WO2009115323A1 - Method for model-based determination of parameters and/or state variables of a piezodriven setting element - Google Patents

Method for model-based determination of parameters and/or state variables of a piezodriven setting element Download PDF

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WO2009115323A1
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model
valve
parameters
output
physical
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PCT/EP2009/002014
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Georg Bachmaier
Christian Tump
Matthias Gerlich
Dominik Bergmann
Wolfgang Zöls
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Definitions

  • the invention relates to a method for determining one or more model parameters of a mathematical model that maps a physical path.
  • the injection quantity is essentially determined by the fuel pressure or the timing of the control valve, wherein different idle strokes influence the timing when opening the control valve.
  • Relevant parameters here are, for example, the idle stroke, the opening instants of the valve and, as with the gas valve, possibly also the degree of opening.
  • DE 10 2008 014 749 (hereinafter referred to as "Dl") and DE 10 2008 014 748 (hereinafter “D2") methods are described using the example of a piezo common rail control valve, in which internal, not measurable state variables , for example, deflections s, velocities v, etc., of the system and reconstructs system-relevant model parameters.
  • Dl deflections s, velocities v, etc.
  • the opening force when scattered by component tolerances, or fluctuating hydraulic components of the opening force
  • temperature etc.
  • a hybrid model is characterized by the fact that it has continuous and discrete state variables.
  • continuous variables are the velocity v or the voltage U.
  • Discrete variables are, for example, a first and a second state in which the mechanical structure of the valve is located, ie states such as idle stroke have not yet been overcome, ie valve closed, idle stroke overcome but opening force has not yet been overcome, ie valve closed, and opening force overcome, ie valve open.
  • the physical distance is realized in Dl and D2 by the components of the Piezo common rail control valve. Specifically, this is, for example, a piezoactuator unit which acts on a valve body of the control valve, which is movable to adjust the valve opening.
  • the physical path has at least one input variable ep h y s (for example an electrical current I) and at least one output variable A Phys (for example an electrical voltage U): the input quantity E phyS is fed into the path and the path or the behind it physical, real system responds to the input E phys with the output A phyS .
  • the piezoelectric actuator unit which serves to adjust the control valve, is acted upon by an electric current I.
  • the input variable E ph y S is therefore the electric current I.
  • the Dl and the D2 are briefly summarized.
  • D2 describes how to determine the free model parameters used in the mathematical model for calculating the output quantity.
  • each specimen would have to be measured with various electrical or mechanical measuring means to determine the aforementioned piezo parameters for different actuator units.
  • this effort is too large for a serial production.
  • a model-based method is proposed in which the model parameters are determined in parallel a physical-mathematical model of an electromechanical actuator unit, in particular a piezoactuator unit, is calculated for the real or physical distance.
  • a quantity Q which represents the sum of the difference amounts between the real and the simulated output variable at individual measuring times tj, serves as an evaluation criterion.
  • the model parameters are varied until Q reaches a global minimum.
  • the model parameters for a hybrid mathematical model can be determined in particular by piezo common rail control valves or switching valves. No additional measuring equipment is required for the determination.
  • the method can be integrated into a method of Dl for model-based Leerhubeingnagnagna without further effort for a device, so that a Residuumoffset can be minimized.
  • the input quantity in D2 is an electric current with a highly dynamic time characteristic corresponding to the drive current of the actuator during a fuel injection.
  • Input variable is a dynamic control by means of fuel injection corresponding high dynamic current profiles. This control can take place in D2 in a phase of the Leerhubeingnagna in which the maximum deflection of the actuator is smaller than the existing idle stroke. As a result, neither a change of the mechanical structure nor a change of the model are required.
  • the model parameters are the free parameters for the hybrid physical-mathematical model. Free parameters are the sizes of the model that also change with changes in a disturbance variable, such as temperature or aging. In contrast, non-free parameters remain constant with changes in a disturbance. Model parameters are, for example, electrical capacitance, mechanical rigidity, mechanical damping and / or electromechanical coupling factor of the piezoceramic of the piezoelectric factor.
  • D2 provision is made of an actual path having an electromechanical actuator with the control valve, with an input variable and a real output variable. This is followed by providing a hybrid physics-mathematical model having the model parameters, the real-distance mapped model with the input quantity and a simulated output variable. Real and simulated output are compared using a subtractor.
  • the input variable is a control current I
  • the real output variable is a measured piezo voltage U mess
  • the simulated output variable is a variable U 3 ⁇ 1n .
  • Other physical quantities are also possible. It will be a size Q as
  • model parameters are varied.
  • An example of an optimization algorithm is the least square algorithm. Other algorithms are also possible.
  • the parameters for which a global minimum of size Q results are then adopted as model parameters.
  • the determined model parameters are, in particular, electrical capacitance, mechanical rigidity, mechanical damping and electromechanical coupling factor of the piezoceramic of a piezoactuator. It should be noted that the adaptation in D2 was done only by means of the real measurable piezo voltage.
  • the real distance is assigned a physical-mathematical model, which has the same sizes as the real distance as an input variable, and provides as output variable the same sizes as the real distance.
  • the idle stroke is a model parameter, through the variation of which a minimization of the residual can be made.
  • the hybrid model has continuous and / or discrete state variables.
  • a discrete state variable When a discrete state variable is changed, the mathematical structure of the hybrid model is changed, with initial conditions for the current hybrid model adopted after the conservation of energy and / or momentum being taken over by the preceding hybrid model.
  • the time of a change of a discrete state variable is used.
  • a change of a discrete state variable also means the occurrence of an event relevant to the injection and the sole evaluation of the state variable is used for control purposes.
  • the piezo voltage value at the time of a change of the discrete state variable is used as the reference signal.
  • a discrete state variable is, for example, a state of the mechanical structure of the control valve.
  • a first state of the actuator ie in particular the piezoelectric actuator, freely deflectable
  • the actuator in a second state the actuator has overcome the idle stroke and in a third state, the actuator has overcome an opening force to open the control valve.
  • the first state is therefore the initial state.
  • the mechanical structure is determined by the freely deflecting actuator unit.
  • the idle stroke is overcome by the actuator unit.
  • the actuator or the actuator is in mechanical contact with the control valve. This is held in the valve seat by the mechanical and hydraulic closing forces.
  • the force applied by the actuator acts on the connected mechanical stiffnesses.
  • the opening force for the control valve is overcome by the actuator. This deflects in mechanical contact with the control valve.
  • a change in the discrete state variable may, for example, be a change from the first to the second state or vice versa or else a change from the second to the third state or vice versa.
  • the discrete state variable changes its value whenever certain physical events occur, for example the idle stroke is overcome (this corresponds to the transition from the first state to the second state) or that the opening force is overcome (this corresponds to the transition from the second state to the third state).
  • This causes the mathematical structure of the hybrid model to change.
  • initial conditions must always be transferred for the current model, which are based on the energy and / or
  • a value change of the discrete state variable also means the occurrence of an event relevant to the injection. The sole evaluation of this discrete state variable may already be sufficient for control purposes.
  • the time of a change of the discrete state variable or the voltage value at this time serves as a reference signal.
  • a judgment of the correctness of the hybrid model is made by comparing the model parameters at the location of the minimum of the residual with the real parameters.
  • the technical limitation of the methods presented in D1 and D2 is due to the fact that the basic deflection or the so-called operating point of the valve can no longer be reconstructed or identified via the voltage signal U which can be tapped on the piezoactuator unit, since in operation it has a quasi-static operating point the influencing factors on the electrical voltage U can no longer be separated from one another.
  • such influencing factors can, for example, be the drifting of the piezoelectric properties represent due to slow temperature changes or the change of the internal polarization state of the piezoceramic.
  • Another possibility is to operate the valve in a pulsed process.
  • a constant flow is set on average via the ratio valve open to valve closed.
  • this is accompanied by a higher mechanical load due to permanent opening and closing of the valve.
  • the acoustic load is higher.
  • a hybrid physical-mathematical model is used.
  • the model comprises a multiplicity of model parameters, maps a physical path and has at least one input quantity E mO d and at least one output quantity A 111Od , whereby the output variable E mO d and the model parameter are used in the model. big A, " od is calculated.
  • the physical path has an electromechanical actuator, in particular a piezoactuator unit, an adjustable adjusting member and a transmission element for transmitting a force applied by the actuator to the adjusting member.
  • the physical distance is fed to an input quantity E ph y s and a real, measurable output variable A Phys can be taken out. Track and model are connected in parallel.
  • a variable Q is determined as the sum or integral of the difference amounts ⁇ A between the output quantities A ⁇ , od , A phys at one or more individual times ti or over a time interval ⁇ t.
  • the transmission element is a non-linear transmission element, in particular a non-linear lever or a non-linear spring element. This ensures that not only a change of the model parameter to be determined can be determined, but in addition an absolute value.
  • the output variable A ⁇ i od is first calculated in the model over the time period ⁇ t or at the times ti.
  • the output quantity A ph ys is measured over the time period ⁇ t or at the times ti.
  • a subtractor becomes a vector over the time interval .DELTA.t or at the times ti calculated.
  • the entries of the vector ⁇ A are finally integrated or summed up.
  • the model parameter to be determined is the deflection s of the adjusting member. This makes it possible to monitor and adjust a regulated or controlled by the actuator fuel flow.
  • the parameter to be determined is varied, and then the quantity Q is recalculated. In this case, the variation and the subsequent calculation of the quantity Q take place until a global minimum of the quantity Q has been found. This ensures that the model parameter to be determined is exactly determinable.
  • the adjusting member is a valve body of a gas valve of a gas turbine.
  • the input variable is an electrical current, in particular a current corresponding to a drive current of the electromechanical actuator in a fuel injection electric current with a highly dynamic time course.
  • the output is a piezo voltage.
  • the electromechanical actuator advantageously a piezoelectric actuator.
  • the following advantages result: a) With the described method, for example during the injector gate production, a dynamic measurement of the idle stroke can take place, with correspondingly highly dynamic current profiles being able to be used as the trigger signals of the injection.
  • the evaluation criterion used here is the size of the stress residual with a variation of the desired system parameter, for example the idle stroke. The minimum of this curve is the actual parameter present.
  • the measured quantities do not have to be filtered or the natural frequencies of the system can not influence the accuracy, since these can be mapped by the physical models or ignored by the integration of the output signal. Furthermore, the evaluation variables are used as direct physical state variables.
  • FIG. 1 shows a piezo-operated control valve
  • FIG. 2 shows exemplary time profiles of input and output variables
  • Figure 3 is a schematic representation of a parallel circuit of physical path and mathematical model.
  • valve 1 shows a device with a Piezoaktorein- unit 10, a transmission element 20 and a valve 30.
  • the valve 30 has an adjusting member or a valve body 31, in the figure 1 symbolized by a mass point m, and a valve seat 32.
  • Piezoaktorappel 10, transmission element 20 and valve body 31 form a physical
  • a flow of media or fuel flowing through the valve 30 can be regulated in that the valve body 31 is adjustable relative to the valve seat 32 and thus a valve opening 33 through which the fuel flow flows is adjustable.
  • the fuel flow is now directly dependent on an opening degree of the valve opening 33, wherein the opening degree directly from a Deflection s of the valve body 31 relative to the valve seat 32 depends.
  • the relationship between the degree of opening and the deflection can, for example, depend on the shape or the cross-section of the valve opening 33.
  • the transmission element 20 is introduced into the physical path between the valve body 31 and the piezoelectric actuator unit 10.
  • a known, non-linear function s y (x).
  • s y (x)
  • X 0 represents a possible basic deformation of the piezo actuator unit 10 and a is a constant.
  • the known function y (x) ultimately describes which deflection s of the valve body 31 results when the piezoelectric actuator unit 10 is deformed by a distance x due to an electrical current I supplied to the piezoelectric actuator unit 10.
  • the non-linear transmission element 20 may be, for example, a non-linear, mechanical lever, as shown schematically in FIG.
  • non-linear transmission element 20 form as a spring element, which realizes a non-linear relationship between deflection and spring force.
  • Other implementations are of course also conceivable.
  • the virtual mass m ' represents the mass which is coupled to the stiffness k via the lever ratio realized by the non-linear transmission element 20.
  • the rigidity k is realized by the mechanical connection of the piezoelectric actuator unit 10.
  • the rigidity k additionally represents a degree of freedom of the system: the mechanical dimensioning of the connection enables the rigidity k and the mass m 'to be set. It is also an object here to select k, m and the lever ratio (or its bandwidth) so that the natural frequency setting differs sufficiently from that of the piezo actuator unit 10.
  • the output signals A ⁇ , od and Aphy s are typically voltage signals consisting of an offset and a high-frequency component.
  • nonlinear elements may be considered in which physical state variables with retroactivity to the piezoactuator unit 10 have a known, non-linear relationship between the absolute position s, e.g. non-linear spring elements.
  • the described method can also be used for alternative transducer principles, such as, for example, electromagnetic actuators are applied.
  • FIG. 3 schematically shows the parallel connection of physical path and mathematical model.
  • the physical distance 100 is completely mapped in the mathematical model 200. This means that with the aid of the input variable E mOd for the physical path, all state variables can be reconstructed and all parameters identified, whereby the model uses predetermined model parameters.
  • Line 100 and model 200 are connected in parallel, ie in line 100 and model 200, the same input variables Emod / Ephys enter and similar output variables Am O d / Ap h y s can be taken out.
  • the output quantity A Phys of the distance 100 is the voltage U picked off via the piezoactuator unit 10.
  • the output quantities A Phys and A mOd of the physical path 100 and of the mathematical model 200 can finally be used, for example, to control the path or to determine a desired parameter -in Dl and D2, this is the idle stroke of the valve in an electronic module
  • the assembly 300 are compared.
  • the assembly 300 is advantageously designed as a subtractor 300, in which a difference Aphy s -A mod is calculated.
  • the difference is fed to a further electronic assembly 400 where, as described below, the desired model parameter, in idle and in D2 the idle stroke, is varied by means of mathematical optimization algorithms known per se.
  • this method can also be applied to other parameters and state variables of the physical path 100.
  • a physical analysis is carried out parallel to the real distance 100 in order to determine the free model parameters.
  • the system calculates mathematical model 200 of the system consisting of the piezo actuator unit 10, the rigidity k, the nonlinear transmission element 20 and the valve body 31.
  • the output quantities A P h ys and A tnod are compared with each other by forming the difference Ap h y S (ti) -A d (ti) in an electronic module 300.
  • target function Q of the parameter identification which represents the basis for a minimum error state reconstruction of the system or the path
  • the sum of the difference amounts between the real output variable A P h ys and the simulated output variable A ⁇ d at the individual measurement times ti can be used.
  • Q may be calculated as the integral of the absolute value difference between the outputs A P h ys and Amod of the physical path 100 and the mathematical model 200 over a defined time interval.
  • the free model parameters are varied in a further electronic assembly 400 until Q reaches a global minimum. In the process, those model parameters are varied, which are defined as free parameters. It should be noted that their number is as small as possible or that parameters with different time constants change. For example. A temperature changes rather slowly, which is why it does not have to be adapted each time, but only when the error can not be reduced below a certain level by the sole adaptation of one of the other model parameters, for example the deflection s.
  • the output variable Arn od is determined on the basis of the model parameters present there and the input variable E mOd .
  • a deviation occurs over the time interval ⁇ t or at several times ti calculated. This results in a vector of the absolute error amount whose length corresponds to that of the considered time interval ⁇ t or the number of times ti.
  • the vector of the absolute error amount is first integrated or summed up.
  • the resulting value corresponds to the size Q introduced above.
  • the presented method is an extension of the methods disclosed in D 1 and D 2, with the aid of which, for piezo-operated, continuously adjustable valves, physical variables such as, for example, kisme and speeds reconstructed and parameters such as, for example, masses and stiffness can be identified.

Abstract

The present invention relates to a method for determining model parameters of a hybrid mathematical model, wherein said model simulates a physical line. The physical line comprises a piezoactuator unit, which adjusts a setting element of a valve via a nonlinear transmission element. A variable Q is determined via the comparison of the output variables of the model and the line. A global minimum of the variable Q is ascertained by a variation of the model parameters. The model parameters for which the global minimum of Q is found correspond to the parameters of the physical line. Because the transmission element is a nonlinear transmission element, for example, the deflection of the setting element and thus the degree of opening of the valve can be determined as an absolute value.

Description

Beschreibung description
VERFAHREN ZUR MODELLBASIERTEN BESTIMMUNG VON PARAMETERN UND/ODER ZUSTANDSGRÖSSEN EINES PIEZOGETRIEBENEN EINSTELLGLIEDESMETHOD FOR MODEL-BASED DETERMINATION OF PARAMETERS AND / OR STATE SIZES OF A PIEZO-DRIVEN ADJUSTING MEMBER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Modellparameter eines mathematischen Modells, das eine physikalische Strecke abbildet.The invention relates to a method for determining one or more model parameters of a mathematical model that maps a physical path.
In Systemen, bei denen mit Hilfe eines Einstellgliedes bspw. eine Medienströmung geregelt bzw. gesteuert werden soll, kann es notwendig sein, einen Arbeitspunkt und/oder andere Parameter und Zustandsgrößen des Systems genau zu kennen. Bspw. bei Gasturbinen ist es von Vorteil, wenn der Öffnungsgrad eines Gasventils, über das die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer geregelt bzw. gesteuert wird, bekannt ist. Ein anderes Anwendungsbeispiel Dieseleinspritzsysteme mit Piezo-Common-Rail Injektoren, bei denen das Einspritzventil indirekt mittels eines Steuerventils geöffnet beziehungsweise geschlossen wird. Hier wird ein ungewolltes Öffnen des Steuerventils, beispielsweise verursacht durch einen unausgeglichenen Temperaturgradienten, mittels eines mechanischen Spalts verhindert, der zwischen Piezoaktoreinheit und dem Steuerventil eingestellt wird. Den Spalt muss die Piezoaktoreinheit als sogenannter Leerhub überwinden. Die Einspritzmenge wird im Wesentlichen vom Kraftstoffdruck beziehungsweise vom Timing des Steuerventils bestimmt, wobei unterschiedliche Leerhübe das Timing beim Öffnen des Steuerventils beeinflussen. Relevante Parameter sind hier demnach bspw. der Leerhub, die Öff- nungszeitpunkte des Ventils und wie beim Gasventil evtl. auch der Öffnungsgrad.In systems in which, for example, a media flow is to be controlled or controlled with the aid of an adjusting element, it may be necessary to know precisely an operating point and / or other parameters and state variables of the system. For example. In gas turbines, it is advantageous if the opening degree of a gas valve, via which the fuel supply to the combustion chamber is controlled or controlled, is known. Another application example of diesel injection systems with piezo common rail injectors, in which the injection valve is opened or closed indirectly by means of a control valve. Here, an unwanted opening of the control valve, for example caused by an unbalanced temperature gradient, prevented by means of a mechanical gap that is set between the piezo actuator unit and the control valve. The gap must overcome the piezo actuator unit as a so-called idle stroke. The injection quantity is essentially determined by the fuel pressure or the timing of the control valve, wherein different idle strokes influence the timing when opening the control valve. Relevant parameters here are, for example, the idle stroke, the opening instants of the valve and, as with the gas valve, possibly also the degree of opening.
In den Patentanmeldungen DE 10 2008 014 749 (im Folgenden als „Dl" bezeichnet) und DE 10 2008 014 748 (im Folgenden „D2") werden am Beispiel eines Piezo-Common-Rail Steuerventils Methoden beschrieben, bei denen innere, nicht messbare Zustandsgrößen, bspw. Auslenkungen s, Geschwindigkeiten v etc., des Systems rekonstruiert und systemrelevante Modellparame- ter, bspw. der Leerhub des Ventils, die Öffnungskraft (bei Streuung durch Bauteiltoleranzen, bzw. schwankende hydraulische Komponenten der Öffnungskraft), Temperatur etc., identifiziert werden können. Dies erfolgt mit Hilfe eines hybriden mathematischen Modells, das zu einer physikalischen Strecke im regelungstechnischen Sinne, d.h. die physikalische Strecke repräsentiert ein technisches System bestehend aus mehreren Komponenten, parallel geschaltet ist. Ein hybrides Modell zeichnet sich dadurch aus, dass es kontinuierliche und dis- krete Zustandsgrößen aufweist. Kontinuierliche Größen sind bspw. die Geschwindigkeit v oder die Spannung U. Diskrete Größen sind bspw. ein erster und ein zweiter Zustand, in dem sich die mechanische Struktur des Ventils befindet, d.h. Zustände wie z.B. Leerhub noch nicht überwunden, d.h. Ventil geschlossen, Leerhub überwunden, jedoch Öffnungskraft noch nicht überwunden, d.h. Ventil geschlossen, und Öffnungskraft überwunden, d.h. Ventil offen.In the patent applications DE 10 2008 014 749 (hereinafter referred to as "Dl") and DE 10 2008 014 748 (hereinafter "D2") methods are described using the example of a piezo common rail control valve, in which internal, not measurable state variables , for example, deflections s, velocities v, etc., of the system and reconstructs system-relevant model parameters. For example, the idle stroke of the valve, the opening force (when scattered by component tolerances, or fluctuating hydraulic components of the opening force), temperature, etc., can be identified. This is done with the aid of a hybrid mathematical model, which is connected in parallel to a physical path in the control-technical sense, ie the physical path represents a technical system consisting of several components. A hybrid model is characterized by the fact that it has continuous and discrete state variables. Examples of continuous variables are the velocity v or the voltage U. Discrete variables are, for example, a first and a second state in which the mechanical structure of the valve is located, ie states such as idle stroke have not yet been overcome, ie valve closed, idle stroke overcome but opening force has not yet been overcome, ie valve closed, and opening force overcome, ie valve open.
Die physikalische Strecke ist in Dl und D2 durch die Kompo- nenten des Piezo-Common-Rail Steuerventils realisiert. Konkret handelt es sich hierbei bspw. um eine Piezoaktoreinheit , die auf einen Ventilkörper des Steuerventils wirkt, der zur Einstellung der Ventilöffnung beweglich ist.The physical distance is realized in Dl and D2 by the components of the Piezo common rail control valve. Specifically, this is, for example, a piezoactuator unit which acts on a valve body of the control valve, which is movable to adjust the valve opening.
Die physikalische Strecke weist zumindest eine Eingangsgröße Ephys (bspw. ein elektrischer Strom I) sowie zumindest eine Ausgangsgröße APhys (bspw. eine elektrische Spannung U) auf: Die Eingangsgröße EphyS wird in die Strecke eingespeist und die Strecke bzw. das dahinter stehende physikalische, reale System reagiert auf die Eingangsgröße Ephys mit der Ausgangsgröße AphyS. Im Beispiel des Piezo-Common-Rail Steuerventils der Dl und der D2 wird die Piezoaktoreinheit, die zur Einstellung des Steuerventils dient, mit einem elektrischen Strom I beaufschlagt. Die Eingangsgröße EphyS ist demnach der elektrische Strom I. Über der Piezoaktoreinheit lässt sich dann als Ausgangsgröße APhys eine elektrische Spannung U abgreifen, d.h. APhys=U. Im Folgenden werden die Dl und die D2 kurz zusammengefasst .The physical path has at least one input variable ep h y s (for example an electrical current I) and at least one output variable A Phys (for example an electrical voltage U): the input quantity E phyS is fed into the path and the path or the behind it physical, real system responds to the input E phys with the output A phyS . In the example of the piezo-common-rail control valve of the Dl and the D2, the piezoelectric actuator unit, which serves to adjust the control valve, is acted upon by an electric current I. The input variable E ph y S is therefore the electric current I. About the Piezoaktoreinheit can then be output as A Phys an electrical voltage U tapped, ie A = U Phys. In the following, the Dl and the D2 are briefly summarized.
Konkret wird in D2 beschrieben, wie die freien Modellparameter, die in dem mathematischen Modell zur Berechnung der Aus- gangsgröße verwendet werden, ermittelbar sind.Specifically, D2 describes how to determine the free model parameters used in the mathematical model for calculating the output quantity.
In dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf die Anmeldung DE 10 2008 014 748, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.In this regard, reference is made to the application DE 10 2008 014 748, the content of which is hereby incorporated into this application.
In das dort verwendete mathematische Modell geht eine Vielzahl von Modellparametern des Systems bzw. der im Modell simulierten physikalischen Strecke ein. Für eine möglichst exakte Bestimmung des Leerhubs ist neben einem möglichst hohen Detaillierungsgrad der Modellierung, d.h. alle relevanten Eigenfrequenzen der physikalischen Strecke müssen vom Modell abgebildet werden, die vorherige Bestimmung der freien Modellparameter erforderlich. Falsche Parameter führen zu falschen Eigenfreguenzen beziehungsweise Amplituden, so dass ei- ne ausreichende Übereinstimmung zwischen Strecke und Modell nicht mehr gegeben ist. Bei den Modellparametern muss unterschieden werden, wie groß die zu erwartende Musterstreuung ist. Stahlbauteile sind in den meisten Fällen Präzisionsteile, bei denen Massen und mechanische Steifigkeiten lediglich sehr kleine Schwankungen aufweisen, für unterschiedliche Exemplare also nicht angepasst werden müssen. Physikalische Parameter einer Piezokeramik weisen eine sehr viel größere Exemplarstreuung auf und müssen für unterschiedliche Exemplare von Piezoaktoreinheiten angepasst werden.In the mathematical model used there is a variety of model parameters of the system or the simulated in the model physical route. For the most exact possible determination of the idle stroke, in addition to the highest possible degree of detail of the modeling, i. All relevant natural frequencies of the physical distance must be mapped by the model, the prior determination of the free model parameters required. Wrong parameters lead to false eigenfrequencies or amplitudes, so that a sufficient correspondence between distance and model is no longer given. For the model parameters, a distinction must be made between the size of the expected pattern scatter. Steel components are in most cases precision parts, in which masses and mechanical stiffnesses have only very small fluctuations, so do not need to be adapted for different copies. Physical parameters of a piezoceramic have a much larger specimen spread and must be adapted for different copies of Piezoaktoreinheiten.
Auf herkömmliche Weise müsste zur Bestimmung der genannten Piezoparameter für unterschiedliche Aktoreinheiten jedes Exemplar mit diversen elektrischen beziehungsweise mechanischen Messmitteln vermessen werden. Dieser Aufwand ist jedoch für eine Serienherstellung zu groß.In a conventional manner, each specimen would have to be measured with various electrical or mechanical measuring means to determine the aforementioned piezo parameters for different actuator units. However, this effort is too large for a serial production.
Gemäß der D2 wird daher ein modellbasiertes Verfahren vorgeschlagen, bei dem zur Bestimmung der Modellparameter parallel zur realen bzw. physikalischen Strecke ein physikalischmathematisches Modell einer elektromechanischen Aktoreinheit, insbesondere einer Piezoaktoreinheit , berechnet wird. Eine Größe Q, welche die Summe der Differenzbeträge zwischen der realen und der simulierten Ausgangsgröße zu einzelnen Messzeitpunkten tj darstellt, dient als Bewertungskriterium. Mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen werden die Modellparameter so lange variiert, bis Q ein globales Minimum erreicht .According to D2, therefore, a model-based method is proposed in which the model parameters are determined in parallel a physical-mathematical model of an electromechanical actuator unit, in particular a piezoactuator unit, is calculated for the real or physical distance. A quantity Q, which represents the sum of the difference amounts between the real and the simulated output variable at individual measuring times tj, serves as an evaluation criterion. Using mathematical optimization algorithms, the model parameters are varied until Q reaches a global minimum.
Mittels des Verfahrens können die Modellparameter für ein hybrides mathematisches Modell insbesondere von Piezo-Common- Rail-Steuerventilen beziehungsweise Schaltventilen bestimmt werden. Für die Bestimmung sind keine zusätzlichen Messmittel erforderlich. Das Verfahren lässt sich ohne weiteren Aufwand für eine Vorrichtung in ein Verfahren der Dl zur modellbasierten Leerhubeinstellung integrieren, so dass ein Residuumoffset minimiert werden kann.By means of the method, the model parameters for a hybrid mathematical model can be determined in particular by piezo common rail control valves or switching valves. No additional measuring equipment is required for the determination. The method can be integrated into a method of Dl for model-based Leerhubeinstellung without further effort for a device, so that a Residuumoffset can be minimized.
Die Eingangsgröße ist in D2 ein dem Ansteuerstrom des Aktors bei einer Kraftstoffeinspritzung entsprechender elektrischer Strom mit einem hochdynamischen Zeitverlauf. Eingangsgröße ist eine dynamische Ansteuerung mittels Kraftstoffeinspritzungen entsprechenden hochdynamischen Stromprofilen. Diese Ansteuerung kann in D2 in einer Phase der Leerhubeinstellung erfolgen, in welcher die maximale Auslenkung der Aktoreinheit kleiner als der vorhandene Leerhub ist. Dadurch sind weder eine Umschaltung der mechanischen Struktur noch eine Änderung des Modells erforderlich.The input quantity in D2 is an electric current with a highly dynamic time characteristic corresponding to the drive current of the actuator during a fuel injection. Input variable is a dynamic control by means of fuel injection corresponding high dynamic current profiles. This control can take place in D2 in a phase of the Leerhubeinstellung in which the maximum deflection of the actuator is smaller than the existing idle stroke. As a result, neither a change of the mechanical structure nor a change of the model are required.
Die Modellparameter sind die freien Parameter für das hybride physikalisch-mathematische Modell. Freie Parameter sind die Größen des Modells, die sich bei Änderungen einer Störgröße, wie dies beispielsweise Temperatur oder Alterung sind, ebenso verändern. Im Gegensatz dazu verbleiben nichtfreie Parameter bei Änderungen einer Störgröße konstant . Modellparameter sind bspw. elektrische Kapazität, mechanische Steifigkeit, mechanische Dämpfung und/oder elektromechani- scher Kopplungsfaktor der Piezokeramik des Piezofaktors .The model parameters are the free parameters for the hybrid physical-mathematical model. Free parameters are the sizes of the model that also change with changes in a disturbance variable, such as temperature or aging. In contrast, non-free parameters remain constant with changes in a disturbance. Model parameters are, for example, electrical capacitance, mechanical rigidity, mechanical damping and / or electromechanical coupling factor of the piezoceramic of the piezoelectric factor.
Gemäß D2 erfolgt ein Bereitstellen einer einen elektromecha- nischen Aktor mit dem Steuerventil aufweisenden realen Strecke mit einer Eingangsgröße und einer realen Ausgangsgröße. Es folgt ein Bereitstellen eines die Modellparameter aufweisenden, die reale Strecke abbildenden, hybriden physikalisch- mathematischen Modells mit der Eingangsgröße und einer simulierten Ausgangsgröße. Reale und simulierte Ausgangsgröße werden mittels eines Subtrahierers miteinander verglichen.According to D2, provision is made of an actual path having an electromechanical actuator with the control valve, with an input variable and a real output variable. This is followed by providing a hybrid physics-mathematical model having the model parameters, the real-distance mapped model with the input quantity and a simulated output variable. Real and simulated output are compared using a subtractor.
Die Eingangsgröße ist ein Steuerstrom I, die reale Ausgangsgröße ist eine gemessene Piezospannung Umess und die simu- lierte Ausgangsgröße ist eine Größe U3^1n. Andere physikalische Größen sind ebenso möglich. Es wird eine Größe Q alsThe input variable is a control current I, the real output variable is a measured piezo voltage U mess and the simulated output variable is a variable U 3 ^ 1n . Other physical quantities are also possible. It will be a size Q as
Summe der Differenzbeträge zwischen der realen und der simulierten Ausgangsgröße zu einzelnen Messzeitpunkten t-[ ermittelt. Mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen erfolgt ein Variieren der Modellparameter. Ein Beispiel für einen Optimierungsalgorithmus ist der Least Square Algorithmus. Andere Algorithmen sind ebenso möglich. Die Parameter, für die sich ein globales Minimum der Größe Q ergibt, werden dann als Modellparameter übernommen. Die ermittelten Modellparameter sind insbesondere elektrische Kapazität, mechanische Steifigkeit, mechanische Dämpfung und elektromechanischer Kopplungsfaktor der Piezokeramik eines Piezoaktors. Es ist zu beachten, dass die Adaption in D2 lediglich mittels der real messbaren Piezospannung erfolgte.Sum of the difference amounts between the real and the simulated output variable at individual measuring times t- [determined. By means of mathematical optimization algorithms, the model parameters are varied. An example of an optimization algorithm is the least square algorithm. Other algorithms are also possible. The parameters for which a global minimum of size Q results are then adopted as model parameters. The determined model parameters are, in particular, electrical capacitance, mechanical rigidity, mechanical damping and electromechanical coupling factor of the piezoceramic of a piezoactuator. It should be noted that the adaptation in D2 was done only by means of the real measurable piezo voltage.
In Dl wird beschrieben, wie speziell einer der Modellparameter, nämlich der Leerhub, eines Piezo-Common-Rail -Steuerventils modellbasiert ermittelbar ist. Auch hier wird ein mathematisches Modell verwendet, in das eine Vielzahl von Mo- dellparametern eingeht. Die freien Modellparameter können mit Hilfe des in D2 beschriebenen Verfahrens ermittelt werden. In dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf die Anmeldung DE 10 2008 014 749, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.In Dl is described how specifically one of the model parameters, namely the idle stroke of a piezo common rail control valve can be determined model-based. Here, too, a mathematical model is used that incorporates a large number of model parameters. The free model parameters can be determined using the method described in D2. In this regard, reference is made to the application DE 10 2008 014 749, the contents of which are hereby incorporated by reference into this application.
Auch in Dl ist der realen Strecke ein physikalischmathematisches Modell zugeordnet, welches als Eingangsgröße dieselben Größen wie die reale Strecke aufweist, und als Ausgangsgröße dieselben Größen wie die reale Strecke bereitstellt. Über einen Vergleich der realen und der simulierten Ausgangsgröße beziehungsweise die Höhe des Residuums kann eine Beurteilung über die Richtigkeit der Modellparameter erfolgen. Der Leerhub ist ein Modellparameter, über dessen Variation eine Minimierung des Residuums vorgenommen werden kann.Also in D1, the real distance is assigned a physical-mathematical model, which has the same sizes as the real distance as an input variable, and provides as output variable the same sizes as the real distance. By comparing the real and the simulated output variable or the height of the residual, an assessment of the correctness of the model parameters can be made. The idle stroke is a model parameter, through the variation of which a minimization of the residual can be made.
Das hybride Modell weist kontinuierliche und/oder diskrete Zustandsgrößen auf. Bei einer Änderung einer diskreten Zu- standsgröße wird die mathematische Struktur des hybriden Modells geändert, wobei nach der Energie- und/oder Impulserhal- tung festgelegte Anfangsbedingungen für das aktuelle hybride Modell von dem vorhergehenden hybriden Modell übernommen werden. Zur Bestimmung des Leerhubs wird der Zeitpunkt einer Änderung einer diskreten Zustandsgröße verwendet .The hybrid model has continuous and / or discrete state variables. When a discrete state variable is changed, the mathematical structure of the hybrid model is changed, with initial conditions for the current hybrid model adopted after the conservation of energy and / or momentum being taken over by the preceding hybrid model. To determine the idle stroke, the time of a change of a discrete state variable is used.
Eine Änderung einer diskreten Zustandsgröße bedeutet zugleich das Eintreten eines für die Einspritzung relevanten Ereignisses und die alleinige Auswertung der Zustandsgröße wird zu Regelzwecken verwendet.A change of a discrete state variable also means the occurrence of an event relevant to the injection and the sole evaluation of the state variable is used for control purposes.
Zur Bestimmung des Leerhubs wird der Piezospannungswert zum Zeitpunkt einer Änderung der diskreten Zustandsgröße als Referenzsignal verwendet .To determine the idle stroke, the piezo voltage value at the time of a change of the discrete state variable is used as the reference signal.
Eine diskrete Zustandsgröße ist bspw. ein Zustand der mecha- nischen Struktur des Steuerventils.A discrete state variable is, for example, a state of the mechanical structure of the control valve.
In einem ersten Zustand ist der Aktor, d.h. insbesondere die Piezoaktoreinheit , frei auslenkbar, in einem zweiten Zustand hat der Aktor den Leerhub überwunden und in einem dritten Zustand hat der Aktor eine Öffnungskraft zur Öffnung des Steuerventils überwunden. Der erste Zustand ist also der Ausgangszustand. Die mechanische Struktur ist durch die sich frei auslenkende Aktoreinheit festgelegt . In dem zweiten Zustand ist der Leerhub von der Aktoreinheit überwunden. Die Aktoreinheit beziehungsweise der Aktor steht in mechanischem Kontakt mit dem Steuerventil. Dieses wird durch die mechanischen und hydraulischen Schließkräfte im Ventilsitz gehalten. Die von dem Aktor aufgebrachte Kraft wirkt auf die angebundenen mechanischen Steifigkeiten. Im dritten Zustand ist die Öffnungskraft für das Steuerventil von dem Aktor überwunden. Dieser lenkt sich in mechanischem Kontakt mit dem Steuerventil aus.In a first state of the actuator, ie in particular the piezoelectric actuator, freely deflectable, in a second state the actuator has overcome the idle stroke and in a third state, the actuator has overcome an opening force to open the control valve. The first state is therefore the initial state. The mechanical structure is determined by the freely deflecting actuator unit. In the second state, the idle stroke is overcome by the actuator unit. The actuator or the actuator is in mechanical contact with the control valve. This is held in the valve seat by the mechanical and hydraulic closing forces. The force applied by the actuator acts on the connected mechanical stiffnesses. In the third state, the opening force for the control valve is overcome by the actuator. This deflects in mechanical contact with the control valve.
Eine Änderung der diskreten Zustandsgröße kann bspw. ein Wechsel von dem ersten in den zweiten Zustand oder umgekehrt oder aber ein Wechsel von dem zweiten in den dritten Zustand oder umgekehrt sein.A change in the discrete state variable may, for example, be a change from the first to the second state or vice versa or else a change from the second to the third state or vice versa.
Die diskrete Zustandsgröße verändert ihren Wert immer dann, wenn bestimmte physikalische Ereignisse eintreten, beispielsweise der Leerhub überwunden ist (dies entspricht dem Übergang vom ersten Zustand zum zweiten Zustand) oder dass die Öffnungskraft überwunden ist (dies entspricht dem Übergang vom zweiten Zustand zum dritten Zustand) . Dies führt dazu, dass sich die mathematische Struktur des hybriden Modells ändert. Bei einer Änderung der mathematischen Struktur des hybriden Modells müssen stets Anfangsbedingungen für das aktuel- Ie Modell übergeben werden, die nach der Energie- und/oderThe discrete state variable changes its value whenever certain physical events occur, for example the idle stroke is overcome (this corresponds to the transition from the first state to the second state) or that the opening force is overcome (this corresponds to the transition from the second state to the third state). , This causes the mathematical structure of the hybrid model to change. In the case of a change in the mathematical structure of the hybrid model, initial conditions must always be transferred for the current model, which are based on the energy and / or
Impulserhaltung festgelegt werden. Eine Wertänderung der diskreten Zustandsgröße bedeutet zugleich das Eintreten eines für die Einspritzung relevanten Ereignisses. Die alleinige Auswertung dieser diskreten Zustandsgröße kann zu Regelzwe- cken bereits ausreichend sein. Für die Bestimmung des Leerhubs dient der Zeitpunkt einer Änderung der diskreten Zustandsgröße beziehungsweise der Spannungswert zu diesem Zeitpunkt als Referenzsignal. Ein Beurteilen der Richtigkeit des hybriden Modells erfolgt mittels Vergleichens der Modellparameter an der Stelle des Minimums des Residuums mit den realen Parametern.Conservation of momentum are determined. A value change of the discrete state variable also means the occurrence of an event relevant to the injection. The sole evaluation of this discrete state variable may already be sufficient for control purposes. For the determination of the idle stroke, the time of a change of the discrete state variable or the voltage value at this time serves as a reference signal. A judgment of the correctness of the hybrid model is made by comparing the model parameters at the location of the minimum of the residual with the real parameters.
In Dl erfolgt ein Berechnen virtueller physikalischer Zu- standsgrößen der Strecke, die der Messung nicht zugänglich sind. Das heißt, mit Hilfe des hybriden mathematischen Modells der realen Strecke, welches als Ein- und Ausgangsgrößen dieselben Größen wie die Strecke selbst aufweist, können virtuelle physikalische Zustandsgrößen des Systems berechnet werden, welche in der Realität nicht als Messgrößen vorliegen.In Dl, a calculation of virtual physical state variables of the route takes place, which are not accessible to the measurement. That is, with the aid of the hybrid mathematical model of the real route, which has the same sizes as the route itself as input and output variables, it is possible to calculate virtual physical state variables of the system which in reality are not present as measured variables.
Die in Dl und D2 beschriebenen Verfahren werden anhand eines Piezo-Common-Rail Steuerventils erläutert. Sie lassen sich aber auch allgemein bei piezogetriebenen Einstellgliedern anwenden. Bspw. ist es denkbar, die Verfahren bei Gasventilen für Brenner von z.B. Gasturbinen einzusetzen, bei denen ein konstanter Brennstofffluss für die Leistung des Brenners verantwortlich ist, während dem konstanten Fluss überlagerte Flussänderungen durch Änderung der Ventilöffnung zur Regelung der Verbrennung dienen. Solche Ventilsysteme können über piezoelektrische Aktoren realisiert werden. Hier würde dann nicht unbedingt der Modellparameter „Leerhub" bestimmt werden, sondern bspw. der Öffnungsgrad eines Ventils, wie es auch im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben wird.The methods described in Dl and D2 will be explained with reference to a piezo common rail control valve. However, they can also generally be applied to piezo-driven adjusting members. For example. it is conceivable to use the methods in gas valves for burners of e.g. Gas turbines are used, in which a constant fuel flow is responsible for the performance of the burner, while the constant flow superimposed flow changes by changing the valve opening to control the combustion. Such valve systems can be realized via piezoelectric actuators. In that case, the model parameter "idle stroke" would not necessarily be determined here, but, for example, the degree of opening of a valve, as will also be described below in connection with the figures.
Die genannten hybriden mathematischen Modelle erlauben eineThe mentioned hybrid mathematical models allow one
Beschreibung der insbesondere beim Öffnen und Schließen des Ventils nichtlinearen Charakteristik des Systems mit Hilfe von linearen Modellen für die einzelnen Zustandsbereiche („Ventil geöffnet", „Ventil geschlossen") , wobei die Grenzen dieser Zustandsbereiche zu identifizierende Parameter des hybriden Modells darstellen. Im Falle der Common-Rail- Steuerventile der Dl und der D2 ist eine solche Zustandsgren- ze bspw. durch den mechanischen Leerhub gegeben. Die in Dl und D2 dargestellten Verfahren beziehen sich auf schaltende Systeme, deren Zustandsgrößen, bspw. Auslenkung s, Geschwindigkeit v und Piezospannung U, zum Beginn des Analy- sezeitraums zu einem Zeitpunkt t=0 bekannt sind. Dies kann im vorliegenden Fall als Voraussetzung für eine vollständige Re- konstruktierbakeit und Identifizierbarkeit von Zustandsgrößen und Modellparametern betrachtet werden. Es wird also davon ausgegangen, dass die Öffnung des Ventils zum Zeitpunkt t=0 gleich Null ist und sich das System in Ruhe befindet, d.h. es gilt bspw. für die Geschwindigkeit des Ventilkörpers v=0.A description of the non-linear characteristic of the system, in particular when opening and closing the valve, using linear models for the individual status areas ("valve open", "valve closed"), the boundaries of these status areas representing parameters of the hybrid model to be identified. In the case of the common-rail control valves of the Dl and D2, such a state limit is given, for example, by the mechanical idle stroke. The methods illustrated in D1 and D2 relate to switching systems whose state variables, for example deflection s, velocity v and piezo voltage U, are known at the beginning of the analysis period at a time t = 0. In the present case, this can be regarded as a prerequisite for a complete reconstructability and identifiability of state variables and model parameters. It is therefore assumed that the opening of the valve at time t = 0 is equal to zero and the system is at rest, ie it applies, for example, for the speed of the valve body v = 0.
Die Verfahren stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn Ventile mit kontinuierlicher Öffnung modellbasiert vollständig rekon- struiert werden sollen, wobei „kontinuierlich" bedeuten soll, dass das Ventil dauernd offen ist und kein Schalten zwischen „offen" und „geschlossen" stattfindet. Das Verfahren ist also dann nicht einsetzbar, wenn technische Systeme vorliegen, bei denen über eine möglichst konstante Ventilöffnung ein Grund- fluss des das Ventil bzw. die Ventilöffnung durchströmenden Mediums eingestellt werden soll und Abweichungen von diesem Fluss zur Regelung des Gesamtsystems dienen. Bspw. kann das Medium wie in Dl und D2 ein Diesel -Brennstoff sein, und das Ventil regelt die Brennstoffzufuhr zu einem nach dem Common- Rail-Verfahren arbeitenden Verbrennungsmotor. Weitere Beispiele für derartige Ventile bzw. allgemeiner Beispiele für Einstellglieder sind die oben erwähnten Gasventile für Brenner von z.B. Gasturbinen.However, the methods reach their limits when full-opening valves are to be completely reconstructed model-based, where "continuous" is meant to mean that the valve is permanently open and there is no switching between "open" and "closed." The process is In other words, it can not be used if there are technical systems in which a basic flow of the medium flowing through the valve or the valve opening is to be set via a valve opening that is as constant as possible and deviations from this flow are used to control the overall system in Dl and D2 is a diesel fuel, and the valve controls the supply of fuel to a common-rail combustion engine Further examples of such valves or general examples of adjusting members are the above-mentioned gas valves for burners of eg gas turbines.
Die technische Begrenztheit der in Dl und D2 vorgestellten Verfahren liegt darin begründet, dass die Grundauslenkung bzw. der sog. Arbeitspunkt des Ventils über das an der Piezo- aktoreinheit abgreifbare Spannungssignal U nicht mehr rekonstruierbar bzw. identifizierbar ist, da im Betrieb um einen quasistatischen Arbeitspunkt die Einflussfaktoren auf die elektrische Spannung U nicht mehr voneinander getrennt werden können. Neben einer elektromechanischen Kopplung können solche Einflussfaktoren bspw. das Driften der Piezoeigenschaften aufgrund langsamer Temperaturänderungen bzw. der Änderung des inneren Polarisationszustandes der Piezokeramik darstellen. Als Konsequenz wäre mit den vorgestellten Verfahren die Grundauslenkung des Ventils und damit der Arbeitspunkt nicht mehr identifizierbar.The technical limitation of the methods presented in D1 and D2 is due to the fact that the basic deflection or the so-called operating point of the valve can no longer be reconstructed or identified via the voltage signal U which can be tapped on the piezoactuator unit, since in operation it has a quasi-static operating point the influencing factors on the electrical voltage U can no longer be separated from one another. In addition to an electromechanical coupling, such influencing factors can, for example, be the drifting of the piezoelectric properties represent due to slow temperature changes or the change of the internal polarization state of the piezoceramic. As a consequence, with the presented methods, the basic deflection of the valve and thus the operating point would no longer be identifiable.
Um einen konstanten Arbeitspunkt des Ventils einzustellen, ist es alternativ möglich, eine geeignete Sensorik zur Bestimmung der Ventilöffnung zu integrieren. Dies ist jedoch aufgrund des hohen technischen Aufwands mit zusätzlichen Kosten verbunden. Darüber hinaus bestünde für ein solches System wegen der notwendigen zusätzlichen Kabel- und Steckverbindungen eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit. Nicht zuletzt der erhöhte Platzbedarf eines solchen Systems wirkt sich nachtei- lig aus.In order to set a constant operating point of the valve, it is alternatively possible to integrate a suitable sensor for determining the valve opening. However, this is associated with additional costs due to the high technical complexity. In addition, such a system would have an increased probability of failure due to the need for additional cable and plug connections. Not least the increased space requirement of such a system has a detrimental effect.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Ventil im gepulsten Verfahren zu betreiben. Dabei wird bei einer festen Taktfrequenz über das Verhältnis Ventil offen zu Ventil geschlos- sen im Mittel ein konstanter Fluss eingestellt. Dies geht jedoch mit einer höheren mechanischen Belastung durch permanentes Öffnen und Schließen des Ventils einher. Des Weiteren ist auch die akustische Belastung höher.Another possibility is to operate the valve in a pulsed process. At a fixed clock frequency, a constant flow is set on average via the ratio valve open to valve closed. However, this is accompanied by a higher mechanical load due to permanent opening and closing of the valve. Furthermore, the acoustic load is higher.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eineIt is therefore the object of the present invention to provide a
Möglichkeit anzugeben, Modellparameter und/oder Zustandsgrö- ßen eines piezogetriebenen Einstellgliedes zu bestimmen.Possibility to specify model parameters and / or state variables of a piezo-driven setting element.
Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch an- gegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the invention disclosed in the independent claim. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein hybrides physikalisch-mathematisches Modell eingesetzt. Das Modell umfasst eine Vielzahl von Modellparametern, bildet eine physikalische Strecke ab und weist zumindest eine Eingangsgröße EmOd und zumindest eine Ausgangsgröße A111Od auf, wobei im Modell mit Hilfe der Eingangsgröße EmOd und der Modellparameter die Ausgangs- große A,„od berechnet wird. Die physikalische Strecke weist einen elektromechanischen Aktor, insbesondere eine Piezoakto- reinheit, ein verstellbares Einstellglied und ein Übertragungselement zur Übertragung einer vom Aktor aufgebrachten Kraft auf das Einstellglied auf. Der physikalischen Strecke wird eine Eingangsgröße Ephys zugeführt und es ist eine reale, messbare Ausgangsgröße APhys entnehmbar. Strecke und Modell sind parallel geschaltet. Zur Bestimmung des Modellparameters wird zu einem oder mehreren einzelnen Zeitpunkten ti oder über ein Zeitintervall Δt eine Größe Q als Summe oder Integral der Differenzbeträge ΔA zwischen den Ausgangsgrößen Aπ,od, Aphys ermittelt. Mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen erfolgt anschließend ein Variieren und ein Identifizieren des zu bestimmenden Modellparameters mittels eines globalen Minimums der Größe Q.In the solution according to the invention, a hybrid physical-mathematical model is used. The model comprises a multiplicity of model parameters, maps a physical path and has at least one input quantity E mO d and at least one output quantity A 111Od , whereby the output variable E mO d and the model parameter are used in the model. big A, " od is calculated. The physical path has an electromechanical actuator, in particular a piezoactuator unit, an adjustable adjusting member and a transmission element for transmitting a force applied by the actuator to the adjusting member. The physical distance is fed to an input quantity E ph y s and a real, measurable output variable A Phys can be taken out. Track and model are connected in parallel. To determine the model parameter, a variable Q is determined as the sum or integral of the difference amounts ΔA between the output quantities Aπ, od , A phys at one or more individual times ti or over a time interval Δt. By means of mathematical optimization algorithms, there is then a variation and identification of the model parameter to be determined by means of a global minimum of the quantity Q.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Übertragungselement ein nichtlineares Übertragungselement ist, insbesondere ein nichtlinearer Hebel oder ein nichtlineares Federelement. Hiermit wird erreicht, dass nicht mehr nur eine Änderung des zu bestimmenden Modellparameters ermittelt werden kann, sondern zusätzlich ein Absolutwert.In an advantageous embodiment, the transmission element is a non-linear transmission element, in particular a non-linear lever or a non-linear spring element. This ensures that not only a change of the model parameter to be determined can be determined, but in addition an absolute value.
Zur Ermittlung der Größe Q wird zunächst die Ausgangsgröße Aπiod im Modell über den Zeitraum Δt oder zu den Zeitpunkten ti berechnet wird. Gleichzeitig wird die Ausgangsgröße Aphys über den Zeitraum Δt oder zu den Zeitpunkten ti gemessen. In einem Subtrahierer wird über das Zeitintervall Δt oder zu den Zeitpunkten ti ein Vektor
Figure imgf000013_0001
berechnet. Die Einträge des Vektors ΔA werden schließlich aufintegriert oder aufsummiert .To determine the variable Q, the output variable A π i od is first calculated in the model over the time period Δt or at the times ti. At the same time, the output quantity A ph ys is measured over the time period Δt or at the times ti. In a subtractor becomes a vector over the time interval .DELTA.t or at the times ti
Figure imgf000013_0001
calculated. The entries of the vector ΔA are finally integrated or summed up.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der zu bestimmende Modellparameter die Auslenkung s des Einstellgliedes ist. Damit ist es möglich, einen vom Einstellglied geregelten oder gesteuerten Brennstofffluss zu überwachen und einzustellen. Vorteilhafterweise wird der zu bestimmende Parameter variiert und anschließend wird die Größe Q erneut berechnet. Dabei erfolgen das Variieren und die anschließende Berechnung der Größe Q so lange, bis ein globales Minimum der Größe Q gefun- den ist. Damit ist sicher gestellt, dass der zu bestimmende Modellparameter exakt ermittelbar ist.In a particularly advantageous embodiment of the method, the model parameter to be determined is the deflection s of the adjusting member. This makes it possible to monitor and adjust a regulated or controlled by the actuator fuel flow. Advantageously, the parameter to be determined is varied, and then the quantity Q is recalculated. In this case, the variation and the subsequent calculation of the quantity Q take place until a global minimum of the quantity Q has been found. This ensures that the model parameter to be determined is exactly determinable.
In einer besonderen Anwendung ist das Einstellglied ein Ventilkörper eines Gasventils einer Gasturbine ist. Das Verfah- ren ermöglicht somit letztlich eine Überwachung und Regelung bzw. Steuerung der Brennstoffzufuhr in eine Brennkammer der GasturbineIn a particular application, the adjusting member is a valve body of a gas valve of a gas turbine. The method thus ultimately makes it possible to monitor and regulate or control the fuel supply into a combustion chamber of the gas turbine
Die Eingangsgröße ist ein elektrischer Strom, insbesondere ein einem Ansteuerstrom des elektromechanischen Aktors bei einer Brennstoffeinspritzung entsprechender elektrischer Strom mit einem hochdynamischen Zeitverlauf. Die Ausgangsgröße ist eine Piezospannung.The input variable is an electrical current, in particular a current corresponding to a drive current of the electromechanical actuator in a fuel injection electric current with a highly dynamic time course. The output is a piezo voltage.
Der elektromechanische Aktor ein vorteilhafterweise ein Pie- zoaktor.The electromechanical actuator advantageously a piezoelectric actuator.
Mittels des Verfahrens ergeben sich folgende Vorteile: a) Mit dem beschriebenen Verfahren kann bspw. bei der Injek- torherstellung eine dynamische Messung des Leerhubes erfolgen, wobei als Ansteuersignale der Einspritzung entsprechende hochdynamische Stromprofile verwendet werden können. Als Auswertekriterium dient dabei die Größe des Spannungsresiduums bei einer Variation des gesuchten Systemparameters, bspw. des Leerhubs. Das Minimum dieser Kurve liegt bei dem real vorliegenden Parameter. b) Aufgrund der Ansteuerung mit dynamischen Eingangsgrößen besteht die Möglichkeit, eine Mittelung über mehrere Ansteue- rungsSequenzen durchzuführen, ohne dabei den Taktzyklus der Injektorherstellung erhöhen zu müssen. Mittels dieser Mittelung können sowohl statische Messfehler als auch Fehler aufgrund von Neukurvenverhalten, beispielsweise Setzen der Bauteile, minimiert werden. c) Im Vergleich zu herkömmlichen, signalbasierten Verfahren müssen die Messgrößen nicht gefiltert werden beziehungsweise können die Eigenfrequenzen des Systems die Genauigkeit nicht beeinflussen, da diese zum einen durch die physikalischen Mo- delle abgebildet werden oder mittels der Integration des Ausgangssignals vernachlässigt werden können. Des Weiteren werden die Auswertegrößen als direkte physikalische Zustandsgrö- ßen herangezogen.By means of the method, the following advantages result: a) With the described method, for example during the injector gate production, a dynamic measurement of the idle stroke can take place, with correspondingly highly dynamic current profiles being able to be used as the trigger signals of the injection. The evaluation criterion used here is the size of the stress residual with a variation of the desired system parameter, for example the idle stroke. The minimum of this curve is the actual parameter present. b) Due to the control with dynamic input variables, it is possible to perform an averaging over several control sequences, without having to increase the clock cycle of injector production. By means of this averaging both static measurement errors and errors due to Neukurvenverhalten, for example, setting the components can be minimized. c) Compared with conventional, signal-based methods, the measured quantities do not have to be filtered or the natural frequencies of the system can not influence the accuracy, since these can be mapped by the physical models or ignored by the integration of the output signal. Furthermore, the evaluation variables are used as direct physical state variables.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiment described below and with reference to the drawings.
Dabei zeigt:Showing:
Figur 1 ein piezogetriebenes Steuerventil,FIG. 1 shows a piezo-operated control valve,
Figur 2 exemplarische Zeitverläufe von Eingangs- und Ausgangsgrößen,FIG. 2 shows exemplary time profiles of input and output variables,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Parallelschaltung aus physikalischer Strecke und mathematischem Modell.Figure 3 is a schematic representation of a parallel circuit of physical path and mathematical model.
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer Piezoaktorein- heit 10, einem Übertragungselement 20 und einem Ventil 30. Das Ventil 30 weist ein Einstellglied bzw. einen Ventilkörper 31, in der Figur 1 symbolisiert durch einen Massepunkt m, und einen Ventilsitz 32 auf. Piezoaktoreinheit 10, Übertragungs- element 20 und Ventilkörper 31 bilden eine physikalische1 shows a device with a Piezoaktorein- unit 10, a transmission element 20 and a valve 30. The valve 30 has an adjusting member or a valve body 31, in the figure 1 symbolized by a mass point m, and a valve seat 32. Piezoaktoreinheit 10, transmission element 20 and valve body 31 form a physical
Strecke, die wie im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben in einem mathematischen Modell abgebildet wird. Ein das Ventil 30 durchströmender Medien- oder Brennstofffluss ist dadurch regelbar, dass der Ventilkörper 31 relativ zum Ventil - sitz 32 verstellbar und damit eine Ventilöffnung 33, durch die der Brennstofffluss strömt, einstellbar ist. Der Brenn- stofffluss ist nun direkt abhängig von einem Öffnungsgrad der Ventilöffnung 33, wobei der Öffnungsgrad direkt von einer Auslenkung s des Ventilkörpers 31 relativ zum Ventilsitz 32 abhängt. Der Zusammenhang zwischen Öffnungsgrad und Auslenkung kann bspw. von der Form bzw. dem Querschnitt der Ventil - Öffnung 33 abhängen.Distance which is mapped as described in connection with the figure 3 in a mathematical model. A flow of media or fuel flowing through the valve 30 can be regulated in that the valve body 31 is adjustable relative to the valve seat 32 and thus a valve opening 33 through which the fuel flow flows is adjustable. The fuel flow is now directly dependent on an opening degree of the valve opening 33, wherein the opening degree directly from a Deflection s of the valve body 31 relative to the valve seat 32 depends. The relationship between the degree of opening and the deflection can, for example, depend on the shape or the cross-section of the valve opening 33.
Das Übertragungselement 20 ist in die physikalische Strecke zwischen dem Ventilkörper 31 und der Piezoaktoreinheit 10 eingebracht. Das Übertragungselement 20 zeichnet sich dadurch aus, dass es ein nichtlineares Übertragungselement 20 ist, dessen Charakteristik bzw. dessen Übertragungsverhalten durch eine bekannte, nichtlineare Funktion s=y(x) gegeben ist. Eine Möglichkeit ist bspw. ein quadratisches Verhalten s=xo+a*x2, wobei X0 eine eventuelle Grundverformung der Piezoaktoreinheit 10 darstellt und a eine Konstante ist. Die bekannte Funktion y(x) beschreibt letztlich, welche Auslenkung s des Ventilkörpers 31 sich ergibt, wenn die Piezoaktoreinheit 10 aufgrund eines der Piezoaktoreinheit 10 zugeführten elektrischen Stroms I um einen Weg x verformt ist. Das nichtlineare Übertragungselement 20 kann bspw. ein nichtlinearer, mechani- scher Hebel sein, wie er in der Figur 1 schematisch dargestellt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass nichtlineare Übertragungselement 20 als Federelement auszubilden, welches einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Auslenkung und Federkraft realisiert. Andere Realisierungen sind natürlich ebenfalls denkbar.The transmission element 20 is introduced into the physical path between the valve body 31 and the piezoelectric actuator unit 10. The transmission element 20 is characterized in that it is a nonlinear transmission element 20 whose characteristic or its transmission behavior is given by a known, non-linear function s = y (x). One possibility is, for example, a quadratic behavior s = x o + a * x 2 , where X 0 represents a possible basic deformation of the piezo actuator unit 10 and a is a constant. The known function y (x) ultimately describes which deflection s of the valve body 31 results when the piezoelectric actuator unit 10 is deformed by a distance x due to an electrical current I supplied to the piezoelectric actuator unit 10. The non-linear transmission element 20 may be, for example, a non-linear, mechanical lever, as shown schematically in FIG. Alternatively, it is also possible that non-linear transmission element 20 form as a spring element, which realizes a non-linear relationship between deflection and spring force. Other implementations are of course also conceivable.
Bei einer Verformung x der Piezoaktoreinheit 10 und der dadurch bewirkten Auslenkung s=y(x) des Ventilkörpers 31 über das nichtlineare Übertragungselement 20 kommt es zu einer me- chanischen Rückwirkung auf die Piezoaktoreinheit 10 und damit zu einer auf die Piezoaktoreinheit 10 wirkenden Kraft. Aufgrund dieser Rückwirkung vom durch die Piezoaktoreinheit 10 einzustellenden Steuerventil 30 auf die Piezoaktoreinheit 10 ist die abgreifbare Spannung U vom Hub bzw. der Auslenkung s des Ventilkörpers 31 des Steuerventils 30 abhängig. Aus der gemessenen Spannung U lassen sich daher Rückschlüsse auf die Auslenkung s bzw. den Öffnungsgrad des Ventils ziehen. Die auf die Piezoaktoreinheit 10 rückwirkende Kraft hängt von der Masse m des bewegten Ventilkörpers 31, von dem nichtlinearen Übertragungselement 20 und von einer Steifigkeit k ab. Bekanntermaßen wirkt sich eine solche Kraft darin aus, dass in der Piezoaktoreinheit 10 eine elektrische Spannung U erzeugt wird, die schließlich an elektrischen Kontakten 11 des Piezoaktoreinheit 10 abgegriffen und mit einem Spannungsmess- gerät 40 gemessen werden kann. Aufgrund der nichtlinearen Charakteristik des Übertragungselements 20 ist die Rückwir- kung auf die Piezoaktoreinheit 10 bspw. im Vergleich zu mechanischen Strecken mit quasilinearem Verhalten nicht mehr nur von einer differentiellen Auslenkung Δs des Ventilkörpers 31 abhängig, sondern zusätzlich vom Absolutwert der Auslenkung s und damit vom Arbeitspunkt des Ventils 30.When the piezo actuator unit 10 is deformed and the deflection s = y (x) of the valve body 31 via the nonlinear transmission element 20 occurs, a mechanical reaction to the piezoactuator unit 10 and thus to a force acting on the piezoactuator unit 10 occurs. Because of this reaction of the control valve 30 to be adjusted by the piezoactuator unit 10 to the piezoactuator unit 10, the tapped voltage U depends on the stroke or deflection s of the valve body 31 of the control valve 30. From the measured voltage U can therefore draw conclusions on the deflection s or the degree of opening of the valve. The force acting on the piezo actuator unit 10 depends on the mass m of the moving valve body 31, on the nonlinear transmission element 20 and on a stiffness k. As is known, such a force has the effect that an electrical voltage U is generated in the piezoactuator unit 10, which voltage can finally be tapped off at electrical contacts 11 of the piezoactuator unit 10 and measured with a voltage measuring device 40. Due to the non-linear characteristic of the transmission element 20, the retroactive effect on the piezoactuator unit 10 is, for example, no longer dependent on a differential deflection Δs of the valve body 31, but also on the absolute value of the deflection s and thus on the operating point of the valve 30.
Zur Bestimmung des Arbeitspunktes ist von einer virtuellen Masse m' auszugehen. Diese hängt von der Absolutauslenkung s des Ventilkörpers 31 ab. Die virtuelle Masse m' stellt dabei diejenige Masse dar, welche über das durch das nichtlineare Übertragungselements 20 realisierte Hebelverhältnis mit der Steifigkeit k gekoppelt ist . Die Steifigkeit k ist durch die mechanische Anbindung der Piezoaktoreinheit 10 realisiert. Die Steifigkeit k stellt zusätzlich einen Freiheitsgrad des Systems dar: Über die mechanische Dimensionierung der Anbin- düng können die Steifigkeit k und die Masse m' eingestellt werden. Aufgabe ist es hier auch, k, m und das Hebelverhältnis (bzw. dessen Bandbreite) so zu wählen, dass sich die einstellende Eigenfrequenz ausreichend von der der Piezoaktoreinheit 10 unterscheidet.To determine the operating point of a virtual mass m 'is assumed. This depends on the absolute deflection s of the valve body 31. The virtual mass m 'represents the mass which is coupled to the stiffness k via the lever ratio realized by the non-linear transmission element 20. The rigidity k is realized by the mechanical connection of the piezoelectric actuator unit 10. The rigidity k additionally represents a degree of freedom of the system: the mechanical dimensioning of the connection enables the rigidity k and the mass m 'to be set. It is also an object here to select k, m and the lever ratio (or its bandwidth) so that the natural frequency setting differs sufficiently from that of the piezo actuator unit 10.
Die Struktur bestehend aus der virtuellen Masse m' und der Steifigkeit k bildet einen mechanischen Oszillator, dessen Eigenfrequenz fosz sich gemäß fOS2 = Vk / m1 / 2π berechnet. Aufgrund der bspw. vom Arbeitspunkt bzw. der Auslenkung s abhän- gigen virtuellen Masse m' ändert sich die Eigenfrequenz fosz des mechanischen Oszillators mit dem Arbeitspunkt. Unter der Voraussetzung, dass sich die Frequenz fosz ausreichend, d.h. bspw. um einen Faktor von etwa zwei bis fünf, von der festen, bekannten Eigenfrequenz fPie2o der Piezoaktoreinheit 10 unterscheidet, kann aus der dynamischen Komponente der Rückwirkung auf die Piezoaktoreinheit 10 die absolute Auslenkung s bestimmt werden.The structure consisting of the virtual mass m 'and the stiffness k forms a mechanical oscillator whose natural frequency f osz is calculated according to f OS2 = Vk / m 1 / 2π. Due to the virtual mass m ', for example, depending on the operating point or the deflection s, the natural frequency f osz of the mechanical oscillator changes with the operating point. Assuming that the frequency f osz sufficient, ie eg. By a factor of about two to five, of the solid, known natural frequency f P e e2o the piezoelectric actuator unit 10 is different, can be determined from the dynamic component of the reaction to the piezoelectric actuator 10, the absolute deflection s.
Mit anderen Worten wirkt sich ein falscher Modellparameter insbesondere in der Frequenz fOS2 aus . Die Ausgangssignale Aπ,od und Aphys sind typischerweise Spannungssignale, die aus einem Offset und einer hochfrequenten Komponente bestehen. Die Fi- gur 2 zeigt exemplarisch das zeitliche Verhalten der Eingangsgröße EmOd=Ephys=I (Figur 2A) , der Ausgangsgrößen Amod, Aphys (Figur 2B) und der Differenz Aphys-Amod der Ausgangsgrößen (Figur 2C). Wesentlich ist, dass die Eingangsgröße bzw. der Strom I, mit dem die Piezoaktoreinheit beaufschlagt wird, ei- nen steilen Gradienten aufweist, da das System ansonsten nicht in Schwingung gebracht wird. In der Differenz der Ausgangsgrößen ist ein hochfrequenter Anteil erkennbar, der darauf schließen lässt, dass zumindest ein Modellparameter nicht optimal gewählt ist.In other words, a wrong model parameter particularly affects the frequency f OS2 . The output signals Aπ, od and Aphy s are typically voltage signals consisting of an offset and a high-frequency component. FIG. 2 shows by way of example the temporal behavior of the input variable E mO d = Ephy s = I (FIG. 2A), the output quantities Amod, Aphy s (FIG. 2B) and the difference Ap h y s -A mod of the output variables (FIG. 2C ). It is essential that the input variable or the current I, which is applied to the piezoelectric actuator unit, has a steep gradient, since otherwise the system is not brought into oscillation. The difference between the output quantities shows a high-frequency component, which suggests that at least one model parameter is not optimally selected.
Allgemein können als nichtlineares Übertragungselement 20 solche nichtlinearen Elemente in Betracht gezogen werden, bei denen physikalische Zustandsgrößen mit Rückwirkung auf die Piezoaktoreinheit 10 einen bekannten, nichtlinearen Zusammen- hang von der Absolutposition s aufweisen, z.B. nichtlineare Federelemente. Neben dem angeführten piezoelektrischen Wandlerprinzip kann das beschriebene Verfahren auch für alternative Wandlerprinzipen wie z.B. elektromagnetische Aktoren angewendet werden .In general, as non-linear transmission element 20, nonlinear elements may be considered in which physical state variables with retroactivity to the piezoactuator unit 10 have a known, non-linear relationship between the absolute position s, e.g. non-linear spring elements. In addition to the mentioned piezoelectric transducer principle, the described method can also be used for alternative transducer principles, such as, for example, electromagnetic actuators are applied.
Die Figur 3 zeigt schematisch die Parallelschaltung aus physikalischer Strecke und mathematischem Modell.FIG. 3 schematically shows the parallel connection of physical path and mathematical model.
Die physikalische Strecke 100, gemäß dem in der Figur 1 dar- gestellten Ausführungsbeispiel bestehend aus der Piezoaktoreinheit 10, der Steifigkeit k, dem nichtlinearen Übertragungselement 20 und dem Einstellglied bzw. Ventilkörper 31, wird vollständig im mathematischen Modell 200 abgebildet. D.h. mit Hilfe des Modells lassen sich unter Verwendung der Eingangsgröße EmOd für die physikalische Strecke sämtliche Zu- standsgrößen rekonstruieren und sämtliche Parameter identifizieren, wobei das Modell vorgegebene Modellparameter verwen- det .The physical distance 100, according to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 consisting of the piezoactuator unit 10, the rigidity k, the nonlinear transmission element 20 and the setting member or valve body 31, is completely mapped in the mathematical model 200. This means that with the aid of the input variable E mOd for the physical path, all state variables can be reconstructed and all parameters identified, whereby the model uses predetermined model parameters.
Strecke 100 und Modell 200 sind parallel geschaltet, d.h. in Strecke 100 und Modell 200 gehen die selben Eingangsgrößen Emod/ Ephys ein und es sind gleichartige Ausgangsgrößen AmOd/ Aphys entnehmbar. Die Ausgangsgröße Aπ,Od des Modells 200 wird aus der Eingangsgröße Emod=EPhys=I unter Ausnutzung der vorgegebenen Modellparameter berechnet. Die Ausgangsgröße APhys der Strecke 100 ist die über der Piezoaktoreinheit 10 abgegriffene Spannung U.Line 100 and model 200 are connected in parallel, ie in line 100 and model 200, the same input variables Emod / Ephys enter and similar output variables Am O d / Ap h y s can be taken out. The output quantity A π , Od of the model 200 is calculated from the input quantity E mod = E P hy s = I using the given model parameters. The output quantity A Phys of the distance 100 is the voltage U picked off via the piezoactuator unit 10.
Die Ausgangsgrößen APhys und AmOd der physikalischen Strecke 100 und des mathematischen Modells 200 können schließlich bspw. mit dem Ziel einer Regelung der Strecke oder zur Bestimmung eines gesuchten Parameters -in Dl und D2 ist dies der Leerhub des Ventils- in einer elektronischen BaugruppeThe output quantities A Phys and A mOd of the physical path 100 and of the mathematical model 200 can finally be used, for example, to control the path or to determine a desired parameter -in Dl and D2, this is the idle stroke of the valve in an electronic module
300 miteinander verglichen werden. Die Baugruppe 300 ist vorteilhafterweise als Subtrahierer 300 ausgebildet, in dem eine Differenz Aphys-Amod berechnet wird. Die Differenz wird einer weiteren elektronischen Baugruppe 400 zugeführt, wo wie unten beschrieben der gesuchte Modellparameter, in Dl und D2 der Leerhub, mittels an sich bekannter mathematischer Optimierungsalgorithmen variiert wird.300 are compared. The assembly 300 is advantageously designed as a subtractor 300, in which a difference Aphy s -A mod is calculated. The difference is fed to a further electronic assembly 400 where, as described below, the desired model parameter, in idle and in D2 the idle stroke, is varied by means of mathematical optimization algorithms known per se.
Derjenige Leerhub, für den die beiden Ausgangsgrößen Aπ,Od und AphyS die beste Übereinstimmung zeigen, d.h. bei einem Minimum des Betrags der Differenz lAphys-Amodl , entspricht schließlich dem realen Leerhub. Dieses Verfahren lässt sich natürlich auch für andere Parameter und Zustandsgrößen der physikalischen Strecke 100 anwenden.The idle stroke for which the two output quantities A π , Od and Ap h y S show the best match, ie at a minimum of the magnitude of the difference lAphy s -A mod l, finally corresponds to the real idle stroke. Of course, this method can also be applied to other parameters and state variables of the physical path 100.
Allgemeiner ausgedrückt, insbesondere nicht nur auf den Parameter „Leerhub" bezogen, wird zur Bestimmung der freien Modellparameter parallel zur realen Strecke 100 ein physika- lisch-mathematisches Modell 200 des Systems bestehend aus der Piezoaktoreinheit 10, der Steifigkeit k, dem nichtlinearen Übertragungselement 20 und dem Ventilkörper 31 berechnet. Zu einzelnen Messzeitpunkten ti werden die Ausgangsgrößen APhys und Atnod miteinander verglichen, indem in einer elektronischen Baugruppe 300 die Differenz AphyS (ti) -A^d (ti) gebildet wird. Als Zielfunktion Q der Parameteridentifikation, welche die Basis für eine fehlerminimale Zustandsrekonstruktion des Systems bzw. der Strecke darstellt, kann die Summe der Diffe- renzbeträge zwischen der realen Ausgangsgröße APhys und der simulierten Ausgangsgröße A^d zu den einzelnen Messzeitpunkten ti dienen. Alternativ kann Q als Integral der Absolutbetragsdifferenz zwischen den Ausgangsgrößen APhys und Amod der physikalischen Strecke 100 und des mathematischen Modells 200 über ein definiertes Zeitintervall berechnet werden. Mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen werden in einer weiteren elektronischen Baugruppe 400 die freien Modellparameter so lange variiert, bis Q ein globales Minimum erreicht. Dabei werden diejenigen Modellparameter variiert, die als freie Pa- rameter definiert sind. Dabei ist zu beachten, dass deren Anzahl möglichst gering ist bzw. dass sich Parameter mit unterschiedlichen Zeitkonstanten ändern. Bspw. ändert sich eine Temperatur eher langsam, weswegen sie nicht jedes Mal mit adaptiert werden muss, sondern erst dann, wenn sich durch al- leinige Adaption eines der anderen Modellparameter, bspw. die Auslenkung s, der Fehler nicht unter einen gewissen Wert senken lässt .In more general terms, and in particular not only related to the parameter "idle stroke", a physical analysis is carried out parallel to the real distance 100 in order to determine the free model parameters. The system calculates mathematical model 200 of the system consisting of the piezo actuator unit 10, the rigidity k, the nonlinear transmission element 20 and the valve body 31. At individual measuring times ti, the output quantities A P h ys and A tnod are compared with each other by forming the difference Ap h y S (ti) -A d (ti) in an electronic module 300. As target function Q of the parameter identification, which represents the basis for a minimum error state reconstruction of the system or the path, the sum of the difference amounts between the real output variable A P h ys and the simulated output variable A ^ d at the individual measurement times ti can be used. Alternatively, Q may be calculated as the integral of the absolute value difference between the outputs A P h ys and Amod of the physical path 100 and the mathematical model 200 over a defined time interval. By means of mathematical optimization algorithms, the free model parameters are varied in a further electronic assembly 400 until Q reaches a global minimum. In the process, those model parameters are varied, which are defined as free parameters. It should be noted that their number is as small as possible or that parameters with different time constants change. For example. A temperature changes rather slowly, which is why it does not have to be adapted each time, but only when the error can not be reduced below a certain level by the sole adaptation of one of the other model parameters, for example the deflection s.
Zusammengefasst werden im Einzelnen die folgenden Schritte ausgeführt:In detail, the following steps are performed:
1) Im Modell 200 wird basierend auf den dort vorliegenden Modellparametern und der Eingangsgröße EmOd die Ausgangsgröße Arnod bestimmt . Gleichzeitig wird die Ausgangsgröße APhys der physikalischen Strecke gemessen. Dies erfolgt über ein bestimmtes Zeitintervall von bspw. Δt=200μs oder zu mehreren Zeitpunkten ti. 2) Im Subtrahierer wird über das Zeitintervall Δt oder zu mehreren Zeitpunkten ti eine Abweichung
Figure imgf000021_0001
berechnet. Hiermit ergibt sich ein Vektor des Absolutfehlerbetrages, dessen Länge der des betrachteten Zeitintervalls Δt bzw. der Anzahl der Zeitpunkte ti entspricht.1) In the model 200, the output variable Arn od is determined on the basis of the model parameters present there and the input variable E mOd . At the same time the output A P h ys of the physical path is measured. This takes place over a specific time interval of, for example, Δt = 200 μs or at several times ti. 2) In the subtractor, a deviation occurs over the time interval Δt or at several times ti
Figure imgf000021_0001
calculated. This results in a vector of the absolute error amount whose length corresponds to that of the considered time interval Δt or the number of times ti.
3) In der Baugruppe 400 wird der Vektor des Absolutfehlerbetrages zunächst aufintegriert bzw. aufsummiert. Der daraus resultierende Wert entspricht der oben eingeführten Größe Q.3) In the module 400, the vector of the absolute error amount is first integrated or summed up. The resulting value corresponds to the size Q introduced above.
4) Im Rahmen der Variation der Modellparameter wird dem ge- suchten Parameter ein neuer Wert zugewiesen. Alternativ ist es für den Fall, dass gleich mehrere Parameter gesucht sind, natürlich auch denkbar, dass in diesem Verfahrensschritt nicht nur ein einzelner Parameter variiert wird, sondern mehrere oder alle gesuchten Parameter gleichzeitig. Ebenso ist es denkbar, dass die einzelnen gesuchten Parameter nacheinander identifiziert werden.4) As part of the variation of the model parameters, a new value is assigned to the sought parameter. Alternatively, if several parameters are searched for at the same time, it is, of course, also conceivable that in this method step not only a single parameter is varied, but several or all searched parameters simultaneously. It is also conceivable that the individual searched parameters are identified one after the other.
5) Der neue Parametersatz wird an das Modell 200 übertragen. Dort findet wiederum basierend auf den Modellparametern und der Eingangsgröße Emod eine Berechnung der Ausgangsgröße AmO(j statt, d.h. das Verfahren kehrt zurück zum Schritt 1) .5) The new parameter set is transferred to the model 200. There again, based on the model parameters and the input quantity E mod, a calculation of the output quantity A mO ( j takes place, ie the method returns to step 1).
Das beschriebene Verfahren mit den Schritten 1) bis 5) wird nun so lange ausgeführt, bis für Q ein globales Minimum identifiziert werden kann.The described method with the steps 1) to 5) is now carried out until for Q a global minimum can be identified.
Mit Hilfe der integrierten Nichtlinearität bzw. des nichtlinearen Übertragungselements 20 in die mechanische Strecke zwischen Piezoaktoreinheit 10 und Ventilkörper 31 ergibt sich ein von der Absolutauslenkung s des Ventilkörpers 31 abhängi- ges Streckenverhalten. Dadurch, dass diese Nichtlinearität im parallel zur realen Strecke geschalteten Modell berücksichtigt ist, kann vorteilhafterweise die Absolutposition des Ventilkörpers 31 aus der oben beschriebenen Rückwirkung auf die an der Piezoaktoreinheit 10 abgegriffene Piezospannung U bestimmt werden. Zusammengefasst stellt das vorgestellte Verfahren eine Erweiterung der in Dl und D2 offenbarten Verfahren dar, mit dessen Hilfe für piezogetriebene, kontinuierlich einstellbare Ventile physikalische Größen wie bspw. Auslen- kungen und Geschwindigkeiten rekonstruiert sowie Parameter wie bspw. Massen und Steifigkeiten identifiziert werden können. With the help of the integrated nonlinearity or the non-linear transmission element 20 into the mechanical path between the piezoactuator unit 10 and the valve body 31, a track behavior dependent on the absolute deflection s of the valve body 31 results. Due to the fact that this non-linearity is taken into account in the model connected in parallel with the real path, the absolute position of the valve body 31 can advantageously be determined from the above-described reaction to the piezo voltage U tapped at the piezo actuator unit 10. In summary, the presented method is an extension of the methods disclosed in D 1 and D 2, with the aid of which, for piezo-operated, continuously adjustable valves, physical variables such as, for example, kungen and speeds reconstructed and parameters such as, for example, masses and stiffness can be identified.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung zumindest eines Modellparameters eines hybriden physikalisch-mathematischen Modells (200) , welches Modell (200)1. A method for determining at least one model parameter of a hybrid physical-mathematical model (200), which model (200)
' - eine Vielzahl von Modellparametern umfasst,comprising a plurality of model parameters,
- eine physikalische Strecke (100) abbildet,represents a physical path (100),
- zumindest eine Eingangsgröße Emod und zumindest eine Ausgangsgröße Amod aufweist, wobei im Modell mit Hilfe der Ein- gangsgröße Emo(j und der Modellparameter die Ausgangsgröße Aπ,od berechnet wird, wobeiat least one input quantity E mod and at least one output quantity A mod , the output quantity Aπ, od being calculated in the model with the aid of the input quantity E mo ( j and the model parameter, where
- die physikalische Strecke (100) einen elektromechanischen Aktor (10) , insbesondere eine Piezoaktoreinheit (10) , ein verstellbares Einstellglied (31) und ein Übertragungselement (20) zur Übertragung einer vom Aktor (10) aufgebrachten Kraft auf das Einstellglied (31) aufweist,- The physical distance (100) comprises an electromechanical actuator (10), in particular a Piezoaktoreinheit (10), an adjustable adjusting member (31) and a transmission element (20) for transmitting a force applied by the actuator (10) force on the adjusting member (31) .
- der physikalischen Strecke eine Eingangsgröße EPhys zugeführt wird und eine reale, messbare Ausgangsgröße APhyS ent- nehmbar ist und- An input quantity E Phys is supplied to the physical path and a real, measurable output variable A P hy S can be taken off and
- die physikalische Strecke und das Modell parallel geschaltet sind, gekennzeichnet durch die Schritte- the physical link and the model are connected in parallel, characterized by the steps
- Ermitteln einer Größe Q als Summe oder Integral der Diffe- renzbeträge ΔA zwischen den Ausgangsgrößen A1nQd, Aphys zu einem oder mehreren einzelnen Zeitpunkten ti oder über ein Zeitintervall Δt;Determining a quantity Q as sum or integral of the difference amounts ΔA between the output quantities A 1n Q d , Ap hy s at one or more individual times t i or over a time interval Δt;
- mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen erfolgendes Variieren und mittels eines globalen Minimums der Größe Q er- folgendes Identifizieren des zu bestimmenden Modellparameters.- Varying by means of mathematical optimization algorithms and, by means of a global minimum of the quantity Q, identifying the model parameter to be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (20) ein nichtlineares Übertragungs- element (20) ist, insbesondere ein nichtlinearer Hebel oder ein nichtlineares Federelement. 2. The method according to claim 1, characterized in that the transmission element (20) is a non-linear transmission element (20), in particular a non-linear lever or a non-linear spring element.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass zur Ermittlung der Größe Q3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for determining the size Q
- die Ausgangsgröße Aπ,od im Modell (200) über den Zeitraum Δt oder zu den Zeitpunkten ti berechnet wird, - die Ausgangsgröße APhyS über den Zeitraum Δt oder zu den Zeitpunkten ti gemessen wird,- the output quantity A π , od is calculated in the model (200) over the period Δt or at the times ti, - the output quantity A PhyS is measured over the period Δt or at the times ti,
- in einem Subtrahierer (300) über das Zeitintervall Δt oder zu den Zeitpunkten ti ein Vektor ΔA= | Aphys-Aπ,od| berechnet wird und - die Einträge des Vektors ΔA aufintegriert oder aufsummiert werden.in a subtractor (300) over the time interval Δt or at the times ti a vector ΔA = | A phys -Aπ, od | is calculated and - the entries of the vector .DELTA.A are integrated or added up.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu bestimmende Modellparameter eine Auslenkung s des Einstellgliedes (31) ist.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the model parameter to be determined is a deflection s of the adjusting member (31).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu bestimmende Parameter variiert wird und anschließend die Größe Q erneut berechnet wird, wo- bei das Variieren und die anschließende Berechnung der Größe Q so lange erfolgt, bis ein globales Minimum der Größe Q gefunden ist.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the parameter to be determined is varied and then the size Q is recalculated, wherein the varying and the subsequent calculation of the quantity Q takes place until a global minimum of the size Q is found.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellglied (31) ein Ventilkörper eines Gasventils einer Gasturbine ist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the adjusting member (31) is a valve body of a gas valve of a gas turbine.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgröße ein elektrischer Strom ist, insbesondere ein einem Ansteuerstrom des elektromechani- schen Aktors (10) bei einer Brennstoffeinspritzung entsprechender elektrischer Strom mit einem hochdynamischen Zeitverlauf, und/oder die Ausgangsgröße eine Piezospannung ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the input variable is an electric current, in particular a drive current of the electromechanical actuator (10) in a fuel injection corresponding electric current with a highly dynamic time course, and / or the output of a piezoelectric voltage is.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktor (10) ein Piezoaktor ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electromechanical actuator (10) is a piezoelectric actuator.
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