DE102016124753A1

DE102016124753A1 - Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung, Simulationseinheit zum Simulieren einer mechanischen Welle und Prüfanordnung

Info

Publication number: DE102016124753A1
Application number: DE102016124753.7A
Authority: DE
Inventors: Jakob Andert; Rene Savelsberg; Serge Klein
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling, wobei ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings über eine Simulationseinheit für eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt werden, Simulationseinheit zum Simulieren einer mechanischen Welle zwischen einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling, sowie Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling, wobei ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings über eine Simulationseinheit miteinander virtuell gekoppelt sind.

Description

Die Anforderungen bei der Entwicklung von Fahrzeugen und deren Komponenten steigen stetig, wobei insbesondere kürzere Entwicklungszeiten und geringere Entwicklungskosten gefordert sind. Gleichzeitig steigt die Komplexität der Prüfstands-versuche durch Verwendung einer immer größer werdenden Anzahl von Sensoren und Aktuatoren. An die Fahrzeugentwicklung und die Entwicklung deren Teilsystemen richten sich daher hohe Anforderungen an die Flexibilität der Prüfabläufe und des Prüfaufbaus.
Bei herkömmlichen bekannten Prüfanordnungen können zwei Prüfstandanordnungen, die jeweils einen Prüfstand und einen Prüfling umfassen, zur Übertragung physikalischer Größen unmittelbar miteinander gekoppelt sein. Alternativ können auch zwei Prüflinge auf einem gemeinsamen Prüfstand angeordnet sein, wobei die beiden Prüflinge miteinander gekoppelt sind. Zur Kopplung dient eine reale räumlich-körperliche Übertragungsanordnung, die physikalische Größen zwischen den beiden Prüflingen und damit zwischen den beiden Prüfstandanordnungen überträgt. Physikalische Größen können hierbei im allgemeinen Energie oder Medien sein. So kann zum Beispiel Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment übertragen werden. Andererseits können auch Medien, wie zum Beispiel Gase oder Flüssigkeiten übertragen werden.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Prüfanordnung mit einer Prüfstandanordnung für Motoren und einer Prüfstandanordnung für Getriebe, wobei die Prüfstandanordnung für den Motor über eine Verbindungswelle mit der Prüfstandanordnung für das Getriebe verbunden ist. Die Übertragungsanordnung in Form der Verbindungswelle überträgt hierbei Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment als physikalische Größe.
Zur Erzielung einer höheren Flexibilität im Bereich des Aufbaus einer Prüfungsanordnung und des Prüfungsablaufs schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Prüfungsanordnung vor, bei welchem mindestens zwei Prüfstandanordnungen mit jeweils einem Prüfstand und einem Prüfling über eine Simulationseinheit für die Übertragung von physikalischen Größen miteinander gekoppelt sind, wobei das Verhalten einer realen Übertragungsanordnung zwischen den beiden Prüfstandanordnungen durch ein Simulationsmodell der Simulationseinheit simuliert wird.
Der Aufwand und die Komplexität bei der Entwicklung von modernen Antriebsträngen werden stetig größer. Eine mögliche Verbesserung zur Entwicklungs- und Kostenoptimierung ist die Virtualisierung von Antriebsstrangkomponenten. Im Normallfall werden zunächst Teilkomponenten getestet und im nächsten Schritt zu Teilsystemen zusammengefügt und geprüft. Konsekutiv wird mit jedem weiteren Testschritt das System bis zum Gesamtantriebsstrang weiter aufgebaut. Dabei steigen die Komplexität und der Aufwand mit jedem Test-schritt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine Virtualisierung ein Abbildung des Komponentenverhaltens als virtuelle Echtzeitanwendung bereitzustellen, wodurch das Testen von späteren Teilsystemen oder gänzlich das Testen des Gesamtantriebs zu früheren Testschritten verlegt werden können.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die beiden Prüfstandanordnungen nicht räumlich-körperlich miteinander zu verbinden, so dass die physikalische Größe, die an einem der beiden Prüfstandanordnungen entsteht, direkt der anderen Prüfstandanordnung zugeleitet wird, sondern die beiden Prüfstandanordnungen voneinander zu trennen und über eine Simulationseinheit miteinander zu koppeln. Die Simulationseinheit nimmt einerseits die physikalischen Größen als Eingangsgrößen der einen Prüfstandanordnung auf, simuliert das Verhalten der Übertragungsanordnung und prägt die so simulierten physikalischen Größen als Ausgangsgrößen der anderen Prüfstandanordnung auf.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung nach Anspruch 1, eine Simulationseinheit zum Simulieren einer mechanischen Welle nach Anspruch 11 und eine Prüfanordnung nach Anspruch 12 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling werden ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings über eine Simulationseinheit für eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt, wobei die Simulationseinheit eine mechanische Welle simuliert.
Erfindungsgemäß synchronisiert eine Reglerlogik ein Drehmoment und eine Drehzahl an dem Abtrieb des ersten Prüflings mit einem Drehmoment und einer Drehzahl an dem Antrieb des zweiten Prüflings, wobei die Reglerlogik zum Synchronisieren mindestens einen Algorithmus verwendet und wobei eine Auslegung des mindestens einen Algorithmus auf einer Kenntnis mindestens eines physikalischen Modells der Prüfanordnung beruht. Bevorzugt wird der Algorithmus anhand einer vollständigen Kenntnis des physikalischen Modells ausgelegt, wobei es sich insbesondere um ein ausreichend exaktes physikalisches Modell handelt. Das physikalische Modell ist dann ausreichend exakt, wenn die darauf basierende Regelung stabil ist. Es besteht die Möglichkeit, dass der Algorithmus anhand von mehreren physikalischen Modellen oder Teilmodellen ausgelegt wird. Die Regelung wird somit vorteilhaft auf der Grundlage von vorhandenem Wissen über die Prüfanordnung ausgelegt, wobei der Regelungsaufwand umso geringer wird, je genauer bzw. exakter das physikalische Modell die tatsächliche Prüfstandanordnung abbildet. Eine Regelung auf Grundlage von vorhandenem Wissen wird auch als Regelung mit a priori Wissen bezeichnet. Kenntnis des physikalischen Modells bedeutet, dass zumindest teilweise die physikalischen Zustände und/oder die physikalischen Zusammenhänge und/oder die Parameter der Prüfanordnung bekannt sind. Etwaige Nichtlinearitäten und zusätzliche durch das Verfahren eingebrachte physikalische Vorgänge werden mittels der Kenntnis durch den Algorithmus kompensiert.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Ist-Wert des Drehmoments oder der Drehzahl an dem Abtrieb des ersten Prüflings und ein zweiter Ist-Wert des Drehmoments oder der Drehzahl an dem Antrieb des zweiten Prüflings bestimmt, wobei der zweite Ist-Wert als erste Führungsgröße für einen ersten Regler und der erste Ist-Wert als zweite Führungsgröße für einen zweiten Regler verwendet wird. Der erste Regler gibt dabei als Stellgröße ein erstes Wellendrehmoment aus, so dass der Abtrieb des ersten Prüflings durch die Simulationseinheit mit dem ersten Wellendrehmoment beaufschlagt wird und der zweite Regler gibt als Stellgröße ein zweites Wellendrehmoment aus, so dass der Antrieb des zweiten Prüflings durch die Simulationseinheit mit dem zweiten Wellendrehmoment beaufschlagt wird.
In erster Ordnung überträgt die mechanische Welle eine Drehbewegung, welche durch die Drehzahl und das Drehmoment definiert ist. Unter dem Begriff Drehzahl ist im Sinne der Erfindung eine Drehgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit in zu verstehen. Aufgrund der vernachlässigbaren kleinen Wellenträgheit und Torsion sind die Drehzahlen und die Drehmomente an den Verbindungsstellen der Einzelkomponenten, Abtrieb und Antrieb, nahezu gleich. Die virtuelle Verbindung überträgt diese Übereinstimmung der Drehzahlen und Momente auf die Teilkomponenten. Dazu hat das Reglerkonzept die Gleichstellung von Drehzahl und Drehmoment zum Ziel und besteht aus einer kreuzweisen Sollwertbestimmung. Die dem Abtrieb zugewandte Seite der virtuellen Welle erhält als Führungsgröße bevorzugt die Drehzahl der Antriebsseite. Im umgekehrten Fall wird bevorzugt das gemessene Drehmoment als Führungsgröße übertragen. Als Regler werden bevorzugt PID Regler eingesetzt. Eine Einregelzeit zum Einstellen des jeweiligen Wellendrehmoments an dem Abtrieb und an dem Antrieb wird durch ein PT1-Glied und eine Totzeit beschrieben.
Bei der kreuzweisen Bestimmung und Übergabe der Sollwerte ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Regler mit einer zugehörigen Regelstrecke ein erstes System bildet und der zweite Regler mit einer zugehörigen Regelstrecke ein zweites System bildet, wobei das schnellere der zwei Systeme als inneres System und das langsamere der zwei Systeme als äußeres System definiert wird. Der Regler des inneren Systems wird auf das innere System ausgelegt, während der Regler des äußeren Systems auf das innere und das äußere System ausgelegt wird.
Der erste und der zweite Regler sind unter den gegebenen Umständen aufgrund der Unbestimmtheit der Führungsgrüße nicht auslegbar und hängen voneinander ab. Als Lösung wird das schnellere System mit dem ersten Regler als innere Regelstrecke definiert. Der innere Regler wird nur auf das innere System ausgelegt. Die langsamere Strecke mit dem zweiten Regler wird als äußere Strecke definiert und der Regler wird auf die innere und äußere Strecke ausgelegt. Dadurch entsteht eine Kaskadenstruktur und beide Regler können vorteilhaft ausgelegt werden, so dass eine stabile Regelung ermöglicht wird.
Bei dem ersten Prüfling handelt es sich insbesondere um eine Verbrennungskraftmaschine, während der zweite Prüfling bevorzugt ein Getriebe ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine bevorzugt drehzahlgeregelt und das Getriebe bevorzugt drehmomentgeregelt wird.
Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass bei einer Veränderung eines Trägheitsmoments des zweiten Prüflings eine an das jeweilige Trägheitsmoment des zweiten Prüflings angepasste Auslegung des ersten und/oder des zweiten Reglers gewählt wird. Dadurch wird das Reglerkonzept vorteilhaft an ein Schaltgetriebe als Prüfling angepasst, dessen Trägheitsmoment sich mit jedem Gangwechsel sprunghaft ändert.
Weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass bei einem nicht-linearem Verhalten der Prüflinge, insbesondere auf Grund einer Trennung der Kopplung zwischen dem ersten Prüfling und dem zweiten Prüfling, der erste Regler und der zweite Regler abgeschaltet und durch einen Drehzahlregler für mindestens einen der zwei Prüflinge ersetzt werden. Dies ist besonders im Leerlauf vorteilhaft anwendbar. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass bei nicht-linearem Verhalten der Prüflinge, der erste Regler und der zweite Regler mittels einer Fuzzylogik durch eine abfallende Rampe auf Null gefahren werden und anschließend durch eine ansteigende Rampe mit einer neuen Parameterauswahl wieder in Funktion gebracht werden. Ein stark nichtlineares Verhalten zeigt die Prüfanordnung bei einem Gangwechsel bei einem Schaltgetriebe, bzw. bei einer schleifenden Kupplung.
Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Abweichung der Simulation von dem Verhalten einer mechanischen Welle durch zusätzliche Massenträgheiten von Drehmomentquellen zur Beaufschlagung des Abtriebs und des Antriebs durch eine Vorsteuerung mit Kenntnis der jeweiligen Massenträgheiten kompensiert werden. Als Drehmomentquellen dienen in der Regel Elektromotoren der Prüfstände, deren eigene Massenträgheiten durch eine geeignete Vorsteuerung besonders effektiv kompensiert werden können, da die Massenträgheiten der Motoren bekannt sind.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung liegt darin, physikalische Verfeinerungen der Regelung vorzunehmen, die beispielsweise ein Torsionsverhalten der simulierten Welle berücksichtigen.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein ganzeinheitlicher Regler verwendet wird, wobei das Synchronisieren durch eine kombinierte Drehmomentregelung oder durch eine kombinierte Drehzahlregelung für den ersten Prüfling und für den zweiten Prüfling erfolgt, wobei der ganzeinheitliche Regler eine numerische Optimierung einer Kostenfunktion vornimmt und wobei in der Kostenfunktion die Synchronisationsbedingungen enthalten sind. Bei den Synchronisationsbedingungen handelt es sich, wie zuvor bereits beschrieben, um die Annahme, dass die Drehzahlen und die Drehmomente an Abtrieb und Antrieb gleich sein müssen. Die Ausführungsform sieht einen ganzeinheitlichen Regler anstatt zweier separater Regler vor. Die Synchronisation erfolgt hier nicht durch das Ausgleichen der Regeldifferenzen von Drehmoment zu Drehmoment in einem Prüfling bzw. der Regeldifferenz von Drehzahl zu Drehzahl im anderen Prüfling, sondern durch eine kombinierte Drehmomentregelung oder eine kombinierte Drehzahlregelung für beide Prüflinge.
Die Kostenfunktion ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Summe aus einem Quadrat von Eingangsgrößen, kombiniert aus Drehmomenten und Drehzahlen, einem Quadrat von Ausgangsgrößen, also den Ist-Werten der Drehmomente an den jeweiligen Messstellen, einem Quadrat einer Drehzahl-Differenz zwischen dem erstem Prüfling und dem zweitem Prüfling und einem Quadrat einer Drehmoment-Differenz zwischen dem ersten Prüfling und dem zweiten Prüfling zu minimieren.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass anhand der Kenntnis des mindestens einen physikalischen Modells der Prüfanordnung eine Vorsteuerung derart ausgelegt wird, dass auftretende Nichtlinearitäten ausgeglichen werden. Bevorzugt wird ein physikalisches Verhalten der Prüfanordnung partiell oder vollständig modelliert und für die Vorsteuerung invertiert, wobei als Synchronisationsbedingung das Modell mit Messgrößen beaufschlagt wird und dadurch eine synchronisierte Führungsgröße als Reglereingang erzeugt wird. Besonders bevorzugt wird eine synchronisierte und einheitliche Mehrgrößen-Führungsgröße als Reglereingang erzeugt. Eine möglichst exakte Kenntnis des physikalischen Verhaltens beider Prüflinge erlaubt eine optimale Vorsteuerung aller Nichtlinearitäten im System. Beispielsweise wird, abhängig von der Messausrüstung, das physikalische Verhalten eines gesamten Antriebsstrangs vom Verbrennungsmotor bis zum Rad partiell oder vollständig modelliert und für die Vorsteuerung invertiert. Abhängig von den Messungen, insbesondere von den Messvariablen, dem Messort und der Messgenauigkeit variiert das Modell stark in Detailgrad, Parameterwahl und Ordnung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Simulationseinheit zum Simulieren einer mechanischen Welle zwischen einem erste Prüfling und einem zweiten Prüfling, wobei ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings durch eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt sind. Die Simulationseinheit weist erfindungsgemäß eine erste Drehmomentquelle zur Verbindung mit dem Abtrieb des ersten Prüflings und eine zweite Drehmomentquelle zur Verbindung mit dem Antrieb des zweiten Prüflings auf, wobei die Simulationseinheit weiterhin eine Reglerlogik mit einem ersten Regler und mit einem zweiten Regler aufweist. Dazu weist die Simulationseinheit bevorzugt eine dem Fachmann in derartiger Anwendung bekannte Datenverarbeitungsvorrichtung und einen Datenspeicher auf. Erfindungsgemäß gibt der erste Regler als Stellgröße für die erste Drehmomentquelle ein erstes Wellendrehmoment aus, um den Abtrieb des ersten Prüflings mit dem ersten Wellendrehmoment zu beaufschlagen, während der zweite Regler als Stellgröße für die zweite Drehmomentquelle ein zweites Wellendrehmoment ausgibt, um den Antrieb des zweiten Prüflings mit dem zweiten Wellendrehmoment zu beaufschlagen. Als Führungsgröße geht dabei in den zweiten Regler ein erster Ist-Wert des Drehmoments des Abtriebs des ersten Prüflings ein, während in den ersten Regler ein zweiter Ist-Wert des Drehmoments des Abtriebs des zweiten Prüflings als Führungsgröße eingeht.
Als Drehmomentquelle wird bevorzugt jeweils ein Prüfstands-Elektromotor als Stellglied für den jeweiligen Prüfling verwendet. Vorteilhaft wird so die mechanische Welle zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe eines Gesamtantriebstrangs durch eine virtuelle Verbindung ersetzt. Als neuer Aktuator steuert jeweils der Prüfstands-Elektromotor das Getriebe bzw. den Verbrennungsmotor und ersetzt damit die mechanische Welle.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling, wobei ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings über eine zuvor beschriebene Simulationseinheit miteinander virtuell gekoppelt sind. Bevorzugt wird die Prüfanordnung nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen beziehen sich gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Verfahren und die Prüfanordnung mit der Simulationseinheit. Die beispielhaften Erläuterungen schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Darin zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfanordnung;
2 eine mechanische Welle mit Messstellen nach dem Stand der Technik zur Erläuterung der Erfindung;
3 Messstellen gemäß 2 in zwei getrennten Prüfständen;
4 einen Signalflussplan des physikalischen Verhaltens einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Simulationseinheit in der Prüfanordnung nach 1.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfanordnung. In erster Ordnung überträgt eine mechanische Welle (siehe 2) eine Drehbewegung, welche durch die Drehzahl und das Drehmoment definiert ist. Aufgrund der vernachlässigbaren kleinen Wellenträgheit und Torsion sind die Drehzahlen und die Drehmomente an den Verbindungsstellen eines ersten und eines zweiten Prüflings 1, 2, hier einem Antrieb 4 eines Getriebes 2, und einem Abtrieb 3 eines Verbrennungsmotors 1, nahezu gleich. Eine Simulationseinheit als virtuelle Verbindung muss diese Übereinstimmung der Drehzahlen und Momente auf die Prüflinge 1, 2 übertragen. Die erfindungsgemäße Simulationseinheit zum Simulieren der mechanischen Welle zwischen dem ersten Prüfling 1 und dem zweiten Prüfling 2 zeichnet sich dadurch aus, dass der Abtrieb 3 des ersten Prüflings und der Antrieb 4 des zweiten Prüflings durch eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt sind.
Die Simulationseinheit weist dazu eine Reglerlogik 5 und jeweils eine Drehmomentquelle 6, 7, hier je einen Prüfstands-Elektromotor 6, 7 als Stellglied pro Prüfling 1, 2 auf. Die Simulationseinheit weist erfindungsgemäß eine erste Drehmomentquelle 6 zur Verbindung mit dem Abtrieb 3 des ersten Prüflings 1 und eine zweite Drehmomentquelle 7 zur Verbindung mit dem Antrieb 4 des zweiten Prüflings 2 auf. Das Reglerkonzept hat die Gleichstellung von Drehzahl und Drehmoment zum Ziel und besteht aus einer kreuzweisen Sollwertbestimmung. Der Antrieb 4 des Getriebes 2 erhält in dem Ausführungsbeispiel als Sollgröße die Drehzahl ω₁ der anderen Seite. Im umgekehrten Fall wird das gemessene Drehmoment T_meas2 als Sollgröße dem Abtrieb 3 des Verbrennungsmotors 1 übertragen.
Ein üblicher Ansatz wäre das Getriebe 2 und den Verbrennungsmotor 1 jeweils durch einen separaten Regler zu regeln. Die kreuzweise Übergabe der Führungsgrößen resultiert jedoch in einer starken Kopplung der Systeme. Die beiden Regler beeinflussen sich dadurch gegenseitig und bei der Parametrisierung der Regler muss jeweils der andere Regler miteinbezogen werden. Die typischen regelungstechnischen Konzepte für ein solches System wären entweder eine Entkopplung der Systeme oder ein Mehrgrößenregler. Eine Entkopplung der Systeme ist nicht anwendbar, da hierdurch die gewünschte Synchronisation verloren geht. Ein Mehrgrößenregler kann aufgrund der speziellen Art der Führungsgröße nur bedingt verwendet werden.
Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reglerlogik 5 der Simulationseinheit einen ersten Regler 8 und einen zweiten Regler 9 vorsieht. Dazu weist die Simulationseinheit bevorzugt eine dem Fachmann in derartiger Anwendung bekannte Datenverarbeitungsvorrichtung und einen Datenspeicher auf, die hier nicht dargestellt sind. Erfindungsgemäß gibt der erste Regler 8 als Stellgröße für die erste Drehmomentquelle 6 ein erstes Wellendrehmoment T_EM1 aus, um den Abtrieb 3 des ersten Prüflings 1 mit dem ersten Wellendrehmoment T_EM1 zu beaufschlagen, während der zweite Regler 9 als Stellgröße für die zweite Drehmomentquelle 7 ein zweites Wellendrehmoment T_EM2 ausgibt, um den Antrieb 4 des zweiten Prüflings 2 mit dem zweiten Wellendrehmoment T_EM2 zu beaufschlagen. Als Führungsgröße geht dabei in den zweiten Regler 9 ein erster Ist-Wert des Drehmoments T_meas1 des Abtriebs 3 des ersten Prüflings 1 ein, während in den ersten Regler 8 ein zweiter Ist-Wert des Drehmoments T_meas2 des Antriebs 4 des zweiten Prüflings 2 als Führungsgröße eingeht.
Allerdings ist die Auslegung eines rein linearen Reglers für die Getriebeseite 2 nicht möglich, da eine sich öffnende bzw. schließende Kupplung starke Nichtlinearitäten, wie Drehmomentsprünge, Schlupf etc., darstellt. Weiterhin weisen unterschiedliche Gänge stark differenzierendes Systemverhalten zueinander auf. Die Massenträgheit J_TM des getriebeseitigen Antriebstrangs verändert sich z.B. um ca. den Faktor 25 zwischen Gang 1 und 6. Weiterhin ist aufgrund der sehr geringen Massenträgheiten eine Synchronisation in Neutralstellung problematisch.
Die Massenträgheit J_TM des Getriebes und somit die Systemdynamik variiert also abhängig von der Gangwahl. Dementsprechend wird für jeden Gang ein Satz von Reglern 8, 9 ermittelt und dementsprechend umgeschaltet. Während eines Gangwechsels bzw. bei schleifender Kupplung entsteht stark nicht-lineares Verhalten. Folgende alternative Lösungen werden verwendet: Abschalten beider Regler 8, 9 und Aktivierung eines Drehzahlreglers für den Motorprüfstand oder beide Regler werden mittels Fuzzylogik auf Null herruntergerampt und wieder auf eine neue Parameterauswahl hochgerampt.
Die zusätzliche Massenträgheit der Prüfstands-Elektromotoren 6, 7 führt zu einer Abweichung des gewünschten Verhaltens einer realen mechanischen Verbindung. Eine Vorsteuerung mit der exakten Kenntnis über die E-Motoren-Massenträgheiten J_EM1, J_EM2 wird vorzugsweise zur Kompensation verwendet.
Physikalische Modellerweiterungen sind zur weiteren Verbesserung der Simulationseinheit bevorzugt vorgesehen, wie z.B. eine Modellierung der Torsion der simulierten Welle. Diese sind einfach durchzuführen und werden bevorzugt aufgrund von Verbesserung der Regelgüte angewendet.
Nachfolgend wird eine Analyse des zu simulierenden Systems anhand einer mechanischen Welle 10 mit Messstellen nach dem Stand der Technik zur Erläuterung der Erfindung mit Bezug auf 2 kurz beschrieben. Eine alternative Lösung bestünde in einer Onlineschätzung des Verhaltens in den beschriebenen Problemzuständen.
Die physikalische Drehbewegung der mechanischen Welle 10 kann an einem bestimmten freigeschnitten Ort 11 entlang der Welle mittels Gleichungen (1) und (2) beschrieben werden. Omega (ω) bezeichnet darin die Umdrehungsgeschwindigkeit, T das Drehmoment und J die Massenträgheit.
In einem Prüfstand wird eine Momenteneingangsseite durch einen E-Motor 6, 7 und seine jeweilige Massenträgheit J_EM1, J_EM2 ersetzt. Für die gewünschte Funktion, zwei örtlich getrennte Prüfstände virtuell zu verbinden, wird das Vorgehen für den zweiten Prüfstand ebenso vollzogen, wie in der 3 gezeigt. Die entsprechenden Bezeichnungen werden in den Gleichungen 1 und 2 substituiert und es entstehen daraus die Gleichungen (3) bis (6). Der Index EM steht hierbei für die elektrische Maschine. Alle Richtungspfeile sind sinngemäß definiert und entsprechen den Vorzeichen in den Gleichungen (3) bis (6).
Als einzige direkt beeinflussbare Komponenten sind die elektrischen Maschinen 6, 7 der Systemeingang. Daher werden die Drehmomente T_EM1 und T_EM2 als Reglerausgang definiert. Eine Sollwertvorgabe am Umrichter hat jedoch eine Einregelzeit, also die Zeit bis das gewünschte Moment an der Welle eingestellt ist, die durch ein PT1-Glied 12 und eine Totzeit beschrieben werden kann, siehe erneut 1.
Unter der Prämisse, den Getriebeprüfstand Moment geregelt und den Motorprüfstand Drehzahl geregelt zu betreiben, ergibt sich die Struktur des Aufbaus wie in 1. J_ICE beschriebt die Motormassenträgheit und J_TM die Massenträgheit des Getriebes, bzw. J_EQ eine äquivalent Massenträgheit des gesamten Fahrzeugs vom Getriebe bis zum Rad in 4, je nachdem, wie das System geschnitten wird.
4 zeigt einen Signalflussplan des physikalischen Verhaltens einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Simulationseinheit in der Prüfanordnung nach 1, so dass sich die folgende Beschreibung auf beide Figuren bezieht. Zur Beschreibung des Systems in einer üblichen regelungstechnischen Form ist eine von außen vorgegebene Führungsgröße notwendig. Im beschriebenen Fall sind die Führungsgrößen aber direkt von den Stellgrößen abhängig und nicht von außen vorgegeben. Für eine systemtheoretische Darstellung wird die Regelgröße ω₂ als Führungsgröße definiert. Dadurch entsteht ein Fehler der Abbildung der Dynamik des Systems. Mittels dieses Vorgehens wird das System komplett als Kaskade abgebildet und übliche regelungstechnische Ansätze können vorteilhaft für die Auslegung des ersten Reglers 8 und des zweiten Reglers 9 als PID-Regler verwendet werden.
Erfindungsgemäß gibt der erste PID Regler 8 als Stellgröße das erste Wellendrehmoment T_EM1 aus, das den Abtrieb 3 des ersten Prüflings 1 beaufschlagt, wobei der erste Prüfling 1 der Verbrennungsmotor mit dem Trägheitsmoment J_ICE ist. Das Drehmoment T_ICE des Motors 1 wirkt als Störgröße auf den Elektromotor 6 ein, wobei der Elektromotor 6 das Trägheitsmoment J_EM1 besitzt. Daraus resultiert der erste Ist-Wert des Drehmoments T_meas1, welches an dem Abtrieb 3 des Verbrennungsmotors 1 abgegriffen wird und welches als Führungsgröße in den zweiten Regler 9 eingeht. Zusätzlich wird der erste Ist-Wert des Drehmoments T_meas1 rückgeführt und zu einer Drehgeschwindigkeit ω₁ aufintegriert, so dass die Differenz aus der Regelgröße ω₁ und der Führungsgröße ω₂ als Regelabweichung in den ersten Regler 8 eingeht.
Der zweite Regler 9 gibt als Stellgröße für die zweite Elektromaschine 7 das zweite Wellendrehmoment T_EM2 aus, um den Antrieb 4 des Getriebes 2 damit zu beaufschlagen, welcher ein äquivalentes Massenträgheitsmoment J_EQ des Antriebsstrangs aufweist. Abzüglich des äquivalenten Drehmoments des Antriebsstrangs T_EQ ergibt sich der resultierende zweite Ist-Wert des Drehmoments T_meas2 an dem Antrieb 4, welches auf eine Drehzahl aufintegriert als Führungsgröße ω₂ wieder an den ersten Regler 8 gegeben wird. Auch der zweite Ist-Wert des Drehmoments T_meas2 wird rückgeführt und von der Führungsgröße des zweiten Reglers 9, dem ersten Ist-Wert des Drehmoments T_meas1 abgezogen, so dass in den zweiten Regler 9 die Differenz als entsprechende Regelabweichung eingeht.
Der erste Regler 8 und der zweite Regler 9 sind unter den gegebenen Umständen aufgrund der Unbestimmtheit der Führungsgröße ω₂ nicht auslegbar und hängen voneinander ab. Als Lösung wird das schnellere System mit dem ersten Regler 8 als innere Regelstrecke definiert. Der innere Regler 8 wird nur auf das innere System ausgelegt. Die langsamere Strecke mit dem zweiten Regler 9 wird als äußere Strecke definiert und der Regler 9 wird auf die innere und äußere Strecke ausgelegt. Dadurch entsteht eine Kaskadenstruktur und beide Regler 8, 9 können vorteilhaft ausgelegt werden, so dass eine stabile Regelung ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Erster Prüfling, Verbrennungskraftmaschine
2: Zweiter Prüfling, Getriebe
3: Abtrieb des ersten Prüflings
4: Antrieb des zweiten Prüflings
5: Reglerlogik
6: Erste Drehmomentquelle, erste elektrische Maschine
7: Zweite Drehmomentquelle, zweite elektrische Maschine
8: Erster Regler
9: Zweiter Regler
10: Welle
11: Schnittpunkt, Messstelle
12: PT1-Glied
T_meas1: Erster Ist-Wert des Drehmoments
T_meas2: Zweiter Ist-Wert des Drehmoments
T_EM1: Erster Stellwert
T_EM2: Zweiter Stellwert
T_ICE: Drehmoment des Verbrennungsmotors
T_TM: Drehmoment des Getriebes
T_EQ: Äquivalentes Drehmoment des Antriebsstrangs
J_EM1: Massenträgheitsmoment der ersten elektrischen Maschine
J_EM2: Massenträgheitsmoment der zweiten elektrischen Maschine
J_ICE: Massenträgheitsmoment des Verbrennungsmotors
J_JM: Massenträgheitsmoment des Getriebes
J_EQ: Äquivalentes Massenträgheitsmoment des Antriebsstrangs

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling (1) und einem zweiten Prüfling (2), wobei ein Abtrieb (3) des ersten Prüflings und ein Antrieb (4) des zweiten Prüflings über eine Simulationseinheit für eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt werden wobei die Simulationseinheit dazu vorgesehen ist, eine mechanische Welle zu simulieren, indem eine Reglerlogik (5) ein Drehmoment und eine Drehzahl an dem Abtrieb des ersten Prüflings mit einem Drehmoment und einer Drehzahl an dem Antrieb des zweiten Prüflings synchronisiert, und wobei die Reglerlogik zum Synchronisieren mindestens einen Algorithmus verwendet, wobei eine Auslegung des mindestens einen Algorithmus auf einer Kenntnis mindestens eines physikalischen Modells der Prüfanordnung beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ist-Wert des Drehmoments (T_meas1) oder der Drehzahl an dem Abtrieb (3) des ersten Prüflings (1) und ein zweiter Ist-Wert des Drehmoments (T_meas2) oder der Drehzahl an dem Antrieb (4) des zweiten Prüflings (2) bestimmt wird, wobei der zweite Ist-Wert als erste Führungsgröße für einen ersten Regler (8) und der erste Ist-Wert als zweite Führungsgröße für einen zweiten Regler (9) verwendet wird, wobei der erste Regler als Stellgröße ein erstes Wellendrehmoment (T_EM1) ausgibt, so dass der Abtrieb des ersten Prüflings durch die Simulationseinheit mit dem ersten Wellendrehmoment beaufschlagt wird und wobei der zweite Regler als Stellgröße ein zweites Wellendrehmoment (T_EM2) ausgibt, so dass der Antrieb des zweiten Prüflings durch die Simulationseinheit mit dem zweiten Wellendrehmoment beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (8) mit einer zugehörigen Regelstrecke ein erstes System bildet und der zweite Regler (9) mit einer zugehörigen Regelstrecke ein zweites System bildet, wobei das schnellere der zwei Systeme als inneres System und das langsamere der zwei Systeme als äußeres System definiert wird, wobei der Regler (8) des inneren Systems auf das innere System ausgelegt wird und wobei der Regler (9) des äußeren Systems auf das innere und das äußere System ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ganzeinheitlicher Regler verwendet wird, wobei das Synchronisieren durch eine kombinierte Drehmomentregelung oder durch eine kombinierte Drehzahlregelung für den ersten Prüfling und für den zweiten Prüfling erfolgt, wobei der ganzeinheitliche Regler eine numerische Optimierung einer Kostenfunktion vornimmt, wobei in der Kostenfunktion die Synchronisationsbedingungen enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kostenfunktion eine Summe aus einem Quadrat von Eingangsgrößen, kombiniert aus Drehmomenten und Drehzahlen; einem Quadrat von Ausgangsgrößen, also den Ist-Werten der Drehmomente an den jeweiligen Messstellen; einem Quadrat einer Drehzahl-Differenz zwischen dem ersten Prüfling und dem zweiten Prüfling; und einem Quadrat einer Drehmoment-Differenz zwischen dem ersten Prüfling und dem zweiten Prüfling minimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Kenntnis des mindestens einen physikalischen Modells der Prüfanordnung eine Vorsteuerung derart ausgelegt wird, dass auftretende Nichtlinearitäten ausgeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein physikalisches Verhalten der Prüfanordnung partiell oder vollständig modelliert und für eine Vorsteuerung invertiert wird, wobei als Synchronisationsbedingung das Modell mit Messgrößen beaufschlagt wird und dadurch eine synchronisierte Führungsgröße als Reglereingang erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung eines Trägheitsmoments des zweiten Prüflings (2) eine an das jeweilige Trägheitsmoment des zweiten Prüflings angepasste Auslegung des ersten Reglers (8) und/oder des zweiten Reglers (9) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nicht-linearem Verhalten der Prüflinge auf Grund einer Trennung der Kopplung zwischen dem ersten Prüfling und dem zweiten Prüfling, der erste Regler und der zweite Regler abgeschaltet und durch eine reine Drehzahlregelung für mindestens einen der zwei Prüflinge ersetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht-linearem Verhalten der Prüflinge, der erste Regler und der zweite Regler mittels einer Fuzzylogik durch eine abfallende Rampe auf Null gefahren werden und anschließend durch eine ansteigende Rampe mit einer neuen Parameterauswahl wieder in Funktion gebracht werden.
Simulationseinheit zum Simulieren einer mechanischen Welle zwischen einem erste Prüfling (1) und einem zweiten Prüfling (2), wobei ein Abtrieb (3) des ersten Prüflings und ein Antrieb (4) des zweiten Prüflings durch eine Übertragung von Drehmoment und Drehzahl miteinander virtuell gekoppelt sind, wobei die Simulationseinheit eine erste Drehmomentquelle (6) zur Verbindung mit dem Abtrieb des ersten Prüflings und eine zweite Drehmomentquelle (7) eines Antrieb des zweiten Prüflings aufweist, wobei die Simulationseinheit weiterhin eine Reglerlogik (5) für eine Synchronisierung eines Drehmoments und eine Drehzahl an dem Abtrieb des ersten Prüflings mit einem Drehmoment und einer Drehzahl an dem Antrieb des zweiten Prüflings aufweist, und wobei die Reglerlogik zum Synchronisieren mindestens einen Algorithmus umfasst, wobei eine Auslegung des mindestens einen Algorithmus auf einer Kenntnis mindestens eines physikalischen Modells der Prüfanordnung beruht.
Prüfanordnung mit einem ersten Prüfling und einem zweiten Prüfling, wobei ein Abtrieb des ersten Prüflings und ein Antrieb des zweiten Prüflings über eine Simulationseinheit gemäß Anspruch 11 miteinander virtuell gekoppelt sind.