DE102023135427B4 - Method for operating a power device, control device for carrying out such a method and power arrangement with such a control device - Google Patents
Method for operating a power device, control device for carrying out such a method and power arrangement with such a control deviceInfo
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Leistungsvorrichtung, wobei
- die Leistungsvorrichtung in einem vorbestimmten Zeitintervall ([tA, tE]) mit einem transienten Betriebsverlauf betrieben wird, wobei
- eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Stellwerten (X[t
- mittels mindestens eines Sensors (11) eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten (Y[t
- die Mehrzahl an Messwerten (Y[t
- das Leistungsvorrichtungs-Modell (GP) anhand der Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten
- die Leistungsvorrichtung basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell (GP) betrieben wird.
Method for operating a power device, wherein
- the power device is operated in a predetermined time interval ([t A , t E ]) with a transient operating pattern, wherein
- a plurality of chronologically successive control values (X [t
- by means of at least one sensor (11) a plurality of temporally successive measured values (Y [t
- the majority of measured values (Y [t
- the power device model (GP) based on the majority of reconstruction measurements
- the power device is operated based on the adapted power device model (GP).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungsvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und eine Leistungsanordnung mit einer Leistungsvorrichtung und einer solchen Steuervorrichtung.The invention relates to a method for operating a power device, a control device for carrying out such a method and a power arrangement with a power device and such a control device.
Es ist bekannt, dass zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eine adaptive modellprädiktive Regelung von Stellgrößen der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Bei der Hyperraumregelung werden Modelle von Verbrennungsgrößen der Brennkraftmaschine genutzt, um die Stellgrößen zu ermitteln. Die Modelle werden typischerweise anhand eines stationären Betriebs der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Prüfstands-Versuchen, bestimmt und/oder angepasst. Nachteilig daran ist, dass diese Modelle in einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine nicht angepasst werden können. Weiterhin sind diese Modelle damit nicht geeignet, in einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine die Verbrennungsgrößen korrekt zu bestimmen und damit die Stellgrößen optimal einzustellen.It is known that an adaptive model-predictive control of the internal combustion engine's manipulated variables is used to operate an internal combustion engine. Hyperspace control uses models of the internal combustion engine's combustion variables to determine the manipulated variables. The models are typically determined and/or adapted based on steady-state operation of the internal combustion engine, particularly during test bench experiments. The disadvantage is that these models cannot be adapted during transient operation of the internal combustion engine. Furthermore, these models are therefore not suitable for correctly determining the combustion variables during transient operation of the internal combustion engine and thus for optimally adjusting the manipulated variables.
Aus der deutschen Patentschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungsvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und eine Leistungsanordnung mit einer Leistungsvorrichtung und einer solchen Steuervorrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.The invention is therefore based on the object of providing a method for operating a power device, a control device for carrying out such a method and a power arrangement with a power device and such a control device, wherein the disadvantages mentioned are at least reduced, preferably do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims as well as the preferred embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Leistungsvorrichtung geschaffen wird. Die Leistungsvorrichtung wird in einem vorbestimmten Zeitintervall mit einem transienten Betriebsverlauf betrieben, wobei eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Stellwerten mindestens einer Stellgröße der Leistungsvorrichtung in dem vorbestimmten Zeitintervall vorgegeben wird. Mittels mindestens einem Sensor wird eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten mindestens einer Messgröße in dem vorbestimmten Zeitintervall erfasst. Weiterhin wird die Mehrzahl an Messwerten mittels eines Leistungsvorrichtungs-Modells unter Berücksichtigung eines dynamischen Verhaltens des mindestens eines Sensors so manipuliert, dass eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Rekonstruktions-Messwerten erhalten wird. Anschließend wird das Leistungsvorrichtungs-Modell anhand der Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten und der Mehrzahl an Stellwerten angepasst, wobei die Leistungsvorrichtung basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell betrieben wird. Dabei spiegeln die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten Messwerte aufgrund des dynamischen Verhaltens des mindestens einen Sensors nicht die tatsächlich vorliegenden Werte der mindestens einen Messgröße an dem Ort des mindestens einen Sensors zu dem bestimmten Zeitpunkt wieder. Daher können der Stellwert und der Messwert zu dem bestimmten Zeitpunkt nicht als Datenpunkt für die Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells verwendet werden. Vorteilhafterweise wird in den Rekonstruktions-Messwerten das dynamische Verhalten des mindestens einen Sensors berücksichtigt, sodass die Rekonstruktions-Messwerte des bestimmten Zeitpunkts und die Stellwerte des bestimmten Zeitpunkts als Datenpunkt für die Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells verwendet werden können. Damit wird das Leistungsvorrichtungs-Modell vorteilhafterweise in einem transienten Betrieb der Leistungsvorrichtung angepasst. Zusätzlich können optimale Stellwerte der mindestens einen Stellgröße basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell auch für einen transienten Betrieb der Leistungsvorrichtung ermittelt werden.The problem is solved by providing a method for operating a power device. The power device is operated in a predetermined time interval with a transient operating pattern, wherein a plurality of temporally successive control values of at least one control variable of the power device are specified in the predetermined time interval. A plurality of temporally successive measured values of at least one measured variable are acquired in the predetermined time interval by means of at least one sensor. Furthermore, the plurality of measured values are manipulated using a power device model, taking into account the dynamic behavior of the at least one sensor, such that a plurality of temporally successive reconstruction measured values are obtained. The power device model is then adapted based on the plurality of reconstruction measured values and the plurality of control values, wherein the power device is operated based on the adapted power device model. Due to the dynamic behavior of the at least one sensor, the measured values acquired at a specific time do not reflect the actual values of the at least one measured variable at the location of the at least one sensor at the specific time. Therefore, the control value and the measured value at the specific time cannot be used as data points for adapting the power device model. Advantageously, the dynamic behavior of the at least one sensor is taken into account in the reconstruction measured values, so that the reconstruction measured values of the specific time and the control values of the specific time can be used as data points for adapting the power device model. Thus, the power device model is advantageously adapted during transient operation of the power device. In addition, optimal control values of the at least one control variable can also be determined for transient operation of the power device based on the adapted power device model.
Unter einer Leistungsvorrichtung wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die eingerichtet ist, um Leistung bereitzustellen, insbesondere elektrische und/oder mechanische Leistung, oder um Leistung umzuwandeln oder zu verbrauchen. Die Leistungsvorrichtung kann somit als Leistungsbereitstellungsvorrichtung oder als Leistungsumwandlungsvorrichtung ausgebildet sein. Dabei wird unter einer Leistungsbereitstellungsvorrichtung bevorzugt eine Vorrichtung verstanden, die unter Nutzung von elektrischer, mechanischer, chemischer oder elektrochemischer Energie - oder einer anderen Energieform - Leistung bereitstellt, beispielsweise elektrische und/oder mechanische Leistung. In the context of the present technical teaching, a power device is understood to mean, in particular, a device that is configured to provide power, in particular electrical and/or mechanical power, or to convert or consume power. The power device can thus be designed as a power supply device or as a power conversion device. A power supply device is preferably understood to mean a device that provides power using electrical, mechanical, chemical or electrochemical energy - or another form of energy - such as electrical and/or mechanical power.
Unter einer Leistungsumwandlungsvorrichtung wird bevorzugt eine Vorrichtung verstanden, die Leistung, beispielsweise elektrische oder mechanische Leistung, nutzt oder verbraucht, um Energie zu wandeln oder zu speichern, beispielsweise um mittels elektrischer Energie chemische Energie in Form bestimmter Stoffe wie beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, oder elektrochemische Energie bereitzustellen. Bei der Leistungsvorrichtung kann es sich um eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschinen-Generator-Verbundvorrichtung, das heißt ein Genset, eine Brennstoffzelle, einen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, oder einen Elektrolyseur handeln. Die Leistungsvorrichtung kann aber auch ein größeres, komplexes System sein, beispielsweise aus einer Mehrzahl der genannten Vorrichtungen, oder insbesondere auch ein Rechenzentrum oder ein MicroGrid. Bei der Leistungsvorrichtung kann es sich auch um eine steuer- oder regelbare Last an einem elektrischen Netzwerk handeln.A power conversion device is preferably understood to be a device that uses or consumes power, for example electrical or mechanical power, to convert or store energy, for example to provide chemical energy in the form of certain substances such as hydrogen or methanol, or electrochemical energy using electrical energy. The power device can be an internal combustion engine, a combined internal combustion engine-generator device, i.e. a genset, a fuel cell, an energy storage device, for example a battery, or an electrolyzer. However, the power device can also be a larger, complex system, for example comprising a plurality of the aforementioned devices, or in particular also a data center or a microgrid. The power device can also be a controllable or regulatable load on an electrical network.
In einer Ausführungsform ist das vorbestimmte Zeitintervall ein Zeitraum von dem Anfangs-Zeitpunkt bis zu einem dem Anfangs-Zeitpunkt zeitlich nachfolgenden End-Zeitpunkt, wobei mit tA der Anfangs-Zeitpunkt und mit tE der End-Zeitpunkt bezeichnet wird.In one embodiment, the predetermined time interval is a period from the initial time to an end time following the initial time, where t A denotes the initial time and t E denotes the end time.
Unter einer Stellgröße wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt eine Größe verstanden, die geeignet ist zur Ansteuerung eines Stellglieds der Leistungsvorrichtung. Weiterhin wird eine Stellgröße und/oder eine Mehrzahl an Stellgrößen im Folgenden mit dem Formelzeichen
Das mindestens eine Stellglied kann ein Stellglied oder Aktor der Leistungsvorrichtung sein. Insbesondere kann das Stellglied ein Stellglied eines Motorblocks einer Brennkraftmaschine sein, beispielsweise ein Injektor, ein Ventil oder eine Klappe. Das Stellglied kann aber auch ein Stellglied außerhalb der der Leistungsvorrichtung, insbesondere außerhalb eines Motorblocks, sein, beispielsweise ein zur Beeinflussung eines extern bereitgestellten Kühlkreislaufs vorgesehenes Stellglied, beispielsweise ein Ventil, eine Pumpe oder dergleichen, oder ein Stellglied eines Getriebes oder einer elektrischen Vorrichtung, mit dem oder der die Leistungsvorrichtung wirkverbunden ist.The at least one actuator can be an actuator or actuator of the power device. In particular, the actuator can be an actuator of an engine block of an internal combustion engine, for example, an injector, a valve, or a flap. However, the actuator can also be an actuator outside the power device, in particular outside an engine block, for example, an actuator provided for influencing an externally provided cooling circuit, for example, a valve, a pump, or the like, or an actuator of a transmission or an electrical device to which the power device is operatively connected.
Unter einem Stellwert wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt ein in einem bestimmten Zeitraum oder zu einem bestimmten Zeitpunkt eingestellter und/oder vorgegebener Wert der Stellgröße oder der Mehrzahl an Stellgrößen verstanden. Weiterhin wird ein Stellwert im Folgenden mit dem Formelzeichen
In dem vorbestimmten Zeitintervall [tA, tE] wird zu einer Mehrzahl an Zeitpunkten tn mit tA ≤ tn ≤ tE ein Stellwert
Unter einer Messgröße wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt eine Größe verstanden, die mittels eines Sensors erfasst und/oder gemessen werden kann. Weiterhin wird eine Messgröße und/oder eine Mehrzahl an Messgrößen im Folgenden mit dem Formelzeichen
Unter einem Messwert wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt ein zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasster Wert der Messgröße verstanden. Weiterhin wird ein Messwert im Folgenden mit dem Formelzeichen
In dem vorbestimmten Zeitintervall [tA, tE] wird zu der Mehrzahl an Zeitpunkten tn mit tA ≤ tn ≤ tE ein Messwert
Unter einem Rekonstruktions-Messwert wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt ein unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des mindestens einen Sensors manipulierter Messwert verstanden. Weiterhin wird ein Rekonstruktions-Messwert im Folgenden mit dem Formelzeichen
In dem vorbestimmten Zeitintervall [tA, tE] wird für die Mehrzahl an Zeitpunkten tn mit tA ≤ tn ≤ tE ein Rekonstruktions-Messwert
Unter einem Vektor wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt eine Zusammenstellung von mindestens einer Größe und/oder mindestens einem Wert verstanden, unabhängig davon, wie die mindestens eine Größe und/oder der mindestens eine Wert dargestellt oder repräsentiert wird. Grundsätzlich kann jede beliebige Anzahl oder Zusammenstellung von Größen und/oder Werten als Vektor mit mindestens einer Komponente verstanden oder dargestellt werden, wobei die Anzahl der Vektorkomponenten der Anzahl der Größen und/oder Werten entspricht.In the context of the present technical teaching, a vector is preferably understood to mean a combination of at least one variable and/or at least one value, regardless of how the at least one variable and/or at least one value is represented. In principle, any number or combination of variables and/or values can be understood or represented as a vector with at least one component, where the number of vector components corresponds to the number of variables and/or values.
In einer Ausführungsform weist das Leistungsvorrichtungs-Modell ein Nominalmodell und ein Detailmodell auf. Alternativ besteht das Leistungsvorrichtungs-Modell aus dem Nominalmodell und dem Detailmodell.In one embodiment, the power device model comprises a nominal model and a detailed model. Alternatively, the power device model consists of the nominal model and the detailed model.
Vorzugsweise wird das Detailmodell des Leistungsvorrichtungs-Modells anhand der Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten und der Mehrzahl an Stellwerten angepasst.Preferably, the detailed model of the power device model is adapted based on the plurality of reconstruction measured values and the plurality of control values.
In einer Ausgestaltung wird als Leistungsvorrichtungs-Modell ein Gauß-Prozessmodell verwendet. Gauß-Prozessmodelle eignen sich in besonderer Weise zur Regelung einer Leistungsvorrichtung: Im Vergleich zu Polynom-basierten Modellen sind sie einfacher im Anwendungsfeld an neue oder geänderte Datenpunkte adaptierbar, und sie weisen ein geeigneteres und auch physikalisch korrekteres Verhalten in Randbereichen des gegebenen Parameterraums auf. Im Vergleich zu physikalischen Modellen benötigen Sie einen deutlich geringeren Berechnungsaufwand. Außerdem ermöglichen sie die direkte Verwendung von Prüfstandsdaten. Ein solches Gauß-Prozessmodell ist in einer Ausgestaltung gegeben durch gespeicherte, beispielsweise in Prüfstandsversuchen erhaltene Datenpunkte (Xb, Yb), wobei mit Xb ∈ ℝn×m n Eingangsgrößen für m verschiedene Betriebszustände und mit Yb ∈ ℝm×k k Ausgangsgrößen für die m verschiedenen Betriebszustände angegeben sind. Dabei werden bevorzugt die Stellwerte
Die Mittelwertfunktion m(x) wird vorzugsweise ihrerseits wiederum als ein Gauß-Prozessmodell erhalten.The mean function m(x) is preferably obtained as a Gaussian process model.
In einer Ausführungsform wird zunächst das Nominalmodell als ein erstes Gauß-Prozessmodell berechnet. Dabei werden erste Eingangsgrößen Xb1 ⊂ Xb und zugehörigen ersten Ausgangsgrößen Yb1 ⊂ Yb ausgewählt, um das erstes Gauß-Prozessmodell, insbesondere einen Erwartungswerts EN(X) und eine Varianz VarN(X) des Nominalmodells, zu bestimmen. Weiterhin wird vorzugsweise zum Zweck der Bestimmung des ersten Gauß-Prozessmodells für dessen Mittelwertfunktion m(x) = 0 angenommen, sodass ausgehend von den Gleichungen (4) und (5) für das Nominalmodell die Gleichungen
Der so erhaltene Erwartungswert EN(X) des ersten Gauß-Prozessmodells wird dann in einem nächsten Schritt als Mittelwertfunktion m(x) in einem zweiten Gauß-Prozessmodell verwendet, in das zweite Eingangsgrößen Xb2 ⊂ Xb und zugehörigen zweite Ausgangsgrößen Yb2 ⊂ Yb eingehen, wobei das zweiten Gauß-Prozessmodell als das Detailmodell verwendet wird. Dabei gelten ausgehend von den Gleichungen (4) und (5) für das zweite Gauß-Prozessmodell die Gleichungen
Besonders bevorzugt werden die zweiten Eingangsgrößen Xb2 und die zweiten Ausgangsgrößen Yb2 aus einem transienten Betrieb der Leistungsvorrichtung erhalten.Particularly preferably, the second input variables X b2 and the second output variables Y b2 are obtained from a transient operation of the power device.
In einer Ausgestaltung wird das Gauß-Prozessmodell gemäß den Gleichungen (4) bis (7), insbesondere das zweite Gauß-Prozessmodell gemäß den Gleichungen (6), (7), (10) und (11), im Betrieb der Leistungsvorrichtung, speziell im transienten Betrieb, angepasst. Hierzu können während des Betriebs der Leistungsvorrichtung neu gemessene Datenpunkte
In einer Ausgestaltung wird auf der Grundlage des Leistungsvorrichtungs-Modells ein modellbasiertes prädiktives Regelverfahren für den Betrieb der Leistungsvorrichtung durchgeführt.In one embodiment, a model-based predictive control method for the operation of the power device is carried out on the basis of the power device model.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der Mehrzahl an Stellwerten eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Simulationswerten der mindestens einen Messgröße mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells, insbesondere mittels des Nominalmodells, ermittelt wird. Die Mehrzahl an Messwerten wird mittels der Mehrzahl an Simulationswerten, der Mehrzahl an Stellwerten und der Mehrzahl an Messwerten manipuliert, um die Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten zu erhalten. Dabei werden die Simulationswerte nicht von dem dynamischen Verhalten des mindestens einen Sensors beeinflusst, da die Simulationswerte vorzugsweise anhand des Nominalmodells und damit anhand stationärer Betriebsdaten berechnet werden, sodass vorteilhafterweise bei einer Manipulation der Messwerte anhand der Rekonstruktions-Messwerte das dynamische Verhalten des mindestens einen Sensors berücksichtigt wird.According to a further development of the invention, it is provided that, based on the plurality of control values, a plurality of temporally successive simulation values of the at least one measured variable are determined using the power device model, in particular using the nominal model. The plurality of measured values are manipulated using the plurality of simulation values, the plurality of control values, and the plurality of measured values to obtain the plurality of reconstruction measured values. The simulation values are not influenced by the dynamic behavior of the at least one sensor, since the simulation values are preferably calculated based on the nominal model and thus based on stationary operating data, so that the dynamic behavior of the at least one sensor is advantageously taken into account when manipulating the measured values based on the reconstruction measured values.
Unter einem Simulationswert wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt ein mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells bestimmter Wert der Messgröße verstanden. Weiterhin wird ein Simulationswert im Folgenden mit dem Formelzeichen
In dem vorbestimmten Zeitintervall [tA, tE] wird für die Mehrzahl an Zeitpunkten tn mit tA ≤ tn ≤ tE ein Simulationswert
In einer Ausgestaltung wird die Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerte anhand der Gleichung
Vorzugsweise wird die Mehrzahl an Simulationswerten anhand Gleichung (4) als
In einer Ausführungsform wird anhand der Mehrzahl an Stellwerten die Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Simulationswerten der mindestens einen Messgröße mittels des Nominalmodells des Leistungsvorrichtungs-Modells ermittelt. Bevorzugt wird dazu die Mehrzahl an Simulationswerten anhand Gleichung (8) als
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand des Leistungsvorrichtungs-Modells eine Sensor-Totzeit des Sensors und/oder ein Zeitverhalten des Sensors berechnet wird. Die Mehrzahl an Messwerten wird anhand der Sensor-Totzeit und/oder des Zeitverhaltens manipuliert. Vorteilhafterweise wird mittels der Sensor-Totzeit und/oder dem Zeitverhalten das dynamische Verhalten des mindestens einen Sensors in einfacher Weise berücksichtigt.According to a further development of the invention, a sensor dead time and/or a sensor's time response is calculated based on the power device model. The majority of measured values are manipulated based on the sensor dead time and/or the time response. Advantageously, the dynamic behavior of the at least one sensor is easily taken into account using the sensor dead time and/or the time response.
Unter einer Sensor-Totzeit wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt eine Zeitspanne zwischen einer Messung einer Messgröße am Sensor und einem Erfassen des Messwerts der Messgröße in einer Steuervorrichtung verstanden. Alternativ oder zusätzlich wird unter der Sensor-Totzeit im Kontext der vorliegenden technischen Lehre auch eine Totzeit der Messgröße verstanden, das heißt insbesondere eine Totzeit, die sich zwischen dem Eintreten oder Setzen einer Änderung und einer Auswirkung der Änderung auf die Messgröße ergibt. Beispielsweise wird zum Erfassen einer Stickoxidbildung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine eine Stickoxidmenge mittels eines Sensors in einem Abgaspfad der Brennkraftmaschine gemessen, sodass die Sensor-Totzeit hier einer Laufzeit eines die Stickoxide aufweisenden Abgases von dem Brennraum bis zu dem Sensor entspricht. Dabei ist die Sensor-Totzeit abhängig von einer Position des mindestens einen Sensors relativ zu der Steuervorrichtung, wobei die Sensor-Totzeit typischerweise proportional mit einer Länge eines Signalleiters, welcher den mindestens einen Sensor mit der Steuervorrichtung datenübertragend verbindet, zunimmt. Daher sind der Stellwert der mindestens einen Stellgröße und der Messwert der mindestens einen Messgröße um die Sensor-Totzeit zeitlich zueinander verschoben. Weiterhin wird die Sensor-Totzeit im Folgenden mit dem Formelzeichen T bezeichnet, wobei eine i-te Sensor-Totzeit Ti einem i-ten Sensor zur Messung der i-ten Messgröße yi zugeordnet ist.In the context of the present technical teaching, a sensor dead time is preferably understood to mean a time interval between a measurement of a measured variable at the sensor and the recording of the measured value of the measured variable in a control device. Alternatively or additionally, in the context of the present technical teaching, a sensor dead time is also understood to mean a dead time of the measured variable, i.e., in particular, a dead time that occurs between the occurrence or initiation of a change and the effect of the change on the measured variable. For example, to detect nitrogen oxide formation in a combustion chamber of an internal combustion engine, a nitrogen oxide quantity is measured using a sensor in an exhaust path of the internal combustion engine, so that the sensor dead time here corresponds to the travel time of an exhaust gas containing the nitrogen oxides from the combustion chamber to the sensor. The sensor dead time depends on a position of the at least one sensor relative to the control device, with the sensor dead time typically increasing proportionally with a length of a signal conductor that connects the at least one sensor to the control device for data transmission. Therefore, the control value of the at least one control variable and the measured value of the at least one measured variable are shifted in time by the sensor dead time. Furthermore, the sensor dead time is denoted below by the symbol T, where an i-th sensor dead time T i is assigned to an i-th sensor for measuring the i-th measured variable y i .
Unter einem Zeitverhalten wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein PT1-gefiltertes Verhalten verstanden. Unter einem PT1-gefilterten Verhalten des Sensors wird verstanden, dass der Sensor beim Erfassen einer Messgröße ein proportionales Verhalten mit einer Verzögerung erster Ordnung aufweist. Weiterhin wird das Zeitverhalten im Folgenden mit dem Formelzeichen
Besonders bevorzugt wird die Sensor-Totzeit und/oder das Zeitverhalten anhand der Mehrzahl an Simulationswerten und der Mehrzahl an Messwerten, insbesondere durch Vergleichen der Mehrzahl an Simulationswerten mit der Mehrzahl an Messwerten, bestimmt.Particularly preferably, the sensor dead time and/or the time behavior is determined based on the plurality of simulation values and the plurality of measured values, in particular by comparing the plurality of simulation values with the plurality of measured values.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten unter Berücksichtigung der Sensor-Totzeit anhand der Gleichung
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als die mindestens eine Stellgröße ein Stellgrößen-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Leistungsvorrichtungs-Drehzahl, einer Brennstoff-Einbringmenge, einem Brennstoff-Einbringzeitpunkt, einem Brennstoff-Einbringdruck, einem Leistungsvorrichtungs-Drehmoment, einem Ladeluftdruck, einer Luftmassenmenge, einer Abgasrückführrate, einem Verbrennungsluftverhältnis, und einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Stellgrößen-Parameter, verwendet wird.According to a further development of the invention, it is provided that a control variable parameter selected from a group consisting of a power device speed, a fuel introduction quantity, a fuel introduction time, a fuel introduction pressure, a power device torque, a charge air pressure, an air mass quantity, an exhaust gas recirculation rate, a combustion air ratio, and a combination of at least two of the said control variable parameters is used as the at least one control variable.
In einer Ausführungsform besteht die Stellgröße aus der Leistungsvorrichtungs-Drehzahl, der Brennstoff-Einbringmenge, dem Brennstoff- Einbringzeitpunkt, dem Brennstoff-Einbringdruck, dem Ladeluftdruck und der Luftmassenmenge. Damit weist der Stellgrößen-Vektor sechs Komponenten - insbesondere sechs Zeilen - auf.In one embodiment, the manipulated variable consists of the power device speed, the fuel injection quantity, the fuel injection timing, the fuel injection pressure, the charge air pressure, and the air mass quantity. Thus, the manipulated variable vector has six components—in particular, six lines.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als die mindestens eine Messgröße ein Messgrößen-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer NOx-Menge, einer Abgas-Temperatur, einer Partikel-Konzentration, einer CO-Menge, einer Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, einem Brennraum-Druck, einem Verbrennungsluft-Massenstrom, einem Verbrennungsluft-Druck, einer Verbrennungsluft-Temperatur, einer Verdichter-Drehzahl, und einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Messgrößen-Parameter, verwendet wird.According to a further development of the invention, it is provided that a measurement parameter selected from a group consisting of a NO x amount, an exhaust gas temperature, a particle concentration, a CO amount, a quantity of unburned hydrocarbons, a combustion chamber pressure, a combustion air mass flow, a combustion air pressure, a combustion air temperature, a compressor speed, and a combination of at least two of the said measurement parameters is used as the at least one measurement parameter.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Messgröße aus der NOx-Menge, der Abgas-Temperatur, der Partikel-Konzentration, der CO-Menge, der Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, dem Brennraum-Druck, dem Verbrennungsluft-Massenstrom, dem Verbrennungsluft-Druck, der Verbrennungsluft-Temperatur und der Verdichter-Drehzahl. Damit weist der Messgrößen-Vektor zehn Komponenten - insbesondere zehn Zeilen - auf.In a preferred embodiment, the measured variable consists of the NO x amount, the exhaust gas temperature, the particulate concentration, the CO amount, the amount of unburned hydrocarbons, the combustion chamber pressure, the combustion air mass flow, the combustion air pressure, the combustion air temperature, and the compressor speed. Thus, the measured variable vector has ten components—in particular, ten lines.
Vorzugsweise wird die NOx-Menge mittels eines NOx-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die Abgas-Temperatur mittels eines Abgas-Temperatursensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die Partikel-Konzentration mittels eines Partikel-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die CO-Menge mittels eines CO-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen mittels eines Kohlenwasserstoff-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird der Brennraum-Druck mittels eines Brennraum-Druck-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird der Verbrennungsluft-Massenstrom mittels eines Verbrennungsluftmasse-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird der Verbrennungsluft-Druck mittels eines Verbrennungsluftdruck-Sensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die Verbrennungsluft-Temperatur mittels eines Verbrennungsluft-Temperatursensors gemessen und/oder ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird die Verdichter-Drehzahl mittels eines Drehzahl-Sensors gemessen und/oder ermittelt.Preferably, the NO x amount is measured and/or determined using a NO x sensor. Alternatively or additionally, the exhaust gas temperature is measured and/or determined using an exhaust gas temperature sensor. Alternatively or additionally, the particle concentration is measured and/or determined using a particle sensor. Alternatively or additionally, the CO amount is measured and/or determined using a CO sensor. Alternatively or additionally, the amount of unburned hydrocarbons is measured and/or determined using a hydrocarbon sensor. Alternatively or additionally, the combustion chamber pressure is measured and/or determined using a combustion chamber pressure sensor. Alternatively or additionally, the combustion air mass flow is measured and/or determined using a combustion air mass sensor. Alternatively or additionally, the combustion air pressure is measured and/or determined using a combustion air pressure sensor. Alternatively or additionally, the combustion air temperature is measured and/or determined using a combustion air temperature sensor. Alternatively or additionally, the compressor speed is measured and/or determined using a speed sensor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren zyklisch durchgeführt wird. Vorteilhafterweise wird damit das Leistungsvorrichtungs-Modell fortlaufend angepasst, wobei ein Modellfehler des Leistungsvorrichtungs-Modells fortlaufend reduziert wird.According to a further development of the invention, the method is carried out cyclically. Advantageously, the power device model is continuously adapted, thereby continuously reducing a model error of the power device model.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren mit einer ersten vorbestimmten Frequenz durchgeführt. Bevorzugt wird das Leistungsvorrichtungs-Modell, insbesondere das Detailmodell, mit der ersten vorbestimmten Frequenz angepasst.In one embodiment, the method is performed at a first predetermined frequency. Preferably, the power device model, in particular the detailed model, is adapted at the first predetermined frequency.
In einer Ausgestaltung wird das Verfahren mit einer ersten vorbestimmten Frequenz von höchstens 1 Hz durchgeführt, wobei das Detailmodell, mit dieser ersten vorbestimmten Frequenz angepasst wird.In one embodiment, the method is carried out with a first predetermined frequency of at most 1 Hz, wherein the detailed model is adapted with this first predetermined frequency.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensor-Totzeit und/oder das Zeitverhalten einmal oder zyklisch bestimmt wird. Vorteilhafterweise wird damit die Bestimmung der Rekonstruktions-Messwerte fortlaufend angepasst, wobei der Modellfehler des Leistungsvorrichtungs-Modells fortlaufend reduziert wird.According to a further development of the invention, the sensor dead time and/or the time response are determined once or cyclically. Advantageously, the determination of the reconstruction measured values is continuously adjusted, thereby continuously reducing the model error of the power device model.
In einer Ausführungsform wird die Sensor-Totzeit mit einer zweiten vorbestimmten Frequenz bestimmt.In one embodiment, the sensor dead time is determined at a second predetermined frequency.
In einer Ausgestaltung wird die Sensor-Totzeit und/oder das Zeitverhalten mit einer zweiten vorbestimmten Frequenz von höchstens 1/60 Hz bestimmt. Damit wird mittels der Sensor-Totzeit und/oder des Zeitverhaltens vorteilhafterweise eine dynamische Anregung des mindestens einen Sensors in geeigneter Weise berücksichtigt.In one embodiment, the sensor dead time and/or the time response is determined using a second predetermined frequency of at most 1/60 Hz. Thus, the sensor dead time and/or the time response advantageously appropriately takes into account a dynamic excitation of the at least one sensor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite vorbestimmte Frequenz höchstens so groß ist wie die erste vorbestimmte Frequenz.According to a further development of the invention, it is provided that the second predetermined frequency is at most as large as the first predetermined frequency.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das vorbestimmte Zeitintervall eine Dauer von 10 Sekunden bis 150 Sekunden, vorzugsweise von 30 Sekunden bis 100 Sekunden, vorzugsweise von 50 Sekunden bis 80 Sekunden, aufweist.According to a further development of the invention, it is provided that the predetermined time interval has a duration of 10 seconds to 150 seconds, preferably of 30 seconds to 100 seconds, preferably of 50 seconds to 80 seconds.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach einer Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells die Leistungsvorrichtung in einem Bewertungs-Zeitintervall mit der Mehrzahl an Stellwerten betrieben wird. Dabei wird mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells - insbesondere mittels des Detailmodells - anhand der Mehrzahl an Stellwerten eine Mehrzahl an Modellwerten der mindestens einen Messgröße berechnet. Weiterhin wird mittels des Sensors eine zweite Mehrzahl an Messwerten in dem Bewertungs-Zeitintervall erfasst, wobei die zweite Mehrzahl an Messwerten mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des mindestens einen Sensors manipuliert wird, wodurch eine zweite Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten erhalten wird. Anschließend wird anhand der Mehrzahl an Modellwerten und der zweiten Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten der Modellfehler des Leistungsvorrichtungs-Modells - insbesondere des Detailmodells - ermittelt, wobei das Leistungsvorrichtungs-Modell basierend auf dem Modellfehler bewertet wird.According to a further development of the invention, after an adaptation of the power device model, the power device is operated in an evaluation time interval with the plurality of control values. In this case, a plurality of model values of the at least one measured variable are calculated by means of the power device model—in particular by means of the detailed model—based on the plurality of control values. Furthermore, a second plurality of measured values are acquired by means of the sensor in the evaluation time interval, wherein the second plurality of measured values are manipulated by means of the power device model, taking into account the dynamic behavior of the at least one sensor, thereby obtaining a second plurality of reconstruction measured values. Subsequently, the model error of the power device model—in particular of the detailed model—is determined based on the plurality of model values and the second plurality of reconstruction measured values, wherein the power device model is evaluated based on the model error.
Unter einem Modellwert wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre bevorzugt ein zu mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells berechneter Wert der Messgröße verstanden. Weiterhin wird ein Modellwert im Folgenden mit dem Formelzeichen
Das Bewertungs-Zeitintervall ist bevorzugt ein Zeitraum von dem Bewertungs-Anfangs-Zeitpunkt bis zu einem dem Bewertungs-Anfangs-Zeitpunkt zeitlich nachfolgenden Bewertungs-End-Zeitpunkt, wobei mit tBA der Bewertungs-Anfangs-Zeitpunkt und mit tBE der Bewertungs-End-Zeitpunkt bezeichnet wird. Weiterhin sind der vorbestimmte Zeitintervall und das Bewertungs-Zeitintervall gleich lang, sodass tBE - tBA = tE - tA gilt.The evaluation time interval is preferably a period from the evaluation start time to an evaluation end time that follows the evaluation start time, where t BA denotes the evaluation start time and t BE denotes the evaluation end time. Furthermore, the predetermined time interval and the evaluation time interval are of equal length, so that t BE - t BA = t E - t A.
In dem Bewertungs-Zeitintervall [tBA, tBE] wird zu der Mehrzahl an Zeitpunkten tn mit tBA ≤ tn ≤ tBE ein Modellwert
In einer Ausgestaltung wird der Modellfehler anhand der Gleichung
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben der Leistungsvorrichtung geschaffen wird. Dabei wird die Leistungsvorrichtung in dem vorbestimmten Zeitintervall mit einem transienten Betriebsverlauf betrieben, wobei eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Stellwerten der mindestens einen Stellgröße der Leistungsvorrichtung in dem vorbestimmten Zeitintervall vorgegeben wird. Mittels eines Sensors wird eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten der mindestens einen Messgröße in dem vorbestimmten Zeitintervall erfasst. Anhand der Mehrzahl an Stellwerten wird eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Simulationswerten der mindestens einen Messgröße mittels des Leistungsvorrichtungs-Modells ermittelt. Anschließend wird das Leistungsvorrichtungs-Modell anhand der Mehrzahl an Simulationswerten, der Mehrzahl an Stellwerten und der Mehrzahl an Messwerten angepasst. Die Leistungsvorrichtung wird dann basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell betrieben. Dabei spiegeln die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten Messwerte aufgrund des dynamischen Verhaltens des mindestens einen Sensors nicht die tatsächlich vorliegenden Werte der mindestens einen Messgröße an dem Ort des mindestens einen Sensors zu dem bestimmten Zeitpunkt wieder. Daher können der Stellwert und der Messwert zu dem bestimmten Zeitpunkt nicht als Datenpunkt für die Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells verwendet werden. Typischerweise werden die Simulationswerte nicht von dem dynamischen Verhalten des mindestens einen Sensors beeinflusst, da die Simulationswerte vorzugsweise anhand des Nominalmodells und damit anhand stationärer Betriebsdaten berechnet werden, sodass vorteilhafterweise das dynamische Verhalten des mindestens einen Sensors bei der Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells berücksichtigt wird. Damit wird das Leistungsvorrichtungs-Modell vorteilhafterweise in einem transienten Betrieb der Leistungsvorrichtung angepasst. Zusätzlich können optimale Stellwerte der mindestens einen Stellgröße basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell auch für einen transienten Betrieb der Leistungsvorrichtung ermittelt werden.The object is also achieved by providing a method for operating the power device. The power device is operated in the predetermined time interval with a transient operating characteristic, wherein a plurality of temporally successive control values of the at least one control variable of the power device are specified in the predetermined time interval. A sensor records a plurality of temporally successive measured values of the at least one measured variable in the predetermined time interval. Based on the plurality of control values, a plurality of temporally successive simulation values of the at least one measured variable are determined using the power device model. The power device model is subsequently adapted based on the plurality of simulation values, the plurality of control values, and the plurality of measured values. The power device is then operated based on the adapted power device model. Due to the dynamic behavior of the at least one sensor, the measured values recorded at a specific time do not reflect the actual values of the at least one measured variable at the location of the at least one sensor at the specific time. Therefore, the manipulated variable and the measured value at the specific point in time cannot be used as data points for adapting the power device model. Typically, the simulation values are not influenced by the dynamic behavior of the at least one sensor, since the simulation values are preferably calculated based on the nominal model and thus based on steady-state operating data, so that the dynamic behavior of the at least one sensor is advantageously taken into account when adapting the power device model. The power device model is thus advantageously adapted during transient operation of the power device. In addition, optimal manipulated variables of the at least one manipulated variable can also be determined for transient operation of the power device based on the adapted power device model.
Besonders bevorzugt wird als das Leistungsvorrichtungs-Modell ein Gauß-Prozessmodell mit einem Nominalmodell gemäß den Gleichungen (6) bis (9) und einem Detailmodell gemäß den Gleichungen (6), (7), (10) und (11) verwendet. Dabei wird die Mehrzahl an Simulationswerten mittels der Gleichung (16) berechnet. Weiterhin wird anhand der Mehrzahl an Simulationswerten, der Mehrzahl an Stellwerten und der Mehrzahl an Messwerten das Detailmodell angepasst, wobei für die Anpassung die neu gemessenen Datenpunkte
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl an Messwerten mittels der Mehrzahl an Simulationswerten, der Mehrzahl an Stellwerten und der Mehrzahl an Messwerten manipuliert wird, um eine Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten zu erhalten. Anschließend wird das Leistungsvorrichtungs-Modell anhand der Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten und der Mehrzahl an Stellwerten angepasst. Vorteilhafterweise wird in den Rekonstruktions-Messwerten das dynamische Verhalten des mindestens einen Sensors berücksichtigt, sodass die Rekonstruktions-Messwerte des bestimmten Zeitpunkts und die Stellwerte des bestimmten Zeitpunkts als Datenpunkt für die Anpassung des Leistungsvorrichtungs-Modells verwendet werden können.According to a further development of the invention, the plurality of measured values is manipulated using the plurality of simulation values, the plurality of control values, and the plurality of measured values to obtain a plurality of reconstruction measured values. The power device model is then adapted based on the plurality of reconstruction measured values and the plurality of control values. Advantageously, the dynamic behavior of the at least one sensor is taken into account in the reconstruction measured values, so that the reconstruction measured values of the specific time and the control values of the specific time can be used as data points for adapting the power device model.
In einer Ausgestaltung wird die Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten anhand Gleichung (14) berechnet.In one embodiment, the majority of reconstruction measurements are calculated using equation (14).
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Steuervorrichtung geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise als Recheneinrichtung, besonders bevorzugt als Computer, oder als Steuergerät, bevorzugt als Steuergerät einer Brennkraftmaschine, ausgebildet. In Zusammenhang mit der Steuervorrichtung verwirklichen sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben der Leistungsvorrichtung beschrieben wurden.The object is also achieved by providing a control device which is designed to carry out a method according to the invention or a method according to one or more of the The control device is preferably designed as a computing device, particularly preferably as a computer, or as a control unit, preferably as a control unit of an internal combustion engine. In conjunction with the control device, the advantages already described above in connection with the method for operating the power device are realized in particular.
Die Steuervorrichtung ist bevorzugt eingerichtet zum Betreiben der Leistungsvorrichtung. In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung eingerichtet zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, einer Brennkraftmaschinen-Generator-Verbundvorrichtung, das heißt einem Genset, einer Brennstoffzelle, eines Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, eines Elektrolyseurs, eines Rechenzentrums oder MicroGrids, oder einer anderen steuer- oder regelbaren Last an einem elektrischen Netzwerk.The control device is preferably configured to operate the power device. In one embodiment, the control device is configured to operate an internal combustion engine, an internal combustion engine-generator combination device, i.e., a genset, a fuel cell, an energy storage device, for example, a battery, an electrolyzer, a data center, or a microgrid, or another controllable or regulatable load on an electrical network.
In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die Leistungsvorrichtung mit einem Stellwert der mindestens einen Stellgröße zu betreiben, das heißt bevorzugt anzusteuern.In one embodiment, the control device is configured to operate, i.e. preferably control, the power device with a control value of the at least one control variable.
In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die Mehrzahl an Messwerten der mindestens einen Messgröße zu erfassen, zu bestimmen oder zu empfangen.In one embodiment, the control device is configured to detect, determine or receive the plurality of measured values of the at least one measured variable.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Leistungsanordnung geschaffen wird, die eine Leistungsvorrichtung, mindestens einen Sensor, mindestens einen Aktor und eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung oder eine Steuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweist. In Zusammenhang mit der Leistungsanordnung verwirklichen sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Steuervorrichtung beschrieben wurden.The object is also achieved by providing a power arrangement comprising a power device, at least one sensor, at least one actuator, and a control device according to the invention or a control device according to one or more of the previously described embodiments. In connection with the power arrangement, the advantages already described above in connection with the method and the control device are realized in particular.
Die Steuervorrichtung ist bevorzugt mit der Leistungsvorrichtung wirkverbunden, um die Leistungsvorrichtung anzusteuern. Weiterhin ist die Steuervorrichtung mit dem mindestens einen Sensor und dem mindestens einen Aktor wirkverbunden.The control device is preferably operatively connected to the power device in order to control the power device. Furthermore, the control device is operatively connected to the at least one sensor and the at least one actuator.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor eingerichtet, um die Mehrzahl an Messwerten der mindestens einen Messgröße zu messen und an die Steuervorrichtung zu übermitteln, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, um die Mehrzahl an Messwerten zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich ist der mindestens eine Aktor eingerichtet, um mittels der Mehrzahl an Stellwerten der mindestens einen Stellgröße angesteuert zu werden.Preferably, the at least one sensor is configured to measure the plurality of measured values of the at least one measured variable and transmit them to the control device, wherein the control device is configured to detect the plurality of measured values. Alternatively or additionally, the at least one actuator is configured to be controlled by means of the plurality of control values of the at least one control variable.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leistungsvorrichtung als Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschinen-Generator-Verbundvorrichtung, das heißt Genset, Brennstoffzelle, Energiespeicher, beispielsweise Batterie, Elektrolyseur, Rechenzentrum oder MicroGrid, oder als eine andere steuer- oder regelbare Last an einem elektrischen Netzwerk ausgebildet ist.In one embodiment, it is provided that the power device is designed as an internal combustion engine, an internal combustion engine-generator combination device, i.e., a genset, a fuel cell, an energy storage device, for example, a battery, an electrolyzer, a data center or a microgrid, or as another controllable or regulatable load on an electrical network.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, dem mindestens einen Sensor, dem mindestens einen Aktor und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung oder einer Steuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Steuervorrichtung beschrieben wurden.The object is also achieved by providing an internal combustion engine with at least one combustion chamber, at least one sensor, at least one actuator, and a control device according to the invention or a control device according to one or more of the previously described embodiments. In connection with the internal combustion engine, the advantages already described above in connection with the method and the control device are realized in particular.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsanordnung, -
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Leistungsvorrichtung in Form eines Flussdiagramms, -
3 eine schematische Darstellung eines Details des Verfahrens gemäß2 , -
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zum Betreiben der Leistungsvorrichtung in Form eines Flussdiagramms, und -
5 eine schematische Darstellung eines Details des Verfahrens gemäß4 .
-
1 a schematic representation of an embodiment of a power arrangement, -
2 a schematic representation of a first embodiment of a method for operating a power device in the form of a flow chart, -
3 a schematic representation of a detail of the process according to2 , -
4 a schematic representation of a second embodiment of the method for operating the power device in the form of a flow chart, and -
5 a schematic representation of a detail of the process according to4 .
Die Brennkraftmaschine 1 weist zusätzlich ein Brennstoffventil 7, ein Einlassventil 9.1, ein Auslassventil 9.2 und mindestens einen Sensor 11 auf. Das Brennstoffventil 7 ist in einem Verbrennungsluft-Pfad 13 - auch Ladeluft-Pfad genannt - entlang einer Verbrennungsluft-Strömungsrichtung 15 - auch Ladeluft-Strömungsrichtung genannt - strömungstechnisch vor dem Einlassventil 9.1 angeordnet. Dabei sind das Brennstoffventil 7, das Einlassventil 9.1 und das Auslassventil 9.2 als Aktoren ausgebildet.The internal combustion engine 1 additionally has a fuel valve 7, an intake valve 9.1, an exhaust valve 9.2, and at least one sensor 11. The fuel valve 7 is arranged in a combustion air path 13—also called a charge air path—along a combustion air flow direction 15—also called a charge air flow direction—fluctually upstream of the intake valve 9.1. The fuel valve 7, the intake valve 9.1, and the exhaust valve 9.2 are designed as actuators.
Optional weist die Brennkraftmaschine 1 außerdem eine Turboladervorrichtung 17 mit einer Turbine 19 und einem Verdichter 21 auf. Dabei ist die Turbine 19 in einem Abgas-Pfad 23 entlang einer Abgas-Strömungsrichtung 25 strömungstechnisch hinter dem Auslassventil 9.2 angeordnet. Weiterhin ist der Verdichter 21 in dem Verbrennungsluft-Pfad 13 entlang der Verbrennungsluft-Strömungsrichtung 15 strömungstechnisch vor dem Brennstoffventil 7 angeordnet.Optionally, the internal combustion engine 1 also has a turbocharger device 17 with a turbine 19 and a compressor 21. The turbine 19 is arranged in an exhaust gas path 23 along an exhaust gas flow direction 25, fluidically downstream of the exhaust valve 9.2. Furthermore, the compressor 21 is arranged in the combustion air path 13 along the combustion air flow direction 15, fluidically upstream of the fuel valve 7.
Optional weist die Brennkraftmaschine 1 außerdem eine Abgasrückführ-Vorrichtung 27 mit einem Abgasrückführ-Pfad 29 und einer als Aktor ausgebildeten Abgasrückführ-Klappe 31 auf, wobei der Abgasrückführ-Pfad 29 den Abgas-Pfad 23 strömungstechnisch mit dem Verbrennungsluft-Pfad 13 verbindet. Weiterhin ist die Abgasrückführ-Klappe 31 eingerichtet, den Abgasrückführ-Pfad 29 zu blockieren und/oder freizugeben.Optionally, the internal combustion engine 1 also has an exhaust gas recirculation device 27 with an exhaust gas recirculation path 29 and an exhaust gas recirculation flap 31 designed as an actuator, wherein the exhaust gas recirculation path 29 fluidically connects the exhaust gas path 23 to the combustion air path 13. Furthermore, the exhaust gas recirculation flap 31 is configured to block and/or release the exhaust gas recirculation path 29.
Die Steuervorrichtung 5 ist bevorzugt eingerichtet, um die Brennkraftmaschine mit einer Leistungsvorrichtungs-Drehzahl, einem Leistungsvorrichtungs-Drehmoment, einem Ladeluftdruck, einer Luftmassenmenge und/oder einem Verbrennungsluftverhältnis zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart mit dem Brennstoffventil 7 wirkverbunden und eingerichtet zu dessen Ansteuerung, um eine Brennstoff-Einbringmenge, einen Brennstoff- Einbringzeitpunkt und/oder einen Brennstoff-Einbringdruck einzustellen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart mit der Abgasrückführ-Klappe 31 wirkverbunden und eingerichtet zu dessen Ansteuerung, um eine Abgasrückführrate einzustellen.The control device 5 is preferably configured to operate the internal combustion engine at a power device speed, a power device torque, a boost air pressure, an air mass quantity, and/or a combustion air ratio. Alternatively or additionally, the control device 5 is operatively connected to the fuel valve 7 in a manner not explicitly shown and configured to control it in order to adjust a fuel introduction quantity, a fuel introduction time, and/or a fuel introduction pressure. Alternatively or additionally, the control device 5 is operatively connected to the exhaust gas recirculation flap 31 in a manner not explicitly shown and configured to control it in order to adjust an exhaust gas recirculation rate.
Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Sensor 11, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem NOx-Sensor 11.1, einem Abgas-Temperatursensor 11.2, einem Partikel-Sensor 11.3, einem CO-Sensor 11.4, einem Kohlenwasserstoff-Sensor 11.5, einem Brennraum-Druck-Sensor 11.6, einem Verbrennungsluftmasse-Sensor 11.7, einem Verbrennungsluftdruck-Sensor 11.8, einem Verbrennungsluft-Temperatursensor 11.9, einem Drehzahl-Sensor 11.10, und einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Sensoren 11.Particularly preferably, the at least one sensor 11 is selected from a group consisting of a NO x sensor 11.1, an exhaust gas temperature sensor 11.2, a particle sensor 11.3, a CO sensor 11.4, a hydrocarbon sensor 11.5, a combustion chamber pressure sensor 11.6, a combustion air mass sensor 11.7, a combustion air pressure sensor 11.8, a combustion air temperature sensor 11.9, a rotational speed sensor 11.10, and a combination of at least two of the aforementioned sensors 11.
Die Steuervorrichtung 5 ist in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem NOx-Sensor 11.1 verbunden, dass eine von dem NOx-Sensor 11.1 gemessene und/oder ermittelte NOx-Menge von dem NOx-Sensor 11.1 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Abgas-Temperatursensor 11.2 verbunden, dass eine von dem Abgas-Temperatursensor 11.2 gemessene und/oder ermittelte Abgas-Temperatur von dem Abgas-Temperatursensor 11.2 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Partikel-Sensor 11.3 verbunden, dass eine von dem Partikel-Sensor 11.3 gemessene und/oder ermittelte Partikel-Konzentration von dem Partikel-Sensor 11.3 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem CO-Sensor 11.4 verbunden, dass eine von dem CO-Sensor 11.4 gemessene und/oder ermittelte CO-Menge von dem CO-Sensor 11.4 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Kohlenwasserstoff-Sensor 11.5 verbunden, dass eine von dem Kohlenwasserstoff-Sensor 11.5 gemessene und/oder ermittelte Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen von dem Kohlenwasserstoff-Sensor 11.5 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Brennraum-Druck-Sensor 11.6 verbunden, dass ein von dem Brennraum-Druck-Sensor 11.6 gemessener und/oder ermittelter Brennraum-Druck von dem Brennraum-Druck-Sensor 11.6 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Verbrennungsluftmasse-Sensor 11.7 verbunden, dass ein von dem Verbrennungsluftmasse-Sensor 11.7 gemessener und/oder ermittelter Verbrennungsluft-Massenstrom von dem Verbrennungsluftmasse-Sensor 11.7 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Verbrennungsluftdruck-Sensor 11.8 verbunden, dass ein von dem Verbrennungsluftdruck-Sensor 11.8 gemessener und/oder ermittelter Verbrennungsluft-Druck von dem Verbrennungsluftdruck-Sensor 11.8 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Verbrennungsluft-Temperatursensor 11.9 verbunden, dass eine von dem Verbrennungsluft-Temperatursensor 11.9 gemessene und/oder ermittelte Verbrennungsluft-Temperatur von dem Verbrennungsluft-Temperatursensor 11.9 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 in nicht explizit dargestellter Weise derart datenübertragend mit dem Drehzahl-Sensor 11.10 verbunden, dass eine von dem Drehzahl-Sensor 11.10 gemessene und/oder ermittelte Verdichter-Drehzahl von dem Drehzahl-Sensor 11.10 an die Steuervorrichtung 5 übermittelt wird.The control device 5 is connected to the NO x sensor 11.1 in a manner not explicitly shown in such a way that a NO x quantity measured and/or determined by the NO x sensor 11.1 is transmitted from the NO x sensor 11.1 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the exhaust gas temperature sensor 11.2 in a manner not explicitly shown in such a way that an exhaust gas temperature measured and/or determined by the exhaust gas temperature sensor 11.2 is transmitted from the exhaust gas temperature sensor 11.2 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the particle sensor 11.3 in a manner not explicitly shown for data transmission such that a particle concentration measured and/or determined by the particle sensor 11.3 is transmitted from the particle sensor 11.3 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the CO sensor 11.4 in a manner not explicitly shown for data transmission such that a CO quantity measured and/or determined by the CO sensor 11.4 is transmitted from the CO sensor 11.4 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the hydrocarbon sensor 11.5 in a manner not explicitly shown for data transmission such that a quantity of unburned hydrocarbons measured and/or determined by the hydrocarbon sensor 11.5 is transmitted from the hydrocarbon sensor 11.5 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the combustion chamber pressure sensor 11.6 in a manner not explicitly shown in such a way that a combustion chamber pressure measured and/or determined by the combustion chamber pressure sensor 11.6 is transmitted from the combustion chamber pressure sensor 11.6 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the combustion air mass sensor 11.7 in a manner not explicitly shown in such a way that a combustion air mass flow measured and/or determined by the combustion air mass sensor 11.7 is transmitted from the combustion air mass sensor 11.7 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the combustion air pressure sensor 11.8 in a manner not explicitly shown in such a way that a combustion air pressure measured and/or determined by the combustion air pressure sensor 11.8 is transmitted from the combustion air pressure sensor 11.8 to the control device 5. Alternatively or additionally, the Control device 5 is connected to the combustion air temperature sensor 11.9 in a manner not explicitly shown for data transmission such that a combustion air temperature measured and/or determined by the combustion air temperature sensor 11.9 is transmitted from the combustion air temperature sensor 11.9 to the control device 5. Alternatively or additionally, the control device 5 is connected to the speed sensor 11.10 in a manner not explicitly shown for data transmission such that a compressor speed measured and/or determined by the speed sensor 11.10 is transmitted from the speed sensor 11.10 to the control device 5.
Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung 5 eingerichtet, um ein Verfahren zum Betreiben der Leistungsanordnung 1 durchzuführen. Das Verfahren ist in den
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals in all figures, so that reference is made to the previous description.
In einem Schritt S1 wird für ein vorbestimmtes Zeitintervall [tA, tE] eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Stellwerten X[t
Vorzugsweise wird als die mindestens eine Stellgröße ein Stellgrößen-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus der Leistungsvorrichtungs-Drehzahl, der Brennstoff-Einbringmenge, dem Brennstoff-Einbringzeitpunkt, dem Brennstoff-Einbringdruck, dem Leistungsvorrichtungs-Drehmoment, dem Ladeluftdruck, der Luftmassenmenge, der Abgasrückführrate, dem Verbrennungsluftverhältnis, und einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Stellgrößen-Parameter, verwendet.Preferably, a manipulated variable parameter selected from a group consisting of the power device speed, the fuel introduction quantity, the fuel introduction time, the fuel introduction pressure, the power device torque, the charge air pressure, the air mass quantity, the exhaust gas recirculation rate, the combustion air ratio, and a combination of at least two of the aforementioned manipulated variable parameters is used as the at least one manipulated variable.
In einem Schritt S2 wird die Leistungsvorrichtung in dem vorbestimmten Zeitintervall [tA, tE] anhand der Mehrzahl an Stellwerten X[t
In einem Schritt S3 wird mittels des mindestens einen Sensors 11 eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten Y[t
Vorzugsweise wird als die mindestens eine Messgröße ein Messgrößen-Parameter, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus der NOx-Menge, der Abgas-Temperatur, der Partikel-Konzentration, der CO-Menge, der Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, dem Brennraum-Druck, dem Verbrennungsluft-Massenstrom, dem Verbrennungsluft-Druck, der Verbrennungsluft-Temperatur, der Verdichter-Drehzahl, und einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Messgrößen-Parameter, verwendet.Preferably, a measurement parameter selected from a group consisting of the NO x amount, the exhaust gas temperature, the particle concentration, the CO amount, the amount of unburned hydrocarbons, the combustion chamber pressure, the combustion air mass flow, the combustion air pressure, the combustion air temperature, the compressor speed, and a combination of at least two of the said measurement parameters is used as the at least one measurement parameter.
In einem Schritt S4 wird die Mehrzahl an Messwerten Y[tA,tE] mittels eines Leistungsvorrichtungs-Modells GP unter Berücksichtigung eines dynamischen Verhaltens des mindestens einen Sensors 11 manipuliert, wodurch eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Rekonstruktions-Messwerten
Vorzugsweise weist das Leistungsvorrichtungs-Modell GP ein Nominalmodell und ein Detailmodell auf. Besonders bevorzugt wird als Leistungsvorrichtungs-Modell GP ein Gauß-Prozessmodell gemäß den Gleichungen (4) bis (7) verwendet, wobei als Nominalmodell ein erstes Gauß-Prozessmodell gemäß den Gleichungen (6) bis (9) und als Detailmodell ein zweites Gauß-Prozessmodell gemäß den Gleichungen (6), (7), (10) und (11) verwendet wird.The power device model GP preferably has a nominal model and a detailed model. Particularly preferably, a Gaussian process model according to equations (4) to (7) is used as the power device model GP, with a first Gaussian process model according to equations (6) to (9) being used as the nominal model and a second Gaussian process model according to equations (6), (7), (10), and (11) being used as the detailed model.
In einem Schritt S5 wird das Leistungsvorrichtungs-Modell GP anhand der Mehrzahl an Rekonstruktions-Messwerten
In einem Schritt S6 wird die Leistungsvorrichtung basierend auf dem angepassten Leistungsvorrichtungs-Modell GP betrieben.In a step S6, the power device is operated based on the adapted power device model GP.
Besonders bevorzugt werden die Schritte S1 bis S6 zyklisch durchgeführt. Dabei wird das Leistungsvorrichtungs-Modell GP, insbesondere das Detailmodell, mit einer ersten vorbestimmten Frequenz von höchstens 1 Hz angepasst.Particularly preferably, steps S1 to S6 are performed cyclically. In this case, the power device model GP, in particular the detailed model, is adapted with a first predetermined frequency of at most 1 Hz.
In einem optionalen Schritt S7 wird anhand der Mehrzahl an Stellwerten X[tA,tE] eine Mehrzahl an zeitlich aufeinanderfolgenden Simulationswerten
In einem optionalen Schritt S8 wird anhand des Leistungsvorrichtungs-Modells GP, vorzugsweise anhand der Mehrzahl an Messwerten Y[t
In einem optionalen Schritt S9 wird die Mehrzahl an Messwerten Y[t
Die Schritte S1 bis S3, S6 und S7 sind analog zu
In einem Schritt S10 wird das Leistungsvorrichtungs-Modell GP anhand der Mehrzahl an Simulationswerten
Dabei sind die Schritte S5, S8 und S9 analog zu
Insgesamt zeigt sich, dass das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens, welches gemäß
Claims (13)
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