DE102018121107A1

DE102018121107A1 - Modellbasierte Überwachung von Maschinenkomponenten

Info

Publication number: DE102018121107A1
Application number: DE102018121107.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Pieta
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2018-11-08
Also published as: DE102019122779A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente und ein Steuergerät.Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente sieht die Verwendung eines Modells mit zumindest einem freien Parameter vor, das das Verhalten der zumindest einen Maschinenkomponente beschreiben kann, und umfasst die folgenden Schritte:- Messen von zumindest einem Messwert (S10), der Informationen über den Zustand der zumindest einen Maschinenkomponente enthält, so dass das im Modell zu lösende Gleichungssystem vollständig bestimmt oder überbestimmt ist,- Bestimmen des zumindest einen freien Parameters des Modells (S20), wobei der zumindest eine freie Parameter durch Abgleich mit dem zumindest einen Messwert kontinuierlich berechnet wird,- Überwachung (S30) der zumindest einen Maschinenkomponente durch Vergleich des zumindest einen berechneten freien Parameters mit Grenzwerten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente und ein Steuergerät.
Aus der DE102007042420A1 ist ein Verfahren bekannt, das zur Überwachung eines Partikelfilters die freien Parameter eines physikalischen Modells unter Verwendung eines Kalman-Filters schätzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente sieht die Verwendung eines Modells mit zumindest einem freien Parameter vor, das das Verhalten der zumindest einen Maschinenkomponente beschreiben kann, und umfasst die folgenden Schritte:

- Messen von zumindest einem Messwert, der Informationen über den Zustand der zumindest einen Maschinenkomponente enthält, so dass das im Modell zu lösende Gleichungssystem vollständig bestimmt oder überbestimmt ist,
- Bestimmen des zumindest einen freien Parameters des Modells, wobei der zumindest eine freie Parameter durch Abgleich mit dem zumindest einen Messwert kontinuierlich analytisch berechnet wird,
- Überwachung der zumindest einen Maschinenkomponente durch Vergleich des zumindest einen berechneten freien Parameters mit Grenzwerten.

Für die Bestimmung freier Modellparameter wird üblicherweise eine Vielzahl von Messwerten verwendet, um vertrauenswürdige freie Parameter zu erhalten. Da das System dann überbestimmt ist, existiert keine analytische Lösung. In diesem Fall werden Näherungsverfahren zur Bestimmung derfreien Parameter verwendet, um die Gesamtabweichung von allen Messwerten zu minimieren. Die Qualität dieser Näherung nimmt für gewöhnlich zu, je mehr Messwerte verwendet werden. Die meisten bekannten Näherungsverfahren benötigen gleichzeitigen Zugriff auf alle zu verwendenden Messwerte, die also alle im Speicher des Gerätes vorgehalten werden müssen, das die Näherung vornimmt. Außerdem sind die Verfahren zumeist rechenaufwändig, liefern dafür aber häufig die bestmögliche Näherung. In den meisten Fällen ist das Gerät, das die Näherung vornimmt, auch für die Steuerung der Maschine zuständig und daher sind sowohl Speicher als auch Rechenleistung begrenzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effiziente und schnelle Überwachung einer Maschinenkomponente, da die analytische Berechnung der freien Parameter sehr niedrige Rechen- und Speicherkapazitäten benötigt und die Berechnung erfolgen kann, sobald das Gleichungssystem des Maschinenkomponentenmodells vollständig bestimmt ist. Die Berechnung der freien Parameter kann immer dann wiederholt werden, wenn ein neuer Messwert vorliegt. So wird eine kontinuierliche Anpassung der freien Parameter möglich, wodurch Änderungen im Systemverhalten vom Maschinenkomponentenmodell erfasst werden können.
Eine vorteilhafte erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass nach dem Bestimmen des zumindest einen freien Parameters des Modells eine Filterung des zumindest einen berechneten freien Parameters vorgenommen wird. Die Filterung ermöglicht es, dass Schwankungen, die dem zumindest einen in die analytische Bestimmung eingehenden Messwert zugrunde liegen können, verringert und damit die Qualität des zumindest einen berechneten freien Parameters verbessert wird. Übliche Filterverfahren benötigen nur wenig Rechenleistung und Speicherplatz.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Überwachung beliebiger Maschinenkomponenten angewendet werden. Besonders eignet es sich für den Einsatz im Fahrzeug, da es aufgrund seiner Effizienz sehr gut in den dort üblicherweise hinsichtlich Speicher und Rechenleistung begrenzten Steuergeräten einsetzbar ist. Bevorzugt ist die Anwendung zur Überwachung von Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors, wie Katalysatoren und Filtern, da durch die kontinuierliche Anpassung des zumindest einen freien Parameters Vorgänge wie Beladung und Regeneration, zum Beispiel eines Partikelfilter, sehr gut erfasst werden können und somit eine genaue Überwachung der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems möglich wird.
Das erfindungsgemäße Steuergerät ist derart eingerichtet, gemäß dem Verfahren die zumindest eine Maschinenkomponente zu überwachen.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur modellbasierten Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, gemäß dem eine Maschinenkomponente einer Maschine unter Verwendung eines Modells überwacht wird. Die Maschine ist dabei ein Verbrennungsmotor, hierein Dieselmotor, die betrachtete Maschinenkomponente ein Partikelfilter. Der Partikelfilter in diesem Ausführungsbeispiel wird durch zwei freie Parameter charakterisiert. Er ist vollständig bestimmt, wenn genau zwei Messwerte vorliegen.
Im ersten Schritt S10 werden Messwerte, hier durch Messung von Druck und Volumenstrom, bestimmt. Die Messwerte liefern Informationen über den Zustand des Partikelfilters, der durch ein Gleichungssystem modelliert wird. Für das Gleichungssystem werden in diesem Ausführungsbeispiel Polynome verwendet, wobei auch andere Ansätze denkbar sind. Für den betrachteten Partikelfilter wird das Modell so aufgestellt, dass es zwei freie Parameter enthält. Das Modell kann aber auch so angepasst werden, dass eine andere Anzahl an freien Parametern und Messwerten verwendet werden kann. Die Bestimmung der freien Parameter erfolgt kontinuierlich und analytisch im zweiten Schritt S20 durch Abgleich mit den Messwerten. Im dritten Schritt S30 wird der Partikelfilter überwacht, indem die berechneten freien Parameter mit Grenzwerten verglichen werden. So kann ein Über- oder Unterschreiten der Grenzwerte beispielsweise auf einen gebrochenen oder verstopften Partikelfilter hinweisen.
In einem weiteren Schritt S21 wird eine Filterung der freien Parameter vorgenommen. Damit werden große Schwankungen, die die freien Parameter verfälschen können, verringert. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Tiefpassfilter verwendet. Wie auch andere Verzögerungsglieder erster Ordnung ermöglicht der Tiefpassfilter eine kontinuierliche Auswertung und reduziert hochfrequente Schwankungen.
In einer Variante wird vor dem Schritt S20 eine Filterung der Messwerte S11 vorgenommen. Damit werden Schwankungen bereits vor der Berechnung der freien Parameter verringert.
In einer weiteren Variante werden in S11 und/oder S21 gewichtete Filterungen vorgenommen. Allen Filterverfahren ist gemein, dass die Gewichtung der einzelnen Werte der freien Parameter nur von der Zeit, nicht aber von der Qualität des jeweiligen Werts der freien Parameter abhängt. Wenn die Varianz der Messwerte bekannt ist, oder zumindest geschätzt werden kann, kann mittels üblicher Fehlerfortpflanzung die Varianz der berechneten Werte der freien Parameter berechnet und daraus individuelle Gewichte für die einzelnen Werte der freien Parameter bestimmt werden. Beispielsweise kann der Kehrwert der Varianz verwendet werden. Damit werden berechnete Werte der freien Parameter mit hoher Varianz geringer gewichtet und haben einen reduzierten Einfluss auf das Endergebnis. Wenn aufgrund äußerer Bedingungen eine weitere Bewertung der Qualitäten der einzelnen Werte der freien Parameter möglich ist, kann diese Bewertung ebenfalls herangezogen werden, um die Gewichte zu verändern und Werte der freien Parameter mit geringer Glaubwürdigkeit geringer zu gewichten. Das Verfahren kann analog auch für die gewichtete Filterung der Messwerte verwendet werden. Auf diese Weise kann der Einfluss von Messfehlern auf die freien Parameter reduziert werden.
In einer weiteren Variante wird eine adaptive Filterung durchgeführt, indem das Verhalten des verwendeten Filters an eine erwartete Änderungsrate der zwei freien Parameter angepasst wird. Ein Beispiel ist die Beladung des Partikelfilters, wodurch sich die Werte der freien Parameter ändern können. Die adaptive Filterung erlaubt es, solchen veränderten Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen, anstatt freie Parameter oder Messwerte als wenig glaubwürdig einzustufen und damit gering zu gewichten.
In einer weiteren Variante werden mehrere Filter parallel betrieben. Diese können gleichzeitig oder unabhängig voneinander aktualisiert werden. Jeder Filter bietet dann teilweise unabhängige freie Parameter oder Messwerte an, die für unterschiedliche Zwecke verwendet werden können. Für den in diesem Ausführungsbeispiel betrachteten Partikelfilter kann es vorteilhaft sein, einen ersten Filter zu verwenden, dessen Verhalten an die erwartete Rußbeladung angepasst ist, die im Normalbetrieb langsam ansteigt und während der Regeneration schneller abfällt. Zum Ende der Regeneration könnte dann ein zweiter, sehr langsamer Filter aktualisiert werden, der zur Überwachung der Aschebeladung des Partikelfilters dient.
In einem weiteren Schritt S22 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Überwachung des Partikelfilters S30 eine Bewertung der Qualität der aktuellen Werte der zwei freien Parameter vorgenommen. Jedes Mal, wenn neue Werte der freien Parameter vorliegen, wird der Unterschied zu den vorhergehenden Werten der freien Parameter berechnet. Dieser Unterschied wird dazu herangezogen, die Qualität der neuen Werte der freien Parameter zu bewerten und die Gewichte für die gewichtete Filterung in S11 und/oder S21 zu bestimmen oder zu verbessern.
In einer Variante werden mit dem Unterschied zwischen zwei zeitlich nacheinander berechneten Werten der freien Parameter weitere Berechnungen durchgeführt. In den meisten Fällen ist es sinnvoll, zuerst den Betrag zu berechnen um die Abweichung unabhängig von ihrer Richtung zu bewerten. Zusätzlich kann beispielsweise das Quadrat der Abweichung verwendet werden, um stärkeren Abweichungen in der Bewertung ein höheres Gewicht zu verleihen. Andere Potenzen, auch kleiner als 1, sind je nach Anwendung ebenfalls denkbar, um die Gewichtung der Abweichungen an die Anwendung anzupassen.
In einem weiteren Schritt S23 wird vor der Überwachung des Partikelfilters S30 eine Bewertung der Qualität der gesamten Werte der zwei freien Parameter vorgenommen. Hierzu wird der wie in S22 berechnete Unterschied zwischen zwei Werten der zwei freien Parameter selbst wiederum gefiltert, wodurch eine Bewertung der gesamten Werte der freien Parameter ermöglicht wird. Diese Bewertung kann als Entscheidungsgrundlage herangezogen werden, wie viele Werte eines freien Parameters gesammelt werden müssen, um eine ausreichende Qualität der gefilterten Werte des freien Parameters zu erreichen. Falls eine ausreichende Qualität nicht mehr erreicht werden kann, kann es vorteilhaft sein, die gefilterten Werte eines freien Parameters zu verwerfen und neu zu beginnen.
In einer Variante werden die aktuellen Werte der zwei freien Parameter verwendet, um über das Modell erwartete Messwerte zu berechnen. Die erwarteten Messwerte werden mit der tatsächlichen Messung verglichen. Die beobachtete Abweichung wird dann mit den im vorhergehenden Absatz beschriebenen Verfahren zur Bewertung der Qualität der gesamten Werte der freien Parameter herangezogen. Als Filterung würde sich insbesondere der Mittelwert der quadratischen Abweichung anbieten.
Mögliche Maschinen, für die das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls verwendet werden kann, sind beispielsweise Otto- und Gasmotoren. Es kommen aber grundsätzlich alle Maschinen in Betracht, die Komponenten enthalten, deren Verfahren durch Modelle mit freien Parametern beschrieben werden kann.
Mögliche alternative Maschinenkomponenten sind SCR Katalysatoren, Oxidationskatalysatoren, aber auch Sensoren. Denkbare Anwendungen umfassen außerdem die Überwachung einer Abgasrückführung oder der Zylinderfüllung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann analog auch für andere Anzahlen an freien Parametern und Messwerten verwendet werden.
Alternativ zum Tiefpassfilter können als Filter andere Verzögerungsglieder erster Ordnung, Verzögerungsglieder höherer Ordnung oder Mittelwerte verwendet werden. Verzögerungsglieder höherer Ordnung können den Einfluss starker Abweichungen weiter reduzieren, allerdings mit dem Risiko, dass Oszillationen im Ausgangssignal auftreten. Ein Mittelwert kann über eine definierte Anzahl von berechneten Werten der freien Parameter oder Messwerten gebildet werden. Alternativ wird der Mittelwert so lange berechnet, bis eine anderweitig definierte Bedingung eintritt. Mit jedem neu berechneten freien Parameter oder jedem neuen Messwert wird der Mittelwert aktualisiert. Dieses Verfahren erlaubt die gleiche Gewichtung aller genutzten Werte der freien Parameter oder Messwerte, aber eine kontinuierliche Auswertung ist nicht möglich.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts (nicht gezeigt) ist derart eingerichtet, gemäß dem hier dargestellten Verfahren den Partikelfilter des Dieselmotors zu überwachen. Das Steuergerät ist vorzugsweise das Steuergerät eines Fahrzeuges zum Steuern eines Dieselmotors, wobei der Partikelfilter ein Bestandteil des Dieselmotors ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007042420 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Überwachung von zumindest einer Maschinenkomponente unter Verwendung eines Modells mit zumindest einem freien Parameter, der das Verhalten der zumindest einen Maschinenkomponente beschreiben kann, umfassend die folgenden Schritte: - Messen von zumindest einem Messwert (S10), der Informationen über den Zustand der zumindest einen Maschinenkomponente enthält, so dass das im Modell zu lösende Gleichungssystem vollständig bestimmt oder überbestimmt ist, - Bestimmen (S20) des zumindest einen freien Parameters des Modells, wobei der zumindest eine freie Parameter durch Abgleich mit dem zumindest einen Messwert kontinuierlich analytisch berechnet wird, - Überwachung (S30) der zumindest einen Maschinenkomponente durch Vergleich des zumindest einen berechneten freien Parameters mit Grenzwerten.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei nach dem Bestimmen (S20) des zumindest einen freien Parameters des Modells eine Filterung des zumindest einen freien Parameters (S21) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Bestimmen (S20) des zumindest einen freien Parameters des Modells eine Filterung des zumindest einen Messwertes (S11) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine gewichtete Filterung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine adaptive Filterung durchgeführt wird, indem das Verhalten des verwendeten Filters an eine erwartete Änderungsrate des zumindest einen freien Parameters oder des zumindest einen Messwertes angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mehrere Filter parallel betrieben werden, so dass teilweise unabhängige Werte für den zumindest einen freien Parameter oder den zumindest einen Messwert vorliegen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei vor der Überwachung der zumindest einen Maschinenkomponente (S30) eine Bewertung der Qualität des aktuellen Wertes des zumindest einen freien Parameters (S22) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei vor der Überwachung der zumindest einen Maschinenkomponente (S30) eine Bewertung der Qualität der gesamten Werte des zumindest einen freien Parameters (S23) vorgenommen wird.
Steuergerät, das eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 die zumindest eine Maschinenkomponente zu überwachen.