(57)【要約】メカトロニクスシステム（１１）をモデルベースで診断するための方法において、エラー検出（５）がメカトロニクスシステム（１１）の内部の制御装置により実施され、エラー識別（７）がメカトロニクスシステム（１１）の外部の計算ユニットにより実施される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メカトロニクスシステム（１１）をモデルベースで診断するための方法において、
エラー検出（５）が前記メカトロニクスシステム（１１）の内部の制御装置により実施され、エラー識別（７）が前記メカトロニクスシステム（１１）の外部の計算ユニットにより実施されることを特徴とする、メカトロニクスシステムをモデルベースで診断する方法。
【請求項２】
前記エラー検出（５）のデータと前記エラー識別（７）のデータとが完全なエラー診断（３）に導かれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エラー検出（５）において、システム入力の入力信号の値（ｕ）、システム出力の出力信号の実際値（ｙ）および時間ベクトル（ｔ）が検出に導かれて記憶されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記エラー検出（５）において、前記メカトロニクスシステム（１１）の出力信号の実際値（ｙ）から出力量の目標値（ｙ’）が減算されて残差（ｒ）が形成され、前記残差（ｒ）の値が最大限許容可能な検出閾値（ｒmax）を上回った場合にエラー（ｆ、ｆ１、ｆ２、ｆｉ）が検出されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
エラー発生の時点（ｔＦ）を包囲する時間部分（ｔ３）の間の信号が、リングメモリの原理に従って検出に導かれて記憶されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記時間部分（ｔ３）の内部で生じた信号の情報を含む値（ｕ、ｙ）が選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記エラー検出（５）において、記憶されたデータが診断インターフェイスを介して前記メカトロニクスシステム（１１）の内部の前記制御装置から読み出され、前記メカトロニクスシステム（１１）の外部の前記計算ユニットに伝送されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
メカトロニクスシステム（１１）の内部に配置された制御装置と、前記メカトロニクスシステム（１１）の外部に配置された計算ユニットとを有する、前記メカトロニクスシステム（１１）をモデルベースで診断するための診断システムにおいて、
前記制御装置は前記メカトロニクスシステム内で発生したエラーをエラー検出（５）するために設けられ、前記計算ユニットは検出されたエラーをエラー識別（７）するために設けられていることを特徴とする、メカトロニクスシステムをモデルベースで診断するための診断システム。
【請求項９】
コンピュータ上または該当する計算ユニット上、特に請求項８に記載の診断システム内で実行された場合に、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法のすべてのステップを実施するために、プログラムコード手段を有することを特徴とする、コンピュータプログラム。
【請求項１０】
コンピュータまたは該当する計算ユニット上、特に請求項８に記載の診断システム内で実行された場合に、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法のすべてのステップを実施するために、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体上に記憶されたプログラムコード手段を有することを特徴とする、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メカトロニクスシステムをモデルベースで診断するための方法、診断システム、コンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
複雑なメカトロニクスシステムを対象とするエラー診断は、モデルベースの診断方法を必要とする。モデルベースの診断機能またはモデルベースの診断アルゴリズムがオンボード（on-line）で、従ってシステムの内部で計算されるか、あるいはオフボード（off-line）で、従ってシステムの外部で計算されるかに応じて、２つの原則的な診断コンセプト、すなわちオンボードエラー診断とオフボードエラー診断とが区別される。
【０００３】
エラーを伴うシステムの時間応答に関する完全な情報内容に基づく一義的なエラー診断は、基本的に、典型的なオンボードエラー診断によってのみ保証される。しかし、複雑なメカトロニクスシステムでは、実時間要請が厳しいとともに、実際の制御装置の利用可能な処理能力が低いために、オンボードエラー診断を実現することができない。
【０００４】
この場合にオフボードエラー診断は妥協的な手段であって、複雑な診断アルゴリズムの計算技術的な変換を可能とするが、基本的に、エラーを伴うシステムの時間応答に関する不完全な情報内容に基づいてのみ行われる。よって、オフボードエラー診断で取得可能な診断品質は、一般的に、オンボードエラー診断による診断品質よりも低くなる。オフボードエラー診断は、例えば、電気的なプラグ接続の雨水による間欠的な遮断、機械的な可動部材の固着、予測不能なシステム負荷による過熱などのような、潜在的に発生するエラーを確実に診断することができず、さらに所定のエラーの場合にのみ一義的なものとなる。
【０００５】
独国特許出願公開第１０３３３１７１Ａ１号明細書は、機械の部分システムを監視するためのモデルベースの診断方法を記述している。この場合には、部分システムの数量モデルが使用され、出力信号の挙動の事象離散的な評価が定性的な値を用いて実施される。
【０００６】
このような背景において、請求項１の特徴を有する方法、請求項８の特徴を有する診断システム、請求項９の特徴を有するコンピュータプログラム、および請求項１０の特徴を有するコンピュータプログラム製品が提示される。
【発明の開示】
【０００７】
（発明の利点）
メカトロニクスシステムをモデルベースで診断するための本発明に基づく方法では、エラー検出がメカトロニクスシステムの内部の制御装置により実施され、エラー識別がメカトロニクスシステムの外部の計算ユニットにより実施される。
【０００８】
他の好ましい実施形態が従属請求項から明らかにされる。
【０００９】
メカトロニクスシステムをモデルベースで診断するための本発明に基づく診断システムは、メカトロニクスシステムの内部に配置された制御装置と、メカトロニクスシステムの外部に配置された計算ユニットとを有している。ここで、制御装置がメカトロニクスシステム内で発生するエラーのエラー検出のために設けられ、計算ユニットが検出されたエラーのエラー識別のために設けられている。
【００１０】
よって、オンボード診断の利点とオフボード診断の利点とを統合した新たな診断コンセプト、いわゆる融合されたオン・オフボードコンセプトが提供される。このコンセプトは、オンボード診断の完全な情報内容に基づく診断を可能とし、それによって複雑なメカトロニクスシステムのエラー診断が計算技術的に実現可能となる。
【００１１】
診断タスクは、計算が集約しないエラー検出の部分タスクと、計算が集約するエラー識別の部分タスクとに分割されている。エラー検出では、メカトロニクスシステムの内部の制御装置によって、所定の時点ｔＦでエラーが存在するか否かが検出される。エラー識別では、高性能の外部の計算ユニット、例えば診断テスターによって、検出されたエラーが診断機能を用いて一義的に識別される。
【００１２】
本発明の特徴は、入力量および出力量に関して一時的に保存されたデータの所定のシーケンスおよび時間間隔をリングメモリ（Ringspeicherung）に恒久的に保存することができることにある。一時メモリと恒久メモリとの間の検出制御（detektionsgesteuert）されたデータ伝送は、情報を含むデータのインテリジェントな選択を可能にする。このようにして、記憶すべきデータ量を制限すると同時に、診断のための情報を十分に確保する。
【００１３】
診断タスクを分割することによって、オンボード診断の利点もオフボード診断の利点も利用することができる。
【００１４】
よって、オンボードで実施すべきエラー検出は、実際の駆動状態の下で、例えば修理工場では再現不能な潜在的なエラーを考慮して行うことができる。さらに、エラーの時間的な変化を観察することができ、それによってエラーに関する付加的な情報を取得することができる。
【００１５】
オフボードで実施すべきエラー識別のために、メカトロニクスシステムの外部の計算ユニットによって、十分な処理能力およびメモリ領域が提供される。エラー識別では、診断機能に対する実時間要請は存在しない。診断機能は、外部の計算ユニットで行うべきアップデートによって、簡単に更新され、従って制御装置の再プログラミングは必要とされない。
【００１６】
プログラムコード手段を有する本発明に基づくコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがコンピュータ上または該当する計算ユニット上、特に本発明に基づく診断システム内で実行される場合に、本発明に基づく方法のすべてのステップを実施する。
【００１７】
コンピュータ読み取り可能なデータ媒体上に記憶されたプログラムコード手段を有する本発明に基づくコンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラムがコンピュータ上または該当する計算ユニット上、特に本発明に基づく診断システム内で実行される場合に、本発明に基づく方法のすべてのステップを実施する。
【００１８】
本発明の他の利点と実施形態が明細書および添付の図面から明らかにされる。
【００１９】
なお、前述した特徴および以下に説明する特徴は、それぞれ記載の組合せのみならず、本発明の範囲を逸脱することなしに、他の組合せまたは単独でも使用することができるものである。
【００２０】
（実施形態）
図面に示す実施形態を用いて、本発明を図式的に示し、以下で図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、エラー診断３のタスク１がオンボードエラー検出５とオフボードエラー識別７とにどのように分割されるかを示している。メカトロニクスシステムの内部で発生し、エラー検出５で検出されたエラーの信号またはデータは、リングメモリを介して行われる、検出に導かれた信号記憶９を用いて記憶される。
【００２２】
図２は、メカトロニクスシステム１１の駆動に際して発生しうるエラーｆ１、ｆ２、ｆｉがエラー検出の枠内でどのように検出されるかを示している。この場合に診断問題は、エラーを伴う実際のシステム１１とエラーを伴わないシステムの検出モデル１３との比較によって減少される。システム１１の挙動と検出モデル１３との間の比較は、出力量に関して測定された実際値ｙおよび出力量に関してモデル生成された値ｙ’を用いて行うことができ、入力量に関する値がｕで示されている。残差ｒは、モデルベースでも、信号ベースでも生成することができる。エラーｆ１、ｆ２、ｆｉは、残差ｒの値が最大限度許容可能な検出閾値ｒmaxを上回った場合に、各々に検出される。
【００２３】
エラー検出では、エラーｆ１、ｆ２、ｆｉの作用（Wirkung）を互いに区別する必要がないので、検出可能性のシステム特性は、識別可能性のシステム特性ほど厳しくない。モデルベースのエラー検出が例えばモデルベースで行われる場合には、検出モデル１３がシステム１１の入力／出力挙動における本質的な関連性を再現するのみで十分である。よって、検出機能は、細別度の低い単純化された検出モデル１３によって実現することができる。
【００２４】
図３には、システム１１のシステム入力の入力信号の値ｕ、システム出力の出力信号の実際値ｙ、および対応する時間ベクトルｔの検出に導かれた記憶が示されている。信号の値ｕ、ｙには、エラーを伴うシステム１１の時間的挙動に関する完全な情報が含まれている。よって、値ｕ、ｙを、オンボードでシステム１１の内部に記憶し、次にオフボードでシステムの外部で評価することができる。
【００２５】
エラー検出は、実際値ｙと、例えばモデル生成された出力量に関する目標値ｙ’とを比較することによって行われる。しかし、目標値は、必ずしもモデルにより生成される必要はない。一時的な信号メモリは、リングメモリとして形成されているので、常にアクティブである。システムの内部でエラーが発生して検出されるとすぐに、時間部分ｔ１のデータｕ、ｙが直ちに恒久メモリに伝送される。時間部分ｔ２のデータｕ、ｙは、好ましくは最初に可能な時点、ｔＬ＊＊で恒久メモリに伝送される。
【００２６】
よって、検出報告は、常にアクティブな一時的な信号メモリ（リングメモリ）から恒久メモリに時間部分ｔ３のデータｕ、ｙを伝送するプロセスを能動化させるために用いられる。
【００２７】
後段のエラー識別のために用いられる入力量および出力量の値ならびに時間ｕsave、ｙsave、ｔsaveが、検出に導かれて恒久メモリ１７に恒久的に記憶される。
【００２８】
非常に大きな記憶容量を有する記憶媒体も、信号サンプリングの間隔が十分に細かい場合には記憶容量の限界に急速に到達するので、信号の値ｕ、ｙをメカトロニクスシステム１１の全駆動時間ｔに亘って記憶することはできない。
【００２９】
この診断コンセプトでは、図４に示すように、エラー発生の直接的な時点ｔＦを取り巻く時間部分ｔ３のみが重要となる。この時間部分ｔ３が適切に選択される場合には、この時間部分ｔ３は、該当するエラーｆの時間的な変化に関する完全な情報を有している。エラー検出のための機能が適切に統合された場合には、実際のエラー発生時点ｔＦとこのエラー検出時点ｔＤとの間の遅延は、無視可能なほど小さく、その場合にｔＤ≒ｔＦとなり、従ってｔＤ＝ｔＦという仮定が成立する。検出制御された信号メモリでは、時点ｔＤの検出報告は、エラー発生時点ｔＤを取り巻く重要な時間部分ｔ３内の信号の値ｕ、ｙを記憶する、記憶プロセスの指令として用いられる。
【００３０】
これを実現するために、メカトロニクスシステムの内部の制御装置の記憶ユニットは、その一部分がリングメモリの原理に従って動作する一時的な信号メモリ１５、例えば中間メモリまたはバッファから形成され、他の部分が恒久メモリ１７から形成されている。この検出制御されたデータ伝送では、時間部分ｔ３の内部で生じた信号の情報を含む値ｕ、ｙまたはデータの選択が行われる。
【００３１】
リングメモリの上書きプロセスは、ｔＦに関して時間的に過去にシフトされて実際の時点ｔＬ＊で行われる。よって、ｕ、ｙに含まれる、時点ｔＤで検出されたエラーｆのｔＬ＊とｔＦとの間の先行する第１の時間部分ｔ１に関する情報が上書きによって失われないことが保証される。
【００３２】
さらに、これに続くｔＤから時点ｔＬ＊＊までの間の他の第２の時間部分ｔ２について、信号ｕ、ｙの値が記憶される。検出報告によって、時点ｔＬ＊とｔＬ＊＊との間の２つの最初の固定部分ｔ１およびｔ２を有する、時間部分ｔ３に関する情報を含む信号ｕ、ｙの一時的に記憶された値またはデータが、一時メモリ１５から恒久メモリ１７に上書きされて恒久的に記憶されることが、促される。
【００３３】
エラー検出の枠内で恒久メモリ１７に記憶された、個々に判明（nachgewiesenen）されたエラーｆ１、ｆ２、ｆｉのデータは、診断インターフェイスを介して読み出すことができるので、システムの外部でエラー識別を行うことができる。該当する信号ｕ、ｙの時間的推移および記憶された時間ベクトルｔは、エラーを伴うシステム挙動のためのモデルと組合せて、診断タスクの完全な実現に必要とされる、全ての必要条件を準備する。
【００３４】
この診断コンセプトは、大量の個数で販売される、複雑なメカトロニクスシステムのエラー診断に適している。この種のシステムは、コスト経済的理由から、一般的に比較的低出力の制御装置によって動作する。モデルベースのエラー診断は、現在では典型的な制御装置の機能性を形成しないので、エラー診断のためには、一般的に利用可能な処理能力および記憶容量のわずかな部分のみが提供される。
【００３５】
診断コンセプトの潜在的な適用は、乗用車／トラック、およびそれらの内燃機関（例えば、空気システムへの適用、燃料噴射システムへの適用など）、メカトロニクス車体システム（例えば、ＡＢＳ、ＥＳＰ、ＥＨＢなど）、メカトロニクス工業設備およびオートメーション設備、ならびに梱包技術設備または熱技術的設備に関するエラー診断である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】診断タスクの分割を示す説明図である。
【図２】エラー検出を示す説明図である。
【図３】入力信号および出力信号の検出制御された記憶を示す説明図である。
【図４】エラー発生の際の記憶プロセスの時間的推移を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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