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Online-Methoden zur effizienten Vermessung von statischen und dynamischen Verbrennungsmotormodellen

Kowalczyk, Marek (2018)
Online-Methoden zur effizienten Vermessung von statischen und dynamischen Verbrennungsmotormodellen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Reduktion von Abgas-Emissionen sowie von Kraftstoffverbrauch gewinnt immer stärkere Bedeutung und führt in der Umsetzung zu einer immer höheren Anzahl an Aktoren und Sensoren und infolgedessen zu einer immensen Zunahme an Variabilitäten. Die Applikation von elektronischen Motorsteuerungen wird folglich zu einer hochdimensionalen Aufgabe und mitvder Dimensionalität steigt die Komplexität. Um die Optimierung der Applikation in annehmbarer Zeit und mit akzeptablen Aufwand durchführen zu können sind sowohl schnelle Vermessungsmethoden als auch modellbasierte Optimierungsmethoden nötig. Die Zeit und der Aufwand können weiter reduziert werden, indem die Messung, Identifikation und Optimierung zu einer Online-Methodik am Motorenprüfstand kombiniert werden, wodurch diese automatisch interagieren und sich anpassen.

Zur Umsetzung einer schnellen Applikation wurde eine Online-Methode entwickelt, welche die Modellierung des statischen und dynamischen Verhaltens mit lokalen sowie globalen Verbrennungsmotormodellen ermöglicht. Die Automatisierung erfolgt dabei durch die Parallelisierung der Vermessung und Auswertung zur Modellbildung, sodass sie ohne Trennung von Messungen am Prüfstand, Auswertungen im Büro und zwischenzeitlichen Benutzereingriffen ablaufen kann. Der Ablauf des Prozesses entspricht einem iterativen Vorgehen während der Vermessung, wodurch passende Offline-Methoden verwendet werden können. Mithilfe verschiedener weiterer Methoden kann eine Reduktion des gesamten Aufwands und der benötigten Zeit erreicht werden, bei gleichzeitiger Erhöhung der Modellqualität.

Eine schnelle Bestimmung des Variationsraums wird durch eine limitbasierte Regelung der Aktorführungsgrößen erreicht. Solange die gemessenen Größen weit von ihren kritischen Werten entfernt sind, wird die Verstellgeschwindigkeit aller Aktoren erhöht, um schneller zu den Variationsraumgrenzen zu gelangen. Wenn die gemessenen Größen sich ihren kritischen Werten nähern, wird die Verstellgeschwindigkeit geregelt reduziert. Mithilfe dieser integrierten Regelung wird ein schnelles Verfahren erreicht. Mithilfe der gemessenen Positionen der Aktoren an den Variationsraumgrenzen wurde eine mathematische Beschreibung des konkaven Variationsraums und der sich daraus ergebenden konkaven Hülle entwickelt. Speziell bei hochdimensionalen Problemen ist die mathematische Beschreibung des konkaven Variationsraums essentiell für eine automatische Online-Vermessung am Prüfstand, weil ein manuelles Vermessen hochdimensionaler Räume viel Zeit in Anspruch nimmt. Mithilfe einer Stationärwerterkennung kann die stationäre Vermessung schneller erfolgen. Die Online-Methodik erkennt automatisch den stationären Zustand aller Messgrößen, führt die Datenaufzeichnung aus und wechselt zum nächsten Messpunkt. Infolgedessen wird keine globale Stabilisierungszeit mehr benötigt, da die Messgrößen bis zum Erreichen aller stationären Werte für eine individuelle Zeit konstant gehalten werden. Für die dynamische Modellbildung wurde ein Kurzzeit-Testsignal entwickelt, welches eine flexible und zielorientierte Anpassung erlaubt. Ohne eine individuell angepasste Anregung können dynamische Modelle keine hohe Güte erreichen. Darüber hinaus wurden geeignete Methoden zur zielgerichteten sowie modellbasierten Anpassung von Messplänen basierend auf dem aktuell gültigen Modell entwickelt. Auf diese Weise wird eine schnellere Vermessung zur Modellbildung ermöglicht, da statt klassischen raumfüllenden Designs nur Messpunkte erfasst werden, welche für das Modell und die Anwendung relevant sind. Der gesamte Messaufwand kann reduziert werden, indem das Messen in Bereichen hoher Modellgüte vermieden wird, da der Einfluss einer neuen Messung in diesen Bereich gering ist. Um die Anwendbarkeit der Methodik zu erhöhen sowie die benötigten Benutzereingriffe zu reduzieren, werden zusätzlich Methoden zur Anpassung der mathematischen Modellstruktur entwickelt. Dadurch kann die erreichbare Modellgüte erhöht werden und Annahmen zur Modellstruktur werden vermieden.

Mit der hier vorgestellten neuen Methodik zur zielgerichteten Vermessung, welche sowohl schnell als auch automatisch abläuft, leistet diese Dissertation einen wesentlichen Beitrag zur modellbasierten Applikation von Motorsteuergeräten. Durch den Einsatz dieser Online-Methodik, deren Anwendbarkeit anhand verschiedener Beispiele verdeutlicht wird, kann die Vermessung und Identifikation in deutlich kürzerer Zeit als beim klassischen Vorgehen erfolgen.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Kowalczyk, Marek
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Online-Methoden zur effizienten Vermessung von statischen und dynamischen Verbrennungsmotormodellen
Sprache: Deutsch
Referenten: Isermann, Prof. Dr. Rolf ; Beidl, Prof. Dr. Christian ; Konigorski, Prof. Dr. Ulrich
Publikationsjahr: 2018
Ort: Darmstadt
Verlag: VDI Verlag GmbH
Datum der mündlichen Prüfung: 22 Januar 2018
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7749
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die Reduktion von Abgas-Emissionen sowie von Kraftstoffverbrauch gewinnt immer stärkere Bedeutung und führt in der Umsetzung zu einer immer höheren Anzahl an Aktoren und Sensoren und infolgedessen zu einer immensen Zunahme an Variabilitäten. Die Applikation von elektronischen Motorsteuerungen wird folglich zu einer hochdimensionalen Aufgabe und mitvder Dimensionalität steigt die Komplexität. Um die Optimierung der Applikation in annehmbarer Zeit und mit akzeptablen Aufwand durchführen zu können sind sowohl schnelle Vermessungsmethoden als auch modellbasierte Optimierungsmethoden nötig. Die Zeit und der Aufwand können weiter reduziert werden, indem die Messung, Identifikation und Optimierung zu einer Online-Methodik am Motorenprüfstand kombiniert werden, wodurch diese automatisch interagieren und sich anpassen.

Zur Umsetzung einer schnellen Applikation wurde eine Online-Methode entwickelt, welche die Modellierung des statischen und dynamischen Verhaltens mit lokalen sowie globalen Verbrennungsmotormodellen ermöglicht. Die Automatisierung erfolgt dabei durch die Parallelisierung der Vermessung und Auswertung zur Modellbildung, sodass sie ohne Trennung von Messungen am Prüfstand, Auswertungen im Büro und zwischenzeitlichen Benutzereingriffen ablaufen kann. Der Ablauf des Prozesses entspricht einem iterativen Vorgehen während der Vermessung, wodurch passende Offline-Methoden verwendet werden können. Mithilfe verschiedener weiterer Methoden kann eine Reduktion des gesamten Aufwands und der benötigten Zeit erreicht werden, bei gleichzeitiger Erhöhung der Modellqualität.

Eine schnelle Bestimmung des Variationsraums wird durch eine limitbasierte Regelung der Aktorführungsgrößen erreicht. Solange die gemessenen Größen weit von ihren kritischen Werten entfernt sind, wird die Verstellgeschwindigkeit aller Aktoren erhöht, um schneller zu den Variationsraumgrenzen zu gelangen. Wenn die gemessenen Größen sich ihren kritischen Werten nähern, wird die Verstellgeschwindigkeit geregelt reduziert. Mithilfe dieser integrierten Regelung wird ein schnelles Verfahren erreicht. Mithilfe der gemessenen Positionen der Aktoren an den Variationsraumgrenzen wurde eine mathematische Beschreibung des konkaven Variationsraums und der sich daraus ergebenden konkaven Hülle entwickelt. Speziell bei hochdimensionalen Problemen ist die mathematische Beschreibung des konkaven Variationsraums essentiell für eine automatische Online-Vermessung am Prüfstand, weil ein manuelles Vermessen hochdimensionaler Räume viel Zeit in Anspruch nimmt. Mithilfe einer Stationärwerterkennung kann die stationäre Vermessung schneller erfolgen. Die Online-Methodik erkennt automatisch den stationären Zustand aller Messgrößen, führt die Datenaufzeichnung aus und wechselt zum nächsten Messpunkt. Infolgedessen wird keine globale Stabilisierungszeit mehr benötigt, da die Messgrößen bis zum Erreichen aller stationären Werte für eine individuelle Zeit konstant gehalten werden. Für die dynamische Modellbildung wurde ein Kurzzeit-Testsignal entwickelt, welches eine flexible und zielorientierte Anpassung erlaubt. Ohne eine individuell angepasste Anregung können dynamische Modelle keine hohe Güte erreichen. Darüber hinaus wurden geeignete Methoden zur zielgerichteten sowie modellbasierten Anpassung von Messplänen basierend auf dem aktuell gültigen Modell entwickelt. Auf diese Weise wird eine schnellere Vermessung zur Modellbildung ermöglicht, da statt klassischen raumfüllenden Designs nur Messpunkte erfasst werden, welche für das Modell und die Anwendung relevant sind. Der gesamte Messaufwand kann reduziert werden, indem das Messen in Bereichen hoher Modellgüte vermieden wird, da der Einfluss einer neuen Messung in diesen Bereich gering ist. Um die Anwendbarkeit der Methodik zu erhöhen sowie die benötigten Benutzereingriffe zu reduzieren, werden zusätzlich Methoden zur Anpassung der mathematischen Modellstruktur entwickelt. Dadurch kann die erreichbare Modellgüte erhöht werden und Annahmen zur Modellstruktur werden vermieden.

Mit der hier vorgestellten neuen Methodik zur zielgerichteten Vermessung, welche sowohl schnell als auch automatisch abläuft, leistet diese Dissertation einen wesentlichen Beitrag zur modellbasierten Applikation von Motorsteuergeräten. Durch den Einsatz dieser Online-Methodik, deren Anwendbarkeit anhand verschiedener Beispiele verdeutlicht wird, kann die Vermessung und Identifikation in deutlich kürzerer Zeit als beim klassischen Vorgehen erfolgen.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

The reduction of exhaust emissions and fuel consumption is gaining in importance and leads in the implementation to an increasing number of actuators and sensors and consequently to an immense increased number of variabilities. The calibration of the electronic engine control units becomes a high dimensional task and with the dimensionality, the complexity increases. To complete the optimization of the calibration in an acceptable amount of time and reasonable effort, fast measurement methods as well as model-based optimization methods are needed. Even more time and effort can be saved, if the measurement, identification and optimization are coupled to an online-method at an engine test bench, resulting in an automatic interaction and adaptation of them.

For enabling a fast calibration, an online methodology was developed, which allows the modeling of the stationary as well as the dynamic behaviour with local and global combustion engine models. The automatization is done by parallelization of the measuring and analysis for identification, enabling a procedure without separation of measuring at the test bench and evaluation at the office and user inputs in between. The sequence of the process corresponds to an iterative approach during the measurement, which enables the use of suitable offline methods. With the help of different additional methods a reduction of the overall effort and time is achieved, while enhancing the model quality.

A fast determination of the variation space is accomplished with a limit based control of actuators. As long as the measured signals are far away from their critical values, the adjustment speed of all actuators is increased to move faster towards the variation space border. If the measured signals approach their critical values, a controlled reduction of the speed is performed. With the integrated controller, a fast determination of the variation space is accomplished. With the measured positions of the actuators at the variation space borders, a mathematical describtion of the concave variation space and hull have been developed. Especially for high dimensional problems, the mathematical describtion of the concave variation space is essential for an automated online-measurement at the test bench, as the manual measurement of high-dimensional spaces takes much time. With the help of a stationary detection, stationary measurements can be performed faster. The online methodology recognizes automatically the stationary value of all measured variables, performes the data acquisition and continues to the next measurement point. No global stabilization time is needed any more as the measured values are held for an individual time until they all are stable. For dynamic modeling, a short-time excitation signal is developed, which enables a flexible and target-oriented parametrization. Without an individually adapted excitation, dynamic models can’t achieve a good quality. Furthermore, suitable methods for the target-oriented and model-based adaptation of the measurement design based on the actual valid model are developed. This enables a faster measurement for modeling, as instead of classic variationspace-filling designs only points are captured which are relevant for the actual model and application. A reduction of the measurement effort is achieved by avoiding regions where the quality of the model is already high, as the influence of new mearurement points in this area is small. For increasing the applicability of the methodology and reducing the necessary user inputs, methods for adaptation of the mathematical model structure are developed. This increases the achievable model quality and assumptions for the model structure are avoided.

With the here presented new measurement methodology for target-oriented measurements, which performs fast and fully automatically, this dissertation contributes essentially to the model-based calibration of engine control units. Using the online methodology, whose applicability is exemplarily shown with different examples, the measurement and modeling can be accomplished in significantly lesser time then with common approaches.

Englisch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-77499
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Regelungstechnik und Prozessautomatisierung
Hinterlegungsdatum: 14 Okt 2018 19:55
Letzte Änderung: 14 Okt 2018 19:55
PPN:
Referenten: Isermann, Prof. Dr. Rolf ; Beidl, Prof. Dr. Christian ; Konigorski, Prof. Dr. Ulrich
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 22 Januar 2018
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