WO2014122208A1 - Method for verifying or identifying a model structure - Google Patents

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WO2014122208A1
WO2014122208A1 PCT/EP2014/052314 EP2014052314W WO2014122208A1 WO 2014122208 A1 WO2014122208 A1 WO 2014122208A1 EP 2014052314 W EP2014052314 W EP 2014052314W WO 2014122208 A1 WO2014122208 A1 WO 2014122208A1
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WO
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model
signal
description
output signal
test
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Application number
PCT/EP2014/052314
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German (de)
French (fr)
Inventor
Riccardo MÖLLER
Björn HAFFKE
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00Testing of vehicles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a method for checking or identifying a model structure of a system to be examined. Furthermore, the present invention relates to a computer program product for carrying out a method for checking or identifying a model structure.
  • Mathematical models of dynamic systems are used in different areas, for example for simulating real systems or, in particular, for model-based control and monitoring systems. These mathematical models consist of two basic components. The first component represents the structure of the mathematical model, in the form of a mostly symbolic description. The second component is in the form of numerical parameters, which are mostly physically motivated and decisively influence the dynamic behavior. Examples of these parameters are i.a. Masses, spring stiffnesses, electrical resistances, etc.
  • a big challenge in the development and creation of mathematical models lies in the comparison of these models with numerical data in order to check and improve the correspondence with real systems or other mathematical models.
  • Previous strategies used to limit the causes of deviations, in particular numerical deviations, are based primarily on logical plausibility checks, also using prior knowledge and experience, or on suitable transformations of the signals in order to emphasize certain, in particular dynamic properties of the systems more clearly.
  • logical reasoning uses limits that are defined for physical parameters, or special signals that are used for verification and that do not affect some dynamic effects, thereby limiting deviations.
  • Suitable transformations for the confinement of errors are, for example, Fourier transformations with which frequency-dependent effects can be investigated. NEN.
  • Other approaches, for example, from statistics, are also known, but also offer no comprehensive and practical solution.
  • complex model simplifications are often carried out to limit errors.
  • a classical control technique for identifying in particular a linear physical system distinguishes between the identification of the system order and the system parameters.
  • an order identification is first made to detect the order of the system. If the system order is known, a generally valid linear system description can be used, of which only the parameters have to be identified.
  • the present invention is therefore based on the object to address at least one of the above problems.
  • a solution should be proposed that can more systematically identify or recognize a structure.
  • a corruption of the structure identification should be minimized by the influence of concrete parameters.
  • At least an alternative solution should be proposed.
  • a method according to claim 1 for testing or identifying a model structure of a system to be examined is proposed.
  • a system namely a physical system
  • the description of a dynamic process, such as a growth process is also considered as a system.
  • subsystems such as a brake system or a spring damping system of a vehicle can form the system to be examined.
  • the method thus also includes a method for checking or identifying a model structure of a machine, an actuator, a vehicle or even a chemical reactor.
  • Such a system is based on a structure which, in particular assuming simplifications, forms a model structure.
  • This model structure should be found, ie identified and / or tested. If, therefore, a model structure is used, which emerged, for example, from a system engineering point of view, this model structure can be checked with the proposed method to determine whether it adequately describes the system.
  • the model structure can either be a mathematical model or, linked to it, a description model, or the mathematical model is another description of the description model.
  • a parameter system having a parameter is set up to describe the system to be examined or a part thereof.
  • This system of equations may be based on a description model as a model of the system which has been initially assumed and / or the system of equations may be based on a description model structure as an assumed model structure of the system.
  • a description model is assumed which is assigned to the system and is therefore based on this system of equations.
  • the method can also be used if this description model is, for example, incomplete or inaccurate with regard to a parameter, as long as the underlying initial description model structure is based on it.
  • test model describes at least one model output signal as a function of one or more model input signals.
  • the fact that this test model describes the system is to be understood in a mathematical sense, namely that the test model can reproduce the dynamics and behavior of the system.
  • this test model describes at least one model output signal as a function of one or more model input signals, the at least one model input signal and / or the at least one model output signal not each at least one input signal of the system or a Output signal of the system must correspond.
  • the test model thus created is then excited with at least one model input signal.
  • at least one model input signal can take place, in particular, in a simulator in which the test model is stored as a simulation model and, if appropriate, the equation system can also be used directly in a computer and subjected to corresponding signals, ie the at least one model input signal.
  • test model may also be excited with both at least one model input and model output of a description model or a mathematical model.
  • At least one model output signal of the test model is recorded, namely as a result of the described excitation of the test model.
  • the at least one model output signal is compared with at least one corresponding system signal.
  • a system output signal may form the model input signal and the model output signal may correspond to the system input signal, checking how far the model output matches the system input signal. Conveniently, this example could be such that the system is excited with its system input signal and results in a system output signal.
  • the system output signal is then input to the test model and the model output signal is detected and, as stated, compared to the system input signal.
  • model signals are related to the system signals is essentially also determined by the transformation of the system of equations into a parameterless or at least parameter-reduced system, and the mode of deformation will be described in more detail below.
  • the evaluation of the comparison is based on a quality criterion. Depending on this criterion, the next step is then carried out.
  • the quality The criterion may, for example, be the amount of a deviation, or it may be, for example, a summary, possibly weighted, of several deviations.
  • stimulating the test model is on a computer, analog computer or similar. Device performed.
  • the model output signal is also preferably recorded with a computer, in particular with the same computer, which also performs the stimulation of the test model.
  • the comparison of the at least one model output signal and / or the calculation of the quality function is carried out on a computer or similar device comprising a microprocessor or similar computing unit. If the detection of at least one system output signal takes place as a reaction of the system to at least one system input signal stimulating the system with the aid of a simulation model, these variables or signals or a part of these signals, that is to say created by means of a simulation, then also preferably takes place by means of a computer o. ä. Computing device. It is also advantageous that corresponding input variables, output variables and intermediate variables in a computing unit, such as the aforementioned computer or the like. Overall device available and can be exchanged between individual process steps. The implementation of the method is correspondingly efficiently feasible.
  • a quality function is calculated as a function of at least one model signal and one system signal.
  • a model output signal and a system output signal can be used as the basis and a quality function can be calculated from the relationship of these signals to one another.
  • This relationship may be a direct comparison, but other relationships may also be considered.
  • a comparison of derivatives and / or integrations of the signals or of a number of signals may be mentioned, weightings also being able to be used.
  • the time derivative of a system signal can be compared with a model signal.
  • a comparison can in principle also be made by subtraction. A difference between two signals can then be evaluated absolutely, e.g. after the largest difference, or a sum of squares over several values can be formed and evaluated, just to name a few examples.
  • Another possibility according to this invention is to input all test model input and test model output signals into the test model and then to analyze the agreement of the signals with the test model.
  • investigations of the solubility of the equation systems which, for example, are advantageous. can also be represented in matrix form.
  • the model output signal of the test model could directly output a quality criterion.
  • the description model or the description model structure is accepted as an identified model or identified structure. If the predetermined criterion is not met, a modified system of equations is set up on which a modified description model or a modified description model structure is based. Instead of the description model, the mathematical model can also be used directly.
  • the predetermined criterion may be, for example, an absolute value that may not exceed the magnitude of the difference between the model output signal and the system signal.
  • the quality criterion may also be used for other signals, e.g. Deviations from internal state variables, be designed and applied to it. Thus, if this value remains below this threshold value in absolute value, the initially written description model or the initially set description model structure is used as the identified model. If this amount exceeds the limit, the steps are repeated with the system of equations changed.
  • the criterion may be a percentage value by which the model signal may deviate from the system signal in the comparison.
  • a quality criterion or predetermined criterion it is possible to form the sum of the squares of all deviations and to set a limit value for them.
  • the transformation of the system of equations into a parameterless test model is as important as possible, and this transformation of the system of equations can accordingly also lead to a transformed system of equations or at least one reshaped equation.
  • a parameter-reduced system no longer contains the parameters and thus can no longer completely reproduce the system in its quantity, ie its parameter-determined properties, but it can qualitatively describe the behavior of the system.
  • the parameters need not be completely known or, in the optimal case, not at all known.
  • Equation 1 Substituting Equation 1 into Equation 2 so that the parameter m disappears:
  • the resulting differential equations can then be applied to some input and output variables of the system and their derivatives, wherein one or some of the remaining input and output variables and their departments are compared with the output system, as explained in more detail below in connection with FIG.
  • the deviation will be exactly zero in the ideal case. In reality, however, slight deviations due to measurement noise, a limited resolution of the sensors, necessary filtering of the system and modeling assumptions are to be expected. These deviations must be appropriately assessed and quantified to verify compliance.
  • the proposal according to the invention thus achieves, in particular, that a review of the structure of models, in particular of mathematical models describing physical systems, is independent of numerical or physical Parameters, although these parameters are present in the underlying physical system.
  • the solution presented here can be used to find out the inner structure of dynamic systems independently of numerical parameters. This makes it possible, for example iteratively, to close the internal structure of a system.
  • At least one system output signal x (t) is detected as a response of the system to at least one system input signal F (t) exciting the system.
  • the at least one model input signal of the description model or of the mathematical model is then determined from the at least one system input signal F (t) with which the system was excited and / or from the at least one detected system output signal x (t).
  • this system input signal F (t) is one that actually excites the system.
  • the at least one detected system output signal x (t) is one resulting from this excitation. This can also include internal resulting state variables, insofar as they can be detected.
  • Each system input signal F (t) and each system output signal x (t) each form a system signal.
  • a system signal is thus the generic term for all signals of the system.
  • the system output signal x (t) and also the system input signal F (t) can also be taken into account by a simulation.
  • a complex simulation model with known tools can be set up, which describes the system with very good accuracy, but can not be used for some applications, in particular a later regulatory consideration. This may be due, for example, to the fact that the simulation tool, in particular a special software, can not be integrated into other systems. It may also be because the simulation of this complex, precise model is too slow and can not be done in real time.
  • the simulation model can also be used poorly if, for example, analytical descriptions of the dynamics are needed for a later controller design.
  • such a simulation model can be used for checking or identifying the model structure of the description model or of the mathematical model.
  • the simulation model can be excited with it and the simulation model can then output the at least one system output signal x (t). Based on these signals, the at least one model input signal can then be determined. It needs
  • the system input signal F (t) may not necessarily be transmitted from the system input or the simulation model input to the test model input but, if present as a clearly defined signal, may also be redetermined there to determine the model input signal.
  • the system signal when comparing the at least one model output signal of the test model with at least one corresponding system signal, the system signal is a measured, a predetermined and / or an expected signal.
  • the system signal is the system input signal, or can be easily derived analytically from the signal input signal, the measured system signal need not be used here.
  • a measured signal is used or alternatively a result of a complex simulation model, this can be used directly or the system signal to be compared can still be subjected to a further calculation step in order to obtain from it, for example, another expected signal.
  • the position of a point of the wheel can be uniquely determined by integration of this speed, as far as the initial values are known or zero, and vice versa, for example, when detecting the position, the speed can be determined uniquely.
  • This integrative or differential relationship is clear and thus independent of further details, in particular further parameters of the system under investigation.
  • a model output signal of the test model is thus a measure of the structural conformity of the test model and thus of the description model with the system. Accordingly, according to one embodiment, it is proposed that the model input signals comprise at least one system signal derived at least once in a time.
  • At least one non-linear model description is integrated or incorporated when setting up the equation system, and / or that when setting up the changed equation system at least one non-linear model description is exchanged for another, in particular integrating, incorporating or exchanging a non-linear model description is taken from a model collection comprising several non-linear model descriptions.
  • a non-linear model description is a clipping or saturation function.
  • This exemplary saturation function is frequently encountered in technical processes and can be described by an input / output characteristic which, in the normalized case, has a straight line with the slope 1 in the range from -1 to +1 on the abscissa, ie the points (-1 ; -1) and (1; 1) connects. For input values less than -1 it has a constant value of -1 and for input values greater than 1 it has a constant output value of 1.
  • Such a function is non-linear because its input / output behavior depends on the amplitude of the input signal.
  • the normalized saturation function in which the person skilled in the art assumes the term saturation function anyway from a normalization to 1, could be exchanged for a tangent hyperbolic function (tanh).
  • a hyperbolic tangent function like the saturation function, has a limit of -1 and +1, respectively, and has a slope of 1 in the origin, where the slope can be adjusted with appropriate parameters and extensions of the function.
  • the transitions are without kinks and thus continuously differentiable.
  • the hyperbolic tangent function is strictly monotonically increasing.
  • the hyperbolic tangent function can be transformed into a polynomial form and can be examined by the proposed method.
  • a saturation function with hysteresis can be used, as is known from the hysteresis curve for a magnet, namely the course of the magnetic induction or magnetic flux density B as a function of the magnetic field strength H.
  • different functions can also be used here Hysteresefunktionen come as a non-linear model description or non-linear partial model description into consideration.
  • All of these non-linear functions exemplified may describe the underlying system more or less well, and the proposed method provides a way to test or qualify their suitability in the overall system description.
  • the above-described evaluations of this comparison result for checking with a predetermined criterion can be used analogously for the evaluation.
  • a criterion for the suitability of a model description can be generated directly.
  • a model collection comprising several non-linear model descriptions is used.
  • Nonlinear model descriptions including their mathematical description may be included here.
  • a model collection which can also be referred to as a model pool, is constructed successively by including each new non-linear model description in this model collection or model pool.
  • a classification of the collected nonlinear model descriptions in the model collection or the model pool is preferably carried out.
  • categories or classifications can be assigned to these non-linear model descriptions.
  • the above three examples of the saturation function, hyperbolic tangent function and hysteresis function can be included in the model description and possibly all labeled under the classification saturation.
  • the system is subdivided as an overall system into several subsystems, each subsystem is identified individually as a physical system, and then an identified overall system is assembled from the subsystems thus identified.
  • an example of such a division for example, be a technical system with actuator.
  • the actuator may be one subsystem and the system on which the actuator acts may be another subsystem.
  • a vehicle with brake can be subdivided into the actuator which activates the brake, for example the brake shoes, including the resulting movement of the brake shoes, and wherein the vehicle can be a further subsystem, in particular with regard to the resulting braking effect.
  • These two subsystems can also be considered separately.
  • a braking operation can be examined by the input signal of the brake, so basically taken the brake command as the input of the first subsystem and the movement of the brake shoes as the output of this subsystem and used accordingly.
  • the movement of the brake shoes can then simultaneously form the input signal for the second subsystem and the resulting braking effect, so in particular the resulting deceleration of the vehicle can be used as an output signal of the second subsystem, to name only a simplified, plastic example.
  • the subdivision of the overall system is such that at least one input signal is selected so that it only partially excites the entire system, and / or at least one output signal is selected such that it is only affected by the excited subsystem and / or that part of a System behavior is computationally eliminated.
  • Such partial stimulation may also regularly mean that the system is specifically stimulated for experimental purposes.
  • Such an excitation may be one which would not or would not be made in the proper operation of the system.
  • a partial excitation ie the excitation of only a part of the overall system, can in particular also take place in the case of a multi-variable system, that is to say in the case of a system which has several input variables and / or several output variables.
  • a calculation of a part can be done for the said example system so that the second subsystem is further subdivided or reduced in its system behavior, for example by a braking distance is measured as the output, if the vehicle for this was of course not measured at a standstill, from the mathematically unique can be calculated back to the resulting speed and also clearly to the resulting acceleration. Accordingly, this second subsystem could be reduced by two system orders, which would greatly simplify the transformation into a parameterless or parameter-reduced system. According to one embodiment, it is proposed that a polynomial description is used as a non-linear model description and / or that a nonlinear model description is converted into a polynomial description.
  • a polynomial description ie in particular to describe a nonlinear function by a polynomial or a quotient of two polynomials. If there is another one for the desired nonlinear model description, it may be proposed to convert this into a polynomial description.
  • a nonlinear behavior namely in particular a nonlinear function
  • a fairly good polynomial description can often be given, which can certainly be sufficient in a relevant area.
  • polynomial description is then particularly advantageous for the transformation of the equation system into a parameter-free or parameter-reduced test model.
  • polynomial differential equations it is also possible, for example, to describe very strongly nonlinear functions, such as the presented tanh function, without drastically increasing the order,
  • At least one system output x (t) is detected in response to the system responding to at least one system input signal F (t) by exciting the system with the system input signal and measuring at least one system output signal and / or using a simulation model describing the system the system input signal is excited and the at least one system output signal is received as an output signal of the simulation model.
  • system input signal and system output signal be obtained either by operating and measuring the system, or by using a corresponding simulation model.
  • an at least once continuously differentiable signal is preferably used and / or a filtered non-continuously differentiable signal, for example a noise signal, is used.
  • This selection of the system signal to excite the system takes into account that when forming the equation system into a parameterless or parameter-reduced system often one or more derivatives occur and also derived system signals are used to stimulate the test model as model input signals. In that regard, it is advantageous to already tune the excitation signal to such requirements.
  • a preferred embodiment proposes that, when setting up the system of equations, a subsystem, in particular a known subsystem of the system, is taken into account as a substitution submodel by a submodel deviating from the subsystem.
  • a deviating submodel for a subsystem is deliberately used in order to be able to draw conclusions as to whether a system change can make sense.
  • a passive component in a system when setting up the equation system can be considered as an active component or vice versa.
  • the idea is based on the fact that the proposed method as far as possible parameter-independent testing can be made.
  • the proposal of the transformation into the parameterless test model thus eliminates parameter-related influences.
  • the result of the examination thus does not depend or at least less on parameters.
  • passive components can increasingly be replaced by active components whose characteristics can be dynamically adapted during operation.
  • the methodology presented here it is already possible in the development process to clearly predict whether an active component can in principle possess the same properties of a passive component.
  • the methodology presented here is capable of taking into account nonlinearities such as manipulated variable constraints. Numerical limit values can be integrated into the overall system without parameters and can thus be taken into account. It is favorable in this case if, when setting up the changed equation system, the substitution submodel is replaced by a modified substitution submodel. This makes it possible to search specifically for a suitable substitution model.
  • the method is characterized in that, in addition to the system of equations of the mathematical model, a different reference equation system is set up, wherein the reference equation system differs from the equation system in that it has a different substitution submodel for a submodel of the equation system, wherein the equation system and the reference equation system are respectively transformed into a parameter-free or parameter-reduced test system or reference test model describing at least one model output signal as a function of one or more model input signals, and wherein the at least one model output signal is compared with at least one corresponding system signal, that the test model and the
  • Referenzprüfmodell be excited with at least one same signal and at least in each case a model output signal corresponding outputs of the test model and the Referenzprüfmodells be compared with each other.
  • the system input and system output signals or model input and model output signals of the description model or the mathematical model may represent the model input signals of the test model and the model output signal may provide a quality criterion.
  • this proposal deliberately compares two systems of equations that are almost identical, which differ in that one has a substitution sub-model instead of a corresponding sub-model. It is then possible to observe and assess the influence of the substitution submodel as a substitute for the actual submodel by directly comparing both equation systems.
  • the method is performed by a computer program product when executed on a computer system or the like.
  • the invention includes a computer program product having computer implementable instructions, and which is constructed and / or arranged after being loaded and executed in a computer system or the like. Regelein- direction to carry out the steps of the method according to the invention.
  • the computer program product-loaded and executed on a computer system serveses to test or identify a model structure of a system to be examined.
  • the computer program product is for testing or identifying a model structure of a machine, an actuator, a vehicle or even a chemical reactor with a computer system or similar control device.
  • test model describing the system is to be understood in particular as a model in the mathematical sense, namely a description of the system. Accordingly, such a description in the mathematical sense on a computer system by means of a corresponding computer program product, ie corresponding software, can be implemented.
  • the result of the test leads to an identification or at least an evaluation of the description model. Insofar as this has been identified, this also means that it has been verified as correct.
  • Fig. 1 shows a classical observer structure for observing a system including the possibility of error evaluation of the quality of the system model used.
  • Fig. 2 shows schematically and by way of example the evaluation of a system model according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 symbolically shows the creation and validation of simulation models according to the prior art.
  • FIG 4 shows symbolically the creation and validation of simulation models according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 6 illustrates the nature and problems of selecting modeling approaches according to the prior art.
  • Figure 7 illustrates the selection of modeling approaches including the problems of the prior art.
  • Fig. 8 illustrates the selection of modeling approaches according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows schematically and by way of example the evaluation of a system model according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 10 illustrates an observer structure with a test model according to an embodiment of the invention.
  • an observer 2 is connected in parallel with a model of the system.
  • the system 1 and the observer 2 receive the same system input signal F (t).
  • the system 1 outputs the system output signal x (t).
  • the observer 2 and hence the contained system model also outputs an output signal x (f), which is ideally identical to the system output signal x (t).
  • this ideal case can not be assumed and a difference between the system output signal x (t) and the model output signal x (f) in the summation point 4 is formed. The result of this difference is called observation error x (f).
  • This observation error is fed back into the observer 2 and, depending on the observation error, the system model is adapted with regard to its states, namely such that the observation error x (f) is minimized as far as possible.
  • This adjustment actually serves to compensate for unknown initial states of the system model. Insofar as a remaining observation error still remains, it must be due to a faulty system model, which can be evaluated in the error evaluation block 6.
  • the system model contained in the observer 2 must be defined in terms of structure and parameters so that it can be connected in parallel to the system 1 as shown in FIG. Both wrong parameters and wrong structures of the system model lead to a model output x (f) that deviates from the system output x (t). The extent to which a deviation is due to parameters or structures of the system model is difficult or impossible to verify. According to a further embodiment, a structure according to FIG. 2 is proposed. By way of illustration, a concrete example is shown here, to which the above-mentioned equations 1 to 3 are assigned.
  • Equation 3 for this example, namely by:
  • This test model 10 thus also contains information about the structure of the description model, but without parameters.
  • This transformation into the parameterless form which the test model 10 displays in the block 10 information about the structure of the description model has thus been preserved, whereas the parameters and thus the parameter influences have been eliminated.
  • the inputs and the output of the test model 10 differ.
  • one or more input signals and one or more output signals of the test model 10 can be present. These depend on the input and output of the dynamic system 1, which could also have multiple inputs and / or multiple outputs.
  • the signal quantities which are to be taken from the transformed equation system or the transformed equation are required, namely The second and third derivatives of the system output signal and the first derivative of the system input signal are input variables of the test model 10.
  • These quantities are generated by the differentiation block 12 from the system input signal F (t) and the system output signal x (t) and then presented to the test model as a model. entered input signals.
  • a Differentiationsblocks 12 also comes, depending on the system or depending on the underlying description model another calculation block into consideration.
  • this system output signal x (t) may be included and taken into account.
  • the test model 10 then outputs the system input signal or a signal corresponding to this system input signal F (t) in the example shown, namely as a model output signal.
  • This model output is then compared to the system input signal in the comparison block 16 and the resulting error is evaluated.
  • the underlying structure of the description model is included in the evaluation. Parameters are not included and therefore can not affect the error evaluation in the comparison block 16.
  • FIG. 3 illustrates one way of creating and validating simulation models according to the prior art.
  • a common excitation signal 20 is generated and then acts both on the system to be examined 1, which may also be a test stand, and the excitation signal 20 acts on the simulation model 22.
  • the simulation model 22 includes both system parameters 24 and system equations or at least one system equation 26th
  • the system parameters can be obtained, for example, from data sheets of the system 1 to be examined or by numerical identification. In any case, inaccurate and / or idealized numerical values and scattering are to be expected. The resulting errors or the resulting fundamental error is thus a parameter error.
  • the simulation model 22 operated and created in this way then outputs a simulated system response 28. This is compared with the measured system response 30, which was measured as the output signal of the system 1. The result 32 of the comparison is shown symbolically as a superimposition of the simulated system response 28 with the measured system response 30. This results in deviations in reality, which can go back both to errors in numerical values of the parameters and thus to parameter errors, as well as to errors in the structure of the simulation model, namely structural errors.
  • FIG. 4 shows the creation and validation of simulation models according to an embodiment of the invention.
  • description models and / or mathematical models can also be created and validated.
  • the system 1 is excited by an excitation signal 20, resulting in a measured system response 30, wherein the excitation signal 20 and correspondingly also the measured system response to those of FIG. 3 may differ.
  • System equations 26 of the system are also used, which could have an insufficient or incorrect structure as a problem of these equations.
  • test model 10 can correspond to the test model 10 according to FIG. 2.
  • the test model 10 is accordingly essentially dependent on the underlying system.
  • the test model 10 or the underlying description contained therein can also be referred to as a structural system equation or structural system equations, which leads to a decoupling of numerical parameters.
  • Both the excitation signal 20 and the measured system response 30 flow into this test model 10.
  • the resulting output model signal of the test model 10, referred to herein as the model output signal 34 is then fed to an error criterion block 36.
  • the result is fed to the evaluation block 38.
  • the evaluation block 38 a qualitative and quantitative assessment can be made. To simplify matters, the evaluation block 38 distinguishes between two possibilities, namely the possibility 38A that the system equations 26 are correct, the error criterion is therefore satisfied, any deviations are therefore small, or the possibility 38B that the system equations are wrong, the error criterion was not fulfilled.
  • FIG. 5 is intended to illustrate the underlying problem by way of example with reference to a concrete example, namely a shock absorber.
  • Fig. 5 shows symbolically such a shock absorber 50, which has a resilient element 52 and a damping element 54, via which the symbolically illustrated wheel 56 is fixed to the vehicle 58.
  • This shock absorber is to be mapped in a simulation. If possible, a best compromise between accuracy and complexity of the model should be found.
  • model approach A namely model approach A and model approach B are shown. It is therefore based on a model A or model B, which thus each form a description model A and B respectively.
  • a modeling approach should be selected and the answer to this question is which model is most appropriate.
  • Both model approaches show a characteristic of the shock absorber, namely the damping force as a function of the speed, whereby both model approaches assume a functional relationship, which is nonlinear in both cases.
  • Model A is probably a good but not perfect representation of the measured results. Model A also uses a few parameters and should be easy to parameterize.
  • the model approach B is probably a better representation of the measured results, but has many parameters and is highly nonlinear, namely stronger than the model approach A.
  • the model approach B should therefore be difficult to parameterize.
  • model approach A is illustrated in FIG. Accordingly, a system equation or the system equations 26 is set up for this model approach A or corresponding to the model A and parameterized with system parameters 24, which can be done for example by data sheets or numerical identification. Accordingly, these parameters are assigned to the system equations, so that the system equations are then parameterized and can be tested.
  • system equations include the simple model approach A. This is excited with the excitation signal 20 and the resulting simulation result is compared with a corresponding measurement in the comparison 32. As a result, deviations between measurement and simulation should be present, as indicated by the result block 40.
  • This simple model A is in particular that parameterization of the model by data sheets, numerical system identification and / or numerical optimization of the parameters can often be carried out in a simple manner.
  • This model is relatively simple, has low non-linearities and no redundant parameters.
  • the result block 40 illustrates that deviations are present, however.
  • FIG. 7 There is also a system equation 26 or system equations 26 set up or select and parameterize by means of the system parameters 24, which can be done by data sheets or numerical identification or optimization of the parameters.
  • the system equation 26 and the system parameters 24 will, however, assume different values here than in FIG. 6, and to clarify the relationships, the same reference numerals have nevertheless been selected here.
  • FIG. 8 shows two test models 10 which are different from one another but have the same reference number to illustrate their functional similarity. Both test models 10 have structural system equations in which a decoupling of numerical parameters has taken place.
  • Measurement signals of the real system namely an excitation signal 20 and the measured system response 30 are used to check the structural system equations of the two test models 10.
  • this excitation signal 20 and the measured system response 30 may be included in the test model 10 in a manner as illustrated in FIG. 2, based on other system equations.
  • FIG. 8 illustrates that the excitation signal 20 and the measured system response 30 are included in the error criterion 36.
  • the illustration of FIG. 8 is shown in simplified form and is merely intended to express that the excitation signal 20 and the measured system response 30 are included in order to check both test models 10 and the subsequent evaluation via the error criterion 36.
  • the result block 42 should make it clear that a clear, fast decision as to which modeling approach should be pursued can be brought about.
  • the parameterless examination and the underlying criterion in the error criterion block 36 makes such a decision possible, at least favors it.
  • the approach used here namely in the evaluation by means of error criteria can be considered better in the error criteria block 36, as far as the uncertainty that the better result may be due to a better parameterization, is not given.
  • such a parameter-free examination also makes it possible, or at least better, to base it on an absolute error criterion.
  • Fig. 9 shows a further embodiment of the invention.
  • the illustration corresponds to FIG. 2, to which reference is hereby made and where the same reference numerals are used to illustrate the similarities.
  • another test model 10 is based on outputting a quality function or a quality signal G instead of a model output signal which corresponds to a system signal.
  • the signal F (t) now enters the test model 10 as a further input variable and can be used to calculate the quality signal.
  • the quality signal may be a single size or a time function and / or a multivariate signal.
  • the quality signal which can also be referred to as a quality function, is already the result of an evaluation or preliminary evaluation in the test model 10.
  • the quality signal G is then input to the block 16 for final evaluation.
  • the block 16 can form a comparison block 16, in which the quality signal is compared with a comparison value, or another evaluation can be carried out in the block 16.
  • FIG. 10 essentially corresponds to the structure of FIG. 1, but the observer 2 has another functionality, namely an integrated test model.
  • the test model can serve to validate the model underlying the observer. It can be shown that in the parameterless description of this exemplary system, the parameter m can be transformed into the initial values of the system. For a faultless description of the structure of the system, the observer error would therefore have to disappear, since the unknown initial values are compensated.
  • An embodiment of this invention can thereby verify the model structure with the aid of observers. Thus, a verification of the structure used in the observer is possible, even if the observer thereby has parameter errors.
  • simulation models according to the state of the art have a high degree of complexity due, inter alia, to the required quality of results, the breadth of use as models and the available computing power. Nevertheless, in many areas of application, such as real-time simulation, control engineering, system monitoring, etc., reduced models are necessary. For linear systems very good methods for model reduction are available, for nonlinear systems only a few approaches are known.
  • the necessary structure of the mathematical models can be reduced to a minimum by adding and / or removing successive elements. It then checks whether the structure can continue to fulfill measurement or simulation data. In addition, the evaluation of the sensitivity of individual elements and thus the control of deviations is possible. Since element sensitivity is evaluated on the basis of the model structure only, decoupled from the parameter set, it does not require complex parameter set optimization, which causes additional numerical problems. The model reduction becomes much more efficient.
  • the dynamics of complex systems can often be approximated by simplified substitute modes, for example in the form of phenomenological models.
  • the review of the chosen system structure is difficult.
  • the free parameters of the system are optimized after determining the system structure with numerical methods. Subsequently, the comparison is made with measured data or with simulation data of other models of the same system. In numerical optimization often insufficient results are achieved.
  • the cause may be that the global minimum for the parameter set to be optimized, for example due to a high number of local minima, can not be identified.
  • the chosen model structure can not fully satisfy the numerical data at all.
  • the presented method can be used to check whether a selected model structure can fulfill numerical data and thus whether it is possible to find free parameters for the system with which the numerical data can be fulfilled in principle. This provides a way to review modeling approaches. Especially in the development of safety-relevant algorithms and circuits or in components with very high numbers, such as microprocessors, today (formal) verification procedures are used. This clearly indicates whether algorithms and circuits have the desired behavior in every possible operating state.
  • the method presented here is also suitable for checking, independent of parameters, whether an algorithm, a circuit or a dynamic system can always have the desired behavior.
  • the proposed methods also provides the possibility of checking the substitutability of passive by active components, such as elastomeric bearings, by means of appropriately controlled actuators, to name but one example.
  • active components such as elastomeric bearings
  • appropriately controlled actuators to name but one example.
  • this application of the proposed method is to be expected in a considerable efficiency gain in technical development, since the suitability of technical systems, namely already at the idea stage, to achieve a desired input / output behavior can be checked very quickly in advance.

Abstract

The invention relates to a computer-aided method for verifying or identifying a model structure of a system to be tested (1), involving the steps of: creating a system of equations (26), which has at least one parameter, for describing the system (1) to be tested or a part thereof, wherein a description model underlies the system of equations (26) as an assumed model of the system (1) and/or a description model structure underlies the system of equations as an assumed model structure of the system (1); restructuring the system of equations (26) into a test model (10), which has no or reduced parameters, which qualitatively describes the system and which describes at least one model output signal on the basis of one or a plurality of model input signals; stimulating the test model (10) with at least one model input signal; capturing at least one model output signal of the test model (10); comparing (32) the at least one model output signal of the test model with at least one corresponding system signal; and/or calculating a quality function on the basis of the at least one model signal and of a system signal; selecting the description model or the selected description model structure as an identified model or as an identified structure of the system (1) if a pre-defined criterion was satisfied during the comparison or by the quality function; or creating a modified system of equations (26), which a modified description model and/or a modified description mode structure underlie; and repeating the method steps if the pre-defined criterion was not satisfied during the comparison (32) or by the quality function; and/or assigning the result of the comparison (32) to the description model as an evaluation of the description model.

Description

Verfahren zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur  Method for checking or identifying a model structure
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur eines zu untersuchenden Systems. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines Verfahrens zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur. Mathematische Modelle dynamischer Systeme werden in unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise zur Simulation realer System oder für insbesondere modellbasierte Steue- rungs- und Regelungs- sowie Überwachungssysteme eingesetzt. Diese mathematischen Modelle bestehen aus zwei grundlegenden Komponenten. Die erste Komponente stellt die Struktur des mathematischen Modelles, in Form einer meist symbolischen Beschrei- bung, dar. Die zweite Komponente liegt in Form numerischer Parameter vor, die meist physikalisch motiviert sind und das dynamische Verhalten entscheidend beeinflussen. Beispiele für diese Parameter sind u.a. Massen, Federsteifigkeiten, elektrische Widerstände etc. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung und Erstellung mathematischer Modelle liegt im Abgleich dieser Modelle mit numerischen Daten, um die Überein- Stimmung mit realen Systemen oder weiteren mathematischen Modellen zu überprüfen und zu verbessern. The present invention relates to a method for checking or identifying a model structure of a system to be examined. Furthermore, the present invention relates to a computer program product for carrying out a method for checking or identifying a model structure. Mathematical models of dynamic systems are used in different areas, for example for simulating real systems or, in particular, for model-based control and monitoring systems. These mathematical models consist of two basic components. The first component represents the structure of the mathematical model, in the form of a mostly symbolic description. The second component is in the form of numerical parameters, which are mostly physically motivated and decisively influence the dynamic behavior. Examples of these parameters are i.a. Masses, spring stiffnesses, electrical resistances, etc. A big challenge in the development and creation of mathematical models lies in the comparison of these models with numerical data in order to check and improve the correspondence with real systems or other mathematical models.
Ergeben sich bei der Überprüfung der Übereinstimmung Abweichungen, so ist die Zuordnung der Abweichungen zu einer fehlerhaften analytischen Beschreibung der Struktur einerseits oder zu einem fehlerhaften Parametersatz andererseits oft nicht eindeutig möglich. If deviations occur during the checking of the agreement, the assignment of the deviations to a faulty analytical description of the structure on the one hand or to a faulty parameter set on the other hand is often not clearly possible.
Bisherige Strategien, die zur Eingrenzung der Ursachen von Abweichungen, insbesondere numerischen Abweichungen eingesetzt werden, basieren hauptsächlich auf logischen Plausibilisierungen, auch unter Verwendung von Vor- und Erfahrungswissen oder auf geeigneten Transformationen der Signale, um bestimmte, insbesondere dynamische Eigenschaften der Systeme deutlicher hervorzuheben. Die logische Plausibilisierung verwendet beispielsweise Grenzwerte, die für physikalische Parameter definiert werden oder spezielle Signale die für die Überprüfung eingesetzt werden und die einige dynamische Effekte nicht beeinflussen und damit eine Eingrenzung von Abweichungen ermöglichen. Geeignete Transformationen für die Eingrenzung von Fehlern sind beispielsweise Fouriertransformationen, mit denen frequenzabhängige Effekte untersucht werden kön- nen. Weitere Ansätze, bspw. aus der Statistik, sind ebenfalls bekannt, bieten aber auch keine umfassende und praxisnahe Lösung. Darüber hinaus werden oft aufwendige Modellvereinfachungen zur Fehlereingrenzung durchgeführt. Previous strategies used to limit the causes of deviations, in particular numerical deviations, are based primarily on logical plausibility checks, also using prior knowledge and experience, or on suitable transformations of the signals in order to emphasize certain, in particular dynamic properties of the systems more clearly. For example, logical reasoning uses limits that are defined for physical parameters, or special signals that are used for verification and that do not affect some dynamic effects, thereby limiting deviations. Suitable transformations for the confinement of errors are, for example, Fourier transformations with which frequency-dependent effects can be investigated. NEN. Other approaches, for example, from statistics, are also known, but also offer no comprehensive and practical solution. In addition, complex model simplifications are often carried out to limit errors.
Zusätzlich sind Methoden zur Identifikation von Parametern, beispielsweise durch nume- rische Optimierungsverfahren bekannt, die die Parameter anpassen, um ein zuvor definiertes Fehlerkriterium, und damit die Abweichungen, zu minimieren. Eine Identifikation setzt allerdings voraus, dass die Struktur des mathematischen Modells prinzipiell die Messdaten repräsentieren kann. Ist dies mit dem mathematischen Modell nicht möglich, so kann der Fehler nach der Identifikation zwar kleiner werden, jedoch nicht völlig ver- schwinden, wodurch zwangsläufig Abweichungen verbleiben. Die Optimierung wird typischerweise für ausgewählte Input-Output-Messungen durchgeführt. Der optimierte Parametersatz liefert mit dem verwendeten Modell für diese Messungen ein optimales Ergebnis auch bei Abweichungen in der Modellstruktur. Eine Allgemeingültigkeit dieses Modells, bestehend aus Struktur und Parametersatz, ist damit jedoch nicht notwendiger- weise gewährleistet. In addition, methods are known for identifying parameters, for example by numerical optimization methods, which adapt the parameters in order to minimize a previously defined error criterion, and thus the deviations. However, an identification presupposes that the structure of the mathematical model can in principle represent the measurement data. If this is not possible with the mathematical model, the error after the identification can indeed be smaller, but not completely disappear, whereby deviations inevitably remain. The optimization is typically done for selected input-output measurements. With the model used, the optimized parameter set provides an optimal result even for deviations in the model structure. However, a general validity of this model, consisting of structure and parameter set, is thus not necessarily guaranteed.
Ein klassisches regelungstechnisches Verfahren zum Identifizieren insbesondere eines linearen physikalischen Systems unterscheidet zwischen der Identifikation der Systemordnung und der Systemparameter. Hierbei wird zunächst eine Ordnungsidentifikation vorgenommen, um die Ordnung des Systems zu erfassen. Ist die Systemordnung be- kannt, kann eine allgemein gültige lineare Systembeschreibung verwendet werden, von der nur noch die Parameter zu identifizieren sind. A classical control technique for identifying in particular a linear physical system distinguishes between the identification of the system order and the system parameters. Here, an order identification is first made to detect the order of the system. If the system order is known, a generally valid linear system description can be used, of which only the parameters have to be identified.
In der Realität gibt es aber praktisch keine linearen Systeme. Ein solcher linearer Systemansatz wird dennoch häufig verwendet, da die lineare Systemtheorie umfassend entwickelt ist und damit, zumindest in Arbeitsbereichen, Approximationen möglich sind. Die erfasste Systemordnung ist dann regelmäßig diejenige, bei der die nächstgrößere Systemordnung zu keiner signifikanten Verbesserung der Systembeschreibung führt. Mit anderen Worten wird die zugrunde gelegte Systemordnung so lange erhöht, bis sich durch die Systemordnung keine merkliche Verbesserung mehr erzielen lässt. Die verbleibenden Abweichungen dieses linearen Systems mit der gewählten oder identifizierten Ordnung werden dann so gut es geht durch eine entsprechende Parameterwahl berücksichtigt, bzw. es werden Parameter mittels Parameteridentifikation für das angenommene lineare Modell so identifiziert, dass dieses Modellverhalten, nämlich insbesondere Ein- gangs-Ausgangsverhalten dieses Modells, dem Eingangs-Ausgangsverhalten des zu identifizierenden Systems so gut wie möglich entspricht. Damit wird deutlich, dass im Falle einer fehlerhaften Strukturidentifikation versucht wird, diese durch die Parameter auszugleichen. Ein solches Modell arbeitet meist dann befriedigend, wenn auch die Anregung des Systems im Wesentlichen der Anregung entspricht, die bei der Identifikation zugrunde gelegt wurde. Wird die Anregung aber signifikant geändert, weil das System beispielsweise in einem anderen Arbeitsbereich als vorher betrieben wird, kann der Fehler gravierend sein. Möglicherweise wird auch dann ein gravierender Fehler bleiben, wenn die Parameteridentifikation für diesen neuen Arbeitsbereich wiederholt wird, die zugrunde gelegte vereinfachte lineare Systemordnung für den geänderten Arbeitsbereich aber keine ausreichende Gültigkeit mehr besitzt. Problematisch ist somit, dass die tatsächliche Modellstruktur nicht identifiziert werden konnte und dass zwischen Struktureinflüssen und Parametereinflüssen unzureichend differenziert wird. Problematisch ist insbesondere, dass das zu untersuchende System naturgemäß Parameter aufweist, die entsprechend auch die Ordnungsidentifikation beeinflussen. Wird anstatt eines linearen ein nichtlineares Modell zugrunde gelegt und die Parameter des Systems identifiziert, bzw. optimiert, stellt sich zusätzlich das Problem, dass, beim heutigen Stand der Technik, eine global optimale Parametrierung schwer zu finden ist. Die bisher bekannten Verfahren suchen bspw. in einer lokalen Umgebung um Startwerte nach möglichen Parametern. Globale Optimierverfahren benötigen meist unpraktikabel hohe Rechenzeiten um mehrere Lösungen zu testen und somit iterativ die Parameter zu verbessern. Es kann mit bestehenden Methoden, in diesem häufig auftretenden Fällen, nicht eindeutig nachgewiesen werden ob Parametereinflüsse oder Struktureinflüsse die Ursache von Abweichungen darstellen. Es lässt sich ebenfalls nicht eindeutig quantifizieren welche Modellstruktur und damit welcher Modellansatz prinzipiell die höchste Abbil- dungsgüte besitzt ohne mehrere Modelle auszuprobieren, wobei die vorher beschriebenen Probleme der nicht optimalen Parametrierbarkeit unvermeidlich auftauchen. In reality, there are virtually no linear systems. Nevertheless, such a linear system approach is often used because the linear system theory is well developed and thus, at least in working areas, approximations are possible. The recorded system order is then regularly the one in which the next largest system order does not lead to a significant improvement of the system description. In other words, the underlying system order is increased until it is no longer possible to improve significantly by the system order. The remaining deviations of this linear system with the selected or identified order are then taken into account as much as possible by a corresponding parameter selection, or parameters are identified by means of parameter identification for the assumed linear model such that this model behavior, namely in particular input-output behavior this model, the input-output behavior of the system to be identified as well as possible. This makes it clear that in the case of a faulty structure identification is attempted to compensate for these by the parameters. Such a model usually works satisfactorily, even if the excitation of the system essentially corresponds to the suggestion that was used in the identification. However, if the stimulus is changed significantly, for example because the system is operating in a different workspace than before, the error can be severe. It may also be a serious error, if the parameter identification is repeated for this new work area, but the underlying simplified linear system order for the changed work area no longer has sufficient validity. The problem is therefore that the actual model structure could not be identified and that there is insufficient differentiation between structural influences and parameter influences. In particular, it is problematic that the system to be examined naturally has parameters which also influence the order identification accordingly. If a nonlinear model is used instead of a linear one and the parameters of the system are identified or optimized, there is the additional problem that, in the current state of the art, globally optimal parameterization is difficult to find. The previously known methods search, for example, in a local environment for starting values for possible parameters. Global optimization methods usually require impractically high computation times to test several solutions and thus to iteratively improve the parameters. It can not be clearly demonstrated with existing methods, in these frequently occurring cases, whether parameter influences or structural influences are the cause of deviations. It is also not possible to clearly quantify which model structure and thus which model approach has the highest imaging quality in principle without trying out several models, whereby the previously described problems of non-optimal parameterizability inevitably arise.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die systematischer eine Struktur identifizieren oder erkennen kann. Insbesonde- re soll eine Verfälschung der Strukturidentifikation durch den Einfluss konkreter Parameter minimiert werden. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden. The present invention is therefore based on the object to address at least one of the above problems. In particular, a solution should be proposed that can more systematically identify or recognize a structure. In particular, a corruption of the structure identification should be minimized by the influence of concrete parameters. At least an alternative solution should be proposed.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur eines zu untersuchenden Systems vorgeschlagen. Ein solches System, nämlich physikalisches System kann beispielsweise eine Maschine, ein Aktua- tor, ein Fahrzeug oder auch ein Reaktor sein, in dem ein chemischer Prozess abläuft. Grundsätzlich kommt als System auch die Beschreibung eines dynamischen Prozesses wie beispielsweise auch eines Wachstumsprozesses in Betracht. Insbesondere auch Teilsysteme wie z.B. ein Bremssystem oder ein Federdämpfungssystem eines Fahrzeugs können das zu untersuchende System bilden. Das Verfahren umfasst somit auch ein Verfahren zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur einer Maschine, eines Aktuators, eines Fahrzeugs oder auch eines chemischen Reaktors. According to the invention, a method according to claim 1 for testing or identifying a model structure of a system to be examined is proposed. Such a system, namely a physical system, can be, for example, a machine, an actuator, tor, a vehicle or even a reactor in which a chemical process takes place. In principle, the description of a dynamic process, such as a growth process, is also considered as a system. In particular, subsystems such as a brake system or a spring damping system of a vehicle can form the system to be examined. The method thus also includes a method for checking or identifying a model structure of a machine, an actuator, a vehicle or even a chemical reactor.
Einem solchen System liegt eine Struktur zugrunde, die insbesondere unter Annahme von Vereinfachungen eine Modellstruktur bildet. Diese Modellstruktur soll gefunden, also identifiziert und/oder geprüft werden. Wird also eine Modellstruktur zugrunde gelegt, die beispielsweise aus einer systemtechnischen Betrachtung hervorgegangen ist, kann diese Modellstruktur mit dem vorgeschlagenen Verfahren darauf überprüft werden, ob sie das System ausreichend beschreibt. Die Modellstruktur kann hierbei entweder ein mathematisches Modell oder, damit verknüpft, ein Beschreibungsmodell sein, oder das mathema- tische Modell ist eine andere Beschreibung des Beschreibungsmodells. Such a system is based on a structure which, in particular assuming simplifications, forms a model structure. This model structure should be found, ie identified and / or tested. If, therefore, a model structure is used, which emerged, for example, from a system engineering point of view, this model structure can be checked with the proposed method to determine whether it adequately describes the system. The model structure can either be a mathematical model or, linked to it, a description model, or the mathematical model is another description of the description model.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte. Im ersten Schritt wird ein Parameter aufweisendes Gleichungssystem zum Beschreiben des zu untersuchenden Systems oder eines Teils davon aufgestellt. Diesem Gleichungssystem kann ein Beschreibungsmodell als zunächst einmal angenommenes Modell des Systems zugrunde liegen und/oder dem Gleichungssystem kann eine Beschreibungsmodellstruktur als angenommene Modellstruktur des Systems zugrunde liegen. Es wird hier grundsätzlich von einem Beschreibungsmodell, ausgegangen, das dem System zugeordnet wird und somit diesem Gleichungssystem zugrunde liegt. Das Verfahren kann aber auch angewendet werden, wenn dieses Beschreibungsmodell beispielsweise hinsichtlich eines Parameters unvollständig oder ungenau ist, solange aber die zunächst zugrunde gelegte Beschreibungsmodellstruktur zugrunde liegt. The method comprises the following steps. In the first step, a parameter system having a parameter is set up to describe the system to be examined or a part thereof. This system of equations may be based on a description model as a model of the system which has been initially assumed and / or the system of equations may be based on a description model structure as an assumed model structure of the system. In principle, a description model is assumed which is assigned to the system and is therefore based on this system of equations. However, the method can also be used if this description model is, for example, incomplete or inaccurate with regard to a parameter, as long as the underlying initial description model structure is based on it.
Dieses Gleichungssystem wird dann in ein parameterloses oder zumindest parameterreduziertes das System beschreibende Prüfmodell umgeformt. Das Prüfmodell beschreibt wenigstens ein Modellausgangssignal in Abhängigkeit eines oder mehrerer Modellein- gangssignale. Dass dieses Prüfmodell das System beschreibt, ist im mathematischen Sinne zu verstehen, nämlich dass das Prüfmodell eine Dynamik und ein Verhalten des Systems wiedergeben kann. Außerdem beschreibt dieses Prüfmodell wenigstens ein Modellausgangssignal in Abhängigkeit eines oder mehrerer Modelleingangssignale, wobei das wenigstens eine Modelleingangssignal und/oder das wenigstens eine Modell- ausgangssignal nicht jeweils wenigstens einem Eingangssignal des Systems bzw. einem Ausgangssignal des Systems entsprechen muss. Durch die Umformung des Gleichungssystems in diese parameterlose oder parameterreduzierte Form können die Zusammenhänge zwischen Systemgrößen bzw. Systemsignalen einerseits und Modellgrößen bzw. Modellsignalen andererseits auch unterschiedlich sein. Allerdings müssen Zusammenhänge bestehen und diese Zusammenhänge sind in diesem Gleichungssystem erfasst und zugrunde gelegt. This equation system is then transformed into a parameterless or at least parameter-reduced test model describing the system. The test model describes at least one model output signal as a function of one or more model input signals. The fact that this test model describes the system is to be understood in a mathematical sense, namely that the test model can reproduce the dynamics and behavior of the system. In addition, this test model describes at least one model output signal as a function of one or more model input signals, the at least one model input signal and / or the at least one model output signal not each at least one input signal of the system or a Output signal of the system must correspond. By transforming the equation system into this parameterless or parameter-reduced form, the relationships between system quantities or system signals on the one hand and model sizes or model signals on the other hand can also be different. However, there must be connections and these relationships are recorded and used in this system of equations.
In einem nächsten Schritt wird dann das so erstellte Prüfmodell mit wenigstens einem Modelleingangssignal angeregt. Eine solche Anregung kann insbesondere in einem Simulator erfolgen, in dem rechentechnisch das Prüfmodell als Simulationsmodell hinterlegt ist und es kann gegebenenfalls auch das Gleichungssystem direkt in einem Computer verwendet werden und mit entsprechenden Signalen, also dem wenigstens einen Modelleingangssignal, beaufschlagt werden. In a next step, the test model thus created is then excited with at least one model input signal. Such an excitation can take place, in particular, in a simulator in which the test model is stored as a simulation model and, if appropriate, the equation system can also be used directly in a computer and subjected to corresponding signals, ie the at least one model input signal.
Als eine Ausführungsform kann das Prüfmodell auch mit sowohl mindestens einem Modelleingangs- und Modellausgangssignal eines Beschreibungsmodells oder eines mathematischen Modells angeregt werden. As one embodiment, the test model may also be excited with both at least one model input and model output of a description model or a mathematical model.
Entsprechend wird wenigstens ein Modellausgangssignal des Prüfmodells aufgenommen, nämlich als Ergebnis auf die beschriebene Anregung des Prüfmodells. Accordingly, at least one model output signal of the test model is recorded, namely as a result of the described excitation of the test model.
In einem nächsten Schritt wird das wenigstens eine Modellausgangssignal mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal verglichen. Beispielsweise kann, um ein vereinfachtes, plastisches Beispiel zu schildern, ein Systemausgangssignal das Modelleingangssignal bilden und das Modellausgangssignal dem Systemeingangssignal entsprechen, wobei überprüft würde, wie weit das Modellausgangssignal mit dem Systemeingangssignal übereinstimmt. Praktischerweise könnte dieses Beispiel so aussehen, dass das System mit seinem Systemeingangssignal angeregt wird und sich ein Systemausgangssignal ergibt. Das Systemausgangssignal wird dann in das Prüfmodell eingegeben und das Modellausgangssignal erfasst und wie gesagt mit dem Systemeingangssignal verglichen. Wie Modellsignale mit den Systemsignalen zusammenhängen, wird im Wesentlichen auch durch die Umformung des Gleichungssystems in ein parameterloses oder zumindest parameterreduziertes System bestimmt und die Art und Weise der Umformung wird weiter unten noch näher beschrieben. In a next step, the at least one model output signal is compared with at least one corresponding system signal. For example, to illustrate a simplified, plastic example, a system output signal may form the model input signal and the model output signal may correspond to the system input signal, checking how far the model output matches the system input signal. Conveniently, this example could be such that the system is excited with its system input signal and results in a system output signal. The system output signal is then input to the test model and the model output signal is detected and, as stated, compared to the system input signal. How model signals are related to the system signals is essentially also determined by the transformation of the system of equations into a parameterless or at least parameter-reduced system, and the mode of deformation will be described in more detail below.
Für die Auswertung des Vergleichs wird ein Gütekriterium zugrunde gelegt. Abhängig von diesem Kriterium wird anschließend der nächste Verfahrensschritt ausgeführt. Das Güte- kriterium kann bspw. der Betrag einer Abweichung sein, oder es kann bspw. eine Zusammenfassung, ggf. gewichtet, mehrerer Abweichungen sein. The evaluation of the comparison is based on a quality criterion. Depending on this criterion, the next step is then carried out. The quality The criterion may, for example, be the amount of a deviation, or it may be, for example, a summary, possibly weighted, of several deviations.
Insbesondere das Anregen des Prüfmodells wird auf einem Computer, Analogrechner o.ä. Gerät durchgeführt. Auch das Modellausgangssignal wird vorzugsweise mit einem Computer aufgenommen, insbesondere mit demselben Computer, der auch die Anregung des Prüfmodells durchführt. Ebenso wird das Vergleichen des wenigstens einen Modellausgangssignals und/oder das Berechnen der Gütefunktion auf einem Computer o.a., einen Mikroprozessor oder ähnliche Recheneinheit beinhaltendem Gerät durchgeführt. Erfolgt das Erfassen wenigstens eines Systemausgangssignals als Reaktion des Systems auf wenigstens ein das System anregendes Systemeingangssignal unter Zuhilfenahme eines Simulationsmodells, werden diese Größen bzw. Signale oder ein Teil dieser Signale, also mithilfe einer Simulation erstellt, so erfolgt auch dies vorzugsweise mithilfe eines Computers o.ä. Rechengerät. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass entsprechende Eingangsgrößen, Ausgangsgrößen und Zwischengrößen in einer Recheneinheit, wie dem genannten Computer o.ä. Gerät insgesamt vorliegen und zwischen einzelnen Verfahrensschritten ausgetauscht werden können. Die Durchführung des Verfahrens ist entsprechend effizient durchführbar. In particular, stimulating the test model is on a computer, analog computer or similar. Device performed. The model output signal is also preferably recorded with a computer, in particular with the same computer, which also performs the stimulation of the test model. Likewise, the comparison of the at least one model output signal and / or the calculation of the quality function is carried out on a computer or similar device comprising a microprocessor or similar computing unit. If the detection of at least one system output signal takes place as a reaction of the system to at least one system input signal stimulating the system with the aid of a simulation model, these variables or signals or a part of these signals, that is to say created by means of a simulation, then also preferably takes place by means of a computer o. ä. Computing device. It is also advantageous that corresponding input variables, output variables and intermediate variables in a computing unit, such as the aforementioned computer or the like. Overall device available and can be exchanged between individual process steps. The implementation of the method is correspondingly efficiently feasible.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Gütefunktion abhängig von wenigstens einem Modellsignal und einem Systemsignal berechnet. Hierzu können bspw. ein Modellaus- gangssignal und ein Systemausgangssignal zugrunde gelegt werden und eine Gütefunktion aus der Beziehung dieser Signale zu einander berechnet werden. Diese Beziehung kann ein direkter Vergleich sein, aber es kommen auch andere Beziehungen in Betracht. Bspw. kann ein Produkt der beiden oder noch weiterer Signale gebildet werden, oder eine andere Verknüpfung. Als weiteres Beispiel ist ein Vergleich von Ableitungen und/oder Integrationen der Signale oder einiger Signale zu nennen, wobei auch Gewichtungen zugrunde gelegt werden können. Bspw. kann die zeitliche Ableitung eines Systemsignals mit einem Modellsignal verglichen werden. Ein Vergleich kann grundsätzlich auch über eine Differenzbildung vorgenommen werden. Eine Differenz zweier Signale kann dann absolut ausgewertet werden, z.B. nach der größten Differenz, oder es kann eine Quadratsumme über mehrere Werte gebildet und ausgewertet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. According to one embodiment, a quality function is calculated as a function of at least one model signal and one system signal. For this purpose, for example, a model output signal and a system output signal can be used as the basis and a quality function can be calculated from the relationship of these signals to one another. This relationship may be a direct comparison, but other relationships may also be considered. For example. may be formed a product of the two or more signals, or another link. As a further example, a comparison of derivatives and / or integrations of the signals or of a number of signals may be mentioned, weightings also being able to be used. For example. For example, the time derivative of a system signal can be compared with a model signal. A comparison can in principle also be made by subtraction. A difference between two signals can then be evaluated absolutely, e.g. after the largest difference, or a sum of squares over several values can be formed and evaluated, just to name a few examples.
Eine weitere Möglichkeit gemäß dieser Erfindung besteht darin, alle Prüfmodelleingangs- und Prüfmodellausgangssignale in das Prüfmodell einzugeben und anschließend die Übereinstimmung der Signale mit dem Prüfmodell zu analysieren. Dafür infrage kommen bspw. Untersuchungen der Lösbarkeit der Gleichungssysteme welche sich bspw. vorteil- haft auch in Matrizenform darstellen lassen. Hierbei könnte das Modellausgangssignal des Prüfmodells direkt ein Gütekriterium ausgeben. Another possibility according to this invention is to input all test model input and test model output signals into the test model and then to analyze the agreement of the signals with the test model. For example, investigations of the solubility of the equation systems which, for example, are advantageous. can also be represented in matrix form. In this case, the model output signal of the test model could directly output a quality criterion.
Wird das Kriterium erfüllt, dass z.B. eine Differenz unter einer vorgegebenen Grenze bleibt, so wird das Beschreibungsmodell bzw. die Beschreibungsmodellstruktur als identi- fiziertes Modell bzw. identifizierte Struktur akzeptiert. Wird das vorbestimmte Kriterium nicht erfüllt, wird ein geändertes Gleichungssystem aufgestellt, dem ein geändertes Beschreibungsmodell bzw. eine geänderte Beschreibungsmodellstruktur zugrunde liegt. Anstatt des Beschreibungsmodells kann auch direkt das mathematische Modell verwendet werden. Das vorbestimmte Kriterium kann beispielsweise ein Absolutwert sein, den der Betrag der Differenz zwischen dem Modellausgangssignal und dem Systemsignal nicht überschreiten darf. Das Gütekriterium kann auch für andere Signale, wie z.B. Abweichungen von inneren Zustandsgrößen, ausgelegt sein und darauf angewendet werden. Bleibt dieser Wert dem Betrag nach also unter diesem Grenzwert, wird das anfangs gesetzte Be- Schreibungsmodell bzw. die anfangs gesetzte Beschreibungsmodellstruktur als identifiziertes Modell verwendet. Überschreitet dieser Betrag den Grenzwert, werden die Schritte mit geändertem Gleichungssystem wiederholt. If the criterion is fulfilled, e.g. If a difference remains below a predetermined limit, then the description model or the description model structure is accepted as an identified model or identified structure. If the predetermined criterion is not met, a modified system of equations is set up on which a modified description model or a modified description model structure is based. Instead of the description model, the mathematical model can also be used directly. The predetermined criterion may be, for example, an absolute value that may not exceed the magnitude of the difference between the model output signal and the system signal. The quality criterion may also be used for other signals, e.g. Deviations from internal state variables, be designed and applied to it. Thus, if this value remains below this threshold value in absolute value, the initially written description model or the initially set description model structure is used as the identified model. If this amount exceeds the limit, the steps are repeated with the system of equations changed.
Gemäß einer weiteren Ausführung kann das Kriterium einen prozentualen Wert betragen, um den das Modellsignal vom Systemsignal bei dem Vergleich abweichen darf. Ebenso kommt als Gütekriterium bzw. vorbestimmtes Kriterium in Betracht, die Summe der Quadrate aller Abweichungen zu bilden und dafür einen Grenzwert festzulegen. According to another embodiment, the criterion may be a percentage value by which the model signal may deviate from the system signal in the comparison. Likewise, as a quality criterion or predetermined criterion, it is possible to form the sum of the squares of all deviations and to set a limit value for them.
Wichtig hierbei ist insbesondere die Umformung des Gleichungssystems möglichst in ein parameterloses Prüfmodell, wobei diese Umformung des Gleichungssystems entsprechend auch zu einem umgeformten Gleichungssystem oder zumindest einer umgeform- ten Gleichung führen kann. Ein solches parameterreduziertes System enthält die Parameter nicht mehr und kann somit das System in seiner Quantität, also seinen parameterbestimmten Eigenschaften nicht mehr vollständig wiedergeben, aber es kann das Verhalten des Systems qualitativ beschreiben. Dadurch brauchen aber die Parameter auch nicht vollständig bzw. im Optimalfall überhaupt nicht bekannt zu sein. Diese Lösung, nämlich eine Modellstruktur unter Zuhilfenahme einer Umformung eines beschreibenden Gleichungssystems in ein insbesondere parameterloses System zu prüfen oder zu identifizieren, verwendet in geschickter Weise Methoden zur Eliminierung von Variablen, beispielsweise beschrieben von Ritt, J. F. "Differential Algebra", Amer. Math. Soc , 1950. Bei Verwendung solcher Algorithmen werden Parameter in nichtlinearen, polynominalen Differentialgleichungen eliminiert, wobei Ableitungen höherer Ordnung entstehen. In this case, in particular, the transformation of the system of equations into a parameterless test model is as important as possible, and this transformation of the system of equations can accordingly also lead to a transformed system of equations or at least one reshaped equation. Such a parameter-reduced system no longer contains the parameters and thus can no longer completely reproduce the system in its quantity, ie its parameter-determined properties, but it can qualitatively describe the behavior of the system. As a result, however, the parameters need not be completely known or, in the optimal case, not at all known. This solution, namely to test or identify a model structure with the aid of a transformation of a descriptive system of equations into a particularly parameterless system, skilfully uses methods for the elimination of variables, for example described by Ritt, JF "Differential Algebra", Amer. Math. Soc, 1950. Using such algorithms, parameters in non-linear, polynomial differential equations are eliminated giving rise to higher order derivatives.
Ein einfaches Beispiel für die prinzipielle Vorgehensweise, ohne direkt die Methoden von bspw. Ritt anzuwenden, ist eine Masse m, die von einer Kraft F(t) beschleunigt wird und deren zurückgelegter Weg x(t) eine Messgröße des Systems darstellt. Das beschreibt die folgende Gleichung. m x(t) - F(t) = 0 (Gleichung 1 ) A simple example of the basic procedure, without directly applying the methods of, for example, riding, is a mass m, which is accelerated by a force F (t) and whose distance x (t) represents a measured variable of the system. This describes the following equation. m x (t) - F (t) = 0 (Equation 1)
Durch Ableitung ergibt sich: By derivation results:
x(f) - F(f)) ..·,,, ά, . , x (f) - F (f)) .. · ,,, ά ,. .
— ± ^ = m x(t) - F(t) (Gleichung 2) - ± ^ = m x (t) - F (t) (Equation 2)
Einsetzen von Gleichung 1 in Gleichung 2, so dass der Parameter m verschwindet: Substituting Equation 1 into Equation 2 so that the parameter m disappears:
F(f) = F(f ) ' X(f ) (Gleichung 3) F (f) = F (f) 'X (f) (Equation 3)
x(f)  x (f)
Die resultierenden Differentialgleichungen können anschließend mit einigen Ein- und Ausgangsgrößen des Systems und deren Ableitungen beaufschlagt werden, wobei eine oder einige der restlichen Ein- und Ausgangsgrößen und deren Abteilungen mit dem Ausgangssystem verglichen werden, wie unten im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert wird. The resulting differential equations can then be applied to some input and output variables of the system and their derivatives, wherein one or some of the remaining input and output variables and their departments are compared with the output system, as explained in more detail below in connection with FIG.
Wenn die Struktur des Systems, repräsentiert durch die parameterfreien Differentialgleichungen, das Vergleichssystem prinzipiell erfüllen kann, wird die Abweichung im idealen Fall exakt zu null. In der Realität sind allerdings leichte Abweichungen bedingt durch Messrauschen, eine begrenzte Auflösung der Sensoren, notwendige Filterungen des Systems und durch die Modellierungsannahmen zu erwarten. Diese Abweichungen müssen geeignet bewertet und quantifiziert werden, um eine Übereinstimmung zu überprüfen. If the structure of the system, represented by the parameter-free differential equations, can satisfy the comparison system in principle, the deviation will be exactly zero in the ideal case. In reality, however, slight deviations due to measurement noise, a limited resolution of the sensors, necessary filtering of the system and modeling assumptions are to be expected. These deviations must be appropriately assessed and quantified to verify compliance.
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird somit insbesondere erreicht, dass eine Überprüfung der Struktur von Modellen, insbesondere von physikalische Systeme beschreibender mathematischer Modelle unabhängig von numerischen bzw. physikalischen Parametern durchgeführt werden kann, obwohl diese Parameter aber in dem zugrunde liegenden physikalischen System vorhanden sind. The proposal according to the invention thus achieves, in particular, that a review of the structure of models, in particular of mathematical models describing physical systems, is independent of numerical or physical Parameters, although these parameters are present in the underlying physical system.
Ähnlich wie bei der Überprüfung von Modellierungsansätzen und der Modellreduktion lässt sich mit der hier vorgestellten Lösung die innere Struktur dynamischer Systeme unabhängig von numerischen Parametern herausfinden. Dadurch ist es möglich, beispielsweise iterativ, auf die innere Struktur eines Systems zu schließen. Similar to the review of modeling approaches and the model reduction, the solution presented here can be used to find out the inner structure of dynamic systems independently of numerical parameters. This makes it possible, for example iteratively, to close the internal structure of a system.
Vorzugsweise wird wenigstens ein Systemausgangssignal x(t) als Reaktion des Systems auf wenigstens ein das System anregendes Systemeingangssignal F(t) erfasst. Das wenigstens eine Modelleingangssignal des Beschreibungsmodells oder des mathemati- sehen Modells wird dann aus dem wenigstens einen Systemeingangssignal F(t), mit dem das System angeregt wurde, und/oder aus dem wenigstens einen erfassten Systemausgangssignal x(t) bestimmt. Insoweit ist dieses Systemeingangssignal F(t) ein solches, das das System tatsächlich anregt. Das wenigstens eine erfasste Systemausgangssignal x(t) ist ein solches, das aus dieser Anregung resultiert. Darunter können auch innere resultie- rende Zustandsgrößen fallen, soweit sie erfassbar sind. Preferably, at least one system output signal x (t) is detected as a response of the system to at least one system input signal F (t) exciting the system. The at least one model input signal of the description model or of the mathematical model is then determined from the at least one system input signal F (t) with which the system was excited and / or from the at least one detected system output signal x (t). In that regard, this system input signal F (t) is one that actually excites the system. The at least one detected system output signal x (t) is one resulting from this excitation. This can also include internal resulting state variables, insofar as they can be detected.
Jedes Systemeingangssignal F(t) und jedes Systemausgangssignal x(t) bilden jeweils ein Systemsignal. Ein Systemsignal ist somit hier der Oberbegriff für sämtliche Signale des Systems. Für die Durchführung des Verfahrens kann das Systemausgangssignal x(t) und auch das Systemeingangssignal F(t) auch durch eine Simulation berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein komplexes Simulationsmodell mit bekannten Tools aufgestellt werden, das das System mit sehr guter Genauigkeit beschreibt, für manche Anwendungen, insbesondere eine spätere regelungstechnische Berücksichtigung aber nicht angewendet werden kann. Das kann beispielsweise daran liegen, dass sich das Simulationstool, insbesondere eine SpezialSoftware, nicht in andere Systeme einbinden lässt. Es kann auch daran liegen, dass die Simulation dieses komplexen präzisen Modells zu langsam läuft und nicht in Echtzeit betrieben werden kann. Das Simulationsmodell kann auch dann schlecht Anwendung finden, wenn beispielsweise für einen späteren Reg lerentwurf analytische Beschreibungen der Dynamik benötigt werden. Each system input signal F (t) and each system output signal x (t) each form a system signal. A system signal is thus the generic term for all signals of the system. For carrying out the method, the system output signal x (t) and also the system input signal F (t) can also be taken into account by a simulation. For example, a complex simulation model with known tools can be set up, which describes the system with very good accuracy, but can not be used for some applications, in particular a later regulatory consideration. This may be due, for example, to the fact that the simulation tool, in particular a special software, can not be integrated into other systems. It may also be because the simulation of this complex, precise model is too slow and can not be done in real time. The simulation model can also be used poorly if, for example, analytical descriptions of the dynamics are needed for a later controller design.
Jedenfalls kann für das Prüfen oder Identifizieren der Modellstruktur des Besch reibungs- modells oder des mathematischen Modells ein solches Simulationsmodell verwendet werden. Statt das System mit dem Systemeingangssignal F(t) anzuregen, kann das Simulationsmodell damit angeregt werden und das Simulationsmodell kann dann das wenigstens eine Systemausgangssignal x(t) ausgeben. Auf diesen Signalen basierend kann dann das wenigstens eine Modelleingangssignal bestimmt werden. Dabei braucht das Systemeingangssignal F(t) nicht unbedingt von dem Systemeingang oder dem Simulationsmodelleingang zum Prüfmodelleingang übertragen zu werden, sondern kann, wenn es als klar definiertes Signal vorliegt, auch zum Bestimmen des Modelleingangssignals dort neu bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird somit vorgeschlagen, dass beim Vergleichen des wenigstens einen Modellausgangssignals des Prüfmodells mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal das Systemsignal ein gemessenes, ein vorgegebenes und/oder ein zu erwartendes Signal ist. Insbesondere wenn hier das Systemsignal das Systemeingangssignal ist, oder sich ganz einfach aus dem Signaleingangssignal analy- tisch ableiten lässt, braucht hier nicht das gemessene Systemsignal verwendet zu werden. Insoweit ein gemessenes Signal verwendet wird bzw. alternativ ein Ergebnis eines komplexen Simulationsmodells, kann dieses direkt verwendet werden oder das zu vergleichende Systemsignal kann noch einem weiteren Berechnungsschritt unterzogen werden, um daraus ein beispielsweise anderes zu erwartendes Signal zu erhalten. Wird beispielsweise bei einem Fahrzeug die Drehzahl eines Rades gemessen, kann die Position eines Punktes des Rades durch Integration dieser Drehzahl eindeutig bestimmt werden, soweit die Anfangswerte bekannt oder null sind, und umgekehrt kann beispielsweise bei Erfassung der Position die Drehzahl eindeutig bestimmt werden. Dieser integ- rative bzw. differenzielle Zusammenhang ist eindeutig und damit unabhängig von weite- ren Details, insbesondere weiteren Parametern des untersuchten Systems. In any case, such a simulation model can be used for checking or identifying the model structure of the description model or of the mathematical model. Instead of exciting the system with the system input signal F (t), the simulation model can be excited with it and the simulation model can then output the at least one system output signal x (t). Based on these signals, the at least one model input signal can then be determined. It needs The system input signal F (t) may not necessarily be transmitted from the system input or the simulation model input to the test model input but, if present as a clearly defined signal, may also be redetermined there to determine the model input signal. According to one embodiment, it is thus proposed that when comparing the at least one model output signal of the test model with at least one corresponding system signal, the system signal is a measured, a predetermined and / or an expected signal. In particular, if here the system signal is the system input signal, or can be easily derived analytically from the signal input signal, the measured system signal need not be used here. Insofar as a measured signal is used or alternatively a result of a complex simulation model, this can be used directly or the system signal to be compared can still be subjected to a further calculation step in order to obtain from it, for example, another expected signal. For example, if the speed of a wheel is measured in a vehicle, the position of a point of the wheel can be uniquely determined by integration of this speed, as far as the initial values are known or zero, and vice versa, for example, when detecting the position, the speed can be determined uniquely. This integrative or differential relationship is clear and thus independent of further details, in particular further parameters of the system under investigation.
Diese Beispiele und vorgeschlagenen Ausführungsformen sollen insbesondere erläutern, dass es entscheidend ist, das zunächst aufgestellte Gleichungssystem so umzuformen, dass es möglichst parameterlos wird. Dabei ergeben sich beschreibende Modellsignale, die auf ganz unterschiedliche Art und Weise mit Systemsignalen korrespondieren kön- nen. Entsprechend dieses jeweiligen Zusammenhangs werden dann auch die Vergleiche durchgeführt. Insbesondere werden bei der Umformung in die parameterlose Form meist Differentiationen durchgeführt. Entsprechend können auch bei dem Vergleich des Verhaltens des Prüfmodells mit dem zu untersuchenden System Systemsignale abgeleitet werden, um entsprechende Ableitungen der Systemsignale mit entsprechenden Signalen des Prüfmodells zu vergleichen. These examples and proposed embodiments are intended to explain in particular that it is crucial to reshape the system of equations set up initially in such a way that it becomes as parameterless as possible. This results in descriptive model signals that can correspond to system signals in very different ways. The comparisons are then carried out in accordance with this respective relationship. In particular, differentiations are usually carried out during the transformation into the parameterless form. Accordingly, even when comparing the behavior of the test model with the system under test, system signals can be derived in order to compare corresponding derivatives of the system signals with corresponding signals of the test model.
Insbesondere ist somit ein Modellausgangssignal des Prüfmodells ein Maß für die strukturelle Übereinstimmung des Prüfmodells und damit des Beschreibungsmodells mit dem System. Entsprechend wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Modelleingangssignale wenigstens ein, wenigstens einmal nach der Zeit abgeleitetes Systemsignal umfassen. In particular, a model output signal of the test model is thus a measure of the structural conformity of the test model and thus of the description model with the system. Accordingly, according to one embodiment, it is proposed that the model input signals comprise at least one system signal derived at least once in a time.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass beim Aufstellen des Gleichungssystems wenigstens eine nichtlineare Modellbeschreibung integriert bzw. inkorporiert wird, und/oder dass beim Aufstellen des geänderten Gleichungssystems wenigstens eine nichtlineare Modellbeschreibung gegen eine andere getauscht wird, wobei beim Integrieren, Inkorporieren bzw. Tauschen insbesondere eine nichtlineare Modellbeschreibung aus einer mehrere nichtlineare Modellbeschreibungen umfassenden Modellsammlung genommen wird. According to an advantageous embodiment, it is proposed that at least one non-linear model description is integrated or incorporated when setting up the equation system, and / or that when setting up the changed equation system at least one non-linear model description is exchanged for another, in particular integrating, incorporating or exchanging a non-linear model description is taken from a model collection comprising several non-linear model descriptions.
Eine nichtlineare Modellbeschreibung ist beispielsweise eine Begrenzungs- oder Sättigungsfunktion. Diese beispielhafte Sättigungsfunktion ist in technischen Prozessen häufig anzutreffen und sie kann durch eine Ein-/Ausgangskennlinie beschrieben werden, die im normierten Fall im Bereich von -1 bis +1 auf der Abszisse eine Gerade mit der Steigung 1 aufweist, also die Punkte (-1 ; -1 ) und (1 ; 1 ) verbindet. Für Eingangswerte kleiner als -1 weist sie einen konstanten Wert von -1 auf und für Eingangswerte größer als 1 weist sie einen konstanten Ausgangswert von 1 auf. Eine solche Funktion ist nichtlinear, weil ihr Ein-/Ausgangsverhalten von der Amplitude des Eingangssignals abhängt. Eine solche nichtlineare Modellbeschreibung, nämlich nichtlineare Teilmodellbeschreibung wird demnach beim Aufstellen des Gleichungssystems in dem zugrunde gelegten zu untersuchenden System integriert, beispielsweise statt eines linearen Übertragungsgliedes, das der Gleichung f(x) = x genügt. For example, a non-linear model description is a clipping or saturation function. This exemplary saturation function is frequently encountered in technical processes and can be described by an input / output characteristic which, in the normalized case, has a straight line with the slope 1 in the range from -1 to +1 on the abscissa, ie the points (-1 ; -1) and (1; 1) connects. For input values less than -1 it has a constant value of -1 and for input values greater than 1 it has a constant output value of 1. Such a function is non-linear because its input / output behavior depends on the amplitude of the input signal. Such a nonlinear model description, namely a non-linear partial model description, is therefore integrated in setting up the system of equations in the underlying system to be examined, for example instead of a linear transmission element which satisfies the equation f (x) = x.
Vorzugsweise wird nun beim Aufstellen des geänderten Gleichungssystems wenigstens eine nichtlineare Modellbeschreibung gegen eine andere getauscht. Für das genannte Beispiel könnte die normierte Saturierungsfunktion, wobei der Fachmann bei dem Begriff Saturierungsfunktion ohnehin von einer Normierung auf 1 ausgeht, gegen eine Tangens- Hyperbolicus-Funktion (tanh) getauscht werden. Eine solche Tangens-Hyperbolicus- Funktion weist im Grunde wie die Saturierungsfunktion einen Grenzwert von -1 bzw. +1 auf und hat im Ursprung eine Steigung von 1 , wobei die Steigung mit entsprechenden Paramtern und Erweiterungen der Funktion angepasst werde kann. Allerdings sind die Übergänge ohne Knick und somit stetig differenzierbar. Außerdem ist die Tangens- Hyperbolicus-Funktion streng monoton steigend. Durch unterschiedliche Substitutionen und Transformationen lässt sich die Tangens-Hyperbolicus-Funktion in eine polynominale Form transformieren und kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren untersucht werden. Außerdem, also in einem gegebenenfalls gewünschten noch weiteren Tauschschritt, also bei der Aufstellung eines abermals geänderten Gleichungssystems, kann eine Sättigungsfunktion mit Hysterese verwendet werden, wie sie aus der Hysteresekurve für einen Magneten bekannt ist, nämlich der Verlauf der magnetischen Induktion oder magnetischen Flussdichte B in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke H. Im Übrigen können hier auch unterschiedliche Hysteresefunktionen als nichtlineare Modellbeschreibung bzw. nichtlineare Teilmodellbeschreibung in Betracht kommen. Preferably, when setting up the changed system of equations, at least one non-linear model description is exchanged for another one. For the example mentioned, the normalized saturation function, in which the person skilled in the art assumes the term saturation function anyway from a normalization to 1, could be exchanged for a tangent hyperbolic function (tanh). Basically, such a hyperbolic tangent function, like the saturation function, has a limit of -1 and +1, respectively, and has a slope of 1 in the origin, where the slope can be adjusted with appropriate parameters and extensions of the function. However, the transitions are without kinks and thus continuously differentiable. In addition, the hyperbolic tangent function is strictly monotonically increasing. By different substitutions and transformations, the hyperbolic tangent function can be transformed into a polynomial form and can be examined by the proposed method. In addition, so in an optionally desired even further exchange step, ie When setting up a system of equations that has been changed again, a saturation function with hysteresis can be used, as is known from the hysteresis curve for a magnet, namely the course of the magnetic induction or magnetic flux density B as a function of the magnetic field strength H. Incidentally, different functions can also be used here Hysteresefunktionen come as a non-linear model description or non-linear partial model description into consideration.
All diese beispielhaft genannten nichtlinearen Funktionen können das zugrunde liegende System entsprechend mehr oder weniger gut beschreiben und das vorgeschlagene Verfahren schafft eine Möglichkeit, deren Eignung in der Gesamtsystembeschreibung zu prüfen oder zu qualifizieren. Vorzugsweise wird somit vorgeschlagen, das Ergebnis des Vergleichs des wenigstens einen Modellausgangssignals mit dem wenigstens einen korrespondierenden Systemsignal zur Qualifizierung der Eignung des entsprechenden Beschreibungsmodells bzw. der darin verwendeten nichtlinearen Modellbeschreibung zu verwenden. Die oben beschriebenen Auswertungen dieses Vergleichsergebnisses zur Überprüfung mit einem vorbestimmten Kriterium können sinngemäß für die Bewertung verwendet werden. Alternativ kann gemäß der zweiten Ausführungsform direkt ein Kriterium für die Eignung einer Modellbeschreibung erzeugt werden. All of these non-linear functions exemplified may describe the underlying system more or less well, and the proposed method provides a way to test or qualify their suitability in the overall system description. Preferably, it is thus proposed to use the result of the comparison of the at least one model output signal with the at least one corresponding system signal to qualify the suitability of the corresponding description model or the non-linear model description used therein. The above-described evaluations of this comparison result for checking with a predetermined criterion can be used analogously for the evaluation. Alternatively, according to the second embodiment, a criterion for the suitability of a model description can be generated directly.
Um die Überprüfung mit unterschiedlichen nichtlinearen Modellbeschreibungen durchzuführen, wird eine mehrere nichtlineare Modellbeschreibungen umfassende Modellsamm- lung verwendet. Hierin können nichtlineare Modellbeschreibungen einschließlich gegebenenfalls ihrer mathematischen Beschreibung hinterlegt werden. Somit ist es einfacher möglich, solche nichtlinearen Modellbeschreibungen zu verwenden und insbesondere auch auszutauschen. Vorzugsweise wird eine solche Modellsammlung, die auch als Modellpool bezeichnet werden kann, sukzessive aufgebaut, indem jede neue nichtlineare Modellbeschreibung in dieser Modellsammlung bzw. diesen Modellpool aufgenommen wird. Vorzugsweise wird dabei eine Klassifizierung der gesammelten nichtlinearen Modellbeschreibungen in der Modellsammlung bzw. dem Modellpool vorgenommen. Dazu können diesen nichtlinearen Modellbeschreibungen beispielsweise Kategorien oder Klassifizierungen zugeordnet werden. Beispielsweise können die oben genannten drei Beispiele der Saturierungsfunktion, Tangens-Hyperbolicus-Funktion und Hysteresefunktion in der Modellbeschreibung aufgenommen werden und ggf. sämtlich unter der Klassifizierung Saturierung gekennzeichnet werden. In order to perform the check with different non-linear model descriptions, a model collection comprising several non-linear model descriptions is used. Nonlinear model descriptions including their mathematical description may be included here. Thus, it is easier to use such non-linear model descriptions and in particular to exchange. Preferably, such a model collection, which can also be referred to as a model pool, is constructed successively by including each new non-linear model description in this model collection or model pool. In this case, a classification of the collected nonlinear model descriptions in the model collection or the model pool is preferably carried out. For this purpose, for example, categories or classifications can be assigned to these non-linear model descriptions. For example, the above three examples of the saturation function, hyperbolic tangent function and hysteresis function can be included in the model description and possibly all labeled under the classification saturation.
Ist bei einem System beispielsweise bekannt, dass ein Begrenzungsverhalten vorhanden ist, kann dies durch sukzessives Ausprobieren der hinterlegten Funktionen der Kategorie Saturierung modelliert werden und es kann am Ende die geeignetste nichtlineare Modellbeschreibung ausgewählt werden. If, for example, a system knows that a limiting behavior is present, this can be done by successively trying out the stored functions of the category Saturation can be modeled and it can be selected at the end of the most suitable non-linear model description.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das System als Gesamtsystem in mehrere Teilsysteme untergliedert wird, jedes Teilsystem einzeln als ein physikalisches System identifiziert wird, und anschließend aus den so identifizierten Teilsystemen ein identifiziertes Gesamtsystem zusammengesetzt wird. According to one embodiment, it is proposed that the system is subdivided as an overall system into several subsystems, each subsystem is identified individually as a physical system, and then an identified overall system is assembled from the subsystems thus identified.
Häufig lassen sich Systeme zumindest in einer vereinfachenden Betrachtungsweise in mehrere Teilsysteme zerlegen. Eine solche Zerlegung kann unterschiedlich aufwändig sein. Vorteilhaft hierbei ist, was auch eine aufwändige Zerlegung rechtfertigen kann, dass das Umformen des Gleichungssystems in ein parameterloses oder parameterreduziertes System jeweils vereinfacht wird. Dadurch kann unter Umständen ermöglicht werden, diese Umformung des Gleichungssystems in ein parameterloses oder parameterreduziertes System mit angemessenem Aufwand zu erreichen. Often, at least in a simplistic perspective, systems can be broken down into multiple subsystems. Such a decomposition can be different in complexity. It is advantageous here, which can also justify a costly decomposition, that the transformation of the equation system into a parameterless or parameter-reduced system is simplified in each case. In some circumstances, this makes it possible to achieve this transformation of the equation system into a parameter-free or parameter-reduced system with appropriate effort.
Ein Beispiel für eine solche Aufteilung kann beispielsweise ein technisches System mit Aktuator sein. Dann kann der Aktuator ein Teilsystem und das System, auf den der Aktuator wirkt, ein anderes Teilsystem sein. Beispielsweise kann ein Fahrzeug mit Bremse unterteilt werden in den Aktuator, der die Bremse, also beispielsweise die Bremsbacken, ansteuert einschließlich der resultierenden Bewegung der Bremsbacken, und wobei das Fahrzeug, insbesondere hinsichtlich der resultierenden Bremswirkung ein weiteres Teilsystem sein kann. Diese beiden Teilsysteme können auch getrennt betrachtet werden. Hierzu kommt einerseits in Betracht, beide Teilsysteme simulationstechnisch so aufzubereiten, dass hieraus die Systemsignale generiert werden können, um das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen. Es kann aber auch das tatsächliche System zur Untersuchung verwendet werden, indem entsprechend viele Systemsignale, insbesonde- re an entsprechenden Stellen Systemsignale aufgenommen werden. Im Beispiel kann ein Bremsvorgang untersucht werden, indem das Eingangssignal der Bremse, also im Grunde der Bremsbefehl als die Eingangsgröße des ersten Teilsystems und die Bewegung der Bremsbacken als Ausgangsgröße dieses Teilsystems aufgenommen und entsprechend verwendet werden. Die Bewegung der Bremsbacken kann dann gleichzeitig das Eingangssignal für das zweite Teilsystem bilden und die resultierende Bremswirkung, also insbesondere das resultierende Abbremsen des Fahrzeugs als Ausgangssignal des zweiten Teilsystems verwendet werden, um nur ein vereinfachtes, plastisches Beispiel zu nennen. Nach erfolgter Identifikation beider Teilsysteme können diese dann zurückgerechnet und zusammengesetzt werden zu der gesuchten Systemidentifikation. An example of such a division, for example, be a technical system with actuator. Then, the actuator may be one subsystem and the system on which the actuator acts may be another subsystem. For example, a vehicle with brake can be subdivided into the actuator which activates the brake, for example the brake shoes, including the resulting movement of the brake shoes, and wherein the vehicle can be a further subsystem, in particular with regard to the resulting braking effect. These two subsystems can also be considered separately. For this purpose, on the one hand, it is possible to prepare both subsystems in terms of simulation technology in such a way that the system signals can be generated from this in order to carry out the proposed method. However, it is also possible to use the actual system for examination by recording a corresponding number of system signals, in particular at corresponding points, system signals. In the example, a braking operation can be examined by the input signal of the brake, so basically taken the brake command as the input of the first subsystem and the movement of the brake shoes as the output of this subsystem and used accordingly. The movement of the brake shoes can then simultaneously form the input signal for the second subsystem and the resulting braking effect, so in particular the resulting deceleration of the vehicle can be used as an output signal of the second subsystem, to name only a simplified, plastic example. Once both subsystems have been identified, they can then be recalculated and put together to the required system identification.
Vorzugsweise erfolgt die Untergliederung des Gesamtsystems so, dass wenigstens ein Eingangssignal so ausgewählt wird, dass es das Gesamtsystem nur teilweise anregt, und/oder wenigstens ein Ausgangssignal so ausgewählt wird, dass es nur von dem angeregten Teilsystem beeinflusst ist und/oder dass ein Teil eines Systemverhaltens rechnerisch eliminiert wird. Preferably, the subdivision of the overall system is such that at least one input signal is selected so that it only partially excites the entire system, and / or at least one output signal is selected such that it is only affected by the excited subsystem and / or that part of a System behavior is computationally eliminated.
Somit wird vorgeschlagen, nur ein Teilsystem anzuregen oder nur Ein- oder Ausgangsgrößen eines Teilsystems zu betrachten. Eine solche Teilanregung kann regelmäßig auch bedeuten, dass das System speziell für Versuchszwecke angeregt wird. Eine solche Anregung kann eine solche sein, die beim bestimmungsgemäßen Betreiben des Systems nicht oder nicht so vorgenommen werden würde. Eine Teilanregung, also die Anregung nur eines Teils des Gesamtsystems, kann insbesondere auch bei einem Mehrgrößensystem erfolgen, also bei einem System, das mehrere Eingangsgrößen und/oder mehrere Ausgangsgrößen hat. Thus, it is proposed to stimulate only one subsystem or to consider only inputs or outputs of a subsystem. Such partial stimulation may also regularly mean that the system is specifically stimulated for experimental purposes. Such an excitation may be one which would not or would not be made in the proper operation of the system. A partial excitation, ie the excitation of only a part of the overall system, can in particular also take place in the case of a multi-variable system, that is to say in the case of a system which has several input variables and / or several output variables.
Die Anregung eines Teilsystems könnte beispielsweise in dem oben genannten Beispiel des gebremsten Fahrzeugs so vorgenommen werden, dass die Bremsbacken separat durch eine externe Vorrichtung angesteuert werden, nämlich so, dass ihre Bewegung gezielter vorgegeben werden kann. Hier bräuchte nur das zweite Teilsystem berücksich- tigt zu werden. The excitation of a subsystem could for example be made in the above-mentioned example of the braked vehicle so that the brake shoes are controlled separately by an external device, namely so that their movement can be specified more specific. Here, only the second subsystem would need to be considered.
Für eine separate Anregung des ersten Teilsystems dieses Beispiels, also nur der Bremse, kommt in Betracht, diese im Stillstand zu testen. Eine Bremswirkung stellt sich dann nicht ein und das zweite Teilsystem dieses beispielhaften Systems bleibt inaktiv. For a separate excitation of the first subsystem of this example, so only the brake, comes into consideration to test them at a standstill. A braking effect then does not occur and the second subsystem of this exemplary system remains inactive.
Ein Herausrechnen eines Teils kann für das genannte Beispielsystem so erfolgen, dass das zweite Teilsystem weiter unterteilt bzw. in seinem Systemverhalten reduziert wird, indem beispielsweise als Ausgangsgröße ein Bremsweg gemessen wird, wenn das Fahrzeug hierfür natürlich nicht im Stillstand gemessen wurde, aus dem mathematisch eindeutig auf die resultierende Geschwindigkeit und ebenfalls eindeutig auf die resultierende Beschleunigung zurückgerechnet werden kann. Entsprechend könnte dieses zweite Teilsystem um zwei Systemordnungen reduziert werden, was das Umformen in ein parameterloses oder parameterreduziertes System erheblich vereinfachen würde. Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als eine nichtlineare Modellbeschreibung eine polynominale Beschreibung verwendet wird und/oder dass eine nichtlineare Modellbeschreibung in eine polynominale Beschreibung überführt wird. Somit wird vorgeschlagen, eine polynominale Beschreibung zu verwenden, also insbesondere eine nichtlineare Funktion durch ein Polynom bzw. einen Quotienten zweier Polynome zu beschreiben. Sofern für die gewünschte nichtlineare Modellbeschreibung eine andere vorliegt, kann vorgeschlagen werden, diese in eine polynominale Beschreibung zu überführen. Durch eine solche polynominale Beschreibung kann ein nichtlineares Verhalten, nämlich insbesondere eine nichtlineare Funktion zumindest theoretisch mathematisch beliebig genau angenähert werden, wenn die Ordnung der polynominalen Beschreibung hoch genug ist. Aber auch für vergleichsweise geringe Ordnungen kann häufig eine recht gute polynominale Beschreibung angegeben werden, die jedenfalls in einem relevanten Bereich ausreichend sein kann. Die polynominale Beschreibung ist dann besonders vorteilhaft für die Umformung des Gleichungssystems in ein parameterloses oder para- meterreduziertes Prüfmodell. Bei einer Verwendung von polynominalen Differentialgleichungen lassen sich bspw. auch stark nichtlineare Funktionen, wie die vorgestellte tanh- Funktion, exakt beschreiben, ohne die Ordnung drastisch zu erhöhen, A calculation of a part can be done for the said example system so that the second subsystem is further subdivided or reduced in its system behavior, for example by a braking distance is measured as the output, if the vehicle for this was of course not measured at a standstill, from the mathematically unique can be calculated back to the resulting speed and also clearly to the resulting acceleration. Accordingly, this second subsystem could be reduced by two system orders, which would greatly simplify the transformation into a parameterless or parameter-reduced system. According to one embodiment, it is proposed that a polynomial description is used as a non-linear model description and / or that a nonlinear model description is converted into a polynomial description. Thus, it is proposed to use a polynomial description, ie in particular to describe a nonlinear function by a polynomial or a quotient of two polynomials. If there is another one for the desired nonlinear model description, it may be proposed to convert this into a polynomial description. By such a polynomial description, a nonlinear behavior, namely in particular a nonlinear function, can at least theoretically be approximated mathematically arbitrarily exactly if the order of the polynomial description is high enough. But even for comparatively small orders, a fairly good polynomial description can often be given, which can certainly be sufficient in a relevant area. The polynomial description is then particularly advantageous for the transformation of the equation system into a parameter-free or parameter-reduced test model. When using polynomial differential equations, it is also possible, for example, to describe very strongly nonlinear functions, such as the presented tanh function, without drastically increasing the order,
Vorzugsweise erfolgt das Erfassen wenigstens eines Systemausgangssignals x(t) als Reaktion des Systems auf wenigstens ein Systemeingangssignal F(t) dadurch, dass das System mit dem Systemeingangssignal angeregt wird und das wenigstens eine Systemausgangssignal gemessen wird und/oder dass ein das System beschreibendes Simulationsmodell mit dem Systemeingangssignal angeregt wird und das wenigstens eine Systemausgangssignal als Ausgangssignal des Simulationsmodells aufgenommen wird. Entsprechend wird vorgeschlagen, dass Systemeingangssignal und Systemausgangs- signal entweder durch Betreiben und Messen des Systems erhalten werden, oder durch Verwendung eines entsprechenden Simulationsmodells. Preferably, at least one system output x (t) is detected in response to the system responding to at least one system input signal F (t) by exciting the system with the system input signal and measuring at least one system output signal and / or using a simulation model describing the system the system input signal is excited and the at least one system output signal is received as an output signal of the simulation model. Accordingly, it is proposed that system input signal and system output signal be obtained either by operating and measuring the system, or by using a corresponding simulation model.
Als Systemeingangssignal zum Anregen des Systems wird vorzugsweise ein wenigstens einmal stetig differenzierbares Signal verwendet und/oder es wird ein gefiltertes nicht stetig differenzierbares Signal, bspw. ein Rauschsignal, verwendet. Diese Auswahl des Systemsignals zum Anregen des Systems berücksichtigt, dass beim Umformen des Gleichungssystems in ein parameterloses oder parameterreduziertes System häufig eine oder mehrere Ableitungen auftreten und entsprechend auch abgeleitete Systemsignale zum Anregen des Prüfmodells als Modelleingangssignale verwendet werden. Insoweit ist es vorteilhaft, das Anregungssignal bereits auf solche Anforderungen abzustimmen. Eine bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, dass beim Aufstellen des Gleichungssystems ein Teilsystem, insbesondere ein bekanntes Teilsystem des Systems durch ein von dem Teilsystem abweichendes Teilmodell als Substitutionsteilmodell berücksichtigt wird. Es wird hier also bewusst ein abweichendes Teilmodell für ein Teilsystem verwendet, um auch Rückschlüsse darüber vornehmen zu können, ob eine Systemänderung sinnvoll sein kann. Beispielsweise kann ein passives Bauelement in einem System beim Aufstellen des Gleichungssystems als aktives Bauelement berücksichtigt werden oder umgekehrt. Dadurch kann ermittelt werden, ob und wie groß der Einfluss durch diesen Wechsel des passiven Bauteils in ein aktives Bauteil bzw. umgekehrt die Gesamtsystemdyna- mik beeinflusst. Auch hier liegt der Gedanke zugrunde, dass durch das vorgeschlagene Verfahren eine möglichst parameterunabhängige Prüfung vorgenommen werden kann. Durch den Vorschlag der Umformung in das parameterlose Prüfmodell werden somit parameterbedingte Einflüsse eliminiert. Das Ergebnis der Untersuchung hängt somit nicht oder zumindest weniger von Parametern ab. Ist beispielsweise die Untersuchung unter Verwendung eines Substitutionsmodells negativ, treten also bei der Untersuchung, insbesondere bei dem Vergleich zu große Unterschiede auf, wäre dies nicht auf Parameter- ungenauigkeiten zurückzuführen, sondern es kann generell geschlossen werden, dass die untersuchte Struktur nicht richtig bzw. nicht geeignet ist. As a system input signal for exciting the system, an at least once continuously differentiable signal is preferably used and / or a filtered non-continuously differentiable signal, for example a noise signal, is used. This selection of the system signal to excite the system takes into account that when forming the equation system into a parameterless or parameter-reduced system often one or more derivatives occur and also derived system signals are used to stimulate the test model as model input signals. In that regard, it is advantageous to already tune the excitation signal to such requirements. A preferred embodiment proposes that, when setting up the system of equations, a subsystem, in particular a known subsystem of the system, is taken into account as a substitution submodel by a submodel deviating from the subsystem. Therefore, a deviating submodel for a subsystem is deliberately used in order to be able to draw conclusions as to whether a system change can make sense. For example, a passive component in a system when setting up the equation system can be considered as an active component or vice versa. In this way it can be determined whether and how great the influence of this change of the passive component into an active component or vice versa influences the overall system dynamics. Again, the idea is based on the fact that the proposed method as far as possible parameter-independent testing can be made. The proposal of the transformation into the parameterless test model thus eliminates parameter-related influences. The result of the examination thus does not depend or at least less on parameters. If, for example, the examination using a substitution model is negative, ie if too large differences occur in the examination, especially in the comparison, this would not be due to parameter inaccuracies, but it can generally be concluded that the structure under investigation is not correct or not suitable is.
Die Auslegung passiver Komponenten, wie Elastomerbauteile oder Stoßdämpfer in Kraftfahrzeugen, stellt meist einen Kompromiss dar, da nicht alle gewünschten Eigenschaften in allen Betriebszuständen erreicht werden können. The design of passive components, such as elastomer components or shock absorbers in motor vehicles, usually represents a compromise, since not all desired properties can be achieved in all operating conditions.
Dank hochintegrierter Aktoren und Fortschritten in der Regelungstechnik können passive Elemente zunehmend durch aktive Komponenten ersetzt werden, deren Charakteristik sich dynamisch im Betrieb anpassen lässt. Mit Hilfe der hier vorgestellten Methodik ist es bereits im Entwicklungsprozess möglich, eindeutig vorherzusagen, ob eine aktive Komponente prinzipiell die gleichen Eigenschaften einer passiven Komponente besitzen kann. Zusätzlich lässt sich überprüfen, ob ein gewünschtes und/oder beliebiges idealisiertes Verhalten durch eine passive oder aktive Komponente erreicht werden kann. Im Gegensatz zu bekannten, analytischen Ansätzen, ist die hier vorgestellte Methodik in der Lage, Nichtlinearitäten, wie Stellgrößenbeschränkungen, zu berücksichtigen. Numerische Grenzwerte lassen sich in das Gesamtsystem ohne Parameter integrieren und können somit berücksichtigt werden. Günstig ist es hierbei, wenn beim Aufstellen des geänderten Gleichungssystems das Substitutionsteilmodell durch ein geändertes Substitutionsteilmodell ersetzt wird. Hierdurch kann gezielt nach einem geeigneten Substitutionsmodell gesucht werden. Thanks to highly integrated actuators and advances in control technology, passive components can increasingly be replaced by active components whose characteristics can be dynamically adapted during operation. With the help of the methodology presented here, it is already possible in the development process to clearly predict whether an active component can in principle possess the same properties of a passive component. In addition, it is possible to check whether a desired and / or any idealized behavior can be achieved by a passive or active component. In contrast to known analytical approaches, the methodology presented here is capable of taking into account nonlinearities such as manipulated variable constraints. Numerical limit values can be integrated into the overall system without parameters and can thus be taken into account. It is favorable in this case if, when setting up the changed equation system, the substitution submodel is replaced by a modified substitution submodel. This makes it possible to search specifically for a suitable substitution model.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zusätz- lieh zu dem Gleichungssystem des mathematischen Modells ein dazu abweichendes Referenzgleichungssystem aufgestellt wird, wobei sich das Referenzgleichungssystem zu dem Gleichungssystem darin unterscheidet, dass es zu einem Teilmodell des Gleichungssystem ein abweichendes Substitutionsteilmodell aufweist, wobei - das Gleichungssystem und das Referenzgleichungssystem jeweils in ein parameterloses oder parameterreduziertes das System beschreibendes Prüfmodell bzw. Referenzprüfmodell umgeformt werden, die jeweils wenigstens ein Modellausgangssignal in Abhängigkeit eines oder mehrerer Modelleingangssignale beschreiben, und wobei das Vergleichen des wenigstens einen Modellausgangssignals mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal so erfolgt, dass das Prüfmodell und dasAccording to one embodiment, the method is characterized in that, in addition to the system of equations of the mathematical model, a different reference equation system is set up, wherein the reference equation system differs from the equation system in that it has a different substitution submodel for a submodel of the equation system, wherein the equation system and the reference equation system are respectively transformed into a parameter-free or parameter-reduced test system or reference test model describing at least one model output signal as a function of one or more model input signals, and wherein the at least one model output signal is compared with at least one corresponding system signal, that the test model and the
Referenzprüfmodell mit wenigstens einem gleichen Signal angeregt werden und wenigstens jeweils ein Modellausgangssignal korrespondierender Ausgänge des Prüfmodells und des Referenzprüfmodells mit einander verglichen werden. Gemäß einer Ausführungsform können alternativ die Systemeingangs- und Systemausgangssig- nale oder Modelleingangs- und Modellausgangssignale des Beschreibungsmodells oder des mathematischen Modells die Modelleingangssignale des Prüfmodells darstellen und das Modellausgangssignal ein Gütekriterium liefern. Referenzprüfmodell be excited with at least one same signal and at least in each case a model output signal corresponding outputs of the test model and the Referenzprüfmodells be compared with each other. Alternatively, in one embodiment, the system input and system output signals or model input and model output signals of the description model or the mathematical model may represent the model input signals of the test model and the model output signal may provide a quality criterion.
Bei diesem Vorschlag werden somit bewusst zwei fast gleiche Gleichungssysteme miteinander verglichen, die sich nämlich darin unterscheiden, dass das eine ein Substitutions- teilmodell statt eines entsprechenden Teilmodells aufweist. Es kann dann durch den direkten Vergleich beider Gleichungssysteme der Einfluss des Substitutionsteilmodells als Ersatz für das eigentliche Teilmodell beobachtet werden und bewertet werden. Thus, this proposal deliberately compares two systems of equations that are almost identical, which differ in that one has a substitution sub-model instead of a corresponding sub-model. It is then possible to observe and assess the influence of the substitution submodel as a substitute for the actual submodel by directly comparing both equation systems.
Vorzugsweise wird das Verfahren durch ein Computerprogrammprodukt ausgeführt, wenn dieses auf einem Computersystem oder dgl. Regeleinrichtung ausgeführt wird. Ferner umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, welches Computer- implementierbare Anweisungen aufweist, und das ausgebildet und/oder eingerichtet ist, nach dem Laden und Ausführen in einem Computersystem oder dergleichen. Regelein- richtung die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Demnach dient das Computerprogramm produkt - geladen und ausgeführt auf einem Computersystem - zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur eines zu untersuchenden Systems. Insbesondere dient das Computerprogrammprodukt zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur einer Maschine, eines Aktuators, eines Fahrzeugs oder auch eines chemischen Reaktors mit einem Computersystem oder dergleichen Regeleinrichtung. Preferably, the method is performed by a computer program product when executed on a computer system or the like. Further, the invention includes a computer program product having computer implementable instructions, and which is constructed and / or arranged after being loaded and executed in a computer system or the like. Regelein- direction to carry out the steps of the method according to the invention. Thus, the computer program product-loaded and executed on a computer system-serves to test or identify a model structure of a system to be examined. In particular, the computer program product is for testing or identifying a model structure of a machine, an actuator, a vehicle or even a chemical reactor with a computer system or similar control device.
Das das System beschreibende Prüfmodell ist insbesondere als Modell im mathematischen Sinne zu verstehen, nämlich eine Beschreibung des Systems. Entsprechend ist eine solche Beschreibung im mathematischen Sinne auch auf einem Computersystem mittels eines entsprechenden Computerprogrammproduktes, also entsprechender Software, implementierbar. Das Ergebnis der Prüfung führt zu einer Identifizierung oder zumindest zu einer Bewertung des Beschreibungsmodells. Insoweit dieses identifiziert wurde, bedeutet das auch, dass es als korrekt überprüft wurde. The test model describing the system is to be understood in particular as a model in the mathematical sense, namely a description of the system. Accordingly, such a description in the mathematical sense on a computer system by means of a corresponding computer program product, ie corresponding software, can be implemented. The result of the test leads to an identification or at least an evaluation of the description model. Insofar as this has been identified, this also means that it has been verified as correct.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren exemplarisch näher erläutert. The invention will now be explained in more detail by way of example with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying figures.
Fig. 1 zeigt eine klassische Beobachterstruktur zum Beobachten eines Systems einschließlich der Möglichkeit einer Fehlerauswertung der Qualität des verwendeten Systemmodells. Fig. 1 shows a classical observer structure for observing a system including the possibility of error evaluation of the quality of the system model used.
Fig. 2 zeigt schematisch und beispielhaft die Bewertung eines Systemmodells gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 shows schematically and by way of example the evaluation of a system model according to an embodiment of the invention.
Fig. 3 zeigt symbolisch die Erstellung und Validierung von Simulationsmodellen gemäß dem Stand der Technik. FIG. 3 symbolically shows the creation and validation of simulation models according to the prior art.
Fig. 4 zeigt symbolisch die Erstellung und Validierung von Simulationsmodellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 shows symbolically the creation and validation of simulation models according to an embodiment of the invention.
Fig. 5 veranschaulicht die grundsätzlich zugrunde liegende Problematik bei der Auswahl von Modellierungsansätzen. 5 illustrates the basic problem underlying the selection of modeling approaches.
Fig. 6 veranschaulicht Art und Probleme der Auswahl von Modellierungsansätzen gemäß dem Stand der Technik. Fig. 7 veranschaulicht die Auswahl von Modellierungsansätzen einschließlich der Probleme gemäß dem Stand der Technik. Fig. 6 illustrates the nature and problems of selecting modeling approaches according to the prior art. Figure 7 illustrates the selection of modeling approaches including the problems of the prior art.
Fig. 8 veranschaulicht die Auswahl von Modellierungsansätzen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 8 illustrates the selection of modeling approaches according to an embodiment of the invention.
Fig. 9 zeigt schematisch und beispielhaft die Bewertung eines Systemmodells gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 9 shows schematically and by way of example the evaluation of a system model according to a further embodiment of the invention.
Fig. 10 veranschaulicht eine Beobachterstruktur mit Prüfmodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 10 illustrates an observer structure with a test model according to an embodiment of the invention.
Bei einem klassischen Verfahren gemäß dem Stande der Technik wird parallel zu einem System 1 ein Beobachter 2 mit einem Modell des Systems parallel geschaltet. Das System 1 und der Beobachter 2 erhalten dasselbe Systemeingangssignal F(t). Als Ergebnis gibt das System 1 das Systemausgangssignal x(t) aus. Der Beobachter 2 und damit das enthaltene Systemmodell gibt ebenfalls ein Ausgangssignal x(f ) aus, das im Idealfall mit dem Systemausgangssignal x(t) identisch ist. Üblicherweise ist von diesem Idealfall aber nicht auszugehen und es wird eine Differenz zwischen dem Systemausgangssignal x(t) und dem Modellausgangssignal x(f) in der Summationsstelle 4 gebildet. Das Ergebnis dieser Differenzbildung wird Beobachtungsfehler x(f ) genannt. Dieser Beobachtungsfehler wird in den Beobachter 2 zurückgeführt und abhängig von dem Beobachtungsfehler wird das Systemmodell hinsichtlich seiner Zustände angepasst, nämlich derart, dass der Beobachtungsfehler x(f) möglichst minimiert wird. Diese Anpassung dient eigentlich dazu, unbekannte Anfangszustände des Systemmodells auszugleichen. Insoweit schließlich immer noch ein verbleibender Beobachtungsfehler verbleibt, muss der auf ein fehlerhaftes Systemmodell zurückzuführen sein, was in dem Fehlerbewertungsblock 6 ausgewertet werden kann. In a conventional method according to the prior art, parallel to a system 1, an observer 2 is connected in parallel with a model of the system. The system 1 and the observer 2 receive the same system input signal F (t). As a result, the system 1 outputs the system output signal x (t). The observer 2 and hence the contained system model also outputs an output signal x (f), which is ideally identical to the system output signal x (t). Usually, however, this ideal case can not be assumed and a difference between the system output signal x (t) and the model output signal x (f) in the summation point 4 is formed. The result of this difference is called observation error x (f). This observation error is fed back into the observer 2 and, depending on the observation error, the system model is adapted with regard to its states, namely such that the observation error x (f) is minimized as far as possible. This adjustment actually serves to compensate for unknown initial states of the system model. Insofar as a remaining observation error still remains, it must be due to a faulty system model, which can be evaluated in the error evaluation block 6.
Das in dem Beobachter 2 enthaltene Systemmodell muss hinsichtlich Struktur und Parameter festgelegt sein, damit es wie in Fig. 1 gezeigt dem System 1 parallel geschaltet werden kann. Sowohl falsche Parameter als auch falsche Strukturen des Systemmodells führen zu einem Modellausgang x(f) , das von dem Systemausgang x(t) abweicht. Inwieweit eine Abweichung auf Parameter oder auf Strukturen des Systemmodells zurückzuführen sind, ist schwierig oder gar nicht verifizierbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Struktur gemäß Fig. 2 vorgeschlagen. Zur Veranschaulichung ist hier ein konkretes Beispiel gezeigt, dem die oben angeführten Gleichungen 1 bis 3 zugeordnet sind. The system model contained in the observer 2 must be defined in terms of structure and parameters so that it can be connected in parallel to the system 1 as shown in FIG. Both wrong parameters and wrong structures of the system model lead to a model output x (f) that deviates from the system output x (t). The extent to which a deviation is due to parameters or structures of the system model is difficult or impossible to verify. According to a further embodiment, a structure according to FIG. 2 is proposed. By way of illustration, a concrete example is shown here, to which the above-mentioned equations 1 to 3 are assigned.
Auch diese Struktur geht von einem System 1 aus, das mit dem System 1 der Fig. 1 identisch sein kann. Ebenfalls wird von einem Systemmodell zum Beschreiben des Systems ausgegangen, das hier als Beschreibungsmodell bezeichnet wird. Zu diesem Beschreibungsmodell wird die Gleichung 1 aufgestellt, nämlich: m x(t) - F(t) = 0 This structure is also based on a system 1 which may be identical to the system 1 of FIG. It is also assumed that a system model for describing the system, which is referred to here as a description model. Equation 1 is set up for this description model, namely: m x (t) -F (t) = 0
Dieses Gleichungssystem, dem ein Beschreibungsmodell zugrunde liegt, wird dann aber in ein parameterloses Prüfmodell umgeformt. Dabei braucht das Beschreibungsmodell nicht zusätzlich in anderer Form dargestellt zu werden, sondern die Darstellung als Gleichungssystem ist ausreichend. Das Prüfmodell wird dann durch die Gleichung 3 für dieses Beispiel wiedergegeben, nämlich durch: This equation system, which is based on a description model, is then transformed into a parameterless test model. In this case, the description model does not need to be additionally presented in a different form, but the representation as a system of equations is sufficient. The test model is then represented by Equation 3 for this example, namely by:
F(t) = ^{t) ' F (t) = ^ {t) '
x(t) Dieses umgeformte Gleichungssystem bzw. diese umgeformte Gleichung beschreibt somit das Prüfmodell 10, was durch den Block 10 mit enthaltener obiger Gleichung 3 gezeigt ist.  x (t) This transformed equation system or equation thus describes the test model 10, which is shown by the block 10 with the above equation 3 included.
Dieses Prüfmodell 10 enthält somit ebenfalls Informationen über die Struktur des Beschreibungsmodells, allerdings ohne Parameter. Durch diese Umformung in die parame- terlose Form, die das Prüfmodell 10 in dem Block 10 zeigt, sind somit Informationen über die Struktur des Beschreibungsmodells erhalten geblieben, wohingegen die Parameter und damit die Parametereinflüsse eliminiert wurden. This test model 10 thus also contains information about the structure of the description model, but without parameters. As a result of this transformation into the parameterless form which the test model 10 displays in the block 10, information about the structure of the description model has thus been preserved, whereas the parameters and thus the parameter influences have been eliminated.
Dabei unterscheiden sich nun die Eingänge und der Ausgang des Prüfmodells 10. Es können grundsätzlich ein oder mehrere Eingangssignale und ein oder mehrere Aus- gangssignale des Prüfmodells 10 vorhanden sein. Diese hängen von dem Eingang und dem Ausgang des dynamischen Systems 1 , das ebenfalls mehrere Eingänge und/oder mehrere Ausgänge haben könnte, ab. In this case, the inputs and the output of the test model 10 differ. In principle, one or more input signals and one or more output signals of the test model 10 can be present. These depend on the input and output of the dynamic system 1, which could also have multiple inputs and / or multiple outputs.
Um das Prüfmodell 10 zu prüfen, werden die Signalgrößen benötigt, die dem umgeformten Gleichungssystem bzw. der umgeformten Gleichung zu entnehmen sind, nämlich im gezeigten Beispiel die zweite und dritte Ableitung des Systemausgangssignals und die erste Ableitung des Systemeingangssignals als Eingangsgrößen des Prüfmodells 10. Diese Größen werden durch den Differentiationsblock 12 aus dem Systemeingangssignal F(t) und dem Systemausgangssignal x(t) erzeugt und dann dem Prüfmodell als Modell- eingangssignale eingegeben. Anstelle eines Differentiationsblocks 12 kommt auch, je nach System bzw. je nach zugrunde gelegtem Beschreibungsmodell ein anderer Berechnungsblock in Betracht. Auch können anstelle oder zusätzlich zu diesem Systemausgangssignal x(t) andere Systemsignale einfließen und berücksichtigt werden. In order to check the test model 10, the signal quantities which are to be taken from the transformed equation system or the transformed equation are required, namely The second and third derivatives of the system output signal and the first derivative of the system input signal are input variables of the test model 10. These quantities are generated by the differentiation block 12 from the system input signal F (t) and the system output signal x (t) and then presented to the test model as a model. entered input signals. Instead of a Differentiationsblocks 12 also comes, depending on the system or depending on the underlying description model another calculation block into consideration. Also, instead of or in addition to this system output signal x (t), other system signals may be included and taken into account.
Das Prüfmodell 10 gibt dann im gezeigten Beispiel das Systemeingangssignal bzw. ein zu diesem Systemeingangssignal F(t) korrespondierenden Signal aus, nämlich als Modellausgangssignal. Dieses Modellausgangssignal wird dann mit dem Systemeingangssignal in dem Vergleichsblock 16 verglichen und der resultierende Fehler bewertet. In die Bewertung fließt somit nur die zugrunde gelegte Struktur des Beschreibungsmodells ein. Parameter fließen nicht ein und können daher auch die Fehlerbewertung in dem Vergleichsblock 16 nicht beeinträchtigen. The test model 10 then outputs the system input signal or a signal corresponding to this system input signal F (t) in the example shown, namely as a model output signal. This model output is then compared to the system input signal in the comparison block 16 and the resulting error is evaluated. Thus, only the underlying structure of the description model is included in the evaluation. Parameters are not included and therefore can not affect the error evaluation in the comparison block 16.
Fig. 3 veranschaulicht eine Möglichkeit der Erstellung und Validierung von Simulationsmodellen gemäß dem Stand der Technik. Hierfür wird ein gemeinsames Anregungssignal 20 generiert und wirkt dann sowohl auf das zu untersuchende System 1 , das auch ein Versuchsstand sein kann, und das Anregungssignal 20 wirkt auf das Simulationsmodell 22. Das Simulationsmodell 22 beinhaltet sowohl Systemparameter 24 als auch Systemgleichungen oder zumindest eine Systemgleichung 26. Die Systemparameter können beispielsweise aus Datenblättern des zu untersuchenden Systems 1 gewonnen werden oder durch numerische Identifikation. In jedem Fall ist mit ungenauen und/oder idealisierten numerischen Werten und mit Streuungen zu rechnen. Die hieraus resultierenden Fehler bzw. der hieraus resultierende grundsätzliche Fehler ist somit ein Parameterfehler. FIG. 3 illustrates one way of creating and validating simulation models according to the prior art. For this purpose, a common excitation signal 20 is generated and then acts both on the system to be examined 1, which may also be a test stand, and the excitation signal 20 acts on the simulation model 22. The simulation model 22 includes both system parameters 24 and system equations or at least one system equation 26th The system parameters can be obtained, for example, from data sheets of the system 1 to be examined or by numerical identification. In any case, inaccurate and / or idealized numerical values and scattering are to be expected. The resulting errors or the resulting fundamental error is thus a parameter error.
Weiterhin werden Systemgleichungen benötigt, die die Struktur des Systems angeben und hierbei besteht das Problem, dass unzureichende oder falsche Strukturen der Gleichungen oder generell ein falscher Modellansatz zu einem Strukturfehler führen kann. Furthermore, system equations are needed which indicate the structure of the system and there is the problem that insufficient or incorrect structures of the equations or, in general, a wrong model approach can lead to a structural error.
Das so betriebene und erstellte Simulationsmodell 22 gibt dann eine simulierte System- antwort 28 aus. Diese wird mit der gemessenen Systemantwort 30, die als Ausgangssignal des Systems 1 gemessen wurde, verglichen. Das Ergebnis 32 des Vergleichs ist symbolisch als eine Überlagerung der simulierten Systemantwort 28 mit der gemessenen Systemantwort 30 dargestellt. Hierin ergeben sich in der Realität Abweichungen, die sowohl zurückgehen können auf Fehler in numerischen Werten der Parameter und somit auf Parameterfehler, als auch auf Fehler in der Struktur des Simulationsmodells, nämlich Strukturfehler. The simulation model 22 operated and created in this way then outputs a simulated system response 28. This is compared with the measured system response 30, which was measured as the output signal of the system 1. The result 32 of the comparison is shown symbolically as a superimposition of the simulated system response 28 with the measured system response 30. This results in deviations in reality, which can go back both to errors in numerical values of the parameters and thus to parameter errors, as well as to errors in the structure of the simulation model, namely structural errors.
Mit bisherigen Werkzeugen ist schwer zu beantworten, ob der Fehler auf Parameterfehler und/oder auf Strukturfehler zurückgeht. Um dennoch eine solche Fehlerauswertung durchzuführen, sind aufwändige manuelle Parameterstudien erforderlich, um den Parameterfehler zu finden und zu minimieren. Für den Strukturfehler sind häufig aufwändige manuelle Erweiterungen der Modellstruktur einschließlich erforderlicher Parametrierun- gen nötig, bis sich Abweichungen hierdurch verkleinern. Fig. 4 zeigt das Erstellen und Validieren von Simulationsmodellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der dort gezeigten Art und Weise können auch Beschreibungsmodelle und/oder mathematische Modelle erstellt und validiert werden. Auch hier wird das System 1 durch ein Anregungssignal 20 angeregt, was zu einer gemessenen Systemantwort 30 führt, wobei das Anregungssignal 20 und entsprechend auch die gemessene Systemantwort zu denen gemäß Fig. 3 abweichen können. Ebenfalls werden Systemgleichungen 26 des Systems zugrunde gelegt, die eine unzureichende oder falsche Struktur als Problem dieser Gleichungen haben könnten. Diese Systemgleichungen können also auch einen Strukturfehler aufweisen. Es wird nun aber vorgeschlagen, dass diese Systemgleichungen oder Systemgleichung in die parameterfreie Form trans- formiert wird, die hier als Prüfmodell 10 zugrunde gelegt ist und entsprechend dem Prüfmodell 10 gemäß Fig. 2 entsprechen kann. Das Prüfmodell 10 ist entsprechend im Wesentlichen abhängig von dem zugrunde gelegten System. Das Prüfmodell 10 bzw. die darin enthaltene zugrunde gelegte Beschreibung kann auch als strukturelle Systemgleichung oder strukturelle Systemgleichungen bezeichnet werden, die zu einer Entkopplung von numerischen Parametern führt. With previous tools, it is difficult to answer whether the error is due to parameter errors and / or structural errors. However, in order to perform such an error evaluation, elaborate manual parameter studies are required to find and minimize the parameter error. The structural error often requires time-consuming manual extensions of the model structure, including the necessary parameter settings, until deviations diminish. 4 shows the creation and validation of simulation models according to an embodiment of the invention. In the manner shown there, description models and / or mathematical models can also be created and validated. Again, the system 1 is excited by an excitation signal 20, resulting in a measured system response 30, wherein the excitation signal 20 and correspondingly also the measured system response to those of FIG. 3 may differ. System equations 26 of the system are also used, which could have an insufficient or incorrect structure as a problem of these equations. These system equations can also have a structural error. However, it is now proposed that these system equations or system equations are transformed into the parameter-free form, which is used here as the test model 10 and can correspond to the test model 10 according to FIG. 2. The test model 10 is accordingly essentially dependent on the underlying system. The test model 10 or the underlying description contained therein can also be referred to as a structural system equation or structural system equations, which leads to a decoupling of numerical parameters.
In dieses Prüfmodell 10 fließt sowohl das Anregungssignal 20 als auch die gemessene Systemantwort 30 ein. Das resultierende Ausgangsmodellsignal des Prüfmodells 10, das hier als Modellausgangssignal 34 bezeichnet wird, wird dann einem Fehlerkriterium bzw. Fehlerkriteriumblock 36 zugeführt. Das Ergebnis wird dem Auswerteblock 38 zugeführt. In dem Auswerteblock 38 kann eine qualitative und quantitative Bewertung erfolgen. Vereinfachend wird hier in dem Auswerteblock 38 zur Veranschaulichung aber zwischen zwei Möglichkeiten unterschieden, nämlich der Möglichkeit 38A, dass die Systemgleichungen 26 richtig sind, das Fehlerkriterium also erfüllt ist, etwaige Abweichungen also gering sind, oder der Möglichkeit 38B, dass die Systemgleichungen falsch sind, das Fehlerkriterium also nicht erfüllt wurde. Wenn die Systemgleichungen richtig sind, sich gleichwohl bei dem Vergleich zwischen System und Beschreibungsmodell gravierende Fehler ergeben, also insbesondere bei einem Vergleich wie er schließlich in Fig. 3 mit dem Vergleich 32 veranschaulicht wird, bedeutet dies, dass die Parameter fehlerhaft sein müssen. Es muss also ein Parameterfehler vorliegen. Haben sich die Systemgleichungen aber als falsch herausgestellt, liegt jedenfalls zunächst ein Strukturfehler vor. Ein Parameterfehler kann zwar nach wie vor vorliegen, die Systemgleichungen können jedoch weiter verbessert werden, bis die Systemgleichungen nicht mehr falsch sind. Dies kann in dem Schema gemäß Fig. 4 erfolgen, wenn die Systemgleichungen geändert werden und der gezeigte Vorgang wiederholt wird. Hierdurch kann auch eine deutliche Effizienzsteigerung im Isolationsprozess erreicht werden, weil es möglich wird, zunächst einen strukturellen Fehler parameterunabhängig zu adressieren. Both the excitation signal 20 and the measured system response 30 flow into this test model 10. The resulting output model signal of the test model 10, referred to herein as the model output signal 34, is then fed to an error criterion block 36. The result is fed to the evaluation block 38. In the evaluation block 38, a qualitative and quantitative assessment can be made. To simplify matters, the evaluation block 38 distinguishes between two possibilities, namely the possibility 38A that the system equations 26 are correct, the error criterion is therefore satisfied, any deviations are therefore small, or the possibility 38B that the system equations are wrong, the error criterion was not fulfilled. If the system equations are correct, yourself However, in the comparison between system and description model result in serious errors, ie in particular in a comparison as he is finally illustrated in Fig. 3 with the comparison 32, this means that the parameters must be incorrect. So there must be a parameter error. However, if the system equations prove to be wrong, then at least a structural error is present. Although a parameter error can still exist, the system equations can be further improved until the system equations are no longer wrong. This can be done in the scheme of FIG. 4 when the system equations are changed and the process shown is repeated. As a result, it is also possible to achieve a significant increase in efficiency in the isolation process, because it becomes possible first of all to address a structural error independently of the parameters.
Fig. 5 soll anhand eines konkreten Beispiels, nämlich eines Stoßdämpfers, die zugrunde liegende Problematik beispielhaft näher erläutern. Fig. 5 zeigt symbolisch einen solchen Stoßdämpfer 50, der ein federndes Element 52 und ein dämpfendes Element 54 aufweist, über die das symbolisch dargestellte Rad 56 an dem Fahrzeug 58 befestigt ist. Dieser Stoßdämpfer soll in einer Simulation abgebildet werden. Möglichst soll ein bester Kompromiss zwischen Genauigkeit und Komplexität des Modells gefunden werden. FIG. 5 is intended to illustrate the underlying problem by way of example with reference to a concrete example, namely a shock absorber. Fig. 5 shows symbolically such a shock absorber 50, which has a resilient element 52 and a damping element 54, via which the symbolically illustrated wheel 56 is fixed to the vehicle 58. This shock absorber is to be mapped in a simulation. If possible, a best compromise between accuracy and complexity of the model should be found.
Exemplarisch sind zwei Modellansätze, nämlich Modellansatz A und Modellansatz B gezeigt. Es wird also ein Modell A oder Modell B zugrunde gelegt, die somit jeweils ein Beschreibungsmodell A bzw. B bilden. Es soll ein Modellierungsansatz ausgewählt werden und hierzu ist die Frage zu beantworten, welches Modell am besten geeignet ist. By way of example, two model approaches, namely model approach A and model approach B are shown. It is therefore based on a model A or model B, which thus each form a description model A and B respectively. A modeling approach should be selected and the answer to this question is which model is most appropriate.
Beide Modellansätze zeigen eine Charakteristik des Stoßdämpfers, nämlich die Dämpfungskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, wobei beide Modellansätze von einem funktionalen Zusammenhang ausgehen, der in beiden Fällen nichtlinear ist. Both model approaches show a characteristic of the shock absorber, namely the damping force as a function of the speed, whereby both model approaches assume a functional relationship, which is nonlinear in both cases.
Der Modellansatz A ist wohl eine gute aber nicht perfekte Abbildung der gemessenen Ergebnisse. Der Modellansatz A verwendet auch wenige Parameter und dürfte einfach zu parametrieren sein. The model approach A is probably a good but not perfect representation of the measured results. Model A also uses a few parameters and should be easy to parameterize.
Der Modellansatz B ist vermutlich eine bessere Abbildung der gemessenen Ergebnisse, weist aber viele Parameter auf und ist stark nichtlinear, nämlich stärker als der Modellansatz A. Der Modellansatz B dürfte somit schwierig zu parametrieren sein. Hierbei sind zum einen numerische Probleme wahrscheinlich und zum anderen besteht auch die Gefahr, dass entsprechende Parameter nicht verfügbar sind. The model approach B is probably a better representation of the measured results, but has many parameters and is highly nonlinear, namely stronger than the model approach A. The model approach B should therefore be difficult to parameterize. Here are On the one hand, there are likely to be numerical problems and, on the other hand, there is a risk that corresponding parameters will not be available.
Gemäß dem Stand der Technik wurde bisher so vorgegangen, dass zunächst mit dem möglichst einfachen Modell, nämlich Modellansatz A begonnen wird, um die Frage zu beantworten, welcher Modellansatz am besten geeignet ist. Dieser Start mit Modellansatz A ist in Fig. 6 veranschaulicht. Entsprechend wird zu diesem Modellansatz A bzw. entsprechend zu dem Modell A eine Systemgleichung bzw. die Systemgleichungen 26 aufgestellt und mit Systemparametern 24 parametriert, was beispielsweise durch Datenblätter oder numerische Identifikation erfolgen kann. Entsprechend werden diese Para- meter den Systemgleichungen zugeordnet, sodass die Systemgleichungen dann parametriert sind und getestet werden können. Diese Systemgleichungen beinhalten dabei den einfachen Modellansatz A. Dieser wird mit dem Anregungssignal 20 angeregt und das erhaltene Simulationsergebnis wird mit einer entsprechenden Messung in dem Vergleich 32 verglichen. Als Ergebnis dürften Abweichungen zwischen Messung und Simulation vorhanden sein, wie durch den Ergebnisblock 40 angedeutet ist. According to the state of the art, the procedure has hitherto been to start with the model which is as simple as possible, namely model approach A, in order to answer the question as to which model approach is most suitable. This start with model approach A is illustrated in FIG. Accordingly, a system equation or the system equations 26 is set up for this model approach A or corresponding to the model A and parameterized with system parameters 24, which can be done for example by data sheets or numerical identification. Accordingly, these parameters are assigned to the system equations, so that the system equations are then parameterized and can be tested. These system equations include the simple model approach A. This is excited with the excitation signal 20 and the resulting simulation result is compared with a corresponding measurement in the comparison 32. As a result, deviations between measurement and simulation should be present, as indicated by the result block 40.
Der Vorteil von diesem einfachen Modell A ist insbesondere, dass eine Parametrierung des Modells durch Datenblätter, numerische Systemidentifikation und/oder numerische Optimierung der Parameter oftmals auf einfache Art und Weise durchgeführt werden kann. Dabei ist dieses Modell relativ einfach, weist geringe Nichtlinearitäten und keine redundanten Parameter auf. The advantage of this simple model A is in particular that parameterization of the model by data sheets, numerical system identification and / or numerical optimization of the parameters can often be carried out in a simple manner. This model is relatively simple, has low non-linearities and no redundant parameters.
Der Ergebnisblock 40 veranschaulicht dabei, dass allerdings Abweichungen vorhanden sind. Es stellt sich nun die Frage, ob ein komplexes Modell Vorteile bietet, die den deutlich höheren Aufwand bei der Erstellung rechtfertigen. The result block 40 illustrates that deviations are present, however. The question now arises as to whether a complex model offers advantages that justify the significantly higher effort involved in the creation.
Um das zu testen, muss das komplexere Modell getestet werden, was die Fig. 7 veran- schaulicht. Dort ist ebenfalls eine Systemgleichung 26 bzw. Systemgleichungen 26 aufzustellen bzw. auszuwählen und mittels der Systemparameter 24 zu parametrieren, was durch Datenblätter oder numerische Identifikation oder Optimierung der Parameter erfolgen kann. Die Systemgleichung 26 und die Systemparameter 24 werden hier allerdings andere Werte annehmen als in der Fig. 6 und zur Verdeutlichung der Zusammen- hänge sind hier dennoch gleiche Bezugszeichen gewählt worden. To test this, the more complex model has to be tested, which is shown in FIG. 7. There is also a system equation 26 or system equations 26 set up or select and parameterize by means of the system parameters 24, which can be done by data sheets or numerical identification or optimization of the parameters. The system equation 26 and the system parameters 24 will, however, assume different values here than in FIG. 6, and to clarify the relationships, the same reference numerals have nevertheless been selected here.
Eine Anregung erfolgt nun ebenfalls durch das gemessene Anregungssignal 20, wobei nun der komplexere Modellansatz B zugrunde liegt. Bei dem Vergleich des erhaltenen Simulationsergebnisses mit Messwerten des Systems können immer noch Abweichun- gen zwischen Messung und Simulation vorliegen, was der Ergebnisblock 40 veranschaulicht. Die Ursache für Abweichungen muss in der Systemgleichung 26 und der Paramet- rierung 24 gesucht werden. Es ist aber nicht klar, ob der Modellansatz immer noch nicht ausreichend ist, oder ob noch immer eine falsche oder unzureichende Parametrierung vorliegt. Diese Unsicherheit liegt auch nicht zuletzt darin, dass bei erkannten Abweichungen in dem Ergebnisblock 40 nicht sichergestellt werden kann, dass tatsächlich die bestmögliche Parametrierung zugrunde gelegen hat. Mit dieser Unsicherheit bleibt auch die Frage, ob sich der Aufwand überhaupt gelohnt hat. Dabei kann ein solcher komplexer Ansatz numerischer Probleme bei der numerischen Identifikation der Parameter haben; eine globale Optimierung der Parameter kann sehr schwer sein; dadurch können sehr hohe Kosten bei der Modellerstellung mit ungewissem Ergebnis entstehen. Letztlich ist dieser komplexe Modellansatz auch schwer oder nicht eindeutig identifizierbar, was zu diesen Problemen führen kann. An excitation is now also carried out by the measured excitation signal 20, whereby now the complex model approach B is based. When comparing the obtained simulation result with measured values of the system, deviations may still occur. gene between measurement and simulation, which the result block 40 illustrates. The cause of deviations must be searched in the system equation 26 and the parameterization 24. However, it is not clear whether the model approach is still insufficient, or whether there is still an incorrect or inadequate parameterization. Not least of all, this uncertainty lies in the fact that if deviations are detected in result block 40, it can not be ensured that the best possible parameterization actually took place. With this insecurity remains the question of whether the effort has ever paid off. Such a complex approach may have numerical problems in the numerical identification of the parameters; a global optimization of the parameters can be very difficult; This can result in very high costs for model creation with an uncertain result. Ultimately, this complex model approach is also difficult or not clearly identifiable, which can lead to these problems.
Ein Lösungsvorschlag gemäß einer Ausführungsform ist in Fig. 8 verdeutlich. Demnach werden Gleichungssysteme für den Modellansatz A und den Modellansatz B aufgestellt und jeweils in parameterfreie Form transformiert und führen jeweils zu einem Prüfmodell 10 bzw. einem entsprechenden Gleichungssystem bzw. entsprechender Gleichung. Fig. 8 zeigt zwei Prüfmodelle 10, die unterschiedlich zueinander ausfallen, zur Verdeutlichung ihrer funktionalen Ähnlichkeit aber dasselbe Bezugszeichen tragen. Beide Prüfmodelle 10 weisen nämlich strukturelle Systemgleichungen auf, bei denen eine Entkopplung von numerischen Parametern erfolgt ist. A proposed solution according to one embodiment is illustrated in FIG. 8. Accordingly, equation systems for model approach A and model approach B are set up and respectively transformed into parameter-free form and lead in each case to a test model 10 or a corresponding equation system or corresponding equation. FIG. 8 shows two test models 10 which are different from one another but have the same reference number to illustrate their functional similarity. Both test models 10 have structural system equations in which a decoupling of numerical parameters has taken place.
Messsignale des realen Systems, nämlich ein Anregungssignal 20 und die gemessene Systemantwort 30 werden zur Überprüfung der strukturellen Systemgleichungen der beiden Prüfmodelle 10 verwendet. Dieses Anregungssignal 20 und die gemessene Systemantwort 30 kann beispielsweise in einer Art und Weise in das Prüfmodell 10 einfließen, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, wobei hier andere Systemgleichungen zugrunde liegen. Der Einfachheit halber veranschaulicht Fig. 8, dass das Anregungssignal 20 und die gemessene Systemantwort 30 in das Fehlerkriterium 36 einfließen. Insoweit ist die Veranschaulichung der Fig. 8 vereinfacht dargestellt und soll lediglich zum Aus- druck bringen, dass zur Überprüfung beider Prüfmodelle 10 und der nachgeschalteten Auswertung über das Fehlerkriterium 36 das Anregungssignal 20 und die gemessene Systemantwort 30 einfließen. Der Ergebnisblock 42 soll verdeutlichen, dass eine eindeutige, schnelle Entscheidung, welcher Modellierungsansatz verfolgt werden sollte, herbeigeführt werden kann. Durch die parameterlose Untersuchung und das zugrunde gelegte Kriterium im Fehlerkriteriumblock 36 wird eine solche Entscheidung möglich, begünstigt sie zumindest. Der Ansatz, der hierbei, nämlich bei der Auswertung mittels Fehlerkriteri- um im Fehlerkriteriumblock 36 als besser abschneidet, kann insoweit auch als besser angesehen werden, weil die Unsicherheit, dass das bessere Ergebnis möglicherweise an einer besseren Parametrierung liegt, nicht gegeben ist. Überhaupt ermöglicht eine solche parameterlose Untersuchung auch erst oder zumindest besser ein absolutes Fehlerkrite- rium zugrunde zu legen. Measurement signals of the real system, namely an excitation signal 20 and the measured system response 30 are used to check the structural system equations of the two test models 10. For example, this excitation signal 20 and the measured system response 30 may be included in the test model 10 in a manner as illustrated in FIG. 2, based on other system equations. For the sake of simplicity, FIG. 8 illustrates that the excitation signal 20 and the measured system response 30 are included in the error criterion 36. In that regard, the illustration of FIG. 8 is shown in simplified form and is merely intended to express that the excitation signal 20 and the measured system response 30 are included in order to check both test models 10 and the subsequent evaluation via the error criterion 36. The result block 42 should make it clear that a clear, fast decision as to which modeling approach should be pursued can be brought about. The parameterless examination and the underlying criterion in the error criterion block 36 makes such a decision possible, at least favors it. The approach used here, namely in the evaluation by means of error criteria can be considered better in the error criteria block 36, as far as the uncertainty that the better result may be due to a better parameterization, is not given. In fact, such a parameter-free examination also makes it possible, or at least better, to base it on an absolute error criterion.
Im Gegensatz zu bisherigen Methoden des Standes der Technik, insbesondere wie sie in Fig. 6 und 7 beschrieben sind, ist nun lediglich ein reales Messsignal notwendig. Im beschriebenen Stand der Technik werden viele unterschiedliche Messungen für Validierung und Modellauswahl verwendet. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn ein Mo- dellansatz mehrfach variiert werden muss, um die Parameter möglichst genau anzupassen. Es ist eine deutliche Effizienzsteigerung im Simulationsprozess möglich. In contrast to previous methods of the prior art, in particular as described in FIGS. 6 and 7, only a real measuring signal is now necessary. In the prior art described, many different measurements are used for validation and model selection. This is the case in particular when a model approach has to be varied several times in order to adapt the parameters as precisely as possible. There is a significant increase in efficiency in the simulation process possible.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Darstellung entspricht der Fig. 2, auf die hiermit verwiesen wird und wobei zur Verdeutlichung der Ähnlichkeiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Allerdings liegt ein anderes Prüfmodell 10 zugrunde, das statt eines Modellausgangssignals, das einem Systemsignal entspricht, eine Gütefunktion oder ein Gütesignal G ausgibt. Das Signal F(t) geht nun als weitere Eingangsgröße in das Prüfmodell 10 ein und kann zur Berechnung des Gütesignals verwendet werden. Das Gütesignal kann eine einzelne Größe oder eine Zeitfunktion und/oder ein Mehrgrößensignal sein. Jedenfalls ist das Gütesignal, das auch als Güte- funktion bezeichnet werden kann, bereits das Ergebnis einer Auswertung oder Vorauswertung in dem Prüfmodell 10. Das Gütesignal G wird dann in den Block 16 zur endgültigen Auswertung eingegeben. Der Block 16 kann einen Vergleichsblock 16 bilden, in dem das Gütesignal mit einem Vergleichswert verglichen wird, oder es kann in dem Block 16 eine andere Auswertung durchgeführt werden. Fig. 10 entspricht im Wesentlichen der Struktur der Fig. 1 , wobei der Beobachter 2 aber über eine weitere Funktionalität verfügt, nämlich über ein integriertes Prüfmodell. Das Prüfmodell kann zur Überprüfung des Modells dienen, das dem Beobachter zugrunde liegt. Es lässt sich zeigen, dass bei der parameterlosen Beschreibung dieses exemplarischen Systems der Parameter m in die Anfangswerte des Systems transformiert werden kann. Bei einer fehlerlosen Beschreibung der Struktur des Systems müsste der Beobachterfehler deshalb verschwinden, da die unbekannten Anfangswerte ausgeglichen werden. Eine Ausführungsform dieser Erfindung kann hierdurch mit Hilfe von Beobachtern die Modellstruktur verifizieren. Es ist somit eine Verifizierung der im Beobachter zugrunde gelegten Struktur möglich, selbst wenn der Beobachter dabei Parameterfehler aufweist. Als allgemeine Aussage, losgelöst von den gezeigten Ausführungsformen ist noch darauf hinzuweisen, dass Simulationsmodelle gemäß dem Stande der Technik unter anderem aufgrund der geforderten Ergebnisgüte, der Einsatzbreite als Modelle sowie der verfügbaren Rechenleistung eine hohe Komplexität besitzen. Dennoch sind in vielen Anwendungsbereichen, wie Echtzeitsimulation, Regelungstechnik, Systemüberwachung etc. reduzierte Modelle notwendig. Für lineare Systeme sind sehr gute Methoden zur Modellreduktion verfügbar, für nichtlineare Systeme sind nur wenige Ansätze bekannt. Fig. 9 shows a further embodiment of the invention. The illustration corresponds to FIG. 2, to which reference is hereby made and where the same reference numerals are used to illustrate the similarities. However, another test model 10 is based on outputting a quality function or a quality signal G instead of a model output signal which corresponds to a system signal. The signal F (t) now enters the test model 10 as a further input variable and can be used to calculate the quality signal. The quality signal may be a single size or a time function and / or a multivariate signal. In any case, the quality signal, which can also be referred to as a quality function, is already the result of an evaluation or preliminary evaluation in the test model 10. The quality signal G is then input to the block 16 for final evaluation. The block 16 can form a comparison block 16, in which the quality signal is compared with a comparison value, or another evaluation can be carried out in the block 16. FIG. 10 essentially corresponds to the structure of FIG. 1, but the observer 2 has another functionality, namely an integrated test model. The test model can serve to validate the model underlying the observer. It can be shown that in the parameterless description of this exemplary system, the parameter m can be transformed into the initial values of the system. For a faultless description of the structure of the system, the observer error would therefore have to disappear, since the unknown initial values are compensated. An embodiment of this invention can thereby verify the model structure with the aid of observers. Thus, a verification of the structure used in the observer is possible, even if the observer thereby has parameter errors. As a general statement, detached from the embodiments shown, it should be pointed out that simulation models according to the state of the art have a high degree of complexity due, inter alia, to the required quality of results, the breadth of use as models and the available computing power. Nevertheless, in many areas of application, such as real-time simulation, control engineering, system monitoring, etc., reduced models are necessary. For linear systems very good methods for model reduction are available, for nonlinear systems only a few approaches are known.
Mit der hier vorgestellten Methode kann die notwendige Struktur der mathematischen Modelle auf ein Minimum reduziert werden, indem sukzessive Elemente hinzugefügt und/oder entfernt werden. Anschließend wird überprüft, ob die Struktur Mess- oder Simulationsdaten weiterhin erfüllen kann. Zusätzlich ist die Bewertung der Sensitivität einzelner Elemente und damit die Kontrolle von Abweichungen möglich. Da die Bewertung der Elementsensitivität ausschließlich auf der Basis der Modellstruktur, entkoppelt vom Parametersatz erfolgt, muss ihr dabei keine aufwändige Parametersatzoptimierung, die zusätzliche numerische Probleme verursacht, vorausgehen. Die Modellreduktion wird dadurch deutlich effizienter. With the method presented here, the necessary structure of the mathematical models can be reduced to a minimum by adding and / or removing successive elements. It then checks whether the structure can continue to fulfill measurement or simulation data. In addition, the evaluation of the sensitivity of individual elements and thus the control of deviations is possible. Since element sensitivity is evaluated on the basis of the model structure only, decoupled from the parameter set, it does not require complex parameter set optimization, which causes additional numerical problems. The model reduction becomes much more efficient.
Die Dynamik komplexer Systeme lässt sich oftmals durch vereinfachte Ersatzmodeile, beispielsweise in Form phänomenologischer Modelle, annähern. Dabei ist insbesondere die Überprüfung der gewählten Systemstruktur schwierig. Typischerweise werden die freien Parameter des Systems nach der Festlegung der Systemstruktur mit numerischen Verfahren optimiert. Anschließend erfolgt der Vergleich mit gemessenen Daten oder mit Simulationsdaten anderer Modelle desselben Systems. Bei der numerischen Optimierung werden oft unzureichende Ergebnisse erzielt. Die Ursache kann einerseits darin liegen, dass das globale Minimum für den zu optimierenden Parametersatz, beispielsweise durch eine hohe Anzahl lokaler Minima, nicht identifiziert werden kann. Andererseits besteht die Möglichkeit, dass die gewählte Modellstruktur die numerischen Daten überhaupt nicht vollständig erfüllen kann. The dynamics of complex systems can often be approximated by simplified substitute modes, for example in the form of phenomenological models. In particular, the review of the chosen system structure is difficult. Typically, the free parameters of the system are optimized after determining the system structure with numerical methods. Subsequently, the comparison is made with measured data or with simulation data of other models of the same system. In numerical optimization often insufficient results are achieved. On the one hand, the cause may be that the global minimum for the parameter set to be optimized, for example due to a high number of local minima, can not be identified. On the other hand, there is the possibility that the chosen model structure can not fully satisfy the numerical data at all.
Mit der vorgestellten Methode kann überprüft werden, ob eine gewählte Modellstruktur numerische Daten erfüllen kann und somit ob es möglich ist, freie Parameter für das System zu finden, mit denen sich die numerischen Daten prinzipiell erfüllen lassen. Hierdurch wird eine Möglichkeit zur Überprüfung von Modellierungsansätzen geschaffen. Besonders bei der Entwicklung sicherheitsrelevanter Algorithmen und Schaltungen oder bei Komponenten mit sehr hohen Stückzahlen, wie Mikroprozessoren, werden heute (formale) Verifikationsverfahren eingesetzt. Hiermit lässt sich eindeutig feststellen, ob Algorithmen und Schaltungen in jedem möglichen Betriebszustand das gewünschte Verhalten aufweisen. The presented method can be used to check whether a selected model structure can fulfill numerical data and thus whether it is possible to find free parameters for the system with which the numerical data can be fulfilled in principle. This provides a way to review modeling approaches. Especially in the development of safety-relevant algorithms and circuits or in components with very high numbers, such as microprocessors, today (formal) verification procedures are used. This clearly indicates whether algorithms and circuits have the desired behavior in every possible operating state.
Die hier vorgestellte Methode ist ebenfalls geeignet, um unabhängig von Parametern zu überprüfen, ob ein Algorithmus, eine Schaltung oder ein dynamisches System immer das gewünschte Verhalten aufweisen kann. The method presented here is also suitable for checking, independent of parameters, whether an algorithm, a circuit or a dynamic system can always have the desired behavior.
Durch eine geeignete Wahl des Anregungssignals lassen sich zusätzlich Aussagen über das Verhalten im Frequenzbereich treffen. Schließlich lässt sich hierdurch eine automatische Überprüfung von Algorithmen und Schaltungen, insbesondere analogen Schaltungen vorschlagen. By a suitable choice of the excitation signal, additional statements about the behavior in the frequency domain can be made. Finally, an automatic verification of algorithms and circuits, in particular analog circuits, can be proposed.
Die vorgeschlagenen Verfahren, zumindest eines davon, schafft auch die Möglichkeit der Überprüfung der Substituierbarkeit von passiven durch aktive Komponenten, wie Elastomerlager durch entsprechend geregelte Aktuatoren, um nur ein Beispiel zu nennen. Bei dieser Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist mit einem erheblichen Effizienzgewinn in der technischen Entwicklung zu rechnen, da im Vorhinein sehr schnell die Eignung von technischen Systemen, nämlich bereits im Ideenstadium, zur Erreichung eines gewünschten Ein-/Ausgangsverhaltens überprüft werden kann. The proposed methods, at least one of them, also provides the possibility of checking the substitutability of passive by active components, such as elastomeric bearings, by means of appropriately controlled actuators, to name but one example. In this application of the proposed method is to be expected in a considerable efficiency gain in technical development, since the suitability of technical systems, namely already at the idea stage, to achieve a desired input / output behavior can be checked very quickly in advance.

Claims

A n s p r ü c h e Claims
Computergestütztes Verfahren zum Prüfen oder Identifizieren einer Modellstruktur zu untersuchenden Systems (1 ) umfassend die Schritte: Computer-aided method for checking or identifying a model structure to be examined (1), comprising the steps:
- Aufstellen eines wenigstens einen Parameter aufweisenden Gleichungssystems (26) zum Beschreiben des zu untersuchenden Systems (1 ) oder eines Teils davon, wobei dem Gleichungssystem (26) ein Beschreibungsmodell als angenommenes Modell des Systems (1 ) und/oder eine Beschreibungsmodellstruktur als angenommene Modellstruktur des Systems (1 ) zugrunde liegt, Establishing a system of equations (26) having at least one parameter for describing the system (1) to be examined or a part thereof, wherein the system of equations (26) has a description model as an assumed model of the system (1) and / or a description model structure as an assumed model structure of the system System (1) is based,
- Umformen des Gleichungssystems (26) in ein parameterloses oder parameterreduziertes das System qualitativ beschreibendes Prüfmodell (10), das wenigstens ein Modellausgangssignal in Abhängigkeit eines oder mehrerer Modelleingangssignale beschreibt, - transforming the equation system (26) into a parameterless or parameter-reduced test system (10) qualitatively describing the system, which describes at least one model output signal as a function of one or more model input signals,
- Anregen des Prüfmodells (10) mit wenigstens einem Modelleingangssignal, Exciting the test model (10) with at least one model input signal,
- Aufnehmen wenigstens eines Modellausgangssignals des Prüfmodells (10), Picking up at least one model output signal of the test model (10),
- Vergleichen (32) des wenigstens einen Modellausgangssignals des Prüfmodells mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal, und/oder Berechnen einer Gütefunktion abhängig von dem wenigstens einem Modellsignal und einem Systemsignal, Comparing (32) the at least one model output signal of the test model with at least one corresponding system signal, and / or calculating a quality function depending on the at least one model signal and a system signal,
- Auswählen des Beschreibungsmodells oder der gewählten Beschreibungsmodellstruktur als identifiziertes Modell bzw. identifizierte Struktur des Systems (1 ), wenn bei dem Vergleich oder mit der Gütefunktion ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt wurde, oder Selecting the description model or the selected description model structure as an identified model or identified structure of the system (1) if a predetermined criterion has been fulfilled in the comparison or with the quality function, or
- Aufstellen eines geänderten Gleichungssystems (26), dem ein geändertes Beschreibungsmodell und/oder eine geänderte Beschreibungsmodellstruktur zugrunde liegen, und Wiederholen der Verfahrensschritte, wenn bei dem Vergleich (32) oder mit der Gütefunktion das vorbestimmte Kriterium nicht erfüllt wurde, und/oder - Zuordnen des Ergebnisses des Vergleichs (32) dem Beschreibungsmodell als Bewertung des Beschreibungsmodells. Establishing a modified system of equations (26) based on a changed description model and / or a modified description model structure and repeating the method steps if the predetermined criterion was not met in the comparison (32) or with the quality function, and / or - associating the result of the comparison (32) with the description model as evaluation of the description model.
2. Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Schritte 2. Computer-aided method according to claim 1, characterized by the steps
- Erfassen wenigstens eines Systemausgangssignals x(t) als Reaktion des Systems (1 ) auf wenigstens ein das System anregende Systemeingangssignal F(t) und Detecting at least one system output signal x (t) in response to the system (1) to at least one system input signal F (t) and
- Bestimmen des wenigstens einen Modelleingangssignals des Prüfmodells aus dem wenigstens einen Systemeingangssignal F(t), mit dem das System angeregt wurde, und/oder aus dem wenigstens einen erfassten Systemausgangssignal x(t), wobei jedes Systemeingangssignal F(t) und jedes Systemausgangssignal x(t) jeweils ein Systemsignal bilden. Determining the at least one model input signal of the test model from the at least one system input signal F (t) with which the system was excited and / or from the at least one detected system output signal x (t), wherein each system input signal F (t) and each system output signal x (t) each form a system signal.
3. Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen (32) des wenigstens einen Modellausgangssignals des Prüfmodells mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal das Systemsignal ein gemessenes, ein vorgegebenes und/oder ein zu erwartendes Signal ist. 3. Computer-aided method according to claim 1 or 2, characterized in that when comparing (32) of the at least one model output signal of the test model with at least one corresponding system signal, the system signal is a measured, a predetermined and / or expected signal.
4. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelleingangssignale wenigstens ein, wenigstens einmal nach der Zeit abgeleitetes Systemsignal umfassen. 4. Computer-aided method according to one of the preceding claims, characterized in that the model input signals comprise at least one, derived at least once in a time system signal.
5. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufstellen des Gleichungssystems (26) wenigstens eine nichtlineare Modellbeschreibung (A, B) integriert bzw. inkorporiert wird, und/oder dass beim Aufstellen des geänderten Gleichungssystems (26) wenigstens eine nichtlineare Modellbeschreibung (A, B) gegen eine andere (A, B) getauscht wird, wobei beim Integrieren, Inkorporieren bzw. Tauschen insbesondere eine nichtlineare Modellbeschreibung (A, B) aus einem mehrere nichtlineare Modellbeschreibungen (A, B) umfassenden Modell- Sammlung genommen wird. 5. Computer-assisted method according to one of the preceding claims, characterized in that when setting up the equation system (26) at least one non-linear model description (A, B) is integrated or incorporated, and / or that when setting up the modified equation system (26) at least one nonlinear model description (A, B) is exchanged for another (A, B), wherein in integrating, incorporating or exchanging, in particular, a non-linear model description (A, B) is taken from a model collection comprising several non-linear model descriptions (A, B) becomes.
6. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System als Gesamtsystem in mehrere Teilsysteme unterglie- dert wird, jedes Teilsystem einzeln als ein physikalisches System identifiziert wird, und anschließend aus den so identifizierten Teilsystemen ein identifiziertes Gesamtsystem zusammengesetzt wird. 6. Computer-aided method according to one of the preceding claims, characterized in that the system is subdivided as an overall system into several subsystems. each subsystem is identified individually as a physical system, and then an identified overall system is assembled from the subsystems thus identified.
7. Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergliederung des Gesamtsystems so erfolgt, dass wenigstens ein Eingangssignal so ausgewählt wird, dass es das Gesamtsystem nur teilweise anregt, und/oder wenigstens ein Ausgangssignal so ausgewählt wird, dass es nur von dem angeregten Teilsystem beeinflusst ist und/oder dass ein Teil eines Systemverhaltens rechnerisch eliminiert wird. 7. A computer-aided method according to claim 6, characterized in that the subdivision of the overall system is such that at least one input signal is selected so that it only partially excites the entire system, and / or at least one output signal is selected so that it only from the excited subsystem is influenced and / or that part of a system behavior is computationally eliminated.
8. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eine nichtlineare Modellbeschreibung (A, B) eine polynominale Beschreibung verwendet wird und/oder eine nichtlineare Modellbeschreibung (A, B) in eine polynominale Beschreibung überführt wird. 8. Computer-aided method according to one of the preceding claims, characterized in that a polynomial description is used as a non-linear model description (A, B) and / or a non-linear model description (A, B) is converted into a polynomial description.
9. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen wenigstens eines Systemausgangssignals x(t) als Reaktion des Systems (1 ) auf wenigstens ein Systemeingangssignal F(t) dadurch erfolgt, dass das System mit dem Systemeingangssignal angeregt wird und das wenigstens eine Systemausgangssignal gemessen wird, und/oder ein das System beschreibendes Simulationsmodel mit dem Systemeingangssignal angeregt wird und das wenigstens eine Systemausgangssignal als Ausgangssignal des Simulationsmodells aufgenommen wird. A computerized method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection of at least one system output signal x (t) in response to the system (1) to at least one system input signal F (t) is effected by exciting the system with the system input signal and the at least one system output signal is measured, and / or a simulation model describing the system is excited with the system input signal and the at least one system output signal is received as an output signal of the simulation model.
10. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Systemeingangssignal zum Anregen des Systems (1 ) ein wenigstens einmal stetig differenzierbares Signal verwendet wird und/oder ein gefiltertes nicht stetig differenzierbares Signal verwendet wird, und/oder wenigstens ein Modelleingangssignal im Prüfmodell gefiltert wird. 10. Computer-aided method according to one of the preceding claims, characterized in that as a system input signal for exciting the system (1) at least once continuously differentiable signal is used and / or a filtered non-continuously differentiable signal is used, and / or at least one model input signal in Test model is filtered.
1 1. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufstellen des Gleichungssystems (26) ein Teilsystem, insbesondere ein bekanntes Teilsystem des Systems (1 ) durch ein von dem Teilsystem abweichendes Teilmodell als Substitutionsteilmodell berücksichtigt wird. 1 1. Computer-assisted method according to one of the preceding claims, characterized in that when setting up the system of equations (26), a subsystem, in particular a known subsystem of the system (1) is taken into account as a substitution submodel by deviating from the subsystem submodel.
12. Computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufstellen des geänderten Gleichungssystems (26) das Substitutionsteilmodell durch ein geändertes Substitutionsteilmodell ersetzt wird. 12. A computer-aided method according to claim 1 1, characterized in that when setting up the amended equation system (26), the substitution partial model is replaced by a modified Substitutionsteilmodell.
13. Computergestütztes Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Gleichungssystem (26) ein dazu abweichendes Referenzgleichungssystems aufgestellt wird, wobei sich das Referenzgleichungssystem zu dem Gleichungssystem (26) darin unterscheidet, dass es zu einem Teilmodell des Gleichungssystems (26) ein abweichendes Substitutionsteilmodell aufweist, wobei das Gleichungssystem (26) und das Referenzgleichungssystem jeweils in ein parameterloses oder parameterreduziertes das System beschreibendes Prüfmodell (10) bzw. Referenzprüfmodell umgeformt werden, die jeweils wenigstens ein Modellausgangssignal in Abhängigkeit eines oder mehrerer Modelleingangssignale beschreiben, und wobei das Vergleichen (32) des wenigstens einen Modellausgangssignals mit wenigstens einem korrespondierenden Systemsignal so erfolgt, dass das Prüfmodell (10) und das Referenzprüfmodell mit wenigstens einem gleichen Signal angeregt werden und wenigstens jeweils ein Modellausgangssignal korrespondierender Ausgänge des Prüfmodells (10) und des Referenzprüfmodells mit einander verglichen werden und/oder dass Modelleingangs- und/oder Modellausgangssignale in das Prüfmodell und in das Referenzprüfmodell eingegeben werden, jeweils mindestens ein Gütekriterium erzeugt wird und das Gütekriterium des Prüfmodells mit dem Gütekriterium des Referenzprüfmodells verglichen wird. 13. A computer-aided method according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the equation system (26) a different reference equation system is set up, wherein the reference equation system to the equation system (26) differs in that it is a subset of the equation system (26 ), wherein the system of equations (26) and the reference equation system are each transformed into a parameterless or parameter reduced test system (10) or reference test model respectively describing at least one model output signal in response to one or more model input signals; Comparing (32) the at least one model output signal with at least one corresponding system signal takes place in such a way that the test model (10) and the reference test model are excited with at least one identical signal and at least in each case s a model output signal corresponding outputs of the test model (10) and the reference test model are compared with each other and / or that model input and / or model output signals are entered into the test model and the reference test model, respectively at least one quality criterion is generated and the quality criterion of the test model with Quality criterion of the reference test model is compared.
14. Computerprogrammprodukt mit Computer-implementierbaren Anweisungen derart eingerichtet, nach dem Laden und Ausführen in einem Computersystem oder dergleichen Regeleinerichtung, die Schritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen. A computer program product with computer-implementable instructions adapted, after loading and executing in a computer system or the like, to perform the steps of a method according to any one of the preceding claims.
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