DE102005025520A1 - Verfahren zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems - Google Patents

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems ist vorgesehen, dass eine Fehlerdetektion (5) von einem Steuergerät innerhalb des mechatronischen Systems und eine Fehleridentifikation (7) von einer Recheneinheit außerhalb des mechatronischen Systems durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems, ein Diagnosesystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
  • Fehlerdiagnosen zur Behandlung komplexer mechatronischer Systeme erfordern modellbasierte Diagnoseverfahren. Je nachdem, ob eine modellbasierte Diagnosefunktion oder ein modellbasierter Diagnosealgorithmus on-board (on-line), also innerhalb des Systems, oder off-board (off-line), also außerhalb des Systems, gerechnet wird, unterscheidet man zwischen zwei grundsätzlichen Diagnosekonzepten, nämlich einerseits der On-Board-Fehlerdiagnose und andererseits der Off-Board-Fehlerdiagnose.
  • Eine eindeutige Fehlerdiagnose, der ein vollständiger Informationsgehalt über ein Zeitverhalten eines fehlerhaften Systems zugrunde liegt, kann prinzipbedingt nur eine klassische On-Board-Fehlerdiagnose gewährleisten. Diese ist jedoch bei komplexen mechatronischen Systemen aufgrund strikter Echtzeitanforderungen bei gleichzeitig gering verfügbaren Rechenleistungen aktueller Steuergeräte nicht realisierbar.
  • Die Off-Board-Fehlerdiagnose stellt hierbei einen Kompromiss dar, der zwar eine rechentechnische Umsetzung selbst komplexer Diagnosealgorithmen erlaubt aber prinzipbedingt nur mit einem unvollständigen Informationsgehalt des Zeitverhaltens des fehlerhaften Systems arbeitet. Eine off-board erzielbare Diagnosegüte fällt daher i.a. geringer als bei einer On-Board-Fehlerdiagnose aus. Sporadisch auftretende Fehler, wie bspw. intermittierende Unterbrechungen durch Regenwasser in elektrischen Steckkontakten, Festfrieren mechanischer Bewegungselemente, Überhitzung durch unvorhergesehene Systembeanspruchung usw., können nicht zuverlässig diagnostiziert werden, außerdem ist die Off-Board-Fehlerdiagnose nur in bestimmten Fehlerfällen eindeutig.
  • Die Druckschrift DE 103 33 171 A1 beschreibt ein modellbasiertes Diagnoseverfahren zur Überwachung eines Teilsystems einer Maschine. Hierbei wird ein quantitatives Modell des Teilsystems eingesetzt und eine ereignisdiskrete Auswertung des Verhaltens von Ausgangssignalen mittels qualitativer Werte durchgeführt.
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Diagnosesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorgestellt.
    •
  • Vorteil der Erfindung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems ist vorgesehen, dass eine Fehlerdetektion von einem Steuergerät innerhalb des mechatronischen Systems und eine Fehleridentifikation von einer Recheneinheit außerhalb des mechatronischen Systems durchgeführt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Diagnosesystem zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems weist ein innerhalb des mechatronischen Systems angeordnetes Steuergerät und eine außerhalb des mechatronischen Systems angeordnete Recheneinheit auf. Dabei ist das Steuergerät zur Fehlerdetektion von Fehlern, die in dem mechatronischen System auftreten, und die Recheneinheit zur Fehleridentifikation detektierter Fehler ausgebildet.
  • Somit wird ein neuartiges Diagnosekonzept, ein sog. übergreifendes On-Off-Boardkonzept, bereitgestellt, das die Vorzüge einer On-Board-Diagnose sowie diejenigen einer Off-Board-Diagnose vereint. Dieses Konzept ermöglicht eine Diagnose, der ein vollständiger Informationsgehalt der On-Board-Diagnose zugrunde liegt, und mit der eine Fehlerdiagnose komplexer mechatronischer Systeme rechentechnisch realisierbar ist.
  • Eine Diagnoseaufgabe ist in eine wenig rechenintensive Teilaufgabe der Fehlerdetektion und eine rechenintensive Teilaufgabe der Fehleridentifikation aufgespaltet. Bei der Fehlerdetektion wird mit dem Steuergerät innerhalb des mechatronischen Systems festgestellt, ob zu einem bestimmten Zeitpunkt tF ein Fehler vorliegt. Bei der Fehleridentifikation ist mit einer leistungsfähigen externen Recheneinheit, bspw. einen Diagnosetester, mittels einer Diagnosefunktion ein detektierter Fehler eindeutig zu identifizieren.
  • Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, dass eine bestimmte Sequenz temporär festgehaltener Daten für Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie Zeitintervalle in Ringspeicherung permanent festgehalten werden kann. Ein detektionsgesteuerter Datentransfer zwischen dem temporären und dem permanenten Speicher erlaubt eine intelligente Auswahl von informationshaltigen Daten. Auf diese Weise liegt der Diagnose eine ausreichende Information bei gleichzeitig begrenzter zu speichernder Datenmenge vor.
  • Durch Teilung der Diagnoseaufgaben, können sowohl Vorteile der On-Board-Diagnose als auch der Off-Board-Diagnose genutzt werden.
  • Die on-board durchzuführende Fehlerdetektion kann somit unter realen Betriebszuständen unter Berücksichtigung sporadischer Fehler, die bspw. in einer Werkstatt nicht reproduzierbar sind, erfolgen. Außerdem kann eine zeitliche Entwicklung eines Fehlers beobachtet werden, wodurch zusätzliche Informationen über diesen Fehler ermittelt werden können.
  • Für die off-board durchzuführende Fehleridentifikation stehen mit der Recheneinheit außerhalb des mechatronischen Systems ausreichend Rechenleistung und Speicherplatz zur Verfügung. Bei der Fehleridentifikation bestehen keine Echtzeit-Anforderungen an die Diagnosefunktion. Die Diagnosefunktion ist durch Updates, die an der externen Recheneinheit vorzunehmen sind, einfach zu aktualisieren, somit ist keine Reprogrammierung des Steuergeräts erforderlich.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcodemitteln ist dazu vorgesehen, alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem, ausgeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zur Durchführung aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem, ausgeführt wird.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    •
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt ein Diagramm zur Verteilung von Diagnoseaufgaben.
  • 2 zeigt ein Diagramm zu einer Fehlerdetektion.
  • 3 zeigt ein Diagramm zu einer detektionsgesteuerten Speicherung von Ein- und Ausgangssignalen.
  • 4 zeigt ein Diagramm zu einem zeitlichen Ablauf eines Speichervorgangs bei einem Fehlereintritt.
  • Das Diagramm in 1 verdeutlicht, wie eine Aufgabe 1 einer Fehlerdiagnose 3 in eine On-Board-Fehlerdetektion 5 und in eine Off-Board-Fehleridentifikation 7 aufgespaltet ist. Daten oder Signale von Fehlern, die innerhalb eines mechatronischen Systems auftreten und bei der Fehlerdetektion 5 detektiert werden, werden mittels detektionsgesteuerter Signalspeicherung 9, die über einen Ringspeicher erfolgt, gespeichert.
  • 2 zeigt, wie im Rahmen der Fehlerdetektion Fehler f1, f2, fi, die bei Betrieb eines mechatronischen Systems 11 auftreten können, erfasst werden. Hierbei ist ein Diagnoseproblem auf einen Vergleich des realen fehlerhaften Systems 11 mit einem Detektionsmodell 13 des fehlerfreien Systems reduziert. Ein Abgleich zwischen einem Verhalten des Systems 11 und dem Detektionsmodell 13 kann anhand gemessener Istwerte y für Ausgangsgrößen und modellgenerierter Werte y' für Ausgangsgrößen vorgenommen werden, Werte für Eingangsgrößen sind mit u bezeichnet. Die Residuen können sowohl modellbasiert als auch signalbasiert generiert werden. Ein Fehler f1, f2, fi wird jeweils dann detektiert, wenn ein Betrag eines Residuums r einen maximal zulässigen Detektionsschwellwert rMAX überschreitet.
  • Da sich bei der Fehlerdetektion Fehler f1, f2, fi in ihrer Wirkung nicht voneinander unterscheiden müssen, ist eine Systemeigenschaft der Detektierbarkeit bei weitem nicht so streng wie eine Systemeigenschaft der Identifizierbarkeit. Wird eine modellbasierte Fehlerdetektion bspw. modellbasiert vorgenommen, so ist es bereits ausreichend, wenn das Detektionsmodell 13 nur die wesentlichen Zusammenhänge in einem Ein-/ und Ausgangsverhalten des Systems 11 wiedergibt. Die Detektions-Funktion kann daher mit vereinfachten Detektionsmodellen 13 geringen Detaillierungsgrads realisiert werden.
  • In 3 ist die detektionsgesteuerte Speicherung der Werte u für die Eingangssignale an Systemeingängen des Systems 11 bzw. der Istwerte y für Ausgangssignale an Systemausgängen und eines entsprechenden Zeitvektors t dargestellt. In den Werten u, y der Signale ist eine vollständige Information über ein zeitliches Verhalten des fehlerhaften Systems 11 enthalten. Diese Werte u, y können demnach on-board, innerhalb des Systems 11 abgespeichert und nachfolgend off-board, außerhalb des Systems ausgewertet werden.
  • Die Fehlerdetektion erfolgt durch einen Vergleich von Istwerten y für mit den bspw. modellgenerierten Sollwerten y' für die Ausgangsgrößen. Der Sollwert muss aber nicht zwangsläufig von einem Model generiert werden. Der temporäre Signalspeicher ist, da als Ringspeicher ausgeführt, immer aktiv. Sobald es innerhalb des Systems zu einem Fehler kommt und dieser detektiert wird, werden die Daten u, y des Zeitraums t1 sofort auf den Permanentspeicher übertragen. Die Daten u, y des Zeitraums t2 werden, vorzugsweise zum erst möglichen Zeiptunkt, tL** auf den Permanentspeicher übertragen.
  • Die Detektionsmeldung dient somit der Aktivierung des Übertragungsvorgangs der Daten u, y des Zeitraums t3 von dem immer aktiven temporären Signalspeicher (Ringspeicher) auf den Permanentspeicher.
  • Zur nachfolgenden Fehleridentifikation vorgesehene Werte usave, ysave, tsave für Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie die Zeit werden in einem permanenten Speicher 17 detektionsgesteuert dauerhaft abgespeichert.
  • Da selbst Speichermedien mit einer sehr hohen Speicherkapazität bei eine hinreichend feinen Signalabtastung schnell an ihre Grenzen stoßen, ist es nicht möglich, die Werte u, y der Signale über eine gesamte Betriebszeit t des mechatronischen Systems 11 abzuspeichern.
  • Bei vorliegendem Diagnosekonzept ist, wie 4 zeigt, lediglich jener Zeitabschnitt t3 relevant, der einen unmittelbaren Zeitpunkt tF eines Fehlereintritts umgibt. Bei geeigneter Wahl dieses Zeitabschnitts t3 enthält dieser die vollständige Information über eine zeitliche Entwicklung eines entsprechenden Fehlers f. Bei einer geeigneten Synthese der Funktion zur Fehlerdetektion ist eine Verzugszeit zwischen einem tatsächlichen Fehlereintritt tF und einem Zeitpunkt der Detektion dieses Fehlers tD vernachlässigbar klein, wobei tD ≈ tF, es gilt demnach die Annahme tD = tF. Bei der detektionsgesteuerten Signalspeicherung ist vorgesehen, eine Detektionsmeldung zum Zeitpunkt tD als Steuerbefehl eines Speichervorgangs zu verwenden, der die Werte u, y der Signale in einem relevanten Zeitabschnitt t3, der den Fehlereintrittzeitpunkt tD umgibt, festhält.
  • Zur Realisierung ist hierzu vorgesehen, dass die Speichereinheit des Steuergeräts innerhalb des mechatronischen Systems zu einem Teil aus dem temporären Signalspeicher 15, bspw. einem Zwischenspeicher oder Puffer, der nach dem Prinzip der Ringspeicherung arbeitet, und zu einem weiteren Teil aus dem permanenten Speicher 17 gebildet ist. Bei diesem detektionsgesteuerten Datentransfer erfolgt eine Auswahl von informationshaltigen Werten u, y bzw. Daten von Signalen, die innerhalb des Zeitabschnitts t3 anfallen.
  • Ein Überschreibvorgang der Ringspeicherung wird zeitlich versetzt bezüglich tF in die Vergangenheit zu einem aktuellen Zeitpunkt t*L vorgenommen. Somit wird gewährleistet, dass ein in u, y enthaltener Informationsgehalt über einen vorangehenden ersten Zeitabschnitt t1 zwischen t*L und tF eines zum Zeitpunkt tD detektierten Fehlers f nicht durch Überschreiben verloren geht.
  • Des weiteren werden Werte für die Signale u, y für einen weiteren auf tD folgenden, zweiten Zeitabschnitt t2 bis zu einem Zeitpunkt t**L festgehalten. Durch eine Detektionsmeldung wird veranlasst, dass die temporär gespeicherten Werte oder Daten der Signale u, y des informationshaltigen Zeitabschnitts t3, der die beiden ersten Festabschnitte t1 und t2 zwischen den Zeitpunkten t*L und t**L umfasst, von dem temporären Speicher 15 in den permanenten Speicher 17 überschrieben und dort dauerhaft festgehalten werden.
  • Die in dem permanenten Speicher 17 im Rahmen der Fehlerdetektion festgehaltenen Daten zu einzelnen nachgewiesenen Fehlern f1, f2, fi können nun über eine Diagnoseschnittstelle ausgelesen werden, so dass nunmehr die Fehleridentifikation außerhalb des Systems erfolgen kann. Die korrespondierenden zeitlichen Verläufe u und y sowie der festgehaltene Zeitvektor t stellen in Verbindung mit einem Modell zum fehlerhaften Systemverhalten sämtliche notwendigen Gegebenheiten, die zu einer vollständigen Bewältigung der Diagnoseaufgabe erforderlich sind.
  • Das vorliegende Diagnosekonzept eignet sich zu einer Fehlerdiagnose komplexer mechatronischer Systeme, die in großer Stückzahl betrieben werden. Derartige Systeme arbeiten aus kostenökonomischen Gründen meist mit relativ leistungsschwachen Steuergeräten. Da eine modellbasierte Fehlerdiagnose derzeit keine klassische Steuergerätefunktionalität bildet, steht für eine Fehlerdiagnose im allgemeinen nur ein geringfügiger Teil der vorhandenen Rechenleistung und Speicherkapazität zur Verfügung.
  • Potentielle Anwendungen des Diagnosekonzepts sind eine Fehlerdiagnose von Pkw/Nkw sowie von Verbrennungskraftmaschinen hierfür (z.B. Luftsystemanwendungen, Anwendungen an Kraftstoffeinspritzsystemen usw.), von mechatronischen Chassis-Systemen (z.B. ABS, ESP, EHB, etc.), von mechtatronischen Industrie- und Automationsanlagen sowie von verpackungstechnischen oder thermotechnischen Anlagen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems (11), bei dem vorgesehen ist, dass eine Fehlerdetektion (5) von einem Steuergerät innerhalb des mechatronischen Systems (11) und eine Fehleridentifikation (7) von einer Recheneinheit außerhalb des mechatronischen Systems (11) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten der Fehlerdetektion (5) und Daten der Fehleridentifikation (7) zu einer vollständigen Fehlerdiagnose (3) zusammengeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei der Fehlerdetektion (5) Werte (u) für Eingangssignale von Systemeingängen und Istwerte (y) für Ausgangssignale von Systemausgängen und ein Zeitvektor (t) detektionsgesteuert gespeichert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem bei der Fehlerdetektion (5) von einem Istwert (y) eines Ausgangssignals des mechatronischen Systems (11) ein Sollwert (y') für die Ausgangsgröße abgezogen und somit ein Residuum (r) gebildet wird, wobei ein Fehler (f, f1, f2, fi) dann detektiert wird, wenn ein Betrag des Residuums (r) einen maximal zulässigen Detektionsschwellwert (rMAX) überschreitet.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem Signale während eines Zeitabschnitts (t3), der einen unmittelbaren Zeitpunkt (tF) eines Fehlereintritts umgibt, nach dem Prinzip der Ringspeicherung detektionsgesteuert gespeichert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem informationshaltige Werte (u, y) von Signalen, die innerhalb des Zeitabschnitts (t3) anfallen, ausgewählt werden.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem bei der Fehlerdetektion (5) festgehaltene Daten aus dem Steuergerät innerhalb des mechatronischen Systems (11) über eine Diagnoseschnittstelle ausgelesen und an die Recheneinheit außerhalb des mechatronischen Systems (11) übermittelt werden.
  8. Diagnosesystem zur modellbasierten Diagnose eines mechatronischen Systems (11), das ein innerhalb des mechatronischen Systems (11) angeordnetes Steuergerät und eine außerhalb des mechatronischen Systems (11) angeordnete Recheneinheit aufweist, wobei das Steuergerät zur Fehlerdetektion (5) von in dem mechatronischen System auftretenden Fehlern und die Recheneinheit (7) zur Fehleridentifikation detektierter Fehler ausgebildet ist.
  9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Diagnosesystem nach Anspruch 8, ausgeführt wird.
  10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Diagnosesystem nach Anspruch 8, ausgeführt wird.
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