DE10222700A1 - System optimization method for optimization of a complex technical system, e.g. optimization of motor vehicle bodywork design parameters, whereby successive approximation models are generated until sufficient accuracy is obtained - Google Patents
System optimization method for optimization of a complex technical system, e.g. optimization of motor vehicle bodywork design parameters, whereby successive approximation models are generated until sufficient accuracy is obtainedInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zum Optimieren von Parametern eines Systems, insbesondere zum Optimieren von Parametern eines technischen Systems. The present invention relates to a computer-aided method for optimizing Parameters of a system, in particular for optimizing parameters of a technical system.
Systeme sind stets durch einen oder mehrere Parameter p = (p1, . . ., pP) charakterisiert. Ziel
von Entwicklungsprozessen ist es, einen Satz p* der Parameter zu finden, für den eine oder
mehrere Zielgrößen g = (g1, . . ., gG) optimal, d. h. in der Regel extremal (minimal oder
maximal) werden, wobei u. U. eine oder mehrere Nebenbedingungen h1(p) ≤ 0; h2(p) = 0
einzuhalten sind, also
g(p*) = Extr!|h1(p*) ≤ 0; h2(p*) = 0
Systems are always characterized by one or more parameters p = (p 1 ,..., P P ). The aim of development processes is to find a set p * of parameters for which one or more target variables g = (g 1 ,..., G G ) become optimal, ie usually extremal (minimal or maximal), whereby u , U. one or more constraints h 1 (p) ≤ 0; h 2 (p) = 0 are to be observed, that is
g (p *) = Extr! | h 1 (p *) ≤ 0; h 2 (p *) = 0
Beispielsweise ist es ein Ziel bei der Fahrzeugentwicklung, als Parameter p die Blechdicken der Karosserie so zu wählen, daß als Zielfunktionen g Gewicht und/oder Kosten des Fahrzeugs minimal werden, wobei gleichzeitig bestimmte Crashtestwerte h1 unterschritten und bestimmte Außenabmessungen h2 eingehalten werden müssen. For example, one goal in vehicle development is to select the sheet thicknesses of the bodywork as parameters p such that the weight and / or costs of the vehicle are minimized as target functions g, at the same time falling below certain crash test values h 1 and certain external dimensions h 2 .
Ist dabei ein funktioneller Zusammenhang zwischen den Parametern und den Zielgrößen bekannt, etwa in Form einer (linearen oder nichtlinearen) Funktion g = Ψ(p), so existiert eine Reihe von Optimierungsverfahren, sogenannten Optimierern, zur Lösung dieses Problems. Hierbei ist in der Regel die Auswertung der Funktion für mehrere, oftmals sehr viele Parametersätze notwendig. Is there a functional connection between the parameters and the target values known, for example in the form of a (linear or nonlinear) function g = Ψ (p), so exists a number of optimization methods, so-called optimizers, to solve this Problem. Here, the function is usually evaluated for several, often very often many parameter sets necessary.
Häufig ist jedoch ein solcher funktioneller Zusammenhang nicht bekannt. Vielmehr hat der Entwickler nur eine (in der Regel begrenzte) Anzahl von Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi = (pi; gi); i = 1,I zur Verfügung, beispielsweise aus Versuchen und/oder (oft sehr aufwendigen) Simulationen. In obigem Beispiel sind aus Zeit- und Kostengründen etwa nur wenige reale Crashtests mit verschiedenen Blechdicke-Verteilungen möglich. Auch FEM-Simulationen sind zeitintesiv: so erfordert ein einzelner Simulationslauf für einen bestimmten Parametersatz pi in obigem Beispiel heute z. T. noch mehrere Tage. However, such a functional relationship is often not known. Rather, the developer only has a (generally limited) number of parameter target variable points P i = (p i ; g i ); i = 1, I available, for example from experiments and / or (often very complex) simulations. In the above example, for reasons of time and costs, only a few real crash tests with different sheet thickness distributions are possible. FEM simulations are also time-intensive: for example, a single simulation run for a specific parameter set p i in the above example today requires z. T. still several days.
Solche Parameter-Zielgrößen-Punkte werden nachfolgend als reale Parameter-Zielgrößen-
Punkte Pi = (pi; gi) bezeichnet (wenngleich sie beispielsweise auch aus einer (komplexen)
Simulation stammen können), um sie von approximierten Parameter-Zielgrößen-Punkten
zu unterscheiden, die, wie nachfolgend beschrieben, aus sogenannten
Approximationsmodellen gewonnen werden.
Such parameter target variable points are referred to below as real parameter target variable points P i = (p i ; g i ) (although they can also originate, for example, from a (complex) simulation), in order to approximate them from approximated parameter target variable points
to differentiate, which, as described below, are obtained from so-called approximation models.
Daher besteht also das Problem, daß einerseits Optimierer eine Vielzahl von Parameter- Zielgrößen-Punkten zur Ermittlung eines Optimums benötigen, andererseits die Bereitstellung solcher Parameter-Zielgrößen-Punkte oftmals sehr aufwendig und auch bei Einsatz von Simulationswerkzeugen zumindest zeitintensiv ist. Therefore, there is the problem that on the one hand optimizers have a large number of parameter Target size points to determine an optimum, on the other hand, the Providing such parameter-target size points is often very complex and also with Use of simulation tools is at least time-consuming.
Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, den funktionellen Zusammenhang g = Ψ(p)
anhand weniger realer Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi = (pi; gi) mittels eines
Approximationsmodells g = ≙(p) zu approximieren, wobei der Optimierer dann dieses
verhältnismäßig schnell und einfach auszuwertende Approximationsmodell zur Ermittlung
weiterer, vom Optimierer benötigter Parameter-Zielgrößen-Punkte
und/oder von
Gradienten
verwendet.
To solve this problem, it is known to approximate the functional relationship g = Ψ (p) using less real parameter-target variable points P i = (p i ; g i ) by means of an approximation model g = ≙ (p), the optimizer then this approximation model, which can be evaluated relatively quickly and easily, in order to determine further parameter target variable points required by the optimizer
and / or of gradients
used.
Dabei ergibt sich das Problem, daß ein Approximationsmodell ≙1, welches anhand einer Menge ursprünglicher Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi 1 generiert wurde, den realen Zusammenhang zwischen den Parametern und den Zielgrößen, etwa im Bereich einer optimalen Lösung, nicht richtig wiedergibt und damit eventuell zu falschen "optimalen" Parametern führt. Dies wird nachteilig oft erst beim Einsatz dieser - vermeintlich optimalen - Parameter in einem späten Entwicklungsstadium festgestellt, was erhebliche Folgekosten (neue Optimierung oder Verwendung der nicht-optimalen Parameter) verursacht. The problem arises here that an approximation model ≙ 1 , which was generated on the basis of a set of original parameter target variable points P i 1 , does not correctly reproduce the real relationship between the parameters and the target variables, for example in the area of an optimal solution, and thus possibly leads to wrong "optimal" parameters. This is often disadvantageously determined only when these - supposedly optimal - parameters are used in a late development stage, which causes considerable consequential costs (new optimization or use of the non-optimal parameters).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein effizienteres Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Optimierung von Parametern eines Systems, insbesondere eines technischen Systems, zur Verfügung zu stellen. The object of the present invention is therefore to provide a more efficient method Device for optimizing parameters of a system, in particular one technical system.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, 14, 15 bzw. 16 gelöst. This object is achieved by the features of claims 1, 14, 15 and 16, respectively.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfaßt die Schritte:
S110: Erfassen von realen Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi 1 = (pi 1; gi 1) für eine Anfangs-
Parametermenge Π1 = {pi 1}, i = 1, . . ., I1;
S120: Generieren wenigstens eines ersten Approximationsmodells ≙k 1;
S130: Bestimmung eines optimalen Parametersatzes p1* unter Verwendung des ersten
Approximationsmodells;
S140: Prüfen, ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;
Beenden des Optimierungsverfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist:
S50: Vorgabe einer neuen Parametermenge Πj+1 = {pi j+1};
S10: Erfassen realer Parameter-Zielgrößen-Punkte Pi j+1 = (pi j+1; gi j+1) für diese
neuen Parametermenge;
S20: Generieren wenigstens eines ersten Approximationsmodells ≙k j+1 für diese
realer Parameter-Zielgrößen-Punkte;
S30: Bestimmung eines optimalen Parametersatzes pj+1* unter Verwendung
dieses ersten Approximationsmodells;
S40: Prüfen, ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;
Beenden des Optimierungsverfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
wiederholen der Schritte S50, S10-S40, falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist.
A method according to the invention comprises the steps:
S110: Detection of real parameter target variable points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) for an initial parameter set Π 1 = {p i 1 }, i = 1,. , ., I 1 ;
S120: generation of at least a first approximation model ≙ k 1 ;
S130: determination of an optimal parameter set p 1 * using the first approximation model;
S140: Check whether an abort condition is met;
Ending the optimization process if the abort condition is met; and if the termination condition is not met:
S50: specification of a new parameter set Π j + 1 = {p i j + 1 };
S10: detection of real parameter target variable points P i j + 1 = (p i j + 1 ; g i j + 1 ) for this new parameter set;
S20: generation of at least a first approximation model ≙ k j + 1 for these real parameter target variable points;
S30: determination of an optimal parameter set p j + 1 * using this first approximation model;
S40: Check whether an abort condition is met;
Ending the optimization process if the abort condition is met; and repeating steps S50, S10-S40 if the abort condition is not met.
Durch ein solches erfindungsgemäßes Verfahren wird also nicht wie bisher nach dem Stand der Technik lediglich anhand einer Anfangs-Parametermenge ein einziges Approximationsmodell erzeugt und unter Verwendung dieses einen Modells ein optimaler Parametersatz für dieses Approximationsmodell ermittelt, sondern es werden iterativ solange jeweils neue Approximationsmodelle erzeugt, bis ein optimaler Parametersatz für das reale System mit hinreichender Genauigkeit (bzw. bis eine andere Abbruchbedingung erfüllt ist) ermittelt wurde. Dabei wird für jedes Folgemodell eine neue Parametermenge vorgegeben, für die (wenigstens) ein Approximationsmodell erzeugt wird. By such a method according to the invention is therefore not as before according to State of the art only a single one based on an initial parameter set Approximation model generated and using this one model an optimal Parameter set for this approximation model, but it will be iterative as long as new approximation models are generated until an optimal parameter set for the real system with sufficient accuracy (or until another termination condition is fulfilled) was determined. There is a new set of parameters for each subsequent model predefined for which (at least) an approximation model is generated.
Vorteilhafterweise enthält diese neue Parametermenge Πj+1 die Parametermenge der vorhergehenden Iterationsschleife Πj, so daß die Datenbasis {pi j+1}, mit der das (wenigstens eine) neue Approximationsmodell ≙k j+1 erzeugt wird, ständig wächst und so die Qualität der Approximationsmodelle in jedem Iterationsschritt j → (j + 1) verbessert wird. This new parameter set Π j + 1 advantageously contains the parameter set of the previous iteration loop Π j , so that the database {p i j + 1 }, with which the (at least one) new approximation model ≙ k j + 1 is generated, is constantly growing and so on the quality of the approximation models is improved in each iteration step j → (j + 1).
Vorteilhafterweise umfaßt die neue Parametermenge Πj+1 Parametersätze, die in der Umgebung des im vorigen Iterationsschritt gefundenen optimalen Parametersatzes pj* liegen. Vorteilhafterweise werden diese Parametersätze nach einer vorgegebenen Verteilung, etwa einer Gleich- oder einer Normalverteilung, oder stochastisch oder nach einem Design-Of-Experiment-Verfahren erzeugt. Gleichermaßen kann in einer bevorzugten Ausführung auch die Menge der I1 Anfangs-Parametersätze Π1 = {pi 1}; i = 1, . . ., I1 erzeugt werden, indem etwa für jeden Parameter eine Normalverteilung um einen Ausgangswert verwendet wird. The new parameter set Π j + 1 advantageously comprises parameter sets which lie in the vicinity of the optimal parameter set p j * found in the previous iteration step. These parameter sets are advantageously generated according to a predetermined distribution, for example a uniform or normal distribution, or stochastically or according to a design-of-experiment method. Likewise, in a preferred embodiment, the set of I 1 initial parameter sets Π 1 = {p i 1 }; i = 1,. , ., I 1 are generated by using a normal distribution around an initial value for each parameter.
Vorteilhafterweise werden in den Schritten S20 bzw. S120 mehr als ein
Approximationmodell ≙k j+1; k ≥ 1 erzeugt und aus diesen k Approximationsmodellen in
einem Schritt S22 bzw. S122 dasjenige mit der besten Prognosefähigkeit als das erste
Approximationsmodell ausgewählt, das bei der Optimierung verwendet wird. In einer
besonders bevorzugten Ausführung wird anschließend in einem Schritt S25 bzw. S125
überprüft, ob das ausgewählte erste Approximationsmodell eine ausreichende
Prognosefähigkeit aufweist. Falls dies nicht der Fall ist, kann an dieser Stelle das
Optimierungsverfahren abgebrochen werden (da mit dem Approximationsmodell der reale
Zusammenhang zwischen Parametern und Zielgrößen nicht ausreichend approximert
werden kann und damit eine Optimierung unter Verwendung des Approximationsmodells
keine Aussagekraft für das reale System hätte) oder solange die Datenbasis und/oder das
Approximationsmodell angepaßt werden, bis in Schritt S25 bzw. S125 eine ausreichende
Prognosefähigkeit festgestellt wird. Die Generierung mehrerer Approximationsmodelle
kann beispielsweise umfassen:
- - ein lineares Regressionsmodell; und/oder
- - ein quadratisches Regressionsmodell; und/oder
- - eines sonstiges Regressionsmodell, bei dem kubische und höhere Terme, e-Funktionen, logarithmische und/oder trigonometrische Funktionen etc. verwendet werden; und/oder
- - ein neuronales Netz; und/oder
- - kubische oder B-Splines und/oder
- - Kriging-Modelle,
- - a linear regression model; and or
- - a quadratic regression model; and or
- - another regression model, in which cubic and higher terms, e-functions, logarithmic and / or trigonometric functions etc. are used; and or
- - a neural network; and or
- - cubic or B-splines and / or
- - Kriging models,
Die Erzeugung, Validierung und Selektion mehrerer Approximationsmodelle ist insbesondere in der deutschen/europäischen/PCT-Anmeldung "Regelbasiertes Optimierungsverfahren" des gleichen Anmelders mit dem gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Anmeldung offenbart. Insofern wird hier vollinhaltlich Bezug auf o. g. Anmeldung genommen und deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung einbezogen. The creation, validation and selection of several approximation models is especially in the German / European / PCT application "Rules-based Optimization process "of the same applicant with the same filing date as that present application discloses. In this respect, full reference is made to the above-mentioned. Application taken and their content included in the present application.
In einer bevorzugten Ausführung kann in Schritt S27 bzw. S127 ein geeigneter Optimierer ausgewählt werden, etwa für lineare Approximationsmodelle ein linearer Optimierer, für quadratische Approximationsmodelle ein quadratischer Optimierer und für andere, nichtlineare Approximationsmodelle beispielsweise ein SQP-Optimierer. Hierfür können in einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reihe bekannter Optimierer nach dem Stand der Technik zur Auswahl bereitgestellt werden, beispielsweise Achsparallele Suche, (Konjugierte-)Gradientenverfahren, (Quasi-)Newton-Verfahren, Simplexverfahren, Straffunktionsverfahren, Verfahren der zulässigen Richtung, Muliplikatoren- Straffunktionsverfahren, Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP), Complex- Methode, Simuliertes Ausglühen, Evolutionäre Algorithmen, Hierarische Optimierer, Dynamische Programmierung (Bellman), (Diskrete) stochastische Dynamische oder LQ- Optimierung, Lineare Quadratische Gauss-Optimierung und dergleichen, wobei obige Liste selbstverständlich nicht abschließend ist, sondern jeder der Fachwelt bekannte Optimierer eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann dann automatisch für ein lineares Approximationsmodell ein Simplex-Verfahren, für ein durch eine Funktion (Polynom etc.) beschriebenes Approximationsverfahren ein SQP-Verfahren, für ein neuronales Netz ein Evolutionsansatz und für die realen Parameter-Zielgrößen-Punkte ein stochastischer Algorithmus ausgewählt werden Gleichermaßen kann für alle Approximationsmodelle ein einziger Optimierer, etwa ein SQP-Optimierer verwendet werden. In a preferred embodiment, a suitable optimizer can be performed in step S27 or S127 a linear optimizer can be selected, e.g. for linear approximation models quadratic approximation models a quadratic optimizer and for others, nonlinear approximation models, for example an SQP optimizer. For this you can in a method according to the invention a number of known optimizers according to the prior art the technology is made available for selection, for example axis-parallel search, (Conjugated) gradient method, (quasi) Newton method, simplex method, Penalty Function Procedure, Permitted Direction Procedure, Multiplier Penalty function, sequential quadratic programming (SQP), complex Method, Simulated Annealing, Evolutionary Algorithms, Hierarchical Optimizers, Dynamic Programming (Bellman), (Discrete) Stochastic Dynamic or LQ- Optimization, Linear Quadratic Gauss Optimization and the like, the above The list is of course not exhaustive, but everyone known to the experts Optimizer can be used. For example, can then automatically for a linear Approximation model a simplex method, for one by a function (polynomial etc.) Approximation method described an SQP method, for a neural network Evolutionary approach and a stochastic one for the real parameter target size points Algorithm can be selected equally for all approximation models only optimizer, such as an SQP optimizer can be used.
Weist hingegen das (beste) Approximationsmodell keine ausreichende Prognosefähigkeit auf, so können beispielsweise nur reale Parameter-Zielgrößen-Punkte verwendet werden. Vorteilhafterweise wird dann in Schritt S27 bzw. S127 ein evolutionsbasierter Algorithmus verwendet, der aus einer begrenzten Anzahl von vorhandenen Parameter-Zielgrößen- Punkten effizient einen optimalen Parametersatz auffinden kann. Gleichermaßen können hier beispielsweise stochastische Optimierer eingesetzt werden. However, if the (best) approximation model does not have sufficient forecasting ability , for example, only real parameter target variable points can be used. An evolution-based algorithm is then advantageously implemented in step S27 or S127 is used, which consists of a limited number of available parameter target values Points can efficiently find an optimal parameter set. Equally can here, for example, stochastic optimizers are used.
Auch bezüglich der Schritte S27 bzw. S127 ist wird hier vollinhaltlich Bezug auf o. g. deutschen Anmeldung "Regelbasiertes Optimierungsverfahren" des gleichen Anmelders mit dem gleichen Anmeldetag bezug genommen und deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung einbezogen. Also with regard to steps S27 and S127, reference is made here in full to the above. German application "Rule-based optimization procedure" by the same applicant with the same filing date and their contents in the present Registration included.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt: Further advantages, features and embodiments result from the Subclaims and the exemplary embodiments described below. This shows:
Fig. 1 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1 is a flowchart of an inventive method;
Fig. 2 Parameter-Zielgrößen-Punkte und entsprechende Approximationsmodelle. Fig. 2 parameter target size points and corresponding approximation models.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Optimieren von Parametern anhand eines technischen Systems exemplarisch erläutert. The following is a method according to the invention for optimizing parameters exemplified using a technical system.
Es sollen die Blechdicken p = (p1, . . ., pP) an P verschiedenen signifikanten Punkten einer Fahrzeugkarosserie so ausgelegt werden, daß die Deformation g1 der Karosserie bei einem Frontalaufprall minimal wird. Dabei darf das Fahrzeuggewicht h1 nicht mehr als 1.500 kg betragen. The sheet thicknesses p = (p 1 ,..., P P ) at P different significant points of a vehicle body are to be designed such that the deformation g 1 of the body is minimal in the event of a frontal impact. The vehicle weight h 1 must not exceed 1,500 kg.
Hier ist das maximal zulässige Fahrzeuggewicht als sogenannte Ungleichheits- Nebenbedingung formuliert. Sollen solche Nebenbedingungen h1 bzw. h2 explizit berücksichtigt werden, so sind für diese völlig analog zu den Approximationsmodellen g = ≙(p) für den Zusammenhang zwischen Parametern und Zielgrößen Approximationsmodelle (h1; h2) = ≙(p) für den Zusammenhang zwischen Parametern und Nebenbedingungen zu verwenden. Eventuell liegen jedoch für den Zusammenhang zwischen Parametern und Nebenbedingungen auch bereits geeignete Approximationsmodelle vor: im hier erläuterten Beispiel ist die Berechnung des Fahrzeuggewichts bei gegebenen Blechdicken schnell und daher auch im Rahmen des Optimierers auszuwerten. Here the maximum permissible vehicle weight is formulated as a so-called inequality constraint. If such constraints h 1 or h 2 are to be explicitly taken into account, then approximation models (h 1 ; h 2 ) = ≙ (p) for the are completely analogous to the approximation models g = ≙ (p) for the relationship between parameters and target variables Use relationship between parameters and constraints. However, suitable approximation models may already be available for the relationship between parameters and constraints: in the example explained here, the calculation of the vehicle weight for given sheet thicknesses can be evaluated quickly and therefore also as part of the optimizer.
Gleichermaßen kann das Fahrzeuggewicht aber auch als zusätzliche Zielgröße g2 berücksichtigt und eine Mehrkriterien- oder Vektoroptimierung durchgeführt werden, was zu einer pareto-optimalen Lösungsmannigfaltigkeit führt, aus der der Entwickler dann einen geeigneten Kompromiß auswählen kann. Der Einfachheit halber wird im folgenden das Fahrzeuggewicht als sogenannte Straf-("Penalty-")Funktion berücksichtigt, d. h., die Zielgröße g setzt sich aus der Summe von Deformation g1 und Fahrzeuggewicht h1 zusammen. Equally, however, the vehicle weight can also be taken into account as an additional target variable g 2 and a multi-criteria or vector optimization can be carried out, which leads to a pareto-optimal solution variety, from which the developer can then select a suitable compromise. For the sake of simplicity, the vehicle weight is considered in the following as a so-called penalty function, ie the target variable g is composed of the sum of the deformation g 1 and the vehicle weight h 1 .
Aus realen Crashversuchen mit Prototypen sind einige reale Parameter-Zielgrößen-Punkte Pi 1 = (pi 1; gi 1) bekannt. Zusätzlich werden einige FEM-Crashsimulationen durchgeführt. Some real parameter target variable points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) are known from real crash tests with prototypes. In addition, some FEM crash simulations are carried out.
Hierzu werden zunächst in Schritt S1 mittels Computer stochastisch weitere Parametersätze pi 1, also angenommene Blechdicken erzeugt, indem für jede Blechdicke pi jeweils stochastisch ein Wert innerhalb eines zulässigen Bereichs generiert wird. Mit diesen Blechdicken wird dann jeweils eine FEM-Crashsimulation durchgeführt, die als Ergebnis eine Deformation gi 1 liefert. Gleichzeitig ergibt sich, beispielsweise aus einer CAD-Berechnung, das Fahrzeuggewicht für diesen Parametersatz. Somit wird jeweils durch eine FEM-Simulation ein weiterer realer Parameter-Zielgrößen-Punkt Pi 1 = (pi 1; gi 1) erzeugt. For this purpose, in step S1, further parameter sets p i 1 , ie assumed sheet thicknesses, are generated stochastically by means of a computer, by stochastically generating a value for each sheet thickness p i within a permissible range. An FEM crash simulation is then carried out with these sheet thicknesses, which results in a deformation g i 1 . At the same time, the vehicle weight for this parameter set results, for example from a CAD calculation. Thus, an additional real parameter target variable point P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) is generated in each case by an FEM simulation.
Nun ist also eine Anfangs-Menge (j = 1) von I1 realen Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi 1 = (pi 1; gi 1) zu einer Anfangs-Parametermenge Π1 = {pi 1}; vorhanden, die in Schritt S110 im Computer erfaßt werden. Schematisch sind in Fig. 2 fünf solche realen Parameter- Zielgrößen-Punkten Pi 1 = (pi 1; gi 1); i = 1, . . ., 5 eingetragen. Zur Erläuterung wird vereinfachend angenommen, daß physikalisch ein kubischer Zusammenhang zwischen den Parametern und den Zielgrößen besteht: bei geringen Blechdicken p ist die Zielgröße g aufgrund der hohen Deformation hoch, also "schlecht". Umgekehrt ist die Zielgröße g bei großen Blechdicken p aufgrund des hohen Fahrzeuggewichts hoch, also wiederum "schlecht". Der "optimale Kompromiß" g* liegt also bei einer mittleren Blechdicke p*. Now there is an initial set (j = 1) of I 1 real parameter target variable points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) for an initial parameter set Π 1 = {p i 1 }; are present, which are detected in step S110 in the computer. Two such real parameter target variable points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) are shown schematically in FIG. 2; i = 1,. , ., 5 entered. For the sake of clarification, it is assumed in a simplified manner that there is a physical cubic relationship between the parameters and the target values: with small sheet thicknesses p, the target value g is high due to the high deformation, that is to say "bad". Conversely, the target size g is high for large sheet thicknesses p due to the high vehicle weight, that is to say "bad" again. The "optimal compromise" g * is therefore an average sheet thickness p *.
Als Approximationsmodelle werden eine trigonometrische Funktion sowie eine lineare
Funktion angesetzt:
≙1 1(p) = k1.sin[(p + k2)kP3] + k4 bzw.
≙1 2(p) = k1.p + k2
A trigonometric function and a linear function are used as approximation models:
≙ 1 1 (p) = k 1 .sin [(p + k 2 ) k P3 ] + k 4 or
≙ 1 2 (p) = k 1 .p + k 2
Nach einem der in der o. g. Anmeldung "Regelbasiertes Optimierungsverfahren" beschriebenen Verfahren werden diese Approximationsmodelle in Schritt S120 validiert und aufgrund seiner besseren Prognosefähigkeit das trigonometrische Modell als erstes Approximationsmodell ausgewählt. Dieses ist in Fig. 2 als gepunkteter Graph ≙1 1 dargestellt. According to one of the methods described in the above-mentioned application “rule-based optimization method”, these approximation models are validated in step S120 and, because of their better predictability, the trigonometric model is selected as the first approximation model. This is shown in Fig. 2 as a dotted graph ≙ 1 1 .
Mittels eines Standart-Optimierers wird in Schritt 130 der optimale Parametersatz p1* für dieses ersten (j = 1) Approximationsmodell gefunden, für den das Approximationsmodell die Zielgröße ≙1* liefert. Anschließend wird in Schritt 35 mittels einer (aufwendigen) FEM-Simulation für diesen Parametersatz p1* die reale Zielgröße g1* ermittelt. Using a standard optimizer, the optimal parameter set p 1 * for this first (j = 1) approximation model is found in step 130, for which the approximation model delivers the target variable ≙ 1 *. The real target variable g 1 * is then determined in step 35 using a (complex) FEM simulation for this parameter set p 1 *.
Aufgrund der erheblichen Differenz zwischen der mittels des Approximationsmodells ≙1 1 ermittelten Zielgröße ≙1* und der realen Zielgröße g1* wird erkannt, daß das Approximationsmodell den realen Zusammenhang zwischen Parametern und Zielgrößen im entscheidenden Bereich des - vermeintlichen - Optimums nur unzureichend beschreibt. Due to the considerable difference between the target variable ≙ 1 * determined using the approximation model ≙ 1 1 and the real target variable g 1 *, it is recognized that the approximation model only insufficiently describes the real relationship between parameters and target variables in the decisive area of the - supposed - optimum.
Daher wird eine Abbruchbedingung, die im erläuterten Beispiel neben dem Erreichen einer maximalen Iterationszahl und dem erreichten realen Wert der Zielgröße auch die Abweichung zwischen Approximations- und realem Wert enthält, als nicht erfüllt betrachtet. Therefore, an abort condition, which in the illustrated example, besides reaching a maximum number of iterations and the achieved real value of the target size Deviation between approximation and real value contains than not met considered.
Folglich wird in Schritt S50 eine neue Parametermenge Πj=2 generiert, indem zusätzlich zu
den vorhandenen Parameterwerten {pi=1 1, . . ., p5 1} aus der ersten Iteration Parameter
stochastisch in der Umgebung des ersten optimalen Parameterwertes generiert werden:
Π2 = {p1 2 = p1 1, . . ., p5 2 = p5 1, p6 2 = p*1, p7 2, p8 2}
Consequently, in step S50, a new parameter set Πj = 2 generated by in addition to
the existing parameter values {pi = 1 1,. , ., p5 1} from the first iteration parameters
are generated stochastically in the vicinity of the first optimal parameter value:
Π2= {p1 2 = p1 1,. , ., p5 2 = p5 1, p6 2 = p *1, p7 2, p8th 2}
Für diese Parametermenge werden nun in Schritt S10 mittels FEM-Simulation die zugehörigen realen Zielgrößen berechnet. Gleichermaßen könnte beispielsweise für den gefundenen ersten optimalen Parametersatz p1* auch ein Crashtest mit einem entsprechenden Prototyp durchgeführt und die dabei auftretende Deformation erfaßt werden. Exemplarisch ist hierzu in Fig. 2 der reale Parameter-Zielgrößen-Punkt P7 = (p7; g7) eingezeichnet. For this parameter set, the associated real target variables are now calculated in step S10 using FEM simulation. Similarly, a crash test with a corresponding prototype could also be carried out, for example, for the first optimal parameter set p 1 * found and the deformation occurring in this way could be recorded. The real parameter target variable point P 7 = (p 7 ; g 7 ) is shown in FIG. 2 as an example.
Nun werden analog zu den vorhergehenden Schritten wiederum ein lineares und ein trigonometrisches Approximationsmodell erzeugt, validiert und das trigonometrische Modell ≙2 1 als erstes Approximationsmodell ausgewählt. Dieses ist in Fig. 2 als strichpunktierter Graph dargestellt. Analogous to the previous steps, a linear and a trigonometric approximation model are again generated and validated, and the trigonometric model ≙ 2 1 is selected as the first approximation model. This is shown in Fig. 2 as a dash-dotted graph.
Man erkennt, daß aufgrund der größeren Datenbasis Π2 dieses Approximationsmodell ≙2 1 des zweiten Iterationsschritts den realen Parameter-Zielgrößen-Zusammenhang - insbesondere im Bereich des vermeintlich optimalen Parametersatzes p1* - deutlich besser approximiert als das Approximationsmodell ≙1 1 des ersten Iterationsschritts. It can be seen that due to the larger database Π 2, this approximation model ≙ 2 1 of the second iteration step approximates the real parameter-target variable relationship - particularly in the area of the supposedly optimal parameter set p 1 * - much better than the approximation model ≙ 1 1 of the first iteration step.
Analog wird nun mittels eines Standart-Optimierers in Schritt 30 der optimale Parametersatz p2* für dieses zweite (j = 2) Approximationsmodell gefunden, für den das Approximationsmodell die Zielgröße ≙2* liefert. Anschließend wird in Schritt 35 mittels einer (aufwendigen) FEM-Simulation für diesen Parametersatz p2* die reale Zielgröße g2* ermittelt. Analogously, the standard parameter set p 2 * for this second (j = 2) approximation model, for which the approximation model delivers the target variable ≙ 2 *, is now found in step 30 using a standard optimizer. The real target variable g 2 * is then determined in step 35 using a (complex) FEM simulation for this parameter set p 2 *.
Da hier die Differenz zwischen der mittels des Approximationsmodells ≙2 1 ermittelten
Zielgröße ≙2* und der realen Zielgröße g2* als ausreichend klein bewertet wird, ist eine
Abbruchbedingung, die im erläuterten Beispiel neben dem Erreichen einer maximalen
Iterationszahl und dem erreichten realen Wert der Zielgröße auch die Abweichung
zwischen Approximations- und realem Wert enthält, als erfüllt betrachtet, da feststeht, daß
- 1. p2* einen optimalen Parameteresatz für das Approximationsmodell ≙2 1 darstellt; und
- 2. das Approximationsmodell ≙2 1 den realen Parameter-Zielgrößen-Zusammenhang in diesem Parameterbereich ausreichend genau approximiert,
- 1. p 2 * represents an optimal parameter set for the approximation model ≙ 2 1 ; and
- 2. the approximation model ≙ 2 1 approximates the real parameter-target variable relationship in this parameter range with sufficient accuracy,
Auf diese Weise werden gerade so viele reale Parameter-Zielgrößen-Punkte, deren Beschaffung in der Regel aufwendig ist, verwendet, wie zur Erstellung eines ausreichend genauen Approximationsmodells notwendig sind. Die Punkte werden darüber hinaus jeweils in den Bereichen verwendet, in denen eine gute Approximation des realen Zusammenhanges entscheidend ist, nämlich im Bereich des Optimums. In this way, there are just as many real parameter target variable points Procurement is usually laborious, used as sufficient to create one exact approximation model are necessary. The points are beyond that used in areas where there is a good approximation of the real Context is crucial, namely in the area of the optimum.
Claims (16)
Erfassen (S110) einer Anfangs-Punktemenge realen Parameter-Zielgrößen-Punkten Pi 1 = (pi 1; gi 1) für eine Anfangs-Parametermenge Π1 = {pi 1};
Generieren (S120) wenigstens eines ersten Approximationsmodells ≙i 1 für diese Anfangs- Punktemenge;
Bestimmung (S130) eines optimalen Parametersatzes p1* unter Verwendung des ersten Approximationsmodells;
Prüfen (S140), ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;
Beenden des Verfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, Abarbeiten wenigstens einer weiteren Iterationsschleife (j + 1), die umfaßt:
Vorgabe (S50) einer neuen Parametermenge Πj+1 = {pi j+1} für diese Iterationsschleife (j + 1);
Erfassen (S10) einer Punktemenge realer Parameter-Zielgrößen-Punkte Pi j+1 = (pi j+1; gi j+1) für diese neuen Parametermenge Πj+1;
Generieren (S20) von wenigstens einem ersten Approximationsmodell ≙i j+1 für diese Iterationsschleife (j + 1);
Bestimmung (S30) eines optimalen Parametersatzes pj+1* unter Verwendung dieses ersten Approximationsmodells für diese Iterationsschleife (j + 1);
Prüfen (S40), ob die Abbruchbedingung erfüllt ist;
Beenden des Optimierungsverfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
Wiederholen (j → j + 1) der Iterationsschleife (S50, S10-S40), falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist. 1. Computer-aided method for optimizing a system, comprising the steps:
Detecting (S110) an initial point set of real parameter target variable points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) for an initial parameter set Π 1 = {p i 1 };
Generating (S120) at least one first approximation model ≙ i 1 for this initial set of points;
Determination (S130) of an optimal parameter set p 1 * using the first approximation model;
Checking (S140) whether an abort condition is met;
Ending the process if the abort condition is met; and
if the termination condition is not fulfilled, processing at least one further iteration loop (j + 1), which comprises:
Specification (S50) of a new parameter set Π j + 1 = {p i j + 1 } for this iteration loop (j + 1);
Detection (S10) of a point set of real parameter target variable points P i j + 1 = (p i j + 1 ; g i j + 1 ) for this new parameter set Π j + 1 ;
Generating (S20) at least one first approximation model ≙ i j + 1 for this iteration loop (j + 1);
Determination (S30) of an optimal parameter set p j + 1 * using this first approximation model for this iteration loop (j + 1);
Checking (S40) whether the abort condition is met;
Ending the optimization process if the abort condition is met; and
Repeat (j → j + 1) the iteration loop (S50, S10-S40) if the termination condition is not met.
ein lineares Regressionsmodell; und/oder
ein quadratisches Regressionsmodell; und/oder
ein sonstiges Regressionsmodell, das kubische und höhere Terme, e-Funktionen, logarithmische und/oder trigonometrische Funktionen umfaßt; und/oder
ein neuronales Netz; und/oder
kubische oder B-Splines und/oder
Kriging-Modelle verwendet werden. 7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that as an approximation model
a linear regression model; and or
a quadratic regression model; and or
another regression model that includes cubic and higher terms, e-functions, logarithmic and / or trigonometric functions; and or
a neural network; and or
cubic or B-splines and / or
Kriging models are used.
die Differenz zwischen dem realen Wert der Zielgröße und dem Wert des Approximationsmodells an der Stelle des optimalen Parametersatzes kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist; und/oder
eine vorgegebene Anzahl von Iterationsschleifen (j) durchlaufen ist; und/oder
der gefundene reale Wert der Zielgröße um weniger als einen vorgegebenen Wert von einer vorgegebenen Soll-Zielgröße abweicht. 13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the termination condition is fulfilled if:
the difference between the real value of the target variable and the value of the approximation model at the location of the optimal parameter set is less than a predetermined limit value; and or
a predetermined number of iteration loops (j) has been run through; and or
the real value of the target variable found deviates from a predetermined target target variable by less than a predetermined value.
Mittel zum Erfassen (S110) einer Anfangs-Punktemenge realen Parameter-Zielgrößen- Punkten Pi 1 = (pi 1; gi 1) für eine Anfangs-Parametermenge Π1 = {pi 1};
Mittel zum Generieren (S120) wenigstens eines ersten Approximationsmodells ≙i 1 für diese Anfangs-Punktemenge;
Mittel zur Bestimmung (S130) eines optimalen Parametersatzes p1* unter Verwendung des ersten Approximationsmodells;
Mittel zum Prüfen (S140), ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;
Beenden des Verfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, Abarbeiten wenigstens einer weiteren Iterationsschleife (j + 1), die umfaßt:
Mittel zur Vorgabe (S50) einer neuen Parametermenge Πj+1 = {pi j+1} für diese Iterationsschleife (j + 1);
Mittel zum Erfassen (S10) einer Punktemenge realer Parameter-Zielgrößen-Punkte Pi j+1 = (pi j+1; gi j+1) für diese neuen Parametermenge Πj+1;
Mittel zum Generieren (S20) von wenigstens einem ersten Approximationsmodell ≙i j+1 für diese Iterationsschleife (j + 1);
Mittel zur Bestimmung (S30) eines optimalen Parametersatzes pj+1* unter Verwendung dieses ersten Approximationsmodells für diese Iterationsschleife (j + 1);
Mittel zum Prüfen (S40), ob die Abbruchbedingung erfüllt ist;
Mittel zum Beenden des Optimierungsverfahrens, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist; und
Mittel zum Wiederholen (j → j + 1) der Iterationsschleife (S50, S10-S40), falls die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist. 16. An apparatus for optimizing a system, comprising:
Means for detecting (S110) an initial point set of real parameter target size points P i 1 = (p i 1 ; g i 1 ) for an initial parameter set Π 1 = {p i 1 };
Means for generating (S120) at least one first approximation model ≙ i 1 for this initial set of points;
Means for determining (S130) an optimal parameter set p1 * using the first approximation model;
Means for checking (S140) whether an abort condition is met;
Ending the process if the abort condition is met; and
if the termination condition is not fulfilled, processing at least one further iteration loop (j + 1), which comprises:
Means for specifying (S50) a new parameter set Π j + 1 = {p i j + 1 } for this iteration loop (j + 1);
Means for detecting (S10) a point set of real parameter target variable points P i j + 1 = (p i j + 1 ; g i j + 1 ) for this new parameter set Π j + 1 ;
Means for generating (S20) at least one first approximation model ≙ i j + 1 for this iteration loop (j + 1);
Means for determining (S30) an optimal parameter set p j + 1 * using this first approximation model for this iteration loop (j + 1);
Means for checking (S40) whether the abort condition is met;
Means for ending the optimization process if the abort condition is met; and
Means for repeating (j → j + 1) the iteration loop (S50, S10-S40) if the termination condition is not met.
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