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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Simulationsmodells mit mehreren unabhängigen Kennfeldern, Kennlinien oder Skalaren und ein Computerprogramm zum Durchführen des Verfahrens.
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Die Druckschrift
DE 102 19 797 A1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung eines Simulationsmodells zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei die Optimierung hinsichtlich der Genauigkeit des Simulationsmodells und der Glattheit des verwendeten Kennfelds oder Kennfelder erfolgt. Die Glattheit ist über die Summe der zweiten Ableitungen definiert, welche es entsprechend zu minimieren gilt.
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Die Kalibrierung von Kennfeldern, Kennlinien und Skalaren eines Modells mittels eines Optimierungsprozesses führt bei Verwendung eines Verfahrens, das lediglich die Genauigkeit des Simulationsmodels berücksichtigt, häufig zu Verläufen der zu optimierenden Kennfelder und Kennlinien, die, innerhalb der gegebenen Modellstruktur, als unplausibel zu bezeichnen sind.
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Zudem sind Bereiche von Kennfeldern und Kennlinien, für die keine Messdaten vorliegen, bei reiner Betrachtung der Genauigkeit des Simulationsmodells, einer Optimierung nicht zugänglich.
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Die Glattheit eines Kennfeldes oder einer Kennlinie spiegelt nicht in jedem Fall die Plausibilität der Bedatung innerhalb einer gegebenen Modellstruktur wieder. Mitunter sind Verläufe mit großen Gradienten sogar explizit erforderlich. Eine Extrapolation des Verlaufs einer Kennlinie oder eines Kennfelds in Bereiche, für die keine Messdaten zur Optimierung hinsichtlich der Genauigkeit des Simulationsmodells vorliegen ist nur bedingt möglich.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einem Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Simulationsmodells mit mehreren unabhängigen Kennfeldern, Kennlinien oder Skalaren gelöst, mit den Schritten eines Bestimmens jeweils eines Referenzkennfeldes für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare des Simulationsmodells, wobei für zu optimierende Kennfelder das Referenzkennfeld ebenfalls ein Kennfeld ist, für zu optimierende Kennlinien das Referenzkennfeld eine Kennlinie ist und für zu optimierende Skalare das Referenzkennfeld ebenfalls ein Skalar ist; eines Auswählens eines funktionalen Zusammenhangs mit mindestens einem Funktionsparameter für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare, basierend auf den bestimmten Referenzkennfeldern; eines Festlegens zumindest eines initialen Funktionsparameters für den funktionalen Zusammenhang; eines Berechnens der Funktionswerte des zumindest einen funktionalen Zusammenhangs der unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare; eines Berechnens des Ausgangswertes des Simulationsmodells auf Basis des zumindest einen berechneten Funktionswertes; eines Berechnens eines Abweichungswertes zwischen dem berechneten Ausgangswert des Simulationsmodells und einem gemessenen Zielwert; und eines Minimierens des Abweichungswertes durch Variieren des zumindest einen Funktionsparameters und Wiederholen der Berechnungsschritte. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Ausgangswert des Modells auf schnelle Weise an Messwerte angepasst werden kann und sich gleichzeitig plausible Werte und Verläufe für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinie oder Skalare ergeben.
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In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Stützpunkte der unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare bestimmt, indem die Stützpunkte eines Referenzkennfeldes durch eine Anwendung des funktionalen Zusammenhanges verschoben werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine vorhersagbare Änderung der Stützpunkte erzielt wird.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der funktionale Zusammenhang durch eine parametrische Funktion beschrieben, die sowohl die Stützstellen als auch die Stützwerte der unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare verändert. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Genauigkeit der Anpassung der Kennfelder, Kennlinien oder Skalare erhöht wird.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der funktionale Zusammenhang durch einen Spline oder eine rationale Bezierkurve dargestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass glatte und stetige Kennfelder, Kennlinien oder Skalare erzeugt werden können.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der erlaubte Wertebereich für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare durch eine obere und/oder untere Grenze eingeschränkt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass technisch sinnvolle und realisierbare Werte erhalten werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Funktionsparameter des funktionalen Zusammenhanges nur innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches verändert. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass technisch sinnvolle und realisierbare Werte erhalten werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens hat das Simulationsmodell mehrere Ausgangswerte, die jeweils mit einem gemessenen Zielwert verglichen werden und die jeweiligen Abweichungswerte gewichtet werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass Quereffekte innerhalb des Simulationsmodells für mehrere Ausgangswerte berücksichtigt werden.
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In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das Simulationsmodel ein Füllungserfassungsmodell, ein Momentenmodell, ein Abgastemperaturmodell, ein Kraftstofftemperaturmodell oder ein Öltemperaturmodell. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Verfahren für die Kalibrierung von besonders geeigneten technischen Modellen verwendet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Computerprogramm mit Befehlen gelöst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Blockdiagramm des Verfahrens; und
- 2 eine Kennlinie vor und nach der Anpassung durch das Verfahren, sowie ein Referenzkennfeld
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1 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zur Kalibrierung eines Simulationsmodells 100 mit mehreren unabhängigen Kennfeldern, Kennlinien oder Skalaren. Das Simulationsmodel 100 ist beispielsweise ein Simulationsmodell zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wie ein Otto- oder Dieselmotor in einem Kraftfahrzeug.
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Das Simulationsmodell 100 beinhaltet beispielsweise Kennlinien oder Kennfelder, die einer bzw. mehreren Eingangsgrößen eine Ausgangsgröße zuordnen und Skalare, die eine Ausgangsgröße ausgeben. Diese Ausgangsgrößen sind durch mathematische Operationen verknüpft und ergeben den Ausgangswert des Modells. Der Ausgangswert des Modells dient zur Steuerung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Eingangswerte des Modells und der unabhängigen Kennfelder, Kennlinien und Skalare.
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Bei dem Verfahren wird neben der Genauigkeit des Simulationsmodells 100 auch die Abweichung der zu optimierenden Kennfelder, Kennlinien und Skalare von jeweils einem gewählten Referenzkennfeld berücksichtigt. Für zu optimierende Kennfelder ist das Referenzkennfeld ebenfalls ein Kennfeld, für zu optimierende Kennlinien ist das Referenzkennfeld eine Kennlinie und für zu optimierende Skalare ist das Referenzkennfeld ebenfalls ein Skalar. Jedes Referenzkennfeld stellt dabei eine für die gegebene Modellstruktur plausible Kalibrierung bezüglich des Wertebereichs und des Verlaufs dar.
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Im ersten Schritt S101 wird jeweils ein Referenzkennfeld für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare 101 des Simulationsmodells 100 bestimmt. Danach wird in Schritt S102 ein funktionaler Zusammenhangs mit mindestens einem Funktionsparameter für die unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare basierend auf den bestimmten Referenzkennfeldern ausgewählt. In Schritt S103 wird zumindest ein initialer Funktionsparameters für den funktionalen Zusammenhang festgelegt. Anschließend werden in Schritt S104 die Funktionswerte des zumindest einen funktionalen Zusammenhangs der unabhängigen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare 101 berechnet. In Schritt S105 wird der Ausgangswert des Simulationsmodells 100 auf Basis des zumindest einen berechneten Funktionswertes berechnet. In Schritt S106 wird ein Abweichungswert zwischen dem berechneten Ausgangswert des Simulationsmodells 100 und einem gemessenen Zielwert berechnet. Schließlich wird in Schritt S107 der Abweichungswert durch Variieren zumindest eines Funktionsparameters minimiert und die Berechnungsschritte S104, S105 und S106 werden wiederholt.
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Durch das Verfahren lassen sich effizient Kennlinien, Kennfelder oder Skalare zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ermitteln. Die gewonnenen Kennfelder, Kennlinien oder Skalare weisen innerhalb der gegebenen Modellstruktur einen plausiblen Wertebereich und einen plausiblen Verlauf auf, da diese unter Berücksichtigung von Referenzkennfeldern gewonnen worden sind.
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Des Weiteren können mit diesem Verfahren Bereiche, für die keine Messdaten zur Minimierung der Abweichung des Simulationsmodells 100 vorlegen, anhand einer einfachen Betrachtung der Referenzkennfelder kalibriert werden.
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Zudem kann die Kalibrierung mit deutlich geringerem Zeitaufwand und Ressourcenaufwand erfolgen, da eine manuelle Nachbearbeitung der aus dem Optimierungsprozess entstehenden Bedatung in geringerem Maße notwendig ist. Aufgrund des deutlich verminderten Aufwands sind Kosten- und Zeiteinsparungen möglich.
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2 zeigt eine Kennlinie 101 vor der Anpassung durch das Verfahren, das zugehörige Referenzkennfeld in Form einer Kennlinie 102 und die Kennlinie nach der Anpassung durch das Verfahren 103. Die Kennlinie 101 ist Teil eines Simulationsmodells 100 mit weiteren unabhängigen Kennfeldern, Kennlinien und Skalaren. Für die folgenden Erläuterungen wird einfachheitshalber jedoch angenommen, dass das Simulationsmodell 100 nur diese Kennlinie 101 beinhaltet.
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Die Kennlinie 102 wird anhand einer Betrachtung der gegebenen Modellstruktur, der Eingangs- und Ausgangsgröße sowie bereits vorhandener Kalibrierungen des gleichen Modells für andere reale Systeme bestimmt. Der Verlauf der Kennlinie 102 wird durch mehrere Stützpunkte 104 definiert. Diese Stützpunkte 104 sind Wertepaare aus Stützstellen 105 (Werte für die Eingangsgröße) und entsprechenden Stützwerten 106 (Werte für die Ausgangsgröße).
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Der Verlauf einer veränderten Kennlinie 103 kann nun mit Hilfe eines funktionalen Zusammenhanges basierend auf den Stützpunkten der Kennlinie 102 definiert werden. Dieser funktionale Zusammenhang kann durch eine parametrische Darstellung mittels rationaler Bezierfunktionen gegeben sein, beispielsweise:
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Funktionswert = f(t, p1, p2, p3). Dabei ist t der Kurvenparameter und die Parameter p1, p2, p3 sind die Funktionsparameter. Die veränderten Stützpunkte
107 (definiert durch veränderte Stützstellen
108 und veränderte Stützwerte
109) der veränderten Kennlinie
103 können dann zum Beispiel durch folgenden funktionalen Zusammenhang beschrieben werden:
und
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Hierbei sind die Funktionen f1 und f2 jeweils eindimensionale rationale Bezierkurven mit unterschiedlichen Funktionsparametern p1, p2, p3 und p4, p5, p6.
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Durch Festlegen von initialen Werten für die Funktionsparameter p1, p2, p3 und p4, p5, p6 lässt sich anhand der berechneten Stützpunkte eine initiale Form der Kennlinie 103 bestimmen. Auf Basis dieser Kennlinie können dann Ausgangswerte des Simulationsmodells 100 berechnet werden. In diesem Beispiel entspricht der Eingangswert des Simulationsmodells 100 der Eingangsgröße der Kennlinie und der Ausgangswert des Simulationsmodells 100 entspricht der Ausgangsgröße der Kennlinie.
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Es werden also für verschiedene Werte des Strömungsquerschnittes entsprechende Werte des Massenstromes berechnet. In einem nächsten Schritt werden die Ausgangswerte des Simulationsmodells mit gemessenen Werten verglichen, wie beispielsweise ein Massenstrom als Funktion des Querschnitts, gemessen am realen System, und ein Abweichungswert zwischen den berechneten Ausgangswerten des Simulationsmodells 100 und den gemessenen Zielwerten berechnet.
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Durch Variation der Funktionsparameter p1, p2, p3, p4, p5, p6 wird die Form der Kennlinie verändert, um diesen Abweichungswert zu verringern, so dass sich eine angepasste und verbesserte Kennlinie 103 ergibt, die zu einer höheren Modellgenauigkeit führt.
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Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise durch dedizierte Hardware oder durch ein Computerprogramm ausgeführt werden, dass auf einem Computer mit einem Prozessor und einem Datenspeicher ausgeführt wird.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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