DE102021205735A1 - Method for controlling a pump, method for training a neural network and fluid supply system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Pumpe mit einem Pumpenraum, wenigstens einem Ventil für den Pumpenraum, das aktiv steuerbar ist, und mit einem Aktor, mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element hin und her bewegbar ist, wobei unter Verwendung eines auf einem künstlichen neuronalen Netz (N) basierenden Modells (M) der Pumpe, das aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters (T, n, pS, pF, U) als Eingang erhält, ein aktueller Druck im Pumpenraum bestimmt wird, wobei basierend auf dem aktuellen Druck (pP) im Pumpenraum Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt werden, und wobei die Pumpe basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkten (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) angesteuert wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Trainieren eines solchen künstlichen neuronalen Netzes (N) sowie ein Fluid-Versorgungssystem mit einer solchen Pumpe.The invention relates to a method for controlling a pump with a pump chamber, at least one valve for the pump chamber that can be actively controlled, and with an actuator with which an element delimiting the pump chamber can be moved back and forth, using an artificial neural network (N)-based model (M) of the pump, which receives current values of at least one parameter (T, n, pS, pF, U) characteristic of the operation of the pump as input, a current pressure in the pump chamber is determined, based on switching times (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) for the at least one actively controllable valve for operating the pump are determined on the current pressure (pP) in the pump chamber, and the pump based on the switching times determined (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) is controlled. The invention also relates to a method for training such an artificial neural network (N) and a fluid supply system with such a pump.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe z.B. eines Fluid-Versorgungssystems, ein Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie ein Fluid-Versorgungssystem.The present invention relates to a method for operating a pump, e.g.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NOx), das sog. SCR-Verfahren (engl.: Selective Catalytic Reduction) zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Reduktionsmittellösung in das typischerweise sauerstoffreiche Abgas eingeführt.The so-called SCR method (Selective Catalytic Reduction) can be used in the after-treatment of exhaust gases in motor vehicles, in particular for the reduction of nitrogen oxides (NO x ). A urea-water solution (HWL) is introduced as a reducing agent solution into the typically oxygen-rich exhaust gas.
Hierfür kann ein Dosiermodul bzw. Dosierventil verwendet werden, das eine Düse umfasst, um die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom einzusprühen bzw. einzubringen. Stromaufwärts eines SCR-Katalysators reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welcher sich anschließend am SCR-Katalysator mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen.A dosing module or dosing valve can be used for this purpose, which comprises a nozzle in order to spray or introduce the urea-water solution into the exhaust gas flow. Upstream of an SCR catalytic converter, the urea-water solution reacts to form ammonia, which then combines with the nitrogen oxides on the SCR catalytic converter, resulting in water and nitrogen.
Das Dosierventil ist typischerweise über eine Druckleitung mit einer Pumpe verbunden. Diese pumpt die Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Reduktionsmitteltank zum Dosiermodul. Zusätzlich kann ein Rücklauf mit dem Reduktionsmitteltank verbunden sein, über den überschüssige Harnstoff-Wasser-Lösung zurückgeführt werden kann. Eine solche Pumpe kann z.B. über einen Pumpenraum und aktiv steuerbare Ventile verfügen, wie in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe, ein Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie ein Fluid-Versorgungssystemmit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating a pump, a method for training an artificial neural network, a computing unit and a computer program for its implementation, and a fluid supply system with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb einer Pumpe, die einen Pumpenraum mit wenigstens einem, vorzugsweise aber zwei Ventilen aufweist, von denen wenigstens eines, zweckmäßigerweise aber beide, aktiv steuerbar sind. Zudem ist ein Aktor vorgesehen, mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element hin und her bewegbar ist, also das Volumen des Pumpenraums veränderbar ist.The invention deals with the operation of a pump which has a pump chamber with at least one, but preferably two valves, of which at least one, but expediently both, can be actively controlled. In addition, an actuator is provided with which an element delimiting the pump chamber can be moved back and forth, ie the volume of the pump chamber can be changed.
Bei dem Aktor kann es sich z.B. um einen Elektromotor handeln. Bei dem den Pumpenraum begrenzenden Element kann es sich insbesondere um eine Membran handeln, die z.B. über einen Pleuel mit einem an einem Läufer des Elektromotors angebrachten Exzenter gekoppelt ist. Hierbei handelt es sich dann um eine sog. Membranpumpe, wie sie typischerweise für die schon erwähnten SCR-Versorgungssysteme eingesetzt wird. Grundsätzlich muss es sich bei dem Element aber nicht um eine Membran handeln, denkbar ist auch ein Kolben, der den Pumpenraum (direkt) begrenzt. Die zwei Ventile dienen dabei insbesondere als Einlassventil und als Auslassventil. Anstelle eines Elektromotors kommt aber z.B. auch ein Linearaktor in Betracht, z.B. ein mittels eines Elektromagneten beweglicher Anker, der gegen eine Federkraft das den Pumpenraum begrenzenden Element (auch hier kann es sich wieder um eine Membran handeln) auf- und abbewegt werden kann.The actuator can be an electric motor, for example. The element delimiting the pump chamber can in particular be a membrane which, for example, is coupled via a connecting rod to an eccentric attached to a rotor of the electric motor. This is then a so-called diaphragm pump, as is typically used for the SCR supply systems already mentioned. In principle, however, the element does not have to be a membrane; a piston that (directly) delimits the pump chamber is also conceivable. The two valves are used in particular as an inlet valve and an outlet valve. Instead of an electric motor, a linear actuator can also be considered, e.g. an armature that can be moved by means of an electromagnet, which can be moved up and down against a spring force in the element that delimits the pump chamber (this can also be a membrane).
Unter einem aktiv steuerbaren Ventil (dies gilt sowohl für ein Einlassventil als auch das Auslassventil) ist hierbei zu verstehen, dass das Öffnen und Schließen des Ventils aktiv gezielt herbeigeführt werden kann, und zwar z.B. durch einen elektromagnetischen Aktor mit einer Spule und einem Anker, sodass durch geeignetes Bestromen der Spule das Ventil geschaltet werden kann. Es versteht sich, dass auch anderen Arten von aktiv steuerbaren Ventilen mit z.B. mehreren Spulen oder anderen Aktoren verwendeten werden können. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei anderen - oder auch bei herkömmlicherweise in Pumpen in SCR-Systemen verwendeten Ventilen - um solche Ventile, die passiv bzw. automatisch bei Anliegen eines bestimmten Drucks öffnen. Mit solchen herkömmlichen Ventilen kann also beispielsweise in einer Saugphase der Pumpe Fluid durch das Einlassventil in den Pumpenraum eingesaugt werden und in einer Pump- oder Förderphase dann durch das Auslassventil - bei geschlossenem Einlassventil - aus dem Pumpenraum hinausgedrückt werden.An actively controllable valve (this applies to both an inlet valve and the outlet valve) is to be understood here as meaning that the opening and closing of the valve can be actively brought about in a targeted manner, e.g. by an electromagnetic actuator with a coil and an armature, so that the valve can be switched by suitably energizing the coil. It goes without saying that other types of actively controllable valves with, for example, multiple coils or other actuators can also be used. In contrast to this, other valves—or valves that are conventionally used in pumps in SCR systems—are valves that open passively or automatically when a certain pressure is applied. With such conventional valves, for example, fluid can be drawn into the pump chamber through the inlet valve during a suction phase of the pump and then pushed out of the pump chamber through the outlet valve during a pumping or delivery phase—when the inlet valve is closed.
Ein besonderer Vorteil von Pumpen mit aktiv steuerbaren Ventilen ist, dass durch die individuelle Ansteuerung der Ventile die Pumpe auf mehr oder weniger beliebige Weise betrieben werden kann, z.B. auch mit einer Förderrichtung entgegen der regulären Förderrichtung (die Funktion von Ein- und Auslassventil ist dann vertauscht). Dies kann in einem SCR-Versorgungssystem, in dem ein Fluid wie eine Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Fluid-Tank zu einem Dosiermodul gefördert wird, z.B. bedeuten, dass das Fluid auch von dem Dosiermodul bei Bedarf wieder in den Fluid-Tank rückgefördert werden kann. Hierzu müssten die Ventile lediglich in entsprechender Weise geöffnet und geschlossen werden. Diese, der regulären Förderrichtung entgegengesetzte Förderrichtung ist besonders bei einem SCR-Versorgungssystem von Vorteil, da dort nach Abstellen der Brennkraftmaschine bzw. des Dieselmotors das Fluid - bzw. dann die Harnstoff-Wasser-Lösung - wieder vom Dosiermodul in den Fluid-Tank zurückgefördert werden kann, um insbesondere im Winter ein Einfrieren zu verhindern. Außerdem ist dann z.B. kein Rücklauf mehr nötig.A particular advantage of pumps with actively controllable valves is that the pumps can be operated in more or less any way thanks to the individual control of the valves, e.g ). In an SCR supply system in which a fluid such as a urea-water solution is pumped from a fluid tank to a dosing module, this can mean, for example, that the fluid can also be pumped back from the dosing module back into the fluid tank if required can. For this purpose, the valves would only have to be opened and closed in a corresponding manner. This conveying direction, which is opposite to the regular conveying direction, is particularly SCR supply system advantageous because there after switching off the internal combustion engine or the diesel engine, the fluid - or then the urea-water solution - can be pumped back from the dosing module to the fluid tank to prevent freezing, especially in winter. In addition, there is no longer any need for a return, for example.
Durch gezielte Variation von Öffnungs- und Schließzeiten - oder allgemein Schaltzeiten bzw. Schaltzeitpunkten - der Ventile können beispielsweise auch der Wirkungsgrad der Pumpe oder eine gewünschte Fördermenge oder ein Förderstrom variiert werden.By deliberately varying the opening and closing times—or generally switching times or switching times—of the valves, it is also possible, for example, to vary the efficiency of the pump or a desired delivery quantity or a delivery flow.
Beim regulären Betrieb der Pumpe werden das saug- und druckseitige Ventil (bzw. Ein- und Auslassventil) innerhalb ihres Arbeitsbereiches nicht über den anliegenden Fluiddruck geöffnet und geschlossen, sondern mit Hilfe z.B. eines elektrisch ansteuerbaren Aktors aktiv geöffnet und geschlossen. Insbesondere bei gewünschter Vollförderung sollten die Schaltzeiten der Ventile (und damit auch die Ansteuerzeiten der jeweiligen Aktoren) dabei so bemessen sein, dass das saugseitige Ventil während der kompletten Saugphase und das druckseitige Ventil während der kompletten Förderphase geöffnet ist.During regular operation of the pump, the suction and pressure-side valves (or inlet and outlet valves) are not opened and closed within their working range via the applied fluid pressure, but are actively opened and closed with the help of an electrically controllable actuator, for example. In particular, if full delivery is desired, the switching times of the valves (and thus also the activation times of the respective actuators) should be dimensioned in such a way that the valve on the suction side is open during the entire suction phase and the valve on the pressure side during the entire delivery phase.
Passiv bzw. hydraulisch gesteuerte Ventile öffnen und schließen prinzipbedingt immer zum richtigen Zeitpunkt. Das Saugventil öffnet, sobald der Druck im Kompressionsraum der Pumpe geringer ist als im Ansaugpfad, und schließt, sobald sich diese Verhältnisse umkehren. Das Druckventil öffnet, sobald im Kompressionsraum der erforderliche Förderdruck erreicht ist, und schließt ebenso wieder, sobald der Druck im Kompressionsraum den erforderlichen Förderdruck unterschreitet.Passive or hydraulically controlled valves always open and close at the right time due to the principle of operation. The suction valve opens as soon as the pressure in the pump's compression chamber is lower than in the suction path and closes as soon as these conditions reverse. The pressure valve opens as soon as the required delivery pressure is reached in the compression space and closes again as soon as the pressure in the compression space falls below the required delivery pressure.
Im Fall der aktiv gesteuerten Ventile öffnen und schließen die Ventile hingegen zu den Zeitpunkten, die über deren Ansteuerung vorgegeben werden. Die Totpunkte des Pumpenantriebs, die mechanisch Beginn und Ende des Saug- und Druck- bzw. Förderhubes definieren, stimmen dabei nicht genau mit dem Beginn und Ende der hydraulischen Saug- und Förderphase überein. Dieser Unterschied ist von einer Vielzahl von Parametern, die für den Betrieb der Pumpe charakteristisch sind, abhängig und daher aufwändig zu applizieren; jede Abweichung vom idealen Schaltzeitpunkt kann zu einer Reduzierung der Fördermenge der Pumpe führen. Damit kann ggf. nicht die maximal mögliche Fördermenge erreicht werden. Auch wenn z.B. gezielt die Fördermenge reduziert werden soll, wäre eine genaue Kenntnis des hierfür idealen Schaltzeitpunkts von Vorteil.In the case of actively controlled valves, on the other hand, the valves open and close at the times that are specified by their control. The dead centers of the pump drive, which mechanically define the beginning and end of the suction and pressure or delivery stroke, do not correspond exactly to the beginning and end of the hydraulic suction and delivery phase. This difference depends on a large number of parameters that are characteristic of the operation of the pump and is therefore difficult to apply; any deviation from the ideal switching time can lead to a reduction in the pump delivery rate. This means that the maximum possible flow rate may not be achieved. Even if, for example, the delivery volume is to be reduced in a targeted manner, precise knowledge of the ideal switching time would be advantageous.
Um den jeweils idealen Schaltzeitpunkt zu ermitteln, wäre die Kenntnis des transienten Druckverlaufs im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe notwendig. Dieser kann aber in der Praxis aus Kosten- und Bauraumgründen in der Regel nicht gemessen werden.In order to determine the ideal switching point in each case, knowledge of the transient pressure profile in the pump or compression chamber of the pump would be necessary. However, this cannot usually be measured in practice for reasons of cost and installation space.
Es wird daher vorgeschlagen, ein Modell auf Basis eines (künstlichen) neuronalen Netzes zu erstellen und zu trainieren, das in der Lage ist, unter vielen oder möglichst allen relevanten Randbedingungen (für den Betrieb der Pumpe charakteristische Parameter) den Druck im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe zu prädizieren und dieses z.B. in einem Steuergerät für die Pumpe zu implementieren. Durch Kenntnis des mit Hilfe eines neuronalen Netzes modellierten transienten Drucks im Pumpenraum können unter verschiedenen bzw. allen Randbedingungen die idealen Schaltzeitpunkte ermittelt und die Pumpe somit immer mit der bestmöglichen Förderleistung betrieben werden. Die Modellierung mit Hilfe eines neuronalen Netzes erfordert im Gegensatz zu einem physikalischen Modell sehr viel geringere Ressourcen an Rechen- und Speicherkapazität und ist daher auch auf einem üblichen Steuergerät implementierbar.It is therefore proposed to create and train a model based on an (artificial) neural network that is able to calculate the pressure in the pump or pump chamber under many or as many relevant boundary conditions as possible (parameters characteristic of the operation of the pump). To predict the compression space of the pump and to implement this, e.g. in a control unit for the pump. Knowing the transient pressure in the pump chamber modeled with the help of a neural network, the ideal switching times can be determined under various or all boundary conditions, and the pump can therefore always be operated with the best possible delivery rate. In contrast to a physical model, modeling using a neural network requires far fewer resources in terms of computing and storage capacity and can therefore also be implemented on a conventional control device.
Das Modell der Pumpe erhält dabei als Eingang bzw. Eingangswerte aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters der Pumpe und es wird ein aktueller Druck im Pumpenraum bestimmt, d.h. der aktuelle Druck im Pumpenraum stellt den Ausgang bzw. einen Ausgangswert des Modells bzw. des künstlichen neuronalen Netzes dar.The model of the pump receives as input or input values current values of at least one parameter of the pump that is characteristic for the operation of the pump and a current pressure in the pump chamber is determined, i.e. the current pressure in the pump chamber represents the output or an output value of the model or .of the artificial neural network.
Basierend auf dem aktuellen Druck im Pumpenraum werden dann Schaltzeitpunkte für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt, insbesondere also Öffnungs- und Schließzeitpunkte für Ein- und Auslassventil, insbesondere anhand der Druckverhältnisse über das jeweilige Ventil. Die Pumpe wird dann basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkten angesteuert bzw. betrieben; dies umfasst also insbesondere die Ansteuerung der aktiv steuerbaren Ventile sowie des Aktors. Insbesondere können basierend auf dem aktuellen Druck im Pumpenraum die Schaltzeitpunkte zum Betrieb der Pumpe auch bestimmt werden, indem vorgegebene Schaltzeitpunkte angepasst bzw. korrigiert werden. So können z.B. Standard-Schaltzeitpunkte für einen bestimmten Standard-Druck im Pumpenraum vorgegeben sein, die dann je nach bestimmtem, aktuellem Druck angepasst bzw. variiert werden. In diesem Sinne kann auch von einer Korrekturfunktion für die Schaltzeitpunkte gesprochen werden.Based on the current pressure in the pump chamber, switching times for the at least one actively controllable valve for operating the pump are then determined, in particular opening and closing times for the inlet and outlet valves, in particular based on the pressure conditions across the respective valve. The pump is then controlled or operated based on the determined switching times; this includes in particular the activation of the actively controllable valves and the actuator. In particular, based on the current pressure in the pump chamber, the switching times for operating the pump can also be determined by adjusting or correcting predetermined switching times. For example, standard switching times can be specified for a specific standard pressure in the pump chamber, which can then be adjusted or varied depending on the specific, current pressure. In this sense, one can also speak of a correction function for the switching times.
In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die Ansteuerung der Ventile z.B. das Anlegen einer Spannung an einen Elektromagneten oder Magnetaktor erfordert, um das Ventil zu öffnen. Da vom Anlegen der Spannung (auch als Ansteuerzeitpunkt bezeichnet) bis zum tatsächlichen Öffnen (dem Schaltzeitpunkt) eine gewisse Zeit vergeht bzw. nötig ist, sind entsprechende Ansteuerzeitpunkte in Abhängigkeit von den Schaltzeitpunkten zu wählen (dies gilt nicht nur für das Öffnen, sondern auch für das Schließen, dort wird die Spannung dann weggenommen bzw. abgeschaltet).In this context it should also be mentioned that the control of the valves, for example the application requires a voltage to an electromagnet or solenoid actuator to open the valve. Since a certain amount of time elapses or is necessary from applying the voltage (also referred to as the actuation time) to actually opening (the switching time), appropriate actuation times must be selected depending on the switching times (this applies not only to opening, but also to closing, where the voltage is then removed or switched off).
Der wenigstens eine für den Betrieb der Pumpe charakteristische Parameter, dessen Werte als Eingang für das Modell verwendet werden, ist bevorzugt ausgewählt aus: einer Temperatur eines mittels der Pumpe zu fördernden Fluids, einem Umgebungsdruck, einer Drehzahl oder Frequenz der Pumpe (hiernach kann z.B. je nach Art der Pumpe, mit Elektromotor oder Linearaktor, unterschieden werden), einem Druck auf einer Saugseite der Pumpe (Saugdruck) und einem Druck auf einer Förderseite der Pumpe (Förderdruck). Ebenso kommen Fördermengentoleranzen, Druckpulsationen sowie Druckverluste innerhalb der Pumpe (jeweils eine(r) oder mehrere) in Betracht., . Diese Parameter beeinflussen auch die idealen Schaltzeitpunkte der Ventile. Beispielsweise führt ein höherer Saugdruck dazu, dass das Einlassventil früher öffnen kann, da der Druck im Kompressionsraum (der ja zunächst reduziert wird) früher den Saugdruck unterschreitet, sodass Fluid angesaugt werden kann. Für eine nähere Beschreibung solcher Zusammenhänge sei an dieser Stelle auch auf die Figuren und die zugehörige Beschreibung verwiesen.The at least one parameter that is characteristic of the operation of the pump and whose values are used as input for the model is preferably selected from: a temperature of a fluid to be delivered by means of the pump, an ambient pressure, a speed or frequency of the pump (depending on this, e.g depending on the type of pump, with an electric motor or linear actuator), a pressure on a suction side of the pump (suction pressure) and a pressure on a delivery side of the pump (delivery pressure). Likewise, flow rate tolerances, pressure pulsations and pressure losses within the pump (each one or more) come into consideration. These parameters also influence the ideal switching times of the valves. For example, a higher suction pressure means that the inlet valve can open earlier, since the pressure in the compression chamber (which is initially reduced) falls below the suction pressure earlier, so that fluid can be sucked in. For a more detailed description of such relationships, reference is also made to the figures and the associated description at this point.
Eine Spulentemperatur und/oder einer Ansteuerspannung eines für eine aktive Ansteuerung des wenigstens einen Ventils verwendeten Magnetaktors haben typischerweise keinen Einfluss auf den Druck im Pumpenraum; sie werden jedoch bevorzugt für die Berechnung bzw. Bestimmung der Ansteuerzeiten verwendet.A coil temperature and/or a control voltage of a magnetic actuator used for active control of the at least one valve typically have no influence on the pressure in the pump chamber; however, they are preferably used for the calculation or determination of the control times.
Das neuronale Netz modelliert dabei den Zusammenhang der Eingangsgrößen wie eben Pumpendrehzahl, Fluidtemperatur, usw. und dem gewünschten, aktuellen Druck im Pumpenraum als eine Art virtuelles Sensorsignal. Verschiedene Arten von neuronalen Netzen sind dabei zur Modellierung geeignet, z.B. „feedforward-Netze“ wie das sog. „Multilayer Perceptron“ bzw. mehrlagiges Perzeptron (MLP), oder auch rekurrente neuronale Netze wie das sog. „ Long short-term memory“ (LSTM).The neural network models the relationship between the input variables such as pump speed, fluid temperature, etc. and the desired, current pressure in the pump chamber as a kind of virtual sensor signal. Various types of neural networks are suitable for modeling, e.g. "feedforward networks" such as the so-called "multilayer perceptron" or multi-layer perceptron (MLP), or also recurrent neural networks such as the so-called "long short-term memory" ( LSTM).
Das neuronale Netz wird im Vorfeld, d.h. vor Einsatz für den Betrieb der Pumpe, trainiert bzw. eingelernt. Das Trainieren eines solchen künstlichen neuronalen Netzes eines Modells einer Pumpe, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Hierzu wird für mehrere Sätze von Referenzwerten des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters mittels des Modells jeweils ein Druck im Pumpenraum bestimmt. In Abhängigkeit von einer jeweiligen Abweichung des mittels des Modells bzw. neuronalen Netzes bestimmten Drucks von einem den Referenzwerten entsprechenden Referenzdruck werden das Modell bzw. dort die Gewichte in den Neuronen des neuronalen Netzes angepasst.The neural network is trained or taught in advance, i.e. before it is used to operate the pump. The training of such an artificial neural network of a model of a pump as described above is also the subject of the present invention. For this purpose, a pressure in the pump chamber is determined in each case for a plurality of sets of reference values of the at least one parameter that is characteristic of the operation of the pump by means of the model. Depending on a respective deviation of the pressure determined by means of the model or neural network from a reference pressure corresponding to the reference values, the model or there the weights in the neurons of the neural network are adjusted.
Als Lernverfahren kommt also z.B. das sog. überwachte Lernen in Betracht, bei dem dem neuronalen Netz ein Eingangsmuster gegeben und die Ausgabe, die das neuronale Netz in seinem aktuellen Zustand produziert, mit dem Wert verglichen, den es eigentlich ausgeben soll. Durch Vergleich von Soll- und Istausgabe kann auf die vorzunehmenden Änderungen der Netzkonfiguration geschlossen werden. Bei einlagigen Perzeptrons kann die sog. Delta-Regel (auch Perzeptron-Lernregel) angewendet werden. Mehrlagige Perzeptrons werden in der Regel mit sog. Backpropagation (oder Fehlerrückführung) trainiert, was eine Verallgemeinerung der Delta-Regel darstellt.So-called supervised learning, for example, can be considered as a learning method, in which the neural network is given an input pattern and the output that the neural network produces in its current state is compared with the value that it should actually output. By comparing the target and actual output, conclusions can be drawn about the changes to be made to the network configuration. The so-called delta rule (also perceptron learning rule) can be applied to single-layer perceptrons. Multilayer perceptrons are typically trained using backpropagation (or error feedback), which is a generalization of the delta rule.
Dieses Lernen bzw. Trainieren kann beispielsweise basierend auf Messdaten oder auch transienten Simulationsdaten erfolgen, d.h. die mehreren Sätze der Referenzwerte des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters und die entsprechenden Referenzdrücke werden anhand von Testmessungen und/oder Simulationen ermittelt. Insbesondere bei Verwendung von Simulationen sollten die zu Grunde liegenden Simulationsmodelle validiert und hinreichend genau und in der Lage sein, die notwendigen physikalischen Effekte abbilden können (z.B. Einfluss temperaturabhängiger Fluideigenschaften auf den Druck im Kompressionsraum).This learning or training can be based, for example, on measurement data or transient simulation data, i.e. the multiple sets of reference values of the at least one parameter that is characteristic of the operation of the pump and the corresponding reference pressures are determined using test measurements and/or simulations. Especially when using simulations, the underlying simulation models should be validated and sufficiently accurate and able to depict the necessary physical effects (e.g. influence of temperature-dependent fluid properties on the pressure in the compression chamber).
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ein Pumpensteuergerät oder ein Abgasnachbehandlungssteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Für das Trainieren kann ggf. auch ein spezieller oder auch allgemeiner Rechner oder PC verwendet werden.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle, a pump control unit or an exhaust gas aftertreatment control unit, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention. If necessary, a special or general computer or PC can also be used for the training.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Fluid-Versorgungssystem, insbesondere ein SCR-Versorgungssystem, mit einer vorstehend erläuterten Pumpe sowie einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, insbesondere als Steuergerät.The subject matter of the invention is also a fluid supply system, in particular an SCR supply system, with a pump explained above and a computing unit according to the invention, in particular as a control unit.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also the implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all Method steps is advantageous because this results in particularly low costs, in particular if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available in any case. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch ein Fluid-Versorgungssystem mit einer Pumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 shows schematically a fluid supply system with a pump in which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch eine Pumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.2 shows schematically a pump in which a method according to the invention can be carried out. -
3 zeigt Druck- und Hubverläufe bei einer Ansteuerung einer Pumpe zur Erläuterung der Erfindung.3 shows pressure and stroke curves when controlling a pump to explain the invention. -
4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.4 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment. -
5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.5 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.
Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention
In
Bei regulärer Förderrichtung dient dabei das Ventil 221 als Einlassventil, das Ventil 222 hingegen als Auslassventil. Zudem weist die Pumpe 210 ein Förderelement 225 - bzw. ein den Pumpenraum 220 begrenzendes Element - auf, um das Volumen des Pumpenraums 220 zu vergrößern und zu verkleinern. Bei dem Förderelement 225 kann es sich z.B. um eine Membran handeln, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird.In the case of a regular conveying direction,
Die Pumpe 210 ist nun dazu eingerichtet, Reduktionsmittel 121 (bzw. eine Reduktionsmittellösung) als zu förderndes Fluid aus einem Fluid-Tank 120 über eine Druckleitung 122 zu einem Dosiermodul oder Dosierventil 130 zu fördern. Dort wird das Reduktionsmittel 121 dann in einen Abgasstrang 170 einer Brennkraftmaschine gesprüht.The
Weiterhin ist rein beispielhaft ein Drucksensor 140 vorgesehen (dieser kann auch in der Fördereinheit 200 untergebracht sein), der dazu eingerichtet ist, einen Druck zumindest in der Druckleitung 122 zu messen; es handelt sich dann um den Förderdruck. Es versteht sich, dass noch weitere Sensoren für andere Parameter wie weitere Drücke und Temperaturen vorgesehen sein können. Eine z.B. als Abgasnachbehandlungssteuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 ist mit dem Drucksensor 140 verbunden und erhält von diesem Informationen über den Druck in der Druckleitung 122. Außerdem ist das Abgasnachbehandlungssteuergerät 150 mit der Fördereinheit 200, dort insbesondere mit der Pumpe 210, und mit dem Dosiermodul 130 verbunden, um diese ansteuern zu können. Dies umfasst auch eine Ansteuerung der aktiv steuerbaren Ventile 221 und 222.Furthermore, purely by way of example, a
Zudem umfasst das SCR-Versorgungssystem 100 beispielhaft einen Rücklauf 160, durch den Reduktionsmittel aus dem System zurück in den Fluid-Tank 120 geführt werden kann. In diesem Rücklauf 160 ist beispielhaft eine Blende bzw. Drossel 161 angeordnet, die einen örtlichen Strömungswiderstand bietet. Hierzu ist jedoch anzumerken, dass ein solcher Rücklauf bei einer Pumpe mit aktiv gesteuerten Ventilen auch entfallen kann.In addition, the
Das Abgasnachbehandlungssteuergerät ist dazu eingerichtet, anhand relevanter Daten, wie z.B. vom Motorsteuergerät oder von Sensoren für Temperatur, Druck und Stickoxidgehalt im Abgas empfangenen Daten, die Aktoren des Systems zu koordinieren, um die Harnstoff-Wasser-Lösung entsprechend der Betriebsstrategie in den Abgastrakt vor dem SCR-Katalysator einzubringen. Weiterhin überwacht beispielsweise eine On-Board-Diagnose (OBD) die zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte relevanten Bauteile und Baugruppen des Abgasnachbehandlungssystems.The exhaust gas aftertreatment control unit is set up to use relevant data, such as data received from the engine control unit or from sensors for temperature, pressure and nitrogen oxide content in the exhaust gas, to coordinate the system's actuators in order to inject the urea-water solution into the exhaust system in front of the exhaust tract in accordance with the operating strategy Introduce SCR catalytic converter. Furthermore, for example, an on-board diagnosis (OBD) monitors the components and assemblies of the exhaust gas aftertreatment system that are relevant for compliance with the exhaust gas limit values.
In
Außerdem ist ein Elektromotor 240 vorgesehen, an dessen Läufer 245 beispielsweise mittels eines Exzenters (vgl. hierzu Winkel φ) ein Pleuel 250 angebracht ist, der ebenso mit der Membran verbunden ist. Auf diese Weise kann durch eine Rotationsbewegung des Läufers 250 eine Auf- und Abbewegung der Membran 225 erreicht werden.In addition, an
Die beiden Ventile 221 und 222 weisen hier beispielhaft elektromagnetische Aktoren bzw. Magnetaktoren mit jeweils einer Spule 223 sowie einem Anker 224 auf, mittels deren ein geeignetes Element betätigt werden kann, um einen Durchfluss freizugeben, also das Ventil zu öffnen, bzw. zu versperren, also das Ventil zu schließen.The two
In
Zum Zeitpunkt tOT ist der obere Totpunkt (OT) der Pumpe, also das mechanische Ende des Förderhubs und der mechanische Beginn des Saughubs erreicht. Hierzu sei erwähnt, dass der Hub h hier aus Sicht des Elektromotors in Richtung Membran (vgl.
Zum Zeitpunkt tUT ist der untere Totpunkt (UT) der Pumpe, also das mechanische Ende des Saughubs und der mechanische Beginn des Förder- bzw. Kompressionshubs erreicht. Die Saugphase endet jedoch erst zum Zeitpunkt tE,S, wenn der Druck (hier wieder gezeigt für p1) im Kompressionsraum den Druck ps auf der Saugseite überschreitet. Auch dieser Zeitpunkt ist für die gezeigten drei Fälle unterschiedlich. Zum Zeitpunkt tE,S ist das Einlassventil zu schließen.At time t UT the bottom dead center (UT) of the pump, ie the mechanical end of the suction stroke and the mechanical beginning of the delivery or compression stroke, is reached. However, the suction phase only ends at time t E,S , when the pressure (again shown here for p 1 ) in the compression space exceeds the pressure ps on the suction side. This point in time is also different for the three cases shown. The inlet valve is to be closed at time t E,S .
Zum Zeitpunkt tA,O, wenn der Druck im Kompressionsraum (hier wieder gezeigt für p1) den Druck pF auf der Förderseite überschreitet, ist der Beginn der Förderphase. Erst zu diesem Zeitpunkt darf das Druck- bzw. Auslassventil öffnen; insbesondere müssen zwischen Zeitpunkten tE,S und tA,O beide Ventile geschlossen sein. Auch der Zeitpunkt tA,O ist für die drei Fälle unterschiedlich.The delivery phase begins at time t A,O , when the pressure in the compression space (shown here again for p 1 ) exceeds the pressure p F on the delivery side. Only at this point in time may the pressure or outlet valve open; in particular, both valves must be closed between times t E,S and t A,O . The time t A,O is also different for the three cases.
Zum Zeitpunkt tA,S, wenn der Druck im Kompressionsraum (hier wieder gezeigt für p1) den Druck pF auf der Förderseite unterschreitet, ist schließlich das Ende der Förderphase erreicht, zu dem das Druck- bzw. Auslassventil schließen muss. Auch hier gibt es Unterschiede zwischen den drei Fällen; der Zeitpunkt tA,S ist außerdem nicht identisch mit dem nun wiederkehrendem Zeitpunkt tOT, dem oberen Totpunkt der Pumpe.At time t A,S , when the pressure in the compression chamber (again shown here for p 1 ) falls below the pressure p F on the delivery side, the end of the delivery phase is finally reached, at which point the pressure or outlet valve must close. Again, there are differences between the three cases; the time t A,S is also not identical to the now recurring time t OT , the top dead center of the pump.
Da sich die idealen Schaltzeitpunkte der Ventile ändern, wenn sich die Betriebsrandbedingungen der Pumpe ändern, müssten diese herkömmlicherweise für den kompletten Bereich der Betriebsrandbedingungen appliziert werden. Betriebsrandbedingungen, die Einfluss auf die Schaltzeitpunkte haben, sind z.B. Fluidtemperatur, Umgebungsdruck, Ansteuerspannung, Spulentemperatur (bei Verwendung eines Magnetaktors), Pumpendrehzahl oder der Saug- und Förderdruck oder ggf. weitere Parameter, wie vorstehend schon beschrieben. Anhand von
Eine Applikation unter Berücksichtigung all dieser Randbedingungen ist entsprechend aufwendig. Es wird daher wie erwähnt vorgeschlagen, die Schaltzeiten mit Hilfe eines Modells z.B. im Steuergerät zu ermitteln. Da ein physikalisches Modell aufgrund der im Steuergerät zur Verfügung stehenden Ressourcen in der Regel nicht in Betracht kommt, soll ein Modell auf Basis eines (künstlichen) neuronalen Netzes erstellt und so trainiert werden, dass es in der Lage ist, unter allen relevanten Betriebsrandbedingungen der Pumpe den Druck im Kompressionsraum als virtueller Sensor zu prädizieren und so die jeweils optimalen Ansteuerzeiten zu ermitteln.An application that takes all these boundary conditions into account is correspondingly complex. It is therefore proposed, as mentioned, to determine the switching times using a model, e.g. in the control unit. Since a physical model is usually not an option due to the resources available in the control unit, a model based on an (artificial) neural network is to be created and trained in such a way that it is able to work under all relevant operating boundary conditions of the pump to predict the pressure in the compression chamber as a virtual sensor and thus to determine the optimal control times in each case.
In
Hierzu werden für beispielhaft eine Temperatur T des mittels der Pumpe zu fördernden Fluids, eine Drehzahl n der Pumpe, einen Druck ps auf einer Saugseite der Pumpe, sowie einen Druck pF auf einer Förderseite der Pumpe jeweils aktuelle Werte erfasst (diese Werte werden z.B. jeweils mittels geeigneter Sensoren gemessen) und als Eingang bzw. Eingangswerte dem Modell M bzw. dessen künstlichen neuronalen Netzes N zugeführt.For this purpose, for example, a temperature T of the fluid to be delivered by the pump, a speed n of the pump, a pressure ps on a suction side of the pump, and a pressure p F on a delivery side of the pump are recorded as current values (these values are e.g measured by means of suitable sensors) and fed to the model M or its artificial neural network N as an input or input values.
Dort wird dann als Ausgang bzw. Ausgangswert der aktuelle Druck pp im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe bestimmt. Daraus bzw. basierend darauf wiederum können dann, z.B. in Abhängigkeit von den Drücken pS und pF wie in
Daraus werden dann unter Berücksichtigung einer Ansteuerspannung u eines für eine aktive Ansteuerung des wenigstens einen Ventils verwendeten Magnetaktors sowie einer Spulentemperatur Ts des Magnetaktors Ansteuerzeiten bestimmt. Die Ventile werden dann entsprechend angesteuert. Die Differenz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Öffnungszeitpunkt (oder allgemein Schaltzeitpunkt), der sog. Ansteueroffset, ist abhängig von Spulentemperatur und Ansteuerspannung. Dies kann z.B. kalibriert werden.Control times are then determined from this, taking into account a control voltage u of a magnetic actuator used for active control of the at least one valve and a coil temperature Ts of the magnetic actuator. The valves are then controlled accordingly. The difference between the activation time and the opening time (or switching time in general), the so-called activation offset, depends on the coil temperature and activation voltage. This can e.g. be calibrated.
In
Dieser damit erhaltene Druck pp wird dann mit einem Referenzdruck pR verglichen, der z.B. bei Testmessungen am Prüfstand für den Parametersatz PR,1 bestimmt wurde. In Abhängigkeit von einer Abweichung von pP zu pR wird dann z.B. ein Gewicht G eines Neurons des neuronalen Netzes N angepasst; es wird das Gewicht G' erhalten. Mit diesem angepassten neuronalen Netz wird der Vorgang dann mit einem anderen Parametersatz PR,2 wiederholt.This pressure pp thus obtained is then compared with a reference pressure p R which, for example, was determined during test measurements on the test bench for the parameter set P R,1 . A weight G of a neuron of the neural network N, for example, is then adjusted as a function of a deviation from p P to p R ; the weight G' is obtained. With this adapted neural network, the process is then repeated with a different set of parameters P R,2 .
Dies kann z.B. mit einer Vielzahl von vorhandenen Parametersätzen und entsprechenden Referenzdrücken solange wiederholt werden, bis die Abweichungen zwischen bestimmtem Druck pp und Referenzdruck pR einen vorgegebenen Schwellwert unterschreiten bzw. möglichst gering sind. Das so trainierte neuronale Netz kann dann zum Betrieb der Pumpe verwendet werden, wie es in Bezug auf
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