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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bereitstellen einer Temperaturangabe durch einen virtuellen Sensor, der basierend auf Vorgabe- und Systemzustandsgrößen mithilfe eines physikalischen oder datenbasierten Modells eine Temperaturangabe bereitstellt.
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Technischer Hintergrund
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Das zuverlässige Bereitstellen einer Temperaturangabe gewährleistet einen sicheren Betrieb einer Vielzahl von technischen Systemen. Beispielsweise ist für den sicheren Betrieb einer elektrischen Maschine die Kenntnis über eine Statortemperatur wichtig. Dabei wird die elektrische Maschine betrieben, so dass eine maximal zulässige Statortemperatur nicht überschritten wird, um Komponenten der elektrischen Maschine vor Überhitzung zu schützen und die fortwährende Betriebsfähigkeit der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Die Statortemperatur beschränkt die maximale Spitzenleistung der elektrischen Maschine und wird gemäß dem Stand der Technik häufig mithilfe eines NTC-(Negative Temperature Coefficient-)Sensors gemessen, der sich innerhalb der Statorwindungen befindet. Das physische Vorsehen eines Temperatursensors bedeutet einen erhöhten konstruktiven Aufwand. Daher kann vorgesehen sein, Temperatursensoren durch virtuelle Temperatursensoren zu ersetzen.
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Virtuelle Temperatursensoren ermöglichen es, eine Temperaturangabe in einem technischen System basierend auf Vorgabe- und Systemzustandsgrößen zu ermitteln, ohne tatsächlich einen Temperatursensor vorsehen zu müssen. Die Auswertung der Vorgabegrößen und der Systemzustandsgrößen (Eingangssignale) kann mithilfe eines datenbasierten Temperaturmodells erfolgen, so dass sich eine Temperaturangabe durch eine Regression ergibt.
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Ein solcher virtueller Temperatursensor kann durch ein Gauß-Prozess-Modell mit einer NX-Struktur gebildet werden, der die entsprechende Temperaturangabe ermittelt. Die NX-Struktur ermöglicht in bekannter Weise das Berücksichtigen von dynamischen Abhängigkeiten.
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Aufgrund der hohen thermischen Kapazität von Komponenten des technischen Systems wird in der Regel ein Tiefpassfilter (z.B. PT1) für bestimmte Eingangssignale mit einer hohen parametrisierten Zeitkonstanten verwendet. Dies reduziert die Schwankungen der modellierten Temperaturangabe, so dass die Trägheiten von Temperaturänderungen in Komponenten des Systems besser abgebildet werden können.
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Insbesondere in einer Startphase werden durch die Tiefpassfilterung Eingangsgrößen geglättet und dadurch in ihren Gradienten beschränkt. Dies hat jedoch zur Folge, dass sich die daraus ergebende modellierte Temperaturangabe sich nur vergleichsweise langsam an die tatsächliche Temperatur der Komponente des technischen Systems annähert. Dies liegt vor allem daran, dass für die Modellierung einer Temperaturangabe hohe Zeitkonstanten der Tiefpassfilterung verwendet werden können, da es sich bei einem Temperatursystem in der Regel um sehr träge Systeme handelt.
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DE 10212 751 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rotortemperatur bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, bei welcher eine feldorientierte Regelung erfolgt. Es ist ein Schätzwertermittler vorgesehen, welchem die von einem Längsstromregler und einem Querstromregler zur Verfügung gestellten Stellgrößen für den Längsstrom und den Querstrom zugeführt werden. Der Schätzwertermittler ermittelt einen Schätzwert für die Rotortemperatur unter Verwendung der genannten Stellgrößen und eines Temperaturmodells der Synchronmaschine.
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JP 2005-12 888 A offenbart eine stromdurchflossene Einheit, welche mit einem Heizteil, wobei der Heizteil mit einem Strom geheizt wird, und mit einem Wärmestrahlungsteil, der Wärme von der Peripherie der Einheit abstrahlt, modelliert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bereitstellen einer modellierten Temperaturangabe einer Komponententemperatur eines technischen Systems gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein technisches System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperaturangabe einer Komponententemperatur in einem technischen System mithilfe eines Temperaturmodells vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Verlaufs von mindestens einer Eingangsgröße, die mindestens eine Vorgabegröße und/oder mindestens eine Systemzustandsgröße umfasst;
- - Tiefpassfiltern des Verlaufs der mindestens einen Eingangsgröße, wobei die Tiefpassfilterung gemäß einer vorgegebenen Zeitkonstanten erfolgt;
- - Modellieren der Temperaturangabe abhängig von dem gefilterten Verlauf der mindestens einen Eingangsgröße mithilfe eines datenbasierten Temperaturmodells, das trainiert ist, den gefilterten Verlauf der mindestens einen Eingangsgröße der Temperaturangabe zuzuordnen;
- - Betreiben des technischen Systems abhängig von der Temperaturangabe, wobei die Zeitkonstante während einer vorgegebenen Anfangsphase des Betreibens des technischen Systems von einem vorgegebenen Anfangswert der Zeitkonstanten zu dem Wert der vorgegebenen Zeitkonstanten erhöht wird.
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Vorzugsweise wird die Tiefpassfilterung mit einem PT1-Filter durchgeführt.
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Bei der Verwendung von virtuellen Temperatursensoren werden in der Regel Zeitreihen von Eingangsgrößen berücksichtigt, d.h. es werden häufig auch historische Werte der Eingangsgrößen, d.h. der Vorgabegrößen- und/oder der Systemzustandsgrößen, berücksichtigt. Um die Trägheit von Temperaturänderungen in dem System zu berücksichtigen, werden die Zeitreihen, d.h. die Verläufe, der Eingangsgrößen zumindest teilweise tiefpassgefiltert, so dass schnelle Temperaturschwankungen der modellierten Temperaturangabe unterbunden werden, die in der Realität so nicht auftreten können.
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Die Tiefpassfilterung ist über die Zeitkonstante parametrisiert, die bei Temperaturen in der Regel vergleichsweise hoch ist und im Bereich von einer bis mehreren Sekunden liegen kann. Jedoch führt eine Tiefpassfilterung mit einer hohen Zeitkonstanten in einer Anfangsphase, z. B. nach einem Starten des technischen Systems, zu einer hohen Abweichung zwischen der modellierten Temperaturangabe und der tatsächlichen Temperatur. In der Regel benötigt das Einschwingen des Temperaturmodells bis zum Reduzieren des Modellierungsfehlers unter ein gewünschtes akzeptables Schwellenmaß eine längere Zeitdauer als es der Zeitdauer der Zeitkonstanten entspricht. Die Zeitdauer zum Abklingen des resultierenden Modellierungsfehlers hängt dabei von der gewählten Zeitkonstanten der Tiefpassfilterung des Verlaufs der mindestens einen Eingangsgröße ab.
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Weiterhin kann die Zeitkonstante während der Anfangsphase gemäß einem zeitlichen monoton steigenden Verlauf erhöht werden.
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Insbesondere kann die Zeitkonstante gemäß einem zeitlichen linearen, polynomialen oder sigmoidförmigen Verlauf erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun vor, die Zeitkonstante während einer Anfangsphase der Modellierung der Temperaturangabe geringer zu wählen als die parametrisierte Zeitkonstante, die für den herkömmlichen Betrieb vorgegeben ist. Insbesondere kann die Zeitkonstante während der Anfangsphase gemäß einer vorgegebenen insbesondere monoton steigenden und/oder stetigen zeitlich variablen Funktion von einem geringen Wert auf den gewünschten parametrierten Endwert geändert werden. Somit besteht eine Idee darin, die Zeitkonstante in der Anfangsphase zu variieren und insbesondere stetig ansteigen zu lassen, bis die vorgegebenen parametrisierten Endwerte der Zeitkonstanten für die Tiefpassfilterung(en) des Verlaufs der mindestens einen Eingangsgröße erreicht ist. Die Anfangsphase ist dabei als ein vorgegebener Zeitraum nach dem Starten oder der Inbetriebnahme des technischen Systems vorgegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass das datenbasierte Temperaturmodell ein künstliches neuronales Netz oder ein Gaußprozessmodell umfasst.
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Der Vorteil besteht darin, dass eine schnellere Übergangsantwort auf die gewünschte Temperaturangabe erreicht wird, was sich bei datenbasierten Temperaturmodellen sowohl in der Trainings- als auch Auswertungsphase auswirkt. Beim Training besteht der Vorteil darin, dass es wegen der schnelleren Übergangsantwort weniger Trainingspunkte mit - aufgrund der Phasenverschiebung bei hohen Zeitkonstanten des PT1-Filters - inakzeptablem Verhalten des gefilterten Verlaufs der Eingangsgrößen gibt und weniger dynamische Eingangsgrößen auf eine sich langsam ändernde Temperaturangabe abgebildet werden müssen.
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Bei der Auswertung des datenbasierten Temperaturmodells kann hingegen der Modellierungsfehler in der Anfangsphase schneller reduziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit der Verwendung des PT1-Filters mit einer variablen Zeitkonstante für die Filterung des Verlaufs der mindestens einen Eingangsgröße kein zusätzlicher Speicher für vorherige Signalwerte der Eingangsgröße notwendig ist, so dass das Verfahren, insbesondere auch im Steuergerät, mit beschränkter Verarbeitungskapazität verwendet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der gefilterte Verlauf der mindestens einen Eingangsgröße historische, zeitlich zurückliegende Werte der mindestens einen gefilterten Eingangsgröße umfasst.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in dem technischen System eine elektrische Maschine umfasst sein, deren Statortemperatur durch die Temperaturangabe mithilfe des Temperaturmodells modelliert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines technischen Systems abhängig von einer Temperaturangabe einer Komponententemperatur in dem technischen System vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- - Bereitstellen eines Verlaufs von mindestens einer Eingangsgröße, die mindestens eine Vorgabegröße und/oder mindestens eine Systemzustandsgröße umfasst;
- - Tiefpassfiltern des Verlaufs der mindestens einen Eingangsgröße, wobei die Tiefpassfilterung gemäß einer vorgegebenen Zeitkonstanten erfolgt;
- - Modellieren der Temperaturangabe abhängig von dem gefilterten Verlauf der mindestens einen Eingangsgröße mithilfe eines datenbasierten Temperaturmodells, das trainiert ist, den gefilterten Verlauf der mindestens einen Eingangsgröße der Temperaturangabe zuzuordnen;
- - Betreiben des technischen Systems abhängig von der Temperaturangabe, wobei die Zeitkonstante während einer vorgegebenen Anfangsphase des Betreibens des technischen Systems von einem Anfangswert der Zeitkonstanten zu dem Wert der vorgegebenen Zeitkonstanten erhöht wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines datenbasierten Temperaturmodells;
- 2a bis 2d mögliche Verläufe einer Zeitkonstanten für die Tiefpassfilterung einer Eingangsgröße während einer Anfangsphase; und
- 3a und 3b Vergleiche der modellierten und tatsächlichen Temperatur zur Veranschaulichung der Reduzierung des Modellierungsfehlers in einer Anfangsphase ohne Tiefpassfilterung mit variabler Zeitkonstanten bzw. mit Tiefpassfilterung mit variabler Zeitkonstanten.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines technischen Systems 1 am Beispiel eines Motorsystems mit einer elektrischen Maschine 2 mit einem Stator als eine Komponente, deren Temperatur zu bestimmen ist. Das Motorsystem umfasst eine Sensorik 3 zur Erfassung von Systemzustandsgrößen Z, die im Falle des Motorsystems einen Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl, einen Motorstromsensor zur Messung des Motorstroms, einen Umgebungstemperatursensor zur Messung oder zum Bereitstellen einer Umgebungstemperatur, einen Spannungssensor zur Messung oder zum Bereitstellen einer Phasenspannung und dergleichen umfassen können. In anderen technischen Systemen können andere Systemzustandsgrößen Z bereitgestellt bzw. gemessen werden. Die elektrische Maschine wird mithilfe eines Steuergeräts 4 betrieben und angesteuert.
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Weiterhin werden dem Motorsystem von extern eine oder mehrere Vorgabegrößen V, wie z.B. eine Sollleistung, eine Solldrehzahl und dergleichen vorgegeben, die z.B. für eine Regelung durch das Steuergerät 4 verwendet werden können. Mithilfe eines Temperaturmodell 41 zur Ermittlung einer Komponententemperatur kann eine weitere relevante Größe für die Regelung bereitgestellt werden.
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Für den Betrieb des technischen Systems 1 bzw. der elektrischen Maschine ist eine Kenntnis über die Komponententemperatur in der Komponente erforderlich, um die Temperaturabhängigkeiten berücksichtigen zu können und/oder sicherheitsrelevante Funktionen implementieren zu können, die insbesondere auf Vermeidung einer Überhitzung ausgerichtet sind.
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Um den konstruktiven Aufwand zu vermeiden, wird die entsprechende Temperaturangabe durch einen virtuellen Temperatursensor bereitgestellt. Der virtuelle Temperatursensor umfasst ein Temperaturmodell 41, das in dem Steuergerät 4 implementiert ist. Das Temperaturmodell 41 ist als Rechenmodell ausgebildet, um anhand der zeitlichen Verläufe von Eingangsgrößen eine Temperaturangabe T zu modellieren. Die Temperaturangabe T kann eine Temperatur an einer bestimmten Stelle der Komponente der elektrischen Maschine 2, insbesondere an einem Hotspot der Komponente der elektrischen Maschine 2, angeben.
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Das Temperaturmodell 41 kann datenbasiert ausgebildet sein, insbesondere als Gauß-Prozess-Modell, insbesondere als NARX-Gauß-Prozess-Modell, als künstliches neuronales Netz und dergleichen, bei dem die Werte der Zeitreihe der Eingangsgrößen mehrfach mit unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung (bzw. für unterschiedliche Zeitpunkte) als Eingangsgröße dem Temperaturmodell bereitgestellt werden. Die zeitlich verzögerten Eingangsgrößen Vt-1, Vt-2..., Zt-1,Zt- 2... können eine oder mehrere der Vorgabegrößen V und/oder eine oder mehrere der Systemzustandsgrößen Z umfassen und in NARX-Blöcken 42 zwischengespeichert und generiert werden.
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Zumindest ein Teil der Verläufe der Eingangsgrößen kann mit einem jeweiligen Tiefpassfilter 43 vorverarbeitet werden. Der Tiefpassfilter 43 ermöglicht eine Glättung der jeweiligen Eingangsgröße, die zu einem geglätteteren Verlauf der modellierten Temperaturangabe T führt, die real auftretenden Temperaturverläufen aufgrund der hohen thermischen Kapazität entspricht.
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Die Tiefpassfilterung kann als PT1-Glied ausgebildet sein und mit einer jeweils vorgegebenen Zeitkonstanten Tp erfolgen, die durch Parametrierung des technischen Systems 1 vorgegeben wird. In einer Anfangsphase TA beim Starten oder Inbetriebnahme des technischen Systems 1 wirkt sich jedoch eine zu große Zeitkonstante Tp der Tiefpassfilterungen in einem hohen Modellierungsfehler aus. Dieser Modellierungsfehler reduziert sich über eine Zeitperiode, die jedoch ein Vielfaches der Zeitkonstanten Tp der Tiefpassfilterungen betragen kann. Ein solches Verhalten mit anfänglich hohem Modellierungsfehler ist beispielsweise in einem Diagramm der 3a dargestellt. Dort werden die Verläufe der modellierten (M) und tatsächlichen Temperatur (R) der Komponente des technischen Systems 1 dargestellt.
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Mithilfe des Steuergeräts 4 ist nun vorgesehen, die Zeitkonstante Tp der Tiefpassfilterungen variabel vorzugeben. Dabei wird zunächst bei Inbetriebnahme oder Starten des technischen Systems 1 eine niedrigere Zeitkonstante vorgegeben und diese gemäß einer vorbestimmten Funktion während eines Verlaufs einer vorgegebenen festgelegten Zeitdauer TA der Anfangsphase auf den ursprünglich parametrierten Wert der Zeitkonstanten Tp erhöht.
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Mögliche zeitliche Verläufe der Anpassung der Zeitkonstanten Tp sind in den 2a bis 2d qualitativ dargestellt. Man erkennt in 2a eine lineare Erhöhung der Zeitkonstanten Tp von dem Anfangswert bis zu dem parametrierten Wert Tp der Zeitkonstanten, in 2b einen Verlauf entsprechend einer Polynomialfunktion, insbesondere einer quadratischen Funktion, in 2c einen Verlauf entlang einer Sigmoidfunktion sowie in 2d einen Verlauf entsprechend einer beliebigen monoton steigenden Funktion, z.B. mit zusammengesetzten linearen Abschnitten.
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Die Verläufe der Zeitkonstanten T können fest vorgegeben sein und erreichen den parametrierten Wert der Zeitkonstanten Tp zum Zeitpunkt des Endes der Anfangsphase TA. Wird die Zeitkonstante auf diese Weise modelliert, kann der Fehler durch das Einschwingverhalten in der Anfangsphase deutlich reduziert werden, wie beispielsweise anhand der beispielhaften Verläufe in den 3a und 3b dargestellt ist. 3 zeigt die Verläufe der modellierten (M) und tatsächlichen Temperatur (R) der Komponente des technischen Systems 1 für den Fall einer konstanten Zeitkonstanten bzw. für den Fall einer variierenden Zeitkonstanten während der Anfangsphase. Dort erkennt man, dass die Verläufe der modellierten (M) und tatsächlichen Temperatur (R) der Komponente des technischen Systems 1 bereits innerhalb der Anfangsphase TA nur wenig voneinander abweichen.
