Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung einer hydraulischen Belastungseinheit eines Windkraftprüfstandes mit MATLAB/Simulink und Speedgoat

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1 Innovative Power Transmission Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung einer hydraulischen Belastungseinheit eines Windkraftprüfstandes mit MATLAB/Simulink und Speedgoat RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

2 RENK Test System GmbH Mitglied der MAN-Gruppe im Volkswagen-Konzern RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

3 RENK Test System GmbH Produktspektrum Personen- und Nutzfahrzeuge Luftfahrzeuge Windenergieanlagen Schienenfahrzeuge Militärische Fahrzeuge RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

4 Das Projekt Prüfstand für Windenergieanlagen RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

5 Das Projekt Entwicklung des Prüfstands Die Herausforderungen Neuentwicklung einer hydraulischen Belastungseinheit Enger Zeitplan Entwicklung der Regelung parallel zur Hardwareentwicklung Komplexer Regelungsalgorithmus notwendig RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

6 Das Projekt Entwicklung des Prüfstands Die Herausforderungen Neuentwicklung einer hydraulischen Belastungseinheit Enger Zeitplan Entwicklung der Regelung parallel zur Hardwareentwicklung Komplexer Regelungsalgorithmus notwendig Die Lösung Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

7 Vorgehen Entwicklungsablauf Erstellung eines Simulationsmodells der Belastungseinheit in MATLAB/Simulink Entwicklung und Optimierung der Regelung am Modell Durchführung einer virtuellen Inbetriebnahme der Regelung, mit Hilfe eines Rapid Prototyping Systems (Speedgoat) RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

8 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Gesamtmodell Modellierung aller relevanter Komponenten Unterteilung des Modells in zwei Teilsysteme - Hydraulisches Teilsystem - Mechanisches Teilsystem Schnittstelle zwischen hydraulischen und mechanischen System ist der Zylinderdruck RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

9 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Mechanisches Teilsystem Aufbringen einer definierten Kombination aus Zylinderkräften Biegemomente und Kräfte am Prüfling RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

10 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Mechanisches Teilsystem Modell der Belastungsscheibe und Prüfling Belastungsscheibe und Welle als starre Körper Prüfling als Elastizität modelliert (Angabe vom Kunden) RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

11 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Mechanisches Teilsystem Mechanik der Zylinder Drei Körper: Gehäuse, Kolben und Gleitlager Kugelgelenk zw. Kolben und Gleitlager Translation zw. Kolben und Gehäuse Elastizität der Gehäuseanbindung Elastizität des Ölfilms RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

12 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Mechanisches Teilsystem SimMechanics Modell der Mechanik Modell hat sehr viele Freiheitsgrade Lange Simulationszeiten Ergebnisse Ermittlung von Eigenfrequenzen Kontrolle der Bewegungen Untersuchung von Querbeeinflussungen RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

13 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Mechanisches Teilsystem Querbeeinflussungen Bewegung der Scheibe bei Belastung Ausgleichsbewegung der passiven Zylinder, damit keine Störkräfte entstehen Richtung der Kraftvektoren können sich durch Scheibenbewegung ändern RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

14 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Hydraulisches Teilsystem Untersuchung der Hydraulikversorgung Abbildung der Hydraulik in SimHydraulics Modell eines Kolbendruckspeichers Modellierung der Temperatureinflüsse RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

15 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Hydraulisches Teilsystem Muss die Hydraulikversorgung berücksichtigt werden? Untersuchung der Einflüsse hoher Volumenströme auf den Versorgungsdruck Korrekte Auslegung der Kolbendruckspeicher RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

16 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Hydraulisches Teilsystem Muss die Hydraulikversorgung berücksichtigt werden? Untersuchung der Einflüsse hoher Volumenströme auf den Versorgungsdruck Korrekte Auslegung der Kolbendruckspeicher Ergebnis Einflüsse auf die Regelung können vernachlässigt werden RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

17 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Hydraulisches Teilsystem Simulink Modell der Ventile 3-stufige Proportionalventile (Qn = 1500 l/min) Ventilmodell von Hersteller (Black-Box-Modell) Modell wurde vom Hersteller verifiziert Modell beinhaltet Nullüberdeckung, Linearität, Ansprech- und Stellzeiten RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

18 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Hydraulisches Teilsystem Simulink Modell der Zylinder-Hydraulik Einfaches Modell einer Druckkammer Bereits mehrfach eingesetzt und verifiziert RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

19 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Gesamtmodell Gesamtmodell (Mechanik + Hydraulik) Bewegungsanalyse der Mechanik Untersuchung von Querbeeinflussungen Ermittlung von Eigenfrequenzen Stabilität der Ölversorgung (Aggregat, Druckspeicher) Ventileigenschaften (Nullüberdeckung, Linearität, Ansprech- und Stellzeiten) Prüfung und Optimierung der Prüfstandhardware RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

20 Erstellung eines Modells der Regelstrecke Gesamtmodell Gesamtmodell (Mechanik + Hydraulik) Bewegungsanalyse der Mechanik Untersuchung von Querbeeinflussungen Ermittlung von Eigenfrequenzen Stabilität der Ölversorgung (Aggregat, Druckspeicher) Ventileigenschaften (Nullüberdeckung, Linearität, Ansprech- und Stellzeiten) Prüfung und Optimierung der Prüfstandhardware Gesamtmodell zu komplex zur Entwicklung der Regelung RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

21 Entwicklung und Optimierung der Regelung Analyse des Systemverhaltens Vereinfachung / Linearisierung Sukzessive Vereinfachung des Gesamtmodells Linearisierung des Modells Abgleich mit dem Anfangsmodell Ergebnis Simulink-Modell ohne SimScape Identifizierung des Systemverhalten am Blockschaltbild RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

22 Entwicklung und Optimierung der Regelung Entwicklung der Regelung auf Basis des vereinfachten Modells Auswahl und Prüfung verschiedener Regleransätze Optimierung in einem iterativen Prozess Test der Regelung am Anfangsmodell RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

23 Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme Codegenerierung Regler Codegenerierung mit Simulink-Coder Einfügen in Prüfstandsoftware RDDS - MATLAB/Simulink SimMechanics Regelung Automatische Code Generierung Modell der Belastungseinheit Regelstrecke Codegenerierung mit Simulink Real-Time Download auf Speedgoat- Echtzeitrechner Simulink Real-Time - Regelung EtherCAT Modell der Belastungseinheit Separierung des Reglers von der Regelstrecke Test des Reglers im RDDS-Automatisierungssystem RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

24 MATLAB/Simulink Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme SimMechanics Vorteile der Methode - Regelung Modell der Belastungseinheit Virtuelle Inbetriebnahme Automatische Code Generierung Simulink Real-Time - Regelung EtherCAT Modell der Belastungseinheit Test der Implementierung Prüfung der Auswirkung von Laufzeiten Simulation von Sonderzuständen RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

25 Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme Ablauf der virtuellen Inbetriebnahme MATLAB/Simulink SimMechanics Inbetriebnahme an der realen Anlage - Regelung Modell der Belastungseinheit Ersetzen des Speedgoat-Rechners durch Anschluss der realen Prüfstandkomponenten Automatische Code Generierung Simulink Real-Time - Regelung Modell der Belastungseinheit EtherCAT Inbetriebnahme der realen Anlage - Regelung EtherCAT RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

26 Zusammenfassung Nutzen und Vorteile der Methode Frühzeitige Verifikation und Optimierung der mechanischen und hydraulischen Konstruktion Risikominimierung bei der Inbetriebnahme Einsparung von Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeit RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

27 RENK Test System GmbH Danke für Ihre Aufmerksamkeit! RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung

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