DE102022113515A1 - Method and device for analyzing the operational behavior of technical systems - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse des betrieblichen Verhaltens technischer Systeme und betrifft insbesondere ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Analyse mittels statistischer Auswertung. Offenbart wird ein Analyseverfahren für technische Systeme, das die Schritte aufweist: Bestimmen der Reaktion des technischen Systems mittels einer Monte-Carlo-Analyse mit mehreren Stichproben, wobei eine Abweichung eines gewünschten Zielzustands von einem tatsächlichen Zielzustand des technischen Systems durch Änderung von einer Stellgröße (u(i;n)) in einem Regelkreis (400) minimiert werden, und eine Störgröße (d(i)) des Regelkreises (400) und/oder eine Regelungsgüte eines Reglers (402) in den Stichproben zufällig bestimmt werden. The invention relates to a method and a device for analyzing the operational behavior of technical systems and in particular relates to such a method and such a device for analysis by means of statistical evaluation. An analysis method for technical systems is disclosed, which has the steps: determining the reaction of the technical system using a Monte Carlo analysis with several samples, whereby a deviation of a desired target state from an actual target state of the technical system is determined by changing a manipulated variable (including (i;n)) are minimized in a control loop (400), and a disturbance variable (d(i)) of the control loop (400) and / or a control quality of a controller (402) are randomly determined in the samples.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse des betrieblichen Verhaltens technischer Systeme und betrifft insbesondere ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Analyse mittels statistischer Auswertung.The invention relates to a method and a device for analyzing the operational behavior of technical systems and in particular relates to such a method and such a device for analysis by means of statistical evaluation.
Zur Ermittlung des Verhaltens technischer Systeme, beispielsweise bei einer Gefährdungsbewertung, beispielsweise im Rahmen einer ETCS (European Train Control System) Gefährdungsanalyse oder bei einer ETCS-Bremskurvenermittlung, ist es erforderlich, das Verhalten technischer Systeme, beispielsweise eines Bremssystems eines Schienenfahrzeugs zu analysieren und zu bewerten.In order to determine the behavior of technical systems, for example in a risk assessment, for example as part of an ETCS (European Train Control System) risk analysis or in an ETCS braking curve determination, it is necessary to analyze and evaluate the behavior of technical systems, for example a braking system of a rail vehicle .
Beispielsweise aus dem Standard UIC B 127 /DT 414:2006 ist bekannt, für die Analyse des Bremsvermögens von Schienenfahrzeugen, basierend auf einem Hierarchiemodell, das ein technisches System, beispielsweise ein Bremssystem eines Schienenfahrzeugs mathematisch modelliert, Monte-Carlo-Analysen anzuwenden. Das Hierarchiemodell ist eine mathematische Modellierung der Systemarchitektur, hier eines Bremssystems für Schienenfahrzeuge, und der Eigenschaften der einzelnen Systemkomponenten hinsichtlich der stochastischen Streuung deren Kennwerte, deren Zuverlässigkeits- und Ausfallwahrscheinlichkeiten und ihrer Abhängigkeiten untereinander zur Erfüllung der Funktion des Gesamtsystems. Angewandt auf technische Systeme sind Monte-Carlo-Analysen in der Lage die statistische Verteilung funktionsrelevanter Eigenschaften zu beschreiben und dabei die Ausfall- und Abweichungswahrscheinlichkeiten mit Einfluss auf die gewünschte Funktion, hier die Bremsfunktion, zu berücksichtigen.For example, from the standard UIC B 127 / DT 414:2006 it is known to use Monte Carlo analyzes for the analysis of the braking ability of rail vehicles, based on a hierarchy model that mathematically models a technical system, for example a braking system of a rail vehicle. The hierarchy model is a mathematical modeling of the system architecture, here a braking system for rail vehicles, and the properties of the individual system components with regard to the stochastic spread of their characteristics, their reliability and failure probabilities and their interdependencies to fulfill the function of the overall system. Applied to technical systems, Monte Carlo analyzes are able to describe the statistical distribution of functionally relevant properties and take into account the failure and deviation probabilities that influence the desired function, here the braking function.
Im Stand der Technik ist nachteilhaft, dass die dort gelehrten Verfahren zwar geeignet sind, gesteuerte Systeme mit fest vorgegebenen Nominalwerten der Systemparameter ohne ein Nachregeln im Fall von Abweichungen in der Reaktion des Gesamtsystems zu analysieren, sich aber nicht dazu eignen, den Ausgleich unerwünschter Funktionsabweichungen zu berücksichtigen. Insbesondere ist es nicht möglich, das Verhalten eines im System integrierten Regelkreises entsprechend zu berücksichtigen.The disadvantage of the prior art is that the methods taught there are suitable for analyzing controlled systems with fixed nominal values of the system parameters without readjusting in the event of deviations in the reaction of the overall system, but are not suitable for compensating for undesirable functional deviations take into account. In particular, it is not possible to take the behavior of a control loop integrated into the system into account accordingly.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine genauere Analyse von technischen Systemen mit integriertem Regelkreis zu erlauben.It is therefore the object of the invention to eliminate the disadvantages present in the prior art and, in particular, to provide a method and a device which allow a more precise analysis of technical systems with an integrated control loop.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.This task is solved by the subordinate claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the subclaims.
Offenbart wird ein Analyseverfahren für technische Systeme, das die Schritte aufweist: Bestimmen der Reaktion des technischen Systems mittels einer Monte-Carlo-Analyse mit mehreren Stichproben, wobei eine Abweichung eines gewünschten Zielzustands von einem tatsächlichen Zielzustand des technischen Systems durch Änderung von einer Stellgröße in einem Regelkreis minimiert wird, und eine Störgröße des Regelkreises und/oder eine Regelungsgüte eines Reglers in den Stichproben zufällig bestimmt werden.An analysis method for technical systems is disclosed, which has the steps: determining the reaction of the technical system using a Monte Carlo analysis with several samples, whereby a deviation of a desired target state from an actual target state of the technical system is determined by changing a manipulated variable in one Control loop is minimized, and a disturbance variable of the control loop and / or a control quality of a controller are randomly determined in the samples.
Offenbart wird ferner, dass das Bestimmen der Reaktion des technischen Systems die Schritte aufweist: a) Initiieren eines Analysezyklus für jede Stichprobe, wobei die Störgröße des Regelkreises und/oder eine Regelgüte des Reglers in den Stichproben zufällig bestimmt werden, b) Durchführen des Analysezyklus für jede Stichprobe, wobei die Durchführung die Schritte aufweist: ba) Durchführen von mindestens einem Regelzyklus, wobei die Abweichung des gewünschten Zielzustands von dem tatsächlichen Zielzustand durch die Änderung der Stellgröße minimiert wird, und bb) Speichern der Regelgröße als Ergebnis des Analysezyklus für die Stichprobe.It is further disclosed that determining the reaction of the technical system comprises the steps: a) initiating an analysis cycle for each sample, whereby the disturbance variable of the control loop and/or a control quality of the controller are randomly determined in the samples, b) carrying out the analysis cycle for each sample, the implementation comprising the steps: ba) carrying out at least one control cycle, wherein the deviation of the desired target state from the actual target state is minimized by changing the manipulated variable, and bb) storing the controlled variable as a result of the analysis cycle for the sample.
Offenbart wird ferner, dass der Schritt ba) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: Durchführen eines weiteren Regelzyklus wenn die Regelgröße außerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, Durchführen eines weiteren Regelzyklus wenn eine vorbestimmte Anzahl an Regelzyklen in dem Analysezyklus nicht überschritten wurde, Anwenden einer Regelgüte auf den Regler, oder Modifizieren der Stellgröße gemäß der Regelgüte des Reglers.It is further disclosed that step ba) further comprises at least one of the steps: carrying out a further control cycle if the controlled variable is outside a predetermined value range, carrying out a further control cycle if a predetermined number of control cycles has not been exceeded in the analysis cycle, applying a control quality the controller, or modifying the manipulated variable according to the control quality of the controller.
Offenbart wird ferner, dass der Schritt bb) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: Ermitteln der Regelgröße unter Zugrundelegung einer Modifizierten Stellgröße.It is further disclosed that step bb) further comprises at least one of the steps: determining the controlled variable based on a modified manipulated variable.
Offenbart wird ferner, dass der Schritt a) ferner mindestens einen der Schritte aufweist: Bestimmen der Regelgüte des Reglers aus einer stochastischen Verteilungsfunktion und den zugehörigen Abweichungswerten, Bestimmen der Störgröße der Regelstrecke aus einer stochastischen Verteilungsfunktion und den zugehörigen Abweichungswerten.It is further disclosed that step a) further comprises at least one of the steps: determining the control quality of the controller from a stochastic distribution function and the associated deviation values, determining the disturbance variable of the controlled system from a stochastic distribution function and the associated deviation values.
Offenbart wird ferner, dass der Regler wahlweise mit Regelgrenzen oder ohne Regelgrenzen konfiguriert ist, der Regler wahlweise als kontinuierlicher Regler oder als Stufenregler konfiguriert ist, oder der Regler wahlweise als zweiseitiger Regler oder als einseitiger Regler konfiguriert.It is further disclosed that the controller is optionally configured with control limits or without control limits, the controller is optionally configured as a continuous controller or as a step controller, or the controller is optionally configured as a two-sided controller or as a one-sided controller.
Offenbart wird ferner, dass die Störgröße Teilausfälle und Abweichungen der Systemkomponenten für einen spezifischen Analysezyklus abbilden.It is also revealed that the disturbance variable represents partial failures and deviations of the system components for a specific analysis cycle.
Offenbart wird ferner, dass eine Regelstrecke des Regelkreises ein Hierarchiemodell beinhaltet, das das technische System mathematisch modelliert.It is also revealed that a controlled system of the control loop contains a hierarchy model that mathematically models the technical system.
Offenbart wird ferner ein Analysesystem für technische Systeme, das eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche auszuführen.Furthermore, an analysis system for technical systems is disclosed, which has an electronic data processing device which is set up to carry out a method according to one of the preceding method claims.
Offenbart wird ferner ein Analyse-Computerprogramm für technische Systeme, das eingerichtet ist, eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche ausführen zu lassen, wenn das Analyse-Computerprogramm auf der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.Furthermore, an analysis computer program for technical systems is disclosed, which is set up to allow an electronic data processing device to carry out a method according to one of the preceding method claims when the analysis computer program is executed on the electronic data processing device.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
-
1 zeigt einen Schienenfahrzeugverbund mit Bremssystemen. -
2 zeigt das Bremssystem des Schienenfahrzeugs. -
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises. -
4 zeigt ein Blockschaltbild einer Monte-Carlo-Simulation gemäß der Erfindung. -
5 zeigt ein Ablauf-Diagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
6 zeigt ein Ablauf-Diagramm gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
7 zeigt ein Diagramm zur ETCS Gefährdungswahrscheinlichkeit.
-
1 shows a rail vehicle network with braking systems. -
2 shows the braking system of the rail vehicle. -
3 shows a block diagram of a control loop. -
4 shows a block diagram of a Monte Carlo simulation according to the invention. -
5 shows a flow chart according to an exemplary embodiment of the invention. -
6 shows a flow chart according to a further exemplary embodiment of the invention. -
7 shows a diagram of the ETCS threat probability.
Anhand
Ferner weist der angetriebene Wagen 110 einen Stromabnehmer 120 auf, über den der Zugverbund 1 über eine Oberleitung 122 und die Schiene 118 mit elektrischer Energie versorgt wird. Über einen Akkumulator 123 wird elektrische Energie zwischengespeichert.Furthermore, the driven
Der angetriebene Wagen 110 weist einen Führerstand 124 auf. In diesem kann der Zugverbund von einem Zugführer (nicht dargestellt) gesteuert werden.The driven
Über ein Bremssystem 200, über das der Zugverbund 1 verzögert werden kann, wird später anhand von
Über eine Kupplung 140 ist der angetriebene Wagen 110 mit einem oder mehreren gezogenen Wagen 150 verbunden. Beim Vorhandensein mehrerer gezogener Wagen 150 sind diese untereinander ebenfalls mit einer Kupplung 140 verbunden. Der gezogene Wagen 150 weist nicht angetriebene Radachsen 154 mit nicht angetriebenen Rädern 156 auf.The driven
Der gezogene Wagen 150 weist ein Bremssystem 152 auf, über das der Zugverbund 1 verzögert werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist das Bremssystem 152 des gezogenen Wagens identisch aufgebaut, wie das Bremssystem 200 des angetriebenen Wagens. Zu dessen Beschreibung wird auf die Beschreibung des Bremssystems 200 des angetriebenen Wagens verwiesen.The
Ein letzter gezogener Wagen 160 im Zugverbund 1 ist als Endwagen konfiguriert. Er ist aufgebaut wie der gezogene Wagen 150, verfügt für die Rückwärtsfahrt aber über einen eigenen Führerstand 162.A last pulled
Über die Kupplungen 140 werden Zug- und Druckkräfte zwischen den jeweiligen Wagen 110, 150, 160 des Zugverbunds übertragen. Ferner werden über die Kupplungen 140 über eine elektrische Versorgungsleitung 126 alle Wagen des Zugverbundes über den angetriebenen Wagen 110 und den Stromabnehmer 120 mit elektrischer Energie versorgt. Ferner werden über die Kupplungen 140 über eine Steuerleitung 128 alle Wagen des Zugverbundes 1 verbunden, sodass Datenkommunikation zwischen den Wagen 110, 150, 160 des Zugverbundes 1 erfolgen kann. Im Ausführungsbeispiel ist die Steuerleitung als CAN-Bus ausgestaltet, über den Komponenten in den Wagen 110, 150, 160 miteinander Sensor- und Steuerdaten austauschen können.Tensile and compressive forces are transmitted between the
Anhand von
Anhand von
Als Regelkreis 300 wird der dynamische Wirkungsablauf zwischen einem Regler 300 und einer Regelstrecke 302 zur Beeinflussung einer Regelgröße y(t) in einem geschlossenen System bezeichnet, bei dem die Regelgröße y(t) fortlaufend gemessen und mit der Führungsgröße w(t) verglichen wird. Wesentlich hierbei ist die Gegenkopplung (negative Rückkopplung) des aktuellen Wertes der Regelgröße y(t) an den Regler als Regelabweichung e(t) = w(t) - y(t), der einer Abweichung von der Führungsgröße kontinuierlich entgegenwirkt. Eine Führungsgröße wird als Sollwert bezeichnet. Die Regelabweichung e(t) wird an einen Regler (300) übermittelt, der eine Stellgröße u(t) ermittelt und auf eine Regelstrecke anwendet, die Störgrößen d(t) ausgesetzt ist. Es können Regelgrenzen gegeben sein, innerhalb derer sich die Stellgröße u(t) bewegen muss. Sind solche nicht gegeben, handelt es sich bei dem Regler 300 um einen idealen Regler, der jede Regelabweichung e(t) ausgleichen kann.The
Im vorliegenden Beispiel eines Bremssystems für Schienenfahrzeuge besteht die Führungsgröße beispielsweise in einer vorgegebenen Verzögerung von beispielsweise -2m/s2. Bei Einleitung der Bremsung wird dieser Wert als Regelabweichung e(t) an den Bremsregler 300 übermittelt, der daraus eine Stellgröße u(t) ermittelt, beispielsweise eine auf die Bremsbacke 210 wirkende Kraft, mit der diese gegen die Bremsscheibe 206 gepresst wird und so eine Verzögerung des Schienenfahrzeugs 1 bewirkt wird. Die aus dieser Steuerung resultierende Regelgröße y(t) in Form einer gemessenen Verzögerung des Schienenfahrzeugs 1 ist abhängig von Störgrößen, wie beispielsweise Abweichungen im Reibungskoeffizienten µ der Bremsbacken 210 und der Bremsscheibe 208, dem Gefälle der Fahrstrecke oder Teilausfällen einzelner Elemente des Bremssystems wie Ausfällen des Bremssystems an einer oder mehreren Achsen. Die gemessene Regelgröße y(t) wird rückgekoppelt und in der Regelabweichung e(t) = w(t) - y(t) berücksichtigt.In the present example of a braking system for rail vehicles, the reference variable is, for example, a predetermined deceleration of, for example, -2m/s 2 . When braking is initiated, this value is transmitted as a control deviation e(t) to the
Anhand von
Eine Monte-Carlo-Analyse oder Monte-Carlo-Simulation ist ein Verfahren aus der Stochastik oder Wahrscheinlichkeitstheorie, bei dem wiederholt Zufallsstichproben einer Verteilung mit Hilfe von Zufallsexperimenten gezogen werden. Ziel ist es, analytisch nicht oder nur aufwendig lösbare Probleme mithilfe der gezogenen Stichproben numerisch zu lösen. Die Zufallsexperimente können entweder real durchgeführt werden oder in Computerberechnungen simuliert werden. Letzteres ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegeben.A Monte Carlo analysis or Monte Carlo simulation is a method from stochastics or probability theory in which random samples of a distribution are repeatedly taken using random experiments. The aim is to numerically solve problems that cannot be solved analytically or can only be solved with great difficulty using the samples taken. The random experiments can either be carried out in real life or simulated in computer calculations. The latter is the case in the present exemplary embodiment.
In
- a
- stochastisch streuende Verzögerung
- a0
- nominelle Verzögerung
- i
- laufende Nummer der Monte-Carlo-Analysezyklen
- Kdry
- Verhältnis der durch einen Monte-Carlo-Analysezyklus bestimmten stochastisch streuenden Verzögerung a und nomineller Verzögerung a0 bei ausreichend verfügbarem Kraftschluss
- n
- laufende Nummer des Regelzyklus des Regelkreises für einen Monte-Carlo-Berechnungszyklus
- a
- stochastically scattering delay
- a0
- nominal delay
- i
- Consecutive number of the Monte Carlo analysis cycles
- Kdry
- Ratio of the stochastically scattering delay a determined by a Monte Carlo analysis cycle and the nominal delay a0 with sufficient available adhesion
- n
- Consecutive number of the control cycle of the control loop for a Monte Carlo calculation cycle
Für die Analyse wird das technische System, hier das Bremssystem 200 als aktiviert betrachtet. Eine solche Aktivierung kann durch Aktivierungskriterien ausgelöst werden. Solche Aktivierungskriterien können beispielsweise das Unter- oder Überschreiten von vorbestimmten Sollwerten, wie das Überschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, der Zustand eines Systems oder Teilsystems, beispielsweise die Überhitzung eines Betriebsbremssystems, eine Fehlerreaktion des Systems oder Teilsystems, beispielsweise der Ausfall eines Betriebsbremssystems, oder dergleichen sein.For the analysis, the technical system, here the
Der Regelkreis wird durch die Aktivierungskriterien, Regelgrenzen und Regelgüte charakterisiert.The control loop is characterized by the activation criteria, control limits and control quality.
Die Reaktion des zu analysierenden Systems wird mittels einer Monte-Carlo-Analyse und seinen nominellen Parameterzuständen bestimmt. Der sich durch die Regelung einstellende Zustand, d.h. die Reaktion des Systems ist unter Einwirkung von Teilsystemfehlern und Toleranzen der Teilfunktionen ermittelt.The response of the system to be analyzed is determined using a Monte Carlo analysis and its nominal parameter states. The state resulting from the control, i.e. the reaction of the system, is determined under the influence of subsystem errors and tolerances of the subfunctions.
Die Abweichung des sich einstellenden Zustands, d.h. von dem gewünschten Zustand wird mit dem Regelkreis aus
Eine Führungsgröße w(i) ist als Sollwert der Quotient aus einer stochastisch steuernden Verzögerung und einer nominellen Verzögerung:
Ein Regler 402 im Regelkreis 400 erhält als Eingabe die Regelabweichung e(i;n), d.h. eine Regelabweichung in Abhängigkeit des laufenden Monte-Carlo-Analysezyklus i und aktuellen Regeldurchgangs n und gibt eine Stellgröße u(i;n) aus. Der Regler 402 kann hierbei Regelgrenzen aufweisen, d.h. die Ausgabewerte der Stellgröße u(i;n) können vorbestimmte Schwellenwerte nicht über- oder unterschreiten, oder kann solche Regelgrenzen nicht aufweisen. Ferner kann der Regler 402 ein kontinuierlich regelnder Regler, der die Stellgröße u(i;n) kontinuierlich vergrößern oder verkleinern kann, oder ein abgestuft regelnder Regler, der als Stellgrößen u(i;n) nur bestimmte diskrete Werte ausgeben kann, sein. Ferner kann der Regler ein zweiseitig regelnder Regler, der die Stellgröße u(i;n) vergrößern oder verkleinern kann, oder ein einseitig regelnder Regler, der die Stellgröße u(i;n) nur in einer Richtung manipulieren kann, oder eine Kombination daraus sein.A
Eine Regelstrecke 404 modelliert ein Hierarchiemodell der Systemfunktionen/Komponenten. Das Hierarchiemodell ist eine mathematische Modellierung der Systemarchitektur, hier eines Bremssystems für Schienenfahrzeuge, und der Eigenschaften der einzelnen Systemkomponenten hinsichtlich der stochastischen Streuung deren Kennwerte, deren Zuverlässigkeits- und Ausfallwahrscheinlichkeiten und ihrer Abhängigkeiten untereinander zur Erfüllung der Funktion des Gesamtsystems.A controlled
Anhand von
In einem Schritt S101 (Initialisierungsschritt) wird im Anfangszustand des Regelkreises eine vollständige Regelgüte angenommen und a/a0 = Kdry = 1 als Monte-Carlo-Analysezyklus-abhängige Führungsgröße w(1) gesetzt. Der Regler 402 ist wahlweise mit Regelgrenzen oder ohne Regelgrenzen konfiguriert. Ferner ist der Regler 402 wahlweise als kontinuierlicher Regler oder als Stufenregler, oder als zweiseitiger Regler oder als einseitiger Regler konfiguriert. Ferner wird die Regelstrecke 404 mit als Hierarchiemodell definiert und vorbestimmten Störgrößen d(1) aus (Teil-)Ausfällen und Toleranzabweichungen von Systemkomponenten konfiguriert.In a step S101 (initialization step), complete control quality is assumed in the initial state of the control loop and a/a 0 = K dry = 1 is set as the Monte Carlo analysis cycle-dependent reference variable w(1). The
In einem Schritt S102 (Regelungsschritt) wird der Regelungszyklus des ersten Monte-Carlo-Analysezyklus gestartet. Aus der Regelabweichung e(1;1) = 0 ermittelt der Regler 402 eine Stellgröße u(1;1), die bestimmt ist, a/a0 = Kdry = 1 zu erreichen, falls a/a0 ≠ 1. Dies geschieht gegebenenfalls unter Berücksichtigung vorhandener Regelgrenzen. Die Stellgröße u(1;1) wird auf die Regelstrecke 404 angewandt und ist dort den vorkonfigurierten Störgrößen d(1) ausgesetzt.In a step S102 (control step), the control cycle of the first Monte Carlo analysis cycle is started. From the control deviation e(1;1) = 0, the
Bewegt sich die daraus ergebende Regelgröße y(1;1) innerhalb vorbestimmter Grenzen, oder ist ein anderes Abbruchkriterium wie das Durchlaufen einer Vorbestimmten Anzahl an Regelzyklen n erreicht, wird mit Schritt S 103 fortgesetzt, andernfalls wird der Regelkreis 400 am Schritt S102 erneut durchlaufen.If the resulting controlled variable y(1;1) moves within predetermined limits, or if another termination criterion such as running through a predetermined number of control cycles n is reached, the process continues with step S 103, otherwise the
In dem Schritt S103 (Bewertungsschritt) wird die Stellgröße u(i;n) aus dem letzten Regelungsdurchgang, die einer idealen Stellgröße entspricht, um eine vorab bestimmte Regelgüte modifiziert, wobei die Regelgüte durch eine stochastische Verteilungsfunktion und den zugehörigen Abweichungswerten beschrieben ist. Die modifizierte Stellgröße u(i;n) wird auf die Regelstrecke angewandt und die sich ergebende Regelgröße Kdry;i als Ergebnis der Stichprobe des Monte-Carlo-Analysezyklus abgespeichert.In step S103 (evaluation step), the manipulated variable u(i;n) from the last control pass, which corresponds to an ideal manipulated variable, is modified by a predetermined control quality, the control quality being described by a stochastic distribution function and the associated deviation values. The modified manipulated variable u(i;n) is applied to the controlled system and the resulting controlled variable K dry;i is saved as the result of the sample of the Monte Carlo analysis cycle.
Ist eine ausreichend große Stichprobenmenge erreicht, wird das Analyseverfahren beendet, andernfalls wird das Verfahren ab Schritt S101 mit geänderten Störgrößen d(i) im nächsten Analysezyklus erneut durchlaufen.If a sufficiently large sample quantity is reached, the analysis process is ended, otherwise the process continues from step S101 Changed disturbance variables d(i) run through again in the next analysis cycle.
Anhand von
In einem Schritt S201 (Initialisierungsschritt) wird im Anfangszustand des Regelkreises eine Regelgüte mit einer Monte-Carlo-Analysezyklus-spezifischen zufälligen Regelgenauigkeit angenommen. Hierbei bestimmt sich die Regelgüte durch eine stochastische Verteilungsfunktion, beispielsweise einer Normalverteilung mit zugehörigen Abweichungswerten. Darüber hinaus wird a/a0 = Kdry = 1 als Monte-Carlo-Analysezyklus-abhängige Führungsgröße w(1) gesetzt. Der Regler 402 ist wahlweise mit Regelgrenzen oder ohne Regelgrenzen konfiguriert. Ferner ist der Regler 402 wahlweise als kontinuierlicher Regler oder als Stufenregler, oder als zweiseitiger Regler oder als einseitiger Regler konfiguriert. Ferner wird die Regelstrecke 404 mit als Hierarchiemodell definiert und vorbestimmten Störgrößen d(1) aus (Teil-)Ausfällen und Toleranzabweichungen von Systemkomponenten konfiguriert.In a step S201 (initialization step), a control quality with a Monte Carlo analysis cycle-specific random control accuracy is assumed in the initial state of the control loop. The control quality is determined by a stochastic distribution function, for example a normal distribution with associated deviation values. In addition, a/a 0 = K dry = 1 is set as a Monte Carlo analysis cycle-dependent reference variable w(1). The
In einem Schritt S202 (Regelungsschritt) wird der Regelungszyklus des ersten Monte-Carlo-Analysezyklus gestartet. Unter Berücksichtigung der vorbestimmten Regelgenauigkeit ermittelt der Regler 402 eine Stellgröße u(1;1), die bestimmt ist, a/a0 = Kdry = 1 zu erreichen, falls a/a0 ≠ 1. Dies geschieht gegebenenfalls unter Berücksichtigung vorhandener Regelgrenzen. Die Stellgröße u(1;1) wird auf die Regelstrecke 404 angewandt und ist dort den im Schritt S201 bestimmten Störgrößen d(1) ausgesetzt.In a step S202 (control step), the control cycle of the first Monte Carlo analysis cycle is started. Taking into account the predetermined control accuracy, the
Bewegt sich die daraus ergebende Regelgröße y(1;1) innerhalb vorbestimmter Grenzen, oder ist ein anderes Abbruchkriterium wie das Durchlaufen einer vorbestimmten Anzahl an Regelzyklen n erreicht, wird mit Schritt S203 fortgesetzt, andernfalls wird der Regelkreis 400 am Schritt S202 erneut durchlaufen.If the resulting controlled variable y(1;1) moves within predetermined limits, or if another termination criterion such as running through a predetermined number of control cycles n is reached, the process continues with step S203, otherwise the
In dem Schritt S203 (Bewertungsschritt) werden mit den im Schritt S202 ermittelten Stellgrößen u(i;n) die Systemreaktion ermittelt, d.h. die Monte-Carlo-Analysezyklusspezifische Regelgröße Kdry;i, als Ergebnis eines Monte-Carlo-Analysezyklus gespeichert und damit der laufende Monte-Carlo-Analysezyklus beendet. In step S203 (evaluation step), the system reaction is determined using the manipulated variables u(i;n) determined in step S202, ie the Monte Carlo analysis cycle-specific controlled variable K dry;i , stored as the result of a Monte Carlo analysis cycle and thus the ongoing Monte Carlo analysis cycle ended.
Ist eine ausreichend große Stichprobenmenge erreicht, wird das Analyseverfahren beendet, andernfalls wird das Verfahren ab Schritt S201 mit geänderter Regelgenauigkeit und geänderten Störgrößen d(i) im nächsten Analysezyklus erneut durchlaufen.If a sufficiently large sample quantity is reached, the analysis process is ended, otherwise the process is run through again from step S201 with changed control accuracy and changed disturbance variables d(i) in the next analysis cycle.
Offenbart wird ein System zur Monte-Carlo-Analyse. Das System weist eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, die oben beschriebenen Analyseverfahren durchzuführen. Insbesondere weist die elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung eine Programmierung durch ein Computerprogramm auf, das so eingerichtet ist, dass die elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung eines der Analyseverfahren durchführen kann.A system for Monte Carlo analysis is disclosed. The system has an electronic data processing device that is set up to carry out the analysis methods described above. In particular, the electronic data processing device has programming by a computer program that is set up so that the electronic data processing device can carry out one of the analysis methods.
Die hier offenbarte Lehre, die es erlaubt, auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bremssystemkomponenten berücksichtigen zu können, generiert in mindestens einem der folgenden Punkte Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- Systementwicklern ist mit den Monte-Carlo-generierten Kdry_rst-Werten eine modulare Auslegungsunterstützung verfügbar, die die bisherige Beschränkung auf eine bestimmte definierte Bremssystemarchitektur aufhebt.
- The Monte Carlo-generated K dry_rst values provide system developers with modular design support that removes the previous limitation to a specific, defined brake system architecture.
Monte-Carlo-Analysen können Systementwickler bei der Berechnung des dynamischen Bremsverhaltens unterstützen und damit auch konkret beziffern, inwieweit sich Toleranzen oder der angenommene Ausfall einer beliebigen Systemkomponente von einer anderen im Zug verfügbaren Bremsfunktion belastbar durch eine Bremsregelung kompensieren lässt.Monte Carlo analyzes can support system developers in calculating the dynamic braking behavior and thus also specifically quantify the extent to which tolerances or the assumed failure of any system component can be reliably compensated for by a brake control system by another braking function available in the train.
Die Erfindung wurde mittels Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternder Natur und beschränken nicht die Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Erkennbar für den Fachmann sind Abweichungen von dem Ausführungsbeispiel möglich, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird.The invention was described using exemplary embodiments. The embodiments are merely illustrative in nature and do not limit the invention as defined by the claims. As will be apparent to those skilled in the art, deviations from the exemplary embodiment are possible without departing from the scope of protection of the claims.
So wurde die Analyse des technischen Systems anhand eines elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugs- und Fahrzeugverbundes beschrieben. Die Analyse des technischen Systems ist jedoch nicht nur auf solche Fahrzeuge, sondern auf jedwede Art von Fahrzeugen oder noch weitergehend auf jedwedes technische System anwendbar.The analysis of the technical system was described using an electrically operated rail vehicle and vehicle network. However, the analysis of the technical system is not only applicable to such vehicles, but to any type of vehicle or, even further, to any technical system.
Ferner wurde das Analyseverfahren anhand eines Bremssystems beschrieben. Das Analyseverfahren ist jedoch auf andere technischen Systeme, beispielsweise Systeme zur Vortriebsregelung von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen geeignet.Furthermore, the analysis method was described using a brake system. However, the analysis method is suitable for other technical systems, for example systems for propulsion control of vehicles, in particular rail vehicles.
Insbesondere ist es möglich, Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu kombinieren.In particular, it is possible to combine features from different exemplary embodiments.
Die Junktoren ... „und“, „oder“ und „entweder ... oder“ werden in der Bedeutung verwendet, die an die logische Konjunktion (logisches UND), die logische Adjunktion (logisches ODER, oft „und/oder“), bzw. die logische Kontravalenz (logisches Exklusiv-ODER) angelehnt sind. Insbesondere kann im Gegensatz zu „entweder ... oder“ der Junktor „oder“ das gemeinsame Vorliegen beider Operanden beinhalten.The junctions ... "and", "or" and "either ... or" are used in the meaning reminiscent of the logical conjunction (logical AND), the logical adjunction (logical OR, often "and/or") , or the logical contravalence (logical exclusive OR). In particular, in contrast to “either ... or,” the junctor “or” can contain the joint presence of both operands.
Eine Auflistung von Verfahrensschritten hat in der Beschreibung und den Ansprüchen lediglich aufzählende Funktion der erforderlichen Verfahrensschritte. Sie impliziert keine notwendige Ordnung oder Reihenfolge der Verfahrensschritte, es sei denn, eine solche Ordnung oder Reihenfolge wird explizit angegeben oder ergibt sich für den Fachmann in offensichtlicher Weise. Ferner ergibt sich aus einer solchen Auflistung nicht deren Abgeschlossenheit.A list of process steps in the description and the claims only has the function of listing the required process steps. It does not imply any necessary order or sequence of the procedural steps, unless such order or sequence is explicitly stated or is obvious to the person skilled in the art. Furthermore, such a list does not mean that it is complete.
Der Begriff „Aufweisen“ bedingt in den Ansprüchen keine abschließende Auflistung; das Vorhandensein weiterer Elemente und Schritte ist möglich.The term “having” does not imply an exhaustive list in the claims; the presence of additional elements and steps is possible.
Die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein“ oder „eine“ schließt das Vorhandensein einer Mehrzahl nicht aus, sondern ist als „mindestens ein“ oder „mindestens eine“ zu verstehen, es sei denn, er wird als „genau ein“ oder „genau eine“ eingeschränkt.The use of the indefinite article "a" or "an" does not exclude the presence of a plural, but is to be understood as "at least one" or "at least one", unless it is translated as "exactly one" or "exactly one". " restricted.
Ferner werden im Rahmen dieser Erfindung die nachfolgenden Begriffe in der folgend angegebenen Bedeutung verstanden.Furthermore, within the scope of this invention, the following terms are understood in the meaning given below.
Verzögerung beschreibt die relative Geschwindigkeitsreduktion eines Fahrzeugs in Form einer negativen Beschleunigung durch Aufbringen einer Kraft, die entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs gerichtet ist und meist durch Erhöhung eines Reibungswiderstandes an Laufrädern oder -achsen erzeugt wird.Deceleration describes the relative reduction in speed of a vehicle in the form of a negative acceleration by applying a force that is directed against the direction of travel of the vehicle and is usually generated by increasing frictional resistance on the wheels or axles.
Regelgüte beschreibt die bleibende Regelabweichung. Bei einer vollständigen Regelgüte ist die verbleibende Regelabweichung Null. Zur Beschreibung der Regelgüte kann die bleibende Regelabweichung fest oder auch als stochastische Verteilungsfunktion für Zufallsexperimente vorgegeben werden.Control quality describes the permanent control deviation. With complete control quality, the remaining control deviation is zero. To describe the control quality, the remaining control deviation can be specified or as a stochastic distribution function for random experiments.
Monte-Carlo-Analyse / Monte-Carlo-Simulation beschreibt Verfahren aus der Stochastik oder Wahrscheinlichkeitstheorie, bei denen wiederholt Zufallsstichproben einer Verteilung mit Hilfe von Zufallsexperimenten gezogen werden. Ziel ist es, analytisch nicht oder nur aufwendig lösbare Probleme mithilfe der gezogenen Stichproben numerisch zu lösen. Die Zufallsexperimente können entweder real durchgeführt werden oder in Computerberechnungen simuliert werden. Die Monte-Carlo-Analyse besteht hier im speziellen aus mehreren Monte-Carlo-Analysezyklen zur Abarbeitung einer ausreichend großen Menge an Stichproben. Monte Carlo analysis / Monte Carlo simulation describes methods from stochastics or probability theory in which random samples of a distribution are repeatedly taken using random experiments. The aim is to numerically solve problems that cannot be solved analytically or can only be solved with great difficulty using the samples taken. The random experiments can either be carried out in real life or simulated in computer calculations. In particular, the Monte Carlo analysis consists of several Monte Carlo analysis cycles to process a sufficiently large number of samples.
Monte-Carlo-Analysezyklus / Analysezyklus beschreibt die Abarbeitung einer Stichprobe zur Ermittlung eines auf die Stichprobe bezogenen Ergebnisses. Er besteht hier aus einem oder mehreren Regelzyklen.Monte Carlo analysis cycle / analysis cycle describes the processing of a sample to determine a result related to the sample. Here it consists of one or more control cycles.
Regelzyklus beschreibt einen Durchgang durch den Regelkreis.Control cycle describes a passage through the control loop.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST
- 11
- SchienenfahrzeugverbundRail vehicle network
- 110110
- angetriebener Wagenpowered car
- 112112
- Antriebsmittel, ElektromotorDrive means, electric motor
- 114114
- angetriebene Radachsedriven wheel axle
- 116116
- Antriebsraddrive wheel
- 118118
- Schienerail
- 120120
- Stromabnehmerpantograph
- 122122
- OberleitungOverhead line
- 123123
- Akkumulatoraccumulator
- 124124
- Führerstand des angetriebenen WagensDriver's cab of the driven car
- 126126
- elektrische Versorgungsleitungelectrical supply line
- 128128
- SteuerleitungControl line
- 140140
- Kupplungcoupling
- 150150
- gezogener Wagenpulled wagon
- 154154
- nicht angetriebene Achsennon-driven axles
- 156156
- nicht angetriebene Rädernon-driven wheels
- 160160
- EndwagenEnd car
- 162162
- Führerstand des EndwagensDriver's cab of the final car
- 200200
- Bremssystem (erstes Ausführungsbeispiel)Brake system (first embodiment)
- 202202
- EnergieversorgungsschnittstellePower supply interface
- 204204
- SteuerleitungsschnittstelleControl line interface
- 206206
- bewegtes Reibelement, rotatorisches Reibelement, Bremsscheibemoving friction element, rotary friction element, brake disc
- 208208
- Bremssattelcaliper
- 210210
- statisches Reibelement, Bremsbackenstatic friction element, brake shoes
- 212212
- Reibelementantriebsmittel, BremsaktuatormotorFriction element drive means, brake actuator motor
- 214214
- SpindelantriebSpindle drive
- 300300
- Regelkreis (Bremssystem)Control circuit (brake system)
- 302302
- Regler/Bremsregler (Bremssystem)Regulator/brake controller (brake system)
- 304304
- Regelstrecke (Bremssystem)Controlled system (braking system)
- 400400
- Regelkreis (Systemanalyse)Control loop (system analysis)
- 402402
- Regler/Bremsregler (Systemanalyse)Controller/brake controller (system analysis)
- 404404
- Regelstrecke (Systemanalyse)Controlled system (system analysis)
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102022113515.2A DE102022113515A1 (en) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | Method and device for analyzing the operational behavior of technical systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022113515.2A DE102022113515A1 (en) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | Method and device for analyzing the operational behavior of technical systems |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022113515A1 true DE102022113515A1 (en) | 2023-11-30 |
Family
ID=88697087
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022113515.2A Pending DE102022113515A1 (en) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | Method and device for analyzing the operational behavior of technical systems |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022113515A1 (en) |
-
2022
- 2022-05-30 DE DE102022113515.2A patent/DE102022113515A1/en active Pending
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