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Die vorliegende Erfindung betrifft die Simulation eines Fluidsystems. Insbesondere betrifft die Erfindung die effiziente Simulation eines Fluidsystems an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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An Bord eines Kraftfahrzeugs ist ein Fluidsystem vorgesehen, das mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Medium arbeiten kann. Das Medium strömt dabei typischerweise durch eine Fluidleitung von oder zu einem Fluidelement. Das Fluidelement kann ein Stellglied umfassen, das dazu eingerichtet ist, einen Fluidstrom zu steuern, eine Arbeitseinrichtung, die eine mechanische Größe aufgrund eines Fluidstroms bereitstellen kann, oder eine andere Einrichtung wie einen Wärmetauscher oder einen Filter, die den Fluidstrom beeinflusst.
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Zur Entwicklung oder Steuerung des Fluidsystems kann ein Strömungsverhalten des Mediums betrachtet werden. Dabei kann ein Volumenstrom des Mediums an einer vorbestimmten Stelle des Systems unter dem Einfluss einer vorbestimmten Größe mittels eines Sensors am Fluidsystem bestimmt werden. Der Einsatz von Sensoren ist jedoch limitiert, da nicht beliebig viele Sensoren verbaut werden können, eine Stelle für einen Sensor unzugänglich sein kann oder ein Sensor den Strom des Mediums ungünstig beeinflussen kann. Eine messtechnische Eigenschaft des Sensors, beispielsweise bezüglich einer Ansprechgeschwindigkeit, einer Genauigkeit oder einer Empfindlichkeit gegenüber einem Umgebungsparameter wie einer Temperatur, muss bei der Auswertung einer Messung berücksichtigt werden.
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Ein Fluidsystem kann auch simuliert werden, beispielsweise mittels Methoden der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD), der finiten Elemente oder auf der Basis von Netzwerken. Es wurde auch vorgeschlagen, ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) zur Simulation eines Fluidsystems zu verwenden. Ein KNN umfasst eine Anzahl Neuronen, zwischen denen im Rahmen eines Trainingsvorgangs gewichtete Verbindungen geschaffen werden.
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Verbreitet ist die Anwendung einer fest vorbestimmten Topologie in Form einer Eingangsschicht und einer Ausgangsschicht, zwischen denen eine oder mehrere Zwischenschichten liegen können. In jeder Schicht ist eine Anzahl Neuronen vorgesehen, deren Vernetzung mit anderen Neuronen in derselben oder in einer benachbarten Schicht im Rahmen des Trainierens gewissen Regeln folgen kann. Dadurch entsteht eine Ausprägung des KNN, um die trainierte Aufgabe zu erfüllen.
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Herkömmliche KNN benötigen eine sehr große Anzahl Trainingsdaten, um brauchbare Ergebnisse bereitzustellen. Auch bei ausreichendem Training kann das KNN unter gewissen Umständen, die oft schwer nachzuvollziehen sind, unrealistische, ungenaue oder sogar grob falsche Ergebnisse bereitstellen. Zudem ist infolgedessen häufig ein hoher Rechen- sowie Zeitaufwand nötig.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Simulation eines Fluidsystems, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, mittels eines KNN. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Simulieren eines Fluidsystems Schritte des Erfassens einer Geometrie des Fluidsystems; des disjunkten Unterteilens der Geometrie in erste Abschnitte, sodass die ersten Abschnitte eine Topologie bilden; des Bereitstellens eines neuronalen Netzwerks mit zweiten Abschnitten, die entsprechend der Topologie der ersten Abschnitte angeordnet sind; und des Trainierens des neuronalen Netzwerks bezüglich eines beobachteten Verhaltens des Fluidsystems in Abhängigkeit eines oder mehrerer vorbestimmter Betriebsparameter.
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Erfindungsgemäß hat bereits das untrainierte KNN eine Topologie, die aus der Geometrie des Fluidsystems abgeleitet ist. Die Topologie legt fest, welche Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den einzelnen Neuronen bestehen. So kann die Topologie der Neuronen einen Strömungsweg des Fluids im Fluidsystem abbilden.
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Das Trainieren kann in kürzerer Zeit und/oder mit verbessertem Ergebnis zu einem KNN führen, das zur Simulation des Fluidsystems eingesetzt werden kann.
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Eine erforderliche Anzahl unterschiedlicher Trainingsdaten kann deutlich zum Stand der Technik verringert sein. Das trainierte KNN kann realistischere und/oder genauere Aussagen über das Verhalten des Fluidsystems bereitstellen.
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Das Aufteilen des Fluidsystems in die ersten Abschnitte erfolgt bevorzugt vollständig, sodass das gesamte Fluidsystem durch erste Abschnitte abgedeckt ist. Die einzelnen ersten Abschnitte grenzen aneinander an und überlappen sich nicht. Eine Vereinigung der ersten Abschnitte umfasst weiter bevorzugt genau das vollständige Bauelement. Ein beweglicher Teil eines Elements des Fluidsystems kann als ein erster Abschnitt modelliert werden oder als mehrere erste Abschnitte, in deren Bereich der Teil liegen kann.
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Das Medium kann gasförmig sein und insbesondere Luft umfassen. Beispielsweise kann eine Strömung von Luft in einem Reifen des Kraftfahrzeugs, durch einen Ansaug- oder Ausstoßtrakt eines Verbrennungsmotors oder in einer Belüftungsanlage eines Innenraums (HVAC: heating, ventilation, air conditioning) verlaufen.
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Das Medium kann flüssig sein und insbesondere Öl umfassen. In einer Variante ist das Medium ein Arbeitsmedium eines hydraulischen Aktuators, etwa zur Steuerung eines Fahrwerks, zur Betätigung einer Fahrzeugtür oder -klappe, eines Verdecks oder eines beweglichen Dachelements. In einer anderen Variante ist das Medium zum Schmieren oder Kühlen einer Einrichtung an Bord vorgesehen, beispielsweise eines Motors oder Getriebes. Dabei kann ein ölhaltiges oder wässriges Fluid verwendet werden.
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Das Medium kann im Fluidsystem seinen Aggregatzustand ändern, insbesondere zwischen flüssig und gasförmig. Dieser Effekt kann zum Transport von Wärme im Rahmen einer Phasenänderungskühlung ausgenutzt werden, beispielsweise zur Kühlung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs oder eines elektronischen Steuergeräts. Die Phasenänderungskühlung kann beispielsweise eine Kompressorkühlung, eine Absorberkühlung oder ein Wärmerohr umfassen.
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Das Fluidsystem umfasst bevorzugt ein Fluidelement und eine mit dem Fluidelement verbundene Fluidleitung, durch die ein Fluid fließen kann. Weiter bevorzugt umfasst das Fluidsystem eine Vielzahl Fluidelemente, die mittels Fluidleitungen miteinander verbunden sind. Die Art und Weise, welches Fluidelement mit welchem anderen Fluidelement verbunden ist, kann einen wesentlichen Teil der Geometrie des Fluidsystems ausmachen.
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Das Verhalten des Fluidsystems kann einen Druck und/oder einen Volumenstrom von Fluid umfassen. Der Druck und/oder der Volumenstrom können einer vorbestimmten Stelle im Fluidsystem zugeordnet sein. Bevorzugt umfasst das Verhalten einen oder mehrere Drücke und/oder Volumenströme an unterschiedlichen Stellen im Fluidsystem.
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Die ersten Abschnitte werden bevorzugt nach Art der Bildung von finiten Elementen bei einer Finite-Elemente-Methode bestimmt. Alternativ können die ersten Abschnitte nach Art der Bildung von Abschnitten bei einer numerischen Strömungsmechanik (CFD) bestimmt werden.
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Beispielsweise können finite Scheiben oder Felder gebildet werden. Die ersten Abschnitte können auf der Basis von kartesischen Koordinaten, Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten bestimmt sein. Optional sind verschiedene Koordinatensysteme für verschiedene Abschnitte des Fluidsystems vorgesehen. Zwischen aneinander angrenzenden Koordinatensystemen kann ein vorbestimmter Übergang vorgesehen sein. Für eine optimale Größe eines ersten Abschnitts kann eine Optimierungsmethode für die optimale Elementgröße eines finiten Elements eingesetzt werden.
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Für das Unterteilen der Geometrie des Fluidsystems in einzelne finite Elemente sind unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt, von denen einige automatisiert durchgeführt werden können. Die Erfahrungen bei der Anwendung einer Finite-Elemente-Methode können vorteilhaft zur Bestimmung der Topologie des KNN herangezogen werden. So kann beispielsweise ein Bereich, in dem eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit auftritt, wo komplexe Strömungspfade vorliegen oder wo das Fluidsystem besonders empfindlich gegenüber einer Strömungsänderung ist, in kleinere erste Abschnitte unterteilt werden als ein anderer Bereich, der diesbezüglich unkritischer ist. Das KNN kann dann verbessert sensibel bzw. zutreffend das Verhalten des gesamten Fluidsystems bestimmen.
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Das KNN umfasst weiter bevorzugt eine Vielzahl Neuronen, wobei jedem der zweiten Abschnitte wenigstens ein Neuron zugeordnet wird. Es ist weiterhin bevorzugt, dass jedem zweiten Abschnitt dieselbe Anzahl Neuronen zugeordnet wird. Beispielsweise kann jedem zweiten Abschnitt genau ein Neuron zugeordnet werden. In einer Weiterführung können einem zweiten Abschnitt auch mehrere Neuronen zugeordnet werden. Diese Neuronen können bereits in einer vorbestimmten Weise miteinander verbunden sein und ein lokales KNN bilden.
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Das Fluidsystem ist bevorzugt zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Fluidsystem Teil einer hydraulischen Betätigung, eines thermischen Systems oder eines Schmiersystems sein.
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Das Verhalten des Fluidsystems kann bezüglich eines Umgebungsparameters bestimmt werden. Der Umgebungsparameter kann eine Nebenbedingung darstellen, die sich vom Betriebsparameter unterscheidet. Insbesondere kann der Umgebungsparameter eine andere Größe als einen Volumenstrom oder einen Druck betreffen. Beispiele für den Umgebungsparameter umfassen eine Umgebungstemperatur, eine Vibration oder ein Alter des Fluids.
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In einem weiteren Beispiel umfasst der Umgebungsparameter eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Dabei kann die Fahrgeschwindigkeit auf der Basis von Energie erreicht sein, die aus dem Fluidsystem entnommen wird. Dazu kann ein hydraulisch wirkender Antriebsmotor vorgesehen sein. Die Fahrgeschwindigkeit kann zusätzlich auch durch einen weiteren Antriebsmotor an Bord des Kraftfahrzeugs, insbesondere einen elektrischen Motor oder einen Verbrennungsmotor, erreicht sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Verhalten mittels des trainierten neuronalen Netzwerks bestimmt wird. Für das Verhalten können einer oder mehrere Betriebsparameter und/oder einer oder mehrere Umgebungsparameter zugrunde gelegt werden. Wie beschrieben kann das Verhalten eine innere und/oder äußere technische Größe am Fluidsystem und/oder eine abstrakte Größe umfassen. Die abstrakte Größe kann beispielsweise auf eine Effizienz oder auf einen Verschleiß des Fluidsystems hinweisen.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Simulation eines Fluidsystems ein künstliches neuronales Netzwerk mit Abschnitten, die entsprechend einer Topologie von disjunkten Abschnitten der Geometrie des Fluidsystems angeordnet sind; wobei das Netzwerk bezüglich des Verhaltens des Fluidsystems unter einem vorbestimmten Betriebsparameter trainiert ist; eine Eingabevorrichtung zur Bereitstellung eines Werts für den Betriebsparameter; und eine Ausgabevorrichtung zur Bereitstellung eines bestimmten Verhaltens des Fluidsystems.
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Die Vorrichtung kann eine elektronische Verarbeitungseinrichtung umfassen, die insbesondere das künstliche neuronale Netzwerk implementieren kann. In einer Ausführungsform umfasst die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller. Außerdem kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren teilweise oder vollständig auszuführen. Das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen und ist in einer Ausführungsform auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.
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Gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug eine hierin beschriebene Vorrichtung. Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt ein Kraftrad, einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Omnibus oder eine Landmaschine. Das Kraftfahrzeug kann ein hydraulisches System zum Schmieren, Kühlen oder zur Kraftübertragung umfassen, das mittels der Vorrichtung analysiert oder gesteuert werden kann.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine Vorrichtung zur Simulation eines Fluidsystems; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
Illustriert sind.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Simulation eines Fluidsystems 105, das insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs 110 angebracht sein kann. Allgemein kann das Fluidsystem 105 mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Medium arbeiten. Dabei ist bevorzugt, dass das Fluidsystem 105 innerhalb des Kraftfahrzeugs 110 geschlossen ist. Es kann jedoch ein Einlass oder ein Auslass für das Medium vorgesehen sein, der mit einer Umgebung verbunden ist. Dies gilt insbesondere, wenn das Medium Luft oder ein Luftgemisch umfasst.
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Ein gasbasiertes Fluidsystem 105 kann im Kraftfahrzeug 110 beispielsweise im Ansaug- oder Ausstoßtrakt eines Verbrennungsmotors oder im Bereich einer Be- oder Entlüftung eines Innenraums vorliegen. In einem Volumenstrom des Mediums können flüssige oder feste Partikel transportiert werden.
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Ein flüssigkeitsbasiertes Fluidsystem 105 kann in Kraftfahrzeug 105 beispielsweise zur Schmierung und/oder zur Kühlung einer Vorrichtung wie eines Antriebsmotors oder eines Getriebes an Bord eingerichtet sein. Optional kann ein Aggregatzustand des Mediums im Fluidsystem 105 gezielt verändert werden, beispielsweise zwischen gasförmig und flüssig innerhalb einer Kompressorkühlung.
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Das Fluidsystem 105 kann auch ein Hilfs- oder Unterstützungssystem betreffen, etwa eine elektrohydraulische Betätigung einer Einrichtung des Kraftfahrzeugs 105 wie eines Faltdachs oder eines Laderaumdeckels. Dabei wirkt das Medium primär als inkompressibles, fließfähiges Arbeitsmedium zur Übertragung mechanischer Kräfte. Rein exemplarisch wird im Folgenden von einem hydraulischen Aktuatorsystem ausgegangen.
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Das Fluidsystem 105 umfasst ein Fluidelement 115, das mittels einer Fluidleitung 120 fluid angebunden ist. Im Fluidelement 115 und in der Fluidleitung 120 ist ein Fluid 125 aufgenommen, das vorliegend Öl umfasst. Üblicherweise verläuft eine Fluidleitung 120 zwischen zwei Fluidelementen 115. Das Fluid 125 dient als Medium des Fluidsystems; seine Eigenschaften sind üblicherweise in Abhängigkeit des Fluidsystems 105 und seiner Verwendung beispielsweise bezüglich Aggregatzustand, Viskosität, Scherfestigkeit, Temperaturabhängigkeit oder Wärmekapazität gewählt.
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Es ist bevorzugt, dass das Fluidsystem 105 geschlossen ist, sodass kein signifikanter Zufluss oder Abfluss von Fluid 125 aus dem Fluidsystem 105 stattfindet. Allerdings kann ein Fluidspeicher vorgesehen sein, der Fluid 125 aufnehmen oder abgeben kann. Häufig ist das Fluidsystem 105 als Zirkulationssystem aufgebaut, bei dem das Fluid 125 auf einem oder mehreren Wegen zirkulieren kann. Ein Fluidstrom an einer vorbestimmten Stelle des Fluidsystems 105 kann stets in dieselbe Richtung verlaufen.
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Während die Fluidleitung 120 vornehmlich zur Führung des Fluids 125 eingerichtet ist, kann das Fluidelement 115 dazu eingerichtet sein, den Volumenstrom von Fluid 125 zu beeinflussen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Fluidelement 115 ein Stellglied, exemplarisch in Form eines Drehschiebers. Der Schieber kann einen durchfließenden Volumenstrom in Abhängigkeit seiner Drehstellung stärker oder schwächer drosseln. Andere beispielhafte Bauformen eines variablen Stellglieds umfassen ein lineares Schieberventil, eine Düse mit Düsennadel oder eine verstellbare Armatur wie einen Absperrschieber, eine Absperrklappe oder einen Kugelhahn. Das Stellglied kann auch fluid gesteuert sein, beispielsweise in Form eines Rückschlagventils, eines Servoventils oder eines Hydrostaten.
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Das Fluidelement 115 kann eine mechanische Größe nutzen, um einen Druck oder Volumenstrom des Fluids 125 zu bewirken. Beispielsweise kann das Fluidelement 115 eine Pumpe oder einen hydraulischen Zylinder umfassen. Eingeleitete mechanische Energie kann in fluide Energie umgewandelt werden.
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Das Fluidelement 115 kann auch einen Aktuator umfassen, der dazu eingerichtet ist, auf der Basis eines herrschenden Drucks oder eines Volumenstroms des Fluids 125 eine mechanische Bewegung oder eine mechanische Kraft nach außen bereitzustellen. Hierbei kann das Fluidelement 115 beispielsweise als Hydraulikzylinder, als hydrostatisches oder hydrodynamisches Getriebe ausgeführt sein.
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Das Fluidelement 115 kann auch vornehmlich einem anderen Zweck dienen und den Volumenstrom von Fluid 125 nur als Nebeneffekt beeinflussen. Beispielsweise kann das Fluidelement 115 eine Heizung, einen Wärmetauscher, einen Kondensator, einen Verdampfer, einen Wasserabscheider oder einen Filter umfassen. Eine Beeinflussung des Fluids 125 kann gering sein, etwa wenn das Fluidelement 115 ein Schauglas oder ein Reservoir umfasst.
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Während des Betriebs des Fluidsystems 105 können komplexe mechanische, hydraulische oder chemische Effekte im Fluidsystem 105 auftreten. Diese Effekte können eine mechanische oder hydraulische Wirkung, eine Leckage oder ein Eintrag eines anderen Mediums, eine Ausbreitung von Wärme, einen mechanischen Verschleiß eines Fluidelement 115 oder eine chemische Veränderung des Fluids 125 umfassen.
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Für die Entwicklung oder den Betrieb des Fluidsystems 105 können unterschiedliche Ziele verfolgt werden, beispielsweise dass das Fluidsystem 105 Wärme von einer vorbestimmten Stelle gut abtransportiert, dass es langzeitstabil ist oder dass es auch im Fall eines Fehlers noch ausreichend gut funktioniert. Zur Untersuchung eines Verhaltens des Fluidsystems 105 wird vorgeschlagen, es mittels der Vorrichtung 100 zu simulieren.
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Die Simulation kann im Rahmen einer Entwicklung durchgeführt werden, um das Fluidsystem 105 zu optimieren, oder im Rahmen eines Betriebs des Fluidsystems 105 an Bord des Kraftfahrzeugs 110. Die Simulation kann helfen, einen internen oder externen Parameter auf das Fluidsystem 105 zu bestimmen, der einen Einfluss auf eines oder mehrere vorbestimmte Entwicklungs- oder Betriebsziele hat. So kann beispielsweise bestimmt werden, welchen Einfluss eine Umgebungstemperatur auf einen Zusammenhang zwischen einer an einem vorbestimmten Fluidelement 115 eingebrachten mechanischen Kraft und einem an einem anderen Fluidelement 115 bewirkten hydraulischen Druck hat. Im Betrieb des Fluidsystems 105 kann die Temperatur dann so gesteuert werden, dass ein vorbestimmter Druck an dem Fluidelement 115 bereitgestellt werden kann.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ein künstliches neuronales Netzwerk 150, das eine Vielzahl Neuronen 155 umfasst. Ferner können eine erste Eingabevorrichtung 160, eine zweite Eingabevorrichtung 165 und/oder eine Ausgabevorrichtung 170 vorgesehen sein. Das KNN 150 kann dazu trainiert werden, das Verhalten des Fluidsystems 105 nachzuvollziehen. Zum Trainieren kann mittels der ersten Eingabevorrichtung 160 einer oder mehrere Betriebsparameter des Fluidsystems 105, beispielsweise eine mittels eines Fluidelements 115 eingebrachte mechanische Kraft oder Energie festgelegt werden.
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Mittels der zweiten Eingabevorrichtung 165 kann ein Umgebungsparameter bereitgestellt werden, der beispielsweise eine Umgebungstemperatur, eine Vibration oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 110 umfassen kann. Das KNN 150 kann an der Ausgabevorrichtung 170 einen Wert bereitstellen, der das Verhalten des Fluidsystems 105 charakterisiert. Dieser Wert kann mit einem korrespondierenden, am physischen Fluidsystem 105 beobachteten Wert verglichen werden. Auf der Basis einer Abweichung kann eine Vernetzung der Neuronen 155 des KNN 150 angepasst werden. Die Anpassung kann beispielsweise mittels des Backpropagation-Verfahrens erfolgen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Neuronen 155 des KNN 150 nicht auf traditionelle Weise in Schichten, sondern in einer anderen Topologie angeordnet sind, die aus der Geometrie des Fluidsystems 105 abgeleitet ist. Dazu kann in einem ersten Schritt die Geometrie des Fluidsystems 105 in erste Abschnitte 180 unterteilt werden, beispielsweise so, wie es aus der Methode der finiten Elemente bekannt ist. Aus der räumlichen Anordnung der ersten Abschnitte 180 ergibt sich eine Topologie, die dem KNN 150 zugrunde gelegt werden kann. In einem zweiten Schritt können zweite Abschnitte 185, die entsprechend der Topologie der ersten Abschnitte 180 angeordnet sind, bereitgestellt werden. Jedem zweiten Abschnitt 185 kann ein Neuron 155 zugeordnet werden. Optional kann einem zweiten Abschnitt 185 auch mehr als ein Neuron 155 zugeordnet werden. Dadurch kann das KNN 150 bereits vor dem Trainieren so gestaltet sein wie die Geometrie des Fluidsystems 105. Das KNN 150 kann als isomorph zum Fluidsystem 105 bezeichnet werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Simulieren eines Fluidsystems 105. Das Verfahren 200 umfasst eine erste Phase des Trainierens und eine zweite Phase des Anwendens, die in der Darstellung von 2 durch eine horizontale, unterbrochene Linie voneinander abgesetzt sind.
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In der Phase des Trainierens kann in einem Schritt 205 ein Fluidsystem 105 erfasst werden. In einem Schritt 210 kann eine Geometrie des Fluidsystems 105 bestimmt werden. Dazu kann die Bauform des Fluidsystems 105 berücksichtigt werden, beispielsweise ein Fluidelement 115, eine Länge oder ein Querschnitt einer Fluidleitung 120 zwischen Fluidelementen 115 oder der räumliche Verlauf der Verbindung.
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In einem Schritt 215 kann die bestimmte Geometrie in erste Abschnitte 180 unterteilt werden. Dazu kann nach einer Methode vorgegangen werden, die bezüglich der finiten Elemente bekannt ist. In Abhängigkeit der bestimmten Geometrie kann ein Koordinatensystem festgelegt werden und Größen bzw. Formen der ersten Abschnitte 180 können festgelegt werden. Es können auch verschiedene Koordinatensysteme für jeweils zugeordnete Abschnitte des Fluidsystems 105 angesetzt werden. Ein erstes Koordinatensystem kann beispielsweise zylindrische Koordinaten, ein zweites Zylinderkoordinaten und ein drittes Kugelkoordinaten aufweisen. Im Bereich aneinander angrenzender Koordinatensysteme kann ein passender Übergang vorgesehen werden.
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In einem Schritt 220 kann eine Topologie bestimmt werden, die die gebildeten ersten Abschnitte 180 umfasst.
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In einem Schritt 225 kann das KNN 150 nach der bestimmten Topologie erstellt werden. Dazu kann jedem ersten Abschnitt 180 ein zweiter Abschnitt 185 zugeordnet werden, sodass die zweiten Abschnitte 185 die Topologie abbilden. Jedem zweiten Abschnitt 185 kann dann eines oder eine vorbestimmte Anzahl Neuronen 155 zugeordnet werden. Eine Topologie des KNN 150 kann auf diese Weise bereits vor dem Trainieren einer Topologie des Fluidsystems 105 entsprechen bzw. dieser nahekommen.
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In einem Schritt 230 kann das KNN 150 trainiert werden. Dazu kann in einem Schritt 235 eine äußere Bedingung bestimmt werden, die insbesondere einen zufließenden oder abfließenden Volumenstrom von Fluid, eine Stellung eines Steuerglieds, eine auf eine Komponente wirkende Kraft oder einen Umgebungsparameter des Fluidsystems 105 umfasst. Beispielhafte Umgebungsparameter umfassen eine Umgebungstemperatur oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 105. Ein Parameter des Fluids 125, beispielsweise ein Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität, kann als Konstante oder als externer Parameter modelliert werden.
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In einem Schritt 240 kann ein Verhalten des Fluidsystems 105 bestimmt bzw. beobachtet werden. Das Verhalten kann einen internen Zustand des Fluidsystems 105 betreffen, beispielsweise einen Volumenstrom, eine Viskosität oder eine Temperatur des Fluids an einer vorbestimmten Stelle im Fluidsystem 105. Es kann auch eine Vielzahl Stellen betrachtet werden. Diese Bestimmung kann für einen vorbestimmten Zeitpunkt oder kontinuierlich erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine Veränderung des internen Zustands an wenigstens einer Stelle in Antwort auf einen externen Parameter bestimmt. In einer Ausführungsform werden einer oder mehrere interne Parameter für jedes der Neuronen 155 bestimmt.
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Das am Fluidsystem 105 bestimmte Verhalten kann mit einem Verhalten verglichen werden, das mittels des KNN 150 auf der Basis derselben äußeren Bedingungen bestimmt ist. Es ist zu beachten, dass das Verhalten des Fluidsystems 105 mittels des KNN 150 potenziell an einer größeren Vielzahl Stellen bestimmt werden kann als am realen Fluidsystem 105. Ein bestimmter interner Zustand muss nicht notwendigerweise einen physikalisch nachvollziehbaren Parameter umfassen, sondern kann auch eine abstrakte Größe betreffen. Dies gilt insbesondere für ein Neuron, das zu einer Stelle des Fluidsystems 105 korrespondiert, für die während des Trainierens kein interner Zustand bekannt ist.
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Das gemessene und das simulierte Verhalten können in einem Schritt 240 miteinander verglichen werden und Verbindungen zwischen den Neuronen 155 des KNN 150 bzw. Gewichte der Verbindungen benachbarter Neuronen 155 können angepasst werden, um eine Abweichung des simulierten Verhaltens vom bestimmten Verhalten zu verringern. Es ist bevorzugt, dass das KNN 150 auf der Basis einer Vielzahl Daten trainiert wird, die am realen Fluidsystem 105 beobachtet wurden. Die Daten können insbesondere dynamische Vorgänge abbilden, bei denen eine Auswirkung eines externen Parameters zeitverzögert in den internen Zustand einfließen können.
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Ist das KNN 150 ausreichend trainiert, so kann es zur Simulation des Fluidsystems 105 verwendet werden. In einem Schritt 245 kann das Verhalten des Fluidsystems 105 auf der Basis von äußeren Bedingungen simuliert werden, wie sie im Schritt 235 bestimmt sind. Eine Bedingung kann einen oder mehrere technische Parameter umfassen, die insbesondere einen von außen beobachtbaren Einfluss auf das Fluidsystem 105 umfassen können. Die Simulation kann einen oder mehrere Parameter bestimmen, die mittels der Ausgabevorrichtung 170 nach außen zugänglich gemacht werden. Ein bestimmter Parameter kann einen internen Parameter betreffen, der so am realen Fluidsystem 105 nicht beobachtet wurde, oder einen externen Parameter, dem ein beobachtbarer physikalischer Parameter am Fluidsystem 105 zugeordnet ist.
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In einem Schritt 250 kann aus dem bestimmten Verhalten ein Kennwert abgeleitet werden, beispielsweise durch Verknüpfen verschiedener Parameter, die das Verhalten kennzeichnen. Der Kennwert kann beispielsweise auf eine Belastungsschädigung, eine chemische Veränderung des Fluids 125 oder eine anormale Erwärmung des Fluidsystems 105 an einer Stelle hinweisen.
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Auf der Basis des Kennwerts oder eines das Verhalten des Fluidsystems 105 kennzeichnenden Parameters kann in einem Schritt 255 das Fluidsystem 105 gesteuert werden. Insbesondere kann eine Stellung eines Fluidelements 115, eine auf das Fluidelement 115 wirkende Kraft, ein zufließender oder ein abfließender Volumenstrom von Fluid 125 in Antwort auf einen bestimmten Parameter oder auf einen Kennwert verändert werden.
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Ein besonderer Vorteil der hierin beschriebenen Technik besteht darin, dass auch ein Parameter am Fluidsystem 105 bestimmt werden kann, der ansonsten messtechnisch schwer erfassbar ist. Dieser Parameter kann beispielsweise einen fluiden Strom umfassen, der an einer vorbestimmten Stelle des Fluidsystems 105 fließt. Der Strom kann mit einem Sensor schwer bestimmbar sein, weil die Stelle nicht gut zugänglich ist, der Sensor das Verhalten des Fluidsystems 105 beeinflusst oder zu viele Stellen zu überwachen sind. Mittels des KNN kann hingegen eine wechselwirkungsfreie Bestimmung des Parameters an einer praktisch beliebigen Vielzahl Stellen gelingen. In einer Ausführungsform wird ein vorbestimmter Parameter, etwa ein Druck oder ein Volumenstrom, für jedes einzelne der Neuronen 155 bestimmt.
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Auf der Basis der Simulation kann auch eine Vorhersage getroffen werden, wie sich das Fluidsystem 105 unter dem Einfluss eines oder mehrerer vorbestimmter Parameter verhalten wird. Beispielsweise kann bestimmt werden, welcher Volumenstrom an einer vorbestimmten Stelle des Fluidsystems 105 unter vorbestimmten Bedingungen bewirkt werden kann. Weiter kann bestimmt werden, wann das Fluid aufgrund des Betriebs des Fluidsystems 105 seine fluiden Eigenschaften verändert hat, sodass es ausgetauscht werden sollte.
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So kann zu einem bestimmten zufließenden oder abfließenden Volumenstrom oder zu jeder auf ein Fluidelement wirkenden Kraft bestimmt werden, welcher Fluidstrom an einer vorbestimmten Stelle bereitgestellt werden kann. Es kann auch bestimmt werden, welchen Alterungs- oder Verschleißeffekt eine bestehende oder geplante Ladung oder Entladung am Fluidsystem 105 bewirkt. Mittels des KNN 150 kann auch eine große Vielzahl Parameter berücksichtigt werden, die Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Fluidsystems 105 haben, etwa in Form eines Wirkungsgrads.
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Bezugszeichen
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- 100
- System
- 105
- Fluidsystem
- 110
- Kraftfahrzeug
- 115
- Fluidelement
- 120
- Fluidleitung
- 125
- Fluid
- 150
- künstliches neuronales Netzwerk (KNN)
- 155
- Neuron
- 160
- erste Eingabevorrichtung
- 165
- zweite Eingabevorrichtung
- 170
- Ausgabevorrichtung
- 180
- erster Abschnitt
- 185
- zweiter Abschnitt
- 200
- Verfahren
- 205
- Fluidsystem erfassen
- 210
- Geometrie bestimmen
- 215
- Aufteilen in erste Abschnitte
- 220
- Topologie bestimmen
- 225
- KNN nach Topologie erstellen
- 230
- KNN trainieren
- 235
- Parameter bestimmen
- 240
- Verhalten des Fluidsystems bestimmen
- 245
- Verhalten des Fluidsystems simulieren
- 250
- Kennwert ableiten
- 255
- Fluidsystem steuern
