Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelanordnung zur Regelung einer Prüfstandsanordnung mit einem Prüfling mit sich wiederholendem Arbeitszyklus und mit einer Belastungsmaschine, die durch eine Verbindungswelle mit dem Prüfling verbunden ist.

Auf einem Prüfstand, z.B. ein Motor- oder Antriebsstrangprüfstand, ist der Prüfling, z.B. der Verbrennungsmotor, Fahrzeugantrieb, Antriebsstrang, etc., durch eine Verbindungswelle mit einer Belastungsmaschine (Dyno), in der Regel ein Elektromotor, verbunden, womit ein ge- wünschtes Belastungsmoment am Prüfling angelegt werden kann, wobei die Belastungsmaschine oft auch als Antriebsmaschine betrieben werden kann. Herkömmliche Verbindungswellen werden üblicherweise so ausgewählt, dass die Eigenfrequenz des Prüfstandaufbaus unter der Leerlaufdrehzahl zu liegen kommt, z.B. bei 17 Hz gegenüber einer Leerlauffrequenz von ca. 20Hz bei einem Vier-Zylinder-Motor. Damit werden Resonanzen im Arbeitsbe- reich des Prüflings vermieden, es wird aber die Dynamik der Belastungs- oder Antriebsmomentes beschränkt, da die Verbindungswelle wie ein Tiefpassfilter wirkt und Momentkomponenten oberhalb einer Grenzfrequenz, z.B. >ca.15Hz, abgeschwächt werden. Für gewisse Prüfläufe wäre es aber wichtig, Drehmomente mit Komponenten deutlich höherer Frequenz, z.B. 60 Hz, übertragen zu können. Das bedeutet jedoch, dass die Verbindung im Arbeitsbe- reich des Motors zu einer unerwünschten Resonanz angeregt werden kann, da die Anlage im kritischen Bereich, z.B. bei der die Zündfrequenz gleich der Eigenfrequenz der Verbindung ist, betrieben wird. Bei einer Eigenfrequenz von 60Hz würde z.B. bei einem Vier- Zylinder-Motor im Bereich von 1800rpm Resonanz auftreten. Beim Einsatz einer solchen Verbindungswelle ist somit eine Regelung notwendig, die in der Lage ist, die dabei auftre- tende Resonanz zu dämpfen. Eine herkömmliche Regelung auf der Grundlage aktueller Messwerte kann das Problem teilweise entschärfen, ist aber im allgemeinen dazu nicht geeignet, da eine solche Regelung immer nur zeitverzögert auf den aktuellen Istwert reagieren kann. Die Zeitverzögerung ergibt sich durch die inne wohnende Totzeit und durch den Tiefpasscharakter von Mess- und Stelleinrichtungen und wird in Folge als Systemverzögerung bezeichnet. Die System Verzögerung ist bei höheren Frequenzen nicht mehr vernachlässigbar und bewirkt, dass schnelle Soll-Momentenänderungen auf dem Prüfstand nur zeitverzögert eingeregelt werden können.

Ein Beispiel einer geeigneten Regelung, die auftretende Resonanzen bei Einsatz einer Verbindungswelle, die eine höhere Eigenfrequenz ergibt, dämpfen kann, ist in „Development of .Virtual and Real Simulator' for Engine", K. Shirota, et al, SAE 2001 World Congress, SAE Technical Paper Series 2001-01-1355, beschrieben. Die Regelung basiert dabei auf einem bekannten Regelungskonzept, nämlich einem H-infinity Controller.

Die gegenständliche Erfindung stellt sich daher die Aufgabe ein Regelungsverfahren und eine Regelungsanordnung anzugeben, das bzw. die in der Lage ist, die oben angeführten Resonanzprobleme bei der zeitbasierten Regelung von Anordnungen mit wiederkehrendem Arbeitszyklus, insbesondere von Prüfstandsanordnungen mit Verwendung einer Verbindung zwischen Prüfling und Dyno mit einer Eigenfrequenz, die im Bereich des Arbeitsbereichs des Prüflings liegt, zumindest zu verringern.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren und die Regelanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus einem aktuellen Istwert der Regelung und einer Vorhersage eines bevorstehenden, Systemverzögerungsfreien Istwertes auf der Grundlage des Istwertes eines vorherigen Arbeitszyklus ein modifizierter Istwert ermittelt wird, der der Regelung rückgeführt wird. Damit wird nicht nur der aktuelle Istwert für die Regelung verwendet wird, sondern auch eine Prädiktion der bevorstehenden, Systemverzögerungsfreien Istwerte auf der Grundlage vorheriger Arbeitszyklen, womit die innewohnende Systemverzögerung kompensiert werden kann. Durch die Kompensation der Systemverzögerung ist die Regelung in der Lage ohne der vorhandenen Systemverzögerung auf Änderungen der Istwerte zu reagieren, wodurch eine phasenrichtige Bedämpfung von Resonanzen höherer Frequenz möglich wird.

Dies kann vorteilhafterweise so geschehen, dass ein aktueller Istwert der Regelung in einen systemverzögerungsbehafteten transienten Anteil, der die Änderung des aktuellen zu einem vorangegangenen Arbeitszyklus darstellt, und in einen prädiktiven um die Systemverzögerung kompensierten Anteil, der einen sich wiederholenden Anteil darstellt, aufgeteilt wird und aus dem systemverzögerungsbehafteten transienten Anteil und dem systemverzögerungs- freien prädiktiven Anteil ein modifizierter Istwert ermittelt wird, der der Regelung rückgeführt wird. Der prädiktive Anteil kann vorteilhafterweise aus einem Modell produziert werden, das zum Beispiel durch eine iterative Modellbildung beruht, bzw. direkt aus einem nach dem Prinzip der iterativen Regelung gebildeten Signal ermittelt wird. Der transiente Anteil der aktuellen Istwerte kann vorteilhaft auch mit einem arbeitszyklussynchronen Mittelwertfilter vorverarbeitet werden, um den eventuell noch vorhandenen iterativen Anteil im Signal zu elimi- nieren.

Ganz besonders vorteilhaft wird der modifizierte Istwert ermittelt, indem die Istwerte eines vorangegangenen Arbeitszyklus der Anlage zeit- oder winkelaufgelöst in einer Speichereinheit abgespeichert werden und einer Berechnungseinheit die aktuellen Istwerte und die gespeicherten vorangegangenen Istwerte zugeführt werden, die in den gespeicherten vorange- gangenen Istwerten inne wohnende Systemverzögerung kompensiert wird, indem die um die Systemverzögerung weiter vorne liegende gespeicherten vorangegangenen Istwerte als prä- diktive Istwerte verwendet werden, in der Berechnungseinheit zur Ermittlung der transienten Istwerte die Differenz aus den gespeicherten verzögerungsbehafteten vorangegangenen Istwerten und den verzögerungsbehafteten aktuellen Istwerten gebildet wird und die prädikti- ven Istwerte und die transienten Istwerte zum modifizierten Istwert addiert werden.

Besonders einfach kann die Kompensation durchgeführt werden, wenn die Speichereinheit die gespeicherten vorangegangenen Istwerte und die um die Systemverzögerung winkel- oder zeitverschobenen gespeicherten Istwerte an die Berechnungseinheit weitergibt.

Bei üblichen Motor- oder Antriebsstrangprüfständen ohne hochdynamischem Dyno wird die Eigenfrequenz der Prüfstandsanordnung, z.B. Verbrennungsmotor - Welle - Dyno, häufig so gewählt, dass die Eigenfrequenz der Anordnung zwischen der Zündfrequenz im Leerlauf und der Zündfrequenz bei Anlasserdrehzahl liegt. Diese Eigenfrequenz liegt üblicherweise je nach Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors bei 15-30Hz. Die Zündfrequenz (= dominierende Anregefrequenz) entspricht z.B. bei 4-Takt Motoren der doppelten Umdrehungsfre- quenz. Durch ein fehlerhaftes Zündverhalten des Motors kann die Zündfrequenz (= dominierende Anregefrequenz) im Arbeitsbereich des Prüflings aber im Bereich der Eigenfrequenz zu liegen kommen. Laufen z.B. bei einem 4-Zylinder 4-Takt Motor nur zwei Zylinder, so liegt die dominierende Anregefrequenz bei der halben Umdrehungsfrequenz und kann somit bei einer bestimmten Drehzahl (welche jetzt oberhalb der Leerlaufdrehzahl sein kann) im Be- reich der Eigenfrequenz liegen. Dies führt zu Resonanzerscheinungen (Schwingungen mit der Eigenfrequenz), welche im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Anlage führen können. Auch hier ist daher notwendig, durch geeignete Reglereingriffe diese Schwingungen zu bedampfen. Aufgrund der beschränkten Dynamik des nicht hochdynamischen Dynos eines solchen herkömmlichen Prüfstandes, würde das gegenständliche Verfahren ohne zusätzli- che Maßnahmen zu Stellgrößenbeschränkungsverletzungen führen und den Dyno in Überlast betreiben, was eine Abschaltung zur Folge hätte. Um zu vermeiden, dass dafür eine anderes Regelverfahren implementiert werden muss, werden aus dem aktuellen Istwert die

Frequenzanteile herausgefiltert, die über dem 1 ,4-fachen, vorzugsweise über dem V2 - fachen, der Eigenfrequenz liegen und der modifizierte Istwert wird mit diesem gefilterten ak- tuellen Istwert ermittelt. Mit dieser zusätzlichen Filterung kann das gegenständliche Regelverfahren auch auf herkömmlichen Prüfständen eingesetzt werden. Das erlaubt es auch, bestehende Prüfstände mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren nachzurüsten, die dann sowohl für hochdynamische Prüfungen als auch für Prüfungen mit üblicher Dynamik geeignet sind. Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen, beispielhaften, nicht einschränkenden und vorteilhafte Ausgestaltungen zeigenden Figuren 1 bis 5 beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Regelschema mit einer erfindungsgemäßen Istwertberechnungseinheit in Feedback-Zweig,

Fig. 2 ein Beispiel einer Regelstrecke,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer Berechnungseinheit zur Ermittlung des modifizierten Istwertes,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Regelschemas und Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Regelschemas.

Figur 1 zeigt ein einfaches Regelschema mit einer zu regelnden Regelstrecke G, hier eine Prüfstandsanordnung mit Prüfling 1 (z.B. Verbrennungsmotor, Antriebsstrang, etc.) und Belastungsmaschine 2 (z.B. Elektromotor), die mit einer Verbindungswelle 3 verbunden sind, wie in Fig. 2 dargestellt, und einem Regler R. Die Regelstrecke G ist in bekannter Weise ein regelungstechnisches Modell der zu regelnden Anordnung, hier der Prüfstandsanordnung, und der Regler R regelt eine bestimmte Regelgröße r der Regelstrecke G, hier z.B. ein Wellenmoment oder eine Drehzahl. Der Regelung wird ein Sollwert r _so n vorgegeben und ein Istwert r,st erfasst (z.B. gemessen), der in einer Feedbackschleife in bekannter Weise rückgeführt und vom Sollwert r _SO ιι abgezogen wird.

Die aktuellen Istwerte r _ιst _ _ak t stehen jedoch durch die Messung und Verarbeitung immer zeitverzögert zur Verfügung. Außerdem wird durch die Regelung und dem Reaktionsvermögen der Anlage selbst eine Zeitverzögerung eingeführt. Die verarbeitungs-, regelungs- und anlagenspezifischen Verzögerungen bzw. Totzeiten werden in weiterer Folge allgemein als Systemverzögerung bezeichnet. Die Systemverzögerung kann durch die Kenntnis des Reglers R und der Anlage vorab ermittelt werden und ist als bekannt anzusehen. Durch die Systemverzögerung kann immer nur zeitverzögert auf Änderungen der Istwerte η _st reagiert werden. Um dieses Problem abzuschwächen, werden nun zukünftige (prädiktive) systemverzögerungs- freie Istwerte ermittelt, die der Regelung zugeführt werden. Da genaue Voraussagen der zukünftigen Istwerte natürlich nicht möglich sind, werden Näherungswerte der zukünftigen Istwerte ermittelt. Um die Systemverzögerung zu kompensieren bzw. abzuschwächen, werden dabei bevorzugt um die Systemverzögerung in der Zukunft liegende Istwerte bzw. Istwertanteile ermittelt.

Um mögliche auftretende Resonanzen in der Regelstrecke G dämpfen zu können, ist nun im Feedbackzweig eine Istwertberechnungseinheit F vorgesehen, die aus dem Istwert η _st einen

-A- modifizierten Istwert r _ιst _ _mO d berechnet, der der Regelung rückgeführt wird, wie im Nachfolgenden im Detail beschrieben wird.

Ein Arbeitszyklus, z.B. ein kompletter Verbrennungszyklus aller Zylinder bei einem Verbrennungsmotor (z.B. 720° Kurbelwinkel bei einem 4-Takter), tritt wiederkehrend auf. Dieser Um- stand wird erfindungsgemäß ausgenutzt. Dazu ist in der Istwertberechnungseinheit F eine Speichereinheit M vorgesehen, in der die Istwerte r _ιst zumindest eines dem aktuellen Arbeitszyklus vorangegangenen Arbeitszyklus gespeichert sind. In der Speichereinheit M ist somit immer ein vergangener, bevorzugt der unmittelbar vorangegangene, Arbeitszyklus gespeichert. Die Speicherung erfolgt dabei bevorzugt winkel- bzw. zeitaufgelöst in diskreten Schrit- ten, z.B. ein Wert pro Grad Kurbelwinkel oder pro Millisekunde. Bevorzugt ist der Speicher M als zyklischer Speicher ausgeführt, d.h. dass die gespeicherten Werte immer auflösungsge- triggert durchgeschoben werden, bis diese wieder aus dem Speicher herausfallen.

Die Istwerte des vorangegangenen Arbeitszyklus r, _s t_it werden nun zeitsynchron (oder winkelsynchron) einer Berechnungseinheit S zugeführt, d.h. das zur aktuellen Zeit (oder Winkel) der jeweils zur selben Zeit (oder Winkel) gespeicherte vergangene Wert in die Berechnungseinheit S zugeführt wird. Ebenso werden die aktuellen Istwerte r _ιst _ _ak t der Berechnungseinheit S zugeführt. Die Istwerte η _st ändern sich von einem Arbeitszyklus zum nächsten um einen eventuell vorhandenen transienten Anteil. Ändert sich die Last bzw. die Drehzahl über einen Arbeitszyklus nicht, dann ist die Anlage in einem quasistationären Betrieb, der sich pro Ar- beitszyklus wiederholt, wobei dieser Anteil als iterativer Anteil bezeichnet wird. In diesem Fall wäre der transiente Anteil Null. Die Dynamik des transienten Anteils ist dabei geringer als die Dynamik des iterativen Anteils. Der transiente Anteil der aktuellen Istwerte kann auch mit einem arbeitszyklussynchronen Mittelwertfilter vorverarbeitet werden, um den eventuell noch vorhandenen iterativen Anteil im Signal zu eliminieren. Dieser Anteil im Signal entsteht, wenn der hochdynamische Anteil nicht zur Gänze wiederholbar ist.

In einer bevorzugten Methode werden nun die gespeicherten Werte η _{st Jt} des vorangegangenen Arbeitszyklus herangezogen, um prädiktive (in der Zukunft liegende) Istwerte zu ermitteln und die System Verzögerung zu kompensieren. Es wird dazu in der Berechnungseinheit S zuerst ein transienter Anteil in Form der transienten Istwerte r _ιst t _r a _n s berechnet, indem die aktuellen Istwerte r, _{st ak} t zeitsynchron (oder winkelsynchron) von den gespeicherten vorangegangenen Istwerten r _ιst , _t abgezogen werden, wie in Fig. 3 dargestellt. In diesem transienten Anteil η _st t _r a _n s ist aber immer noch die Systemverzögerung enthalten. In einer Kompensationseinheit K werden weiters prädiktive Istwerte ermittelt, indem die Systemverzögerung in den gespeicherten vorangegangenen Istwerten η _{st Jt} kompensiert wird, z.B. indem zum aktu- eilen Kurbelwinkel (oder Zeit) nicht der zugehörige gespeicherte Wert, sondern der um die bekannte Systemverzögerung zeitlich weiter vorne liegende Wert weitergegeben wird - es wird also in den vergangenen gespeicherten Werten r _ιst , _t ein Blick in die Zukunft gemacht. Die derart kompensierten (prädiktiven) Istwerte r _ιst _,t _ _k o _mP (ohne Systemverzögerung) und die transienten Istwerte η _st _ _trans (mit Systemverzögerung) werden nun addiert, wodurch sich ein modifizierter Istwert r _{ιst mO} d ergibt, der letztendlich der Regelung rückgeführt wird. Der modifi- zierte Istwert η _st _ _mO d ist damit eine Mischung aus einem prädiktiven Anteil ohne Systemverzögerung und einem transienten Anteil mit Systemverzögerung. Im prädiktiven, nun systemver- zögerungsfreien Anteil steckt die Information mit der hohen Dynamik, welche für eine phasenrichtige Regelung notwendig ist. Die Dynamik des transienten Anteils ist wesentlich geringer als die des prädiktiven Anteils, weshalb hier die Systemverzögerung problemlos ist.

Auf die Kompensationseinheit K kann in der Berechnungseinheit S auch verzichtet werden, wenn die Speichereinheit M zwei Ausgänge aufweist, wobei an einem Ausgang die zum aktuellen Winkel (oder Zeit) zugehörigen Werte ausgegeben werden und am anderen Ausgang, die um die Systemverzögerung zeitlich verschobenen Werte ausgegeben werden, wie in Fig. 4 dargestellt. Alternativ können auch zwei zyklische Speichereinheiten vorgesehen sein, wobei in einer Speichereinheit jeweils der gesamte Arbeitszyklus zeit- oder winkelaufgelöst, z.B. 720° Kurbelwinkel bei einem 4-Takt Verbrennungsmotor, gespeichert wird und in der anderen, der um die Systemverzögerung verkürzte Arbeitszyklus, z.B. 690° Kurbelwinkel bei einem 4-Takt Verbrennungsmotor und einer System Verzögerung von 30°. Am zweiten Ausgang liegt damit immer ein um die Systemverzögerung „zukünftiger" Wert an.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Hier ist zwischen Strecke G und Istwertberechnungseinheit F ein Tiefpassfilter A geschaltet, das aus den aktuellen Istwerten η _s t a _k t die Frequenzanteile herausfiltert, die über dem 1 ,4-fachen, vorzugsweise über dem V2 -fachen, der Eigenfrequenz der Anordnung liegen. Der modifizierte Istwert η _st _ _mOd wird in Folge wie oben beschrieben mit diesem gefilterten aktuellen Istwert r, _st a _k tjiit ermittelt.

Wie der Regler R ausgeführt ist und wie die Strecke G modelliert ist, ist für die gegenständliche Erfindung ohne Bedeutung. Obwohl das erfindungsgemäße Regelschema mit der Istwertberechnungseinheit F vordringlich auf die Dämpfung von Resonanzen abzielt, so ist trotzdem anzumerken, dass die Istwertberechnungseinheit natürlich auch in Regelungen eingesetzt werden kann, in denen keine Resonanzen zu erwarten sind - in diesem Fall eben als zusätzliche Dämpfung.