Vad är diagnos? Diagnos i fordon och andra tillämpningar. Varför diagnos i fordon?

Transkript

1 Diagnos i fordon och andra tillämpningar Vad är diagnos? Diagnos är att automatiskt, och helst under normal drift, detektera fel. (ibland) isolera fel, dvs. peka ut vilken komponent som är trasig. Erik Frisk Fordonssystem Institutionen för systemteknik Linköpings universitet 7 december, 17 Styrdator Fel inträffar Felkod: Trycksensor trasig 1/3 /3 Varför diagnos i fordon? Varför diagnos i fordon? Lagkrav ställer hårdare och hårdare krav. Ursprungligen från Kalifornien OBD/OBD-II osv. men nu även i resten av USA/Europa. Även för lastbilar (5 basic Euro, 6 Euro, 8 Euro 5) Tillgänglighet, reparerbarhet, mekanikerstöd Stor andel av utsläpp från bilar sker från bilar med felaktiga komponenter i emissionskontrollen (mer än 5% av emissionerna). Feltolerant reglering Vad krävs? Alla komponenter som kan påverka emissioner måste diagnostiseras. Till exempel, i bränslesystemet måste ett hål med.5 mm diameter detekteras (från i OBD-II) 3/3 /3

2 Varför diagnos i andra tillämpningar? 5/3 6/3 7/3 8/3

3 Ett svårt problem Vad är diagnos? control inputs En ansenlig del av styrsystemskoden är diagnoskod (mer än 5% är vanligt) Något som ofta görs efteråt och i mån av tid vill man nu göra parallellt med övrig konstruktion. Konstruktion för diagnos (ex.vis sensorplacering, val av sensorer etc.) Metodik krävs men saknas! disturbances faults Plant observations Diagnosis System diagnosis statement Diagnos Givet observationer, en diagnos är en utsaga om komponenternas tillstånd som kan förklara observerat beteende. Diagnossystem Givet observationer: Hitta alla diagnoser. alla diagnoser = f (observationer) Feltolerant reglering 9/3 1 / 3 Feltolerant reglering Traditionell diagnos och modellbaserad diagnos hårdvaruredundans Fault Diagnosis tröskling av mätsignaler (limit-checking) Faults Faults Faults hastighetsbegränsning av fysikaliska storheter (rate-limit) ofta olika begränsningar i olika arbetsområden Command (Reference) Governor Feedforward Controller Actuators System Sensors Traditionell diagnos är modellbaserad diagnos. Bara med väldigt enkla modeller. Feedback Controller Med mer avancerade modeller så kan man öka diagnosprestandan: snabbare detektion, mer exakt felisolering, färre falsklarm etc. Allt till priset av mer modellarbete och svårare designuppgifter. Reconfiguration Mechanism Möjligheten finns också att minska antalet sensorer, både för reglering och diagnos. 11 / 3 1 / 3

4 Redundans, modeller och modellbaserad diagnos Förutsättningen för all diagnos är redundans som kan tillhandahållas av: Extra hårdvara, exempelvis flera sensorer som mäter samma storhet Modeller! Redundans, modeller och modellbaserad diagnos Förutsättningen för all diagnos är redundans som kan tillhandahållas av: Extra hårdvara, exempelvis flera sensorer som mäter samma storhet Modeller! y 1 y y3 x z y 1 y y3 x z r 1 = y 1 y r = y 1 f (y 3 ) r 3 = y f (y 3 ) 13 / 3 13 / 3 Var byter mätsignalen nivå? Var byter mätsignalen svängningsfrekvens? / 3 15 / 3

5 Felisolering Exempel: Diagnos på en produktionsmotor y 1 =u y =u +1 Antag y 1, y och u är kända, då kan tre residualer bildas boost leak Intercooler Whfm y 1 y y3 x z r 1 = y 1 u, r = y u 1, r 3 =y 1 y +1 Alla är då ekvationerna är uppfyllda, dvs. processen uppför sig som förväntat. De tre residualerna reagerar olika på fel i sensorer och aktuatorer ) Isolationsmöjligheter pb T manifold leak Wth Wcyl q pm Turbo Samma tänk som för det enkla fallet, bara mer avancerade modeller f 1 f f u r 1 X X r X X r 3 X X n Lite olika typer av fel, kräver olika typer av modeller och därmed olika typer av signalbehandling. 16 / 3 17 / 3 Exempel på analytisk redundans i motorn Modellering Whfm Intercooler boost leak T Turbo manifold leak Wth W cyl = f 1 (n, p m ) q pb pm n Wcyl W th = f (, p m, p b ) Statiskt så gäller att W hfm = W th = W cyl om allt fungerar. r 1 = W hfm W th = W hfm f (, p m, p b ) r = W hfm W cyl = W hfm f 1 (n, p m ) r 3 = W cyl W th = f 1 (n, p m ) f (, p m, p b ) Samma typ av medelvärdesmodell som ni redan sett i kursen används även här. Tex. flödet förbi trotteln modelleras av där ( p man )= W th = K th p T 8 >< >: s r apple apple 1 apple apple+1 pman apple om apple+1 apple 1 ( p man ) apple+1 pman apple pman apple+1 f.ö. apple apple 1 Dessa är alla känsliga för olika fel ) möjlighet till felisolation. 18 / 3 19 / 3

6 Evaporative Systems Monitoring Felmodellering: La ckage innan/efter trottel Engine Inte bara felfritt fall beho ver modelleras, a ven felen som ska detekteras och isoleras beho ver modelleras. Intake Manifold WHFM da r kb a r e ektiv area hos la ckan. Diagnosis Valve Turbo Purge Control Valve Carbon Canister 1 pboost [kpa] Fuel Tank 6 delta manifold air [g/s] WboostLeak pb pamb = kb p ( ) pb T = Wth + WboostLeak delta boost air [g/s] pman [kpa] The OBDII system shall detect an evaporative system malfunction when the complete evaporative contains a leak or leaks that cumulatively are greater than or equal to a leak caused by a.diameter orifice. - California Air Resource Board, OBDII regulations, section 1968., Title 13. / 3 Trycksignalen da tanken a r ta t 1 / 3 Trycksignalen med ett 1mm ha l Diagnosis Valve 1 5 Purge Valve Pressure difference [Pa] Pressure difference [Pa] t [s] Purge Valve 15 3 Diagnosis Valve t [s] / 3 3 / 3

7 Misfire Att cylindrar ej tänder måste detekteras, annars kan man få ökade emissioner, ojämn motorgång, och även väldigt snabbt skada på katalysatorn. Misfire, forts. Skapa larmsignal som med stor sannolikhet detekterar alla misfire samtidigt som den inte larmar i onödan No fault Misfire 68.5 t x TQ/J / 3 5 / 3 Misfire, forts. Övervakning av industriell gasturbin från Siemens t 6 t x Enkel punkt: mitt i varvtalsområdet ej låg last Svår punkt: kallstart långsam förbränning lågt genererat moment ojämn gång 6 / 3 7 / 3

8 Övervakning av industriell gasturbin från Siemens Övervakning av industriell gasturbin från Siemens [%] Health parameter C1 e ciency deviation for C1 T a T b Nov Dec Jan Feb Mar Apr t [%] T a Modell i Modelica med ca. 1 ekvationer för gasturbinen ca dynamiska tillståndsvariabler T b övervaka e ektiviteter i kompressorer, turbiner, sensorer,... May Jun Jul Aug Sep Oct t 7 / 3 8 / 3 On- and off-board automotive diagnosis A demo and research platform 1.+

9 Överblick av ett diagnossystem Observationer Diagnos Diagnoser System Signalbehandling Linjär och olinjär reglerteori Linjär algebra Statistik/sannolikhetslära Observatörsteori Logik/AI Logik Artificiell intelligens Sannolikhetslära TSFS6: Diagnos och övervakning Om det låter intressant så rekommenderas vår kurs: TSFS6, Diagnos och övervakning är en unik kurs i Sverige, inget annat lärosäte erbjuder en kurs helt inriktad mot diagnos. 6hp. Börjar i mars. Teoretisk och metodikinriktad. Närmast tvärvetenskaplig kurs. Använder kunskap från många olika ämnen, till exempel: reglerteknik/signalbehandling, statistik/sannolikhetslära, och logik/artificiell intelligens. Kurs inom ett mycket forskningsintensivt ämne. Kursinnehåll nära forskningsfronten. Många möjligheter till exjobb. 9 / 3 3 / 3