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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstdiagnose von Versuchsanordnungen,
insbesondere von Prüfständen für Arbeitsmaschinen,
mit zumindest einem Prüfling,
mit Stell- und Versorgungseinrichtungen für den Prüfling und mit zumindest einer
Messanordnung, wobei durch die Stell- und Versorgungseinrichtungen
zumindest ein Betriebspunkt oder ein Prüfverlauf aus dem Raum der Eingangsgrößen und
Randbedingungen für
die Versuchsanordnung eingestellt wird, sowie eine Versuchsanordnung,
insbesondere Prüfstand
für Arbeitsmaschinen,
mit zumindest einem Prüfling,
mit Stell- und Versorgungseinrichtungen für den Prüfling zur Vorgabe von Betriebspunkten
oder einem Prüfverlauf
aus dem Raum der Eingangsgrößen und Randbedingungen
für die
Versuchsanordnung und mit zumindest einer Messanordnung.
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Die
Entwicklung von beispielsweise Motoren wird gemäß dem Stand der Technik in
Testzellen durchgeführt,
welche mit typischen Komponenten der Mess- und Regelungstechnik
ausgestattet sind. Der Prüfstand
hat die Aufgabe, die Umgebung und Bedingungen des Motors zu simulieren.
Zusätzlich umfasst
das System eine Vielzahl von Messgeräten, deren Ergebnisse helfen,
den Zustand des Motors zu erfassen und zu beschreiben. Durch ein
Belastungsaggregat werden Momente aufgebracht – durch entsprechende Softwaresteuerung
oder Regelung werden verschiedene Systemzustände eingestellt.
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Auch
den Prüfling
kann man in diesem Zusammenhang als Einheit betrachten, welche in
sich Mess- und Regelungsaufgaben durchführt. Betrachtet man den Motor – so besteht
dieser aus mechanischen Komponenten. Diese Komponenten (Turbolader,
EGR-Ventil usw.) sind mechanische oder auch elektromechanische Komponenten
des Motors. Die Auswahl dieser Komponenten im Entwicklungsprozess
erfolgt nach den geforderten Spezifikationen der Komponente innerhalb
der Anforderungen auf dem Gesamtkonzept. Die Spezifikationen der
Komponente sind nun nicht mehr rein durch die Entwicklung des mechanischen
Aggregats determiniert, sondern wesentlich durch die dynamischen
Effekte – weil die
aktiven Komponenten (jene, die durch Stellgrößen beeinflusst werden können) angesteuert
werden müssen
und meist auch Teil einer Regelschleife sind. Eine Regelung bedingt
hier direktes oder indirektes Feedback der durch die Regelgröße verursachten Veränderung.
Für solche
aktive Komponenten sind elektronische „Steuer geräte" im Einsatz, welche die elektronische
Steuerung und Regelung der aktiven Komponenten ermöglicht.
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Während der
Entwicklung von Komponenten werden diese immer mehr virtuell entwickelt,
so dass es virtuelle Devices gibt, noch bevor diese gefertigt werden
können.
Der Reifegrad der virtuellen Entwicklung hat in den letzten Jahren
rapide zugenommen. Mechanische Komponenten können beispielsweise auf 3D-Druckern
gefertigt werden (Rapid Prototyping). Die virtuellen Modelle werden
derzeit im Prüfstand
noch nicht genutzt.
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Der
Motor mit seiner Prüfstandsumgebung ist
nun ein hochkomplexes Labor – mit
dem Ziel der Motorentwicklung. Die Entwicklungstätigkeit ist ebenfalls breit
gefächert
und reicht von der Entwicklung oder Prüfung der mechanischen Konstruktion
des Motors oder von Komponenten bis hin zur Softwareoptimierung.
Aus ökonomischer
Sicht ist der Betrieb eines solchen kostenaufwendigen Labors nur
dann sinnvoll, wenn eine entsprechend effiziente Nutzung möglich ist.
Dazu werden die Prüfungen
vollautomatisiert. Die Laborkomponenten müssen hochverfügbar sein,
damit das Gesamtsystem ohne Ausfälle rund
um die Uhr betrieben werden kann. Die applizierten Methoden müssen in
diesem System des Gesamtlabors dem Anwender helfen, die Problematik der
mehrdimensionalen Optimierung in möglichst kurzer Zeit durchführen zu
können.
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Einfache
Zusammenhänge
erscheinen dem Menschen logisch und klar. Sobald die Zusammenhänge und
Aufgabenstellungen komplexer – insbesondere
mehrdimensional werden, so muss sich der Mensch mit Werkzeugen helfen
um diese Komplexität
zu verstehen und analysieren zu können. Dazu dient wesentlich
die Hilfswissenschaft der Mathematik. Die komplexe Entwicklungs-
und Optimieraufgabe am Motorenprüfstand wird
derzeit so vereinfacht, dass man die Zusammenhänge auf zweidimensionale Kurven
reduziert und als Funktionsgraphen darstellt werden. Sobald allerdings
auch die Anzahl der zweidimensionalen (oder auch dreidimensionalen) Funktionen
eine überschaubare
Anzahl überschreitet,
sind die Aufnahmefähigkeit
und das Verständnis der
Zusammenhänge
mit bestehenden Mitteln nicht mehr möglich. Der Mensch hat ohne
Hilfe von komplexen Werkzeugen keine Orientierungsmöglichkeit mehr,
um Ziele verfolgen zu können.
Der Zustand erscheint komplex und hat Ähnlichkeit mit einer subjektiven
Wahrnehmung, weil auch im Falle einer subjektiven Wahrnehmung die
tatsächliche
Situation auf Grund von partiellen Erfahrungswerten unrichtig eingeschätzt wird.
Im Sinne einer Zielverfolgung können in
komplexen Umgebungen mehrere Wege zum Ziel (zum Optimum) führen.
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Ein
großes
Problem ist die Vielfalt der Varianten am Prüfstand fehlerfrei zu betreiben.
Der Fehlerfall kann verschieden kritische Konsequenzen bewirken.
Im schlimmsten Falle kommt es dabei zur Verletzung von Personen,
wenn im Falle der Funktionsstörung
in sicherheitsrelevanten Elementen Fehler auftreten. Weiterhin kann
es zu Personenschäden
kommen, wenn es in problematischen Betriebsbereichen zu einer Nicht-Erkennung oder einer
Zu-Spät-Erkennung
von Problemen führt.
Im Bereich der materiellen Schäden
kann es zur Zerstörung
teurer Prüflinge
(z. B. Motoren im Bereich des Rennsports) oder zur Zerstörung von
Teilen der Prüfeinrichtung
kommen.
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Eine
wichtige Fehlerklasse stellen unterschwellige Fehler dar. Jene Fehler
sind für
den Prüfstandsingenieur
nicht sichtbar – sie
zeigen sich in falschen Messergebnissen, falschen Regelgrößen oder falschen
Systemreaktionen. Die Konsequenzen solcher Fehler sind die ineffiziente
Nutzung des Prüfstands,
da die Untersuchungen wiederholt werden müssen, falls die Fehlfunktion
erkannt wird. Wird die Fehlfunktion nicht erkannt, so können diese
Effekte zu mangelnder Produktqualität und mangelnder Produktlebensdauer
führen.
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Erschwerend
auf die Betrachtung der Sicherheit und die wirtschaftliche effiziente
Nutzung von Prüfständen ist
die Tatsache, dass Motorenprüfstände in der
Vergangenheit hauptsächlich
stationär
betrieben worden sind. Die dynamische und hochdynamische Nutzung
der Prüfstände stellt
an die Komponenten höhere
Ansprüche.
Die Entwicklung ist durch die Weiterentwicklung der Motoren – insbesondere durch
die höhere
Dynamik der Motorreaktion – der Regel-
und Stellglieder der Motor und Antriebsstrangkomponenten motiviert.
Weiterhin erkennt man aus Sicht der Abgasgesetzgebung den Bedarf,
den Motor hinsichtlich dynamischer Effekte zu entwickeln und zu
prüfen.
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Um
weiterhin dabei Aussagen über
die Verlässlichkeit
der Resultate des Prüfsystems
in Bezug auf die gewünschten
Messwerte zu gestatten, ist beispielsweise in der
AT 4 497 U2 vorgesehen, dass
aus der Art und Anzahl vorhandener und mit den Messkanälen verknüpfter Plausibilitätsknoten
in Kombination mit der Art und Anzahl der vorhandenen Messkanäle ein Wert
für die
Konfidenz der Plausibilität
zumindest eines der Messwerte des aktuellen Prüfsystems ermittelt wird. Um
eine Aussage über
den Wert der Plausibilitätsknoten
und deren Resultate in Bezug auf eine spezielle Messaufgabe zu ermöglichen,
wird aus der Art und der Anzahl der Plausibilitätsknoten sowie deren allfälliger,
veränderlicher
Verknüpfung untereinander
eine bewertete Plausibilität
für zumindest
einen der Messwerte ermittelt. Auch die
AT 413 008 B geht für die Lokalisierung
von fehlerhaften Brennstoffzellen-Elementen mit Hilfe der Wavelettanalyse
derart vor, dass Simulationsmodelle anhand realer gemessener Daten
angepasst werden.
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Ein
weiterer erschwerender Faktor ist der explosionsartige Anstieg der
Freiheitsgrade, welche durch die Anzahl der verwendeten Komponenten
und deren Komplexität
und Variabilität
bestimmt ist. Einfache Konfigurationen konnte der Ingenieur nachvollziehen
und mit Hilfe einfacher Modelle und dreidimensionaler Diagramme
verstehen. Für
eine dynamische Abstimmung in der zusätzlich die Vorgeschichte des
Motors hinsichtlich beispielsweise der Temperaturen und Drücke der
beteiligten Komponenten und Medien – zusätzlich zum Arbeitspunkt (Drehzahl
und Drehmoment) wesentlichen Einfluss auf den aktuellen dynamischen
Zustand ausübt,
werden eben auch die Messergebnisse durch die dynamische Vorgeschichte
der Freiheitsgrade definiert. In Zukunft werden außerdem entsprechende
Effekte höherer
Ordnung aus der Betrachtung von nichtlinearen Effekten und Verläufe gemeinsam
mit in Reaktionen auf der Auswertung von funktionellen Ableitungen
oder Summen-(Integralen-)
Abhängigkeiten
die Transparenz der Zusammenhänge
und damit den Aufwand für
die Entwicklung, Prüfung
und Optimierung entsprechend erschweren.
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Die
Formulierung und das Verständnis
der dynamischen Effekte kann aus Sicht der gewohnten stationären Betrachtung
nur schwer erklärt
und verstanden werden. Entsprechende mathematische Methoden und
systematische Ansätze
aus anderen Disziplinen wie beispielsweise der Physik werden in
Zukunft die Entwicklungsarbeiten unterstützen müssen.
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Erfindungsgemäß soll diese
multidimensionale hochdynamische Entwicklungsaufgabe unter Berücksichtigung
von unbekannten Prüflingen
generalisiert werden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist das eingangs beschriebene Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Teilanordnung der Ver suchsanordnung durch ein virtuelles
Modell abgebildet und der Prüflauf
unter Verwendung dieses Modells parallel zum realen Prüflauf mitverfolgt
wird. Indem bekannte Parameter, Erfahrungswerte, trainierte Modelle
und Extrapolationen in einem dynamischen Modell in ihrer vollen
Dimensionalität
und Komplexität erfasst
und online in Echtzeit eingesetzt und/oder geprüft werden können zusätzlich zum eigentlichen Prüflauf weitere
Informationen gewonnen und unmittelbar bzw. bei einer nachfolgenden
Auswertung des Prüflaufs
ausgewertet werden.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass Unterschiede des virtuellen gegenüber dem
realen Prüflauf
gespeichert und/oder angezeigt werden. Damit können wichtige Informationen
an den Prüfstandsingenieur
unmittelbar oder zur Nachbearbeitung des Prüflaufs ausgegeben werden, welche
für den
Entwicklungsfortschritt wesentlich sind. Zusätzlich entsteht hier eine Möglichkeit,
die Entwicklung des Gesamtprüfstandes
insbesondere der generalisierten Motormodelle zu benchmarken. Damit
können
Prüfstandsleistungen
und Entwicklungsschritte kategorisiert und messbar gemacht werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass bei
Abweichungen des realen vom virtuellen Prüflauf außerhalb definierbarer Grenzen
der reale Prüflauf
abgebrochen oder auf jenen Teilbereich des Raums der Eingangsgrößen und
Randbedingungen für
die Versuchsanordnung beschränkt
wird, in welchem Teilbereich der virtuelle Prüflauf innerhalb der definierbaren
Grenzen abläuft.
Somit können
als Reaktion auf die vom Prüfstand
gesammelte Information beispielsweise sicherheitsrelevante Funktionen online überprüft werden,
Betriebsbereiche des Prüfstands
gesperrt oder freigegeben werden, usw. Wesentlich für die Erfindung
ist, dass durch die Online-Rekonstruktion des gesamten Prüfstands
die Zukunft des Gesamtsystems extrapoliert werden kann – damit
kann man kritische Situationen vermeiden und entsprechend Maßnahmen
rechtzeitig prädikativ
einleiten. Die Informationen können
auch für
eine Offline-Analyse
oder auch eine Post-Mortem-Analyse (Analyse nach einem Fehlverhalten;
z. B. einem Motorschaden oder einem Systemabsturz) vorteilhaft verwertet
werden.
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Vorteilhafterweise
ist dabei vorgesehen, dass bei Abweichungen des realen vom virtuellen Prüflauf eine
Vorhersage begrenzender Parameter und/oder Funktionen berechnet
wird, welche den Prüflauf
auf erlaubte und/oder sichere Werte eingrenzen.
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Um
die Sicherheit des Prüflaufs
noch weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass die Werte
zusätzlicher
Messanordnungen für
die mechanische Integrität
der Versuchsanordnung erfasst und für die Einschränkung des
Prüflaufs
auf erlaubte und/oder sichere Werte herangezogen werden. Für die Integrität des Motors
existieren Konzepte zur Erfassung von Klopfphänomenen. Solche Erfassungssysteme
eingeschränkt
auf den Motor und auf Klopfphänomene
sind Stand der Technik.
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Wenn
gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung die Erstellung des virtuellen Modells mittels der
vereinfachen Modellbildung vorgenommen wird, kann der Aufwand für die parallele Mitverfolgung
des realen Prüflaufs
beträchtlich
vermindert werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Zustand mechanischer Komponenten durch zumindest ein virtuelles Modell
oder einen Wert einer Messanordnung für diese mechanische Komponente
beschrieben.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Messwert und
der durch das virtuelle Modell einer mechanischen Komponente beschriebene
Zustand verglichen wird, wobei das Ergebnis dieses Vergleichs in
einer Plausibilitätsprüfung weiter verarbeitet
wird.
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Wenn
gemäß einer
weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Erstellung
des virtuellen Modells mittels Differentialgleichungen oder linearisierter
Differentialgleichungssysteme vorgenommen wird, können insbesondere
die zeitlichen Entwicklungen für
die Auswertung berücksichtigt werden,
speziell Effekte höherer
Ordnung aus der Betrachtung von nichtlinearen Effekten und Verläufe gemeinsam
mit in Reaktionen auf der Auswertung von funktionellen Ableitungen
oder Summen-(Integralen-) Abhängigkeiten.
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Zur
Lösung
der eingangs genannten Aufgabenstellung ist die zu Beginn beschriebene
Versuchsanordnung, insbesondere Prüfstand für Arbeitsmaschinen, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen und darin ein
Programm implementiert ist, das zumindest eine Teilanordnung der
Versuchsanordnung durch ein virtuelles Modell abbildet und den Prüflauf unter
Verwendung dieses Modells parallel zum realen Prüflauf mitverfolgt. Mit einer
derart verbesserten Versuchsanordnung sind selbst multidimensionale
hochdynamische Entwicklungsaufgaben unter Berücksichtigung von unbekannten
Prüflingen
generalisierbar und es können,
zusätzlich
zum eigentlichen Prüflauf
weitere Informationen gewonnen und unmittelbar bzw. bei einer nachfolgenden
Auswertung des Prüflaufs
ausgewertet werden, indem bekannte Parameter, Erfahrungswerte, trainierte
Modelle und Extrapolationen in einem dynamischen Modell in ihrer
vollen Komplexität
erfasst und online in Echtzeit eingesetzt und/oder geprüft werden.
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Vorteilhafterweise
ist dabei eine Speicher- und/oder Anzeigeeinrichtung vorgesehen
bzw. im Programm eine Unterroutine definiert, welche die Unterschiede
des virtuellen gegenüber
dem realen Prüflauf
speichert und/oder anzeigt.
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Um
Beschädigungen
der Versuchsanordnung und Verletzungsgefahr für das Bedienpersonal weitestgehend
zu vermindern, kann vorgesehen sein, dass das Programm zumindest
einen Grenzwert für
zumindest einen Parameter als Abbruch- oder Beschränkungsbedingung
für den
realen Prüflauf
enthält.
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Dabei
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Programm eine Unterroutine
enthält,
die bei Abweichungen des realen vom virtuellen Prüflauf eine
Vorhersage für
den Prüflauf
auf erlaubte und/oder sichere Werte eingrenzende Parameter und/oder
Funktionen berechnet.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist die Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche
Messanordnungen für
die mechanische Integrität
der Versuchsanordnung vorhanden und mit der Auswerteeinheit verbunden
sind, wobei im Programm eine Unterroutine für die Einschränkung des
Prüflaufs
auf erlaubte und/oder sichere Werte für die Versuchsanordnung implementiert
ist. Damit können
auch Gefahrenmomente aufgrund realer Messungen berücksichtigt
werden.
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Eine
Verminderung des Aufwands bei der Auswertung des Prüflaufs kann
erreicht werden, wenn das Programm die Erstellung des virtuellen
Modells mittels der vereinfachen Modellbildung vornimmt.
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Vorteilhafterweise
kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eine Messanordnung für zumindest
eine durch ein virtuelles Modell abge bildete mechanische Komponente
vorgesehen ist, und das Programm eine Vergleichsroutine für zumindest
einen Messwert dieser Komponente mit dem virtuellen Modell enthält.
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Der
Prüflauf
kann durch die erfindungsgemäße Mitverfolgung
mittels virtueller Modelle auch noch weiter verbessert werden, indem
eine Vorrichtung und/oder ein Programm für die Plausibilitätsprüfung vorhanden
bzw. implementiert ist, und zumindest eine Messanordnung für zumindest
eine mechanische Komponente vorgesehen ist, wobei der Vorrichtung
und/oder dem Programm für
die Plausibilitätsprüfung den
zumindest einen Messwert für
diese mechanische Komponente und den durch das virtuelle Modell
der mechanischen Komponente beschriebenen Zustand vergleicht.
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Vorteilhafterweise
kann auch vorgesehen sein, dass das Programm die Erstellung des
virtuellen Modells mittels Differentialgleichungen oder linearisierter
Differentialgleichungssysteme vornimmt. Vorteilhafterweise werden
die durch die Lösung
der Differentialgleichungen gewonnenen Funktionen oder die angewendeten
Modelle oder vorzugsweise die vereinfachten Modelle in der Motorsteuerung
für Abbildung
der Funktion und für
die Optimierung wieder verwendet.
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In
der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Abbildungen näher
erläutert
werden.
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Dabei
zeigt die 1 den prinzipiellen Zusammenhang
aller Parameter und Wert bei einer erfindungsgemäßen Versuchsanordnung in allgemeinster
Darstellung, und 2 zeigt ein lineares Modell
einer erfindungsgemäßen Messkette.
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Unter
dem Begriff Motor beispielsweise als Antrieb eines Fahrzeugs versteht
man nicht nur die mechanischen Komponenten inklusive der Regler und
Steller, sondern auch elektronische Komponenten und ganz wesentlich:
Software. Diese Erweiterung hat zur Folge, dass die Regelung des
Motors nun in weiteren Grenzen und höheren Freiheitsgraden variiert
und optimiert werden kann. Die Notwendigkeit dieser Forderungen
ergibt sich hauptsächlich aus
der notwendigen Verbesserung des Treibstoffverbrauchs, der Emissionen
und der Fahrbarkeit. Der Einsatz einer Engine Control Unit (ECU)
ermöglicht das
Motorverhalten durch mit Hilfe der Software justierbaren Stell-
und Regelgrößen zu optimieren.
Die ECU als Teil des komplexen Reglers verarbeitet Eingangsgrößen wie
den Fahrerwunsch am Fahrpedal, Lenkwinkel, Radgeschwindigkeit, Motortemperatur und
viele weitere Daten. Bei weitem komplexer sind die Möglichkeiten
der Freiheitsgrade auf der Ausgangsseite – zum Motor hin. Wesentlich
sind hier beispielsweise der Raildruck, die Nockenwelle, die Einspritzung
oder der Zündwinkel.
Die Daten werden in Echtzeit derzeit mit Hilfe von so genannten „Engine Maps" errechnet und an
die Stellglieder weitergeleitet. Die Abarbeitung des Algorithmus
und die Regelverzögerung
ergibt das Ansprechverhalten des Reglers. Ebenfalls werden durch
diese Algorithmen beispielsweise das Abgasnachbehandlungssystem
oder auch das Getriebe gesteuert. Dieses System – Mechanik, Regler und Software – möchte ich
nun Zielsystem nennen, da diese „Einheit" vom Prozess der Motorenentwicklung
und dem Motorenentwickler fokussiert wird.
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Unter
einer Messkette versteht man lineare Messstrukturen, wo gemessene,
eingestellte und geregelte Werte zu einem Messergebnis führen. Diese geregelten
und eingestellten Randbedingungen definieren den Messzustand und
werden in der Regelungstechnik auch als Regelparameter bezeichnet. Solche
Messketten sind in der Regel bei kom plexen Messaufgaben miteinander
vernetzt, weil der Austausch von Daten die Grundlage für komplexere Mess-
und Regelaufgaben ist.
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Devices
sind Teile des Gesamtsystems – unabhängig ihrer
hierarchischen Klassifizierung. Virtuelle Devices können je
nach Typ und Aufgabenstellung zentral oder lokal strukturiert und/oder
verwaltet werden.
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Als
Prüfraum
versteht man einen Punkt im Raum aller möglichen Prüfzustände. Dadurch wird ein Raum
erzeugt, der den Prüfzustand
definiert – das
ist der Raum der Prüfzustände. Ein
Teilraum ist der Raum der Messergebnisse – der Messraum. Ein weiterer
Unterraum definiert den Prüfling
mit seinen Eingangsgrößen, Zuständen und
Randbedingungen – das
ist der Zustandsraums des Prüflings.
Aus dem Raum der Prüfzustände lassen
sich die Messergebnisse ableiten. Die Umkehrung wird in der Regel
nicht eindeutig sein.
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Eine
Teilmenge des Prüfraums
bildet den Zustand des Prüflings
ab. Die Zustände
sind natürlich dynamisch,
so dass die relevanten Räume,
die zeitliche Abhängigkeit
abbilden und für
eine Auswertung zugänglich
machen. Ziel dieser Abbildung der Zustände im Raum (siehe dazu die 1)
ist, dass hier reale und virtuelle Devices eine selbe Raumtopologie haben
und dabei vergleichbar werden und diese dadurch auch kommunizieren
können.
Solche Räume enthalten
alle Abhängigkeiten
der Größen insbesondere
der Zeit und alle Steuer- und Regelgrößen, so dass diese Konstruktionen
geeignet sind, eine komplexe Mess- und Regelaufgabe mit einem entsprechenden
Unterbau (z. B. eine Art Betriebssystem) zu realisieren. Diese Prozedur
spiegelt eine komplexe Parametrisierung beispielsweise einer Fahrzeugregelung
wieder.
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In
einem komplexen Prüfstandsumfeld
sind die einzelnen Komponenten nicht mehr eigenständig bezüglich ihrer
Ansteuerung, Regelung und Antworten. Die einzelnen Komponenten stehen
in mechanischer, elektrischer und digitaler Wechselwirkung. Dadurch
ist es möglich
einzelne Komponenten durch Funktionsprototypen (Software in the
Loop – SIL)
zu ersetzen – bzw.
können
auch Hardwareteile durch Prototypen oder durch Softwarekomponenten
substituiert werden (Hardware in the Loop – HIL). Der Prüfstand zeigt
sich nun als offenes Konzept von Komponenten, welche virtuell, als
Prototyp oder als Serienprodukt – in verschiedenen Aggregatzuständen und verschiedenen
Reifegraden – entwickelt
und getestet werden kann.
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Die
Modellbildung virtueller Devices kann beispielsweise durch vereinfachte
Modellbildung geschehen. Das Verfahren ist im Bereich der Simulation von
elektronischen Bauteilen gut ausgereift und wurde durch entsprechende
Weiterentwicklung an die Anforderungen des Prüfstands angepasst. Beispielsweise
wird ein elektrischer Widerstand mit einem einzigen Wert R = 50
Ohm beschrieben. Dadurch ergibt sich der Zusammenhang zwischen Strom
und Spannung am Widerstand. Die Beschreibung kann je nach Anforderung
des Modells auch mit einem komplexen Vierpol (Zweitor) beschrieben
werden. Die Theorie und Methodik dazu ist Stand der Technik – eigentlich historisch.
Eine Prüfstandskomponente – beispielsweise
ein Saugrohr kann ebenfalls durch den Strömungswiderstand beschrieben
werden, wodurch sich Druck und Geschwindigkeit im virtuellen Saugrohr
ermitteln lassen.
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Die
Modelle können
aber auch oder zusätzlich
zur Modellbildung auf Basis von Lernprozessen empirisch und/oder
als physikalische Abhängigkeit vorliegen.
Abhängigkeiten
werden vorzugsweise als Funktionen oder stückweise quadratische Polynome abgelegt.
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Wird
das System durch eine Differentialgleichung der Primärgrößen beschrieben,
so impliziert dieses die direkte Abhängigkeit der Primär größe, die Gradienten
und das Zeitverhalten. Die Beschreibung der physikalischen Abhängigkeit
ist der Parametersatz des Betriebspunkts. Sind diese Daten rein
auf den Motor in einem Modell abgebildet, so erfährt das System eine weitere
wesentliche Diagnosemöglichkeit.
Wird das Modell hierarchisch aufgebaut, so können die Komponenten im Sinne
einer Modellbibliothek wieder verwendet werden. Im Verbund der vorher
skizzierten Diagnose kann nun der Motor als System diagnostiziert
werden – mit
Hilfe der Anwendung einfacher Logik kann auch das komplementäre System
analog diagnostiziert werden. Dieser Mechanismus schreibt a priori
keine definierten Grenzen vor, so dass beliebige Teilkomponenten
nicht nur diagnostiziert, sondern auch verifiziert, geprüft oder
sogar entwickelt werden können.
Ein wesentlicher Vorteil dieses komplementären Algorithmus ist, dass er auch
für neue
Komponenten angewendet werden kann – solange das System und besonders
wesentlich die Schnittstellen, ausreichend spezifiziert bzw. modelliert
sind.
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Die
erfindungsgemäße Selbstdiagnose
von Versuchsanordnungen, bei welcher dann zumindest eine Teilanordnung
der Versuchsanordnung durch ein virtuelles Modell abgebildet (siehe
dazu die 2) und der Prüflauf unter
Verwendung dieses Modells parallel zum realen Prüflauf mitverfolgt wird, erlaubt
eine Diagnose des Gesamtsystems, welche bisher durch bestehende
Systeme nicht abgedeckt werden konnte. Der Vorteil entsteht durch
die Betrachtung des Prüfstands
als komplettes System, hauptsächlich
aus einem durchgängigen
Messsystem von vernetzten diagnosefähigen Devices der an dem Entwicklungsprozess
beteiligten wesentlichen Komponenten, inklusive dem Prüfling – daher
wird nun auch der hierarchisch strukturierte Aufbau des Gesamtsystems
in den vorhergehenden Absätzen verständlich.
Die diagnosefähigen
Komponenten beinhalten mehrdimensionale Abbildungen der erlaubten
Zustandsmöglichkeiten
und können
so Fehlverhalten widerspiegeln. Die diagnosefähigen Komponenten des Prüfstands
können
in verschiedenen Entwicklungsstadien – als virtuelles Device, als
Prototyp, oder als Serienteil implementiert werden und real oder
auch nur virtuell vorhanden sein. Im Extremfall eines virtuellen
Aufbaus, kann ein virtueller Prüfstand mit
einem virtuellen Prüfling
realisiert werden.
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Die
virtuellen Abbildungen von Devices können im Unterschied zu realen
Devices auch mechanische Toleranzen simulieren, welche dadurch für den Entwickler
mitberücksichtigt
werden können
Dadurch werden die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse bezüglich der
Fertigungstoleranzen und die Güte
der Regelparameter bezüglich
der Fertigungstoleranzen erstmals zugänglich und lassen sich in der Folge
definieren und optimieren.
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Im
Arbeitsprozess etwa der Motorenentwicklung bedeutet dieser Mehrwert
beispielsweise eines Motorenprüfstands
eine weitere wesentliche Effizienzsteigerung. Durch geeignete Planung
und Modellbildung – so
genanntes „Front
Loading" des Arbeitsprozesses – können durch
die geleistete Vorarbeit an den Modellen die Prüfstandszeiten wesentlich verkürzt werden.
In der Praxis zeigt sich im Durchschnitt durch die Anwendung des
Verfahrens eine Halbierung des Aufwands bei der Entwicklung von Teilkomponenten.
Bei der effizienten Anwendung für ein
Gesamtkonzept (z. B. Fahrzeugentwicklung) sind durch die intensivierte
Anwendung (Lernprozess) der entwickelten virtuellen Modelle weitere
Vorteile zu erwarten.
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Der
zweite nicht minder wesentliche Aspekt ist die Diagnose des Prüfstandsystems
und der Messtechnik. Nach dem gezeigten Verfahren lassen sich auch
die Komponenten des Prüfstands
beschreiben und charakterisieren. Die Modelle der zu diagnostizierenden
Komponenten sind hier den einzelnen Prüfstandskomponenten zugeordnet
und verhältnismäßig einfach
aufgebaut. Abweichungen oder Fehler können im Sinne einer Plausibilität geprüft und diagnostiziert
werden. Für
den Betreiber eines so strukturierten Motorenprüfstands ergibt sich die Möglichkeit,
das Fehlverhalten des komplexen Laboraufbaus überwachen zu können – ebenso
können schleichende
Effekte diagnostiziert und bewertet werden, die anderenfalls nicht
bemerkt werden. Derartige schleichende Fehler reduzieren nicht nur
die Effizienz des Prüfstands,
sondern können
in Folge der suboptimalen Prüfstandsnutzung
auch hohe Folgekosten und damit wirtschaftlichen Schaden verursachen.
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Durch
eine systematische Diagnose unter Berücksichtigung des durch die
dynamischen Effekte vergrößerten Prüfraums,
gelingt es, die Aussagekraft der Analyse deutlich zu steigern. Beispielsweise
ist die Berücksichtigung
von Ableitungen erster und höherer
Ordnung für
die Funktionskontrolle der korrekten dynamischen Reaktion von Komponenten – insbesondere
des Prüflings,
die Plausibilitätsprüfung der
Messsignale und die Beurteilung von Regelparametern wesentlich präziser als
lediglich die Betrachtung der Messschriebe (zeitlicher Verlauf der
Messwerte). Die Vorteile der Prüfung
in höherer
Dimension sind die höhere
Geschwindigkeit – schnellere
Beurteilung und die größere Sicherheit
durch vermehrte Redundanzen.
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Nichtlineare
Effekte lassen sich besonders gut für die Prüfung des Gesamtsystems heranziehen. Nichtlineare
Effekte haben immer die Konsequenz von Oberwellen – durch
die dynamische Analyse der Systemreaktion können solche Effekte in der
einen Richtung analysiert werden, indem das Auftreten von Oberwellen
auf nichtlineare Effekte schließen
lässt – andererseits
kann man mit einer modellierten Kenntnis der Nichtlinearität auf den
Oberwellenanteil schließen.
Durch den dynamischen Verlauf der Prüfprozedur kann man sich beide
diametralen Vorgehensweisen gleichzeitig zu Nutze machen, indem man
je nach Anwendungsfall einen entsprechenden Entwicklungsfortschritt
oder eine entsprechende Überprüfung des
Systems als Ergebnis der Analyse verwendet. Grundsätzlich können zeitabhängige Signale
mit Hilfe von Fourier-, Laplace- oder Wavelettransformationen analysiert
und angewendet werden. Der erfindungsgemäße und nutzbringende Einsatz besteht
im Vergleich mit Vorhersagewerten im Dienste der Sicherheit, Fehlerfreiheit
und der Effizienz des Gesamtsystems.
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Besonders
im Bereich der Inbetriebnahme, aber auch bei der Nachrüstung einzelner
Komponenten zeigt sich die Erfindung von großem wirtschaftlichem Nutzen.
Durch die verfügbaren
Analyseeigenschaften können
Fehler in der Einbindung sofort erkannt und gemeldet werden. Dies
führt zur
durchgängigen
Prüfung
des Gesamtsystems und bietet dem Betreiber eine signifikant erhöhte Steigerung
der Effizienz.
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Besonders
unangenehm waren in der Vergangenheit Resonanzen auf dem Prüfstand – mit Hilfe
der generalisierten Modelle können
die Schwingungen analysiert werden. Die Analyse liefert wertvolle
Hinweise auf die Entstehung der Schwingungen und die beteiligten
Komponenten. Als Anwendung einer solchen Analyse kann beispielsweise
das Belastungssystem des Prüfstands
laufend geprüft
werden. Diese Analyse in der Phase der Inbetriebnahme im Bezug auf
die Sicherheit und den Personenschutz wesentlich. Durch die Analyse
können
Fehlauslegungen und Montageprobleme in Sekundenbruchteilen erfasst
und beurteilt werden. Bei Abweichungen des realen vom virtuellen
Prüflauf
außerhalb
definierbarer Grenzen kann reale Prüflauf abgebrochen oder auf
jenen Teilbereich des Raums der Eingangsgrößen und Randbedingungen für die Versuchsanordnung
beschränkt
werden, in welchem Teilbereich der virtuelle Prüflauf innerhalb der definierbaren
Grenzen abläuft.
Je nach Diagnose kann das System das Hochlaufen verhindern und es
schaltet die Testeinrichtung gesichert ab.
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Im
Bereich von unfertigen Prototypen kann hingegen beispielsweise vorgesehen
sein, dass bei Abweichungen des realen vom virtuellen Prüflauf eine
Vorhersage begrenzender Parameter und/oder Funktionen berechnet
wird, welche den Prüflauf
auf erlaubte und/oder sichere Werte eingrenzen und somit dem System
eine eingeschränkte
Freigabe erlauben – beispielsweise
wird die maximale Drehzahl des Systems auf die Leerlaufdrehzahl
begrenzt. Im Falle der uneingeschränkten Freigabe kann der Benutzer vordefinierte
Betriebsbereiche manuell einschränken,
um eine erhöhte
Sicherheit zu realisieren.
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Auch
im Bereich der Ultraschalldiagnose können die mechanischen Schwingungen
eine wesentliche Aussage über
den mechanischen Zustand der Komponente aussagen. Prinzipiell können also zusätzliche
Messanordnungen jeglicher Art für
die mechanische Integrität
der Versuchsanordnung vorhanden und mit der Auswerteeinheit verbunden
sein, wobei im Programm eine Unterroutine für die Einschränkung des
Prüflaufs
auf erlaubte und/oder sichere Werte für die Versuchsanordnung implementiert
ist. Die Analyse und Auswertung etwa von Interferenzbildern lassen
Rückschlüsse auf
den fehlerfreien und gefahrlosen Betrieb zu. Weiterhin deutet die Verschiebung
von Frequenzen und Frequenzbanden auf eine Veränderung der Komponente hin.
In den Bereich der Ultraschalldiagnose fällt besonders die Analyse von
mechanischen Reibgeräuschen,
wie diese im Bereich von Lagern und Verbindungselementen auftreten.
Auch diese Diagnose gewinnt im Zusammenspiel der Komponenten durch
die dynamische Analyse und Abbildung in Modellen an Aussagekraft
für die
Beurteilung des Gesamtsystems.
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Durch
die Vielfalt der benötigten
Aussagen auf einem komplexen Motorenprüfstands können erfindungsgemäß zusätzlich zu
permanenten Prüfungen
zur Reduktion des Aufwands stochastische Stichproben mit Hilfe von
statistischen Methoden ausgewertet werden um innerhalb des Betriebsraums
eine gute Abdeckung der Überprüfung zu
erreichen. Mit Hilfe von Gewichtungsfunktionen können diese Analysen auf Problemfelder
fokussiert und damit öfter
geprüft
werden.
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Ein
Beispiel aus dem Bereich der Motorentechnik soll die obigen Absätze weiter
erläutern.
Ein für
die Verbrennung wesentlicher Parameter ist beispielsweise das Lambdaλ. Lambda
ist das stöcheometrische
Verhältnis
von Luft zur Treibstoff. Es ist also keine primäre Größe, sondern ergibt sich aus dem
Blickwinkel der Regelungstechnik aus der Mannigfaltigkeit der verbrennungssteuernden
Größen indirekt.
Daraus folgt, dass die betrachteten Größen voneinander nicht unabhängig und
redundant sind. Nachdem die Basis der Lambdaberechnung eine Bilanzgleichung
ist, korrelieren alle Primärgrößen, welche
den chemischen Stoffumsatz beeinflussen. Lambda ist für die Verbrennung
eine charakteristische Größe und bietet
insofern eine Möglichkeit
der Diagnose.
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Wird
nun Lambda vom Prüfstand
als Hilfsgröße errechnet,
so spiegelt dieser Wert nicht nur die Eigenschaften des Motors,
sondern auch die Eigenschaften der Messgeräte – Ansprechverhalten, Messunsicherheit,
Drift-Erscheinungen oder auch ein Fehlverhalten der Messkette. Der
Lambdazustand des Motors ist im mehrdimensionalen Parameterraum
des Motors ebenfalls ein definierter Zustand, dessen Änderung
bei einer Änderung
der Primärgröße erfasst
und in der Folge prognostiziert werden kann. Eine Abweichung der
Prognose kann somit zur Diagnose herangezogen werden.