AT512483B1 - Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen in einem Prüfstand - Google Patents

Abstract

Um in einem Prüfstand (1) für eine Realkomponente (4) und eine Virtualkomponente (5) die Anregung von Schwingungen und Resonanzen zu reduzieren, ist einer der Verfahrensschritte a) Ermitteln eines ersten Korrekturwertes (K1) aus der Messgröße (M), wobei der erste Korrekturwert (K1) zur Messgröße (M) addiert wird und die Summe als korrigierte Messgröße (M*) der Virtualkomponente (5) zur Berechnung der Steuergröße (S) übermittelt wird, b) Ermitteln eines zweiten Korrekturwertes (K2) aus der berechneten Steuergröße (S), wobei der zweite Korrekturwert (K2) zur berechneten Steuergröße (S) addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße (S*) der Aktuatorik (3) übermittelt wird, c) Ermitteln eines dritten Korrekturwertes (K3) aus der Messgröße (M), wobei mit dem dritten Korrekturwert (K3) ein Parameter (P) der Bewegungsgleichung verändert wird, vorgesehen, wobei zur Ermittlung des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (K1, K2, K3) eine Zielfunktion (J) als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (K1, K2, K3) implementiert ist, die hinsichtlich des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (K1, K2, K3) optimiert wird.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR REDUZIERUNG VON SCHWINGUNGEN IN EINEM PRÜFSTAND

[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Anregung vonunerwünschten Schwingungen und Resonanzen in einem Prüfstand für eine Realkomponenteund eine Virtualkomponente, wobei die Realkomponente eine Messgröße der Realkomponentean die Virtualkomponente liefert und von der Virtualkomponente eine Steuergröße für eineAktuatorik des Prüfstandes erhält, wobei in der Virtualkomponente ein Simulationsmodell miteiner Bewegungsgleichung implementiert ist, das aus der Messgröße die Steuergröße ermittelt.

[0002] In der Fahrzeugtechnik geschieht der Vorgang des Testens häufig so, dass Realkompo¬nenten, wie beispielsweise reale Verbrennungsmotoren, reale Reifen, reale Getriebe, realeBatterien, reale Lenksysteme, reale Antriebsstränge, reale Fahrzeuge usw., auf Prüfständenangeordnet werden. Diese zu testende Realkomponente legt häufig auch den Namen desPrüfstandes fest. Man spricht somit von Motorprüfständen, Reifenprüfständen, Getriebeprüf¬ständen, Fahrzeugprüfständen, usw. Diese Prüfstände erlauben beispielsweise das Entwickelnvon Verbrennungsmotoren, von Fahrzeugkomponenten oder auch das Aufspüren von Fehlernbei vernetzten Fahrzeugsteuergeräten, die sich auf das Gesamtverhalten des Fahrzeugs aus¬wirken können. Das Testen ist dabei ein Vorgang, mit welchem eine größere Gewissheit dar¬über gewonnen werden soll, ob technische Objekte, technisches Systeme oder technischeErzeugnisse und Abläufe, die Realkomponente oder die Virtualkomponente, innerhalb gewisserRandbedingungen funktionieren und/oder ob bestimmte Eigenschaften und/oder Anforderungenerfüllt werden. Durchgeführte Tests simulieren bzw. antizipieren somit stets reale Vorgänge insimulierten Umgebungen. Die simulierte Umgebung tauscht mit der getesteten Realkomponenteim allgemeinsten Fall Stoffströme (z.B. ein Mediumstrom, wie Öl, Wasser, etc.), Energieströme(z.B. elektrischer Strom/Spannung, Drehzahl/Drehmoment, etc.) und Informationsströme (z.B.gemessene Daten, etc.) aus und ermöglicht so die Untersuchung technischer Vorgänge, ohnedie zukünftige echte Umgebung der Realkomponente vorauszusetzen, zu beeinträchtigen oderzu gefährden. Ein Testergebnis ist daher aber auch niemals absolut gültig, sondern stellt stetseine Näherung dar. Die Qualität der Näherung hängt unter anderem von der Qualität der simu¬lierten Umgebung ab und von der Qualität, mit der der in der Realität stattfindende Austauschvon Energie-, Informations- und Stoffströmen nachgebildet werden kann. Diese simulierte Um¬gebung wird nachfolgend als Virtualkomponente bezeichnet. Realkomponente und Virtualkom¬ponente zusammen werden als Prüfling bezeichnet. Prüfling und Prüfstand zusammen werdenoftmals auch als Hardware-In-The-Loop-System (HiL-System) oder spezieller als „X-In-The-Loop-System", wobei X für den jeweiligen Prüfling steht, bezeichnet.

[0003] Eine Virtualkomponente besteht aus Simulationsmodellen, die im Wesentlichen alsSoftware mit implementierten Algorithmen und mathematischen oder physikalischen Modellenimplementiert sind, welche auf einer Simulationseinheit, in der Regel einem Computer, ausge¬führt werden.

[0004] Am Prüfstand zur Durchführung der Tests ist in der Regel auch Aktuatorik (eine Anzahlvon Aktoren) und Sensorik (eine Anzahl von Sensoren) vorhanden, sowie eventuell eine Ab¬laufsteuerung (z.B. eine Prüfstandssteuereinheit, eine Automatisierungeinheit, etc.) und Peri¬pherie (wie z.B. ein Datenlogger, usw.). Die Sensoren messen physikalische, chemische oderinformationstechnische Zustände oder Zustandsänderungen („Messgrößen“) der Realkompo¬nente und die Aktoren prägen der Realkomponenten gewisse chemische, physikalische oderinformationstechnische Zustände oder Zustandsänderungen („Sollgrößen“) auf. Aktoren sindsomit das signalwandlerische Gegenstück zu Sensoren. Aktoren und Sensoren verbinden diereale mit der virtuellen Welt des Prüflings, also die Realkomponente und die Virtualkomponente.Beispiele für Aktoren sind elektrische, pneumatische oder hydraulische Belastungseinheitenzum Aufprägen von Drehzahlen, Drehmomenten, Geschwindigkeiten oder Wegen, regelbareelektrische Widerstände, Ölkonditionieranlagen, Luftkonditionieranlagen etc. Beispiele für Sen¬soren sind Drehmomentsensoren und Drehgeber.

[0005] Realkomponente, Virtualkomponente, Aktoren und Sensoren sind dynamische Systememit einem bestimmten Übertragungsverhalten. Somit ist auch ein Hardware-In-The-Loop-System als Verschaltung dieser Komponenten ein dynamisches System.

[0006] Ein Beispiel für einen Test ist eine virtuelle Versuchsfahrt eines Hybridfahrzeuges (Ver¬brennungsmotor und Elektromotor) über die Großglockner Hochalpenstraße unter realistischerNachbildung der Luftfeuchte, der Lufttemperatur, des Drehzahl- und Drehmomentenverhaltensder Realkomponente „Verbrennungsmotor“, der auf einem Motorprüfstand angeordnet ist. Zieldieser Erprobungsfahrt sei die Beurteilung des dynamischen Verhaltens des Elektromotorssowie des Temperaturverhaltens der Traktionsbatterie, die als Virtualkomponente simuliertwerden, für einen bestimmten Fahrertyp, z.B. ein sportlicher Fahrer mit aggressivem Schaltver¬halten. Die Teststrecke (hier die Großglockner Hochalpenstraße), das Fahrverhalten sowie dieFahrumgebung werden ebenfalls simuliert. Bei dieser Testfahrt wird das Hardware-In-The-Loop-System über die Unebenheiten der Fahrbahn, über Windböen, über die Brems- undLenkaktivitäten des Fahrers und/oder über Verbrennungsströße zu Schwingungen angeregt.Diese Schwingungen werden aber aufgrund des dynamischen Verhaltens der Sensorik undAktuatorik und aufgrund der durch die Simulation stets begrenzten Abbildungsgenauigkeit derVirtualkomponente nicht exakt identisch sein mit den Schwingungen, die sich bei einer realenFahrt mit dem Hybridfahrzeug über die Großglockner Hochalpenstraße einstellen.

[0007] Ein anderes Beispiel ist in der EP 1 037 030 B1 gezeigt, die ein Verfahren zum Simulie¬ren des Verhaltens eines Fahrzeugs auf einer Fahrbahn an einem Antriebsstrang-Prüfstandoffenbart, wobei zur Simulation ein Fahrzeugmodell und ein Reifenmodell (Virtualkomponenten)verwendet wird.

[0008] In der Praxis werden die Virtualkomponenten oft nachträglich auf bereits bestehendenPrüfstandsinfrastrukturen nachgerüstet. Ein klassischer, traditioneller Prüfstand, welcher bishernur einfache Sollwertprofile aufprägen konnte, wird so zu einer leistungsfähigen X-In-The- LoopTestumgebung, welche es ermöglicht, neue Testaufgaben, wie beispielsweise die oben be¬schriebene Großglockner Hochalpenfahrt bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen, darzu¬stellen. Die bestehende Prüfstandsaktuatorik und Prüfstandssensorik mit ihren unterlagertendynamischen Subsystemen und Reglerstrukturen soll hierbei (z.B. aus Kostengründen) häufigunverändert bleiben oder sie ist dem Lieferanten der Virtualkomponente unbekannt. Die gleicheVirtualkomponente wird häufig auch an unterschiedlichen Prüfständen mit unterschiedlichendynamischen Übertragungsverhalten oder an unterschiedlichen Prüfstandstypen verwendet.Gleichfalls kommt es vor, dass eine Virtualkomponente durch eine andere Virtualkomponente(z.B. mit veränderten Modellen) ersetzt wird.

[0009] Ein weiteres Problem mit solchen Virtualkomponenten kann am Prüfstand entstehen,wenn die Virtualkomponenten extreme Lastfälle darstellen sollen, die an oder über die Grenzender implementierten Aktuatorik, Sensorik oder der Realkomponente gehen.

[0010] Aufgrund des dynamischen Übertragungsverhaltens der am Prüfstand verbauten Aktua¬torik und Sensorik, aber auch aufgrund der immer in den verfügbaren Messungen vorhandenenStörungen (z.B. Messrauschen, begrenzte Auflösung, etc.) kommt es häufig zu unerwünschten,unerwartenden und unrealistischen Schwingungs- und Resonanzphänomenen des dynami¬schen Gesamtsystems, welche die Testergebnisse negativ beeinflussen können und im Extrem¬fall die Verwendung der Virtualkomponenten überhaupt zum Scheitern bringen können.

[0011] Diesem Szenario könnte man klassisch durch die Verwendung von Filtern (z.B. BesselFilter, Butterworth Filter, etc.) zur Schwingungsdämpfung begegnen, wodurch die verfügbareDynamik des Prüfstandes jedoch eingeschränkt wird, was unerwünscht ist. Prüfsituationen mithoher Dynamik, z.B. eine sehr rasche Drehzahl- oder Drehmomentenänderung, könnten dannnicht mehr durchgeführt werden. Eine weitere wichtige negative Eigenschaft, die beim Einsatzvon derartigen Filtern auftritt ist die Verzerrung wichtiger dynamischer Zustände beim Testen.Als Beispiel sei bei mechanisch/rotatorischen Prüfständen (z.B. Powertrain) der Drehimpulsgenannt, welcher zwischen Real- und Virtualkomponente ausgetauscht wird. Die Verwendungvon Filtern bewirkt hier, dass der real aufgebrachte Drehimpuls (z.B. vom Verbrennungsmotor) nicht korrekt in die Virtualkomponente eingebracht wird, was in Folge zu falschen Testergebnis¬sen führt (z.B. zu hoher/zu geringer Kraftstoffverbrauch). Filter bewirken zudem zusätzlich stetseine Phasenverschiebung, welche unter anderem die Stabilitätsreserve des HiL-Systems nega¬tiv beeinflusst.

[0012] Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren anzugeben,mit dem Virtualkomponenten an Prüfständen weitestgehend ohne Einschränkung des dynami¬schen Verhaltens und weitestgehend ohne unerwünschte Schwingungs- und Resonanzeffektebetrieben werden können.

[0013] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, indem, zumindest aus der Messgröße ein ersterKorrekturwert ermittelt wird, der zur Messgröße addiert wird und die Summe als korrigierteMessgröße der Virtualkomponente zur Berechnung der Steuergröße übermittelt wird oder ausder berechneten Steuergröße ein zweiter Korrekturwert ermittelt wird, der zur berechnetenSteuergröße addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße der Aktuatorik übermitteltwird oder ein dritter Korrekturwert ermittelt wird, welcher einen Parameter der Bewegungsglei¬chung verändert, wobei zur Ermittlung des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwerteseine Zielfunktion als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes implemen¬tiert ist, die hinsichtlich des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes optimiert wird. Dererste, zweite oder dritte Korrekturwert können aber auch beliebig kombiniert werden.

[0014] Damit können unerwünschte Schwingungs- und Resonanzeffekte am Prüfstand wir¬kungsvoll unterdrückt werden, weitestgehend ohne dabei die Dynamik des Prüfstandes einzu¬schränken und ohne in die der Aktuatorik unterlagertn Reglerstruktur oder in die Prüfstandssen¬sorik einzugreifen. Das ermöglicht auch die Nachrüstung bestehender Prüfumgebungen mitVirtualkomponenten oder den Austausch von Virtualkomponenten durch andere Virtualkompo¬nenten ohne dabei etwas an der bestehenden Prüfstandsinfrastruktur (Sensorik, Aktuatorik)ändern zu müssen. Damit können allfällige erwünschte systemdynamische Eingriffe in denPrüfstand durch Eingriffe bzw. Ergänzungen in der Virtualkomponente, und vor allem unabhän¬gig von der bereits bestehenden Prüfstandsinfrastruktur, durchgeführt werden.

[0015] Ganz besonders vorteilhaft wird als Messgröße das Drehmoment einer Welle zwischenRealkomponente und Aktuatorik verwendet. Das ermöglicht das „Formen" der am Prüfstandgemessenen Drehmomente durch virtuelle Zusatzmomente, so dass sich das der virtuellen Welteingeprägte Drehmoment in geeigneter Weise kontinuierlich (als Funktion der Zeit) so verän¬dert, dass im virtuellen System keine unerwünschten Schwingungen auftreten.

[0016] Ebenso vorteilhaft wird als Steuergröße eine Drehzahl verwendet. Die sich in der virtuel¬len Welt der Simulation ergebenden Drehzahlen werden in geeigneter Weise so „umgeformt“,dass im realen System keine unerwünschten Schwingungen oder Resonanzen auftreten.

[0017] Die Korrektunwerte lassen sich vorteilhaft durch Optimierung einer Zielfunktion nach demjeweiligen Korrekturwert ermitteln. Solche Zielfunktionen lassen sich mit bekannten mathemati¬schen Methoden optimieren, bevorzugt auf Echtzeitrechnern in Echtzeit. Zur Ermittlung desersten oder dritten Korrektunwertes wird bevorzugt eine Linearkombination einer ersten undzweiten Zielfunktion optimiert, da auf diese Weise unterschiedliche, physikalische Wirkungenähnliche Einflussgrößen, wie z.B. Energie oder Drehimpuls, berücksichtigt werden können.Dazu wird als erste oder dritte Zielfunktion vorteilhaft ein quadratisches Gütefunktional alsFunktion der Winkelgeschwindigkeit oder einer Ableitung davon verwendet. Mit der zweitenZielfunktion wird vorteilhaft der durch den ersten oder dritten Korrekturwert eingebrachte Dreh¬impuls oder die veränderte kinetische Energie bewertet, womit sichergestellt wird, dass durchdie Korrektur keine zu großen Verfälschungen der Drehbewegung oder der Energiebilanz oderder Impulsgleichungen der Welle hervorgerufen werden.

[0018] Zur Ermittlung des zweiten Korrekturwertes wird bevorzugt eine Zielfunktion implemen¬tiert, die die Abweichung zwischen der in der Virtualkomponente berechneten Steuergröße unddem tatsächlichen Wert dieser Steuergröße bewertet.

[0019] Für viele Prüfstandstypen, wie z.B. Antriebsstrangprüfstände oder Motorprüfstände, ist es vorteilhaft, als ersten Korrekturwert ein Korrekturmoment zu ermitteln und/oder als zweitenKorrekturwert eine Korrekturdrehzahl zu ermitteln. Drehmoment und Drehzahl sind in solchenPrüfständen die üblichen Mess- und Steuergrößen und üblicherweise als Messwerte verfügbar,sodass sich deren Verwendung vorteilhaft anbietet.

[0020] Als dritter Korrekturwert wird vorzugsweise ein massebehafteter Parameter der Bewe¬gungsgleichung, wie z.B. ein Trägheitsmoment oder eine Masse, verwendet, mit dem sich dieVirtualkomponente über die Bewegungsgleichung einfach beeinflussen lässt.

[0021] Ganz besonders vorteilhaft können bei der Optimierung Randbedingungen zur Berück¬sichtigung von vorgegebenen Beschränkungen der Virtualkomponente oder der Realkompo¬nente oder der Aktuatorik berücksichtigt werden. Auf diese Weise können physikalische Gren¬zen des Prüfstandes berücksichtigt werden, was auch einen wirkungsvollen Schutz der Kompo¬nenten des Prüfstandes gegen allfällige Beschädigungen, z.B. durch zu hohe Drehmomente,Beschleunigungen, Drehzahlen, etc., darstellt. Neben der Optimierung der Zielfunktionen wirdder Optimierungsalgorithmus in diesem Fall typischerweise Gleichheits- oder Ungleichungsbe¬schränkungen berücksichtigen. Dadurch können insbesondere bei anspruchsvollen Testszena¬rios (z.B. Überfahren von Bodenwellen oder Schwellen) einerseits unerwünschte Schwingungenim HiL-System reduziert werden, andererseits können Einschränkungen des Prüfstands beigleichzeitiger Maximierung des Realitätsanspruchs garantiert eingehalten werden.

[0022] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausge¬staltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0023] Fig.1 und 2 Beispiele einer Konfiguration einer Hardware-In-The-Loop-Testumgebung, [0024] Fig.3 die erfindungsgemäße Korrektur der Messgröße oder der Steuergröße und [0025] Fig.4 die Ermittlung des ersten Korrekturwertes am Beispiel eines Radsimulati¬ onsmodells.

[0026] Mit Fig.1 ist die grundsätzliche Konfiguration einer Hardware-In-The-Loop-Testumge-bung dargestellt. Auf einem Prüfstand 1, z.B. ein Motorprüfstand, ist eine Realkomponente 4,z.B. ein Verbrennungsmotor, angeordnet, der über eine Verbindungswelle 2 mit einer Aktuatorik3, z.B. eine Belastungsmaschine in Form eines elektrischen Dynamometers, verbunden ist. DieVirtualkomponente 5 besteht aus einem Simulationsmodell 21, z.B. ein Fahrzeugsimulations¬modell 6, ein Umgebungssimulationsmodell 7, ein Fahrersimulationsmodell 8, ein Straßensimu¬lationsmodell 9, ein Radsimulationsmodell 10, etc., die als Software in einer Simulationseinrich¬tung 17, z.B. in Form eines Computers mit benötigter Software und implementierten Algorith¬men, laufen. Je nach Testlauf können unterschiedliche und mehrere solcher Komponentensi¬mulationsmodelle, die gemeinsam das Simulationsmodell 21 bilden, zum Einsatz kommen. Inder Virtualkomponente 5 wird das Fahrzeug oder eine Komponente davon durch eine virtuelleWelt bewegt. Realkomponente und Virtualkomponente interagieren über Eingangsschnittstellen11 (Daten von Sensorik 18) und Ausgangsschnittstellen 12 (Daten zu Aktuatorik). Am Prüfstand1 wird der jeweils aktuelle virtuelle Zustand gesteuert von der Virtualkomponente 5 an der Real¬komponente 4 und an der Aktuatorik 3 eingestellt, sodass die Realkomponente 4 die Zuständeaus der Virtualkomponente 5, also die virtuelle Welt, erfährt und über die zeitlich Abfolge dieserZustände getestet wird.

[0027] Dazu wird am Prüfstand 1 z.B. das Drehmoment T zwischen Realkomponente 4 undAktuatorik 3 oder die Drehzahl n der Realkomponenten oder der Aktuatorik 3 (z.B. in Form einerelektrischen Belastungsmaschine) mittels geeigneter Sensorik 18 gemessen, z.B. über eineDrehmomentmesseinrichtung an der Verbindungswelle 2 oder einer Drehzahlmesseinrichtungder Simulationseinrichtung 17, und der Virtualkomponente 5 über eine Eingangsschnittstelle 11zur Verfügung gestellt. Aus dieser Messgröße M (Drehmoment T oder Drehzahl n) berechnet, inder Regel nach einer geeigneten Signalaufbereitung, das Simulationsmodell 21 in der Simulati¬onseinrichtung 5 eine Steuergröße S für die Aktuatorik 3, z.B. eine Solldrehzahl n, eine Steuer¬größe für die Realkomponente 4, z.B. eine Drosselklappenstellung a, etc. Diese Steuergrößen S werden über eine Ausgangsschnittstelle 12 der Simulationseinrichtung 17 an den Prüfstand 1übergeben und am Prüfstand 1 von der Aktuatorik 3 und eventuell weiteren geeigneten nichtdargestellten Aktuatoren, eventuell mittels geeigneter Regelungseinheiten, eingestellt.

[0028] Die Messgröße im Sinne des gegenständlichen Verfahrens muss aber nicht direkt ge¬messen werden, sondern kann auch aus anderen gemessenen Größen abgeleitet oder gebildetwerden, z.B. in der Virtualkomponente 5. Ein Beispiel dafür ist ein an sich bekannter Drehmo-mentenschätzer, der das Drehmoment T der Verbindungswelle 2 anhand der tatsächlichengemessenen Drehzahl n der Verbindungswelle 2, bzw. der damit verbundenen Aktuatorik 3,schätzt. In der Regel wird auch nicht das direkt gemessene Signal als Messgröße verwendet,sondern ein entsprechend aufbereitetes (z.B. gefiltertes) Signal.

[0029] In Fig.2 ist als weiteres Beispiel eine Hardware-In-The-Loop-Testumgebung für einenAntriebsstrang als Realkomponente 4 dargestellt. Am Prüfstand 1 ist dazu der gesamte An¬triebsstrang aufgebaut. Dieser umfasst hier einen Verbrennungsmotor 13, eine Kupplung 14,ein Getriebe 15 und ein Differentialgetriebe 16. Die Verbindungswellen 2FL, 2FR, 2RL, 2RR werdenhier durch die Halbwellen des Antriebsstranges gebildet und sind mit Aktuatorik 3FL, 3FR, 3RL,3rr, z.B. in Form von elektrischen Belastungsmaschinen (Dynamometer), verbunden. Für dieVirtualkomponente 5 werden hier die Drehmomente TFL, TFR, TRL, TRR der Verbindungswellen2fl, 2fr, 2rl, 2rr erfasst und die Virtualkomponente 5 berechnet mit dem darin implementiertenSimulationsmodell 21 die Steuergrößen für die Realkomponente 4, hier für den Verbrennungs¬motor 13 (z.B. die Drosselklappenstellung a), die Kupplung 14 (z.B. ein Kupplungssignal K) unddas Getriebe 15 (z.B. ein Gangsignal G), und die Steuergrößen für die Aktuatorik 3FL, 3FR, 3RL,3rr, hier Drehzahlen nFL, nFR, nRL, nRR. Ein Prüflauf in der Hardware-In-The-Loop-Testumgebungfunktioniert hier genauso wie oben mit Bezugnahme auf Fig.1 beschrieben.

[0030] Selbstverständlich sind auch noch andere Konfigurationen für eine Realkomponente 4denkbar, wobei der grundlegende Aufbau der Hardware-In-The-Loop-Testumgebung und derAblauf eines Tests in der Hardware-In-The-Loop-Testumgebung unverändert bleibt.

[0031] Im Simulationsmodell 21 der Virtualkomponente 5 wird aus der von der Sensorik 18 desPrüfstandes 1 gelieferten Messgröße M, z.B. ein (oder mehrere) Drehmoment T einer (odermehrerer) Halbwelle oder einer Verbindungswelle 2, eine (oder mehrere) Steuergröße S für dieAktuatorik 3 berechnet. Dieses Drehmoment T kann aber auch ein nur geschätztes oder auf¬grund der Messwerte anderer Sensoren berechnetes Drehmoment sein. Dazu ist im Simulati¬onsmodell 21 eine Bewegungsgleichung mit zumindest einem Parameter P, z.B. in Form einerDifferential-Algebraischen Gleichung, implementiert, die mehrmals pro Sekunde, z.B. jedeMillisekunde, gelöst wird. Es können natürlich auch mehrere Bewegungsgleichungen, z.B. einSystem von gekoppelten Bewegungsgleichungen, implementiert sein. Allgemein gilt S=f(P,M).

[0032] In der Simulationseinrichtung 17 ist eine Korrektureinheit 20 vorgesehen (Fig.3), die ausder entsprechend aufbereiteten Messgröße M, z.B. ein Wellendrehmoment Tw, bevorzugt zujedem Zeitpunkt, in dem die Bewegungsgleichung gelöst wird (z.B. durch numerische Integrati¬on der Differentialgleichungen der Bewegung), einen ersten Korrektunwert ^ berechnet, wel¬cher die Virtualkomponente 5 in geeigneter Weise beruhigt und unerwünschte Resonanzer¬scheinungen, welche sich aufgrund der Unvollkommenheit des Prüfstandes 1 - insbesondereder Aktuatorik 3 und der Sensorik 18 - ergeben, bestmöglich kompensiert. Der erste Korrektur¬wert K-j ist daher ein sich kontinuierlich änderndes Signal und wird vorzeichenrichtig zur Mess¬größe M, hier Drehmoment Tw, addiert und die Summe aus der Messgröße M und dem Korrek¬turwert K-j wird der Virtualkomponente 5 als korrigierter Messwert M*, hier ein korrigiertes Wel¬lendrehmoment Tw*, zur Berechnung der Steuergröße S für die Aktuatorik 3 eingespeist.

[0033] Dieses „Torque Shaping" geschieht ohne Eingriff in die Gesamtstruktur des Prüfstandes1, also insbesondere ohne Eingriff in die Reglerstruktur des Prüfstandes 1.

[0034] Der beschriebene, erfindungsgemäße Ansatz lässt sich auf beliebige dynamische Sys¬teme erweitern, wobei als Messgröße M und Steuergröße S anstelle von Drehmoment undDrehzahl dann andere physikalische Größen, wie z.B. elektrische Spannung, mechanische

Kraft, usw., verwendet werden können.

[0035] Alternativ oder zusätzlich berechnet die Korrektureinheit 20 aus der berechneten Steu¬ergröße S, hier z.B. Drehzahl n, für die Aktuatorik 3 einen zweiten Korrekturwert K2, der zurberechneten Steuergröße S addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße S*, hiereine korrigierte Drehzahl n*, der Aktuatorik 3 zur Einstellung am Prüfstand 1 zur Verfügunggestellt wird. Der zweite Korrekturwert K2 wird bevorzugt wieder zu jedem Zeitpunkt, in dem dieBewegungsgleichungen gelöst werden, berechnet und stellt wieder ein sich kontinuierlich än¬derndes Signal dar. Diese korrigierte Steuergröße S* hat die Aufgabe, unerwünschte Schwin¬gungseffekte, welche sich aufgrund des unvollkommenen Übertragungsverhaltens der Aktuato¬rik 3 ergeben, von der Realkomponente 4 am Prüfstand 1 fernzuhalten.

[0036] Dieses „Speed Shaping" erfolgt wieder ohne Eingriff in die Gesamtstruktur des Prüfstan¬des 1, lässt also insbesondere die Reglerstruktur des Prüfstandes 1 unverändert.

[0037] Alternativ oder zusätzlich berechnet die Korrektureinheit 20 aus der Messgröße M einendritten Korrekturwert K3, der zur Veränderung eines Parameters P der Bewegungsgleichung inder Virtualkomponente 5 dient, vorzugsweise zur Veränderung einer Systemträgheit (z.B. derRadträgheit oder Fahrzeugträgheit) oder einer Masse (z.B. der Fahrzeugmasse). Dieser korri¬gierte Parameter P hat die Aufgabe, unerwünschte Schwingungseffekte der Virtual- 5 und somitin Konsequenz auch der Realkomponente 4 zu unterdrücken.

[0038] Dieses „Parameter Shaping" erfolgt dabei wieder ohne Eingriff in die Gesamtstruktur desPrüfstandes 1, also insbesondere ohne Beeinflussung der Reglerstruktur des Prüfstandes 1.

[0039] Nachfolgend werden exemplarisch mögliche Verfahren zur Ermittlung der KorrekturwerteKi, K2 und K3 erläutert.

[0040] Allgemein ist bei den nachfolgend exemplarisch ausformulierten Verfahren in der Korrek¬tureinheit 20 eine Zielfunktion J als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwer¬tes Ki, K2, K3 implementiert, die bezüglich des ersten, zweiten oder dritten Korrektunwertes K^K2, K3 optimiert, hier minimiert, wird, also in allgemeiner Schreibweise J(K12 3) = min ^1,2,3 [0041] Für die Ermittlung des ersten Korrekturwertes K, ist in der Virtualkomponente 5 zumin¬dest ein Simulationsmodell 21 eines über eine Welle mit der Realkomponente 4 verbundenenTeils des Fahrzeugs implementiert, z.B. wie in Fig.4 ein Radsimulationsmodell 10 eines Fahr¬zeugrades, das mit der Halbwelle des Antriebsstranges (Realkomponente 4 in Fig.2) verbundenist, oder ein Simulationsmodell eines Zweimassenschwungrades oder einer Kupplung, das/diemit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors (Realkomponente 4 in Fig. 1) verbunden ist. AlsMessgröße M wird dabei jeweils das Wellenmoment Tw, und gegebenenfalls weitere Messgrö¬ßen, wie z.B. die Temperatur, verwendet, das entweder direkt gemessen wird oder aus anderenMessgrößen geschätzt oder berechnet wird.

[0042] Im Beispiel eines Radsimulationsmodells 10, wie in Fig.4 dargestellt, wird aus demgemessenen Wellenmoment Tw die Steuergröße S für die Aktuatorik 3 am Prüfstand 1, z.B. wiehier eine Drehzahl ndmdsim für eine elektrische Belastungsmaschine, ermittelt. Das Radsimulati¬onsmodell 10 kann dabei auch mit anderen Simulationsmodellen, wie z.B. einem Reifensimula¬tionsmodell, einem Straßensimulationsmodell, etc., verbunden sein und mit diesen Daten aus-tauschen. Das Wellenmoment Tw setzt sich zusammen aus einem Reifenmoment Ttire zwischenReifen und Straße, einem Bremsmoment Tbrake und weiteren optionalen Hilfsmomenten Topt, wiez.B. ein elektrisches Antriebsmoment bei einem Radnabenmotor.

[0043] In der Korrektureinheit 20 ist eine Zielfunktion J als Funktion des ersten KorrekturwertesK-ι, hier in Form eines Korrekturmoments Tcor, implementiert. Diese Zielfunktion J wird bezüglichdes ersten Korrekturwertes minimiert, also in allgemeiner Schreibweise 7(^) = 111111. Der derart ermittelte Korrekturwert Ki wird zur Messgröße M aus dem Prüfstand 1, hier das Wel¬lenmoment Tw, addiert und die korrigierte Messgröße M*, hier ein korrigiertes WellenmomentT*, wird dem Radsimulationsmodell 10 der Virtualkomponente 5 zur Ermittlung der Steuergröße S für den Prüfstand 1 übergeben.

In der Korrektureinheit 20 könnte dazu eine erste Zielfunktion Jenergy in Form einer quadrati¬schen Gütefunktion implementiert sein. Dazu bietet sich z.B. eine Zielfunktion an, die die Ru¬ckenergie, z.B. in der Form der „Wirkung der Ruckenergie“

, oder der „Wirkung der Beschleunigungsenergie“, z.B. in der Form

bewertet.

Durch die Integrationsgrenzen wird über einen Zeitraum T in die Zukunft gerechnet, um zukünf¬tigen, zu erwartenden Zuständen entgegen zu wirken. Durch das Korrekturmoment Tcor wird einDrehmoment hinzugefügt, das auch den übertragenen Drehimpuls verändert. Um die Simulati¬on nicht zu stark zu verfälschen, soll dieser Drehimpuls, der eine Verfälschung der Drehzahlbewirken würde, im zeitlichen Mittel möglichst gering sein. Es wird daher eine zweite Zielfunkti¬on Jdisto, z.B. in der Form

verwendet, die den durch das Korrekturmo¬ ment Tcor eingebrachten Drehimpuls bewertet. Die für die Ermittlung des ersten KorrekturwertesKi zu minimierende Gesamtzielfunktion J wird dann als Linearkombination der ersten und zwei¬ten Zielfunktion mit den Gewichtsfaktoren c^, a2 angeschrieben, J=aiJenergy + a2Jdisto· Das ge¬suchte Korrekturmoment Tcor ergibt sich dann durch Minimierung dieser Zielfunktion nach demKorrekturmoment Tcor.

[0044] Für die Gesamtzielfunktion J können natürlich auch noch weitere oder andere Zielfunkti¬onen berücksichtigt werden, z.B. könnten beide obigen energie-/wirkungsbasierten Zielfunktio¬nen berücksichtigt werden. Für die Durchführung der Minimierung benötigt die Korrektureinheit20 zumindest die Steuergröße für die Belastungsmaschine, hier die Drehzahl ndmdiSim zur Ermitt¬lung der Winkelgeschwindigkeit ω. Das Trägheitsmoment des rotierenden Teiles Jw (z.B. desRades oder der Kupplung) kann als bekannt vorausgesetzt werden. Der erste Korrekturwert K^hier das Korrekturmoment T«,^ kann dann in der Virtualkomponente 5, z.B. im Radsimulations¬modell 10, verarbeitet werden, wie oben beschrieben.

[0045] Es kann aber auch vorgesehen sein, dass in der Korrektureinheit 20 ebenfalls ein, vor¬zugsweise das gleiche, Radsimulationsmodell 15 implementiert ist. Dann kann die Korrektur¬einheit 20 bei Kenntnis des Wellenmoments Tw mit dem ermittelten Korrekturmoment T«,,· einkorrigiertes Gesamtradmoment T*w ermitteln und der Virtualkomponente 5 übergeben, wie inFig.4 schematisch dargestellt.

[0046] Für die Ermittlung des zweiten Korrekturwertes K2 ist in der Korrektureinheit 20 eineZielfunktion J als Funktion des zweiten Korrektunwertes K2, hier in Form einer Korrekturdrehzahlncor, implementiert. Diese Zielfunktion J wird bezüglich des zweiten Korrekturwertes K2 mini¬miert, [0047] also in allgemeiner Schreibweise J(K2) = min. Als Zielfunktion könnte z.B. eine Funktion K2 implementiert sein, die die Abweichung zwischen der in der Virtualkomponente 5 berechnetenSteuergröße S und dem tatsächlichen Wert dieser Steuergröße Sact, der gemessen werden kann, bewertet, z.B. in der Form

Am Beispiel einer Drehzahl n als

Steuergröße S kann die Zielfunktion

angeschrieben werden, wobei nact die tatsächliche Drehzahl der Aktuatorik 3, z.B. einer Belastungsmaschine, ist. DieZielfunktion J wird nach ndmdiSim minimiert und das Ergebnis dieser Optimierung wird als Korrek¬turdrehzahl ncor wie oben beschrieben verwendet.

[0048] Die Ermittlung des dritten Korrekturwertes K3 kann analog zur Ermittlung des ersten

Korrekturwertes K! durchgeführt werden. Es könnte dazu wieder eine Zielfunktion J als Linear¬funktion zweier Zielfunktionen verwendet werden. Mit einer ersten Zielfunktion könnte wiederdie Wirkung der Ruckenergie oder der Beschleunigungsenergie (Jenergy) wie oben beschriebenbewertet wird. Die zweite Zielfunktion könnte z.B. die durch den veränderten Parameter P, hierdas Trägheitsmoment Jw, geänderte Rotationsenergie (Jdisto) bewerten, wobei die durch dengeänderten Parameter P veränderte Rotationsenergie im zeitlichen Mittel wieder möglichstgering sein soll, um Verfälschungen der Drehzahl, des Impulses oder der kinetischen Syste¬menergie zu minimieren. Damit könnte JdiSto z.B. in der Form

oder

angeschrieben werden. Die Zielfunktion J kann dann nach dem dritten Korrekturwert K3, hier das Korrekturträgheitsmoment Jcor, optimiert werden, mit demdann das Trägheitsmoment Jw in der Virtualkomponente 5, bzw. in der Bewegungsgleichung imSimulationsmodell der Virtualkomponenten 5, korrigiert wird, z.B. vorzeichenrichtig zu Jw addiertwird.

[0049] Ein besonderer Vorteil bei der Optimierung von Zielfunktionen zur Ermittlung der Korrek¬turwerte K1; K2, K3 kann darin gesehen werden, dass bei der Optimierung sehr einfach Randbe¬dingungen berücksichtigt werden können, womit auf vorgegebene Beschränkungen der Virtual¬komponente 5, z.B. eine maximale Radgeschwindigkeit, oder der Realkomponente 4, z.B. einmaximales Drehmoment eines Verbrennungsmotors, oder der Aktuatorik 3, z.B. eine maximaleDrehbeschleunigung einer elektrischen Belastungsmaschine, Rücksicht genommen werdenkann.

[0050] Z.B. könnten für die Ermittlung des ersten und dritten Korrekturwertes K1; K3 die folgen¬den Randbedingungen berücksichtigt werden, rü(r)<rümax (t<T<t + T) (t<T<t + T)' womit Grenzwerte für die Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationsbeschleunigung, z.B. desFahrzeugrades oder der Kupplung, vorgegeben werden können.

[0051] Für die Ermittlung des zweiten Korrekturwertes K2 könnten ähnliche Randbedingungenberücksichtigt werden, z.B. nact(.T)^nm ax (t <T <t + T) \ήαΛτ)(t < T < t+ T)' womit Grenzwerte für die Drehzahl und die Drehbeschleunigung vorgegeben werden können.

[0052] Für die Optimierung der obigen Zielfunktionen J gibt es hinreichend bekannte Lösungs¬methoden, z.B. dynamic programming, receeding horizon optimization, u.ä., die hier nicht nähererläutert werden. Die Zielfunktion J wird bevorzugt in Echtzeit vorzugsweise auf einem Echtzeit¬rechner optimiert.

Claims (12)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Reduzierung der Anregung von Schwingungen und Resonanzen in einemPrüfstand (1) für eine Realkomponente (4) und eine Virtualkomponente (5), wobei die Re¬alkomponente (4) eine Messgröße (M) der Realkomponente (4) an die Virtualkomponente (5) liefert und von der Virtualkomponente (5) eine Steuergröße (S) für eine Aktuatorik (3)des Prüfstandes (1) erhält, wobei in der Virtualkomponente (5) ein Simulationsmodell (21)mit einer Bewegungsgleichung implementiert ist, das aus der Messgröße (M) die Steuer¬größe (S) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der folgenden Ver¬fahrensschritte a), b) oder c) gesetzt wird, a) Ermitteln eines ersten Korrekturwertes (Kt) aus der Messgröße (M), wobei der ersteKorrektunwert (Kt) zur Messgröße (M) addiert wird und die Summe als korrigierteMessgröße (M*) der Virtualkomponente (5) zur Berechnung der Steuergröße (S) über¬mittelt wird b) Ermitteln eines zweiten Korrektunwertes (K2) aus der berechneten Steuergröße (S),wobei der zweite Korrekturwert (K2) zur berechneten Steuergröße (S) addiert wird unddie Summe als korrigierte Steuergröße (S ) der Aktuatorik (3) übermittelt wird, c) Ermitteln eines dritten Korrekturwertes (K3) aus der Messgröße (M), wobei mit dem drit¬ten Korrekturwert (K3) ein Parameter (P) der Bewegungsgleichung verändert wird, wobei zur Ermittlung des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (Kt, K2, K3) eineZielfunktion (J) als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (Kt, K2,K3) implementiert ist, die hinsichtlich des ersten oder zweiten oder dritten Korrektunwertes(Ki, K2, Koj) optimiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße (M) das Dreh¬moment (Tw) einer Verbindungswelle (2) zwischen Realkomponente (4) und Aktuatorik (3)verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuergröße (S)eine Drehzahl (n) verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des erstenoder dritten Korrektunwertes (Kt, K3) als Zielfunktion (J) eine Linearkombination einer ers¬ten und zweiten Zielfunktion (Jenergy, Jdisto) verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Zielfunktion (Jenergy)ein quadratisches Gütefunktional als Funktion der Winkelgeschwindigkeit (ω) oder einer Ableitung davon verwendet wird, vorzugsweise in der Form

   oder
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweiten Zielfunktion(Jdisto) der durch den ersten Korrektunwert (Kt) zusätzlich eingebrachte Drehimpuls bewertet wird, vorzugsweise in der Form
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweiten Zielfunktion(Jdisto) die durch den dritten Korrekturwert (K3) veränderte kinetische Energie bewertet wird, vorzugsweise in der Form

   oder
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Korrekturwert (K^ein Korrekturmoment (Tcor) ermittelt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter Korrekturwert (K3)ein Korrekturträgeheitsmoment (Jcor) ermittelt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermitt¬lung des zweiten Korrekturwertes (K2) eine Zielfunktion (J) implementiert wird, die die Ab¬weichung zwischen der in der Virtualkomponente berechneten Steuergröße (S) und demtatsächlichen Wert dieser Steuergröße (Sact) bewertet, vorzugsweise in der Form
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Korrekturwert(K2) eine Korrekturdrehzahl (ncor) berechnet wird, vorzugsweise aus

    , indem nach der Drehzahl (ndmd|Sim) optimiert wird und die er¬mittelte Drehzahl (ndmd,sim) als Korrekturdrehzahl (ncor) verwendet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der OptimierungRandbedingungen zur Berücksichtigung von vorgegebenen Beschränkungen der Virtual-komponent (5) oder der Realkomponente (4) oder der Aktuatorik (3) verwendet werden. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen