DE102015207270A1

DE102015207270A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulationskopplung eines ereignisgesteuerten Controller-Teilsystems und eines Anlagen-Teilsystems

Info

Publication number: DE102015207270A1
Application number: DE102015207270.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Corina Mitrohin; Isidro Corral Patino; Christian Bertsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-10-27
Also published as: AT517142A2; FR3035529A1

Abstract

Verfahren zur Simulationskopplung eines ereignisgesteuerten Controller-Teilsystems (11) und eines Anlagen-Teilsystems (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Anlagen-Teilsystem (12) speichert eine ereignisauslösende Zustandsvariable (φ) mit einer ersten zeitlichen Ableitung (ω), – gesteuert durch einen Kopplungsalgorithmus (13) wird das Anlagen-Teilsystem (12) ausgehend von einem Startwert über ein vorgegebenes Simulationszeitintervall simuliert, – das Anlagen-Teilsystem (12) übermittelt einen nach dem Simulieren (21) erreichten Endwert an den Kopplungsalgorithmus (13) und – gesteuert durch den Kopplungsalgorithmus (13) wird das Controller-Teilsystem (11) über das Simulationszeitintervall simuliert (22), – wobei das Controller-Teilsystem (11) abhängig vom Startwert einen zeitlichen Wertverlauf der Zustandsvariablen (φ) über das Simulationszeitintervall bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulationskopplung eines ereignisgesteuerten Controller-Teilsystems und eines Anlagen-Teilsystems. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
EP 2 442 248 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der durch Extrapolationsverfahren eingebrachten Fehler bei der Simulationskopplung. Die Ermittlung des eingebrachten Fehlersignals während der Simulationskopplung dient zur Modifikation nachfolgender Extrapolationen, um den Störungseinfluss zu kompensieren. Des Weiteren ermöglicht dieses Verfahren aufgrund der einfachen und vom Extrapolationsverfahren unabhängigen Parametrisierung eine adaptive Parameteranpassung und eignet sich somit auch für die Anwendung von Makro-Schrittweiten-Steuerungen. Zeitliche Lokalisierung und Interpretation des Fehlers ist möglich. Das Verfahren lässt sich generell für nicht-iterative Multi-Raten-Simulation von dynamischen Systemen anwenden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Simulationskopplung eines ereignisgesteuerten Controller-Teilsystems und eines Anlagen-Teilsystems, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in ihrer verbesserten Eignung bei der Simulationskopplung von Teilsystemen, in denen ein Modell ereignisgesteuert ist, wie z. B. ein Steuergerät (electronic control unit, ECU). So wird für die korrekte Funktion eines ereignisgesteuerten Steuergerätes die präzise Ermittlung der ECU-internen Ereignisse (events) ermöglicht. Ein Versagen des von der ECU gesteuerten Systems durch eine fehlerhafte oder unzumutbar verzögerte Prädiktion dieser Ereignisse, die z. B. beim Ansatz bekannter Methoden resultieren kann, wird auf diesem Wege verhindert. Die an die Simulationskopplung derartiger Systeme gestellte Anforderung einer genauen Ermittlung des im Teilsystem ereigniserzeugenden Signals wird durch die hier vorgeschlagene Idee erfüllt, indem der Zeitverlauf des Kurbelwellenwinkel-Signals zuverlässig im ECU-Modell ermittelt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass die Strecke selbst aus ereignisgesteuerten Modellteilen besteht. Dies ist beispielsweise beim Modell eines Verbrennungsmotors (internal combustion engine, ICE) der Fall, wo der Schließzeitpunkt des Einlassventils einen solchen Fall darstellt. Würde man die ECU in mehrere Module, die in einem Winkelraster gerechnet werden, unterteilen und eine Simulationskopplung durchführen, wäre ein vergleichbarer Fall gegeben. Auch diese Anwendung kann mit der hier vorgeschlagenen Idee realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass bei der Simulationskopplung von einem ECU-Modell und einem Verbrennungsmotormodell die Winkelposition der Kurbelwelle aus einem Anlagenmodell (plant model) verwendet wird, um Events im ECU-Modell zu generieren. Die beschriebene Methode ermöglicht eine zuverlässige und präzise Bestimmung des Kurbelwellen-Winkelposition-Signals im Controllermodell, das in einer Simulationskopplung mit dem Motormodell ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Beispielauslegung für die Simulationskopplung eines Controllers und Streckenmodells gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 die Ausführungssequenz eines Kopplungsalgorithmus der ersten Ausführungsform.
3 die Bestimmung einer Kurbelwellendrehzahl und -winkelposition in einem ECU-Modell.
4 die Bestimmung der Kurbelwellendrehzahl und -winkelposition in einem ECU-Modell einer zweiten Ausführungsform.
5 die Ausführungssequenz eines Kopplungsalgorithmus einer vierten Ausführungsform.
6 ein Beispiel des Drehzahlsignal-Zeitverlaufs in einem ICE-Modell und prädizierten Signals im ECU-Modell nach der für die vierte Ausführungsform beschriebenen Kopplungsmethode.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in einer Simulationskopplung beteiligten Modelle werden anhand von sogenannten Kopplungsalgorithmen gesteuert. 1 zeigt eine Beispielauslegung für zwei Modelle, ein durch ein Anlagen-Teilsystem 12 verkörpertes ICE-Modell und ein durch ein Controller-Teilsystem 11 verkörpertes ECU-Modell, die mittels eines Kopplungsalgorithmus 13 Daten austauschen und gesteuert werden. Anlagen-Teilsystem 12 und Controller-Teilsystem 11 umfassen ihrerseits ein erstes Subsystem 15, ein zweites Subsystem 16, ein durch einen Fahrerwunsch 17 beeinflusstes drittes Subsystem 18 sowie ein viertes Subsystem 19.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung basiert darauf, in dieser Variante der Simulationskopplung die Winkelposition z. B. einer Kurbelwelle auf Basis der in einem Simulationszeitintervall [t₀, t₁], dem sogenannten Makroschritt, übertragenen Werte von Winkel, Drehzahl, und Winkelbeschleunigung zu berechnen. Dies geschieht wie folgt:
Zum Zeitpunkt t₀ findet der erste Kommunikationszeitpunkt zwischen dem Anlagen-Teilsystem 12 und dem Controller-Teilsystem 11 statt. Dabei initialisiert der Kopplungsalgorithmus 13 das Controller-Teilsystem 11 und Anlagen-Teilsystem 12. Zu diesem Zeitpunkt kann nur die Initialisierung des Anlagen-Teilsystems 12 vollständig durchgeführt werden, d. h. das Anlagen-Teilsystem 12 enthält alle nötigen Daten für die erste Simulation. Für die erste Simulation des Controller-Teilsystems 11 fehlt jedoch der Verlauf der Kurbelwellenwinkelposition. Demzufolge startet der Kopplungsalgorithmus 13 die Simulation des Anlagen-Teilsystems 12 zuerst. Die Simulationszeit entspricht dabei einer Makroschrittweite. Ihr Ende ist in 2 als t₁ gekennzeichnet. An diesem Zeitpunkt hält der Kopplungsalgorithmus 13 die Simulation des Anlagen-Teilsystems 12 an und speichert die Werte der ICE-Ausgangssignale. Vorzugsweise betragen diese, um Rechenressourcen zu sparen, nur die Startwerte, z. B. ω₀ und Endwerte, z. B. ω₁ jedes Ausgangssignals. Dabei wird der erste und der letzte Wert des anhand der Drehmomentenstruktur 23 im Simulationszeitintervall [t₀, t₁] simulierten Motordrehzahlsignals ω₀ vom Kopplungsalgorithmus 13 erfasst und die Durchschnitts-Winkelbeschleunigung α₀₁ der Kurbelwelle nach folgender Gleichung ermittelt:
Der Kopplungsalgorithmus 13 startet nun die Simulation des Controller-Teilsystems 11 für dasselbe Simulationszeitintervall [t₀ + t₁], sprich vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁. Damit das Controller-Teilsystem 11 seine internen Ereignisse korrekt ermittelt, wird das Kurbelwellenwinkelsignal φ im Controller-Teilsystem 11 reproduziert. Dafür wird die Kurbelwellendrehzahl zu
berechnet und nach folgender Gleichung integriert:
Diese Funktionalität ist im Controller-Teilsystem 11 der 1 integriert.
Nach diesem Verfahren 20 wird die Kurbelwinkelbeschleunigung in jedem Simulationszeitintervall [t_i, t_i+1] konstant gehalten, sodass der Startwert ω₀ und Endwert ω₁ des im Controller-Teilsystem 11 per Rekonstruktion 14 ermittelten Motordrehzahlsignals mit den von dem Anlagen-Teilsystem 12 berechneten Werten übereinstimmen.
Eine vereinheitlichte Darstellung dieser Funktionalität zeigt das Blockschaltbild der 3. Dabei werden die für die Berechnung der Drehzahl und Kurbelwellenwinkel verwendeten Integratoren immer am Anfang des Simulationszeitintervalls [t_i, t_i+1] auf den vom Kopplungsalgorithmus 13 erfassten Startwert der Drehzahl φ₀ bzw. der Kurbelwellenwinkelposition ω₀ rückgestellt. Diese Maßnahme verhindert das Auseinanderdriften dieser Signale gegenüber den vom Anlagen-Teilsystem 12 generierten Signalen über die Simulationszeit hinweg.
Sobald das Controller-Teilsystem 11 zum Zeitpunkt t₁ angehalten ist, werden die Ausgangswerte des Controller-Teilsystems 11 gespeichert, vorzugsweise nur die Werte zum Zeitpunkt t₀ und t₁. Anschließend werden die Ausgangswerte des Controller-Teilsystems 11 zum Zeitpunkt t₁ an das Anlagen-Teilsystem 12 transferiert und die Simulation des Anlagen-Teilsystems 12 wird für ein weiteres Simulationszeitintervall [t₁, t₂] gestartet, wie in 2 gezeigt. Dieser Prozess wird wiederholt, bis die Simulationsendzeit erreicht ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform wird die Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle nicht vom Kopplungsalgorithmus 13 ermittelt, sondern direkt vom Anlagen-Teilsystem 12 geliefert, wie in 4 gezeigt. Der Kopplungsalgorithmus 13 kann somit den Startwert α₀ und Endwert α₁ der Beschleunigung über das Simulationszeitintervall [t₀, t₁] erfassen, die Durchschnittsbeschleunigung über das Simulationszeitintervall [t₀, t₁] daraus errechnen und an das Controller-Teilsystem 11 weiterleiten. In einer anderen Form der Methode erfasst der Kopplungsalgorithmus 13 nur einen Endwert α₁ der Motorwinkelbeschleunigung nach Ablauf des Simulationszeitintervalls [t₀, t₁] und transferiert diesen an das Controller-Teilsystem 11. Die erste Ausführungsform hat diesen Varianten gegenüber den Vorteil, eine geringere Abweichung der rekonstruierten (14) Signale im Controller-Teilsystem 11 gegenüber den im Anlagen-Teilsystem 12 entsprechenden Signalen zu zeigen.
Die Rekonstruktion 14 des Kurbelwellenwinkel-Signals kann gemäß einer dritten Ausführungsform aus der direkten Interpolation zwischen zwei Kurbelwellenwinkelpositionen erfolgen. Dabei kann der Kopplungsalgorithmus 13 den Startwert φ₀ und Endwert φ₁ der Winkelposition an das Controller-Teilsystem 11 übertragen und dort das Modell den Zeitverlauf des Signals approximiert nachrechnen.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird das Kurbelwellenwinkelposition-Signal im Controller-Teilsystem 11 nicht rekonstruiert (14), sondern prädiziert.
Die Prädiktion des Signals erweist sich als sinnvoll, wenn der Kopplungsalgorithmus 13 das Anlagen-Teilsystem 12 und Controller-Teilsystem 11 nicht seriell, also in einer Reihenfolge wie in 2 dargestellt, sondern parallel – d. h. gleichzeitig – startet. So sind in diesem Fall die für ein Simulationszeitintervall [t_i, t_i+1] gegebenen Endwerte φ_i+1, ω_i+1, α_i+1 der Motorwinkelbeschleunigung, Drehzahl und Kurbelwellenwinkelposition zu Beginn des Simulationszeitintervalls (Makroschrittes) [t_i, t_i+1] nicht bekannt und werden daher im Controller-Teilsystem 11 prädiziert. Der Berechnungsprozess für diese Variante ist in 5 dargestellt.
Eine einfache Methode, um die Winkelbeschleunigung α über das aktuelle Simulationszeitintervall [t_i, t_i+1] zu prädizieren, wird durch die Übernahme des Endwertes aus dem vorherigen Simulationszeitintervall [t_i-1, t_i] gegeben. Z. B. für das Simulationszeitintervall [t₁, t₂] zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, siehe 6, wird die Motorwinkelbeschleunigung
im Controller-Teilsystem 11 gleich der Motorwinkelbeschleunigung
im Anlagen-Teilsystem 12 zwischen den Simulationszeitpunkten t₀ und t₁ angenommen. Im ersten Simulationszeitintervall [t₀, t₁] wird jedoch ein Ausgangswert für α im Controller-Teilsystem 11 festgelegt. Wenn dieser Startwert α₀ auf null gesetzt wird und nur die Werte an den Kommunikationszeitpunkten dargestellt werden, dann wird das im Controller-Teilsystem 11 resultierende Drehzahlsignal dem vom Anlagen-Teilsystem 12 berechneten Drehzahlsignal mit einer zeitlichen Verzögerung von der Länge eines Simulationszeitintervalls [t_i, t_i+1] folgen, wie in 6 dargestellt.
Die Implementierung dieser Variante erfordert keine wesentliche Änderung der für die erste, zweite und dritte Ausführungsform beschriebenen Anlagen-Teilsysteme 12 und Controller-Teilsysteme 11. Dabei bleibt die Rückstellfunktionalität für die Bestimmung der Motordrehzahl und Kurbelwellenwinkelposition, wie für die erste Ausführungsform beschrieben, erhalten.
Die in den anderen Varianten beschriebenen Kopplungsalgorithmen können mit konstantem oder variablem Simulationszeitintervall [t_i, t_i+1] durchgeführt werden. Das heißt, dass die Zeit zwischen Kommunikationszeitpunkten einen konstanten oder einen variablen Betrag aufweisen kann. Bei Kopplungsalgorithmen mit variablen Simulationszeitintervallen [t_i, t_i+1] können z. B. Ereignisse in der Simulation dafür verwendet werden, um die Simulation des Controller-Teilsystems 11 anzuhalten, wie z. B. das Erreichen einer bestimmen Winkelposition der Kurbelwelle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2442248 A1 [0002]

Claims

Verfahren (20) zur Simulationskopplung eines ereignisgesteuerten Controller-Teilsystems (11) und eines Anlagen-Teilsystems (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Anlagen-Teilsystem (12) speichert eine ereignisauslösende Zustandsvariable (φ) mit einer ersten zeitlichen Ableitung (ω), – gesteuert durch einen Kopplungsalgorithmus (13) wird das Anlagen-Teilsystem (12) ausgehend von einem Startwert (φ_i, ω_i, α_i) über ein vorgegebenes Simulationszeitintervall ([t_i, t_i+1]) simuliert (21), – das Anlagen-Teilsystem (12) übermittelt einen nach dem Simulieren (21) erreichten Endwert (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) an den Kopplungsalgorithmus (13) und – gesteuert durch den Kopplungsalgorithmus (13) wird das Controller-Teilsystem (11) über das Simulationszeitintervall (t_i, t_i+1]) simuliert (22), – wobei das Controller-Teilsystem (11) abhängig vom Startwert (φ_i, ω_i, α_i) einen zeitlichen Wertverlauf (φ(t)) der Zustandsvariablen (φ) über das Simulationszeitintervall ([t_i, t_i+1]) bestimmt.
Verfahren (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Simulationskopplung des Controller-Teilsystems (11) und des Anlagen-Teilsystems (12) erfolgt seriell und – das Übermitteln des Endwertes (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) geht dem Simulieren (22) des Controller-Teilsystems (11) voran.
Verfahren (20) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Controller-Teilsystem (11) rekonstruiert (14) die erste Ableitung (ω) mittels eines durch das Zeitintervall ([t_i, t_i+1]) bestimmten ersten zeitlichen Integrals (∫) über eine zweite zeitliche Ableitung (α) der Zustandsvariablen (φ) und – das Controller-Teilsystem (11) rekonstruiert (14) den Wertverlauf (φ(t)) der Zustandsvariablen (φ) mittels eines durch das Zeitintervall ([t_i, t_i+1]) bestimmten zweiten zeitlichen Integrals (∫) über die erste Ableitung (ω).
Verfahren (20) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Startwert (φ_i, ω_i, α_i) und der Endwert (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) beziehen sich auf die erste Ableitung (ω), – der Kopplungsalgorithmus (13) ermittelt über einen Differenzenquotienten der ersten Ableitung (ω) im Simulationszeitintervall ([t_i, t_i+1]) die zweite Ableitung (α) und – der Kopplungsalgorithmus (13) übermittelt die zweite Ableitung (α) an das Controller-Teilsystem (11).
Verfahren (20) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Startwert (φ_i, ω_i, α_i) und der Endwert (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) beziehen sich auf die zweite Ableitung (α), – der Kopplungsalgorithmus (13) erfasst die zweite Ableitung (α) über zumindest deren Endwert (α₁) und – der Kopplungsalgorithmus (13) übermittelt die zweite Ableitung (α) an das Controller-Teilsystem (11).
Verfahren (20) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Startwert (φ_i, ω_i, α_i) und der Endwert (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) beziehen sich auf die Zustandsvariable (φ), – der Kopplungsalgorithmus (13) übermittelt den Startwert (φ₀) und den Endwert (φ₁) an das Controller-Teilsystem (11) und – das Controller-Teilsystem (11) approximiert den Wertverlauf (φ(t)) der Zustandsvariablen (φ) mittels einer Interpolierenden des Startwertes (φ₀) und des Endwertes (φ1).
Verfahren (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Simulationskopplung des Controller-Teilsystems (11) und des Anlagen-Teilsystems (12) erfolgt parallel, – der Startwert (φ_i, ω_i, α_i) und der Endwert (φ_i+1, ω_i+1, α_i+1) beziehen sich auf eine zweite zeitliche Ableitung (α) der Zustandsvariablen (φ), – der Kopplungsalgorithmus (13) übermittelt den Endwert (α₁) an das Controller-Teilsystem (11) und – das Controller-Teilsystem (11) prädiziert den Wertverlauf (φ(t)) der Zustandsvariablen (φ) mittels des Endwertes (α₁).
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Vorrichtung (10), die eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.