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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Generieren von Eingangsdaten, insbesondere Eingangsdaten für ein Testsystem zum Vermessen oder Testen eines zu testenden physikalischen Systems, wie beispielsweise eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor.
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Stand der Technik
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Beim Testen eines physikalischen Systems, wie beispielsweise eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, müssen als Eingangsdaten Messpunkte vorgegeben werden, die möglichst raumfüllend in dem gewünschten Eingangsdatenraum vorliegen. Die raumfüllende Eigenschaft der Eingangsdaten bedeutet, dass innerhalb eines Eingangsdatenraums die Messpunkte der Eingangsdaten so gleichmäßig wie möglich über den gesamten Eingangsdatenraum verteilt sind.
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Darüber hinaus sollten die die Messpunkte verbindenden Trajektorien dynamikfüllend sein, d. h. für einen Messpunkt bzw. einen durch nahe beieinander liegende Messpunkte definierten Betriebsbereich verschiedene dynamische Anregungen bereitstellen.
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Bei der Erstellung von Messpunkten für die Eingangsdaten wird üblicherweise durch bekannte Verfahren eine Trajektorie ermittelt, die mit variierender Geschwindigkeit abgefahren wird, um verschiedene dynamische Betriebspunkte bereitzustellen. Jedoch ist es während einer dynamischen Anregung schwieriger, sicherzustellen, dass die Messpunkte der Eingangsdaten sich ausschließlich innerhalb eines machbaren bzw. zulässigen Eingangsdatenbereichs bezüglich des zu vermessenden bzw. zu testenden physikalischen Systems befinden. Die Einhaltung des zulässigen Eingangsdatenbereichs für die Messpunkte ist bei dynamischen Testläufen umso wichtiger, da das Anlegen von Messpunkten außerhalb eines zulässigen Eingangsdatenbereichs eher zu einer Schädigung des zu vermessenden physikalischen Systems führen kann. Somit ist es wichtig, Eingangsdaten für eine dynamische Anregung eines physikalischen Systems zur Verfügung zu stellen, bei denen eine Schädigung des zu vermessenden physikalischen Systems vermieden werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind das Verfahren zum Generieren von zulässigen Eingangsdatentrajektorien für ein zu testendes bzw. zu vermessendes physikalisches System gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung und das Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Generieren einer zulässigen Eingangsdatentrajektorie für ein zu testendes bzw. zu vermessendes physikalisches System vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen einer Eingangsdatentrajektorie in einem Eingangsdatenraum;
- – Bestimmen eines zulässigen Betriebsbereichs; und
- – Ersetzen zumindest eines Abschnitts der Eingangsdatentrajektorie, der außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs liegt, durch eine Trajektorie innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs, um die zulässige Eingangsdatentrajektorie zu erhalten.
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Eine Idee des obigen Verfahrens zum Generieren einer zulässigen Eingangsdatentrajektorie für ein physikalisches System besteht darin, eine bereitgestellte Eingangsdatentrajektorie, die einem Verlauf von Eingangswertekombinationen mit entsprechend zugeordneten dynamischen Anregungen entspricht, auf eine zulässige Eingangsdatentrajektorie innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Betriebsbereichs zu beschränken, zu verändern bzw. abzubilden, ohne dabei die unterschiedlichen dynamischen Anregungen, die durch die bereitgestellte Eingangsdatentrajektorie bewirkt werden, zu verlieren. Dadurch kann erreicht werden, die dynamischen Anregungen innerhalb des vorgegebenen zulässigen Betriebsbereichs zu erhalten und gleichzeitig sicherzustellen, dass keine unzulässigen Eingangswertekombinationen als Messpunkte außerhalb des vorgegebenen zulässigen Betriebsbereichs bereitgestellt werden.
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Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Begrenzung des Eingangsdatenbereichs durch den zulässigen Betriebsbereich vorgegeben wird und Messpunkte der Eingangsdaten bzw. die bereitgestellte Eingangsdatentrajektorie so transformiert bzw. verändert werden, dass diese vollständig innerhalb der Begrenzung des zulässigen Betriebsbereichs verläuft. Durch die Begrenzung der Eingangsdatentrajektorie auf den zulässigen Betriebsbereich können mögliche Schädigungen des zu testenden physikalischen Systems aufgrund von dynamischen Anregungen außerhalb des zulässiges Eingangsdatenraums vermieden werden.
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Weiterhin kann die Eingangsdatentrajektorie durch ein nacheinander erfolgendes Anlegen von, insbesondere gleichmäßig, innerhalb eines Eingangsdatenraums verteilten Kombinationen von Eingangswerten von Eingangsgrößen gebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der zulässige Betriebsbereich als konvexe Hülle um die zulässigen Eingangswertekombinationen bestimmt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zulässigen Eingangswertekombinationen bestimmt werden, indem durch in einer stationären Vermessung erfolgendes Anlegen von aus dem Eingangsdatenraum ausgewählten Eingangswertekombinationen die Eingangswertekombinationen als zulässig erkannt werden, bei denen ein stabiler Betriebspunkt des physikalischen Systems eingenommen wird.
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Weiterhin kann der außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs liegende Abschnitt der Eingangsdatentrajektorie durch einen Trajektorienabschnitt von einer ersten Rand-Eingangswertekombination als einem ersten Schnittpunkt der Eingangsdatentrajektorie mit dem Rand des zulässigen Betriebsbereichs zu einem bereitgestellten Vorgabepunkt innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs, insbesondere einem Mittelpunkt des zulässigen Betriebsbereichs und von dem bereitgestellten Vorgabepunkt, insbesondere dem Mittelpunkt, zu einer zweiten Rand-Eingangswertekombination als einem zweiten Schnittpunkt der Eingangsdatentrajektorie mit dem Rand des zulässigen Betriebsbereichs ersetzt werden. Auf diese Weise erhält man eine zulässige Eingangsdatentrajektorie innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs ohne Einschränkungen der dynamischen Anregung.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die erste Rand-Eingangswertekombination und die zweite Rand-Eingangswertekombination auf dem Rand des zulässigen Betriebsbereich zueinander benachbart sind oder durch zwei aufeinander folgende Schnittpunkte der Eingangsdatentrajektorie mit dem Rand des zulässigen Betriebsbereichs bestimmt werden.
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Ferner kann die Eingangsdatentrajektorie in den zulässigen Betriebsbereich transformiert werden, indem die Abstände der Eingangswertekombinationen auf der Eingangsdatentrajektorie von einem bereitgestellten Vorgabepunkt in dem zulässigen Betriebsbereich, insbesondere dem Mittelpunkt des zulässigen Betriebsbereichs, entsprechend einem jeweiligen Skalierungsfaktor reduziert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Skalierungsfaktor für eine Eingangswertekombination als Verhältnis des Abstands zwischen dem Schnittpunkt der Verbindungsgerade mit dem Rand des zulässigen Betriebsbereichs und dem bereitgestellten Vorgabepunkt, insbesondere dem Mittelpunkt des zulässigen Betriebsbereichs, zu dem Abstand zwischen dem Schnittpunkt einer zu dem Rand des Eingangsdatenraums verlängerten Verbindungsgerade mit dem Rand des Eingangsdatenraums und dem Mittelpunkt des zulässigen Betriebsbereichs ermittelt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, zum Generieren einer zulässigen Eingangsdatentrajektorie für ein zu testendes bzw. zu vermessendes physikalisches System vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
- – eine Eingangsdatentrajektorie in einem Eingangsdatenraum bereitzustellen;
- – einen zulässigen Betriebsbereich zu bestimmen; und
- – zumindest einen Abschnitt der Eingangsdatentrajektorie, der außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs liegt, durch eine Trajektorie innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs zu ersetzen, um die zulässige Eingangsdatentrajektorie zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte des obigen Verfahrens auszuführen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Generieren von Eingangsdaten für ein Testsystem;
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2a und 2b eine Veranschaulichung einer dynamischen Trajektorie für zwei Eingangsgrößen – Drehzahl und relative Luftmenge eines Verbrennungsmotors – sowie eine konvexe Hülle zur Begrenzung des Eingangsdatenraums;
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3 eine Darstellung von Eingangstrajektorien innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs, die durch Transformation von Eingangswertekombinationen außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs gemäß einem ersten Verfahren ermittelt wurden; und
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4 eine Darstellung von Eingangstrajektorien innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs, die durch Transformation von Eingangswertekombinationen außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs gemäß einem zweiten Verfahren ermittelt wurden.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Generieren von Eingangsdaten für ein Testsystem dargestellt. Das Verfahren beginnt mit Schritt S1, in dem eine dynamische, zeitkontinuierliche Eingangsdatentrajektorie bereitgestellt wird. Die Eingangsdatentrajektorie wird innerhalb eines Eingangsdatenraums erzeugt, dessen Dimensionen der Anzahl der Eingangsgrößen entsprechen. Die Eingangsdatentrajektorie besteht aus einer Reihenfolge von Kombinationen aus Eingangswerten von Eingangsgrößen, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit nacheinander angefahren werden, um so eine dynamische Anregung an verschiedenen Betriebspunkten zu erhalten. Die einzelnen Eingangsgrößen des Eingangsdatenraums werden mit Eingangswertebereichen versehen, die, über alle Betriebspunkte betrachtet, mindestens die auftretenden Eingangsgrößenwerte umfassen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird aufgrund der einfacheren Darstellung von zwei Eingangsgrößen für ein zu testendes bzw. zu vermessendes physikalisches System ausgegangen. Das zu testende bzw. zu vermessende physikalische System wird am Beispiel eines Verbrennungsmotors mit den Eingangsgrößen einer relativen Luftmenge RL und einer Drehzahl D dargestellt. Obwohl die Drehzahl nicht direkt eingestellt werden kann, kann sie dennoch als Eingangsgröße angesehen werden, die mithilfe anderer Stellgrößen, wie beispielsweise Nockenwellenwinkel, eingespritzter Kraftstoffmenge und dergleichen, in einem Verbrennungsmotor vorgegeben werden kann.
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Die Eingangsdaten können automatisch generiert werden, z. B. durch Bereitstellen der Eingangsgrößen als (asynchrone) Chirp-Signale unterschiedlicher Periodizität oder durch Bereitstellen der Eingangsgrößen als Rampensignale, die insbesondere lineare Rampen unterschiedlicher Steilheit und Amplitude darstellen. Die Kombination ergibt eine Eingangsdatentrajektorie, die raumfüllend ist und für die Kombinationen von Eingangswerten bzw. für die an den durch nahe beieinander liegende Messpunkte definierten Betriebsbereichen verschiedene dynamische Anregungen bereitstellt.
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Die Eingangsdatentrajektorie wird also als Übergang zwischen Messpunkten, die als Kombinationen von über ihre gesamten Eingangswertebereiche raumfüllend verteilten Eingangsgrößenwerte der Eingangsgrößen gebildet werden, generiert, so dass diese unterschiedliche dynamische Anregungen des physikalischen Systems bewirken. Es besteht jedoch aufgrund der dynamischen Anregung die Gefahr einer Beschädigung des physikalischen Systems, wenn sich der durch die Kombination der Eingangsgrößenwerte definierte Betriebspunkt außerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs befindet.
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Daher wird in Schritt S2 ein zulässiger Betriebsbereich für die in Schritt S1 generierten Eingangsdaten ermittelt. Der zulässige Betriebsbereich kann ermittelt werden, indem versucht wird, innerhalb des Eingangsdatenraums stationäre Eingangswertekombinationen einzustellen. Dadurch kann festgestellt werden, ob die Eingangswertekombinationen durch das physikalische System erreichbar und dort stabil sind, d. h. ohne weitere Eingriffe beibehalten werden. Für den Verbrennungsmotor bedeutet dies, dass der Betriebspunkt, der durch die Eingangswertekombination definiert wird, stabil, insbesondere festgestellt anhand einer konstanten Drehzahl, ohne weitere Eingriffe gehalten werden kann. Dies ist beispielsweise in 2a durch die dargestellten Punkte verdeutlicht. Man erkennt die durch die Eingangswertekombinationen definierten stationär angenommenen (angelegten) Messpunkte P innerhalb des Eingangsdatenraums sowie Bereiche, in denen keine stationär anlegbaren Messpunkte vorliegen, d. h. Eingangswertekombinationen, die nicht eingestellt werden konnten. Die bereitgestellte Eingangsdatentrajektorie ist mit E gekennzeichnet.
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Aus den erhaltenen machbaren bzw. zulässigen statischen Messpunkten kann nun in an sich bekannter Weise eine konvexe Hülle H berechnet werden, die den zulässigen Betriebsbereich definiert. Für das obige Beispiel ist die konvexe Hülle H in 2b dargestellt.
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Mithilfe der konvexen Hülle H, die den zulässigen Betriebsbereich definiert, kann nun festgestellt werden, welche Teile der Eingangsdatentrajektorie bzw. welche der in Schritt S1 generierten Eingangsgrößenkombinationen sich innerhalb oder außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs befinden. Um die oben beschriebenen, unerwünschten dynamischen Betriebszustände außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs zu vermeiden, müssen die Abschnitte der Eingangsdatentrajektorie außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs in dem Testsystem vermieden werden.
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Es ist daher in Schritt S3 vorgesehen, die Eingangsdatentrajektorie so zu verändern, dass eine zulässige Eingangsdatentrajektorie erreicht wird, die ausschließlich innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs verläuft.
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Die Transformation kann mithilfe unterschiedlicher Verfahren durchgeführt werden.
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Gemäß einem ersten Verfahren wird zunächst ein Mittelpunkt als Mittelwert der Eingangswertekombinationen am Rand des von der konvexen Hülle H umschlossenen Bereichs und/oder auf der konvexen Hülle berechnet. Im obigen Beispiel entspricht der Mittelwert einem Betriebspunkt bei ca. 2.000 Umdrehungen pro Minute und 50% relativer Luftmenge. Ferner werden die Abschnitte der Eingangsdatentrajektorie, insbesondere die entsprechenden Eingangswertekombinationen, außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs verworfen und Rand-Eingangswertekombinationen als Schnittpunkte der Eingangsdatentrajektorie mit der konvexen Hülle H bestimmt.
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Die zugeordneten Rand-Eingangswertekombinationen werden durch neue Trajektorienabschnitte ersetzt, die geradlinig oder mit einem ersten vorgegebenen Verlauf von einem ersten der Rand-Eingangswertekombinationen zu einem bereitgestellten Vorgabepunkt, wie z.B. dem zuvor bestimmten Mittelpunkt, und von dem bereitgestellten Vorgabepunkt, z.B. dem Mittelpunkt, geradlinig oder mit einem zweiten vorgegebenen Verlauf zu einer zweiten, beispielsweise benachbarten, Rand-Eingangswertekombination verlaufen. Die erste und zweite Rand-Eingangswertekombination kann jeweils durch zwei aufeinander folgende Schnittpunkte der Eingangsdatentrajektorie mit der konvexen Hülle H oder durch auf der konvexen Hülle H benachbarte Schnittpunkte der Eingangsdatentrajektorie mit der konvexen Hülle bestimmt sein.
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Die gemäß dem obigen ersten Verfahren auf den zulässigen Betriebsbereich begrenzte Eingangsdatentrajektorie ist beispielsweise in 3 dargestellt. 3 zeigt eine zulässige Eingangsdatentrajektorie T innerhalb des in 2b dargestellten zulässigen Betriebsbereichs. Man erkennt, dass vom Randbereich des zulässigen Betriebsbereichs bei ca. 2.000 Umdrehungen pro Minute und 50% relativer Luftmenge eine Eingangsdatentrajektorie zu dem Mittelpunkt (bereitgestellten Vorgabepunkt) verläuft.
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Gemäß einem zweiten Verfahren kann die Transformation wie folgt durchgeführt werden. Es wird für alle Eingangswertekombinationen auf der bereitgestellten Eingangsdatentrajektorie E eine Transformation durchgeführt. Die Transformation platziert die außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs befindlichen Eingangswertekombinationen an einem Betriebspunkt bzw. Messpunkt innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs.
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Die Transformation beinhaltet eine Berechnung des Mittelwerts, wie oben in Verbindung mit dem ersten Verfahren beschrieben, oder ein Bereitstellen eines Vorgabewerts, der als Bezugswert dient. Die Position der transformierten Eingangswertekombinationen wird ermittelt, indem der Abstand der zu transformierenden Eingangswertekombinationen von dem bereitgestellten Vorgabewert, insbesondere dem Mittelpunkt, ermittelt wird. Die transformierte Eingangswertekombination entspricht einem Messpunkt auf der Verbindungsgeraden zwischen dem Mittelpunkt und der zu transformierenden Eingangswertekombination, wobei die Position des transformierten Messpunkts durch einen mit einem Skalierungsfaktor r multiplikativ beaufschlagten Abstand der zu transformierenden Eingangswertekombination auf der Verbindungsgeraden bestimmt wird. Der Skalierungsfaktor r entspricht einem Verhältnis eines Abstands zwischen dem Mittelpunkt und dem Schnittpunkt der Verbindungsgeraden mit dem Rand des zulässigen Betriebsbereichs (konvexen Hülle H) und dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt und dem Schnittpunkt der Verbindungsgeraden mit dem Rand des ursprünglichen Eingangsdatenraums. Das Ergebnis einer solchen Transformation einer bereitgestellten Eingangsdatentrajektorie auf den zulässigen Betriebsbereich ist in Figur 4 dargestellt.
