AT512483A2

AT512483A2 - Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen in einem Prüfstand

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Publication number: AT512483A2
Application number: ATA50369/2013A
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-08-15
Also published as: US10317312B2; AT512483B1; WO2014195238A1; CN105452833A; CN105452833B; AT512483A3; US20160116367A1; JP2016520841A; DE112014002661B4; JP6442490B2; DE112014002661A5

Abstract

Um in einem Prüfstand (1) für eine Realkomponente (4) und eine Virtualkomponente (5) die Anregung von Schwingungen und Resonanzen zu reduzieren, ist einer der Verfahrensschritte a) Ermitteln eines ersten Korrekturwertes (K1) aus der Messgröße (M), wobei der erste Korrekturwert (K1) zur Messgröße (M) addiert wird und die Summe als korrigierte Messgröße (M*) der Virtualkomponente (5) zur Berechnung der Steuergröße (S) übermittelt wird, b) Ermitteln eines zweiten Korrekturwertes (K2) aus der berechneten Steuergröße (S), wobei der zweite Korrekturwert (K2) zur berechneten Steuergröße (S) addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße (S*) der Aktuatorik (3) übermittelt wird, c) Ermitteln eines drittenKorrekturwertes (K3) aus der Messgröße (M), wobei mit dem dritten Korrekturwert (K3) ein Parameter (P) der Bewegungsgleichung verändert wird, vorgesehen.

Description

Printeci :04-06-2013 E014.1

10 2013/50369 AV-3543 AT

Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen in einem Prüfstand

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Anregung von unerwünschten Schwingungen und Resonanzen in einem Prüfstand für eine Realkomponente 5 und eine Virtualkomponente, wobei die Realkomponente eine Messgröße der Realkomponente an die Virtualkomponente liefert und von der Virtuaikomponente eine Steuergröße für eine Aktuatorik des Prüfstandes erhält, wobei in der Virtualkomponente ein Simulationsmodell mit einer Bewegungsgleichung implementiert ist, das aus der Messgröße die Steuergröße ermittelt. 10 In der Fahrzeugtechnik geschieht der Vorgang des Testens häufig so, dass Realkomponenten, wie beispielsweise reale Verbrennungsmotoren, reale Reifen, reale Getriebe, reale Batterien, reale Lenksysteme, reale Antriebsstränge, reale Fahrzeuge usw., auf Prüfständen angeordnet werden. Diese zu testende Realkomponente legt häufig auch den Namen des Prüfstandes fest. Man spricht somit von Motorprüfständen, Reifenprüfständen, Getriebeprüf-15 ständen, Fahrzeugprüfständen, usw. Diese Prüfstände erlauben beispielsweise das Entwickeln von Verbrennungsmotoren, von Fahrzeugkomponenten oder auch das Aufspüren von Fehlem bei vernetzten Fahrzeugsteuergeräten, die sich auf das Gesamtverhalten des Fahrzeugs auswirken können. Das Testen ist dabei ein Vorgang, mit welchem eine größere Gewissheit darüber gewonnen werden soll, ob technische Objekte, technisches Systeme oder 20 technische Erzeugnisse und Abläufe, die Realkomponente oder die Virtualkomponente, innerhalb gewisser Randbedingungen funktionieren und/oder ob bestimmte Eigenschaften und/oder Anforderungen erfüllt werden. Durchgeführte Tests simulieren bzw. antizipieren somit stets reale Vorgänge in simulierten Umgebungen. Die simulierte Umgebung tauscht mit der getesteten Realkomponente im allgemeinsten Fall Stoffströme (z.B. ein Medium-25 ström, wie Öl, Wasser, etc.), Energieströme (z.B. elektrischer Strom/Spannung, Dreh« zahl/Drehmoment, etc.) und Infomnationsströme (z.B. gemessene Daten, etc.) aus und ermöglicht so die Untersuchung technischer Vorgänge, ohne die zukünftige echte Umgebung der Realkomponente vorauszusetzen, zu beeinträchtigen oder zu gefährden. Ein Testergebnis ist daher aber auch niemals absolut gültig, sondern stellt stets eine Näherung dar. Die 30 Qualität der Näherung hängt unter anderem von der Qualität der simulierten Umgebung ab und von der Qualität, mit der der in der Realität stattfindende Austausch von Energie-, Informations- und Stoffströmen nachgebildet werden kann. Diese simulierte Umgebung wird nachfolgend als Virtualkomponente bezeichnet. Realkomponente und Virtualkomponente zusammen werden als Prüfling bezeichnet Prüfling und Prüfstand zusammen werden oft-35 mals auch als Hardware-In-The-Loop-System (HiL-System) oder spezieller als „X-In-The-Loop-System“, wobei X für den jeweiligen Prüfling steht, bezeichnet. -1-

Nntei WimmiS E014.1 102013/50369

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Eine Virtualkomponente besteht aus Simulationsmodellen, die im Wesentlichen als Software mit implementierten Algorithmen und mathematischen oder physikalischen Modellen implementiert sind, welche auf einer Simulationseinheit, in der Regel einem Computer, ausgeführt werden. 5 Am Prüfstand zur Durchführung der Tests ist in der Regel auch Aktuatorik (eine Anzahl von Aktoren) und Sensorik (eine Anzahl von Sensoren) vorhanden, sowie eventuell eine Ablaufsteuerung (z.B. eine Prüfstandssteuereinheit, eine Automatisierungeinheit, etc.) und Peripherie (wie z.B. ein Datenlogger, usw ). Die Sensoren messen physikalische, chemische oder informationstechnische Zustände oder Zustandsänderungen („Messgrößen“) der Realkom-10 ponente und die Aktoren prägen der Realkomponenten gewisse chemische, physikalische oder informationstechnische Zustände oder Zustandsänderungen („Sollgrößen“) auf. Aktoren sind somit das signalwandlerische Gegenstück zu Sensoren. Aktoren und Sensoren verbinden die reale mit der virtuellen Welt des Prüflings, also die Realkomponente und die Virtualkomponente. Beispiele für Aktoren sind elektrische, pneumatische oder hydraulische Belas-15 tungseinheiten zum Aufprägen von Drehzahlen, Drehmomenten, Geschwindigkeiten oder Wegen, regelbare elektrische Widerstände, Ölkonditionieranlagen, Luftkonditionieranlagen etc. Beispiele für Sensoren sind Drehmomentsensoren und Drehgeber.

Realkomponente, Virtualkomponente, Aktoren und Sensoren sind dynamische Systeme mit einem bestimmten Übertragungsverhalten. Somit ist auch ein Hardware-In-The-Loop-System 20 als Verschaltung dieser Komponenten ein dynamisches System.

Ein Beispiel für einen Test ist eine virtuelle Versuchsfahrt eines Hybridfahrzeuges (Verbrennungsmotor und Elektromotor) über die Großglockner Hochalpenstraße unter realistischer Nachbildung der Luftfeuchte, der Lufttemperatur, des Drehzahl- und Drehmomentenver-haltens der Realkomponente „Verbrennungsmotor“, der auf einem Motorprüfstand angeord-25 net ist. Ziel dieser Erprobungsfahrt sei die Beurteilung des dynamischen Verhaltens des Elektromotors sowie des Temperaturverhaltens der Traktionsbatterie, die als Virtualkomponente simuliert werden, für einen bestimmten Fahrertyp, z.B. ein sportlicher Fahrer mit aggressivem Schaltverhalten. Die Teststrecke (hier die Großglockner Hochalpenstraße), das Fahrverhalten sowie die Fahrumgebung werden ebenfalls simuliert. Bei dieser Testfahrt wird 30 das Hardware-In-The-Loop-System über die Unebenheiten der Fahrbahn, über Windböen, über die Brems- und Lenkaktivitäten des Fahrers und/oder über Verbrennungsströße zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen werden aber aufgrund des dynamischen Verhaltens der Sensorik und Aktuatorik und aufgrund der durch die Simulation stets begrenzten Abbildungsgenauigkeit der Virtualkomponente nicht exakt identisch sein mit den Schwin-35 gungen, die sich bei einer realen Fahrt mit dem Hybridfahrzeug über die Großglockner Hochalpenstraße einstellen. -2-

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Ein anderes Beispiel ist in der EP 1 037 030 B1 gezeigt, die ein Verfahren zum Simulieren des Verhaltens eines Fahrzeugs auf einer Fahrbahn an einem Antriebsstrang-Prüfstand offenbart, wobei zur Simulation ein Fahrzeugmodell und ein Reifenmodell (Virtualkomponenten) verwendet wird.

In der Praxis werden die Virtualkomponenten oft nachträglich auf bereits bestehenden Prüfstandsinfrastrukturen nachgerüstet. Ein klassischer, traditioneller Prüfstand, welcher bisher nur einfache Sollwertprofile aufprägen konnte, wird so zu einer leistungsfähigen X-In-The-Loop Testumgebung, welche es ermöglicht, neue Testaufgaben, wie beispielsweise die oben beschriebene Großglockner Hochalpenfahrt bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen, darzustellen. Die bestehende Prüfstandsaktuatorik und Prüfstandssensorik mit ihren überlagerten dynamischen Subsystemen und Reglerstrukturen soll hierbei (z.B. aus Kostengründen) häufig unverändert bleiben oder sie ist dem Lieferanten der Virtualkomponente unbekannt. Die gleiche Virtualkomponente wird häufig auch an unterschiedlich«! Prüfständen mit unterschiedlichen dynamischen Übertragungsverhalten oder an unterschiedlichen Prüfstandstypen verwendet. Gleichfalls kommt es vor, dass eine Virtualkomponente durch eine andere Virtualkomponente (z.B. mit veränderten Modellen) ersetzt wird.

Ein weiteres Problem mit solchen Virtualkomponenten kann am Prüfstand entstehen, wenn die Virtualkomponenten extreme Lastfälle darstellen sollen, die an oder über die Grenzen der implementierten Aktuatorik, Sensorik oder der Realkomponente gehen.

Aufgrund des dynamischen Übertragungsverhaltens der am Prüfstand verbauten Aktuatorik und Sensorik, aber auch aufgrund der immer in den verfügbaren Messungen vorhandenen Störungen (z.B. Messrauschen, begrenzte Auflösung, etc.) kommt es häufig zu unerwünschten, unerwartenden und unrealistischen Schwingungs- und Resonanzphänomenen des dynamischen Gesamtsystems, welche die Testergebnisse negativ beeinflussen können und im Extremfall die Verwendung der Virtualkomponenten überhaupt zum Scheitern bringen können.

Diesem Szenario könnte man klassisch durch die Verwendung von Filtern (z.B. Bessel Filter, Butterworth Filter, etc.) zur Schwingungsdämpfung begegnen, wodurch die verfügbare Dynamik des Prüfstandes jedoch eingeschränkt wird, was unerwünscht ist. Prüfsituationen mit hoher Dynamik, z.B. eine sehr rasche Drehzahl- oder Drehmomentenänderung, könnten dann nicht mehr durchgeführt werden. Eine weitere wichtige negative Eigenschaft, die beim Einsatz von derartigen Filtern auftritt ist die Verzerrung wichtiger dynamischer Zustände beim Testen. Als Beispiel sei bei mechanisch/rotatorischen Prüfständen (z.B. Powertrain) der Drehimpuls genannt, welcher zwischen Real- und Virtualkomponente ausgetauscht wird. Die Verwendung von Filtern bewirkt hier, dass der real aufgebrachte Drehimpuls (z.B. vom Verbrennungsmotor) nicht korrekt in die Virtualkomponente eingebracht wird, was in Folge zu -3-

AV-3543 AT falschen Testergebnissen führt (z.B. zu hoher/zu geringer Kraftstoffverbrauch). Filter bewirken zudem zusätzlich stets eine Phasenverschiebung, welche unter anderem die Stabilitätsreserve des HiL-Systems negativ beeinflusst.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Virtualkomponenten an Prüfständen weitestgehend ohne Einschränkung des dynamischen Verhaltens und weitestgehend ohne unerwünschte Schwingungs- und Resonanzeffekte betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, indem, zumindest aus der Messgröße ein erster Korrekturwert ermittelt wird, der zur Messgröße addiert wird und die Summe als korrigierte Messgröße der Virtualkomponente zur Berechnung der Steuergröße übermittelt wird oder aus der berechneten Steuergröße ein zweiter Korrektunwert ermittelt wird, der zur berechneten Steuergröße addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße der Aktuatorik übermittelt wird oder ein dritter Korrektunwert ermittelt wird, welcher einen Parameter der Bewegungsgleichung verändert. Der erste, zweite oder dritte Korrektunwert können aber auch beliebig kombiniert werden.

Damit können unerwünschte Schwingungs- und Resonanzeffekte am Prüfstand wirkungsvoll unterdrückt werden, weitestgehend ohne dabei die Dynamik des Prüfstandes einzuschränken und ohne in die der Aktuatorik unterlagertn Reglerstruktur oder in die Prüfstandssensorik einzugreifen. Das ermöglichtauch die Nachrüstung bestehender Prüfumgebungen mitVirtu-alkomponenten oder den Austausch von Virtualkomponenten durch andere Virtualkomponenten ohne dabei etwas an der bestehenden Prüfstandsinfrastruktur (Sensorik, Aktuatorik) ändern zu müssen. Damit können allfällige erwünschte systemdynamische Eingriffe in den Prüfstand durch Eingriffe bzw. Ergänzungen in der Virtualkomponente, und vor allem unabhängig von der bereits bestehenden Prüfstandsinfrastruktur, durchgeführt werden.

Ganz besonders vorteilhaft wird als Messgröße das Drehmoment einer Welle zwischen Realkomponente und Aktuatorik verwendet. Das ermöglicht das „Formen" der am Prüfstand gemessenen Drehmomente durch virtuelle Zusatzmomente, so dass sich das der virtuellen Welt eingeprägte Drehmoment in geeigneter Weise kontinuierlich (als Funktion der Zeit) so verändert, dass im virtuellen System keine unerwünschten Schwingungen auftreten.

Ebenso vorteilhaft wird als Steuergröße eine Drehzahl verwendet. Die sich in der virtuellen Welt der Simulation ergebenden Drehzahlen werden in geeigneter Weise so „umgeformt“, dass im realen System keine unerwünschten Schwingungen oder Resonanzen auftreten.

Die Korrekturwerte lassen sich vorteilhaft durch Optimierung einer Zielfunktion nach dem jeweiligen Korrekturwert ermitteln. Solche Zielfunktionen lassen sich mit bekannten mathematischen Methoden optimieren, bevorzugt auf Echtzeitrechnem in Echtzeit. -4-

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Zur Ermittlung des ersten oder dritten Korrekturwertes wird bevorzugt eine Linearkombination einer ersten und zweiten Zielfunktion optimiert, da auf diese Weise unterschiedliche, physikalische Wirkungen ähnliche Einflussgrößen, wie z.B. Energie oder Drehimpuls, berücksichtigt werden können. Dazu wird als erste oder dritte Zielfunktion vorteilhaft ein quadrati-5 sches Gütefunktional als Funktion der Winkelgeschwindigkeit oder einer Ableitung davon verwendet. Mit der zweiten Zielfunktion wird vorteilhaft der durch den ersten oder dritten Korrekturwert eingebrachte Drehimpuls oder die veränderte kinetische Energie bewertet, womit sichergestellt wird, dass durch die Korrektur keine zu großen Verfälschungen der Drehbewegung oder der Energiebilanz oder der Impulsgleichungen der Welle hervorgerufen werden. 10 Zur Ermittlung des zweiten Korrekturwertes wird bevorzugt eine Zielfunktion implementiert, die die Abweichung zwischen der in der Virtualkomponente berechneten Steuergröße und dem tatsächlichen Wert dieser Steuergröße bewertet. Für viele Prüfstandstypen, wie z.B. Antriebsstrangprüfstände oder Motorprüfstände, ist es vorteilhaft, als ersten Korrekturwert ein Korrekturmoment zu ermitteln und/oder als zweiten 15 Korrekturwert eine Korrekturdrehzahl zu ermitteln. Drehmoment und Drehzahl sind in solchen Prüfständen die üblichen Mess- und Steuergrößen und üblicherweise als Messwerte verfügbar, sodass sich deren Verwendung vorteilhaft anbietet.

Als dritter Korrekturwert wird vorzugsweise ein massebehafteter Parameter der Bewegungsgleichung, wie z.B. ein Trägheitsmoment oder eine Masse, verwendet, mit dem sich die Vir-20 tualkomponente über die Bewegungsgleichung einfach beeinflussen lässt.

Ganz besonders vorteilhaft können bei der Optimierung Randbedingungen zur Berücksichtigung von vorgegebenen Beschränkungen der Virtualkomponente oder der Realkomponente oder der Aktuatorik berücksichtigt werden. Auf diese Weise können physikalische Grenzen des Prüfstandes berücksichtigt werden, was auch einen wirkungsvollen Schutz der Kompo-25 nenten des Prüfstandes gegen allfällige Beschädigungen, z.B. durch zu hohe Drehmomente, Beschleunigungen, Drehzahlen, etc., darstellt. Neben der Optimierung der Zielfunktionen wird der Optimierungsalgorithmus in diesem Fall typischerweise Gleichheits- oder Ungleichungsbeschränkungen berücksichtigen. Dadurch können insbesondere bei anspruchsvollen Testszenarios (z.B. Überfahren von Bodenwellen oder Schwellen) einerseits unerwünschte 30 Schwingungen im HiL-System reduziert werden, andererseits können Einschränkungen des Prüfstands bei gleichzeitiger Maximierung des Realitätsanspruchs garantiert eingehalten werden.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal-35 tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt -5-

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Fig.1 und 2 Beispiele einer Konfiguration einer Hardware-In-The-Loop-Testumgebung,

Fig.3 die erfindungsgemäße Korrektur der Messgröße oder der Steuergröße und Fig.4 die Ermittlung des ersten Korrekturwertes am Beispiel eines Radsimulationsmodells. 5 Mit Fig.1 ist die grundsätzliche Konfiguration einer Hardware-In-The-Loop-Testumgebung dargestellt Auf einem Prüfstand 1, z.B. ein Motorprüfstand, ist eine Realkomponente 4, z.B. ein Verbrennungsmotor, angeordnet, der über eine Verbindungswelle 2 mit einer Aktuatorik 3, z.B. eine Belastungsmaschine in Form eines elektrischen Dynamometers, verbunden ist.

Die Virtualkomponente 5 besteht aus einem Simulationsmodell 21, z.B. ein Fahrzeugsimula-10 tionsmodell 6, ein Umgebungssimulationsmodell 7, ein Fahrersimulationsmodell 8, ein Straßensimulationsmodell 9, ein Radsimulationsmodell 10, etc., die als Software in einer Simulationseinrichtung 17, z.B. in Form eines Computers mit benötigter Software und implementierten Algorithmen, laufen. Je nach Testlauf können unterschiedliche und mehrere solcher Komponentensimulationsmodelle, die gemeinsam das Simulationsmodell 21 bilden, zum 15 Einsatz kommen. In der Virtualkomponente 5 wird das Fahrzeug oder eine Komponente davon durch eine virtuelle Welt bewegt. Realkomponente und Virtualkomponente interagieren über Eingangsschnittstellen 11 (Daten von Sensorik 18) und Ausgangsschnittstellen 12 (Daten zu Aktuatorik). Am Prüfstand 1 wird der jeweils aktuelle virtuelle Zustand gesteuert von der Virtualkomponente 5 an der Realkomponente 4 und an der Aktuatorik 3 eingestellt, so-20 dass die Realkomponente 4 die Zustände aus der Virtualkomponente 5, also die virtuelle Welt, erfährt und über die zeitlich Abfolge dieser Zustände getestet wird.

Dazu wird am Prüfstand 1 z.B. das Drehmoment T zwischen Realkomponente 4 und Aktuatorik 3 oder die Drehzahl n der Realkomponenten oder der Aktuatorik 3 (z.B. in Form einer elektrischen Belastungsmaschine) mittels geeigneter Sensorik 18 gemessen, z.B. über eine 25 Drehmomentmesseinrichtung an der Verbindungswelle 2 oder einer Drehzahlmesseinrichtung der Simulationseinrichtung 17, und der Virtualkomponente 5 übereine Eingangsschnittstelle 11 zur Verfügung gestellt. Aus dieser Messgröße M (Drehmoment T oder Drehzahl n) berechnet, in der Regel nach einer geeigneten Signalaufbereitung, das Simulationsmodell 21 in der Simulationseinrichtung 5 eine Steuergröße S für die Aktuatorik 3, z.B. eine Solldreh-30 zahl n, eine Steuergröße für die Realkomponente 4, z.B. eine Drosselklappenstellung a, etc.

Diese Steuergrößen S werden über eine Ausgangsschnittstelle 12 der Simulationseinrichtung 17 an den Prüfstand 1 übergeben und am Prüfstand 1 von der Aktuatorik 3 und eventuell weiteren geeigneten nicht dargestellten Aktuatoren, eventuell mittels geeigneter Regelungseinheiten, eingestellt. 35 Die Messgröße im Sinne des gegenständlichen Verfahrens muss aber nicht direkt gemessen werden, sondern kann auch aus anderen gemessenen Größen abgeleitet oder gebildet wer- -e-

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AV-3543 AT den, z.B. in der Virtualkomponente 5. Ein Beispiel dafür ist ein an sich bekannter Drehmo-mentenschätzer, der das Drehmoment T der Verbindungswelle 2 anhand der tatsächlichen gemessenen Drehzahl n der Verbindungswelle 2, bzw. der damit verbundenen Aktuatorik 3, schätzt. In der Regel wird auch nicht das direkt gemessene Signal als Messgröße verwen-5 det, sondern ein entsprechend aufbereitetes <z.B. gefiltertes) Signal.

In Fig.2 ist als weiteres Beispiel eine Hardware-In-The-Loop-Testumgebung für einen Antriebsstrang als Realkomponente 4 dargestellt. Am Prüfstand 1 ist dazu der gesamte Antriebsstrang aufgebaut. Dieser umfasst hier einen Verbrennungsmotor 13, eine Kupplung 14, ein Getriebe 15 und ein Differentialgetriebe 16. Die Verbindungswellen 2FL, 2fr, 2RLi 2rr wertet den hier durch die Halbwellen des Antriebsstranges gebildet und sind mit Aktuatorik 3Fl, 3Fr, 3rl, 3rr, z.B. in Form von elektrischen Belastungsmaschinen (Dynamometer), verbunden. Für die Virtualkomponente 5 werden hier die Drehmomente TFLl TFRl TRL, TRR der Verbindungswellen 2fl, 2fr, 2rl, 2rr erfasst und die Virtualkomponente 5 berechnet mit dem darin implementierten Simulationsmodell 21 die Steuergrößen für die Realkomponente 4, hier für 15 den Verbrennungsmotor 13 (z.B. die Drosselklappenstellung a), die Kupplung 14 (z.B. ein Kupplungssignal K) und das Getriebe 15 (z.B. ein Gangsignal G), und die Steuergrößen für die Aktuatorik 3h., 3fr, 3rl, 3rR, hier Drehzahlen iVl, Ofr, nRLl nRR. Ein Prüflauf in der Hardware- In-The-Loop-Testumgebung funktioniert hier genauso wie oben mit Bezugnahme auf Fig.1 beschrieben. 20 Selbstverständlich sind auch noch andere Konfigurationen für eine Realkomponente 4 denkbar, wobei der grundlegende Aufbau der Hardware-In-The-Loop-Testumgebung und der Ablauf eines Tests in der Hardware-In-The-Loop-Testumgebung unverändert bleibt.

Im Simulationsmodell 21 der Virtualkomponente 5 wird aus der von der Sensorik 18 des Prüfstandes 1 gelieferten Messgröße M, z.B. ein (oder mehrere) Drehmoment T einer (oder 25 mehrerer) Halbwetle oder einer Verbindungswelle 2, eine (oder mehrere) Steuergröße S für die Aktuatorik 3 berechnet. Dieses Drehmoment T kann aber auch ein nur geschätztes oder aufgrund der Messwerte anderer Sensoren berechnetes Drehmoment sein. Dazu ist im Simulationsmodell 21 eine Bewegungsgleichung mit zumindest einem Parameter P, z.B. in Form einer Differential-Algebraischen Gleichung, implementiert, die mehrmals pro Sekunde, 30 z.B. jede Millisekunde, gelöst wird. Es können natüilich auch mehrere Bewegungsgleichungen, z.B. ein System von gekoppelten Bewegungsgleichungen, implementiert sein. Allgemein gilt S=f(P,M).

In der Simulationseinrichtung 17 ist eine Koirektureinheit 20 vorgesehen (Fig.3), die aus der entsprechend aufbereiteten Messgröße M, z.B. ein Wellendrehmoment Tw, bevorzugt zu 35 jedem Zeitpunkt, in dem die Bewegungsgleichung gelöst wird (z.B. durch numerische Integration der Differentialgleichungen der Bewegung), einen ersten Korrekturwert Ki berech- -7- £014.1 102013/50369

AV-3543 AT net, welcher die Virtualkomponente 5 in geeigneter Weise beruhigt und unerwünschte Resonanzerscheinungen, welche sich aufgrund der Unvollkommenheit des Prüfstandes 1 - insbesondere der Aktuatorik 3 und der Sensorik 18 - ergeben, bestmöglich kompensiert. Der erste Korrekturwert ist daher ein sich kontinuierlich änderndes Signal und wird vorzei-5 chenrichtig zur Messgröße M, hier Drehmoment Tw, addiert und die Summe aus der Messgröße M und dem Korrekturwert ^ wird der Virtualkomponente 5 als korrigierter Messwert M*, hier ein korrigiertes Wellendrehmoment Tw*, zur Berechnung der Steuergröße S für die Aktuatorik 3 eingespeist.

Dieses „Torque Shaping" geschieht ohne Eingriff in die Gesamtstruktur des Prüfstandes 1, 10 also insbesondere ohne Eingriff in die Reglerstruktur des Prüfstandes 1.

Der beschriebene, erfindungsgemäße Ansatz lässt sich auf beliebige dynamische Systeme erweitern, wobei als Messgröße M und Steuergröße S anstelle von Drehmoment und Drehzahl dann andere physikalische Größen, wie z.B. elektrische Spannung, mechanische Kraft, usw., verwendet werden können. 15 Alternativ oder zusätzlich berechnet die Korrektureinheit 20 aus der berechneten Steuergröße S, hier z.B. Drehzahl n, für die Aktuatorik 3 einen zweiten Korrekturwert K2l der zur berechneten Steuergröße S addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße S*, hier eine korrigierte Drehzahl n‘, der Aktuatorik 3 zur Einstellung am Prüfstand 1 zur Verfügung gestellt wird. Der zweite Korrekturwert «2 wird bevorzugt weder zu jedem Zeitpunkt, in dem 20 die Bewegungsgleichungen gelöst werden, berechnet und stellt wieder ein sich kontinuierlich änderndes Signal dar. Diese korrigierte Steuergröße S‘ hat die Aufgabe, unerwünschte Schwingungseffekte, welche sich aufgrund des unvollkommenen Übertragungsverhaltens der Aktuatorik 3 ergeben, von der Realkomponente 4 am Prüfstand 1 fernzuhalten.

Dieses „Speed Shaping“ erfolgt wieder ohne Eingriff in die Gesamtstruktur des Prüfstandes 25 1, lässt also insbesondere die Reglerstruktur des Prüfstandes 1 unverändert.

Alternativ oder zusätzlich berechnet die Korrektureinheit 20 aus der Messgröße M einen dritten Korrekturwert K3, der zur Veränderung eines Parameters P der Bewegungsgleichung in der Virtualkomponente 5 dient, vorzugsweise zur Veränderung einer Systemträgheit (z.B. der Radträgheit oder Fahrzeugträgheit) oder einer Masse (z.B. der Fahrzeugmasse). Dieser kor-30 rigierte Parameter P hat die Aufgabe, unerwünschte Schwingungseffekte der Virtual- 5 und somit in Konsequenz auch der Realkomponente 4 zu unterdrücken.

Dieses „Parameter Shaping“ erfolgt dabei wieder ohne Eingriff in die Gesamtstruktur des Prüfstandes 1, also insbesondere ohne Beeinflussung der Reglerstruktur des Prüfstandes 1.

Nachfolgend werden exemplarisch mögliche Verfahren zur Ermittlung der Korrekturwerte K1( 35 K2 und K3 erläutert. -8-

Prihtecl: 04-0&S013 Μ

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Allgemein ist bei den nachfolgend exemplarisch ausformulierten Verfahren in der Korrektureinheit 20 eine Zielfunktion J als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes Κι, K2, K3 implementiert, die bezüglich des ersten, zweiten oder dritten Korrekturwertes

Ki, K2, K3 optimiert, hier minimiert, wird, also in allgemeiner Schreibweise J(KX 2 3) = min £| 2.» 5 Für die Ermittlung des ersten Korrekturwertes Ki ist in der Virtualkomponente 5 zumindest ein Simulationsmodell 21 eines über eine Welle mit der Realkomponente 4 verbundenen Teils des Fahrzeugs implementiert, z.B. wie in Fig.4 ein Radsimulationsmodell 10 eines Fahrzeugrades, das mit der Halbwelle des Antriebsstranges (Realkomponente 4 in Fig.2) verbunden ist, oder ein Simulationsmodell eines Zweimassenschwungrades oder einer io Kupplung, das/die mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors (Realkomponente 4 in Fig.1) verbunden ist. Als Messgröße M wird dabei jeweils das Wellenmoment Tw, und gegebenenfalls weitere Messgrößen, wie z.B. die Temperatur, verwendet, das entweder direkt gemessen wird oder aus anderen Messgrößen geschätzt oder berechnet wird.

Im Beispiel eines Radsimulationsmodells 10, wie in Fig.4 dargestellt, wird aus dem gemes-15 senen Wellenmoment Tw die Steuergröße S für die Aktuatorik 3 am Prüfstand 1, z. B. wie hier eine Drehzahl ndmd,sjm für eine elektrische Belastungsmaschine, ermittelt. Das Radsimulationsmodell 10 kann dabei auch mit anderen Simulationsmodellen, wiez.B. einem Reifensimulationsmodell, einem Straßensimulationsmodell, etc., verbunden sein und mit diesen Daten austauschen. Das Wellenmoment Tw setzt sich zusammen aus einem Reifenmoment 20 TUre zwischen Reifen und Straße, einem Bremsmoment T^e und weiteren optionalen Hilfsmomenten Topt, wie z.B. ein elektrisches Antriebsmoment bei einem Radnabenmotor.

In der Korrektureinheit 20 ist eine Zielfunktion J als Funktion des ersten Korrekturwertes K1( hier in Form eines Korrekturmoments Τ«>Γ, implementiert. Diese Zielfunktion J wird bezüglich des ersten Korrekturwertes K1 minimiert, also in allgemeiner Schreibweise ./(£,) = min. Der ^1 25 derart ermittelte Korrekturwert Ki wird zur Messgröße M aus dem Prüfstand 1, hier das Wellenmoment Tw, addiert und die korrigierte Messgröße M*, hier ein korrigiertes Wellenmoment T*, wird dem Radsimulationsmodell 10 der Virtualkomponente 5 zur Ermittlung der Steuergröße S für den Prüfstand 1 übergeben.

In der Korrektureinheit 20 könnte dazu eine erste Zielfunktion Jenergy in Form einer quadratischen Gütefunktion implementiert sein. Dazu bietet sich z.B. eine Zielfunktion an, die die i nT zJw , energy

rsi

Ruckenergie, z.B. in der Form der „Wirkung der Ruckenergie“ Jmer&. oder der „Wirkung der Beschleunigungsenergie“, z.B. in der Form -9- 30

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102013/50369 AV-3543 AT 5 10 bewertet. Durch die Integrationsgrenzen wird über einen Zeitraum T in die Zukunft gerechnet, um zukünftigen, zu erwartenden Zuständen entgegen zu wirken. Durch das Korrekturmoment Tcor wird ein Drehmoment hinzugefügt, das auch den übertragenen Drehimpuls verändert. Um die Simulation nicht zu stark zu verfälschen, soll dieser Drehimpuls, der eine Verfälschung der Drehzahl bewirken würde, im zeitlichen Mittel möglichst gering sein. Es J J T^x^dTdv ver- wird daher eine zweite Zielfunktion J^o, z.B. in der Form Jdi. - wendet, die den durch das Korrekturmoment T«* eingebrachten Drehimpuls bewertet. Die für die Ermittlung des ersten Korrekturwertes Kt zu minimierende Gesamtzielfunktion J wird dann als Linearkombination der ersten und zweiten Zielfunktion mit den Gewichtsfaktoren ai, oi2 angeschrieben, J=aiJenergy + aristo· Das gesuchte Korrekturmoment Tcor ergibt sich dann durch Minimierung dieser Zielfunktion nach dem Korrekturmoment Tcor. Für die Gesamtzielfunktion J können natürlich auch noch weitere oder andere Zielfunktionen berücksichtigt werden, z.B. könnten beide obigen energie-Zwirkungsbasierten Zielfunktionen berücksichtigt werden. Für die Durchführung der Minimierung benötigt die Korrektureinheit 15 20 zumindest die Steuergröße für die Belastungsmaschine, hier die Drehzahl η^,^ zur Er mittlung der Winkelgeschwindigkeit ω. Das Trägheitsmoment des rotierenden Teiles Jw (z.B. des Rades oder der Kupplung) kann als bekannt vorausgesetzt werden. Der erste Korrekturwert Ki, hier das Korrekturmoment ΤΜΓ, kann dann in der Virtualkomponente 5, z.B. im Radsimulationsmodell 10, verarbeitet werden, wie oben beschrieben. 20 Es kann aber auch vorgesehen sein, dass in der Korrektureinheit 20 ebenfalls ein, vorzugsweise das gleiche, Radsimulationsmodell 15 implementiert ist. Dann kann die Korrektureinheit 20 bei Kenntnis des Welienmoments Tw mit dem ermittelten Korrekturmoment ΤΜΓ ein korrigiertes Gesamtradmoment T * ermitteln und der Virtualkomponente 5 übergeben, wie in Fig.4 schematisch dargestellt. 25 Für die Ermittlung des zweiten Korrekturwertes K2 ist in der Korrektureinheit 20 eine Zielfunktion J als Funktion des zweiten Korrekturwertes K2, hier in Form einer Korrekturdrehzahl η«», implementiert. Diese Zielfunktion J wird bezüglich des zweiten Korrekturwertes K2 minimiert, also in allgemeiner Schreibweise J{K2) = min. Als Zielfunktion könnte z.B. eine Funktion K1 implementiert sein, die die Abweichung zwischen der in der Virtualkomponente 5 berechne-30 ten Steuergröße S und dem tatsächlichen Wert dieser Steuergröße Sact, der gemessen wer- f den kann, bewertet, z.B. in der Form J = J|[ί5*(τ)—(r)1^7 . Am Beispiel einer Drehzahl n 0 als Steuergröße S kann die Zielfunktion J als J = )-n«i(T)||*i/r angeschrieben o -10-

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AV-3543 AT werden, wobei nact die tatsächliche Drehzahl der Aktuatorik 3, z.B. einer Belastungsmaschine, ist. Die Zielfunktion J wird nach ndmdtSim minimiert und das Ergebnis dieser Optimierung wird als Korrekturdrehzahl η«* wie oben beschrieben verwendet.

Die Ermittlung des dritten Korrekturwertes K3 kann analog zur Ermittlung des ersten Korrek-5 turwertes Ki durchgeführt werden. Es könnte dazu wieder eine Zielfunktion J als Linearfunktion zweier Zielfunktionen verwendet werden. Mit einer ersten Zielfunktion könnte wieder die Wirkung der Ruckenergie oder der Beschleunigungsenergie (Je^y) wie oben beschrieben bewertet wird. Die zweite Zielfunktion könnte z.B. die durch den veränderten Parameter P, hier das Trägheitsmoment Jw, geänderte Rotationsenergie (Je*.*,) bewerten, wobei die durch to den geänderten Parameter P veränderte Rotationsenergie im zeitlichen Mittel wieder möglichst gering sein soll, um Verfälschungen der Drehzahl, des Impulses oder der kinetischen Systemenergie zu minimieren. Damit könnte J<*s»o z.B. in der Form t V fi-

Jdlslo= j oder Jdis[0 - J |./^(χ,ν)ω(τ,ν)ί/τί/ν angeschrieben v=0r=(l i>=Or=0 werden. Die Zielfunktion J kann dann nach dem dritten Korrekturwert K3, hier das Korrektur-15 trägheitsmoment Joor, optimiert werden, mit dem dann das Trägheitsmoment Jw in der Virtu- alkomponente 5, bzw. in der Bewegungsgleichung im Simulationsmodell der Virtualkompo-nenten 5, korrigiert wird, z.B. vorzeichenrichtig zu Jw addiert wird.

Ein besonderer Vorteil bei der Optimierung von Zielfunktionen zur Ermittlung der Korrekturwerte Ki, K2, K3 kann darin gesehen werden, dass bei der Optimierung sehr einfach Rand-20 bedingungen berücksichtigt werden können, womit auf vorgegebene Beschränkungen der Virtualkomponente 5, z.B. eine maximale Radgeschwindigkeit, oder der Realkomponente 4, z.B. ein maximales Drehmoment eines Verbrennungsmotors, oder der Aktuatorik 3, z.B. eine maximale Drehbeschleunigung einer elektrischen Belastungsmaschine, Rücksicht genommen werden kann. 25 Z.B. könnten für die Ermittlung des ersten und dritten Korrekturwertes Ki, K3 die folgenden Randbedingungen berücksichtigt werden, (f<x<f+T) I®(τ)ΗώΗ^ (^x<f+7y womit Grenzwerte für die Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationsbeschleunigung, z.B. des Fahrzeugrades oder der Kupplung, vorgegeben werden können. 30 Für die Ermittlung des zweiten Korrekturwertes K2 könnten ähnliche Randbedingungen berücksichtigt werden, z.B. -11-

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AV-3543 AT Μτ)-η™ (t^<t+T) ΜΦή™ (t<x <t+T)’ womit Grenzwerte für die Drehzahl und die Drehbeschleunigung vorgegeben werden können. Für die Optimierung der obigen Zielfunktionen J gibt es hinreichend bekannte Lösungsme-5 thoden, z.B. dynamic programming, receeding horizon optimization, u.ä., die hier nicht näher erläutert werden. Die Zielfunktion J wird bevorzugt in Echtzeit vorzugsweise auf einem Echtzeitrechner optimiert.

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Claims

Printed: 04-06-2013 10 2013/50369 AV-3543 AT Patentansprüche 1. Verfahren zur Reduzierung der Anregung von Schwingungen und Resonanzen in einem Prüfstand (1) für eine Realkomponente (4) und eine Virtualkomponente (5), wobei die Realkomponente (4) eine Messgröße (M) der Realkomponente (4) an die Virtualkomponente (5) liefert und von der Virtualkomponente (5) eine Steuergröße <S) für eine Aktuatorik (3) des Prüfstandes (1) erhält, wobei in der Virtualkomponente (5) ein Simulationsmodell (21) mit einer Bewegungsgleichung implementiert ist, das aus der Messgröße (M) die Steuergröße (S) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der folgenden Verfahrens-Schritte a), b) oder c) gesetzt wird, a) Ermitteln eines ersten Korrekturwertes (Ki) aus der Messgröße (M), wobei der erste Korrekturwert (KO zur Messgröße (M) addiert wird und die Summe als korrigierte Messgröße (M*) der Virtualkomponente (5) zur Berechnung der Steuergröße (S) übermittelt wird b) Ermitteln eines zweiten Korrekturwertes (K2) aus der berechneten Steuergröße (S), wobei der zweite Korrekturwert (K2) zur berechneten Steuergröße (S) addiert wird und die Summe als korrigierte Steuergröße (S*) der Aktuatorik (3) übermittelt wird, c) Ermitteln eines dritten Korrekturwertes (K3) aus der Messgröße (M), wobei mit dem dritten Korrekturwert (K3) ein Parameter (P) der Bewegungsgleichung verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße (M) das Drehmoment (Tw) einer Verbindungswelle (2) zwischen Realkomponente (4) und Aktuatorik (3) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuergröße (S) eine Drehzahl (n) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (Κι, K2l K3) eine Zielfunktion (J) als Funktion des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (Κι, K2, K3) implementiert ist, die hinsichtlich des ersten oder zweiten oder dritten Korrekturwertes (Κι, K2, K3) optimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des ersten oder dritten Korrekturwertes (K1, K3) als Zielfunktion (J) eine Linearkombination einer ersten und zweiten Zielfunktion (J«n«rgy, Jdi*u>) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Zielfunktion (Jenergy) ein quadratisches Gütefunktional als Funktion der Winkelgeschwindigkeit (ω) oder -13- pmmMä&mtö ieou.i 102013/50369 AV-3543 AT 1 i+i einer Ableitung davon verwendet wird, vorzugsweise in der Form =—Jw J|tS(r)g</T 2 t=t oder J"*gr=\jw τ =/
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweiten Zielfunktion (Jdisto) der durch den ersten Korrekturwert (KO zusätzlich eingebrachte Drehimpuls be- r r T (r v) wertet wird, vorzugsweise in der Form Jdlsll, = I I — ·— dxdv. v =0 τ =0 *Λί
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweiten Zielfunk-tion (Jdisto) die durch den dritten Korrekturwert (KO veränderte kinetische Energie bewertet f V wird, vorzugsweise in der Form = j jj ^(τ ,ν)!{»(τ ,ν^ο/τάν oder i=|>T=0 / v ddlslu = J | J cor (τ >v )ω (τ ,v )didv . ν=Οτ=0
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Korrekturwert (KO ein Korrektunmoment (Τ«*) ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter Korrekturwert (K3) ein Korrekturträgeheitsmoment (Jo*) ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Korrekturwertes (K2) eine Zielfunktion (J) implementiert wird, die die Abweichung zwischen der in der Virtualkomponente berechneten Steuergröße (S) und dem tatsächlichen Wert dieser Steuergröße (Sact) bewertet, vorzugsweise in der Form .;=J|i'(r)-s„(T)||’dT. 0
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Korrekturwert (K2) eine Korrekturdrehzahl (η«*) berechnet wird, vorzugsweise aus J = j(T)_ nun(T)||2^T. indem nach der Drehzahl (ndmd.sim) optimiert wird und die ermit- 0 telte Drehzahl (ndmd,sim) als Korrekturdrehzahl (n»r) verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierung Randbedingungen zur Berücksichtigung von vorgegebenen Beschränkungen der Virtu-alkomponent (5) oder der Realkomponente (4) oder der Aktuatorik (3) verwendet werden.
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