專利名稱：用于監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種技術(shù)系統(tǒng)的基于模型監(jiān)控的方法。
監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)是為了檢測在系統(tǒng)上的缺陷和有害狀態(tài)的發(fā)生，并將系統(tǒng)分類為無缺陷或有缺陷。
依據(jù)權(quán)利要求1前序部分的方法從Rolf Isermann的“Modellgestützteberwachung und Fehlerdiagnose technischer Systeme(Teil 1)”[技術(shù)系統(tǒng)的基于模型監(jiān)控和缺陷診斷(第一部分)]，Automatisierungstechnische Praxis(atp)38(1996)，第5版，第9-20頁已知。無缺陷技術(shù)系統(tǒng)使用線性多變量模型來模擬，使用方程式X‾′(t)=A‾‾x‾(t)+B‾‾u‾(t)]]>和y‾(t)=C‾‾x(t)]]>表示該系統(tǒng)，其中u(t)是輸入變量的向量，x(t)是狀態(tài)變量的向量，x′(t)是x(t)對時間的一次導(dǎo)數(shù)，y(t)是輸出變量的向量， 和 是矩陣。在這個實施例中，輸出變量和狀態(tài)變量是因變量。一方面提供輸入變量向量u(t)給被監(jiān)控的實際系統(tǒng)，另一方面提供給線性模型。為了定義受系統(tǒng)影響的并能被直接或間接測量的變量，公開了各種方法。該變量取決于輸出、狀態(tài)和/或輸入變量。一方面測量該變量隨時間的變化，另一方面利用模型來計算參考變化。將測得的隨時間的變化與參考變化相比較，從而確定技術(shù)系統(tǒng)是無缺陷還是有缺陷。
偏離參考變化的測量變化一方面可由技術(shù)系統(tǒng)上的缺陷引起，但另一方面僅僅由參數(shù)容差和測量中的誤差引起。在上述引用R.Isermann的文章中沒有披露缺陷怎樣與容差和誤差區(qū)分開來。再者，該方法僅僅能用于線性模型。然而，許多技術(shù)系統(tǒng)不能使用線性模型充分地描述。
本發(fā)明的目的是提供一種依據(jù)權(quán)利要求1前序部分的方法，該方法在監(jiān)控中以系統(tǒng)的方式考慮在容差范圍內(nèi)該技術(shù)系統(tǒng)的參數(shù)變化的影響及施加在因變量的測量上的測量誤差。
使用依據(jù)權(quán)利要求1的方法實現(xiàn)該目的，進一步限定在從屬權(quán)利要求中給出。
指定無缺陷系統(tǒng)的模型。該模型描述了在無缺陷系統(tǒng)中因變量和系統(tǒng)的輸入變量之間的關(guān)系，并能使用計算機自動估值。對這個模型的至少一個參數(shù)指定了容差。該參數(shù)可假定為在容差范圍內(nèi)的值，且不會因此而使技術(shù)系統(tǒng)存在缺陷。另一方面，容差外的值是缺陷。
執(zhí)行容差模擬。在其中，參數(shù)在容差范圍內(nèi)變化。輸入變量的至少一個隨時間的指定變化在這里被應(yīng)用到該模型。從而模擬了該模型。利用該模型，計算由參數(shù)變化導(dǎo)致的因變量的隨時間的大量變化。
在指定容差范圍內(nèi)，參數(shù)變化導(dǎo)致因變量的可允許的變化。利用容差模擬，計算出所帶來的可允許的變化是多大。在技術(shù)系統(tǒng)的監(jiān)控期間，該可允許的變化使因變量的變化圍繞參考變化改變而不發(fā)生缺陷。
此外，確定因變量測量的測量誤差。因此，因變量的測量值正好與實際值一致，或者受到至多與測量誤差一樣大的測量錯誤的影響。該測量誤差可導(dǎo)致測量值比實際存在的值更遠離計算的參考值、或者更接近參考值的結(jié)果。
在監(jiān)控期間，輸入變量隨時間的變化既提供給系統(tǒng)、又提供給模型。利用模型，計算因變量隨時間的參考變化。圍繞計算出的參考變化設(shè)置窄容差帶和寬容差帶。窄容差帶的寬度等于合成變化減去兩倍測量誤差，寬容差帶的寬度等于合成變化增加兩倍測量誤差。
比較測得的隨時間的變化與圍繞參考變化的容差帶。假如測得的隨時間的變化位于寬容差帶的外部，則它偏離參考變化，并且即使測量容差增加偏差，也因此以不容許的方式偏離期望變化。該系統(tǒng)被分類為有缺陷的。假如測得的隨時間的變化一直在窄容差帶內(nèi)，它完全不偏離參考變化，并且即使測量容差減少偏差，也因此或僅以容許的方式不偏離期望變化。該系統(tǒng)被分類為無缺陷的。
依據(jù)本發(fā)明的方法能被用于任何在計算機上能夠使用可利用的模型足夠準(zhǔn)確地描述的技術(shù)系統(tǒng)。這個模型不必完整地描述該技術(shù)系統(tǒng)，而只要描述至少一個因變量和至少一個輸入變量之間的關(guān)系。這個方法可被用于靜態(tài)和動態(tài)技術(shù)系統(tǒng)，例如用于具有隨時間變化的狀態(tài)變量的那些系統(tǒng)。
使用該方法，以系統(tǒng)化的、可跟蹤的、客觀的和可復(fù)制的方式確定寬容差帶和窄容差帶。當(dāng)以系統(tǒng)化的、可跟蹤的、客觀的和可復(fù)制的方式考慮容差和測量誤差時，該方法具有將技術(shù)系統(tǒng)分類為無缺陷和有缺陷的作用。無論是在公司使用該方法用于監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)時還是在供貨者提供該技術(shù)系統(tǒng)時，客觀性和可復(fù)制性是特別重要的。該方法允許顧客和供貨者跟蹤分類過程和分類的結(jié)果。
例如，在從供貨者得到的系統(tǒng)的進貨控制或制造后的質(zhì)量控制的情況下，該方法一方面用于系統(tǒng)的限時功能測試；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)處于操作時，該方法用于監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)。
例如，選擇大量位于容差范圍內(nèi)的參數(shù)值。一個接一個地將這些參數(shù)設(shè)置為這些值中的每一個，利用模擬模型計算由這個值產(chǎn)生的因變量的隨時間的變化。在進行模擬運行期間并在容差范圍內(nèi)改變參數(shù)也是可能的，也就是說，在模擬運行期間通過在容差范圍內(nèi)改變參數(shù)來改變模擬模型是可能的。
權(quán)利要求1的附加部分可以使該方法也用于具有大量輸入變量和/或大量因變量的技術(shù)系統(tǒng)。依據(jù)權(quán)利要求3，圍繞用于每個因變量的各自參考變化設(shè)置兩個容差帶，也就是說，在n個因變量的情況下，總共有2*n個容差帶。
在結(jié)合附圖的基礎(chǔ)上，在下面將更詳細地描述本發(fā)明的典型實施例，其中

圖1表示用于實現(xiàn)該方法的有利改進的測試設(shè)備的框圖；圖2表示窄容差帶和寬容差帶；圖3表示因變量p_a的變化和取決于參數(shù)k的控制變量p_h的變化；圖4表示通過實際變化和參考變化之間的比較來確定參數(shù)的偏移；圖5表示在過沖情況下的修改。
典型實施例涉及機動車輛制造者的進貨控制。使用依據(jù)本發(fā)明的方法，后者檢查機動車輛的組件零件。對每個組件零件，至少執(zhí)行一次該方法，該組件零件作為技術(shù)系統(tǒng)。組件零件由供貨者制造，并提供給制造者的生產(chǎn)線。制造者也檢查在制造者的生產(chǎn)線上制造的、利用測試系統(tǒng)受到質(zhì)量控制的組件零件。這種組件零件的例子是自動傳動的電液壓控制盤。這個方法也可以由供貨者用來進行其供貨控制。優(yōu)選地，只將歸類為無缺陷的組件零件交付給機動車輛制造者，其他的被更徹底地檢查。
例如，這個方法也可在機動車輛運行時用作對機動車輛的組件零件的監(jiān)控，例如對自動傳動的控制系統(tǒng)的零件的監(jiān)控。
在下面更詳細地描述的圖1表示實現(xiàn)依據(jù)下面描述的本發(fā)明的方法的有利改進的設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。在這個典型實施例中，輸入變量m位于被監(jiān)控的組件零件10和模型20處，測量n個因變量的隨時間的變化。組件零件10以s1個參數(shù)表示。特別地由組件零件10的大規(guī)模生產(chǎn)中的典型生產(chǎn)變量和外界條件的不可避免的波動產(chǎn)生s1個參數(shù)的容差。規(guī)定了這些容差。
組件零件10的參數(shù)的典型例子是材料的特征變量，例如單位重量、密度、粘性、彈性常數(shù)、摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性或電氣元件的特性，如電阻、電容或電感。
只要組件零件10是無缺陷的，組件零件10的s1個參數(shù)的值保持不變。另一方面，缺陷能導(dǎo)致參數(shù)值急劇變化，例如，假如在電線中發(fā)生短路；或缺陷導(dǎo)致參數(shù)值的一般漂移，例如，彈性常數(shù)逐漸減小。
和參數(shù)比起來，即使當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)是無缺陷的時候，m個輸入變量和n個因變量隨時間急劇變化和/或逐漸變化，例如以瞬時反應(yīng)的形式。
在已經(jīng)提到的使用電子控制系統(tǒng)的自動傳動的例子中，控制系統(tǒng)產(chǎn)生電流形式的控制信號。作為傳動的組件零件的電液控制盤接收這些控制信號作為輸入變量。根據(jù)這些信號，產(chǎn)生壓力作為輸出變量。這些壓力激勵開關(guān)元件，即用于變速選擇的機械傳動的閘和離合器。在控制盤的信號通路中存在電氣和液壓功能單元。在描述這些功能單元特征的參數(shù)中有靜態(tài)傳動因子，非線性特征曲線在工作點處的上升和/或功能單元的時間常數(shù)。
假如至少一個因變量的測得的變化位于寬容差帶之外，即使考慮了容差和測量誤差，使用該方法研究的組件零件10也是有缺陷的。例如然后組件零件10就不安裝在機動車輛上，而是返還給供貨者。假如因變量的每一個隨時間的變化始終位于這個變量的參考帶范圍內(nèi)，所研究的組件零件就是無缺陷的。假如至少一個變化至少暫時位于各自的窄容差帶之外，而并非全部變化都位于寬容差帶之外，那么更徹底地檢查該組件零件。
這個方法提供給機動車輛制造者二值分類結(jié)果，即有缺陷和無缺陷。優(yōu)選地提供多值結(jié)果給組件零件的供貨者，以用于發(fā)現(xiàn)并修理故障。除剛剛描述的兩個結(jié)果(無缺陷和有缺陷)之外，對于至少一個變化位于各自窄容差帶之外但并不是全部變化都位于寬容差帶之外的情況，提供了又一個可能結(jié)果。比較實際所產(chǎn)生的幾個可能結(jié)果中的哪個結(jié)果取決于測量變化和參考變化的比較。對于大量的組件零件，供貨者優(yōu)選根據(jù)比較的實際結(jié)果評定他的生產(chǎn)過程并發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)致產(chǎn)生缺陷組件零件的生產(chǎn)過程中的缺陷和不足。
例如，機動車輛組件零件供貨者和機動車輛制造者使用這個方法的結(jié)果如下假如至少一個因變量的隨時間變化至少暫時偏離寬容差帶，機動車輛制造者評定組件零件為有缺陷的，否則，他接收它為無缺陷的。在他的內(nèi)部質(zhì)量控制中，僅僅當(dāng)每一個隨時間的實際變化始終位于各自的窄容差帶范圍內(nèi)時，供貨者評定組件零件為無缺陷的。
這個方法步驟分為兩個不同的階段，即生成階段和分類階段。生成階段的步驟對于每一個組件零件類型執(zhí)行一次。在生成階段結(jié)束時，獲得模型20和每一個因變量的合成變化。分類階段的步驟對于被監(jiān)控的每一個組件零件執(zhí)行一次，并產(chǎn)生分類結(jié)果，只要組件零件有缺陷，優(yōu)選地做出關(guān)于缺陷或在組件零件上實際存在的缺陷的聲明。
因而，如果監(jiān)控兩類組件零件，以及生產(chǎn)每類的一千份副本，并監(jiān)控所有的兩千份副本，那么執(zhí)行兩次生成階段的步驟，并執(zhí)行兩千次分類階段的步驟。
能產(chǎn)生足夠精確地描述n個因變量和m個輸入變量之間的關(guān)系的模型20的任何建模方法能用于該方法。若確保模型20和組件零件10之間的靜態(tài)和動態(tài)匹配，精確度是足夠的。
控制工程和基于知識的建模方法從R.Isermann的文章Springer出版社、1992年第2版、第1卷和第2卷、“Identifikation dynamischer Systeme”(動態(tài)系統(tǒng)識別)及R.Isermann的文章VDI出版社、1994年“berwachung undFehlerdiagonose-Moderne Methoden und ihre Anwendungen bei technischensystemen”(監(jiān)控和故障診斷-現(xiàn)代方法及其在技術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用)和從專利文獻DE19717716C2及EP894304B1中已知。在前面兩個出版物中披露的方法既用于理論的分析，又用于技術(shù)系統(tǒng)的實驗識別。用于技術(shù)系統(tǒng)建模的稱為“modelica”的正式語言被描述在Modelica協(xié)會的“Modelica-A UnifiedObject-Oriented Language for Physical System Modeling，LangugeSpecification”2.0版，可以在2003年10月31日訪問的http//www.modelica.org/documents/ModelicaSpec20.pdf上獲得，以及在M.M.Tiller的“Modelica-Introduction to Physical Modeling with Modelica”中找到，2001年Kluwer學(xué)術(shù)出版社。在modelica中利用編譯器的翻譯，從模型中產(chǎn)生可執(zhí)行程序。
一個優(yōu)選的建模方法包括為在組件零件10中至少出現(xiàn)一次的每一組件類型建立一種組件類型模型，該組件類型模型描述了與輸入變量和一些外界狀態(tài)變量有關(guān)的組件零件的輸出變量，或者更一般地描述了組件類型的變量之間的相關(guān)性(約束)。不考慮它各自的用途，組件類型模型對于該類型的每一組件是有效的。再者，描述了組件零件10中典型組件的相互作用，在其中每當(dāng)存在各自類型的副本時，就復(fù)制各個組件類型模型，這些副本互相聯(lián)系。組件類型既可使用時間驅(qū)動和連續(xù)值模型描述，又可使用事件驅(qū)動和分離值模型描述。對于模型10的生成，可以使用這兩種類型的組件模型。
特殊類的組件類型模型是使用特征曲線(用于一個輸入變量)或特征區(qū)域(用于多個輸入變量)對靜態(tài)性能的描述。特征曲線或特征區(qū)域使用插值點來近似，在其間執(zhí)行內(nèi)插。在該系統(tǒng)中用于觸發(fā)內(nèi)部事件的組件零件10的開關(guān)元件被建模為通過軟件實現(xiàn)的連接模擬比較元件的開關(guān)。
組件零件10的動態(tài)性能優(yōu)選使用微分方程描述。這些微分方程同樣最好在組件類型模型間分開。例如微分方程將組件類型的各種變量相互聯(lián)系。優(yōu)選地，通過用于該類型的動態(tài)性能的微分方程在模型中連續(xù)布置用于組件類型靜態(tài)性能的特征曲線或特征區(qū)域。這樣的微分方程的例子是y+T*y′＝u，其中T是組件類型的時間常數(shù)，u是輸入變量和y是輸出變量。
例如，組件零件10包括連續(xù)布置的三個功能單元。每一個功能功能單元的靜態(tài)性能使用特征曲線或特征區(qū)域描述。假如三個功能單元的時間常數(shù)不能單獨確定，優(yōu)選確定用于全部三個功能單元的總量時間常數(shù)T_sum。三個功能單元的動態(tài)性能使用微分方程y+T_sum*y′＝u描述。優(yōu)選在三個組件之一的模型中添加這個微分方程。
也可概括虛擬組件類型中的子系統(tǒng)的動態(tài)特性，并可將描述這些動態(tài)特性的微分方程指定給該虛擬類型。使用特征曲線或特征區(qū)域描述子系統(tǒng)的靜態(tài)性能，將其指定給在子系統(tǒng)中表述的其他組件類型。
假如作為技術(shù)系統(tǒng)的組件零件10的理論分析完全不可能，或者不在合理時間范圍內(nèi)，就使用無缺陷真實組件零件10一直保持訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近。于是訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以與真實組件零件10一樣的方式近似地動作，并被用作模型20。
通過模型20的s2個參數(shù)描述作為技術(shù)系統(tǒng)的組件零件10的s1個參數(shù)。s1＝s2是可能的。最好s2個模型參數(shù)中的全部或至少一些與組件零件10的參數(shù)相同，從而具有物理意義。其他的模型參數(shù)是組件零件10參數(shù)的函數(shù)。用于組件零件10的s1個參數(shù)的規(guī)定的s1個容差導(dǎo)致用于模型20的s2個參數(shù)的s2個容差。
無缺陷組件零件10的s1個參數(shù)具有的期望值既可從組件零件10的草圖、設(shè)計和/或生產(chǎn)文檔獲得，又可通過系統(tǒng)識別的方法獲得，例如通過在真實的無缺陷組件零件10上的測量和回歸分析獲得。例如系統(tǒng)識別和參數(shù)估計的方法由上述引證文件R.Isermann“Identifikation dynamischer Systeme”已知。
在參數(shù)估計中，通過作為應(yīng)用輸入變量的向量u的控制向量來激勵作為技術(shù)系統(tǒng)的真實的、無缺陷部件10，并直接或間接測量因變量。為了確定適當(dāng)?shù)目刂葡蛄?，?zhí)行組件零件的結(jié)構(gòu)分析。通過結(jié)構(gòu)分析，確定了關(guān)于組件零件的如下信息-在組件零件中的路徑、耦合和操作關(guān)系；-模擬和離散組件間的相互作用；-使用事件觸發(fā)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
模型20優(yōu)選地以這樣的一種方式產(chǎn)生在組件零件10的s1個參數(shù)和模型20的s2個參數(shù)之間存在惟一的關(guān)系，并且系統(tǒng)參數(shù)的改變作用在組件零件10和模型20的因變量上。例如參數(shù)漂移反映在因變量的振幅變化中或反映在該變量隨時間的超前或滯后中。
使用剛剛描述的系統(tǒng)識別方法，也能逼真地確定和/或檢查靜態(tài)非線性特征曲線或特征區(qū)域。使用這樣的特征曲線或特征區(qū)域，優(yōu)選地對一些組件類型進行建模。通過階梯型輸入信號激勵該類型的真實的無缺陷組件，并測量組件的信號反應(yīng)。隨后，使用線性表(折線)來近似特征曲線。令u_1、…、u_r等于這個特征曲線的r個插值點。該插值點產(chǎn)生階梯型輸入信號。令y_1等于在已將該輸入變量設(shè)置為值u_1并且瞬時反應(yīng)已衰減之后該組件產(chǎn)生的值。對于i＝1、…、r，一旦輸入變量已從值u_(i-1)變?yōu)橹祏_i并且瞬時反應(yīng)已衰減，令y_i等于該組件產(chǎn)生的值。通過r個點(u_1，y_1)、…、(u_r，y_r)定義線性表。
“容差”被理解為允許偏離規(guī)定期望值的大小。這樣，容差限制了值的范圍，允許參數(shù)在該范圍內(nèi)變化，即沒有缺陷存在。
容差的規(guī)定可使參數(shù)的值有一個允許的范圍，該兩個界限具有該參數(shù)的區(qū)間形式，例如形式期望值-Δ和期望值+Δ，規(guī)定Δ＞0，或者r1*期望值和r2*期望值，規(guī)定0＜r1＜1和r2＜1。
參數(shù)的值允許范圍是區(qū)間[a，+∞)或(-∞，b)也是可能的。
下表表示參數(shù)變化的例子。在這個例子中，三個參數(shù)P1、P2和P3是變化的。在該測試表中，確定參數(shù)的期望值為0、最小允許值為-，以及最大允許值為+。
優(yōu)選地，同樣指定測試和/或監(jiān)控該組件零件10的時間周期和在該監(jiān)控時間周期中的N個采樣時間t_1、…、t_N。在分類階段，在監(jiān)控時間周期內(nèi)測量n個因變量隨時間的變化，其中在每一個采樣時間處測量n個因變量的n個值。一方面，監(jiān)控時間周期足夠長以測量有意義的隨時間的變化；另一方面，監(jiān)控時間周期足夠短以使組件零件10的參數(shù)保持為常數(shù)、或者在監(jiān)控時間周期中至多忽略不計地變化。
對于生成階段，規(guī)定每一輸入變量的至少一個隨時間的變化。通過m個輸入變量的m個變化來模擬模型20。優(yōu)選地，在操作進行中以及組件零件10的所有子系統(tǒng)被激活時，以這樣的方式設(shè)計變化，使所有的工作點為所期望的。對于這些r個變化和M個參數(shù)組合的每一個，通過模型20實行模擬。在測試計劃的上面例子中，有M＝15個參數(shù)組合以及隨后用于每一個規(guī)定變化的M＝15個模擬。通過每一個模擬計算每一個因變量隨時間的變化。這樣隨時間的變化包括在N個采樣時間處的因變量的N個值。隨后，計算M個值用于n個因變量的每一個、用于輸入變量的r個規(guī)定變化的每一個以及用于N個采樣時間的每一個。對于每一個采樣時間和每一個因變量，借助于統(tǒng)計學(xué)的方法確定合成變化。對于采樣時間t_k(k＝1、…、N)，令y_1(t_k)、…、y_M(t_k)等于在采樣時間t_k處的用于M個參數(shù)組合的M個值。計算這M個值的平均值y(t_k)和經(jīng)驗方差Sx，根據(jù)計算規(guī)律計算經(jīng)驗方差SxSX2=1M-1Σi=1M[y_i(t_k)-y‾(t_k)]2]]>其可替換的實施例預(yù)計計算因變量的期望值y(t_k)，其中模型20的每個參數(shù)接收各自的期望值，然后執(zhí)行模擬。使用期望值y(t_k)代替經(jīng)驗方差y(t_k)來計算方差，依據(jù)該計算法則方差是精確的。
SX2=1M-1Σi=1M[y_i(t_k)-y‾(t_k)]2]]>令φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)，q(1-α)為分布函數(shù)φ的單側(cè)(1-α)分位數(shù)。因而定義分位數(shù)q(1-α)為φ[q(1-α)]＝1-α。例如，若α＝2％，則1-α＝0.98、q(1-α)＝2.0537，因為φ(0.98)＝2.0537。
作為用于采樣時間t k的合成變化，優(yōu)選使用關(guān)于平均值y(t_k)的(1-α)置信區(qū)間的寬度。這一置信區(qū)間有下限y(t_k)-q(1-α)*Sx和上限y(t_k)+q(1-α)*Sx，因此，合成變換為2*q(1-α)*Sx。這個變化在其它因素中取決于采樣時間。
又一可替換的實施例設(shè)想用作變化，該變化引起在采樣時間t_k(k＝1、…、N)處的因變量的最大值和最小值之間的差。
對于每個因變量y，用于測量該變量y的測量誤差U(y)也在生成階段確定。在最簡單的情況下，使用測量儀器的制造者所保證的測量誤差。然而，也可使用帶有多種儀器(例如箝位裝置和位置測量機器)的系統(tǒng)來測量變量y。在另一個實施例中，計算組合標(biāo)準(zhǔn)誤差u(y)，即對測量儀器的所有組件及測量方法的誤差求平方，得到平方和，并隨后得到平方和的根。測量儀器的誤差和測量方法的誤差包括例如用于組件零件和環(huán)境的測試過程、測試方法和接收裝置。U(y)優(yōu)選為u(y)與一個預(yù)定的膨脹系數(shù)k＞1的乘積。測量誤差典型地處在因變量y的合成變化的10％到20％之間。
圖2說明了用于因變量y的窄和寬容差帶的概念。一方面對于由規(guī)定容差中的參數(shù)變化產(chǎn)生的y值的方差表示的是均勻分布，而另一方面對于這種波動是正態(tài)分布。均勻分布用水平線90表示，正態(tài)分布使用鐘形曲線95表示。借助于容差模擬，對于y確定合成變化。在向下的方向由T_u限定，在向上的方向由T_o限定。假如全部參數(shù)都具有其期望值，那么T_m是y值的假定值。測量誤差U(y)被確定。短劃線表示在均勻分布時的窄容差帶111.1和寬容差帶111.2。點劃線表示在正態(tài)分布時的窄容差帶110.1和寬容差帶110.2。
到目前為止描述的步驟全部屬于生成階段。下面描述分類階段。
圖1表示執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的測試裝置的結(jié)構(gòu)。將m個輸入變量的向量u提供給作為測試對象的組件零件10和無缺陷組件零件10的模型20。向量u引起n個因變量的每一個隨時間的變化。直接或間接測量隨時間變化的向量y_actual，在N個采樣時間t_1，…，t_N處向量y_actual是精確的。在圖1中沒有表示用于直接和/或間接測量的裝置。
借助模型20，計算n個因變量的n個隨時間的參考變化。在這個過程中，將指定的期望值賦值給模型參數(shù)，將m個輸入變量的向量u應(yīng)用到模型20。模型產(chǎn)生用于n個因變量的參考變化。
優(yōu)選地，實際變化和參考變化被提供給濾波器單元30，該單元計算經(jīng)過平滑的隨時間的實際變化y_actual_G和經(jīng)過平滑的隨時間的參考變化y_ref_G.。經(jīng)過平滑的變化被提供給分類器40。對于N個采樣時間，這可以讀取帶有n個因變量的合成變化的數(shù)據(jù)存儲器50。
假如在操作期間這個方法被用于連續(xù)監(jiān)控機動車輛組件零件，同樣在操作期間測量輸入變量的向量u。如上面所述，假如該方法用于對每個組件零件的副本進行質(zhì)量控制，如圖1中所示，逐一產(chǎn)生激勵向量u，該向量u既用于要測試的組件零件10又用于模型20。
基于上述的結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生激勵向量u。當(dāng)進行操作中并激勵該組件零件10的全部子系統(tǒng)時，存儲在其中的測試圖按全部期望的工作點來設(shè)計。例如發(fā)生在機動車輛的行駛中的整個轉(zhuǎn)動速度和規(guī)定驅(qū)動設(shè)置都被操作。為了節(jié)省時間，以這樣的方式構(gòu)造測試圖，即同時測試相互獨立的、也就是沒有相互作用的子系統(tǒng)。缺陷覆蓋度，也就是在組件零件上通過改變因變量能被檢測到的缺陷的數(shù)量與在組件零件上的全部可能的缺陷的數(shù)量的比值接近于1。
優(yōu)選地，同一激勵向量u既在生成階段用于確定因變量的合成變化，又在分類階段用于產(chǎn)生隨時間的實際變化和參考變化。在生成階段，激勵向量u作為m個輸入變量的隨時間變化的向量。特別地，只要依據(jù)本發(fā)明的方法被用于質(zhì)量控制或進貨控制，重新使用是可能的，因此激勵向量u可隨意選擇。在這種情況下，最好在生成階段已產(chǎn)生與激勵向量u的變化相關(guān)的參考變化和容差帶。
因變量還可包括被間接測量的狀態(tài)變量。特別在線性模型中，為此目的使用一組觀察者。間接測量的變量還可被認(rèn)為是殘差，即被計算作為實際變化和期望變化之間的差的變量，并且當(dāng)組件零件10無缺陷時該變量一直理想地假定為零。例如，用于構(gòu)造觀察者組和殘差的方法被描述在Th.Hfling的“Zustandsgrβenschtzung zur Fehlerknnung”[用于缺陷檢測的狀態(tài)變量估計]中及R.Isermann的“berwachung und Fehlerdiagnose-Moderne Methoden undihre Anwendungen bei technischen Systemen”中，VDI出版社、1994、第89-109頁。
圖3中示出的實施例涉及一個控制閥，它是在自動傳動的控制盤中的帶彈簧的組件。圖3中表示因變量p_a的各種變化。p_a的變化和狀態(tài)在其它因素中取決于內(nèi)部事件，其依次受變量p_h(壓力)的直接激勵的影響。參數(shù)k影響用于觸發(fā)內(nèi)部事件的開關(guān)門限并取決于彈簧。間接測量內(nèi)部事件是否觸發(fā)，以及假如內(nèi)部事件已觸發(fā)的話它何時被觸發(fā)。另外，觸發(fā)p_a和p_h的信號通道。通過與激活的估計相結(jié)合來進行間接測量，測量參數(shù)k的當(dāng)前值。
控制閥可能是無缺陷的或有下面三種缺陷之一彈簧不存在、它的彈簧常數(shù)太大、它的彈簧常數(shù)太小。根據(jù)彈簧的狀態(tài)，參數(shù)k假定為在下部圖表中使用四條水平線表示的四個值之一。假如彈簧常數(shù)太大，參考值k假定為130.1。假如組件是無缺陷的，它假定為130.2，假如彈簧常數(shù)太小，假定為130.3，假如沒有彈簧，假定為130.4。
比較因變量p_h與參考值k。假如p_h大于或等于k，在控制盤中觸發(fā)內(nèi)部事件。這減少p_a的值。一旦p_h又小于k，從而改變條件不再令人滿意，再增加p_a到原來值。
假如組件是無缺陷的，變量p_a的參考變量表現(xiàn)為200.3。假如在控制閥中固定具有太大彈簧常數(shù)的彈簧，這被反映在p_a的隨時間的偏移變化中。因為內(nèi)部事件觸發(fā)得太晚(變化200.1)，所以p_a的值減少得太晚。假如安裝的彈簧具有太小的彈簧常數(shù)，所以p_a的值減少得太早并增加得太晚(變化200.2)。假如沒有安裝彈簧，由于該錯誤變化為200.4。因為當(dāng)p_h減小時沒有反方向作用力擠壓活塞，所以p_a的測量值一點也不再增加。
濾波單元30平滑未處理的測量值變化y_actual和參考變化y_ref中的瞬時峰值。它還減少通過測試裝置、測試過程和/或周圍環(huán)境耦合進來的噪聲。為了該目的，濾波單元30存儲了多個采樣時間的測量值和計算值。優(yōu)選地，存儲后三個到二十個采樣時間的值。較舊的值連續(xù)被新值覆蓋。
分類器40根據(jù)可能隨采樣時間變化的合成變化和用于每個因變量的寬容差帶及窄容差帶的測量誤差進行計算。圍繞各自的平滑過的參考變化對稱地布置寬容差帶及窄容差帶。在采樣時間t_k，用于因變量y的寬容差帶的寬度是var(y、t_k)+2*U(y)，窄容差帶的寬度是var(y、t_k)-2*U(y)，這里var(y、t_k)表示合成變量，按上述的計算，其中y在采樣時間t_k處并且U(y)表示用于測量y的測量誤差，其同樣按上述方法確定。
一旦分類器40已產(chǎn)生用于每個因變量的寬容差帶及窄容差帶，它將已平滑過的隨時間的實際變化y_actual_G與容差帶進行比較。優(yōu)選地，由于至少對于每一個采樣時間計算分類值，產(chǎn)生位于0和1(包括在內(nèi))之間的區(qū)間內(nèi)的分類值的隨時間的變化。假如平滑后在采樣時間t_k的實際值處于窄容差帶中，則分類值為0。假如位于寬容差帶的外面，則存在無法忍受的缺陷，并且分類值為1。否則計算0和1之間的值。
分類值是對偏離窄容差帶的偏移的測量，并用作已平滑的因變量y的品質(zhì)的測量。分類值隨時間的變化結(jié)合在缺陷向量e中。缺陷向量e提供給用于缺陷確定的功能單元60、缺陷確定器。缺陷確定器60分析缺陷向量e并確定在組件零件10上發(fā)生的缺陷。
缺陷確定器60優(yōu)選地按照下面的方式進行操作在生成階段，對于在組件零件10上每一個可能的缺陷產(chǎn)生一個缺陷模型。對于以這樣的方式改變該組件零件10其中當(dāng)存在可能的缺陷時改進的模型描述組件零件10的行為，這由模型20來進行。例如，通過改變彈簧常數(shù)的值使模型參數(shù)相應(yīng)改變?；蛘咴谀Ｐ椭凶龀鼋Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換或改變。通過對可能的缺陷使用缺陷模型進行模擬，自動確定缺陷和隨時間的變化之間的關(guān)系。
在分類階段，對于n個因變量將測得的變化與容差帶進行比較。為了自動確定實際發(fā)生的缺陷，對該比較進行分析。
假如檢測到缺陷，缺陷向量e的至少一個組件假定該值為一。為了產(chǎn)生關(guān)于其中已發(fā)生缺陷的信號通道的報告，確定并分析缺陷發(fā)生的時刻和在技術(shù)系統(tǒng)的n個輸入之處激勵u的存在。檢測受缺陷影響的信號通道意味著限制了技術(shù)系統(tǒng)的可能有缺陷的組件的數(shù)目。假如能夠測量受缺陷影響的信號通道的至少一個被選擇的中間變量并且可對于該變量形成缺陷向量，那么分析該中間變量的缺陷向量。由于受缺陷影響的組件位于中間變量和系統(tǒng)的輸出變量之間的信號通道的部分內(nèi)，假如這個缺陷向量被賦值為0，則進一步限制這組所討論的組件。假如將它賦值為一，那么組件就位于輸入和信號通道的測得的中間變量之間的信號通道的部分內(nèi)。為了識別帶有明確缺陷的組件，一個接一個地啟動所討論的組件的缺陷模型，并模擬系統(tǒng)的行為。當(dāng)比較測得的變化與激活的缺陷模型所產(chǎn)生的變化、并且缺陷向量e不具有任何組件中的一個值時，就發(fā)現(xiàn)組件的缺陷。
圖4表示在因變量上參數(shù)漂移的效果的一個例子。圖4中，闡明了實際變化和參考變化之間的比較。在上部圖表中，因變量y的參考變化y_ref用實直線表示。寬容差帶使用兩條虛線100.1和100.2表示，窄容差帶使用兩條點劃線102.1和102.2表示。測量彎曲線以作為隨時間的實際變化y_actual。在下部圖表中，顯示了缺陷檢測的結(jié)果，它涉及因變量y的缺陷向量e的組件。圖中示出了在哪個時間點計算哪個分類值。
在圖5中示出分類器40如何通過適應(yīng)寬容差帶來適應(yīng)過沖。在上部圖表中，示出了因變量隨時間的平滑過的變化y_actual_G和圍繞平滑過的參考變化y_ref_G的寬容差帶。寬容差帶的兩個極限103.1和103.2使用虛線表示。
如圖5的上部圖表中所示，實際變化位于寬容差帶外的0.3秒＜t＜0.6秒的范圍內(nèi)。在該實施例中，不認(rèn)為與寬容差帶的偏離是缺陷，而認(rèn)為是在從定態(tài)值轉(zhuǎn)向另一個值的過程中的允許過沖。假如這個過沖在生成階段合成變化的確定中沒有被考慮，那么將在分類階段考慮，其中調(diào)整寬容差帶極限103.1和103.2。圖5中的下部圖表中表示了被調(diào)整在0＜t＜0.9秒范圍內(nèi)的更寬容差帶，極限為104.1和104.2。實際變化y_actual_G位于這些調(diào)整后的極限范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，調(diào)整寬容差帶如下通過乘以因子b(t)改變它的寬度。在調(diào)整時間周期期間，b(t)＞1；否則b(t)＝1。一個具體實施例規(guī)定在調(diào)整時間周期中通過下面計算公式定義b(t)b(t)=A·tT·(11+tT)]]>其中T是在b(t)取最大值時的規(guī)定時間點。A是確保b的絕對值大于1的常數(shù)，并且T是函數(shù)具有最大值時的時間點。因此，容差帶在T處伸展為最寬。
下面再次討論圖3的實施例?？刂票P包括使用因變量p_a的連續(xù)值組件和使用直接測量變量p_h的離散值組件。在分類階段，使用階梯形激勵模擬連續(xù)值組件的輸入，并使用三角形或梯形信號模擬離散值組件的輸入。在這種情況下，將激勵信號的前沿和后沿的上升比率匹配系統(tǒng)動態(tài)變化。由于兩個組件間的相互作用，該開關(guān)操作影響連續(xù)值組件的狀態(tài)。
為了在控盤上的測試和缺陷檢測，使用了兩個計數(shù)器。根據(jù)圖3，第一計數(shù)器隨著測試過程的開始啟動并基于信號p_a的后沿停止。第二計數(shù)器隨著信號p_a的后沿啟動并隨著信號p_a的上升沿停止。比較第一計數(shù)器的計數(shù)值N_start與計數(shù)參考值N_start_ref。比較第二計數(shù)器的計數(shù)值N_actual與計數(shù)參考值N_ref。根據(jù)比較的結(jié)果，依據(jù)下表檢測缺陷。為了對缺陷情況“沒有彈簧”與缺陷情況“彈簧常數(shù)太小”之間進行明確區(qū)分，引入第三個值N_limit。它被包含在分析中，并用于停止計數(shù)器。
區(qū)分沒有彈簧的兩種情況。在第一種情況中控制閥(離散值組件)的活塞處于這樣一個位置，即通過p_h的壓力增加將活塞推到對面末端位置，從而觸發(fā)內(nèi)部事件。觸發(fā)的內(nèi)部事件導(dǎo)致p_a壓力減小。比較圖3中線200.4，由于將控制閥的活塞推到對面末端位置的彈簧的反作用力消失，所以p_a的階梯形壓力減小不能通過降低p_h來逆轉(zhuǎn)。
在第二種情況中，控制閥的活塞處于這樣一個位置，即沒有p_h的控制作用，已經(jīng)觸發(fā)內(nèi)部事件。壓力p_a減小。通過p_h的控制作用，p_a的壓力增加是不可能的。
在第一種情況中，當(dāng)達到N_limit時第二計數(shù)器自動停止。在第二種情況中，當(dāng)達到N_start＝N_limit時第一計數(shù)器自動停止。
附圖標(biāo)記列表
權(quán)利要求
1.一種用于自動監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)(10)的方法，該方法中-將至少一個隨時間變化的輸入變量提供給系統(tǒng)(10)，-測量受系統(tǒng)(10)影響的至少一個變量隨著時間的變化，-另外將該輸入變量提供給模型(20)，該模型(20)能被自動評估并描述無缺陷系統(tǒng)(10)中因變量和輸入變量之間的關(guān)系，-借助模型(20)計算因變量隨時間的參考變化，和-將測得的變化與參考變化進行比較，其中-對于模型(20)的至少一個參數(shù)規(guī)定容差，-規(guī)定輸入變量的至少一個隨著時間的變化，-為測量因變量確定測量誤差，-該參數(shù)在容差范圍內(nèi)變化，使用輸入變量的變化來模擬模型(20)，并借助被模擬的模型(20)來計算由該參數(shù)變化所導(dǎo)致的因變量的隨時間的多種變化，-借助于參數(shù)變化，從產(chǎn)生的變化中確定因變量的合成變化，-圍繞計算出的參考變化設(shè)置窄容差帶和寬容差帶，窄容差帶的寬度等于合成變化減少兩倍的測量誤差，寬容差帶的寬度等于合成變化增加兩倍的測量誤差，-假如測得的變化始終位于窄容差帶的范圍內(nèi)，則系統(tǒng)(10)被分類為無缺陷的，-假如測得的變化至少有一次位于寬容差帶的范圍外，則系統(tǒng)(10)被分類為有缺陷的。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對于模型的多個參數(shù)分別規(guī)定容差并且對于于該參數(shù)變化確定位于容差范圍內(nèi)的參數(shù)的最小值和最大值，以及對于最小和/或最大參數(shù)值的每一種可能的組合，計算因變量隨時間的變化。
3.依據(jù)權(quán)要求1或2的方法，其中-測量多個因變量的隨時間的變化，-模型(20)描述因變量和輸入變量之間的關(guān)系，-對于每個因變量計算合成變化和參考變化，圍繞每個參考變化設(shè)置窄容差帶和寬容差帶，并執(zhí)行測得的變化與容差帶之間的比較，-假如每個因變量的測得的變化始終位于各自的窄容差帶的范圍內(nèi)，則系統(tǒng)(10)被分類為無缺陷的，-假如至少一個因變量的測得的變化至少有一次位于各自的寬容差帶的范圍外，則系統(tǒng)(10)被分類為有缺陷的。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中-確定在技術(shù)系統(tǒng)(10)上的可能缺陷與這些缺陷對因變量的隨時間變化的影響之間的關(guān)系，-并通過對測得的變化與用于因變量的容差帶之間的比較的估計來確定實際發(fā)生在技術(shù)系統(tǒng)(10)上的缺陷。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中-當(dāng)缺陷在技術(shù)系統(tǒng)(10)上存在時，對于每個可能的缺陷規(guī)定描述因變量和輸入變量之間的關(guān)系的缺陷模型，-對于可能的缺陷，通過缺陷模型的模擬確定缺陷和隨時間的變化之間的關(guān)系。
6.依據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過自動改變用于無缺陷系統(tǒng)(10)的模型(20)產(chǎn)生缺陷模型。
7.依據(jù)權(quán)利要求1至6中之一的方法，其中-規(guī)定要監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)(10)的時間周期和在監(jiān)控時間周期中的多個采樣時間，-測得的變化和參考變化包括在采樣時間的值，-借助于參數(shù)變化，對于每個采樣時間分別計算因變量的合成變化，-以這樣的方式圍繞參考變量設(shè)置窄容差帶，即在每個采樣時間，它的寬度等于在該采樣時間的合成變化與兩倍測量誤差之間的差，并且-以這樣的方式圍繞參考變量設(shè)置寬容差帶，即在每個采樣時間，它的寬度等于在該采樣時間的合成變化與兩倍測量誤差之和。
8.依據(jù)權(quán)利要求1至7中之一的方法，其中假如測得的變化位于窄容差帶外并位于寬容差帶的范圍內(nèi)，則執(zhí)行下面的步驟中的至少一個-系統(tǒng)(10)被分類為無缺陷的，-系統(tǒng)(10)被分類為有缺陷的并僅以受限制的方式使用，-研究系統(tǒng)(10)，-根據(jù)測得的變化位于窄容差帶之外的程度，系統(tǒng)(10)被分類為多個可能的質(zhì)量等級之一。
9.一種計算機程序產(chǎn)品，其能被直接下載到計算機的內(nèi)部存儲器中，并包括軟件部分，當(dāng)該產(chǎn)品在計算機上運行時，通過該軟件部分能執(zhí)行如權(quán)利要求1至8中之一的方法。
10.一種計算機程序產(chǎn)品，其存儲在能通過計算機讀取的媒介中，并具有能夠通過計算機讀取的程序裝置，該程序裝置使計算機執(zhí)行如權(quán)利要求1至8中之一的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于模型監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)(10)的方法。規(guī)定了無缺陷系統(tǒng)的模型，該模型在無缺陷系統(tǒng)(10)中描述因變量y和輸入變量u之間的關(guān)系。確定用于測量y的測量誤差。在容差模擬中，至少一個模型參數(shù)在規(guī)定的容差范圍內(nèi)變化。以這種方式計算由參數(shù)變化帶來的因變量y的變化是多大。在監(jiān)控期間，輸入變量u的隨時間的變化提供給系統(tǒng)(10)和模型(20)。借助于模型(20)，計算因變量y的隨時間的參考變化。圍繞計算的參考變化設(shè)置窄容差帶和寬容差帶。假如測得的隨時間的變化位于寬容差帶的范圍外，那么系統(tǒng)(10)被分類為有缺陷的。假如它位于窄容差帶的范圍內(nèi)，那么系統(tǒng)(10)被分類為無缺陷的。
文檔編號G05B17/02GK1645282SQ20041010339
公開日2005年7月27日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者托馬斯·巴特斯奇 申請人:戴姆勒-克萊斯勒股份公司