DE102007006616B3

DE102007006616B3 - Verfahren zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug

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Publication number: DE102007006616B3
Application number: DE200710006616
Authority: DE
Original assignee: Fatec Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Fatec Fahrzeugtechnik GmbH
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: WO2008095620A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug. Während einer Prüfstandphase (P) wird das Getriebesystemverhalten bei einem Schaltvorgang zwischen zwei Getriebestufen für zumindest einen Betriebspunkt durch B>) für diesen Schaltvorgang variiert, wobei zusätzlich für einen zweiten Satz von Betriebspunkten jeweils nur für einen bevorzugten Steuerparametersatz (SPBP) Schaltvorgänge durchgeführt werden. Aus der Variation der Steuerparameter (SPDoE) werden Algorithmen eines Getriebemodells (G) gebildet, die das allgemeingültige Verhalten von spezifischen Kennparametern (KPDoE) mit der Variation der Steuerparameter (SPDoE) empirisch verknüpfen. Die Algorithmen werden dann auf den zweiten Satz von Betriebspunkten angewandt, wobei anhand der Algorithmen eine numerische Simulation der Steuerparametersätze und eine Bestimmung der zugeordneten Kennparameter erfolgt. Zur Bewertung der Qualität eines Schaltvorgangs für einen Steuerparametersatz wird aus den Kennparametern mittels einer Bewertungsfunktion ein Bewertungsfaktor BF bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug.
Schaltvorgänge zwischen den Getriebestufen eines Getriebes werden abhängig von Betriebsparametern, beispielsweise dem Getriebeeingangsmoment, der Getriebeeingangsdrehzahl oder auch der Getriebetemperatur, von einer elektronischen Getriebesteuerung (EGS) durchgeführt, wobei auch Fahrerhandlungen, wie beispielsweise ein manueller Wechsel von einer Komfort- zu einer Sport-Einstellung, die Schaltvorgänge durch die EGS beeinflussen können. Um ein zufrieden stellendes Schaltverhalten zu gewährleisten, ist bei Kraftfahrzeugen für jede Kombination von Fahrzeugaufbau, Motor und Getriebe eine individuelle Anpassung erforderlich.
Gegenwärtig erfolgt die Optimierung des Schaltverhaltens der elektronischen Getriebesteuerung größtenteils bei Fahrversuchen auf der Straße durch eine subjektive Bewertung des Testfahrers und durch Aufnahme von spezifischen Messgrößen. Die Variation der innerhalb der EGS für den Schaltablauf zuständigen Steuerparameter für die verschiedenen Schaltvorgänge, Schaltungsarten und Betriebspunkte wird während des Fahrversuches manuell über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise ein Notebook, vorgenommen. Wesentliche subjektiv oder mit entsprechenden Messeinrichtungen bestimmbare Größen eines Fahrversuches sind insbesondere die Schaltzeit, die für einen Schaltvorgang benötigt wird (Spontaneität), und das zeitliche Verhalten der Längsbeschleunigung (Komfort).
Zur Reduzierung des mit den Fahrversuchen verbundenen Aufwands ist es bekannt, die typischen Fahrbedingungen auf einem Rollenprüfstand nachzubilden, wobei das Anfahren der gewünschten Last- und Drehzahlbereiche automatisch durch eine Fahrrobotik erfolgt. Bei einem zumindest durch das Getriebeeingangsmoment und die Getriebeeingangsdrehzahl bestimmten Betriebspunkt werden dann die verschiedenen Steuerparameter variiert, wobei für jeden Steuerparametersatz Kennparameter bestimmt werden, mit denen man in der Lage ist, die Qualität der getätigten Schaltung, beispielsweise in Bezug auf eine Komfort- und Spontaneitätsbenotung zu charakterisieren. Um den Umfang der Parametervariationen zu begrenzen, kann nach der Bestimmung und Bewertung der Kennparameter für einen Steuerparametersatz der als nächstes zu untersuchende Steuerparametersatz unmittelbar mit Hilfe eines beispielsweise auf Fuzzy-Logic basierenden Modells erfolgen, wobei die Korrelation zwischen den einzelnen Kennparametern und den verschiedenen Steuerparametern zuvor anhand einer Vergleichsmessung ermittelt wurde. Durch das Modell kann aus den für einen Parametersatz ermittelten Kennparametern für jeden Steuerparameter ein Verstellwert bestimmt werden, der – unter Berücksichtigung des Vorzeichens – auf den alten Steuerparameterwert addiert oder subtrahiert wird, so dass ein neuer Steuerparameterwert das Ergebnis eines Optimierungsschrittes darstellt. Eine Optimierung auf der Basis eines neuronalen Netzwerkes ist aus der DE 102 08 205 A1 bekannt. Damit das neuronale Netzwerk verlässliche Werte liefert, ist eine aufwendige Trainingsphase erforderlich. Von dem neuronalen Netzwerk werden dabei Relationen festgelegt, die abhängig von den jeweils durchgeführten Testschaltungen unterschiedlich sein können. Daneben sind auch Ansätze bekannt, bei denen die Parameteroptimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes durch eine Simulation mit einem numerischen Modell erfolgt, wobei das numerische Modell anhand von sehr umfangreichen, zuvor auf einem Rollenprüfstand bestimmten Datensätzen gebildet wird.
Aus der DE 196 43 305 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen eines Automatikgetriebes bekannt, in dem auf einem Endprüfstand Schaltungen zwischen einzelnen Übersetzungsstufen durchgeführt werden. Dabei werden die zeitlichen Verläufe der Getriebeeingangsdrehzahl, der Getriebeausgangsdrehzahl, des Getriebeeingangsmomentes und des Getriebeausgangsmomentes bestimmt. Aus diesen Messgrößen werden als Kenngrößen des Automatikgetriebes für die beim Schaltvorgang zuschaltende Kupplung eine Füllzeit, ein Fülldruck, eine Reaktionszeit, ein Reibwert der Lamellen und eine Druckfluid-Charge bestimmt. Diese Kenngrößen werden in einem Speicher abgelegt, wobei die EGS in Abhängigkeit dieser Kenngrößen das Druckniveau und die Schaltzeiten korrigiert. Die gewählten Kenngrößen zeichnen sich dadurch aus, dass diese direkte Rückschlüsse auf das Getriebeverhalten ermöglichen, wobei insbesondere Steuerungs- und Getriebetoleranzen erkannt und korrigiert werden können. Für eine genaue Bestimmung der Kenngrößen sind bei der Auslegung des Automatikgetriebes eine Vielzahl von Schaltungen zwischen den einzelnen Übersetzungsstufen durchzuführen.
Ausgehend von den in der EGS für verschiedene Schaltvorgänge abgespeicherten Steuerparametern, die speziell für die vorliegende Kombination von Fahrzeugaufbau, Motor und Getriebe im Rahmen der Optimierung des elektronischen Schaltgetriebes ermittelt wurden, ist es bekannt, bei dem Betrieb des Fahrzeugs eine adaptive Anpassung der Steuerparameter, beispielsweise anhand von in der EGS abgespeicherten und während der anfänglichen Optimierung ermittelten Datenfeldern, durchzuführen. Die Adaption kann beispielsweise aufgrund von manuellen Einstellungen oder wie in der DE 100 57 093 A1 beschrieben zur Korrektur von Lebensdauerbelastungen erfolgen. Aus der DE 199 16 006 A1 ist bekannt, den Betätigungsdruck einer hydraulisch betätigten Kupplung anhand eines Adaptionskennfeldes aufgrund von externen Parametern schrittweise anzupassen. Um insgesamt eine schnelle Anpassung zu erreichen, erfolgt auch für ähnliche Schaltvorgänge eine entsprechende Anpassung.
Die Druckschrift DE 102 38 474 A1 betrifft ein Verfahren zur Adaption von Schaltabläufen eines Automatikgetriebes, bei dem Adaptionswerte in Abhängig keit von die Schaltqualität bestimmenden Ereignissen erfolgt. Um Fertigungstoleranzen und Verschleiß berücksichtigen zu können, erfolgt die Adaption bei den einzelnen mit dem Automatikgetriebe ausgerüsteten Fahrzeugen anhand einer für das jeweilige Fahrzeug ermittelten, individuellen Adaptionskennlinie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches zur Kostenverringerung eine Reduzierung der Nutzungszeiten eines Rollenprüfstandes oder Aggregateprüfstandes ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Kennparameter sind im Rahmen der Erfindung Parameter, die geeignet sind, die durchgeführte Schaltung zu charakterisieren und durch objektive Zahlenwerte zu beschreiben. Typische Kennparameter sind beispielsweise die Dauer des Schaltvorgangs, die ein Maß für die Spontaneität ist, und der zeitliche Verlauf der Längsbeschleunigung bzw. die Änderung der Anbindungskraft eines auf einem Rollenprüfstand starr gehaltenen Kraftfahrzeugs. Jeder Kennparameter (KP_x) kann dabei als Funktion der verschiedenen Steuerparameter (SP_j) und des jeweiligen Betriebspunktes dargestellt werden, wobei in Bezug auf den Betriebspunkt häufig nur die Getriebeeingangsdrehzahl und das Getriebeeingangsmoment und nicht die Getriebetemperatur berücksichtigt werden. Demnach gilt: KPx = f(SP1, ... SPj, Getriebeeingangsdrehzahl, Getriebeeingangsmoment)
Für die Optimierung mit Hilfe eines Aggregateprüfstandes oder eines Rollenprüfstandes sind insbesondere die aus dem zeitlichen Verlauf der Getriebeeingangsdrehzahl ermittelte Schalt- und Reaktionszeit sowie frequenzbewertete Kennparameter der Anbindungskraft des Kraftfahrzeuges an einer Halterung während der Schaltung besonders aussagekräftige Kennparameter.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Kennparameter unter Variation der Steuerparameter an verschiedenen Betriebspunkten abhängig von der Variation der einzelnen Steuerparameter qualitativ gleich verhalten. Der Unterschied hinsichtlich des Verhaltens der Kennparameter unter Variation der Steuerparameter bei verschiedenen Betriebspunkten ist demnach im Wesentlichen auf die quantitative Einordnung ihrer physikalischen Einheiten beschränkt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Getriebesystemverhalten in der Prüfstandphase für vorgegebene Parametersätze an einem Getriebe auf einem Aggregateprüfstand oder an einem in das Fahrzeug eingebauten Getriebe auf einem Rollenprüfstand ermittelt. Auf dem Rollenprüfstand ist das Fahrzeug über eine Fahrzeugfesselung festgelegt. An Stelle der auf dem Prüfstand nicht mehr vorhandenen Längsbeschleunigung wird die Anbindungskraft des Fahrzeugs an der Fahrzeugfesselung aufgezeichnet und ausgewertet.
In der Prüfstandphase wird bei einem Schaltvorgang zwischen zwei Getriebestufen für einen ersten Satz von Betriebspunkten, die durch die Getriebeeingangsdrehzahl, das Getriebeeingangsmoment und die Getriebetemperatur bestimmt sind, jeweils bei einer Vielzahl von Schaltvorgängen ein Satz von Steuerparametern anhand einer vorgegebenen Matrix variiert. Für jeden Satz von Steuerparametern, die den Schaltablauf bestimmen, werden zugeordnete charakteristische Kennparameter ermittelt. Bei der Steuerparametervariation für den ersten Satz von Betriebspunkten soll aus einer möglichst geringen Anzahl an Versuchen ein größtmöglicher Informationsgehalt in Bezug auf das zu identifizierende System ermittelt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise vorgesehen, das Getriebesystemverhalten durch eine intelligente Versuchsplanung zu identifizieren. Dabei spricht man häufig von so genannten DoE (Design of Experiments)-Plänen, die auf Grundlage verschiedener Optimierungskriterien den für unterschiedliche Randbedingungen jeweils bestmöglichen Versuchsplan generieren. Im besonderen Maße ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein so genannter und in der Fachliteratur beschriebener D-optimaler Versuchsplan geeignet, um die Steuerparameter SP₁ bis SP_j für jeden der durchzuführenden Versuche festzulegen. Für die unter diesen Bedingungen angefahrenen Schaltungen werden aus dem Anbindungskraftsignal an der Fahrzeugfesselung und der Getriebeeingangsdrehzahl Kennparameter bestimmt, mit denen die Qualität der getätigten Schaltung charakterisiert wird (Objektivierung). Es ergibt sich damit eine Verknüpfung zwischen den Steuerparametersätzen einerseits und den zugeordneten Kennparametern anderseits.
In der Prüfstandphase werden auch für einen zweiten Satz von Betriebspunkten jeweils nur für einen bevorzugten Steuerparametersatz Schaltvorgänge durchgeführt. Um dabei Messungenauigkeiten, beispielsweise durch ein Messwertrauschen, zu vermeiden, können die Schaltvorgänge des zweiten Satzes von Betriebspunkten ohne eine Variation der Steuerparameter mehrmals hintereinander angefahren werden, wobei aus den gewonnenen Messwerten sodann Kennparameter identifiziert und einer Ausreißerbereinigung und Mittelwertbildung zugeführt werden.
Nach der Prüfstandphase werden im Rahmen einer empirischen, numerischen Modellbildung aus den für den ersten Satz von Betriebspunkten ermittelten Kennparametern Algorithmen ermittelt, die das allgemeingültige Verhalten der Kennparameter mit der Variation der Steuerparameter verknüpfen. Zur Bestimmung der Algorithmen können verschiedene Methoden wie beispielsweise Polynommodelle höherer Ordnung oder künstliche neuronale Netze eingesetzt werden. Grundlegendes Ziel ist es, das Verhalten des durch die Prüfstandsvermessung identifizierten Systems mathematisch zu beschreiben. Das erzeugte Modell besitzt eine statistische Bestimmtheit, die den Aussagegehalt quantifiziert. Gerade im Hinblick auf die Übertragung von Modellinformationen auf unbekannte Betriebsbereiche, d. h. auf den zweiten Satz von Betriebspunkten, gilt es, einen besonders hohen Erklärungsgehalt des Modells zu erzielen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass die Kennparameter durch eine Normierung als dimensionslose Größen dargestellt werden. Das modellierte Kennparameterverhalten äußert sich demnach nicht mehr in physikalischen Absolutwerten, sondern in dimensionslosen Werten.
In einem weiteren Verfahrensschritt, der Betriebspunktanpassung, werden die zuvor bei der Modellbildung bestimmten Algorithmen auf den zweiten Satz von Betriebspunkten angewandt, wobei ausgehend von den Steuerparametern, die für den zweiten Satz von Betriebspunkten in der Prüfstandphase ermittelt wurden, eine Variation der Steuerparameter numerisch simuliert wird und für die simulierten Steuerparametersätze Kennparameter bestimmt werden. Die Anwendung der Algorithmen auf den zweiten Satz von Betriebspunkten ist möglich, da das qualitative Verhalten der Kennparameter bei der Variation der Steuerparametersätze für verschiedene Betriebspunkte qualitativ übereinstimmt, so dass der Unterschied hinsichtlich des Kennparameterverhaltens und der Variation der Steuerparameter bei verschiedenen Betriebspunkten auf die quantitative Einordnung ihrer physikalischen Einheiten beschränkt ist.
Dies bedeutet, dass für einen Betriebspunkt des zweiten Satzes von Betriebspunkten nur für einen bevorzugten Steuerparametersatz (Ist-Stand) die zugeordneten Kennparameter bekannt sein müssen, wobei davon ausgehend die numerische Modellierung mit den allgemeingültigen, bei der Modellbildung bestimmten Algorithmen erfolgen kann. Aus den Kennparametern wird für jeden Steuerparametersatz und jeden Betriebspunkt mittels Bewertungsfunktionen ein Bewertungsfaktor für die Qualität des zugeordneten Schaltvorgangs ermittelt, wobei die Bewertungsfunktionen vorzugsweise durch ein Fuzzy-Logic-Modell bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem Optimierungszyklus durch eine numerische Simulation anhand des Getriebemodells eine Variation der betriebspunktspezifischen Steuerparameter durchgeführt wird, um einen maximalen Bewertungsfaktor zu ermitteln, wobei typischerweise die Steuerparametersätze mit den höchsten Bewertungsfaktoren gespeichert werden. Zur Überprüfung der numerischen Simulation können die abgespeicherten Steuerparametersätze in einer abschließenden Verifikationsphase durch Testmessungen auf dem Rollenprüfstand bzw. einem Aggregateprüfstand überprüft werden, wobei dann aus den abgespeicherten Steuerparametersätzen die tatsächlich am besten geeigneten Steuerparametersätze ausgewählt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen Beispiels unter Verweis auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
1 den Aufbau am Beispiel eines Rollenprüfstandes,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug.
1 zeigt einen Rollenprüfstand 1, der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prüfstandphase P genutzt wird, um das Getriebesystemverhalten eines in ein Kraftfahrzeug 2 eingebauten Getriebes zu ermitteln. Das Kraftfahrzeug 2 ist über eine Fahrzeugfesselung 3 steif an einem Träger 4 angebunden, wobei in die Fahrzeugfesselung 3 ein Kraftmesselement zur Bestimmung der Anbindungskraft integriert ist. Der zeitliche Verlauf der Anbindungskraft bei einem Schaltvorgang ist dabei ein wichtiges Abstimmsignal zur Komfortbewertung, welches quasi-proportional zu der Längsbeschleunigung bei einem fahrenden Fahrzeug ist. Die elektronische Getriebesteuerung 5 (EGS) ist an einen Steuercomputer 6 angeschlossen, wobei die Steuerparameter der EGS 5 in Echtzeit zwischen einzelnen Schaltvorgängen verstellt werden können. Neben Messdaten, die von der EGS 5 aufgenommen werden, wird auch der zeitliche Verlauf der Anbindungskraft in dem Steuercomputer 6 aufgezeichnet. Gleichzeitig wird der Fahrwiderstand einer Rolle 7 des Rollenprüfstandes 1 und die Einstellungen einer Fahrrobotik 8 von dem Steuercomputer 6 variiert, wobei das Anfahren gewünschter Last- und Drehzahlbereiche durch die Fahrrobotik 8 erfolgt, die das Gaspedal bedient und die Fahrstufen wechseln kann. Eine Abbremsung oder Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 2 erfolgt typischerweise durch einen aktiven Eingriff in die Steuerung des Rollenprüfstandes 1, so dass die Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs 2 weitgehend unbenutzt bleibt. Schaltvorgänge erfolgen üblicherweise nicht durch die Bewegung des Wählhebels im manuellen Modus, sondern durch einen Digitalbefehl auf der EGS 5, so dass Zeitverzögerungen zwischen der Ganganforderung und -auslösung vermieden werden.
2 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zunächst in der Prüfstandphase P auf dem in 1 dargestellten Prüfstand 1 Schaltvorgänge zur Identifikation des Getriebesystemverhaltens durchgeführt werden. Erfindungsgemäß erfolgt die weitere Modellierung und Optimierung unter dem Einsatz von numerischen Modellen.
Aufgrund der Tatsache, dass Prüfstandsstunden für Rollenprüfstände relativ teuer, die Prüfstände eher selten vorzufinden und folglich die Auslastungen sehr hoch sind, gilt es stets, die Dauer der effektiven Prüfungstandsnutzung so gering wie möglich zu halten. Folglich müssen bei der Identifikation des Getriebesystemverhaltens Methoden verwendet werden, die auf einer effizienten Versuchsplanung basieren.
Prinzipiell handelt es sich bei der Versuchsplanung um ein Instrument, mit einer möglichst geringen Anzahl an Versuchen den größtmöglichen Informationsgehalt aus dem zu identifizierenden System zu erhalten. Übertragen auf die automatisierte Abstimmung des Schaltkomforts lautet demnach die Herausforderung, die Steuerparameter im Getriebe so intelligent zu verstellen, dass ein Maximum des Getriebesystemverhaltens identifiziert werden kann. Jeder so genannte Versuch steht folglich für eine Kombination unterschiedlicher Steuer parametereinstellungen, deren Systemantwort durch ein- oder mehrmaliges Anfahren eines Betriebspunktes in Form des sich verändernden Kennparameterverhaltens beschrieben wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Getriebesystemverhalten durch eine intelligente Versuchsplanung identifiziert. Dabei spricht man häufig von so genannten DoE (Design of Experiments)-Plänen, die auf Grundlage verschiedener Optimierungskriterien den für unterschiedliche Randbedingungen jeweils bestmöglichen Versuchsplan generieren.
Anders als bei rein faktoriellen Versuchsplänen werden bei einer D-optimalen Vermessung die Steuerparameter – scheinbar regellos – gemeinsam verstellt. Bei der Erstellung dieser Versuchspläne arbeitet ein Algorithmus, der in einem gegebenen x-dimensionalen (z. B. 9-dimensionalen) Versuchsraum die Volumen der durch die Versuchspunkte aufgespannten geometrischen Körper maximiert, so dass der Informationsgehalt ebenfalls ein theoretisches Maximum annimmt. Bei einem D-optimalen Versuchsplan sollen die Wechselwirkungen der verschiedenen Steuerparameter eindeutig erkannt werden. Dabei werden typischerweise einfache Wechselwirkungen zwischen jeweils zwei der Steuerparameter durch eine entsprechende Variation bestimmt, wobei üblicherweise eine Bestimmung von höheren Wechselwirkungen bei der gleichzeitigen Verstellung einer Vielzahl von Steuerparametern in der Regel nicht berücksichtigt werden muss, wodurch eine effiziente Ermittlung des Getriebesystemverhaltens möglich ist.
Für die unter diesen Bedingungen angefahrenen Schaltungen werden aus dem Anbindungskraftsignal und der Getriebeeingangsdrehzahl Kennparameter bestimmt, mit denen man in der Lage ist, die Qualität der getätigten Schaltung zu charakterisieren (Objektivierung). Das Ergebnis ist demnach eine Tabelle, in der für jede getätigte Schaltung, d. h. für jede Versuchsplanzeile und Steuer parameterkombination SP_DoE, die dazugehörigen Kennparameter KP_DoE stehen. Ein- und Ausgänge des vermessenen Systems sind demnach klar definiert. Die erste Zeile des Versuchsplans steht für die so genannte Referenzzeile d. h. für den aktuellen Ist-Stand der EGS 5 ohne die Variation von Steuerparametern. Im Folgenden wird diese Steuerparameterkombination SP_DoE,Ref. genannt.
Im Hinblick auf die Optimierung von Betriebspunkten einer Schaltungsart, die nicht Bestandteil der DoE-Vermessung sind, benötigt man für die Anwendung des neuen Optimierungskreislaufs weiterhin die Ist-Stände hinsichtlich der Steuer- und Kennparameter der betreffenden Punkte. Um ein Messwertrauschen zu vermeiden, werden die Schaltungen der neuen Betriebspunkte mehrmals – ohne eine Steuerparametervariation – hintereinander angefahren und die in der EGS 5 eingestellten Werte identifiziert. Aus den gewonnen Messdaten werden sodann Kennparameter identifiziert und einer Ausreißerbereinigung und Mittelwertbildung zugeführt. Das Ergebnis sind für jeden neuen Betriebspunkt Werte der betrachteten Steuerparameter SP_BP und ausreißerbereinigte Mittelwerte der berechneten Kennparameter KP_BP.
Die empirische Modellbildung des Getriebemodells G kann mittels zahlreicher Methoden erfolgen, wie z. B. Polynommodellen höherer Ordnungen oder künstlichen neuronalen Netzen. Generell ist es das Ziel, das Verhalten des durch die Prüfstandsvermessung identifizierten Systems mathematisch zu beschreiben. Es gilt demnach, das Verhalten der Kennparameter KP_DoE mit den Steuerparameterwerten SP_DoE der EGS 5 zu verknüpfen, so dass Funktionen nach der Gleichung KPDoE,x = f(SPDoE,1, ... SPDoE,j, Getriebeeingangsdrehzahl, Getriebeeingangsmoment) (1)das Ziel sind.
Jedes erzeugte Getriebemodell G besitzt eine statistische Bestimmtheit, die den Aussagegehalt quantifiziert. Gerade im Hinblick auf die Übertragung von Modellinformationen auf unbekannte Betriebsbereiche, d. h. auf neue Betriebspunkte gilt es, besonders hohe Erklärungsgehalte der Modelle zu erzielen.
Eine Besonderheit bei der Anwendung des in 2 dargestellten Prozesskreislaufes ist die Aufarbeitung der für die Modellerstellung notwendigen Daten (Steuer- und Kennparameterwerte). Modellerstellung und -anwendung erfolgen im Hinblick auf die Übertragung der Modellinformationen auf unbekannte Bereiche vorzugsweise im allgemeingültigen, normierten Bereich zwischen null und eins. Das modellierte Kennparameterverhalten äußert sich demnach nicht mehr in physikalischen Absolutwerten, sondern in dimensionslosen Werten.
Die Betriebspunktanpassung A hat das Ziel, bestehende Informationen eines detailliert betrachteten Betriebspunktes auf neue Betriebspunkte zu übertragen, die nicht Gegenstand der DoE-Vermessung waren.
Dies ist möglich, da sich bei der Vermessung verschiedener Betriebspunkte das Kennparameterverhalten qualitativ ähnlich verhält. Der Unterschied hinsichtlich des Kennparameterverhaltens unter Variation der Steuerparameter bei verschiedenen Betriebspunkten ist demnach auf die quantitative Einordnnung ihrer physikalischen Einheiten beschränkt.
Das bedeutet, dass für einen neuen Betriebspunkt einmalig der Ist-Stand hinsichtlich der Steuerparameter SP_BP und Kennparameter KP_BP bekannt sein muss, wobei dann die Optimierung mit allgemeingültigen (dimensionslosen) Kennparametermodellen erfolgen kann. Der absolute Kennparameterwert KP_BP des neuen Betriebspunktes muss demnach normiert werden. Allerdings werden für die Normierung des absoluten Kennparameterwertes KP_BP die Kennparametergrenzen benötigt. Um Messungen des neuen Betriebspunktes auf einem Prüfstand einsparen zu können und trotzdem Kenntnis über die Kennparametergrenzen zu besitzen, werden Umformungen des bestehenden Informationsmaterials vollzogen.
Aus der Systemidentifikation der Prüfstanduntersuchungen liegen die in der EGS 5 eingestellten Steuerparameterwerte des DoE-Versuchsplans (SP_DoE) vor. Das ist eine Matrix mit i Zeilen (i Versuche, d. h. i verschiedene Steuerparameterkombinationen) und j Spalten (j variierte Steuerparameter). Die erste Zeile dieser Matrix besitzt die Bezeichnung SP_Ref und steht für die so genannte Referenzzeile, bei der das Getriebe nicht verstellt wird. Aus diesen Daten und den dazugehörigen Kennparametern KP_DoE einer jeden der i Prüfstandsmessungen werden die empirischen Kennparametermodelle auf normierter Basis erzeugt.
Bekannt sind des Weiteren die Informationen eines neuen Betriebspunktes, der nicht Gegenstand der DoE-Vermessung ist und mehrmals auf dem Prüfstand angefahren wurde. Nach der statistischen Aufbereitung dieser so genannten Kalibrationsmessungen liegen in einerseits einer Datenzeile die Steuerparameterwerte SP_BP = [SP_BP,1 SP_BP,2 ... SP_BP,i,j] und andererseits dazugehörige Kennparameterwerte KP_BP des neuen Betriebspunktes vor.
Ziel ist nun die Berechnung eines normierten Kennparameterwertes KP_BP,n (0 < KP_BP,n < 1), der für den Bewertungsprozess B und Optimierungsprozess O benötigt wird. Hierfür ist allerdings die Kenntnis bzgl. der minimalen und maximalen Kennparameterwerte des neuen Betriebspunktes für die Normierung notwendig. Es gilt also im Folgenden, diese Kennparametergrenzen des neuen Betriebspunktes zu berechnen.
Hierbei wird mit dem Aufbau eines betriebspunktindividuellen Versuchsplans begonnen. Es soll virtuell, d. h. auf Basis der Modellanwendungen im Büro für den neuen Betriebspunkt eine Identifikation des Getriebesystemsverhaltens durchgeführt werden. Folglich wird für den neuen Betriebspunkt ein neuer Versuchsplan aufgebaut, der als SP_DoE,BP bezeichnet wird.
Damit die Modellinformationen auf den neuen Betriebspunkt übertragen werden können, gilt es, gleiche Voraussetzungen hinsichtlich der Referenzzeile zu schaffen. Ein Steuerparameterstartwert, bei dem z. B. das Verhältnis zwischen zu- und abschaltendem Druck fünfmal höher als bei der ursprünglichen DoE-Vermessung auf dem Prüfstand ist, wird – unter Beibehaltung der gleichen prozentualen Steuerparametervariation – insgesamt ein anderes Kennparameterverhalten aufweisen als einer, bei dem das Verhältnis viel geringer ausfällt. Es gilt demnach, die Referenzzeile des neuen Versuchsplans (neuer Betriebspunkt: SP_BP,Ref) mit der der tatsächlichen Vermessung (SP_Ref) vergleichbar zu machen.
Um die Steuerparameterverhältnisse der Referenzzeile (SP_Ref) zu berechnen, wird von einem Startwert ausgegangen, der mit den anderen Steuerparameterwerten verglichen und faktorisiert wird. Es hat sich gezeigt, dass hierfür vorzugsweise die Steuerparameter zu wählen sind, die aufgrund ihrer hohen Sensitivität bereits bei geringen Verstellungen deutliche Kennparameteränderungen aufweisen. Die Referenzzeile lautet: SPRef = [SPDoE(1,1)SPDoE(1,2) ... SPDoE(1,j)] = [SPRef,1SPRef,2 ... SPRef,j] (5)
In diesem Beispiel ist SP_DoE(1,2) (= SP_Ref,2) der hochsensitive Steuerparameter, der im Folgenden SP_Ref,S genannt wird. Ausgehend von den identifizierten Steuerparametern SP_BP des neuen Betriebspunktes erfolgt die Übertragung der Steuerparameterverhältnisse mit dem Ziel, eine Referenzzeile des neuen Punktes zu berechnen. Ausgehend von dieser Zeile wird der betriebspunktindividuelle Versuchsplan aufgebaut. Die betriebspunktindividuelle Referenzzeile berechnet sich durch die Verhältnisse zwischen den sensitiven Steuerparametern des bekannten und neuen Betriebspunkts sowie der ursprünglichen Referenzzeile. Es gilt demnach allgemein für den Steuerparameter j:
Folglich berechnet sich die betriebspunktindividuelle Referenzzeile wie folgt:
Auf Grundlage einer Faktorisierung des bestehenden Versuchsplans der Prüfstandsuntersuchung (SP_DoE) und der anschließenden Multiplikation dieses Verhältnisses mit der neuen Referenzzeile ergibt sich ein betriebspunktindividueller Versuchsplan:
Die Matrix SP_DoE,BP besitzt – genau wie SP_DoE – i Zeilen und j Spalten. Zusätzlich wird die neu gemessene Steuerparameterkombination des Prüfstands (SP_DoE,BP) in diesen neuen Versuchsplan als Zeile (i + 1) aufgenommen. Für diese Zeile ist der Kennparameterwert durch die Messungen bereits bekannt, so dass der Wert KP_BP ebenfalls übernommen wird.
Diese neu entstandene Matrix, d. h. dieser neu entstandene betriebspunktindividuelle Versuchsplan mit (i + 1) Zeilen, wird für jede Spalte, also für jeden Steuerparameter mit 0 ≤ (SP_DoE,BP,n)_i,j ≤ 1 normiert.
Für die Berechnung der Modellantworten wird dieser neue Versuchsplan virtuell durch Verwendung der Kennparametermodelle "nachgefahren". Das Ergebnis ist ein Vektor mit normierten Kennparameterwerten der Länge (i + 1) namens KP_DoE,BP,n mit 0 ≤ (SP_DoE,BP,n)_i,j ≤ 1.
Weiterhin werden über eine Rücktransformation, d. h. über eine Division aller Zeilen mit der letzten (i + 1-ste Zeile), die absoluten Kennparameterwerte des neuen Betriebspunktes berechnet. Der normierte Kennparametervektor wird mit der Kenntnis über den auf dem Prüfstand gemessenen Kennparameterwert (KP_BP) multipliziert und in einen Absolutwert rücktransformiert:
Mit Hilfe dieses Vektors – gefüllt mit Absolutwerten – erhält man die minimalen und maximalen Kennparametergrenzen des neuen Betriebspunktes. Sodann kann der gemessene Kennparameterwert des neuen Betriebspunkte normiert werden. Es entsteht der Wert KP_BP,n (0 < KP_BP,n < 1), der Verwendung im Bewertungsprozess B findet.
Der Bewertungsprozess B hat die Aufgabe, die Qualität der simulierten Schaltvorgänge und insbesondere die Vorschläge des Optimierungszyklusses O zu bewerten, so dass auf Grundlage dieser Ergebnisse neue Steuerparameterwerte berechnet werden können, die sich nach und nach einem Optimalwert annähern.
Die Bewertung erfolgt auf den Grundlagen der Fuzzy-Logic, wobei ein Bewertungsfaktor BF berechnet wird, der die im Büro simulierten Schaltvorgänge durch Berechnung einer Kennzahl quantifiziert.
Eingänge des Bewertungssystems sind die normierten Kennparameterwerte KP_BP,n eines jeden betrachteten Kennparameters (z. B. Schaltzeit, Verzögerungszeit, Gradienten, Spitze-Spitze-Werte, ...). Für jeden normierten Kennparameterwert KP_BP,n wird ein Zugehörigkeitsgrad berechnet, der Eingang in das Regelwerk (Inferenz) nimmt. Das Ergebnis ist ein Bewertungsfaktor BF, der die betreffende Kennparamterkombination quantifiziert und ausgibt.
Der Bewertungsfaktor BF ist demnach – neben den formulierten Zusammenhängen im Regelwerk – abhängig von den berechneten Zugehörigkeitsgraden der Eingänge, die wiederum von der Art und Lage der Zugehörigkeitsfunktion abhängig sind. Bewegt man die Zugehörigkeitsfunktionen der Eingänge auf der Abszisse nach rechts oder nach links, so verschiebt man gleichermaßen den Zielwert des betreffenden Kennparameters. Einen hohen Bewertungsfaktor BF erhält man erst dann, wenn Kennparameter Eingang in das Fuzzy-System finden, die diesen Zielwerten entsprechen. Durch aktive Verschiebung der Zugehörigkeitsfunktionen des Eingangs ist es demnach möglich, die Zielvor gaben einzustellen. Dieser Vorgang wird als Abszissenverschiebung betitelt. Ein hoher Bewertungsfaktor BF bedeutet demnach, dass die gefundene Kennparameterkombination den formulierten Zielvorgaben sehr gut entspricht.
Im Rahmen des neuen Optimierungskreislaufs wird vorzugsweise mit so genannte Fuzzy-Ist- und Fuzzy-Soll-Systemen gearbeitet, die sich lediglich durch die Verschiebungen der Zugehörigkeitsfunktionen unterscheiden. Der Ist-Stand wird durch Kenntnis der normierten Kennparameter KP_BP,n eingestellt (= KP_BP,n,IST), der Soll-Stand entspricht der Zielvorgabe, d. h. dem Optimierungsziel.
Der Optimierungszyklus kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Basis eines Evolutionsmodells erfolgen. Dieses gehört zur Klasse der stochastischen Suchverfahren und ermöglicht auch die Behandlung komplizierter Probleme, die aufgrund eines zu hohen Rechenaufwands mit traditionellen Optimierungsmethoden nicht mehr handhabbar sind.
Im Rahmen des Optimierungszyklusses wird ein normierter Kennparameter-Zielwert berechnet: KPBP,n,IST = KPBP,n (11) KPBP,n,SOLL = KPBP,n,IST·FOpt mit dem Optimierungsfaktor 0 < FOpt < 1. (12)
Im Vorfeld wird ein theoretisch maximal möglicher Bewertungsfaktor (BF_{MAX,theoretisch}) berechnet. Dieser ergibt sich durch Generierung eines vollfaktoriellen Versuchsplans aller beteiligten Kennparameter, der im Rahmen einer Vorsimulation Eingang in das Bewertungssystem findet. Der maximal aus diesen Berechnungen gefundene Wert wird als BF_{MAX,theoretisch} bezeichnet.
Die Definition der kennparameterspezifischen Optimierungsfaktoren F_Opt richtet sich nach der jeweiligen Benutzervorgabe. Wird zum Beispiel der optimale Steuerparametersatz für einen Schaltvorgang gesucht, der möglichst komfortabel bei gleicher Schaltspontaneität ist, so werden die Optimierungsfaktoren für die Schaltzeiten gleich eins gesetzt, während die den Komfort bestimmenden Kraftdifferenzen oder -gradienten bei Werten kleiner eins beginnen.
Bezüglich dieses Beispiels wird hinsichtlich der Optimierungsfaktoren der den Komfort bestimmenden Kennparameter mit verhältnismäßig kleinen Faktoren begonnen und davon ausgegangen, dass es keine Lösung im Suchraum gibt, die diesen Zielvorgaben entspricht, was sich durch kleine Bewertungsfaktoren ausdrückt. Dabei werden nach dem Optimierungsvorgang die gefundenen Bewertungsfaktoren BF_MAX mit dem theoretisch maximal möglichen Bewertungsfaktor verglichen und die dazugehörige Steuerparameterkombination gespeichert, sobald der Wert größer als 90% von BF_{MAX,theoretisch} ist. Für den nächsten Durchlauf wird der Optimierungsfaktor erhöht und dem Ist-Zustand angenähert. Sobald der Kennparameter-Soll-Wert den Ist-Wert durch die stetige Erhöhung der Optimierungsfaktoren überschreitet, wird der Optimierungszyklus O beendet.
Die Tatsache, dass nicht nur ein Steuerparametersatz gesichert wird, sondern mehrere Sätze, beruht auf dem Zusammenhang, dass im Büro mit mehreren Modellen gearbeitet wird, die alle einen Modellfehler besitzen, der sich bei guter bis sehr guter statistischer Aussagesicherheit im Mittel bei typischerweise sechs bis zehn Prozent bewegt. Weiterhin führt die Annahme, dass bestehende Informationen auf andere Betriebspunkte anwendbar sind, zwangsläufig zu Ungenauigkeiten, die durch Verifikationsmessungen abgedeckt werden. So werden beispielsweise die zehn besten Optimierungsergebnisse abgesichert und der Verifikation durch eine Verifikationsphase V auf dem Prüfstand zugeführt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Prüfstandsnutzungszeiten im Hinblick auf die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren typischerweise auf ein Drittel reduziert werden, wobei mit zunehmender Anzahl von Getriebestufen eine noch größere Zeitersparnis erreicht werden kann, da eine Parameteroptimierung stets für alle Hoch- und Rückschaltvorgänge zwischen den jeweils benachbarten Getriebestufen durchgeführt werden muss.

Claims

Verfahren zur Optimierung eines elektronisch gesteuerten automatisch schaltenden Getriebes für ein Kraftfahrzeug, wobei in einer Prüfstandphase das Getriebesystemverhalten für vorgegebene Parametersätze an einem Getriebe auf einem Aggregateprüfstand oder an einem in das Fahrzeug eingebauten Getriebe auf einem Rollenprüfstand ermittelt wird, wobei in der Prüfstandphase bei einem Schaltvorgang zwischen zwei Getriebestufen für einen ersten Betriebspunkt oder einen ersten Satz von Betriebspunkten, die zumindest durch die Getriebeeingangsdrehzahl und das Getriebeeingangsmoment bestimmt sind, jeweils bei einer Vielzahl von Schaltvorgängen ein Satz von Steuerparametern, welche den Schaltablauf bestimmen, anhand einer vorgegebenen Matrix variiert und für jeden Steuerparametersatz charakteristische Kennparameter ermittelt werden, wobei in der Prüfstandphase für einen zweiten Satz von Betriebspunkten jeweils nur für einen bevorzugten Steuerparametersatz Schaltvorgänge durchgeführt werden, wobei anschließend aus den für den ersten Betriebspunkt oder den ersten Satz von Betriebspunkten ermittelten Kennparametern Algorithmen ermittelt werden, die das allgemeingültige Verhalten der Kennparameter mit der Variation der Steuerparameter empirisch verknüpfen, wobei die Algorithmen auf den zweiten Satz von Betriebspunkten angewandt werden und ausgehend von den Steuerparametern, die für den zweiten Satz von Betriebspunkten in der Prüfstandsphase ermittelt wurden, eine Variation der Steuerparameter numerisch simuliert wird und wobei für die simulierten Steuerparametersätze Kennparameter ermittelt werden und wobei aus den Kennparametern für jeden Steuerparametersatz und jeden Betriebspunkt mittels einer Bewertungsfunktion ein Bewertungsfaktor für die Qualität des zugeordneten Schaltvorganges ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kennparameter durch eine Normierung als dimensionslose Größen dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bewertungsfunktion zur Ermittlung des Bewertungsfaktors durch ein Fuzzy-Logic-Modell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Algorithmen, die das Verhalten der Kennparameter mit der Variation der Steuerparameter empirisch verknüpfen, aus den einander zugeordneten Größen mittels eines künstlichen neuronalen Netzes ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem Optimierungszyklus neue Steuerparameter vorgeschlagen werden, wobei zu diesen Steuerparametern mit den Algorithmen, die das Verhalten der Kennparameter mit der Variation der Steuerparameter empirisch verknüpfen, durch eine numerische Simulation zugeordnete Kennparameter bestimmt werden und wobei für diese Kennparameter ein Bewertungsfaktor bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei in dem Optimierungszyklus bestimmte bevorzugte simulierte Steuerparametersätze abgespeichert und in einer Verifikationsphase durch Messungen auf dem Rollenprüfstand oder dem Aggregateprüfstand überprüft werden.