Echtzeitsimulation hydraulischer Antriebe Vom Analogrechner zum FPGA. Peter Beater

Transkript

1 Echtzeitsimulation hydraulischer Antriebe Vom Analogrechner zum FPGA Peter Beater Zeitlicher Ablauf Analogrechner Digitalrechner FPGA Hydrostatisches Getriebe PC-Simulation (offline / real time) FPGA in Echtzeit ASIM P. Beater FH-SWF - 1

2 Die Anfänge - Analogrechner - 60er bis 80er Signale durch Analogspannungen dargestellt - Kabelprogrammierung Gerätetechnik Verstärker Integrierer Summierer Potentiometer Schaltbrett zum Programmieren Voltmeter Linienschreiber Oszillograph Nichtlinearitäten machbar w. Oppelt Kleines Handbuch ASIM P. Beater FH-SWF - 2

3 Die Anfänge - Analogrechner - 60er bis 80er Signale durch Analogspannungen dargestellt Einsatz Lineare Systeme Geringe Systemordnung Begrenzter Wertebereich Begrenzte Auflösung ECHTZEIT Parallele Arbeitsweise Programmdokumentation? I. Forster Diss RWTH Aachen ASIM P. Beater FH-SWF - 3

4 Echtzeitsimulation Hydraulik Die Anfänge - Analogrechner - 60er bis 80er Signale durch Analogspannungen dargestellt ASIM P. Beater FH-SWF - 4

5 Der nächste Schritt - Digitalrechner - 80er bis heute Signalverläufe durch numerische Lösung von Differentialgleichungen Gerätetechnik Frei programmierbarer Prozessor (Boolesche Verknüpfungen) Sequentielle Arbeitsweise ein Befehl nach dem nächsten Tastatur, Bildschirm Massenspeicher, Plotter, Drucker Gleitkommaeinheit AD- und DA-Wandler ASIM P. Beater FH-SWF - 5

6 Der nächste Schritt - Digitalrechner - 80er bis heute Signalverläufe durch numerische Lösung von Differentialgleichungen Einsatz Nichtlineare Systeme Beliebige Systemordnung Sehr großer Wertebereich bei Gleitkommadarstellung Sehr große Auflösung Spezielle Sprachen zur Simulation ECHTZEIT???? ASIM P. Beater FH-SWF - 6

7 Der nächste Schritt - Digitalrechner - 80er bis heute Dynamik hydraulischer Systeme p 1 p 2 Die Zeitkonstante für den Druckaufbau ergibt sich bei einem Volumen V = 330 ml und einem Blendendurchmesser d = 1 mm bei üblichem Öl zu: 2 V kl ν ρ = 30µ s d β π T = 3 ASIM P. Beater FH-SWF - 7

8 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik digitaler Analogrechner Gerätetechnik Boolesche Algebra Addition, Subtraktion Einige Multiplizierer (18*18 Bit) Taktfrequenz 40 MHz VHDL natürliche Programmiersprache Programmierung durch Bitfile ASIM P. Beater FH-SWF - 8

9 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik Ansatz von National Instruments Corp. Einsatz Graphische Programmierung LabVIEW Festkommazahlen Kontrollstrukturen Modularisierung durch SubVI Echtzeituhren AD- DA-Wandler im CompactRIO ASIM P. Beater FH-SWF - 9

10 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik LabVIEW ASIM P. Beater FH-SWF - 10

11 Lagerreibung Schwungrad Trägheitsmoment I Moment T ASIM P. Beater FH-SWF - 11

12 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik LabVIEW ASIM P. Beater FH-SWF - 12

13 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik LabVIEW ASIM P. Beater FH-SWF - 13

14 Softwaremäßig konfigurierbare Digitaltechnik ASIM P. Beater FH-SWF - 14

15 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe Verstellpumpe Hochdruckschlauch Druckraum Hydraulik- Motor M Dieselmotor Last (Fahrzeug) Füllpumpe Druckbegrenzungsventil Rückschlagventil ASIM P. Beater FH-SWF - 15

16 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 16

17 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 17

18 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 18

19 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 19

20 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 20

21 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ASIM P. Beater FH-SWF - 21

22 20 Beispiel: Hydrostatisches Getriebe ω Motor (rad/s) Zeit (s) ω Diesel (rad/s) Zeit (s) Druck (Pa) 9e+006 8e+006 7e+006 6e+006 5e+006 4e+006 3e+006 2e+006 1e+006 0e Zeit (s) HIL PC ASIM P. Beater FH-SWF - 22

23 Literatur W Oppelt Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge Verlag Chemie I Forster Elektrohydraulisch Lastsimulation 1988 P Beater Entwurf hydraulischer Maschinen Springer 1999 P Beater Modeling and Real-Time Simulation of Hydraulic Drives An Introduction to the Fluid Power Toolset for LabVIEW, CompactRIO and LabVIEW-FPGA, Kindle ebook, geplant Frühjahr 2013 N Kehtarnavaz, S Mahotra Digital signal processing laboratory LabVIEW Based FPGA Implementation BrownWalker Press 2011 Fluid Power Toolset for LabVIEW geplant Frühjahr 2013 ASIM P. Beater FH-SWF - 23