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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands.
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Im Rahmen der Entwicklung von Kraftwagen werden Antriebsstränge der Kraftwagen mittels eines Prüfstands überprüft. Ziel hierbei ist es, reale Fahrprofile, d. h. die Verwendung des Kraftwagens und damit seines Antriebsstrangs auf der Straße auf den Prüfstand und den zu überprüfenden Antriebsstrang abzubilden und somit den Antriebsstrang auch im Rahmen der Überprüfung mittels des Prüfstands beispielsweise einem dem realen Fahrbetrieb entsprechenden Lastkollektiv zu unterwerfen. Zu solch einem Lastkollektiv bei einem realen Fahrbetrieb kommt es beispielsweise im Rahmen einer Dauererprobung der Kraftwagen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Prüfstandsvorgabesysteme arbeiten jedoch zeitbasiert. Im Gegensatz hierzu erfolgt die Dauererprobung wegbasiert. Die Zeit ist somit ein Ergebnis der Dauererprobung, keine Vorgabe. Darüber hinaus bilden die bekannten und herkömmlichen Prüfstandsvorgabesysteme reale Fahrpedaländerungen, d. h. durch einen realen Fahrer bewirkte Änderungen der Stellung des Fahrpedals zum Vorgeben von Lasten von Antriebsaggregaten der Antriebsstränge nur sehr stark vereinfacht ab, so dass die Antriebsstränge im Rahmen der Überprüfung mittels des Prüfstands häufig nicht mit den im realen Fahrbetrieb vorkommenden Lastkollektiven beaufschlagt werden können. Mit anderen Worten können reale Fahrstrategien von Fahrern nicht auf erwünschte Weise abgebildet werden, so dass die herkömmlichen Prüfstandsvorgabesysteme für die Übertragung von Fahrprofilen aus Dauererprobungen aus dem realen Kraftwagen auf mittels des Prüfstands zu überprüfende Antriebsstränge ungeeignet sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands zum Überprüfen eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands zum Prüfen eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens, beispielsweise eines Nutzkraftwagens, wird zum Betreiben des Prüfstands mit dem Antriebsstrang ein Regler verwendet. Der Regler umfasst als Regelstrecke den Prüfstand mit dem Antriebsstrang. Mit anderen Worten werden physikalische Eigenschaften des Prüfstands mit dem Antriebsstrang zumindest teilweise mittels der Regelstrecke des Reglers abgebildet. Der Regler umfasst ferner ein Modell, d. h. ein Simulationsmodell der Regelstrecke sowie einen IMC-Regler (IMC – Internal Model Control).
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Dabei wird wenigstens eine erste Eingangsgröße, welche dem IMC-Regler zugeführt wird, aus wenigstens einer ersten Ausgangsgröße des Modells der Regelstrecke gebildet. Ferner wird wenigstens eine zweite Eingangsgröße, welche dem Modell der Regelstrecke zugeführt wird, aus wenigstens einer zweiten Ausgangsgröße des IMC-Reglers gebildet.
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Das Verfahren stellt eine Kombination von Steuerung und Regelung dar, bei der im Regler das Modell der Regelstrecke in Echtzeit simuliert wird. Entspricht das Modell der Regelstrecke, so kann die Regelung als Steuerung betrieben werden.
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Dadurch ist es möglich, trotz etwaiger, sehr großer Totzeiten, welche nicht mehr regelbar wären, und trotz etwaiger Nichtlinearitäten der Regelstrecke, eine sehr gute Regelungsqualität zu erreichen. Somit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, auch reale Fahrprofile beispielsweise aus Dauererprobungen auf die Überprüfung des Antriebsstrangs mittels des Prüfstands abzubilden und somit den Antriebsstrang mit Lastkollektiven aus dem realen Fahrbetrieb zu beaufschlagen. Insbesondere dadurch, dass auch trotz sehr großer Totzeiten sowie trotz Nichtlinearitäten der Regelstrecke eine sehr gute Regelungsqualität erreicht werden kann, können häufige sowie betragsmäßig sehr große, durch den realen Fahrer bewirkte Änderungen und Schwankungen der Fahrpedalstellung auf die Überprüfung des Antriebsstrangs mittels des Prüfstands abgebildet werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr effektive und effiziente Überprüfung des Antriebsstrangs ermöglicht und somit aussagekräftige Ergebnisse liefert. Als Regelparameter werden dabei physikalische Parameter des Antriebsstrangs verwendet, so dass eine besonders realitätsnahe Überprüfung des Antriebsstrangs möglich ist. Das sogenannte, ideale Modell besteht vorzugsweise aus dem Simulationssystem winEVA. Durch permanenten Abgleich des idealen Modells mit dem realen Antriebsstrang auf dem Prüfstand wird das Modell permanent validiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die realitätsnahe Übertragung beispielsweise von Dauererprobungen aus dem realen Kraftwagen auf Prüfstände mit dem Antriebsstrang unter Verwendung einer Antriebsstrangsimulation mittels des Modells als Echtzeitvorgabe für den Prüfstand. Bei dieser Art der Echtzeitvorgabe reagiert die Steuerung bzw. die Regelung wie ein realistischer Fahrer und verändert die Steuerungsparameter wie beispielsweise die Fahrpedalstellung, da die Steuerung bzw. Regelung Rückmeldungen des Antriebsstrangs verwertet. Durch die Rückführung von Prüfaufbaureaktionen, d. h. von Reaktionen und Verhalten des Antriebsstrangs, in die Simulation wird ein sehr realistisches Fahrverhalten mit sehr guten Übereinstimmungen zwischen Soll- und Erprobungskollektiven erreicht. Des Weiteren können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Parameter des Antriebsstrangs, eines Fahrmodells und einer Strecke als Belastungen insbesondere ohne aufwändiges Preprocessing (Streckensimulation) verändert sowie auf unterschiedliche Antriebsstränge übertragen werden. Für die Simulation und somit die Erprobung der Antriebsstränge auf Prüfständen können sowohl synthetische als auch real gemessene Dauerlaufkollektive vorgegeben werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Reglers zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben eines Prüfstands zum Prüfen eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens;
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2 eine weitere schematische Darstellung des Reglers gemäß 1; und
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3 eine weitere schematische Darstellung des Reglers gemäß 1 und 2.
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1 zeigt einen Regler 10 zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben eines Prüfstands zum Überprüfen eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens. Der Regler 10 umfasst den Prüfstand mit dem Antriebsstrang als Regelstrecke 12. Mit anderen Worten sind die physikalischen Eigenschaften des Prüfstands mit dem Antriebsstrang in der Regelstrecke 12 abgebildet.
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Der Regler 10 umfasst auch ein Modell 14 der Regelstrecke 12 sowie einen IMC-Regler 16. Wie 1 zu entnehmen ist, wird das Modell 14 des Prüfstands mit dem Antriebsstrang im Regelkreis des IMC-Reglers 16 verwendet und bilden gemeinsam den inneren Regelkreis. Der innere Regelkreis kann dynamische Eigenschaften abbilden, so dass keine Vorsteuerung nötig ist obwohl es sich um eine Folgereglung (Nachlaufregelung) handelt
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Mit 18 ist eine Störgrößenaufschaltung bezeichnet. Mit w(t) ist eine Führungsgröße bezeichnet, welche vorliegend ein vorgebbarer Geschwindigkeitsverlauf des zum Antriebsstrang gehörenden Kraftwagens und somit von den Rädern desselbigen ist. Mit e(t) ist eine Regelabweichung bezeichnet. Die Regelabweichung e(t) ist dabei die erste Eingangsgröße, welche dem IMC-Regler 16 zugeführt wird. Mit yM(t) ist eine Regelgröße des Modells 14 der Regelstrecke 12 (Prüfstandsmodell) bezeichnet. Dabei ist die Regelgröße yM(t) die erste Ausgangsgröße des Modells 14 der Regelstrecke 12, wobei die Eingangsgröße, d. h. die Regelabweichung e(t) aus der ersten Ausgangsgröße, d. h. aus der Regelgröße yM(t) des Modells 14 gebildet wird.
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Mit uR(t) ist ein Stellgrößenanteil einer Stellgröße u(t) des IMC-Reglers 16 bezeichnet. Wie 1 zu entnehmen ist, wird aus dem Stellgrößenanteil uR(t) und einem Stellgrößenanteil uS(t) der Störgrößenaufschaltung 18 durch Subtraktion die Stellgröße u(t) gebildet, die dem Modell 14 zugeführt wird. Mit anderen Worten ist u(t) eine zweite Eingangsgröße, die dem Modell 14 zugeführt wird und welche aus der zweiten Ausgangsgröße des IMC-Reglers 16, d. h. aus dem Stellgrößenanteil gebildet wird.
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Mit y(t) ist eine Regelgröße bezeichnet, welche vorliegend die Fahrgeschwindigkeit des Kraftwagens und somit beispielsweise die Drehzahl von Rädern des Kraftwagens ist. Aus der Führungsgröße w(t) und der Regelgröße y(t) wird durch Subtraktion eine Größe gebildet, aus welcher durch Addition mit der Regelgröße yM(t) des Modells 14 die Regelabweichung e(t) gebildet wird, welche dem IMC-Regler 16 zugeführt wird. Mit d(t) ist wenigstens eine Störgröße bzw. ein Störgrößensignal bezeichnet. Im Rahmen des Betreibens des Prüfstands ist die Störgröße d(t) die Summe von vorgebbaren Fahrwiderständen sowie die zu beschleunigende, reduzierte Masse. Dies sind keine unbekannten Stellgrößen im eigentlichen Sinne, sondern sie könnten aus den Fahrzeugdaten, dem Geschwindigkeitsverlauf und den Streckendaten berechnet werden.
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Weist nun das Modell 14 (Prüfstandsmodell) das gleiche Verhalten wie der Prüfstand bzw. wie die Regelstrecke 12 auf, wobei gilt: ModellRegelstrecke = RegelstreckePrüfstand, so würde eine äußere Regelabweichung y(t) – w(t) verschwinden, da der innere Regelkreis die Regelabweichung komplett kompensiert. Der innere Regelkreis könnte somit als Vorwärtssteuerung betrachtet werden. Die Störgrößenaufschaltung 18 bleibt erhalten. Dies ist gemäß 2 dargestellt.
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2 zeigt somit eine Darstellung des Reglers 10 gemäß 1, bei welchem das Modell 14 das gleiche Verhalten aufweist wie der Prüfstand bzw. die Regelstrecke 12. Die geschilderte Vorwärtssteuerung ist dabei mit 20 bezeichnet.
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Dabei werden als Regelparameter die Antriebsstrangparameter verwendet.
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Große Totzeiten stellen eine besondere Herausforderung an die Regelbarkeit des Prüfstands dar. Hierbei gelten Systeme bis zu einem Verhältnis von Totzeit zu Anstiegszeit in der Größenordnung kleiner 0,3 noch als regelbar. Es kann jedoch vorkommen, dass das Verhältnis bei Antriebsstrangprüfständen einen Werte größer als 1 annehmen kann. Dies bedeutet, dass ein solches System herkömmlicherweise nicht mehr regelbar wäre.
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Dies kann insbesondere bei einer schnellen Änderung der Fahrpedalstellung beispielsweise von Nulllast auf Volllast erfolgen, woraus eine Antwort des Prüfstands resultiert. Obwohl es sich dabei um ein rampenförmiges Signal handelt, wird im Folgenden von Sprungantwort gesprochen, da die Änderungsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Zur Beurteilung der Sprungantwort wird nicht die Fahrgeschwindigkeit, welche die Regelgröße y(t) darstellt, sondern beispielsweise wenigstens ein Moment an einer Gelenkwelle oder Seitenwelle des Antriebsstrangs verwendet. Die Fahrgeschwindigkeit wäre hierbei nicht sehr aussagekräftig, da sie eine integrierte Größe ist. Bei einer Volllastbeschleunigung ist es wichtig, mit welcher Beschleunigung der Antriebsstrang eine bestimmte Zielgeschwindigkeit erreicht. Das Moment an der Gelenkwelle wird als Regelgröße verwendet, da es im direkten Zusammenhang mit der Beschleunigung steht und später entscheidend in die Lebensdauerberechnung der Bauteile eingeht.
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Um den Prüfstand nichts desto trotz regeln zu können, werden daher als Regelparameter Fahrzeugdaten bzw. die physikalischen Parameter des Antriebsstrangs verwendet, da diese bei der Änderung des Antriebsstrangs auf dem Prüfstand bekannt sind. Würde dagegen ein herkömmlicher Regler verwendet werden, so müssten die Parameter des Reglers jedes Mal neu bestimmt werden.
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Die Regelung des Prüfstands unter Verwendung bzw. Realisierung der Vorwärtssteuerung 20 mit dem sogenannten, idealen Modell 14 ermöglicht es dabei, sowohl Nichtlinearitäten als auch Zeitinvarianzen sowie auch sehr große Totzeiten zu beherrschen und den Prüfstand mit dem Antriebsstrang zu regeln.
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3 zeigt einen detaillierten Aufbau des Reglers 10. Die Regelstrecke 12 ist der reale Antriebstrang auf dem Prüfstand. Der reale Antriebsstrang kann sowohl ein herkömmlicher Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor ein Hybrid oder ein mit Elektromotor betriebener Antriebsstrang sein. Je nach dem Prüfstandsaufbau, besteht der Antriebstrang aus allen Komponenten bis zur Gelenkwelle oder bis zu den Seitenwellen. Der Aufbau ist für die Steuerung unerheblich.
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Zum steuerungstechnischen Aufbau 19 gehören alle internen Regler, Messsysteme, Echtzeitrechner, mit deren Software und zugehörigen Regelungsalgorithmen sowie die Bremsen/E-Motoren 25. Die interne Prüfstandsregelung 19 und 25 und eventuell auch 26 gehören zum Prüfstandsaufbau 11, da sie die Aufgabe hat, die Störgröße d(t) über die Bremsmaschinen 25 korrekt einzuregeln und somit dem Prüfstand eine Raddrehzahl aufzuprägen. Das Aufprägen einer Raddrehzahl entspricht dem Abbremsen oder dem Beschleunigen der Raddrehzahl aufgrund der Fahrwiderstände und der zu beschleunigenden Massen, welche gleichzeitig die Störgrößen darstellen.
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Die Stellgröße u(t) ist die Fahrpedalstellung, welche der IMC-Regler 16 vorgibt und an das Modell 14 der Regelstrecke 12 und den Prüfstand weitergibt. Üblicherweise würden die Raddrehzahlen, welche der Regelgröße y(t) entsprechen, den äußeren Regelkreis schließen. Da im vorliegenden Fall das Modell 14 der Regelstrecke 12 dem Prüfstand entspricht, wird die Regelung als Vorwärtssteuerung 20 ausgeführt. Eine Rückführung der Raddrehzahlen in den Regelkreis ist nicht mehr erforderlich.
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Das Modell 14 entspricht der Regelstrecke 12 und wird im laufenden Betrieb mit dem Gangsignal und Drehmomentensignalen abgeglichen.
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Der IMC-Regler 16 umfasst ein Fahrermodell 17. Darüber hinaus sind eine Fahrstrecke 21 mit der Topographie, ein Geschwindigkeitsverlauf 22, Fahrzeugdaten 23 sowie Fahrwiderstände und die Fahrzeugmasse 24 vorgesehen.
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Die Führungsgröße w(t) ist die Raddrehzahl, welche die Fahrgeschwindigkeit charakterisiert und für jeder Streckenposition definiert ist. Die Änderung der Streckenposition der Fahrstrecke 21 erfolgt mit der Geschwindigkeitsinformation des Modells 14 der Regelstrecke 12, könnte aber auch direkt aus der Regelstrecke 12 erfolgen. Die Änderung der Streckenposition der Fahrstrecke 21 wird nun die Geschwindigkeitsinformation 22 weitergegeben, welche nun die neue Führungsgröße w(t) berechnet.
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Die Störgröße d(t) ist der Fahrwiderstand inklusive der zu beschleunigenden Fahrzeugmassen. Die Fahrwiderstände werden aus den Fahrstrecke 22, dem Modell 14 der Regelstrecke 12 (Fahrzeuggeschwindigkeit) und den Fahrzeugdaten 24 (Fahrzeugmasse, cw-Wert, Querschnittsfläche, Rollwiderstandsbeiwert) bestimmt.
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Die Regelgröße yM(t) ist die Raddrehzahl des Modells 14. Die Regelabweichung e(t) ist die Abweichung zwischen dem Sollgeschwindigkeitsverlauf und dem Geschwindigkeitsverlauf der Simulation.
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Die Störgrößen d(t) werden an das Fahrermodell 17 und an das Modell 14 der Regelstrecke 12 weitergebenen. Im Modell 14 wird mit Hilfe der Zugkraft an den Achsen oder Rädern, je nach Prüfstandsaufbau' die Störgröße in eine Raddrehzahl umgerechnet dn(t) und an die Prüfstandssteuerung 19/25 weitergeben. Diese Umrechnung kann auch alternativ ein Teil der internen Prüfstandssteuerung 26 sein, welche die Zugkraft aus den gemessenen Momenten bestimmen kann.
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Die Störgrößenaufschaltung 18 erhält als Störgröße d(t) die Fahrwiderstände und die Fahrzeugmasse und gibt diese Werte direkt an den IMC-Regler 17 weiter. Die Störgrößenaufschaltung 18 wird nicht von der Stellgröße u(t) des IMC-Reglers 16 subtrahiert, sondern intern vom Fahrermodell 17 verwendet und muss somit nicht in eine Stellgröße umgerechnet werden. D. h., dass die Störgrößenaufschaltung 18 in der Struktur gemäß 3 nur symbolisch dargestellt ist.
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Das Modell 14 der Regelstrecke 12 ist somit ein Simulationsmodell des Antriebsstrangs. Der IMC-Regler 16 enthält das Fahrermodell 17 des Simulationsmodells. Das Modell 14 und das Fahrermodell 17 bilden gemeinsam ein Simulationsmodell welches mit Hilfe eines inneren Regelkreises der IMC-Regelkreisstruktur die Stellgröße u(t) so vorgibt, als wäre w(t) die Führungsgröße.
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Zur Bewertung eines Regelkreises müssen normalerweise folgende vier Forderungen erfüllt sein: Stabilität, Störkompensation und Sollwertfolge, Dynamikanforderung und Robustheitsanforderung. Da die Prüfstandsregelung als Vorwärtssteuerung 20 mit idealem Modell 14 ausgeführt wird, ist zu beurteilen, ob es sich um ein ideales Modell handelt. Ein ideales Modell würde zu einer exakten Übereinstimmung aller Kenngrößen des Modellverhaltens mit der Regelstrecke führen.
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Zur Validierung der Regelungsgüte stehen zwei Alternativen zur Wahl. Die erste Alternative sieht einen direkten Vergleich von Last-Zeit-Daten zwischen dem Modellverhalten und der Regelstrecke vor. Beispielsweise durch das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate lassen sich Abweichungen in den Last-Zeit-Daten quantifizieren.
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Der klassische Anwendungsfall der Prüfstandssteuerung mittels Online-Simulation stellt die Durchführung von Dauererprobungen dar. Aufgrund dessen gewinnen statistische Verfahren an Bedeutung, weil hier die Regelungsgüte über längere Zeitabschnitte bewertet werden kann. Aus dem statistischen Zählverfahren wie beispielsweise der Verweildauerzählungen, lassen sich aussagefähige Kenngrößen ermitteln, die das Modellverhalten nicht nur für einen kleinen Zeitabschnitt bewerten, sondern Aussagefähigkeit über komplette Dauerläufe besitzen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Validierung der Regelungsgüter anhand statistischer Zählverfahren und deren Kenngrößen zu bewerten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Regler
- 11
- Prüfstandsaufbau
- 12
- Regelstrecke
- 14
- Modell der Regeslstrecke
- 16
- IMC-Regler
- 17
- Fahrermodell
- 18
- Störgrößenaufschaltung
- 19
- Prüfstandssteuerung
- 20
- Vorwärtssteuerung
- 21
- Strecke
- 22
- Geschwindigkeitsverlauf
- 23
- Fahrzeugdaten
- 24
- Fahrwiderstände und Fahrzeugmasse
- 25
- Bremsen/E-Motoren
- 26
- Umrechnung d(t) nach dn(t)
- w(t)
- Führungsgröße
- e(t)
- Regelabweichung
- u(t)
- Stellgröße
- d(t)
- Störgröße
- dn(t)
- Störgröße als Raddrehzahl
- y(t)
- Regelgröße
- yM(t)
- Regelgröße des Modells 14
- uR(t)
- Stellgrößenanteil IMC-Regler
- uS(t)
- Stellgrößenanteil Störgröße
