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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A TEST STAND ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/096085
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device and to a method for controlling a test stand arrangement (4) having a specimen (1) and having a loading machine (2), which is connected to the specimen (1) by a connecting shaft (3). An estimated value (TE,est) for for the internal torque (TE) of the specimen (1) is determined and, from the estimated value (TE,est), whilst taking into account a natural frequency (f0) and a delay, a damping signal (TDamp) is determined and fed back into the control loop.

Inventors:
KOKAL HELMUT (AT)
Application Number:
PCT/EP2017/080315
Publication Date:
May 31, 2018
Filing Date:
November 24, 2017
Export Citation:
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Assignee:
AVL LIST GMBH (AT)
International Classes:
G01M13/02; F16F15/02; G01L3/02; G01M15/12; G05B13/00; B60W30/20; B60W50/00
Foreign References:
US20110238359A12011-09-29
EP0280948A11988-09-07
Other References:
KOKAL H ET AL: "Bandwidth extension of dynamical test benches by modified mechanical design under adaptive feedforward disturbance rejection", AMERICAN CONTROL CONFERENCE (ACC), 2010, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 30 June 2010 (2010-06-30), pages 6151 - 6156, XP031719998, ISBN: 978-1-4244-7426-4
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE PINTER & WEISS OG (AT)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zur Regelung einer Prüfstandsanordnung (4) mit einem Prüfling (1 ) und mit einer Belastungsmaschine (2), die durch eine Verbindungswelle (3) mit dem Prüfling (1 ) ver- bunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein Schätzwert (TE,est) für das innere Drehmoment (TE) des Prüflings (1 ) ermittelt wird, wobei aus dem Schätzwert (TE,est) unter Berücksichtigung einer zu dämpfenden Eigenfrequenz (f0) und einer Verzögerung (Delay) ein Bedämpfungssignal (TDamp) ermittelt und im Regelkreis rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwert (TE,est) aus der Prüflingswinkelgeschwindigkeit (ωΕ) und dem Wellenmoment (TST) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Bedämpfungssignals (TDamp) aus dem Schätzwert (TE est) ein die zu dämpfende Eigenfrequenz (f0) umfassender Bandbereich herausgefiltert und das herausgefilterte Signal um eine Verzögerung (Delay) verzögert und um eine Verstärkung (Gain) verstärkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter für die Verzögerung (del) und/oder die Verstärkung (Gain) und/oder den Bandbereich in einer Simulation vorab bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung (Delay) ein konstanter Parameter ist.

6. Vorrichtung zur Regelung einer Prüfstandsanordnung (4) mit einem Prüfling (1 ) und mit einer Belastungsmaschine (2), die durch eine Verbindungswelle (3) mit dem Prüfling (1 ) verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorrichtung eine Bedämpfungs- einheit (8) mit einer Schätzeinheit (9) und einem Filter (10) aufweist, wobei die Schätzeinheit (9) einen Schätzwert (TE est) für das innere Drehmoment (TE) des Prüflings (1 ) erstellt und wobei der Filter aus dem Schätzwert (TE est) auf Basis einer zu dämpfenden Eigenfrequenz (f0) und einer Verzögerung (Delay) ein Bedämpfungssignal (TDamp) erstellt und im Regelkreis rückführt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzeinheit (9) den Schätzwert (TE est) aus der Prüflingswinkelgeschwindigkeit (ωΕ) und dem Wellenmoment (TST) ermittelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzeinheit (9) einen Kaiman-Filter aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (10) ein als FIFO-Speicher ausgebildetes Verzögerungsglied (14) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Prüf- standsanordnung (4) einer überkritischen Anordnung entspricht.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Prüfstandsanordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Prüfstandsanordnung mit einem Prüfling und mit einer Belastungsmaschine, die durch eine Verbindungs- welle mit dem Prüfling verbunden ist.

Bei Motoren prüf ständen in überkritischer Anordnung kommt es häufig zur Anregung der Prüfstandseigenfrequenz durch noch nicht gut abgestimmte Verbrennungsprozesse in den einzelnen Zylindern eines Verbrennungsmotors (speziell bei Motoren, die noch in einem Entwicklungsstadium sind). Dies kann sich dann beispielsweise durch auftreten der 0,5-ten Ordnung im Momentenverlauf äußern, welche dann die Prüfstandseigenfrequenz anregen kann. Diese Resonanz hat als Konsequenz einen unnatürlichen Drehzahlverlauf des Verbrennungsmotors. Solche Effekte erschweren eine saubere Kalibrierung am Verbrennungsmotor bzw. kann sich eine Kalibrierung als unmöglich erweisen, beispielsweise bei einer Zündaussetzererkennung.

Dabei besteht unter anderem das Problem, dass die derart verursachten Störungen nicht direkt messbar und somit einer Regelung entzogen sind.

Es ist das Ziel der gegenständlichen Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zur Prüfstandregelung vorzusehen, mit denen derartige Effekte stark reduziert werden können.

WO201 1/022746 beschreibt ein Regelungsverfahren für eine Prüfstandsanordnung, wobei zur Erhöhung der Regelgüte anhand einer Auswertung des Drehwinkels das innere Drehmoment des Verbrennungsmotors ermittelt und mithilfe eines Repetitive-Control-Verfahrens im Regelkreis rückgeführt wird. Eine Bedämpfung von Eigenfrequenzen der Prüfstandsanordnung sieht die Offenbarung der WO201 1/022746 nicht vor.

In realen Prüfstandsumgebungen ist es oftmals nicht möglich, bestimmte Messgrößen, wie etwa den Drehwinkel, mit einer ausreichenden Genauigkeit zu Messen. Entweder gibt es im Stand der Technik keine dazu erforderliche Sensoren oder der hohe Aufwand, den die Installation und die Verwendung bekannter Sensoren mit sich bringen würde, verunmoglicht einen Einsatz. Es ist daher ein Ziel der gegenständlichen Anmeldung, eine Bedämpfung von Eigenschwingungen mithilfe der im Prüfstand üblicherweise vorhandenen Sensorik zu ermögli- chen.

Erfindungsgemäß werden die Ziele der gegenständlichen Anmeldung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein Schätzwert für das innere Drehmoment des Prüflings ermittelt wird, wobei aus dem Schätzwert unter Berücksichtigung einer zu dämpfenden Eigenfrequenz und einer Verzögerung ein Bedämpfungssignal ermittelt und im Re- gelkreis rückgeführt wird. Das rückgeführte Bedämpfungssignal kann gegebenenfalls mithilfe einer vorzugsweise einstellbaren Verstärkung auf eine vorteilhafte Signalstärke eingestellt werden. Somit können vom Prüfling kommende und an sich nicht messbare Störungen geschätzt und für die Bedämpfung berücksichtigt werden. Dabei wird die eigentliche Störgröße (im Fall eines Verbrennungsmotorprüfstands ist das das innere Verbrennungsmoment) in Form eines Schätzwerts als Eingang in die Regelung verwendet. Bei vergleichbaren Vorrichtungen war es bisher bekannt, eine gemessene Größe (z.B. ein Messflanschdrehmoment, eine Prüflingsdrehzahl, eine Belastungseinheits-Drehzahl, etc.) als Reglereingang zu verwenden. Oftmals enthalten diese Messgrößen jedoch bereits die Auswirkungen der von der Störung angeregten Eigenfrequenz und sind als Reglereingang nicht gut geeignet.

In vorteilhafter Weise kann der Schätzwert aus der Prüflingswinkelgeschwindigkeit und dem Wellenmoment ermittelt werden. Dies erleichtert die Ermittlung der Eingangswerte, da die üblicherweise im Prüfstand vorhandenen Sensoren verwendet werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann bei der Ermittlung des Bedämpfungssignals aus dem Schätzwert ein die zu dämpfende Eigenfrequenz umfassender Bandbereich herausgefil- tert und das herausgefilterte Signal um eine Verzögerung verzögert und um eine Verstärkung verstärkt werden. Somit kann aufgrund der Periodizität der Störung eine phasenrichtige Aufschaltung der Dämpfungsenergie auf die Belastungseinheit rückgeführt werden.

In vorteilhafter Weise können die Parameter für die Verzögerung und/oder die Verstärkung und/oder den Bandbereich in einer Simulation vorab bestimmt werden. Dies verkürzt die für den Prüflauf erforderliche Prüfstandzeit und verhindert eine zeitraubende Parametrisierung durch Versuch und Irrtum.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Verzögerung ein konstanter Parameter sein. Dies erlaubt eine besonders einfache Implementierung, etwa unter Verwendung eines mit einer konstanten Verzögerung parametrisierten FI FO-Speichers. Die Phasenvordrehung der Störgröße erfolgt dabei unter Ausnutzung von Periodizität der Störgröße und konstanter Eigenfrequenz der Prüfstandsanordnung. Die Verzögerung kann dabei optimal an die Systemperformance des Regelkreises angepasst werden.

Zur Vorteilhaften Umsetzung des obigen Verfahrens weist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß eine Bedämpfungseinheit mit einer Schätzeinheit und einem Filter auf, wobei die Schätzeinheit einen Schätzwert für das innere Drehmoment des Prüflings erstellt und wobei der Filter aus dem Schätzwert auf Basis einer zu dämpfenden Eigenfrequenz und einer Verzögerung ein Bedämpfungssignal erstellt und im Regelkreis rückführt.

In vorteilhafter Weise kann die Schätzeinheit den Schätzwert aus der Prüflingswinkelgeschwindigkeit und dem Wellenmoment ermitteln. Dies erlaubt die Erstellung eines Schätz- werts ohne zusätzliche Sensorik. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schätzeinheit einen Kaiman-Filter aufweisen, was eine einfache und schnelle Erzeugung des Schätzwerts erlaubt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Filter ein als FIFO-Speicher ausgebildetes Verzögerungsglied aufweisen. Dies erleichtert die Parametrisierung und erlaubt die Verwendung eines konstanten Parameters für die Verzögerung. Aufgrund der Periodizität der Störung kann eine Kompensation der Systemverzögerung der Regelstrecke in die Stellgröße rückgeführt werden.

In vorteilhafter Weise entspricht die Prüfstandsanordnung einer überkritischen Anordnung.

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

Fig.1 eine schematische Darstellung einer Prüfstandsanordnung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines mathematischen Modells eines Zweimassenschwingers,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Reglerstruktur gemäß der Erfindung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer aktiven Bedämpfung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung die wesentlichen Komponenten in einem Prüfstand. Ein Prüfling 1 , beispielsweise ein Verbrennungsmotor, ist über eine Verbindungswelle 3 mit einer Belastungsmaschine 2 verbunden, die gemäß eines Prüflaufs den Prüfling mit einem Lastmoment beaufschlagt. Die Einheit aus Prüfling"! , Belastungsmaschine 2 und Verbindungswelle 3 wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Beschreibung auch als Prüfstandsanordnung 4 bezeichnet.

Ein Automatisierungssystem 5 ermittelt Steuergrößen und gibt dieser der Prüfstandsanordnung 4 vor, beispielsweise eine Steuergröße für das Belastungsmaschinen-Drehmoment T D der Belastungsmaschine 2 und eine Steuergröße für die Pedalstellung α des Prüflings 1. Die Steuergrößen werden von einer Stelleinrichtung 6 der Belastungsmaschine 2 bzw. einer Stelleinrichtung 6' des Prüflings 2 in die entsprechenden Stellgrößen umgewandelt.

Die Ist-Werte der Regelgrößen werden von dem Automatisierungssystem 5 über entsprechende Sensoren ermittelt, beispielsweise die in Fig. 1 dargestellten Ist-Werte für die Prüf- lingswinkelgeschwindigkeit ω Ε , die Belastungsmaschinen-Winkel-Geschwindigkeit oo D , und das Wellendrehmoment T S T-

Das Schwingungsverhalten der Prüfstandsanordnung 4 kann mathematisch als Zweimassenschwinger modelliert werden, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Neben den oben definierten Werten für das Wellendrehmoment T S T, das Belastungsmaschinen-Drehmoment T D , das Prüflings-Drehmoment T E , die Belastungsmaschinen-Winkelgeschwindigkeit oo D und die Prüflingswinkelgeschwindigkeit ω Ε beinhaltet das Modell noch die Wellensteifigkeit c, die Wellendämpfung d, das Prüflings-Trägheitsmoment Θ Ε und das Belastungsmaschinen- Trägheitsmoment 9 D , anhand derer Eigenfrequenzen des Systems und die Dämpfung ma- thematische ermittelt werden.

Für eine Prüfstandsanordnung 4 lässt sich üblicherweise durch die Modellierung als Zweimassenschwinger eine eindeutige Eigenfrequenz f 0 ermitteln. Die Dimensionierung der Verbindungswelle 3 wird üblicher Weise so gewählt, dass diese Eigenfrequenz unter der Zündfrequenz des Arbeitsbereiches eines Prüflings 1 zu liegen kommt. Die Eigenfrequenz liegt dabei im Bereich zwischen der Geschwindigkeit des Starters und der Leerlaufgeschwindigkeit des Prüflings und wird somit vom Prüfstand 4 nur kurz beim Starten des Prüflings 1 durchlaufen. Solch eine Anordnung wird als„überkritische Anordnung" bezeichnet.

Als Beispiel kann etwa ein 4-Zylinder Motor mit einem Arbeitsbereich von 600 bis 6000 rpm betrachtet werden. Bei 600 rpm ergibt sich eine Zündfrequenz von 20Hz. Für eine überkriti- sehe Anordnung wird die Wellenverbindung daher so dimensioniert, dass sich für die Prüfstandsanordnung eine Eigenfrequenz von beispielsweise 15 Hz ergibt.

Im praktischen Einsatz, insbesondere bei Prüfläufen mit noch nicht getesteten Prototypen, können sich jedoch auch Störungen unterhalb der Zündfrequenz ergeben, die auch die Eigenfrequenz anregen können. Die Eigenfrequenz könnte zum Beispiel durch eine 0,5-te Ordnung (der Drehfrequenz) einer vom Prüfling generierten Störung angeregt werden.

Um solche Effekte stark zu reduzieren offenbart diese Beschreibung erfindungsgemäß eine aktive Dämpfung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird, wobei in Fig. 3 ein Teil der Reglerstruktur für die Belastungsmaschine schematisch dargestellt ist.

Als Eingang eines Geschwindigkeitsreglers 7 wird eine Regelabweichung als Differenz eines Sollwerts der Belastungsmaschinen-Winkelgeschwindigkeit oo D ,soii und des Istwerts der Belastungsmaschinen-Winkelgeschwindigkeit oo D gebildet. Der Geschwindigkeitsregler 7 erstellt auf Basis der Regelabweichung eine Steuergröße für das Belastungsmaschinen- Drehmoment T D , welche an die Prüfstandsanordnung 4 (bzw. an deren in Fig. 1 dargestellte Stelleinrichtung 6) übermittelt wird. Dabei wird die Steuergröße mit einem Bedämpfungssig- nal T Damp korrigiert, das von einer Bedämpfungseinheit 8 auf Basis des Wellendrehmoment T S T und der Prüflingswinkelgeschwindigkeit ω Ε ermittelt wird.

Die Bedämpfungseinheit 8 weist dazu eine Schätzeinheit 9 auf, die einen Schätzwert T E es t für ein inneres Drehmoment T E des Prüflings 1 ermittelt. Das innere Drehmoment T E des Prüflings ist am Prüfstand nicht direkt messbar und kann somit als nicht messbare Störgröße des Regelkreises betrachtet werden. Diese Größe ist aber eine essentielle Größe als Rege- lungseingangsgröße für die aktive Dämpfung, da sie die Anregung für das Zweimassenschwinger-System enthält.

Um den Schätzwert T E , es t für das innere Drehmoment T E zu erstellen, kann die Schätzeinheit 9 einen Kaiman-Filter aufweisen, der für den entsprechenden Frequenzbereich optimiert ist und den Schätzwert T E , es t auf Basis des Wellendrehmoments T S T und der Prüflingswinkelgeschwindigkeit ω Ε ermittelt. Eine Filtereinheit 10 wandelt dann den von der Schätzeinheit 9 erhaltenen Schätzwert T E es t in das Bedämpfungssignal T Damp um.

Die Filtereinheit 10 ist in Fig. 4 detaillierter schematisch dargestellt. In der Filtereinheit 10 wird zuerst das Signal des Schätzwerts T E es t mittels eines Hochpassfilters 1 1 vom Gleichan- teil befreit. Der nachfolgende Tiefpassfilter 12 ist optional und wird nur benötigt, wenn die höheren Wechselanteile in der Stellgröße für die Belastungsmaschine 2 die Grenzwerte für die Belastungsmaschine 2 überschreiten. Der Hochpassfilter 1 1 und der Tief passfilter 12 können somit als Bandpassfilter 13 angesehen werden, der aus dem Signal des Schätzwerts T E ,est einen Bandbereich mit der zu dämpfende Eigenfrequenz herausfiltert.

Um die Totzeiten auszugleichen wird auf das Signal dann in einem Verzögerungsglied 14 eine Verzögerung (Delay) angewendet und das Signal wird in einem Verstärker 15 verstärkt, um das Bedämpfungssignal T Damp in einer für die Dämpfung optimalen Amplitude zu erhalten.

Um die Verzögerung (die auch als Phasenverdrehung interpretiert werden kann) auf einfa- che Weise zu realisieren, kann das Verzögerungsglied als FIFO-Speicher mit konstanter

(bzw. parametrisierbarer) Länge realisiert werden. Eine konstante Länge ist zulässig, da eine bestimmte und bekannte Frequenz (die Eigenfrequenz) gedämpft werden soll. Weiters wird angenommen, dass es sich um eine periodische Störung handelt, was auch mit Versuchsergebnissen übereinstimmt und auch in der Fachliteratur bestätigt wird.

Unter diesen Annahmen sind somit folgende Phasenfehler mit dem FIFO Speicher kompensierbar:

- Systematischer Fehler, da das Dämpfungs-Moment nicht an der Welle eingebracht wird sondern im Luftspalt der Belastungseinheit (90° Phasenfehler)

Phasenfehler, die sich aufgrund von ungleich-null Phasengang diverser Filternetz- werke in der Regelung ergeben bzw. aufgrund von Totzeiten im Closed-Loop Regelkreis ergeben

Durch eine parametrierbare Verstärkung im Verstärker 15 kann der optimale Grad der Dämpfung eingestellt werden. Sowohl der parametrisierbare Wert der Verstärkung, als auch die Verzögerung bzw. Phasenkompensation können in einer Simulation des Prüflaufs vorab bestimmt werden und müssen daher nicht über Trial & Error ermittelt werden.

Bezugszeichen:

Prüfling 1

Belastungsmaschine 2

Verbindungswelle 3

Prüfstandsanordnung 4

Automatisierungssystem 5

Stelleinrichtung 6, 6'

Geschwindigkeitsregler 7

Bedämpfungseinheit 8

Schätzeinheit 9

Filter 10

Hochpassfilters 1 1

Tiefpassfilter 12

Bandpassfilter 13

Verzögerungsglied 14

Verstärker 15

Pedalstellung α

Belastungsmaschinen-Drehmoment T D

Wellendrehmoment T S T

Prüflings-Trägheitsmoment Θ Ε

Belastungsmaschinen-Winkelgeschwindigkeit oo D

Prüflingswinkelgeschwindigkeit ω Ε

Wellensteifigkeit c

Wellendämpfung d

Belastungsmaschinen-Trägheitsmoment 9 D

Prüflings-Trägheitsmoment Θ Ε