DE102009040044A1

DE102009040044A1 - Verfahren zur Plausibilisierung von Modellparametern

Info

Publication number: DE102009040044A1
Application number: DE102009040044A
Authority: DE
Inventors: Leo Bruskowski; Michael Dr.-Ing. Schuhen
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Verfahren zur Plausibilisierung von identifizierten Parameterwerten eines Modells einer Aktorik in einem Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Fehlkompensationen der Aktorik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bereits bekannt ist, dass in manchen Kupplungs- und Getriebesteuerungen, welche wesentliche Teile eines automatisierten Getriebes darstellen, die Parameter eines einfachen, linearen Modells der Kupplungs- und Getriebeaktorik mit Hilfe des bekannten Least Squares Verfahrens quasi-online – im Sinne einer Schätzung – identifiziert werden. Beispielsweise wird in der DE 103 16 436 A1 in diesem Zusammenhang eine modellgestützte Kompensation von Streckenveränderungen bei einer Getriebesteuerung eines automatisierten Getriebes eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.
Auf der Grundlage der identifizierten Modellparameter können langfristige Änderungen im statischen und dynamischen Übertragungsverhalten der Aktorik, z. B. hervorgerufen durch Verschleiß, Verschmutzung oder durch Produktionstoleranzen, detektiert und kompensiert werden. Die Kompensation ist erforderlich, um Einschränkungen in der Funktionalität, hervorgerufen durch Abweichungen vom nominellen Aktorikverhalten, zu vermeiden oder auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. In der Software ist die Kompensation über eine Manipulation der Ansteuerspannung, welche als Stellgröße fungiert, realisiert. Die für die Identifikation zugrunde liegende zeitdiskrete Modellbeschreibung der Aktorik lautet: nk = –a1·nk-1 + b1·Uk-d-1
Darin bezeichnen a₁ und b₁ die zu identifizierenden Modellparameter, n_k und n_k-1 sind die Drehzahlen des Elektromotors der Aktorik in den Abtastschritten k und k – 1 und U_k-d-1 mit der diskreten Totzeit d bezeichnet die Ansteuerspannung des Motors.
Um erfolgreich die Parameter des oben beschriebenen Aktorikmodells mit Hilfe des Least Squares Verfahrens zu identifizieren, ist u. a. eine ausreichende Anregung in den Eingangssignalwerten – hier der Ansteuerspannung – des Systems erforderlich. Eine unzureichende Anregung zeigt sich mathematisch in singulären oder näherungsweise singulären – und damit schlecht konditionierten – Matrizen des Least Squares Verfahrens, wodurch falsche Parameterwerte identifiziert werden, die zu einer Fehleinschätzung des Aktorikverhaltens sowie einer darauf basierenden Fehlkompensationen führen.
Es existieren in der Literatur mathematische Methoden zur Bewertung der Konditionierung der beim Least Squares Verfahren verwendeten Matrizen. Letztlich geht es bei diesen Methoden um die Sicherstellung der Anregung durch die Eingangssignale. Wegen des großen Aufwandes bei der Implementierung und der Überwachung dieser Methoden – hierbei kritisch zu bewerten sind insbesondere erhöhte Laufzeiten und größerer Speicherplatzbedarf – ist eine Relevanz solcher Methoden in Bezug auf die Anwendung in aktuelle Kraftfahrzeug-Steuergeräten jedoch nicht gegeben.
Da sich das statische und dynamische Verhalten jeder Aktorik unterscheidet und auch kurzfristige Änderungen des Systemverhaltens möglich sind, z. B. Änderung der Elektromotorkennwerte durch Temperatureinflüsse, ist es schwierig, falsch identifizierte Parameterwerte alleine über die Abweichung von einem nominellen Mittelwert zu detektieren. Es ist sogar denkbar, dass tatsächlich auftretende Parameteränderungen als solche nicht erkannt werden und falsch identifizierte Parameter, die aber im Bereich des Mittelwertes liegen, als korrekte Werte angenommen werden. Es muss deshalb in der Software immer sicher erkannt werden können, ob die identifizierten Modellparameter plausibel sind und für eine ggf. erforderliche Kompensation des Aktorikverhaltens verwendet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Detektion von falsch identifizierten Modellparametern – also ein Erkennen von Fehlidentifikationen – zur Vermeidung von Fehlkompensationen verbunden mit einem geringen Speicherplatz- sowie Rechenzeitbedarf bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die korrekte Ermittlung der beiden Modellparameter a₁ und b₁ lässt sich über die Kenntnis des in beiden Parametern implizit enthaltenen stationären Übertragungsverhaltens der Aktorik plausibilisieren. Das stationäre Übertragungsverhalten, gekennzeichnet durch die Aktorik verstärkung K, wird bei der oben angegebenen, bereits aus dem Stand der Technik bekannten Modellbeschreibung wie folgt bestimmt:
Diese Vorgehensweise wird bereits in Getriebesteuerungen für die Kompensation der Aktorikänderungen angewendet.
Die Aktorikverstärkung K lässt sich erfindungsgemäß auch über eine weitere Möglichkeit ermitteln. Bei dieser Methode werden die Ein- und Ausgangssignale – insbesondere die Ansteuerspannung und dazugehörige Drehzahl – ausgewertet, die einem stationären bzw. quasi-stationären Zustand zugeordnet werden können. Stationärer Zustand bedeutet dabei, dass sowohl die Drehzahl des Elektromotors, die das Ausgangssignal darstellt, als auch die Ansteuerspannung, die das Eingangssignal darstellt, konstant sind. Im quasi-stationären Zustand sind die Werte sowohl der Drehzahl als auch der Ansteuerspannung im Wesentlichen konstant. Die Verstärkung berechnet sich dabei über
Darin bezeichnet der Index l die Anzahl der Abtastschritte, die für die Berechnung der Verstärkung berücksichtigt werden.
Die mit beiden dargestellten Methoden berechneten Verstärkungswerte lassen sich vergleichen und größere Abweichungen sind ein Hinweis auf möglicherweise falsch identifizierte Parameterwerte, die dann für eine Kompensation des Aktorikverhaltens verworfen werden können.
Für die Identifikation der Modellparameter nach dem Least Squares Verfahren sind gemäß dem Stand der Technik nicht-stationäre Zustände während der Identifikation erforderlich. Für die Berechnung der Verstärkungswerte nach der zweiten Methode zur Plausibilisierung der mit dem Least Squares Verfahren gefundenen Modellparameter sind stationäre oder quasi- stationäre Zustände hingegen Vorraussetzung. Dabei müssen die Ein- und Ausgangssignale allerdings ungleich Null sein. Man kann also die stationären Zustände des Systems dazu benutzen, um auf einfache Weise redundante Systeminformationen zu gewinnen und damit die mathematisch komplexe Identifikation mit dem Least Squares Verfahren zu plausibilisieren, ohne dabei feste Grenzen für die Modellparameter definieren zu müssen. Damit wird die Qualität der Parameteridentifikation verbessert, ohne die Software durch aufwändigere mathematische Algorithmen zu belasten.
Es wird eine einfache Möglichkeit vorgestellt, mit der die Ergebnisse des in Kupplungs- und/oder Getriebesteuersystemen angewendeten Least Squares Verfahren durch die Nutzung redundanter Systeminformationen plausibilisiert werden können. Mit Hilfe der Plausibilisierung können Fehlkompensationen des Aktorikverhaltens verhindert werden und damit die Verfügbarkeit des Systems erhöht werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Plausibilisierung von identifizierten Parameterwerten eines Modells einer Aktorik mit einem Elektromotor in einem Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Fehlkompensationen der Aktorik, wird mit einer ersten Methode, welche als Rechenvorschrift ausgeführt ist, ein Wert einer Aktorikverstärkung als Maß für ein stationäres Übertragungsverhalten der Aktorik bestimmt. Erfindungsgemäß wird zusätzlich ein weiterer Wert der Aktorikverstärkung mit einer zweiten Methode, welche ebenfalls als Rechenvorschrift ausgeführt ist, bestimmt. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Differenz beider Werte der Aktorikverstärkung wird auf eine falsche Identifizierung der Parameterwerte erkannt.
Der vorgegebene Grenzwert orientiert sich stark an der konkret vorliegenden Aktorik und muss für das jeweilige Aktorik-System festgelegt werden. Der Grenzwert hängt stark von der Größe der identifizierten Parameter, der Qualität der Identifikation und damit auch von der benutzten Hardware wie Kupplung, Getriebe sowie Steuergerät und Sensorik ab.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform geht in die Rechenvorschrift der zweiten Methode die am Elektromotor der Aktorik anliegende Spannung sowie die Drehzahl des Elektromotors in die Bestimmung der Aktorikverstärkung ein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei der zweiten Methode die Bestimmung der Aktorikverstärkung gemäß der Rechenvorschrift
wobei n die Drehzahl, U die am Elektromotor der Aktorik anliegende Spannung, l die Anzahl der Abtastschritte und d die Totzeit bezeichnet.
Ein Abtastschritt in einer Kupplungs- bzw. Getriebeaktorik beträgt zwischen 0,1 ms und 10 ms, besonders bevorzugt 2,5 ms.
Um die Verstärkung im stationären Zustand nach der zweiten Methode zu berechnen, würde im Prinzip ein Wert, also I = 1 genügen. Da in den meisten Fällen nur von einem quasi-stationärer Zustand ausgegangen werden kann und um den stationären bzw. quasi-stationären Zustand überhaupt zu erkennen, ist eine Berücksichtigung von 5 bis 100 Werten, besonders bevorzugt 20 bis 30 Werten also I = 20 – 30 sinnvoll.
Eine typische Größenordnung für die Totzeit in Kupplungs- oder Getriebeaktoriken beträgt 1 bis 10 Abtastschritte, besonders bevorzugt 1 bis 3 Abtastschritte, also 2,5 ms bis 7,5 ms. Die Totzeit solcher Aktorik-Systeme ist definiert als die Zeit, die nach einer Änderung des Eingangssignals – also der angelegten Spannung des Elektromotors – vergeht, bis sich diese Änderung am Ausgang – also der Drehzahl des Elektromotors – bemerkbar macht.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestimmung in einem stationären oder quasi-stationären Zustand bezüglich Spannung und Drehzahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt ein stationärer oder quasi-stationärer Zustand vor, wenn sowohl die Drehzahl des Elektromotors, die das Ausgangssignal darstellt, als auch die Ansteuerspannung, die das Eingangssignal darstellt, im Wesentlichen konstant sind.
Erfindungsgemäß wird auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm vorgeschlagen, das Softwaremittel zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur Plausibilisierung von identifizierten Parameterwerten eines Modells einer Aktorik in einem Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Fehlkompensationen der Aktorik, gemäß einem der oben beschrieben Verfahren vorgeschlagen. Diese Vorrichtung umfasst ein Steuergerät. Mittels dieses Steuergeräts ist mit einer ersten Methode ein Wert einer Aktorikverstärkung als Maß für ein stationäres Übertragungsverhalten der Aktorik bestimmbar.
Mit dem Steuergerät ist zusätzlich ein weiterer Wert der Aktorikverstärkung mittels einer zweiten Methode bestimmbar. Veranlassbar durch das Steuergerät ist feststellbar, ob die Differenz beider bestimmter Werte der Aktorikverstärkung größer als ein vorgebbarer Grenzwert ist. Mit dem Steuergerät sind, in diesem Fall, falsch identifizierte Parameterwerte erkennbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Aktorik um eine Kupplungsaktorik.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Aktorik um eine Getriebeaktorik.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisierter Kupplung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisiertem Getriebe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisiertem Getriebe und automatisierter Kupplung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibung.
Es zeigen im Einzelnen:
1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs
2 schematische Darstellung der zusammenwirkenden Komponenten
1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf. Im Zustandsschritt 10 wird zunächst ermittelt, ob ein stationärer, ein quasi-stationärer oder ein nicht-stationärer Zustand hinsichtlich Spannung und Drehzahl der Aktorik vorliegt. Stationärer bzw. quasi-stationärer Zustand bedeuten dabei, dass sowohl die Drehzahl des Elektromotors, die das Ausgangssignal darstellt, als auch die Ansteuerspannung, die das Eingangssignal darstellt, konstant bzw. im Wesentlichen konstant sind.
Liegt ein nicht-stationärer Zustand vor, der typischerweise durch eine zeitliche Änderung des Ein- und Ausgangssignals gekennzeichnet ist, wird die Aktorikverstärkung K im Bestimmungsschritt 20 mittels der Ergebnisse einer nach dem Stand der Technik bekannten Methode, dem Least Squares Verfahren, berechnet. Liegt hingegen ein stationärer oder quasi-stationärer Zustand vor, wird die Aktorikverstärkung K im Bestimmungsschritt 30 erfindungsgemäß nach einer zweiten Methode wie folgt bestimmt:
Als Anzahl der Abtastschritte l, die für die Berechnung der Verstärkung berücksichtigt werden, wird l üblicherweise zwischen 10 und 100, bevorzugt zwischen 20 und 30 gewählt.
Beide Bestimmungen in den Bestimmungsschritten 20 und 30 können im selben Steuergerät, ausgeführt werden. Allerdings kann dies nicht zeitgleich erfolgen, sondern muss situationsabhängig gesteuert werden. Die in die jeweiligen Berechnungen eingehenden Werte können dabei zunächst in einem Speicherbereich des Steuergerätes zwischengespeichert werden.
Im Vergleichsschritt 40 wird dann die Differenz beider, nach den beiden unterschiedlichen Methoden bestimmten Werte für die Aktorverstärkung K bestimmt und die Differenz mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Der vorgegebene Grenzwert orientiert sich stark an der konkret vorliegenden Hardware wie Aktorik, Kupplung, Getriebe sowie Steuergerät und Sensorik und muss für das jeweilige Aktorik-System festgelegt werden.
Wird der Grenzwert nicht überschritten, können die identifizierten Parameter der Modellbeschreibung der Aktorik im Plausibilisierungsschritt 50 als plausibilisiert gelten. Wird der Grenzwert überschritten, werden die identifizierten Parameter im Plausibilisierungsschritt 60 als falsch identifiziert beurteilt und gehen nicht in die Kompensation des Aktorikverhaltens – welche durch ein anderes Verfahren ausgeführt wird – ein, sondern werden verworfen.
2 zeigt schematisch die zusammenwirkenden Komponenten einer Vorrichtung, die zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Aktorik 150 kann eine Getriebe- oder Kupplungsaktorik sein. In der Aktorik 150 kann ein Drehzahlsensor angebracht sein, dessen Messdaten dem Steuergerät – beispielsweise per CAN-Bus oder mittels einer separaten Datenleitung – zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann das Steuergerät 180 aus den Messwerten eines in der Aktorik vorgesehenen Ortssensors und der zwischen der Erfassung der Messdaten vergangenen Zeit indirekt auf die Drehzahl des Elektromotors der Aktorik schließen. Die am Elektromotor anliegende Spannung – auch als Ansteuerspannung oder Eingangsspannung des Elektromotors bezeichnet – wird entweder direkt über eine Stromleitung vom Steuergerät 180 ausgegeben oder als Information vom Steuergerät 180 an eine Spannungsquelle übermittelt, die die gewünschte Spannung aufbaut und über eine Stromleitung dem Elektromotor der Aktorik zur Verfügung stellt. Auf diese Weise liegen die Werte der aktuellen Eingangsspannung und der aktuellen Drehzahl des Elektromotors der Aktorik dem Steuergerät 180 vor.
Daraus kann das Steuergerät 180 ermitteln, ob ein stationärer oder wenigstens quasi-stationären Zustand der Aktorik vorliegt. Stationärer Zustand bedeutet dabei, dass sowohl die Drehzahl des Elektromotors als auch die Ansteuerspannung im Wesentlichen konstant sind.
Mit Hilfe von Berechnungsmitteln und Speichermitteln kann das Steuergerät die Aktorikverstärkung K nach beiden oben beschriebenen Rechenvorschriften ermitteln, die Differenz bilden, mit einem gespeicherten, vorgegebenen Grenzwert vergleichen und bestimmen, ob die identifizierten Parameterwerte als plausibilisiert oder als falsch identifiziert gelten sollen.
Die Bestimmung der beiden Werte der Aktorikverstärkung sowie der Vergleich können durch das Steuergerät 180 ausgeführt werden. Bestimmung und Vergleich können selbstverständlich auch auf mehrere Steuergeräte verteilt werden.

10: Zustandsschritt
20: Bestimmungsschritt
30: Bestimmungsschritt
40: Vergleichsschritt
50: Plausibilisierungsschritt
60: Plausibilisierungsschritt
150: Aktorik
180: Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10316436 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Plausibilisierung von identifizierten Parameterwerten eines Modells einer Aktorik mit einem Elektromotor in einem Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Fehlkompensationen der Aktorik, wobei mit einer ersten Methode ein Wert einer Aktorikverstärkung als Maß für ein stationäres Übertragungsverhalten der Aktorik bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein weiterer Wert der Aktorikverstärkung mit einer zweiten Methode bestimmt wird, wobei bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Differenz beider Werte der Aktorikverstärkung auf eine falsche Identifizierung der Parameterwerte erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Methode am Elektromotor der Aktorik anliegende Spannung sowie Drehzahl des Elektromotors in die Bestimmung der Aktorikverstärkung eingehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Methode die Bestimmung der Aktorikverstärkung gemäß
erfolgt, wobei n die Drehzahl, U die am Elektromotor der Aktorik anliegende Spannung, l die Anzahl der Abtastschritte und d die Totzeit bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung nach der zweiten Methode in einem stationären oder quasi-stationären Zustand bezüglich Spannung und Drehzahl des Elektromotors der Aktorik erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stationärer oder quasi-stationärer Zustand vorliegt, wenn sowohl die Drehzahl des Elektromotors als auch die anliegende Spannung konstant sind oder als konstant angenommen werden können
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung nach der ersten Methode in einem nicht-stationären Zustand bezüglich Spannung und Drehzahl des Elektromotors der Aktorik erfolgt.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Vorrichtung zur Plausibilisierung von identifizierten Parameterwerten eines Modells einer Aktorik (150) mit einem Elektromotor in einem Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Fehlkompensationen der Aktorik (150), wobei in einem Steuergerät (180), mittels einer ersten Methode ein Wert einer Aktorikverstärkung als Maß für ein stationäres Übertragungsverhalten der Aktorik (150) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (180) zusätzlich ein weiterer Wert der Aktorikverstärkung mittels einer zweiten Methode bestimmbar ist, wobei veranlassbar durch das Steuergerät (180) feststellbar ist, ob die Differenz beider bestimmter Werte der Aktorikverstärkung größer als ein vorgebbarer Grenzwert ist und in diesem Fall auf falsch identifizierte Parameterwerte erkennbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Aktorik (150) um eine Kupplungsaktorik handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Aktorik (150) um eine Getriebeaktorik handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisierter Kupplung handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisiertem Getriebe handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Kraftfahrzeug mit automatisiertem Getriebe und automatisierter Kupplung handelt.