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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein automatisierte Testsysteme,
und sie betrifft insbesondere Testsysteme, die eine virtuelle Testzellen-Methodik zur Kalibrierung
von elektromechanischen Komponenten, wie etwa Kraftfahrzeugantriebssträngen und
dergleichen, beinhalten.
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HINTERGRUND
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Automatisierte
Testprozeduren – speziell
diejenigen, welche zum Charakterisieren komplizierter elektromechanischer
Systeme verwendet werden – sind
oft kostspielig und zeitaufwändig.
Wenn das Technologieniveau zunimmt, nimmt die Anzahl der Variablen
und die Komplexität,
welche derartigen Komponenten zugeordnet sind, gleichermaßen auf
drastische Weise zu.
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Beispielsweise
existieren bei Antriebssträngen
und anderen Kraftfahrzeugkomponenten so viele dem System zugeordnete
Eingänge
und Ausgänge,
dass das Durchführen
der Anzahl der Messungen, die zum korrekten Kalibrieren nur eines
Aspekts notwendig sind, Wochen in Anspruch nehmen kann. Ein moderner
Dieselmotor kann beispielsweise nicht weniger als dreizehn Variable
aufweisen, die eine Kalibrierung benötigen. Systematische und erschöpfende Messungen
eines derartigen Systems wären
zu zeitaufwändig
und zu kostspielig.
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Verfahren
nach dem Stand der Technik gehen auf dieses Problem ein, indem sie
Einzeltests für
jede interessierende Kalibrierung durchführen. Techniken zur statistischen
Versuchsplanung (DOE-Techniken) werden verwendet, um Testeffizienz
dadurch zu erreichen, dass Testbedingungen auf einen kleinen Satz
begrenzt werden, wobei angenommen wird, dass einige Eingänge bei
ihren Effekten auf die Ausgänge
nicht interagieren und/oder dass die Testausgänge einer angenommenen mathematischen
Beziehung folgen. Diese Testmethodiken nach dem Stand der Technik
berücksichtigen
möglicherweise
eine Interaktion zwischen mehreren Variablen nicht korrekt und erzeugen
daher keine Modelle, die durch eine Optimierung verbesserungsfähig sind – z. B.
eine Optimierung hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit,
des Verhaltens, der Qualität
usw.
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Folglich
besteht ein Bedarf für
verbesserte Verfahren und Systeme zum Kalibrieren und Testen komplizierter
elektromechanischer Systeme.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt allgemein Verfahren und Vorrichtungen
für ein
automatisiertes Testen einer physikalischen Testzelle unter Verwendung
einer virtuellen Testzellenmethodik bereit. Wie nachstehend genauer
beschrieben wird, wird allgemein ein begrenzter Satz von Testdaten
sequentiell und strategisch von der Testzelle gesammelt und auf
der Grundlage der erfassten Antworten wird ein mathematisches Modell
geschaffen. Das resultierende Modell oder der resultierende Satz
von Modellen bildet eine virtuelle Testzelle, welche wiederum bei
Punkten gemessen werden kann, die in dem begrenzten Satz der ursprünglichen
Testdaten nicht enthalten waren. Auf diese Weise können die
Zeit und der Aufwand, welche mit der Komponentenkalibrierung einhergehen,
wesentlich verringert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Kalibrieren einer physikalischen Testzelle die
Schritte, dass: ein Satz von Eingängen, die der physikalischen
Testzelle bereitgestellt werden sollen, teilweise auf der Grundlage
eines Satzes historischer Testdaten ermittelt wird; die Eingänge der
physikalischen Testzelle bereitgestellt werden und ein diesen zugeordneter
Satz von Ausgängen
empfangen wird, wobei das Bereitstellen umfasst, dass eine sequentielle
Raumfüllungsabtastprozedur
implementiert wird, um ein Gebiet, das durch den Satz historischer
Werte definiert ist, im Wesentlichen abzudecken; dass eine virtuelle
Testzelle geschaffen wird, die eine oder mehrere Antwortoberflächen auf
der Grundlage des Satzes von Ausgängen umfasst; und dass die
virtuelle Testzelle abgefragt wird, um eine Kalibrierungsbeziehung
zwischen mindestens einem der Eingänge und mindestens einem der
Ausgänge
zu ermitteln.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die genaue
Beschreibung und die Ansprüche
erhalten werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren
betrachtet werden, in denen gleiche Bezugszeichen in allen Figuren ähnliche
Elemente bezeichnen.
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1 ist
ein allgemeines Blockdiagramm, das einen Überblick über ein beispielhaftes Testsystem zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein virtuelles Testzellen-Testverfahren gemäß einer Ausführungsform
zeigt;
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3 veranschaulicht
beispielhafte abstrakte Aufzeichnungen in Bezug auf einen beispielhaften
sequentiellen Raumfüllungsabtastplan;
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4 veranschaulicht
ein beispielhaftes Testplangebiet gemäß einer Ausführungsform;
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5 veranschaulicht
eine beispielhafte Raumfüllung
gemäß einer
Ausführungsform;
und
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6 veranschaulicht
eine beispielhafte Raumfüllungsprozedur
weiter.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf das automatisierte Testen von Komponenten
(oder einer ”physikalischen
Testzelle”)
unter Verwendung einer virtuellen Testzellenmethodik gerichtet,
wobei ein begrenzter Satz von Testdaten unter Verwendung einer Raumfüllungsprozedur
von der physikalischen Testzelle gesammelt wird und ein mathematisches
Modell auf der Grundlage der gemessenen Antworten geschaffen wird.
Das resultierende Modell oder der resultierende Satz von Modellen
bildet eine virtuelle Testzelle, welche wiederum bei Punkten gemessen
werden kann, die in dem begrenzten Satz ursprünglicher Testdaten nicht enthalten
waren.
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Es
wird vorausgeschickt, dass die folgende genaue Beschreibung rein
beispielhafter Natur ist und nicht dazu gedacht ist, die Ausführungsformen
der Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen
zu beschränken.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Motorantriebssträngen und
anderen Kraftfahrzeugkompo nenten beschrieben sein kann, ist die
vorliegende Erfindung daher nicht darauf beschränkt und kann verwendet werden,
um ein beliebiges geeignetes elektromechanisches System zu erfassen
und zu kalibrieren.
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Zudem
können
Ausführungsformen
der Erfindung hier mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten
und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist
festzustellen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige
Anzahl an Hardware-, Software- und/oder
Firmwarekomponenten realisiert sein können, welche zur Ausführung der
angegebenen Funktionen ausgestaltet sind. Zum Beispiel kann eine
Ausführungsform
der Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z.
B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente,
Nachschlagetabellen oder dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl
von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Computer,
Mikrocontroller oder anderer Steuerungseinrichtungen ausführen können.
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Der
Kürze halber
kann es sein, dass herkömmliche
Techniken mit Bezug auf Datenverarbeitung, Kurvenanpassung, Kraftfahrzeugkomponenten
und weitere wohlbekannte funktionale Aspekte derartiger Systeme hier
nicht im Detail beschrieben sind. Darüber hinaus sind die Verbindungslinien,
die in den verschiedenen hier enthaltenen Figuren gezeigt sind,
zur Darstellung beispielhafter funktionaler Beziehungen und/oder
physikalischer Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen gedacht.
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Die
folgende Beschreibung kann sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale
beziehen, die miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind.
Bei der Verwendung hierin bedeutet ”verbunden”, sofern es nicht explizit
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem
weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt
da mit kommuniziert), und zwar nicht unbedingt mechanisch. Gleichermaßen bedeutet ”gekoppelt”, sofern
es nicht ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem
weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist
(oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht unbedingt
mechanisch. Der Ausdruck ”beispielhaft” ist im
Sinn von ”Beispiel” statt
von ”Modell” verwendet.
Obwohl die Figuren beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen
können,
können
bei einer Ausführungsform
der Erfindung zusätzliche
dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
vorhanden sein.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst eine vereinfachte
abstrakte Testumgebung, die zum Beschreiben einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nützlich
ist, allgemein zwei Teile: ein Testsystem 102 und eine physikalische
Testzelle (z. B. einen Antriebsstrang) 104, die zur Kommunikation
mit dem Testsystem 102 gekoppelt ist. Der Ausdruck ”Antriebsstrang” wird hier
als eine beispielhafte physikalische Testzelle verwendet, ohne die
Allgemeingültigkeit
zu verlieren. Das Testsystem 102, das typischerweise eine
oder mehrere Datenbanken 103 umfassen wird, stellt einen
oder mehrere Eingänge 110 an
den Antriebsstrang 104 auf eine beliebige geeignete Weise
bereit und erfasst gleichzeitig einen oder mehrere Ausgänge 120.
Geeignete Sensoren (nicht gezeigt) und Aktoren werden typischerweise
verwendet, um die Ausgänge 120 zu
erfassen und die Eingänge 110 an
den Antriebsstrang 104 bereitzustellen.
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2 stellt
ein allgemeines Verfahren 200 gemäß der vorliegenden Erfindung
bereit. Zuerst wird bei Schritt 202 ein Antriebsstrangcharakterisierungstest 202 ausgeführt. Dies
umfasst, dass zunächst
alle Messungen ermittelt werden, die von der physikalischen Testzellenkalibrierung
des Antriebsstrangs 104 durchgeführt werden können. Es
müssen
nur die Va riablen Bereiche für
Schritt 202 angegeben werden (z. B. 600 U/min–6000 U/min).
Im Gegensatz dazu erfordert das herkömmliche Testen, dass diskrete
Niveaus für
Variable angegeben werden (z. B. 600, 1000, 2000, 3000 U/min usw.),
welche hier nicht angegeben werden müssen. Die von der Kalibrierung
geforderte Genauigkeit treibt den Umfang des physikalischen Tests,
statt dass einem starren Testplan bei dem herkömmlichen Prozess gefolgt wird.
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Dann
wird eine virtuelle Testzelle 204 geschaffen, vorzugsweise
unter Verwendung eines sequentiellen Raumfüllungsabtastverfahrens. Das
heißt,
dass das System die virtuelle Testzelle so kalibriert, dass ein gewünschtes
Ausgangsgenauigkeitsniveau erzeugt wird, indem: (a) effiziente Testpläne mit Raumfüllungsabtastung,
(b) historische Begrenzungen für ähnliche
Antriebsstränge
zum Schaffen sicherer und stabiler Testgebiete, (c) Bedingungen
für jeden
Testpunkt, der in einer Raumfüllungssequenz
gewählt
wird, welche das gesamte Arbeitsgebiet systematisch abtastet, (d)
physikalische Testmessungen, die an vorbestimmten Überwachungspunkten
ausgeführt
werden, welche zum Eichen oder Kalibrieren von Vorhersagefehlern
des Antwortoberflächenmodells
gewählt
sind, welches der virtuellen Testzelle zugeordnet ist, (e) Antwortoberflächenmodelle
(für jeden
Ausgang) unter Anwendung einer Kriging-Interpolation, und (f) Konvergenzprüfungen bei
jedem Modell verwendet werden.
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Schließlich werden
unter Verwendung der virtuellen Testzelle (204) verschiedene
Kalibrierungen 210 erzeugt. Dies umfasst, dass die virtuelle
Testzelle für
alle gewünschten
Testpunkte ”laufen
gelassen wird”,
welche Testpunkte umfassen, bei denen keine Messungen in Verbindung
mit Schritt 202 durchgeführt wurden. Die virtuelle Testzelle
kann dann so oft wie nötig ”laufen
gelassen werden”,
um Daten bei allen benötigten
Punkten zu erzeugen, welche Punkte einschließen, bei denen keine Messungen durchgeführt wurden.
Dieser Schritt kann eine mathematische Optimierung der Ausgänge der
virtuellen Testzelle unter Verwendung objektiver Funktionen und
Beschränkungen
anwenden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform im Kontext eines Antriebsstrangs
umfassen Kalibrierungsschritte 210 eine Drehmomentmodellkalibrierung
und eine Nockenphasenstellerkalibrierung. Eine beliebige Anzahl
derartiger Kalibrierungsschritte kann auf diese Weise ausgeführt werden.
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Schließlich wird
eine mathematische Optimierung verwendet, um Kalibrierungen zu erzeugen,
welche die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, das Verhalten, die Qualität, Regelmetriken
usw. optimieren. Wie vorstehend erwähnt sind manuelle Kalibrierungen
bei weitem nicht optimal, wenn es viele Variablen gibt, die gleichzeitig
geändert
werden können,
wie es bei fortschrittlichen Antriebsstrangtechnologien zunehmend
der Fall ist.
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Das
beschriebene Verfahren unter Verwendung der ”sequentiellen Raumfüllungs”-Testabtastpläne ist deutlich
effektiver und man hat herausgefunden, dass es etwa 15%–80% weniger
Daten als herkömmliche Testpläne benötigt. Viele
separate Tests, die bei dem herkömmlichen
Prozess benötigt
wurden, können
beseitigt werden.
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3 stellt
eine sequentielle Antwortoberfläche
dar, welche gemäß einer
vereinfachten Ausführungsform
einem sequentiellen Raumfüllungsverfahren
entspricht. Wie vorstehend erwähnt,
tastet eine Raumfüllungssequenz
das gesamte oder nahezu das gesamte Arbeitsgebiet systematisch ab.
Das heißt,
dass der erfasste Ausgang eine Antwortoberfläche ist, die sich (in Aufzeichnungen 302, 304, 306 und 308)
fortschreitend ändert,
während
die Anzahl der Testpunkte zunimmt. Aus Klarheitsgründen gibt
es bei dieser Veranschaulichung nur zwei Eingänge (”Eingang 1” und ”Eingang 2”).
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Fachleute
werden erkennen, dass ein typisches System viel mehr derartige Eingänge umfassen
kann.
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Bei
der ersten Aufzeichnung 302 ist ein Satz von 10 Punkten 312 veranschaulicht,
von denen acht der Begrenzung entsprechen. Wenn die Raumfüllung zunimmt,
werden auf der Grundlage der vorherigen Datenpunkte zwanzig weitere
Punkte gewählt,
was zu einem Satz 314 aus 30 Datenpunkten führt. Als
Nächstes nimmt
die Antwortoberflächenaufzeichnung 306,
während
die Anzahl von Punkten auf 70 Punkte anwächst, eine detailliertere Gestalt
an. Wie bei Aufzeichnung 308 gezeigt ist, werden zusätzliche
Punkte verwendet, die einem Satz von Punkten 318 entsprechen,
um zu überwachen,
wie stark sich die Antwortoberfläche
verändert, wenn
neue abgetastete Punkte in die Raumfüllungssequenz aufgenommen werden.
Bei diesen Punkten werden keine physikalischen Messungen durchgeführt; stattdessen
trifft das System nur Vorhersagen für die Ausgänge bei den Überwachungspunkten
und überwacht
dann das Ausmaß,
in welchem sich diese Vorhersagen verändern, wenn neue abgetastete
Punkte hinzugefügt
werden. Wenn sich die Vorhersagen sehr wenig verändern, wird festgestellt, dass
die Antwortoberfläche ”konvergiert” ist, was
dem System ein geeignetes Modell bereitstellt. Wie vorstehend erwähnt, werden
die Überwachungspunkte
selbst nicht als Daten zum Modellieren der Antwortoberfläche verwendet,
sondern sie werden nur verwendet, um die Konvergenz zu prüfen.
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5 und 6 zeigen
einen detaillierteren Raumfüllungsprozess,
der das, was in 3 veranschaulicht ist, erweitert.
Das heißt,
dass 5 die ersten zehn Punkte (320–329)
zeigt, die in einem sequentiellen orthogonalen Feld der Stärke Zwei
verteilt sind. Auf ähnliche
Weise zeigt 6 die Reihenfolge, in welcher
die Punkte hinzugefügt
werden, für
die ersten sechzehn Punkte (p1, p2, p3, ..., p16). Punkte werden
nacheinander hinzuge fügt,
aber die Überwachungspunkte
werden nicht physikalisch getestet. Stattdessen werden die Überwachungspunkte
als Eingangsstellen verwendet, um den Ausgang des Kriging-Antwortoberflächenmodells
vorherzusagen. Sie befinden sich üblicherweise bei Punkten mit
einem feineren Raster als der ursprüngliche Eingangsbereich. Konvergenzprüfungen werden
durchgeführt,
indem der quadratische Mittelwert (RMS) von Vorhersagefehlern aus
zwei aufeinanderfolgenden Kriging-Antwortmodellen berechnet wird.
Die Differenz zwischen RMS-Werten bestimmt, ob eine Konvergenz aufgetreten
ist. Wenn daher die RMS-Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden
Oberflächen
innerhalb einer vorbestimmten Toleranz zu liegen kommt, dann wird
kein weiteres physikalisches Testen mehr benötigt.
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Das
Verfahren, mit welchem eine Raumfüllung erreicht wird, kann gemäß der gewünschten
Effizienz und Genauigkeit gewählt
werden. Beispielsweise maximiert das System bei einer Ausführungsform
den minimalen Abstand zwischen dem neuen Punkt und den Umgebungspunkten
(unter Verwendung eines Strafmaßes).
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4 zeigt
die Verwendung historischer Begrenzungen für den gleichen oder für ähnliche
Antriebsstränge,
um ein sicheres und stabiles Testgebiet zu ermitteln. Insbesondere
wird ein Satz historischer Testdaten 402 bereitgestellt.
Dann wird die Begrenzung 404 dieser Daten ermittelt. Diese
Begrenzung kann eine konvexe Rumpfform aufweisen, ist aber in jedem
Fall vorzugsweise ein geschlossenes Polygon, das die Mehrheit der
Datenpunkte in dem Datensatz 402 im Wesentlichen umgibt.
Ein Satz von Datenpunkten 403, der einem Testplan einer
statistischen Versuchsplanung (DOE-Testplan) zugeordnet ist, wird
ebenfalls bereitgestellt. Dieser Testplan kann wie gezeigt ein regelmäßiges Feld
(im n-dimensionalen Raum) von Datenpunkten umfassen, oder er kann
eine beliebige andere geeignete Konfiguration aufweisen. Die Begrenzung 404 wird
dann dem DOE- Testplan 403 überlagert,
um eine Schnittmenge der zwei Sätze
bereitzustellen, was zu dem gewünschten
stabilen Testplan 406 führt.
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Tabelle
1 zeigt nachstehend beispielhafte Vorteile dieses Verfahrens zur
Testpunktreduzierung, welche drastisch ansteigt, wenn die Anzahl
der Variablen ansteigt. Beispielsweise kann ein Dieselmotor nicht
weniger als dreizehn Variablen zur Kalibrierung aufweisen, während ein
moderner Benzinmotor drei derartige Variable aufweisen kann. Tabelle 1: Beispielhafte Testpunktreduzierung
| Anzahl
der Variablen | Beispiele | %
Verringerung der Testpunktanzahl im Vergleich mit einem herkömmlichen
Test |
| 2 | keine
Nockenphasensteller (z. B. Last, Drehzahl) | 15–20% |
| 3 | Motor
mit dualen synchronen Nockenphasenstellern | 50% |
| 4 | Motor
mit dualen unabhängigen
Nockenphasenstellern | 80% |
| 5
oder mehr | SIDI,
Diesel | >95% |
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Die
hier beschriebenen Verfahren können
unabhängig
davon angewandt werden, ob Auswertungen durch Testen oder durch
rechnergestützte
Entwicklung (CAE) durchgeführt
werden.
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Bei
einem Beispiel wurde das beschriebene Verfahren in Verbindung mit
einer Drehmomentmodellkalibrierung eines Antriebsstrangs verwendet.
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Unter
Verwendung herkömmlicher
Verfahren würde
dieses Testen des Drehmomentmodells für die Durchführung unter
Verwendung eines Satzes von Motorprüfständen typischerweise etwa vierzig
Tage benötigen.
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Durch
die Verwendung der hier offenbarten virtuellen Testzellenmethodik wurde
die Anzahl benötigter Datenpunkte
jedoch von 2688 auf 600 verringert und die Gesamtdauer der Prozedur
wurde von vierzig Tagen auf neun Tage mit erheblichen Kosteneinsparungen
verringert. Zudem ermöglicht
die virtuelle Testzelle, die aus dem Drehmomentmodelltest gebaut
wurde, dass mehrere weitere zeitaufwändige unabhängige physikalische Tests zur
Nockenphasenstellerkalibrierung, der Kalibrierung des volumetrischen
Wirkungsgrads und dergleichen beseitigt werden können.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass
eine große
Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass
die beispielhafte Ausführungsform
oder Ausführungsformen,
die hier beschrieben sind, nicht dazu gedacht sind, den Umfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die vorstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beschriebenen
Ausführungsform
oder Ausführungsformen
bereitstellen. Es versteht sich, dass in der Funktion und Anordnung
von Elementen verschiedene Änderungen
durchgeführt
werden können, ohne
den Umfang der Erfindung zu verlassen, wobei der Umfang der Erfindung
durch die Ansprüche
definiert ist, welcher bekannte Äquivalente
und wahrscheinliche Äquivalente
zum Zeitpunkt des Einreichens dieser Patentanmeldung umfasst.