DE102010050708A1 - Method for transforming complex model into map, involves calculating optimum vector based on optimization equation - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Transformation von komplexen Modellen in Kennfelder für elektronische Motorsteuerungen von Verbrennungsmotoren.The present invention relates to a method for transforming complex models into maps for electronic engine controls of internal combustion engines.
Stand der TechnikState of the art
In der Patentschrift
In der Offenlegungsschrift
Eine Kennfeldstruktur ist einfach zu implementieren, besitzt klare Abhängigkeiten und ist gut kalibrierbar. Sind die zugrundegelegten physikalischen oder datengetriebenen Modelle, wie zum Beispiel Regelstreckenmodelle oder Emissionsmodelle, zu komplex, das heißt verfügen über eine Vielzahl von Eingangsgrößen, die auf komplizierte Weise miteinander verknüpft sind, um eine Ausgangsgröße zu berechnen, wird eine Implementierung in elektronische Motorsteuerungen in Form von einfachen Kennfeldern sehr aufwändig oder sogar unmöglich. Komplexe Modelle werden jedoch für den Betrieb moderner, sparsamer und effizienter Verbrennungsmotoren immer wichtiger. Die Überführung komplexer Modelle in eine in Steuergeräte implementierbare Form wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen.A map structure is easy to implement, has clear dependencies and is easy to calibrate. If the underlying physical or data-driven models, such as controlled-system models or emission models, are too complex, that is, have a large number of input variables that are intricately linked together to calculate an output, then an implementation in electronic engine control systems will take the form of simple maps very complex or even impossible. However, complex models are becoming increasingly important for the operation of modern, economical and efficient combustion engines. The transfer of complex models into a form that can be implemented in ECUs will become increasingly important in the future.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich komplizierte physikalische oder datengetriebene Modelle mit Hilfe einfacher Kennfelder darstellen lassen.The object of the invention is to provide a method with which complex physical or data-driven models can be represented using simple maps.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.The object is achieved by a method according to the features of claim 1.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem sich ein komplexes Modell, zum Beispiel ein Polynommodell, radiale Basisfunktionen oder ähnliche Modelle und Funktionen durch eine Kennfeldstruktur approximieren und darstellen lässt. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird aus dem Modell mit Hilfe des Verfahrens eine geeignete Kennfeldstruktur identifiziert und mit Werten befüllt. Das Verfahren wird zunächst am Beispiel eines einzelnen zu befüllenden Kennfeldes erläutert.The invention describes a method with which a complex model, for example a polynomial model, radial basis functions or similar models and functions can be approximated and represented by a characteristic diagram structure. According to the invention, a suitable map structure is identified from the model with the aid of the method and filled with values. The method will first be explained using the example of a single characteristic map to be filled.
Ein Kennfeld gleicht strukturell einer Matrix. Die gespeicherten Elemente werden durch Zeilennummer und Spaltennummer referenziert. Die Matrix- beziehungsweise Kennfeldwerte können bei Auswahl der entsprechenden Zeile und Spalte abgerufen werden. Dazu wird mit der ersten Kennfeldeingangsgröße die Zeile und mit der zweiten Kennfeldeingangsgröße die Spalte der Matrix selektiert, wobei die Zeilennummer und Spaltennummer einem quantisierten Wert, einer sogenannten Stützstelle, der jeweiligen Eingangsgröße entspricht. Kennfeldwerte für Eingangsgrößenkombinationen, die nicht auf den vorgegebenen Stützstellen liegen, werden entsprechend interpoliert.A map structurally resembles a matrix. The stored elements are referenced by line number and column number. The matrix or map values can be retrieved by selecting the appropriate row and column. For this purpose, the line with the first characteristic input variable and the column of the matrix with the second characteristic input variable are selected, the line number and column number corresponding to a quantized value, a so-called interpolation point, of the respective input variable. Kennfeldwerte for input variable combinations that are not on the specified support points are interpolated accordingly.
Ein Kennfeld MAP mit N Zeilen und M Spalten kann dementsprechend dargestellt werden als: A map MAP with N rows and M columns can be represented as:
Es wird angenommen, dass das Modell K > 2 Eingangsgrößen q besitzt, da die Problemstellung andernfalls trivial wäre. Somit ergibt sich der Ausgang b des Modells mit der Modellfunktion f() zu:
Beim Übertrag der Modellwerte auf die Kennfeldstruktur genügt es, nur die diskreten Punkte der Kennfeldstützstellen zu berücksichtigen. Es muss sichergestellt sein, dass nur gültige Eingangswertkombinationen berücksichtigt werden, die innerhalb des Definitionsbereiches des Modells liegen. Dafür werden die Eingangswertkombinationen zum Beispiel gegen eine Hülle geprüft oder mit vorhandenen Messdaten verglichen. Punkte zwischen den Kennfeldstützstellen könnten ebenfalls berücksichtigt werden, wenn Annahmen über die Art der Interpolation getroffen werden. Die Nutzung von Zwischenpunkten kann als vorteilhafte alternative Ausgestaltung des Verfahrens zur Erhöhung der Genauigkeit herangezogen werden. Nachfolgend wird zur Vereinfachung stets von der Beschränkung auf Kennfeldstützstellen ausgegangen.When transferring the model values to the map structure, it is sufficient to consider only the discrete points of the map support points. It must be ensured that only valid input value combinations that are within the definition range of the model are taken into account. For this purpose, the input value combinations are checked, for example against a shell or compared with existing measurement data. Points between the engine maps could also be taken into account when making assumptions about the nature of the interpolation. The use of intermediate points can be used as an advantageous alternative embodiment of the method for increasing the accuracy. The simplification is always based on the restriction to map support points.
Es wird der Index i eingeführt, um eine konkrete Kombination der diskreten Eingangswerte zu kennzeichnen. Die Eingangswerte q1, q2, ..., qK werden durch konkrete Werte vorgegeben, so dass man einen konkreten Modellwert bi auf Basis einer konkreten Kombination i der Eingangsgrößen q1, q2, ..., qK berechnen kann. Ein Modellwert bi hängt damit von den Modelleingängen q1, q2, ..., qK und der spezifischen Kombination i dieser Eingangsgrößen ab, d. h.:
Da das Modell mehr Eingänge als das zweidimensionale Kennfeld hat, ist die Darstellung durch ein einzelnes Kennfeld im Allgemeinen nicht exakt. Vielmehr ist diese Darstellung eine Projektion eines höherdimensionalen Modells auf das zweidimensionale Kennfeld. Die optimalen Kennfeldwerte lassen sich dann durch die Minimierung des Projektionsfehlers bezüglich eines Gütekriteriums bestimmen. Dazu werden alle L gültigen Eingangsgrößenkombinationen des Modelldefinitionsbereiches im Quantisierungsraster ermittelt und die zugehörigen Modellwerte berechnet und in einen Vektor b geschrieben: Since the model has more inputs than the two-dimensional map, the representation by a single map is generally not exact. Rather, this representation is a projection of a higher-dimensional model onto the two-dimensional map. The optimum map values can then be determined by minimizing the projection error with respect to a quality criterion. For this purpose, all L valid input quantity combinations of the model definition area in the quantization grid are determined and the associated model values are calculated and written into a vector b:
Dieser Vektor b wird also aus Modellwerten mit konkreten Kombinationen diskreter Eingangswerte erstellt. Nimmt man beispielhaft an, dass das Kennfeld MAP mit M Spalten und N Zeilen durch die Eingangsgrößen q1 und q2 aufgespannt wird, dann existieren höchstens M·N mögliche Kombinationen für q1 und q2. Durch einen eingeschränkten Definitionsbereich können sich die möglichen Kombinationen reduzieren.This vector b is thus created from model values with concrete combinations of discrete input values. Assuming, by way of example, that the map MAP with M columns and N rows is spanned by the input variables q 1 and q 2 , there are at most M × N possible combinations for q 1 and q 2 . A limited domain of definition can reduce the possible combinations.
Die L Modellwerte der möglichen Kombinationen aller Eingangsgrößen sollen nun auf die Kennfeldwerte der möglichen Kombinationen von q1 und q2 projiziert werden. L muss dazu größer oder gleich der Anzahl der möglichen Kombination von q1 und q2 sein. Für eine konkrete Kombination j der Eingangsgrößen q1 und q2 erhält man im Verbund mit verschiedenen Kombinationen der Größen q3, ... qK im Allgemeinen mehrere Einträge im Vektor b. Die Einträge im Vektor b auf Basis der Kombination j sollen nun aufgabengemäß durch denselben zugehörigen Kennfeldwert wj dargestellt beziehungsweise approximiert werden. Die Zielsetzung ist nun, die optimalen Kennfeldwerte wj zu berechnen. Die zu berechnenden Kennfeldwerte wj werden deshalb in einem Vektor w so zusammengestellt, dass sie mit Hilfe einer Projektionsmatrix die zugehörigen Modellwerte im Vektor b approximieren. Die erfindungsgemäße Verknüpfung zwischen den Modell- und Kennfeldwerten, also zwischen den Einträgen des Vektors b und den Einträgen des Vektors w, ergibt sich dann beispielhaft mit: The L model values of the possible combinations of all input quantities are now to be projected onto the map values of the possible combinations of q 1 and q 2 . L must be greater than or equal to the number of possible combinations of q 1 and q 2 . For a particular combination j of the input quantities q 1 and q 2 are obtained in conjunction with various combinations of the variables q 3, ..., q K in general multiple entries in the vector b. The entries in the vector b based on the combination j should now be represented or approximated according to the task by the same associated map value w j . The objective is now to calculate the optimal map values w j . The map values w j to be calculated are therefore combined in a vector w in such a way that they use a projection matrix to form the associated model values approximate in vector b. The link according to the invention between the model and map values, ie between the entries of the vector b and the entries of the vector w, is then given by way of example with:
Auf diese Art und Weise kann der Vektor b für alle Kennfeldstützstellen dargestellt werden als: In this way, the vector b for all map support points can be represented as:
Dementsprechend ergibt sich beispielhaft für eine Zeile die Gleichung:
Um den Fehler zwischen b und X·w zu minimieren, also die optimalen Kennfeldwerte wj zu berechnen, wird in vorteilhafter Weise eine Optimierungsgleichung bezüglich des Vektors w aufgestellt und ein Regressionsproblem mit dem Kriterium des kleinsten mittleren quadratischen Fehlers formuliert. Als Zielgröße der Regression dienen die Werte des Modells, die auf einem vorgegebenen Raster berechnet werden. Ein optimaler Vektor wopt berechnet sich somit aus der Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers:
Das Kennfeld MAP wird durch Zurückschreiben des Vektors wopt befüllt. Das Kennfeld entsteht durch sequentielles Auslesen des Vektors und gleichzeitiges sequentielles spaltenweises Eintragen der ausgelesenen Werte in die Kennfeldmatrix.The map MAP is filled by writing back the vector w opt. The map is produced by sequential read-out of the vector and simultaneous sequential column-wise entry of the read-out values into the map matrix.
Das für ein Kennfeld beschriebene Verfahren wird nun auf eine additive Struktur bestehend aus mehreren Kennfeldern erweitert.The method described for a map is now extended to an additive structure consisting of several maps.
Für gewöhnlich reicht ein einzelnes Kennfeld nicht aus, um ein kompliziertes Modell in akzeptabler Qualität abzubilden. Daher müssen im Allgemeinen mehrere Kennfelder miteinander verknüpft werden. Die additive Verknüpfung mehrerer Kennfelder ist mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich, indem man alle Kennfelder in den Vektor w schreibt und das oben gezeigte Gleichungssystem auf die gleiche Art und Weise löst. In jeder Zeile der Projektionsmatrix X ergeben sich dann im Allgemeinen mehrere von Null verschiedene Einträge. Die Projektionsmatrix X ist also für die Verknüpfung der Eingangsgrößen des Modells und des Kennfeldes sowie für die Verknüpfung mehrer Kennfelder entscheidend. Durch Logarithmierung der Modellfunktion kann der Algorithmus zur additiven Kennfeldverknüpfung auch auf die multiplikative Kennfeldverknüpfung angewendet werden.Usually, a single map is not enough to map an intricate model of acceptable quality. Therefore, several maps generally need to be linked together. The additive combination of multiple maps is possible with the proposed method by writing all maps in the vector w and solves the system of equations shown above in the same manner. In each line of the projection matrix X, there are then generally several entries other than zero. The projection matrix X is thus decisive for the linking of the input variables of the model and the characteristic diagram as well as for the linking of several characteristic diagrams. By logarithmizing the model function, the additive mapping algorithm can also be applied to the multiplicative mapping.
Aufgrund der schnellen Berechnung der optimalen Kennfelder ist es somit möglich, systematisch sequentiell nach der besten Kennfeldstruktur zu suchen. Für eine gegebene Anzahl Modelleingänge K gibt es
Die beste Kennfeldstruktur wird dann so ausgewählt, dass ein vom Anwender definiertes Fehlermaß erfüllt wird. Dabei ist man nicht auf den mittleren quadratischen Fehler angewiesen, sondern kann zum Beispiel auch nach kleinstem maximalen Fehler auswählen. Die Fehlerbetrachtung kann darüber hinaus auf anderen Eingangswerten, die nicht auf den Stützstellen des Kennfeldraster liegen, durchgeführt werden. Das Verfahren, das hier für zweidimensionale Kennfelder beschrieben wurde, kann auf die gleiche Art und Weise auch für drei- oder höherdimensionale Kennfelder angewendet werden.The best map structure is then selected to satisfy a user defined error measure. It is not dependent on the mean square error, but can, for example, even after the smallest maximum error select. The error analysis can also be performed on other input values that are not on the grid points of the map grid. The method described here for two-dimensional maps can be applied in the same way also for three- or higher-dimensional maps.
Über die Bestimmung der geeignetsten Kennfeldstruktur hinaus können auf diesem Wege auch, z. B. durch Variation, optimale Kennfeldstützstellen bestimmt werden.Beyond the determination of the most suitable characteristic map structure, it is also possible in this way, for. B. by variation, optimal Kennfeldstützstellen be determined.
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