用于检测技术系统如电动机由老化引起的改变的方法及装置

摘要

本发明提出一种用于检测描述一个技术系统由于老化引起改变的参数的方法,其中在系统中检测与使用相关的工作参数。这里将借助一个损耗模型产生检测的工作参数及描述系统由于老化引起的改变的参数之间的关系及接着在系统内部在任意时刻计算该参数或由此导出的量,如剩余的使用寿命、故障可能性或产品的质量。

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于检测描述一个技术系统由于老化引起改变的参数的方法及装置，尤其是用于包括一个或多个电动机的系统，其中在系统中检测与使用相关的工作参数。此外，本发明还涉及一种计算机程序及总带有程序码部分的一种计算机程序产品，以便在计算机或计算单元上执行时可实现一个系统的老化参数的检测。

背景技术

检测出一个系统由老化引起的改变对于各种机电部件的自适应控制具有意义，这些机电部件例如是在机动车中遇到的(譬如喷射系统)，这种检测也可用来估计电动工具中的电动机或发电机的损耗及剩余寿命。

由DE-19716520A1公开了一种检测电动机工作参数的装置，其中某些与使用相关的工作参数，如温度、电动机起动次数及工作小时被检测及存储。借助一个外部读装置可读出被记录的数据及分析。然后可以得出这样的结果，即是否在该产品中使用的电动机在产品使用寿命期满后可在一个新的产品中使用。

由DE-19516481A1公知了在机动车中用于检测、存储及输出一个控制装置的数据的装置，借助它除控制装置的工作时间外还检测另外的数据，这些数据可说明故障的可能性或控制装置将来的可靠性。属于这些数据的例如有温度极限值及电压极限值及其持续时间。如何由所述的数据得到该控制装置的故障可能性或可靠性在所述该文献中未描述。

此外还具有基于神经网络或扩展式Kalman滤波器的参数估算方法，迄今这些方法主要成功地应用在驱动系统中摩擦的识别。为了预报损耗状态、识别损耗参数及估计产品的剩余寿命，这些方法仅能在一定条件下使用。它们通常在多重任务的情况下不起作用及不能保证或没有足够的收敛。

发明内容

因此，本发明将给出一种可在线执行的识别方法，用来确定描述一个技术系统由于老化引起的改变的参数，及给出适于实施该方法的装置以及一个相应的计算机程序(产品)。

通过权利要求1中所述的根据本发明的方法，在一个系统的整个工作时间中在系统内部计算描述该系统由于老化引起的改变的参数。为此，首先借助一个损耗模型产生在系统中检测到的、与使用相关的可测量的工作参数及由于老化引起的但不能直接测量的损耗或表征老化的参数之间的关系。然后由该损耗模型计算描述该系统由于老化引起的改变的参数或由此导出的量，它们在该系统中被提供出来。

根据本发明的用于检测描述一个技术系统由于老化引起改变的参数的装置设有一个单元，对它可输入在系统中所检测的与使用相关的工作参数。然后在该单元中基于上述的损耗模型在系统内部计算该老化参数或由此导出的量。所述该单元可看作为一个计算机的组成部分，或看作为-尤其在机动车中-一个控制装置的组成部分。以下可对在机动车、飞机或在生产物和/或使用物范围等中受到损耗及老化的所有部分使用相同的考虑。因此这里的实施例不能理解为对根据本发明主题的限制。

本发明的有利构型可由从属权利要求及以下的描述中得知。

所述参数或由此导出的量的计算可连续地或在预定时间间隔中进行。视应用领域及系统类型而定，参数计算的结果可通过光输出数字值或发出警报或声音的指示。但该结果也可提供给系统的控制装置，以便实现与工作时间或老化过程相匹配的系统控制。

通常所述的损耗模型可表示为以下方式：

f＝f(p，x(t)，a(t))＝0    (1)

以下说明上式中一般用矢量表示的量f，p，a及x：

x(t)描述一个系统或一个产品与使用相关的及可测量的工作参数，如与使用相关的状态量，如温度、电流、接收功率和/或加速度及起动周期数和总的工作时间。

a(t)描述与使用相关的、不能直接测量的参数，它随着一个系统或产品的逐渐使用随着时间t由于损耗及老化引起改变，例如描述一个催化剂的催化特性的参数、一个吸收器或过滤器的吸收特性、或一个产品增长的故障可能性或下降的剩余工作寿命。对这些参数的了解对于评价产品的损耗及控制装置中控制算法的自适应调整是必要的。

p描述与使用相关的、不能直接测量的参数，它描述一个系统或产品的材料特性(系统常数)。因为该参数p对于各个产品可能由于制造引起波动，它表示所考虑的产品类型的一个平均值。

一个系统中检测的与使用相关的工作参数可被系统外部调用，这种系统已公开在所述的DE-19716520A1中。在本发明的一个构型中，对于属于一个共同类型的多个系统在一定的使用时间后，所检测的随系统而异的相应工作参数可由外部调用。该调用可在规则的时间间隔上作出，或总是当在一个维修点对系统或产品进行检查、修理或清除故障时才调用。由在一段使用时间t_k后检测的第k系统的工作参数x_k(t)可确定老化参数a_k(t_k)，必要时可根据附加的所使用产品的耗损测量，该老化参数描述由于老化引起的不可测量的系统改变。通过在方程式(1)中给出的系统损耗模型f_k运用测得的工作参数x_k(t)及确定的老化参数a_k(t_k)则可计算一个参数矢量p，它包括P个与使用相关的、作为该系统类型的平均值计算的系统内部参数(A，B，…)。

适于确定一个系统类型的损耗模型的装置具有一个读出装置，通过它读出在该系统类型的K个系统中存储的工作参数及与由此确定的老化参数一起传送给一个计算单元。在该计算单元中然后计算参数矢量p，以得到完全确定的损耗模型。

尤其对于每个k产品可确定出一个损耗模型：

f_k＝f(p，a_k(t_k)，x_k(t))＝0，k＝1，…，K    (2)

及将参数矢量p＝p*作为该方程系的解。对于K＞P形成了一个超定的、通常非线性的方程系，它可通过适当的优化方法求解，

该方法尤其对于K＞＞P可得到很好的近似值。该结果是对所考虑类型的系统或产品的参数矢量p＝p*的近似。

现在所求得的该参数矢量p＝p*可代入方程式(1)中的损耗模型f中，以使得该有关系统或产品类型的损耗模型至少可很好近似地被完全已知。该损耗模型可存储在系统中及在使用期间被持续地计算，由此可得到系统内部关于损耗或老化的结论。

这里也可以借助数学方法，如幂级数或递归方法用损耗模型来直接求解老化参数a(t)，以减少在线的计算时间。

根据本发明方法的一个实施例，在系统中可新读入确定老化参数a(t)的每个测量周期中工作参数x(t)的当前值及在下个测量周期中再改写，以致不需要存储在整个工作时间上的值。

所有上述的计算可合乎目的地借助计算机程序来执行，该计算机程序可在适合的计算单元上运行。例如为了连续在线地确定老化参数，在系统中设有一个单元，对它可输入所检测的与使用相关的工作参数，及然后在一个计算单元中分析。该相应的计算机程序借助一个确定的损耗模型来工作。合乎目的地，该损耗模型的确定可借助一个计算机程序来进行，这在出现非线性方程系时尤其有利。对此所需的计算单元被设在系统外部的一个装置中，以便能处理整个系统的数据。

计算机程序可存储在适当的数据载体、如EEPROMs，闪存存储器中，也可存储在CD-ROMs，软盘或硬盘驱动器中。

根据本发明的历史负荷图形的记录及分析可实现对整个系统或其部件(例如机动车或电动工具)由于老化引起的改变的检测，及由此在以下步骤中可实现控制装置中的算法对新情况的适配，可实现安全性重要的系统中的早期报警、给出确定维修间隔的损耗程度或用过的部件与老化相关的再利用以及许多类似任务。

如果找到可靠的损耗模型，它可覆盖所有能想象到的损坏，根据本发明的方法可在任意时刻实现关于损耗程度及剩余工作寿命的结论，而不一定要检查该系统或其部件。当预先未知道使用强度时这些信息可不提供经常使用的MTBF数据。如果在使用根据本发明的方法时达到一定的剩余工作寿命(考虑到一个安全系数)或一个临界的损耗程度，则在一个产品或部件更换的时刻由系统内部的控制计算并由它自动地发出信号。这对于机动车尤其在定期维护的车间检查的范围上可被使用。

制造商本身在收回产品后由预试验及系列试验或在装置损坏后可得到关于真实负荷曲线的有价值信息，这些信息对于质量保证及求得MTBF可提供有价值的指示。

附图简要说明

以下将借助附图以一个实施例对本发明进行详细描述。

图1概要地表示根据本发明的用于检测一个系统由于老化引起的改变的装置，其中在该实施例中将基于温度的影响进行电动机剩余寿命的估算；

图2概要地表示在根据本发明的方法中所执行的步骤的流程图。

图1概要地表示实施根据本发明的方法的一个结构。它的应用例除电动机外还有其它的机电部件，例如机动车中的喷射系统、或如所述的受由使用引起的老化影响的所有一般的电气/机械装置。作为所考虑类型的技术系统，如电动工具中的电动机、机动车起动机或机动车发电机将作为该系统类型的代表在下面称为第k个产品1，图中仅表示用于实施本发明的方法所需的部分，下面根据本发明的方法将能提供包括在所述产品中的电动机的剩余寿命的估计。

为此，首先使用一个或多个(已有的)温度传感器3在电动机的电枢绕组中或极靴上测量温度，及将温度值T_k(t)的历史进程、起动周期数及总的工作时间作为与使用相关的系统工作参数被储存。对于k＝1，…，K个产品，集成在每个第k产品1中的第k工作数据存储器2中进行该存储。作为工作数据存储器2可考虑使用EEPROM，闪存存储器等，但也可用CD-ROM，软盘等。

为了测量电动机的起动，可将整个工作储存装置连接在电动机的电流回路中，以使得当每次电动机起动时监测装置的电源电压同时被接通。为了保证在电动机起动后可靠地写数据，在监测装置的电源中连接一个电容器，它可避免在电动机关断后立即失掉电压及由此能可靠地结束程序。

在每个起动周期中电动机的运行时间可通过程序循环借助微处理器的定时器来测得。将各个通电时间相加将求得总的运行时间。

在所有的使用时间上测得的数据被持久地存储在一个非易失性数据存储器(EEPROM)中，在一个构型中，为了减小对此所需的存储量，将所检测的工作参数的数值范围分成一定的类型及存储每个类型中出现的数目。在另一构型中，仅记录阈值被超过及该超过的持续时间。在上述所有的构型中从首次投入运行开始电动机的各个负荷曲线可被了解。

为了能全面确定损耗模型，首先在装置损坏后通过读出装置5读出在工作数据存储器2中存储的工作参数。被存储的工作参数的读出可视产品类型及待求的老化参数而定也可在另外的时刻(修理，检查等)进行。为了读出数据，一个集成在工作数据存储器2中的微控制器通过输出端(例如接插件，红外二极管，无线电)将存储在数据存储器中的所有值发送到读出装置5中。在另一实施形式中，读出装置5可与一个总线系统连接。读出装置5还与一个计算机(PC或Laptop)6通过譬如一个串行接口连接。在该计算机6上，将每个第k产品的工作参数，即存储的总工作时间τ_k、起动周期数及温度值的历史进程T_k(t)，k＝1，…，K存储到一个数据库中。在此情况下必需对每个第k电动机求出其故障原因并存储。以下对于故障原因仅进一步地考虑热损坏，在下面将给出损耗模型。

作为老化参数a(t)将使用系统的工作寿命，在此情况下即为，到由于温度影响的电动机故障使第k产品损坏为止所测量的总工作时间。对于第k产品于是有a_k(t_k)＝τ_k。在装置损坏的情况下剩余寿命自然为零。

对于该实施例，作为具体的损耗模型将给出以下用于第k产品的函数f_k： $>>>f>k>>=>f>>(>p>,>>a>k>>,>>x>k>>>(>ts>)>>)>>=>>1>A>>>\Sigma >>i>=>1>>>N>k>>>>e>>B>>>T>k>>>(>>t>i>>)>>>>>\Delta t>->1>=>0>.>.>.>.>.>.>>(>3>)>>>s>这里参数矢量p＝(A，B)，它们表示系统固有的参数A，B。温度T$_k(t_i)表示在固定等距离的时间点t＝t_i(i＝1，…，N_k)上以测量间隔Δt测量的第k系统的温度，由此对于测得的工作寿命有：a_k(t_k)＝τ_k＝N_kΔt。

为了求得带有未知数A及B的参数矢量p，将使用所谓的Nelder-Meade算法对于未知数A及B解出所有第k产品(k＝1，…，K)的K的非线性方程组。对于所考虑类型的产品该结果是该参数矢量的近似值p＝p^*＝(A^*，B^*)。

由此对于所考虑的产品类型，上述损耗模型被完全确定，及现在将要确定及计算所感兴趣的损耗量。该确定的损耗模型或由此导出的损耗量可通过计算机6向一个识别单元7传送，后者例如位于一个控制装置内。对此所需的测量值将通过数据导线4向控制装置7传送，由此在第k产品1的识别单元中例如可在线地、即在系统内部计算以下的损耗参数： $>>>V>n>>=>>1>>A>*>>>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>e>>>B>*>>>T>>(>>t>i>>)>>>>>\Delta t>.>.>.>.>.>.>.>>(>4>)>>>s>式中n＜N。上述等式(3)的损耗模型是在产品工作寿命结束时由于温度损耗产生，即当n＝N时正好满足，有：$ >>>V>n>>=>>1>>A>*>>>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>e>>>B>*>>>T>>(>>t>i>>)>>>>>\Delta t>=>100>\%>.>.>.>.>.>.>.>.>.>.>>(>5>)>>>s>由此V$$_n以百分比表示已消耗的产品使用寿命，现在它可用较简单的方式在线地由控制装置中的微控制器近似地计算出。这里可使用已消耗的产品使用寿命作为损耗参数来替代工作寿命τ，因为在等式(3)中的损耗模型不是直接求解工作寿命τ＝NΔt。

可根据下式用递归的方式进行节省有效存储位置的V_n的计算： $>>>V>n>>=>>V>n>>->1>+>>\Delta t>>A>*>>>>e>>>B>*>>>T>>(>>t>n>>)>>>>>.>.>.>.>.>.>.>>(>6>)>>>s>其中V$_o＝0。值T(t_n)将在识别单元中根据每个新的第n测量来改写。

在等式(4)或(6)中e函数的有效在线计算可使用在目标处理器中具有的功能或通过一个多项式函数来近似或简单地作为幂数列。

图2概要地表示用于实施本发明的五个主要步骤。在步骤S1中以工作参数的形式(尤其为传感器值)测量数目K的技术系统或产品的使用曲线及存储在相应产品中装有的工作数据存储器中。在步骤S2中在一定时间点上读出该存储的工作参数，及由此来确定相应系统的老化参数。接着，在步骤S3中借助所有K个产品现有的数据及一个损耗模型来计算未知的系统固有参数。步骤S2及S3可合乎目的地用一个外部计算机来实现，它将通过适合的读出装置与相应产品的工作数据存储器形成连接。

在所考虑的系统类型的损耗模型完全被确定后，将离线地对在各产品中设置的识别单元传送所计算的系统固有参数或总的损耗模型(步骤S4)。这里例如可通过实际计算的系统固有参数在一定的时间上的传送对已存储在识别单元中的损耗模型进行校正。然后在步骤S5中，通过系统内部的识别单元对于各个不同的产品负荷(使用曲线)在线地计算系统的相应老化参数。

有利的是，步骤S1至S3将在一个系统外部的计算机中由一个计算机程序来执行，而步骤S4及S5可在系统内部的计算单元中执行。

本发明不但可对用户而且可对制造者及维修工作提供关于产品特定参数的快速信息，这些参数给出一个产品因老化引起的改变，而无需自己直接地被测量。根据这些信息可以确定：产品是否可被再使用或在另一系统中继续被使用，是否值得进行成本高的修理或产品的当前质量如何。后者在安全性重要的系统中具有决定性的意义。根据本发明的方法能由系统或产品本身得到这些信息，而不需要使用外部附加的处理装置。最后，本发明可实现系统的自适应调节，例如用于喷射控制的空气-燃料混合的自适应调节。