderräder gesteuert werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung des Lenkwinkels eines oder mehrerer Räder eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch

- Sensormittel (101, 7, 8) zur Abtastung von Zustandsparametern des Fahrzeugs einschließlich des Lenkrad-Einschlagwinkels ( R _s ) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (V),
- Bezugswertbestimmungsmittel (102; 21; 61) zur Bestimmung eines von dem abgetasteten Lenkrad-Einschlagwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Wertes einer Bezugsvariablen (y _r ), die für die gewünschte Bewegung des Fahrzeuges repräsentativ ist, durch Auflösung eines vorgegebenen mathematischen Modells,
- Fahrzeugüberwachungsmittel (103, 22; 41; 62) zur Bestimmung einer für die tatsächliche Bewegung des Fahrzeugs repräsentativen Systemvariablen (D*) in Form einer Linearkombination aus einer für die Gierbewegung des Fahrzeugs repräsentativen Variablen und einer für die Querbewegung des Fahrzeuges repräsentativen Variablen ( α, V _y ),
- einen mit den Bezugswertbestimmungsmitteln und den Fahrzeugüberwachungsmitteln verbundenen Regler (104, 23; 63) zur Erzeugung eines Steuersignals entsprechend einem Sollwert für den Lenkwinkel der Räder, derart, daß die Abweichung (e) der Systemvariablen (D*) von der Bezugsvariablen (y _r ) verringert wird, und
- Stellmittel (105, 14) zur Einstellung des tatsächlichen Lenkwinkels der Räder entsprechend dem Steuersignal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugüberwachungsmittel (103, 22; 61; 62) mit den Sensormitteln (101, 7, 8, 9, 10, 11) verbunden sind und Näherungswerte für die Gierbewegungs- Variable und die Querbewegungsvariable ( α, V _y ) anhand wenigstens eines Ausgangssignals der Sensormittel bestimmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemvariable (D*) die Summe aus dem Produkt der Gierbewegungs-Variablen mit einem ersten Gewichtsfaktor (1-D; C₁) und dem Produkt der Querbewegungs-Variablen mit einem zweiten Gewichtsfaktor (D; C₂) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugüberwachungsmittel mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (101 b) verbunden sind und daß die Gewichtsfaktoren eine Funktion der abgetasteten Fahrzeuggeschwindigkeit (V) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel einen Sensor (9) zur Abtastung der Gierbewegungs-Variablen und wenigstens einen Sensor (10, 11) zur Abtastung wenigstens einer Querbewegungs-Variablen des Fahrzeugs umfassen und daß die Fahrzeugüberwachungsmittel die abgetasteten Werte der Gierbewegungs-Variablen und der Querbewegungs-Variablen aufnehmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) zur Abtastung der Gierbewegungs-Variablen ein Giergeschwindigkeits-Sensor zur Abtastung der tatsächlichen Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Abtastung der Quergeschwindigkeits-Variablen ein Querbeschleunigungssensor (11) zur Abtastung der tatsächlichen Querbeschleunigung ( a ) des Fahrzeugs ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Abtastung der Querbewegungs-Variablen ein Quergeschwindigkeitssensor (10) zur Abtastung der tatsächlichen Quergeschwindigkeit (V _y ) des Fahrzeugs ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (23) ein Haupt-Regelsystem aufweist, das die Abweichung (e) der Systemvariablen von der Bezugsvariablen erfaßt und anhand dieser Abweichung unter Verwendung eines Integral- Regelgesetzes mit einer vorgegebenen Integral-Regelverstärkung (K₂) eine Basisgröße ( δ _{R 2}) für den Lenkwinkel bestimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (23)

- mit dem Giergeschwindigkeitssensor (9) verbundene erste Kompensiermittel zur Bestimmung einer ersten Kompensationsgröße ( w _{R 11}) durch Multiplikation der gemessenen Giergeschwindigkeit mit einem ersten Verstärkungsfaktor (K₁₁),
- mit dem Quergeschwindigkeitssensor (10) verbundene zweite Kompensiermittel zur Bestimmung einer zweiten Kompensationsgröße ( δ _{R 12}) durch Multiplikation der gemessenen Quergeschwindigkeit mit einem zweiten Verstärkungsfaktor (K₁₂),
- mit den Bezugswertbestimmungsmitteln verbundene dritte Kompensiermittel zur Bestimmung einer dritten Kompensationsgröße ( w _{R 3}) durch Multiplikation der Bezugsvariablen (y _r ) mit einem dritten Verstärkungsfaktor (K₃) und
- Summiermittel zur Bestimmung des Sollwertes durch Addition der ersten, zweiten und dritten Kompensationsgrößen ( δ _{R 11}, δ _{R 12}, δ _{R 3}) zu der Basisgröße ( δ _{R 2}).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (23) vierte Kompensiermittel aufweist, die mit dem Sensor (7) zur Abtastung des Lenkrad-Einschlagwinkels ( R _s ) verbunden sind und eine vierte Kompensationsgröße ( δ _{R 4}) durch Multiplikation des Lenkrad-Einschlagwinkels mit einem vierten Verstärkungsfaktor (D _PF /D _P ) bestimmen, und daß die Summiermittel alle vier Kompensationsgrößen zur der Basisgröße hinzuaddieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (23) mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (8) verbunden ist und daß die Integral-Regelverstärkung sowie die ersten, zweiten und dritten Verstärkungsfaktoren jeweils eine Funktion der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugüberwachungsmittel (41) mit dem Sensor (6) zur Abtastung des Lenkrad-Einschlagwinkels ( R _s ), dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (8) und dem Regler (23) verbunden sind und die Gierbewegungs- Variable und die Querbewegungs-Variable mit Hilfe eines vorgegebenen, das tatsächliche Verhalten des Fahrzeugs repräsentierenden mathematischen Modells anhand des gemessenen Lenkrad-Einschlagwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Sollwertes für den Lenkwinkel abschätzen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugüberwachungsmittel (41) Mittel zur Abschätzung der tatsächlichen Giergeschwindigkeit und der tatsächlichen Quergeschwindigkeit (V _y ) des Fahrzeugs aufweisen und daß der Regler (23)

- Mittel zur Bestimmung einer Basisgröße für den Lenkwinkel anhand der Abweichung (e) im Rahmen einer Integral-Regelung,
- erste Kompensiermittel zur Bestimmung einer ersten Kompensationsgröße durch Multiplikation des abgeschätzten Wertes der Giergeschwindigkeit mit einem ersten Verstärkungsfaktor (K₁₁),
- zweite Kompensiermittel zur Bestimmung einer zweiten Kompensationsgröße durch Multiplikation des abgeschätzten Wertes für die Quergeschwindigkeit (V _y ) mit einem zweiten Verstärkungsfaktor (K₁₂) und
- Summiermittel zur Bestimmung des Sollwertes durch Addition der ersten und zweiten Kompensationsgrößen zu der Basisgröße aufweist.