DE10156557A1 - Verfahren zur automatisierten Kalibrierung der Steuerung einer Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung der Steuerung einer Maschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei für zumindest einen Betriebspunkt die Sensitivität verschiedener Betriebsparameter (X, Y, Z, ...) analysiert wird und für ausgewählte Messpunkte (M, M¶0¶) mit vorbestimmten Betriebsparametern (X, Y, Z, ...) Betriebsmessungen an der Maschine durchgeführt werden. Um auf möglichst einfache Weise die Qualität der Kalibrierung der Steuerung einer Maschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass für zumindest einen nicht fahrbaren Messpunkt (M) Hilfsmesspunkte (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶, A¶4¶, ...) definiert werden, welche auf einer Verbindungslinie (L) zwischen einem stabilen Zentralmesspunkt (C) innerhalb der Betriebsgrenzen (G) der Maschine und dem Messpunkt (M) liegen, und dass der der Betriebsgrenze (G) am nächsten liegende fahrbare Hilfsmesspunkt (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶, A¶4¶, ...) als Ersatzmesspunkt (E) den weiteren Betriebsmessungen zugeführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Kalibrierung der Steuerung einer Maschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei für zumindest einen Lastpunkt die Sensitivität verschiedener Betriebsparameter analysiert wird und für ausgewählte Messpunkte mit vorbestimmten Betriebsparametern Betriebsmessungen an der Maschine durchgeführt werden.
• Es ist bekannt, zur Kalibrierung der Steuerung von Brennkraftmaschinen für bestimmte Betriebspunkte mit vordefinierter Drehzahl und/oder Last eine Sensitivitätsanalyse für verschiedene Betriebsparameter durchzuführen. Die aus der Sensitivitätsanalyse gewonnen Erkenntnisse können zur optimierten Kalibrierung der Steuerung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Werden für einen Lastpunkt mehrere Betriebsparameter, beispielsweise Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt, Kraftstoffdruck, Saugrohrdruck, Abgasrückführrate, etc. gleichzeitig verstellt, so ergibt sich eine äußerst große Zahl an möglichen Parameterkombinationen, welche einzeln in Betriebsmessungen am Versuchsmotor überprüft werden müssten. Dies würde allerdings einen erheblichen Messaufwand verursachen. Um den Messaufwand auf ein realistisches Maß zu beschränken, wird eine nach bestimmten Gesichtspunkten ausgewählte Anzahl von repräsentativen Messpunkten ausgewählt, welche Basis einer mathematischen Modellbildung für die Zielfunktion sind. Die Optimierung der Betriebsparameter erfolgt dann am Modell. Auf diese Weise lässt sich der Messaufwand von ursprünglich beispielsweise 8.000 Messungen auf beispielsweise 50 Messungen reduzieren. Die Auswahl der Messpunkte erfolgt üblicherweise nach statistischen Methoden, wobei je nach Zielsetzung und Fragestellung eine bestimmte Auswahlstrategie zur Anwendung kommt. Gemäß den Auswahlstrategien werden die Messpunkte entweder gleichmäßig in einem mehrdimensionalen Raummodell verteilt oder nach bestimmten Gesichtspunkten gewichtet. Da die Auswahl der Messpunkte in Unkenntnis der tatsächlichen Betriebsgrenzen nur nach rein statistischen Kriterien erfolgt, liegt - in Abhängigkeit des jeweiligen statistischen Versuchsplanes - ein Teil der ausgewählten Messpunkte außerhalb des stabilen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine. Die nicht fahrbaren Messpunkte konnten bisher bei der Modellbildung nicht berücksichtigt werden, da keine Messwerte vorliegen. Die Aussagequalität der Untersuchung wird dadurch mehr oder weniger stark nachteilig beeinflusst.
• Das Fehlen der Messpunkte im nicht stabilen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ließe sich vermeiden, indem vor Auswahl der Messpunkte die genauen Betriebsgrenzen der Brennkraftmaschine für den jeweiligen Lastpunkt ermittelt werden würden. Diese Methode scheidet aber wegen des dafür nötigen unakzeptabel hohen Messaufwandes aus.
• Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem automatisierten Verfahren zur Kalibrierung der Steuerung von Maschinen mit geringen Aufwand die Aussagekraft von Sensibilitätsanalysen zu verbessern.
• Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass für zumindest einen nicht fahrbaren Messpunkt Hilfsmesspunkte definiert werden, welche auf einer Verbindungslinie zwischen einem stabilen Zentralmesspunkt innerhalb der Betriebsgrenzen der Maschine und dem Messpunkt liegen, und dass der der Betriebsgrenze am nächsten liegende fahrbare Hilfsmesspunkt als Ersatzmesspunkt den weiteren Betriebsmessungen zugeführt wird. Jeder Messpunkt wird für sich auf Limitverletzungen, das heißt auf Fahrbarkeit, überprüft. Stellt sich bei dieser Überprüfung heraus, dass ein Messpunkt außerhalb der Betriebsgrenzen der Brennkraftmaschine liegt und somit nicht fahrbar ist, so wird der Messpunkt nicht ersatzlos gestrichen, sondern durch einen Ersatzmesspunkt ersetzt. Die Zahl der ursprünglich ausgewählten Messpunkte wird somit nicht vermindert. Dies ermöglicht es, die Modellbildung mit der ursprünglich geplanten Anzahl an Messpunkten und nur geringfügig schlechterer Genauigkeit durchzuführen.
• In einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass aufeinanderfolgende Hilfsmesspunkte auf der Verbindungslinie gleichweit beabstandet definiert werden. Die Verbindungslinie kann dabei durch eine gerade Linie gebildet werden.
• Als Zentralmesspunkt kann jeder beliebige Punkt innerhalb der Betriebsgrenzen verwendet werden. Um den Messaufwand so klein wie möglich zu halten, ist es allerdings vorteilhaft, wenn ein einziger, stabiler Zentralmesspunkt innerhalb der Betriebsgrenzen für alle nicht fahrbaren Messpunkte gewählt wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass ausgehend vom Zentralmesspunkt jeder Hilfsmesspunkt auf Fahrbarkeit geprüft wird, und dass der letzte fahrbare Hilfsmesspunkt als Ersatzmesspunkt den weiteren Betriebsmessungen zugeführt wird. Dies ermöglicht eine besonders rasche Bestimmung des Ersatzmesspunktes. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, dass ausgehend vom Messpunkt jeder Hilfsmesspunkt auf Fahrbarkeit überprüft wird, und dass der erste fahrbare Hilfsmesspunkt als Ersatzmesspunkt den weiteren Betriebsmessungen an der Maschine zugeführt wird.
• Die Ergebnisse der Betriebsmessungen aller Messpunkte und Ersatzmesspunkte können zur Kalibrierung der Steuerung einer statistischen und/oder mathematischen Auswertung, insbesondere Modellbildungsalgorithmen, beispielsweise Interpolationsverfahren, zugeführt werden.
• In Weiterführung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Aufsuchen eines Ersatzmesspunktes die Einstellwerte von noch nicht den Betriebsmessungen unterzogenen Messpunkten neu berechnet werden. Dadurch kann eine ausgewogene Gesamtverteilung aller Messpunkte im n-dimensionalen Raum erreicht werden, um für die nachfolgende Modellbildung die höchstmögliche Qualität zu gewährleisten.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
• Die Figur zeigt ein dreidimensionales Schaubild, in welchem Messpunkte für die Betriebsparameter X, Y, Z, etc., aufgetragen sind. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf dreidimensionale Abhängigkeiten beschränkt, sondern lässt sich besonders gut und vorzugsweise bei Lastpunkten mit mehr als drei Betriebsparametern anwenden.
• Dient das Verfahren zur Kalibrierung der Steuerung von Brennkraftmaschinen, so können die Parameter X, Y, Z, etc., Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt, Kraftstoffdruck, Saugrohrdruck, Abgasrückführrate, oder ähnliches sein.
• Das beschriebene Verfahren dient dazu, um jeweils in einem bestimmten Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine den Einfluss der Veränderung von bestimmten Betriebsparametern auf das Laufverhalten der Brennkraftmaschine zu untersuchen. Für ein oder zwei Betriebsparameter wäre die Untersuchung leicht durchzuführen und trivial. Mit zunehmender Anzahl an gleichzeitig zu verändernden Betriebsparametern steigt der damit verbundene Messaufwand allerdings stark an. Werden pro Betriebsparameter beispielsweise auch nur 10 verschiedene Werte untersucht, müssten bei zwei Parametern 100, bei drei Betriebsparametern 1.000, bei vier Betriebsparametern 10.000, und bei fünf Betriebsparametern 100.000 Messpunkte gefahren werden. Dieser Aufwand ist praktisch kaum durchführbar. Um den Messaufwand auf ein erträgliches Maß zu reduzieren, werden mit Hilfe von Methoden der statistischen Versuchsplanung charakteristische Messpunkte aus der Gesamtmenge ausgewählt. Je nach Anwendungsfall stehen dabei verschiedene Auswahlverfahren zur Verfügung. Mittels der Verfahren der statistischen Versuchsplanung kann beispielsweise eine geeignete Aufteilung der Messpunkte M, M₀ in einem fünfdimensionalen Raum durchgeführt werden, beispielsweise mittels eines als "CCD (Center Composit Design)" bekannten statistischen Versuchsplanes. Auf diese Weise wird die Anzahl an Messpunkten M, M₀ beispielsweise auf 50 reduziert, was einen realistischen und praktikablen Wert darstellt. Messpunkte außerhalb der Betriebsgrenzen G sind in der Figur mit M, Messpunkte innerhalb der Betriebsgrenzen G mit M₀ bezeichnet.
• Da die genauen Betriebsgrenzen für die einzelnen Betriebsparameter nicht bekannt sind, das aus den Messdaten erstellte Modell aber einen möglichst großen Gültigkeitsbereich aufweisen soll, liegt im Allgemeinen ein Teil der mittels des Versuchsplanes ausgewählten Messpunkte M, M₀ außerhalb des stabilen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine. Derartige Messpunkte M außerhalb der Betriebsgrenzen B wurden bisher bei der Modellbildung nicht berücksichtigt. Insbesondere dann, wenn ein großer Teil der Messpunkte M, M₀ außerhalb des Betriebsbereiches liegt, wird allerdings die Aussagekraft der Untersuchung stark verfälscht und abgeschwächt. Hier setzt das beschriebene Verfahren an.
• Es wird ein Zentralmesspunkt C ausgewählt, der mit Sicherheit einen stabilen und fahrbaren Betriebspunkt der Brennkraftmaschine darstellt. Dieser Zentralmesspunkt C wird mit außerhalb des Betriebsbereiches liegenden Messpunkten M verbunden. Auf der beispielsweise durch eine Gerade gebildeten Verbindungslinie L zwischen dem zentralen Messpunkt C und dem nicht fahrbaren Messpunkt M wird eine variable Anzahl an Hilfsmesspunkten A₁, A₂, A₃, A₄, etc. aufgetragen, welche gleichmäßig voneinander beabstandet sind. In einem weiteren Schritt wird jeder Hilfsmesspunkt A₁, A₂, A₃, A₄, etc. auf Limitverletzung untersucht, wobei vom Zentralmesspunkt C ausgegangen wird. Der zuletzt gefundene stabile Hilfsmesspunkt, also der Hilfsmesspunkt, der sich noch innerhalb der Betriebsgrenzen B befindet, wird zum Ersatzmesspunkt E erklärt. Der Ersatzmesspunkt E wird anstelle des durch den statistischen Versuchsplan vorgeschlagenen Messpunktes M für die weiteren Betriebsmessungen an der Brennkraftmaschine herangezogen. Aus Anschaulichkeitsgründen wurden in der Figur für jeden Messpunkt M die gleichen Bezugszeichen verwendet.
• Auf diese Weise kann für jeden nicht fahrbaren vorgeschlagenen Messpunkt M ein Ersatzmesspunkt E gefunden werden, welcher sich nahe der Betriebsgrenze B befindet. Für die weiteren Messungen und Auswertungen steht somit die ursprünglich definierte Zahl für die Betriebsmessung verwendeten Punkten zur Verfügung, wodurch nur ein geringer Qualitätsverlust bei der Modellbildung auftritt, der daher rührt, dass der anstatt eines nicht stabilen Messpunktes M gemessene Ersatzmesspunkt E die statistische Balance bei der Modellbildung verschlechtert. Eine weitere Variante des Verfahrens umgeht diesen Nachteil dadurch, dass nach dem Auftreten einer Grenzwertverletzung, auf Grund der statt dem ursprünglich angezielten Messpunkt M der Ersatzmesspunkt E gemessen wird, der Versuchsplan für die noch nicht durchgeführten Messungen dahingehend neu berechnet wird, so dass die statistische Balance wieder hergestellt wird.
• Das aus den Messdaten des Zentralmesspunktes C und den Messpunkten M bzw. den entsprechenden Ersatzmesspunkten E gebildete Modell wird als Basis für die Optimierung der Einstellungen und somit für die Kalibrierung der Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Mit dem beschriebenen Verfahren kann somit die Genauigkeit der Kalibrierung der Brennkraftmaschinensteuerung erhöht und der Messaufwand wesentlich verringert werden. Gleichzeitig erlaubt das beschriebene Verfahren einen hohen Automatisierungsgrad.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kalibrierung der Steuerung einer Maschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei für zumindest einen Lastpunkt die Sensitivität verschiedener Betriebsparameter (X, Y, Z, . . .) analysiert wird und für ausgewählte Messpunkte (M, M₀) mit vorbestimmten Betriebsparametern (X, Y, Z, . . .) Betriebsmessungen an der Maschine durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen nicht fahrbaren Messpunkt (M) Hilfsmesspunkte (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) definiert werden, welche auf einer Verbindungslinie (L) zwischen einem stabilen Zentralmesspunkt (C) innerhalb der Betriebsgrenzen (G) der Maschine und dem Messpunkt (M) liegen, und dass der der Betriebsgrenze (B) am nächsten liegende fahrbare Hilfsmesspunkt (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) als Ersatzmesspunkt (E) den weiteren Betriebsmessungen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger, stabiler Zentralmesspunkt (C) innerhalb der Betriebsgrenzen (B) für alle nicht fahrbaren Messpunkte (M) gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie (L) durch eine gerade Linie gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Hilfsmesspunkte (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) auf der Verbindungslinie (L) gleichweit voneinander beabstandet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Zentralmesspunkt (C) jeder Hilfsmesspunkt (A1, A2, A3, A4, . . .) auf Fahrbarkeit geprüft wird, und dass der letzte fahrbare Hilfsmesspunkt (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) als Ersatzmesspunkt (E) den weiteren Betriebsmessungen zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Messpunkt (M) jeder Hilfsmesspunkt (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) auf Fahrbarkeit überprüft wird, und dass der erste fahrbare Hilfsmesspunkt (A₁, A₂, A₃, A₄, . . .) als Ersatzmesspunkt (E) den weiteren Betriebsmessungen an der Maschine zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten aus den Betriebsmessungen der Maschine in den Messpunkten (M₀) und den Ersatzmesspunkten (E) statistischen oder mathematischen Auswertemethoden, insbesondere Modellbildungsalgorithmen, zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Aufsuchen eines Ersatzmesspunktes (E) die Einstellwerte von noch nicht den Betriebsmessungen unterzogenen Messpunkten (M, M₀) neu berechnet werden.