Optimierung des Transientverhaltens von mobilen Arbeitsmaschinen

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1 Optimierung des Transientverhaltens von mobilen Arbeitsmaschinen VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug, Stuttgart, Juni 2012 Lars Henning, Peter Eckert, René Gegusch, Jörn Seebode, Tobias Töpfer

2 knallgrün/photocase.de Inhalt Optimierung des Transientverhaltens von mobilen Arbeitsmaschinen Einleitung & Problemstellung Virtuelle Entwicklungsumgebung Regelungstechnischer Ansatz Bedatungsmethodik Ergebnisse Zusammenfassung & Ausblick IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

4 Einleitung & Problemstellung Der Antriebsstrang mobiler Arbeitsmaschinen besteht häufig aus einer Kombination eines Motors und einer Hydraulikeinheit Typische Anwendungen sind z.b. Bagger, Kran oder Gabelstapler Die Lastanforderung der Hydraulik erfolgt schnell Der Motor kann systembedingt keine vergleichbare Dynamik leisten (Trägheit des Luftpfades) Folgen: Einbruch der Arbeitsdrehzahl Eingriff der Hydrauliksteuerung (Beschränkung der Dynamik oder der max. Lastaufnahme) Quelle: Advanced Lift-Truck Technology international 2011 IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

5 Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Einleitung & Problemstellung Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl Zeit [s] Der Antriebsstrang mobiler Arbeitsmaschinen besteht häufig aus einer Kombination eines Motors und einer Hydraulikeinheit Typische Anwendungen sind z.b. Bagger, Kran oder Gabelstapler Die Lastanforderung der Hydraulik erfolgt schnell Der Motor kann systembedingt keine vergleichbare Dynamik leisten (Trägheit des Luftpfades) Folgen: Einbruch der Arbeitsdrehzahl Eingriff der Hydrauliksteuerung (Beschränkung der Dynamik oder der max. Lastaufnahme) Ziel: Regelungsentwurf zur Steigerung der gesamten Maschinenleistung und zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

6 Einleitung & Problemstellung Fahrer Hydraulik- Anforderung Hydraulik-SG H Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpe Hydraulikeinheit Soll-Drehzahl Motor-SG Drehzahlregler Moment (Einspritzmenge) Ist-Drehzahl Motor IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

7 Einleitung & Problemstellung Fahrer Hydraulik- Anforderung M Hydraulik-SG H Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpe Hydraulikeinheit n Soll-Drehzahl Motor-SG Drehzahlregler Moment (Einspritzmenge) Ist-Drehzahl Motor Geringe Dynamik des Drehzahlregelkreis Dynamik und/oder max. Ist-Drehzahl Moment der Hydraulik wird begrenzt Keine optimale Ausnutzung der Leistungen von Motor und Hydraulik Kompromissapplikation (Dynamik vs. Stabilität) Hydraulikpumpe IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

9 Virtuelle Entwicklungsumgebung Velodyn for ComApps Anforderungen: Potentialstudien bzgl. neuer Antriebsstrangkonzepte (Hybrid, power boost, TEG) Übergreifende Optimierung von Energieflüssen bzgl. Wirkungsgrad und Regelanforderungen (Hydraulik / Mechanik / Elektrik) Analyse von Einflüssen durch Komponentenvariationen (Abgasnachbehandlung, Leistungsverzweigung, HV, Hydraulik, Nebenantriebe) Systemmodellierung mit variabler Abbildungstiefe der Komponenten IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

10 Virtuelle Entwicklungsumgebung Motormodell Turbo AGR Sensor- und Aktuatormodelle Motor Turbo-Diesel mit 1-stufiger Aufladung 0D-Mittelwert-Modell des Verbrennungsmotors Dynamische Modellierung des Luftpfads AGR VTG-Lader Soft-ECU Ladedruck-Regelung Rauchbegrenzung Drehzahl-Regelung AGR-Regelung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

11 Virtuelle Entwicklungsumgebung IAV MiL-Desk Echtzeitsimulation SiL/HiL-Umgebung MiL-Desk Verbindung von Echtzeitsimulation mit SiL-Systemen Übertragung von high fidelity Modellen in Echtzeitsysteme Integration in SiL/HiL-Systeme Implementierung virtueller Sensoren und Aktuatoren (z.b. Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten, Totzeiten, Dynamik) Vorteile: Virtuelle Entwicklungsumgebung Systemverhalten von Motor und Hydraulik Reduzierung der Entwicklungszeit IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

13 Regelungstechnischer Ansatz Fahrer Hydraulik- Anforderung M Hydraulik-SG H Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpe Hydraulikeinheit n Soll-Drehzahl Motor-SG Drehzahlregler Moment (Einspritzmenge) Ist-Drehzahl Motor IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

14 Regelungstechnischer Ansatz Fahrer Hydraulik- Anforderung Hydraulik-SG H Störgrößenaufschaltung G A Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpe Hydraulikeinheit Soll-Drehzahl Motor-SG Drehzahlregler Moment (Einspritzmenge) Ist-Drehzahl Motor Kompensation der Lastaufschaltung durch Störgrößenaufschaltung G A = G T / G O IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

15 Regelungstechnischer Ansatz Fahrer Hydraulik- Anforderung Hydraulik-SG H Störgrößenaufschaltung G A Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpeinheit Hydraulik- Störverhalten Übertragungsfunktion G T Soll-Drehzahl Motor-SG Drehzahlregler Moment (Einspritzmenge) Ist-Drehzahl Motor Kompensation der Lastaufschaltung durch Störgrößenaufschaltung G A = G T / G O Beschreibung des Störverhaltens durch die Übertragungsfunktion G T IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

16 Regelungstechnischer Ansatz Fahrer Hydraulik- Anforderung Hydraulik-SG H Störgrößenaufschaltung G A Moment (Schwenkwinkel) Hydraulikpumpeinheit Hydraulik- Störverhalten Übertragungsfunktion G T Soll-Drehzahl Motor-SG Verhalten des offenen Drehzahl- Regelkreises Moment regler (Einspritzmenge) Übertragungsfunktion G Motor O Ist-Drehzahl Kompensation der Lastaufschaltung durch Störgrößenaufschaltung G A = G T / G O Beschreibung des Störverhaltens durch die Übertragungsfunktion G T Beschreibung des Verhaltens des offenen Regelkreises durch die Übertragungsfunktion G O IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

17 u y Regelungstechnischer Ansatz Bestimmung der Übertragungsfunktionen Sprungförmige Änderung des Eingangs Übertragungsfunktion Sprungantwort G(z) u t G(z) y t t G z = Y(z) U(z) = b 0 a 1 z + a 0 t Beschreibung des Ein-/Ausgangsverhaltens durch Übertragungsfunktionen Identifikation der Modellparameter (a 1, a 0, b 0 ) durch Lösen einer Optimierungsaufgabe Optimierungsziel Minimierung der Summe der Fehlerquadrate zwischen Messung und Sprungantwort der Übertragungsfunktion IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

19 Moment Bedatungsmethodik 1. Anfahren eines Arbeitspunktes Drehzahl INCA MiL-Desk Quelle: Zugriff auf (virtuelles) Motor-SG über Applikations-Tool IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

20 Bedatungsmethodik Soll-Drehzahl [1/min] +10% Ist-Drehzahl [1/min] Zeit [s] 1. Anfahren eines Arbeitspunktes 2. Aufnahme von Sprungantworten: Sprungförmige Änderung des Lastmoments G T Sprungförmige Änderung der Soll-Drehzahl G O INCA MiL-Desk Quelle: Zugriff auf (virtuelles) Motor-SG und Datenerfassung mit Applikations-Tool IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

21 Bedatungsmethodik Daten Sprungantwort Parameteridentifikation 1. Anfahren eines Arbeitspunktes 2. Aufnahme von Sprungantworten: Sprungförmige Änderung des Lastmoments G T Sprungförmige Änderung der Soll- Drehzahl G O 3. Parameteridentifikation der Übertragungsfunktionen G T z = b 0 a 1 z+a 0 G O (z) = d 0 c 1 z+c 0 Aufbereitung der Sprungantworten und Anpassung der Modellparameter mit Hilfe von MATLAB IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

22 Bedatungsmethodik G T z = b 0 a 1 z+a 0 G O (z) = d 0 c 1 z+c 0 1. Anfahren eines Arbeitspunktes 2. Aufnahme von Sprungantworten: Sprungförmige Änderung des Lastmoments G T Sprungförmige Änderung der Soll- Drehzahl G O 3. Parameteridentifikation der Übertragungsfunktionen Störgrößenaufschaltung: G A (z) = G T(z) G O (z) = f 1z + f 0 e 1 z + e 0 4. Berechnung der Parameter der Störgrößenaufschaltung Berechnung der Parameter der Störgrößenaufschaltung mit MATLAB IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

23 Bedatungsmethodik INCA Quelle: G A (z) = f 1z + f 0 e 1 z + e 0 MiL-Desk Zugriff auf (virtuelles) Motor-SG und Bedatung über Applikations-Tool 1. Anfahren eines Arbeitspunktes 2. Aufnahme von Sprungantworten: Sprungförmige Änderung des Lastmoments G T Sprungförmige Änderung der Soll- Drehzahl G O 3. Parameteridentifikation der Übertragungsfunktionen 4. Berechnung der Parameter der Störgrößenaufschaltung 5. Bedatung der Störgrößenaufschaltung für den aktuellen Arbeitspunkt IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

24 Bedatungsmethodik CaliAV 1. Anfahren eines Arbeitspunktes CaliAV : Prozessorientierte, effiziente und automatisierte Applikation Tool-Schnittstelle zu MATLAB, INCA, MiL-Desk Graphische Programmierung des Prozessablaufes 2. Aufnahme von Sprungantworten: Sprungförmige Änderung des Lastmoments G T Sprungförmige Änderung der Soll- Drehzahl G O 3. Parameteridentifikation der Übertragungsfunktionen 4. Berechnung der Parameter der Störgrößenaufschaltung 5. Bedatung der Störgrößenaufschaltung für den aktuellen Arbeitspunkt IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

26 Einspritzung [mg/hub] Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl ohne Kompensation Ist-Drehzahl mit Kompensation Simulation eines Hubvorganges bei variabler Arbeitsdrehzahl Schnelle Lastaufschaltung Deutliche Regelabweichung ohne Kompensation des Lastmoments Schnellere Einregelung der Soll- Drehzahl mit Kompensation des Lastmoments ohne Kompensation mit Kompensation Zeit [s] Gutes Drehzahl-Regelverhalten durch die Störgrößenaufschaltung auch bei schnellen Lastwechseln IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

27 Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse Kaltstartverhalten Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl ohne Kompensation Ist-Drehzahl mit Kompensation Kaltstartverhalten mit 20 C Motortemperatur Lastmomentverlauf aus realen Messung eines Gabelstaplers (Dynamik der Lastaufschaltung wird begrenzt) Die Soll-Drehzahl wird mit Kompensation des Lastmomentes durch die Störgrößenaufschaltung schneller erreicht Zeit [s] Verbesserung des Kaltstartverhaltens durch die Störgrößenaufschaltung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

28 Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse Warmstartverhalten Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl ohne Kompensation Ist-Drehzahl mit Kompensation Dynamikverhalten mit 80 C Motorstarttemperatur Lastmomentverlauf aus realen Messung eines Gabelstaplers (Dynamik der Lastaufschaltung wird begrenzt) Drehzahleinbruch von ca. 5% ohne Kompensation Deutliche Reduzierung des Drehzahleinbruches mit Kompensation erreichbar Zeit [s] Verbesserung des Transientverhaltens durch die Störgrößenaufschaltung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

30 Zusammenfassung Einsatz einer modularen und flexiblen Entwicklungsumgebung für Funktionsentwicklung und Applikation Regelungstechnischer Entwurf einer Störgrößenaufschaltung zur Kompensation schneller Lastaufschaltungen IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

31 Zusammenfassung Einsatz einer modularen und flexiblen Entwicklungsumgebung für Funktionsentwicklung und Applikation Regelungstechnischer Entwurf einer Störgrößenaufschaltung zur Kompensation schneller Lastaufschaltungen Aufbau eines Applikationsprozesses zur Bedatung der neuen Funktion Verwendung von CaliAV zur automatisierten Bedatung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

32 Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Zusammenfassung Einsatz einer modularen und flexiblen Entwicklungsumgebung für Funktionsentwicklung und Applikation Regelungstechnischer Entwurf einer Störgrößenaufschaltung zur Kompensation schneller Lastaufschaltungen Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl ohne Kompensation Ist-Drehzahl mit Kompensation Aufbau eines Applikationsprozesses zur Bedatung der neuen Funktion Verwendung von CaliAV zur automatisierten Bedatung Die Störgrößenaufschaltung kann schnelle Lastaufschaltungen kompensieren und die Regelperformance erhöhen Zeit [s] IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

33 Ausblick Funktionsnachweis am Motorprüfstand bzw. an einer realen Anwendung Validierung des Applikationsprozesses Ausbau der Entwicklungsumgebung für weitere Anwendungen Aufbau weiterer automatisierter Applikationsprozesse mit CaliAV IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni

34 Vielen Dank IAV GmbH Entwicklungszentrum Carnotstrasse 1 Phone: Berlin Fax:

35 IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni