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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung von Kupplungsparametern einer hydraulisch betätigten Kupplung, wobei zur Identifikation des Befüllzustandes der Kupplung eine Approximation der Befülldruck-Kennlinie erfolgt.
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Aus der Patentanmeldung
DE 199 28 538 A1 ist vorbekannt, eine Kennlinie zur Regelung einer automatisierten Kupplung zu approximieren. Es wird dabei der Zusammenhang einer Stellgröße, des Betätigungsstroms des Steuerventils, zu einer Regelgröße, dem sich aus der Einstellung des Regelventils ergebenden Druckverlaufes, approximiert. Aus dem Verlauf der Regelgröße wird letztlich die für die Betätigung der Kupplung charakteristische Ventilkennlinie des Steuerstromes als Funktion des Druckes ermittelt.
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Aus der
US 5 853 076 A ist es weiterhin bekannt, bei einer flüssigkeitsbetätigten Kupplung mit einem Ventil, einem Druckwandler und einem Prozessor, der das Ventil steuern kann, die Zeit zu berechnen, die benötigt wird, um die Kupplung zu füllen.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2008 001 682 A1 ein Verfahren zur Steuerung einer automatisierten Reibungskupplung bekannt, die als Membranfederkupplung ausgebildet ist und als Anfahr- und Schaltkupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zwischen einem Antriebsmotor und einem Schaltgetriebe angeordnet ist, wobei während einer Kupplungsbetätigung mindestens ein Betriebsparameter der Reibungskupplung sensorisch erfasst wird und aus dem Verlauf des Betriebsparameters zumindest ein Adaptionsparameter zur Korrektur eines Steuerungsparameters des zugeordneten Kupplungsstellers abgeleitet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine druckbasierte Schätzung der Kupplungsparameter zu ermöglichen, welche die charakteristischen Druckpunkte der Kupplung insbesondere im Bereich vor dem kompletten Druckaufbau ermittelt.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt das Verfahren zum Schätzen von Kupplungsparametern einer hydraulisch betätigten Kupplung durch Aufnahme des Verlaufes des Drucksignals beim Betätigen der Kupplung während des Schließvorgangs. Der Drucksignalverlauf, der auch als Befülldruck-Kennlinie bezeichnet wird, wird als Funktion des Solldrucksignals und/oder als Funktion der Zeit erfasst. Es erfolgt eine Speicherung der Einzelpunkte des Drucksignalverlaufs in Relation zur Zeitbasis und/oder zum Solldruckverlauf. Der Drucksignalverlauf wird in mindestens zwei Bereiche unterteilt, welche durch unterschiedliche mathematische Funktionen approximiert werden. Ausgehend von der Erkenntnis, dass sich an den Bereichsgrenzen das Systemverhalten aufgrund der wirkenden physikalischen Prinzipien ändert, werden die Einzelbereiche durch wenigstens hinsichtlich ihrer Parameter unterschiedliche mathematische Funktionen approximiert. Es werden die charakteristischen Kupplungsparameter an den Stellen ermittelt, an welchen sich der Schnittpunkt der approximierten Funktionen befindet. Dies kann im Zeitverlauf bei gegebener Solldruckfunktion ein Zeitwert oder ein Solldruckwert sein.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Drucksignalverlauf in wenigstens drei Bereiche unterteilt. Es erfolgt dabei eine Approximation des Druckverlaufes in jedem der Bereiche getrennt voneinander. Im Umfeld der Bereichsgrenzen wird der Schnittpunkt der Approximationsfunktionen bestimmt und so im Umfeld der Bereichsgrenze vom ersten Bereich zum zweiten Bereich das Abheben und im Umfeld der Bereichsgrenze vom zweiten Bereich zum dritten Bereich das Anlegen der Kupplungsplatten detektiert. Der erste Bereich beschreibt dabei den Drucksignalverlauf bis zum Abheben der Kupplungsplatten, also bis zum Abhebedruck. Der zweite Bereich beschreibt den Drucksignalverlauf vom Abheben bis zum Anlegen der Kupplung und der dritte Bereich den Druckaufbau bei anliegender Kupplung.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft werden der erste und der zweite Bereich durch lineare Funktionen approximiert und der dritte Bereich durch eine Exponentialfunktion beschrieben, so dass mit geringem Aufwand der Funktionsverlauf mit hinreichender Genauigkeit nachgebildet werden kann.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft muss vor der stückweisen Approximation der Funktion in den Einzelbereichen eine Vorfestlegung der Bereiche bzw. Bereichsgrenzen erfolgen. Dies kann in einer Ausgestaltung durch Voruntersuchungen an baugleichen oder ähnlichen Kupplungen erfolgen, wobei die Bereichsgrenzen in Abhängigkeit vom Solldruck definiert werden können. Es kann weiterhin bei bekanntem Solldruckverlauf eine zeitbasierte Definition erfolgen.
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Da sich das Systemverhalten in den Einzelbereichen unterscheidet, sind unterschiedliche Approximationsfunktionen notwendig. Die Bereichsgrenzen zeichnen sich dadurch aus, dass die Funktionen am Übergang in den jeweils benachbarten Bereich nicht mehr gültig sind. Einfache Approximationsfunktionen können dann den Funktionsverlauf nur ungenau beschreiben und die Einzelwerte weisen eine größere Abweichung zur Approximation auf, als das innerhalb der Bereichsgrenzen erfolgt. Die Bereichsgrenzen können somit ermittelt werden, indem ohne die Randbereiche zu beachten, eine Funktionsapproximation im Kern des zu definierenden Bereiches erfolgt und eine Bereichsgrenze dort gebildet wird, wo die Einzelwerte einen definierten Wert der Abweichung zur Approximation überschreiten.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Bestimmung des jeweiligen Schnittpunkts zwischen den Funktionen, welche benachbarte Bereiche approximieren, analytisch oder durch ein Iterationsverfahren.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft werden für die Approximation der Einzelfunktionen die Druckpunkte am Rand der Bereiche nicht genutzt, so dass eine Approximation des Drucksignalverlaufes im Inneren der Bereiche erfolgt, so dass der Funktionsverlauf am Bereichsübergang zu den jeweils benachbarten Bereichen nicht in die Approximationsfunktion einfließt.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Approximation der Befülldruckkennlinie und Identifikation des Befüllzustandes eines hydraulisch betätigten Systems z.B. einer hydraulisch betätigten Reibkupplung dar. Eine Reibkupplung ist dabei antriebsseitig mit einer Antriebsmaschine, abtriebsseitig mit einem schaltbaren Wechselgetriebe gekoppelt und überträgt ein antriebsseitig eingeleitetes Moment auf die Abtriebsseite. Dabei muss die Reibkupplung mindestens ein antriebsseitiges und mindestens ein abtriebsseitiges Reibelement aufweisen, die während des Schließvorganges von einer offenen in eine geschlossene Stellung verfahren werden. Das entwickelte Verfahren beruht auf der Tatsache, dass in einem hydraulisch betätigten Mechanismus (Zylinderprinzip) mit ansteigendem Befülldruck eine Bewegung der mit Druck beaufschlagten, beweglichen Bauteile (z.B. Zylinderkolben) einhergeht. Wird während des Betätigungsvorganges der hydraulische Druck über der Zeit (oder Ist-Druck über Soll-Druck) betrachtet, so wird ersichtlich, dass durch diese Bewegung und weitere auftretende Effekte eine spezielle Form des Druckverlaufs (Befülldruckkennlinie) entsteht. Für eine genaue Steuerung des hydraulisch betätigten Mechanismus ist es von signifikanter Bedeutung, den Vorgang der Betätigung (Befüllung) zu identifizieren und somit zu kennen.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in der Lage ist, zum Einen den genauen Verlauf der Befülldruckkennlinie (Druck über Zeit oder Ist-Druck über Soll-Druck) zu approximieren und zum Anderen die signifikanten Druckpunkte (Abhebe- bzw. Anlagedruck) des Betätigungsvorganges (Befüllvorganges) aus dem approximierten Verlauf zu ermitteln. Dazu bedient sich die Erfindung der Tatsache, dass während der Kupplungsbetätigung bzw. während des Schließvorganges ein charakteristischer Signalverlauf des Druckes in bzw. vor dem die Kupplung betätigenden Zylinder entsteht. Der Druckverlauf wird messtechnisch erfasst und zur Approximation bzw. Ermittlung der relevanten Druckpunkte verwendet. Dazu wird der Druckverlauf in eine geeignete Anzahl von autarken Abschnitten unterteilt, die unabhängig voneinander behandelt und approximiert werden.
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Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass in einem hydraulisch betätigten System aufgrund des hydraulischen Druckes und des einfließenden Volumenstroms eine Kolbenbewegung einhergeht wodurch während des Betätigungsvorganges (bzw. des Schließvorganges bei einer Reibkupplung) eine Befülldruckkennlinie (Drucksignal über Zeit oder Solldruck) mit einem charakteristischen Verlauf entsteht. Dieser Verlauf ist abhängig sowohl von dem Solldruck-Verlauf, als auch von den Systemeigenschaften (Gegenkräfte, Trägheiten, Schließwege, Schließgeschwindigkeit) und weist charakteristische Punkte auf. Wird der Verlauf der Befülldruckkennlinie über der Zeit (oder Soll-Druck) betrachtet, ist es möglich, aus der Lage der charakteristischen Punkte auf die Systemeigenschaften Rückschlüsse zu ziehen. Die charakteristischen Punkte werden wie folgt dargestellt definiert. Die Befülldruckkennlinie des Drucks über der Befüllzeit wird als stückweise definierte Funktion angenommen, so befindet sich ein charakteristischer Punkt jeweils dort, wo der Gültigkeitsbereich eines Funktionsabschnittes endet und der der benachbarten Bereiche beginnt. Die charakteristischen Punkte beschreiben somit die Bereichsgrenzen der stückweise definierten Funktion, durch welche die Befülldruckkennlinie beschrieben wird.
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Der charakteristische Verlauf der Befülldruckkennlinie entsteht in Abhängigkeit des vorgegebenen Soll-Druckverlaufs, der beispielsweise in Form einer Rampe, eines Sprungs oder einer periodischen Funktion vorgegeben sein kann. Weitere Einflussgrößen sind die physikalischen Systemgegebenheiten, welche nachfolgend erklärt werden. Zu Beginn des Schließvorganges muss der sogenannte Blinddruck (Druck zur Überwindung der Gegenkräfte z.B. der Rückstellfeder, Reibung, usw.) überwunden werden. Bis dahin befindet sich das System in Ruhe. Aufgrund der mit steigendem hydraulischen Druck, einsetzenden Kolbenbewegung verändert (vergrößert) sich das Volumen des Befüllraumes. Das Fluid kann in den freigegebenen Raum einströmen und es resultiert eine Veränderung (Reduktion) des Druckanstiegs im Vergleich zum vorhergehenden Bereich. Ist die Kupplung (bzw. der diese betätigende Zylinder) soweit befüllt, dass die Kupplungsscheiben in Kontakt treten (bei einem Zylinder fährt der Kolben gegen Anschlag), erfolgt keine konstante Veränderung des Befüllraumes mehr. Der Druckanstieg erfolgt mit einem abweichenden Druckverlauf in Abhängigkeit von den Kontaktkräften, bis der Maximaldruck erreicht ist. Je nach Beschaffenheit des Systems können zusätzliche Effekte auftreten, die eine Änderung des Kennlinienverlaufs hervorrufen. Haben diese Effekte eine signifikante Größe, werden sie, überlagert mit den Veränderungen des Systemzustandes, eindeutig in der Befülldruckkennlinie abgebildet. Die Befülldruckkennlinie kann durch eine geeignete stückweise definierte Funktion beschrieben, die Teilfunktionen approximiert und der Kennlinienverlauf rekonstruiert werden. Aus dem rekonstruierten Kennlinienverlauf werden Bereichsgrenzen der Teilfunktionen ermittelt. Diese Grenzen können als Druckpunkte durch den zugehörigen Zeit- bzw. Druckwert beschrieben werden.
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Aufgrund der erläuterten Effekte kann der gemessene Druckverlauf in eine Anzahl voneinander unabhängiger Abschnitte unterteilt werden. Dadurch kann jeder beliebige Kennlinienverlauf in beliebig viele Bereiche unterteilt werden. Die Abgrenzung dieser Bereiche findet aufgrund von Verlaufsänderungen der Befüllkennlinie statt. Durch eine detaillierte Abgrenzung in unterschiedliche Abschnitte ist jeder beliebige Signalverlauf durch geeignete Funktionen charakterisierbar.
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Die einzelnen Bereiche werden durch geeignete Funktionsansätze approximiert, im einfachsten Fall durch einfache mathematische Funktionen, wie Geradengleichung, Polynome, E-Funktionen, Potenzfunktionen etc.
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Das Verfahren sieht nun vor, die Parameter jeder approximierenden Funktion für jeden einzelnen Bereich zu bestimmen. Dazu werden Parameterschätzverfahren für lineare bzw. nicht lineare Systeme (analytisch, rekursiv, iterativ) verwendet.
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Die vorangegangene Aufzeichnung der Druck- und Zeitwerte beginnt erst bei Erreichen eines vorgegebenen Druckniveaus. Dieser Punkt wird ebenfalls zur Approximation verwendet. Dadurch ist der Ordinatenabschnitt des unteren Abschnitts bereits definiert und wird als bekannt angenommen. Durch diese Maßnahme wird die Genauigkeit und Robustheit des Verfahrens erhöht.
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Darüber hinaus begrenzt der maximale Befülldruck ebenfalls die Aufzeichnung der Daten und signalisiert dem Identifikationsverfahren, dass kein Druckanstieg mehr stattfindet.
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Die Aufzeichnung erfasst messtechnisch den Druckverlauf während des Schließvorganges der hydraulisch betätigten Reibkupplung. Dabei kann der bestehende Druck (Druckverlauf) an beliebiger Stelle zwischen der Druckquelle und Zylinderkammer gemessen werden. Die Erfassung ist somit nicht auf eine bestimmte Position festgelegt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die aufgezeichneten Messdaten (Druck über Zeit oder Ist-Druck über Soll-Druck) die Basis zur Parameterschätzung bilden und die einzelnen Abschnitte der Befüllkennlinie mit einem identischen oder unterschiedlichen Schätzalgorithmen approximiert werden können. Dazu werden neben geeigneten Schätz- und Identifikationswerkzeugen auch die zuvor aufgezeichneten Messdaten verwendet. Die zu schätzenden Funktionsparameter der Teilfunktionen besitzen also einen Zusammenhang mit den aufgezeichneten Verläufen des Ist-Druckes, der Zeit (und/oder des Soll-Druckes).
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Die Erfindung sieht eine eindeutige Abgrenzung der einzelnen Funktionsabschnitte voneinander, über die zuvor aufgezeichneten Zeitwerte, vor. Die Grenzen jedes Abschnittes können mit Hilfe experimenteller Messwerte oder als zusätzliche Freiheitsgrade des Schätzalgorithmus ermittelt werden. Überschneidungen und Unsicherheiten können minimiert werden, indem nicht die gesamte Breite eines Bereiches für die Approximation verwendet, sondern beidseitig ein Sicherheitsabstand eingehalten wird, sodass ggf. einige äußere Zeitwerte aus der Betrachtung herausgenommen werden.
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Wie bereits beschrieben, ist es möglich, die Teilabschnitte der Befüllungskennlinie als Funktion des Solldruckes abzubilden und somit die Approximation der einzelnen Kennlinienverläufe Soll-Druckbasiert durchzuführen.
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Die Erfindung sieht vor, dass für alle linearen Abschnitte der Steigungs- und Ordinatenparameter ermittelt wird. Bei Abschnitten, die dagegen einen nichtlinearen Verlauf aufweisen, werden geeignete Funktionsansätze gewählt und Koeffizienten (Parameter) dieser Funktionen bestimmt.
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Die gesuchten Druck- und dazugehörigen Zeitpunkte der linear verlaufenden Bereiche können durch mathematische Beziehungen zwischen zwei benachbarten Bereichen analytisch bestimmt werden. Da jeder Bereich einzeln approximiert wird, kommt es zu Schnittpunkten zwischen den approximierten Verläufen zweier linearer Bereiche. Die gesuchten Druckpunkte liegen entweder direkt in diesen Schnittpunkten oder in einer definierten Umgebung des Schnittpunktes. Die Druckpunkte sind errechenbar, indem die approximierten Geradengleichungen der beiden angrenzenden Bereiche gleichgesetzt und nach dem gesuchten Zeitpunkt (oder Soll-Druckpunkt) aufgelöst werden. Eingesetzt in die approximierte Geradengleichung wird der gesuchte Druckpunkt errechnet.
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Ist eine analytische Bestimmung der Schnittpunkte zwischen linearen und nichtlinearen (oder zwei nichtlinearen) Funktionsabschnitten nicht möglich, kann der Schnittpunkt iterativ ermittelt werden. Dazu wird zuerst ein geeigneter Zeitstartpunkt (oder Soll-Druckpunkt) und eine Suchrichtung ermittelt. Durch iteratives Einsetzen des Argumentes und Vergleichen der resultierenden Funktionswerte wird der gesuchte Schnittpunkt zwischen den Abschnitten ermittelt. Die Schrittlänge und Suchrichtung wird dabei durch die Auswertung der resultierenden Funktionswerte beeinflusst. Bei großen Wertunterschieden werden große Schrittlängen und bei kleinen kleine Schrittlängen verwendet. Dadurch kann die erforderliche Anzahl der Iterationsschritte erheblich reduziert werden. Beim Unterschreiten eines definierten Toleranzbandes gilt der gefundene Funktionspunkt als Schnittpunkt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren sowohl einmalig, als auch mehrmals hintereinander ausgeführt werden kann. In letzterem Fall wird zur genauen Ermittlung der Druckpunkte der statistisch wahrscheinlichste Wert (z.B. Mittelwert) ermittelt.
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Ausführungsbeispiel
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Der Befüllvorgang einer elektro-hydraulisch betätigten Doppelkupplung stellt einen zentralen Vorgang zur Kupplungssteuerung in einem Doppelkupplungsgetriebe dar. Hierbei wird der Kolbenraum mit Getriebeöl befüllt. Der auf den Kupplungskolben wirkende hydraulische Druck (hier rampenförmiger Soll-Druckverlauf) bewirkt eine Verschiebung der Kupplungsplatten während des Schließvorganges. Dieser Vorgang ruft eine spezielle Befüllkennlinie hervor, die die entscheidenden Druckpunkte bei der Kupplungsbefüllung abbildet. 1 zeigt hierbei einen idealen Kennlinienverlauf mit Darstellung der charakteristischen Druckpunkte p_ab und p_an. In 2 ist ein real gemessener Druckverlauf als Funktion der Zeit dargestellt, wobei weiterhin die für die einzelnen Abschnitte stückweise gültigen Approximationsfunktionen mit eingezeichnet sind. Die Kennlinienverläufe der Druckkurven lassen sich in eine geeignete Anzahl voneinander unabhängiger Bereiche unterteilen. In 2 wird die reale Befüllkennlinie (real gemessener Druckverlauf – durchgezogene Kennlinie fettdruck) in drei Bereiche unterteilt. Der erste Bereich 1 ist durch einen linearen Verlauf charakterisiert, der durch eine lineare Funktion (Kennlinie mit Kreismarkierungen) approximierbar ist und den Druckverlauf bis zum Abhebedruck (p_ab – siehe 1) der Kupplungsplatten abbildet. Der zweite Bereich 2 welcher ebenfalls linear approximiert wird (Kennlinie mit Sternmarkierungen) stellt den Befüllkennlinienverlauf bis zum Anliegen der Kupplungsplatten (Anliegedruck, p_an) dar. Ein Anstieg des Druckes bis zum Solldruck bildet den dritten Bereich 3 der durch eine Exponentialfunktion approximierbar ist (Kennlinie mit Dreieckmarkierungen). Durch das Verfahren der stückweisen Approximation in den drei definierten Abschnitten können die relevanten Druckpunkte ermittelt werden. Diese Druckpunkte sind von elementarer Bedeutung bei der Identifikation des Kupplungsdruckes. Dass sich an der Stelle von elementaren Druckpunkten das Systemverhalten verändert, zeigt sowohl der Verlauf der Befülldruckkennlinie unter idealen Bedingungen (1), als auch unter realen Bedingungen (2).
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Die gesamte Befülldruckkennlinie stellt somit eine stückweise definierte Funktion dar. Zur Approximation der Befülldruckkennlinie werden alle Parameter der einzelnen Abschnitte ermittelt. Es ist möglich, den Ordinatenparameter des ersten Abschnittes konstant festzusetzen, indem die Daten für die Identifikation erst ab einem definierten Druckwert verwendet (aufgezeichnet) werden. Somit werden auch nur die relevanten Werte, in denen ein Druckanstieg stattfindet, erfasst. Es ist weiterhin möglich, z.B. durch einen gleitenden Mittelwertbildner (dieser stellt fest, dass über mehrere Zeitwerte kein Druckanstieg mehr stattgefunden hat) das Erreichen des Solldruckes und somit die Aufzeichnung der Druckwerte zu beenden.
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Die aufgezeichneten Werte dienen als Eingangsgrößen zur Parameterschätzung. Somit sind die einzelnen Abschnitte der Befüllkennlinie und die dazugehörigen Parameter eine Funktion der Druck-, Zeitwerte und/oder des Soll-Druckes. Die Parameter der beiden linearen Abschnitte werden mit Hilfe eines Schätzalgorithmus für lineare Systeme (z.B. Linear-Last-Square) ermittelt und die Parameter des exponentiellen Verlaufs mittels eines Schätzalgorithmus für nicht lineare Systeme (z.B. Gauss-Newton) bestimmt. Die einzelnen Bereiche können aus statistischen Untersuchungen repräsentativer Anzahl von Messreihen festgelegt und in Abhängigkeit des Solldruckes vorgegeben werden. Somit sind die einzelnen Abschnitte klar voneinander abgegrenzt. Um Überschneidungen und Unsicherheiten zu vermeiden, werden ggf. einige äußere Zeitwerte der einzelnen Abschnitte nicht in die Approximation einbezogen.
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Sind die Parameter eindeutig ermittelt, lassen sich die gesuchten Druckpunkte der linearen Abschnitte errechnen. Die Annahme, dass im Schnittpunkt oder der Umgebung zweier Approximationsfunktionen einer dieser Druckpunkte liegt, stellt die Basis zur Berechnung dar. Somit ist es möglich, die mathematische Beschreibung von zwei benachbarten Funktionen gleichzusetzen und nach dem Zeitpunkt aufzulösen. Durch Einsetzen des Zeitpunktes in die Funktion erhält man den gesuchten Druckpunkt.
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Die Bestimmung der Druckpunkte zwischen dem zweiten und dritten Bereich erfordert die Anwendung eines iterativen Suchverfahrens (feste oder variable Schrittweite). Setzt man den ermittelten Zeitwert in die Funktionsgleichung ein, erhält man den gesuchten Druckpunkt. Damit ist der Befülldruckverlauf einer Doppelkupplung eindeutig identifiziert und die signifikanten Punkte (Abhebe- bzw. Anliegedruckpunkt) der hydraulischen Betätigungseinrichtung ermittelt.
