Vom funktionalen Entwurf mit physikalischer Modellierung bis zum vollständigen Test mechatronischer Systeme in der virtuellen und realen Umgebung

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1 Vom funktionalen Entwurf mit physikalischer Modellierung bis zum vollständigen Test mechatronischer Systeme in der virtuellen und realen Umgebung Jens Schindler, Andreas Abel ITI GmbH Firmenlogo

2 Agenda Was ist physikalische Modellierung? Effiziente Streckenmodellierung in ITI SimulationX Modellsynergien im Produktentwicklungsprozess Maximale Effizienz und Flexibilität für den Anwender Wie wird ein physikalisches Modell echtzeitfähig? Modellanpassung und reduktion Zugeschnittene Funktionen im SimulationX zum Erreichen und Sichern der Echtzeitfähigkeit Wie werden physikalische Modelle in die NI Hardware- und Softwarewelt integriert? C-Code-Erzeugung aus SimulationX Demonstration

3 Agenda Was ist physikalische Modellierung? Effiziente Streckenmodellierung in ITI SimulationX Modellsynergien im Produktentwicklungsprozess Maximale Effizienz und Flexibilität für den Anwender Wie wird ein physikalisches Modell echtzeitfähig? Modellanpassung und reduktion Zugeschnittene Funktionen im SimulationX zum Erreichen und Sichern der Echtzeitfähigkeit Wie werden physikalische Modelle in die NI Hardware- und Softwarewelt integriert? C-Code-Erzeugung aus SimulationX Demonstration

4 Physikalische Modelle im Produktentwicklungsprozess Konzept Fallstudien Machbarkeitsanalysen Spezifikation Performance-Vorhersage MiL für Reglerentwicklung Funktionstest Prototypentest modellbasierte Echtzeitmessung Datenanalyse & Interpretation Modelbasierte Prüfstände HiL Echtzeitmodelle Offline Simulation Implementation Variantenstudien Virtueller Test, DoE SiL für Reglerentwicklung Real-Time Simulation

5 Modellierungsansätze und Methoden Mehrkörpersysteme Physikalische Netzwerkmodelle Transition-Activity Gleichungen, Algorithmen Zustandsdiagramme Signalflussmodelle Physikalische Modellierung

6 Vorteile physikalischer Modelle Physikalisches Modell Signalflussmodell Gleichungsbasiertes Modell Bsp: Zweimassenschwinger Eineindeutige Korrespondenz zwischen realem System und Modell: System- und Verbindungsstruktur Komponenten, Substrukturen, Hierarchien Zuordnung von Parametern und Ergebnisgrößen Optimal lesbare und handhabbare Modelle Physikalische Modellierung

7 Physikalische Analogien Elemente verschiedener physikalische Domänen unterliegen ähnlichen Gesetzmäßigkeiten Einheitliche Modellierungsmethoden und Simulation multiphysikalischer Systeme mit einem einzigen Modell sind umsetzbar! Gesamtsystemsimulation in SimulationX Physikalische Modellierung

8 SimulationX: Bremsanlage Simulation von Bremsen, ABS, ESP Multiphysikalisch: Hydraulik, Pneumatik, Mechanik Hierarchisch: Ventilblock, Bremskraftverstärker, Bremsventil Physikalische Modellierung

9 SimulationX: Blockheizkraftwerk Dezentrale Energieversorgung Heizung und Warmwasser (Thermik, Fluid) Lokale elektrische Verbraucher und Energieeinspeisung ins Netz (Elektrik) Motor-Generator-Einheit (Mechanik) Regler (Algorithmen, externer Code) Langzeitsimulation Wesentlich schneller als Echtzeit Physikalische Modellierung

10 Agenda Was ist physikalische Modellierung? Effiziente Streckenmodellierung in ITI SimulationX Modellsynergien im Produktentwicklungsprozess Maximale Effizienz und Flexibilität für den Anwender Wie wird ein physikalisches Modell echtzeitfähig? Modellanpassung und reduktion Zugeschnittene Funktionen im SimulationX zum Erreichen und Sichern der Echtzeitfähigkeit Wie werden physikalische Modelle in die NI Hardware- und Softwarewelt integriert? C-Code-Erzeugung aus SimulationX Demonstration

11 Physikalische Streckenmodelle für Echtzeit Physikalische Modelle in allen Phasen der Komponenten- und Systementwicklung verwendet Reglerentwicklung benötigt Modelle für MiL, SiL und HiL Tests Nutzung vorhandener physikalischer Modelle: Reduzierter Modellierungsaufwand Validierte Modelle Offene und schnell anpassbare Modelle Zeit- und Kostenvorteile ABER: Modelle nicht ad hoc echtzeitfähig Anpassung durch Modellierer erforderlich Echtzeitfähige physikalische Modelle

12 Anforderungen an Echtzeitmodelle System gewöhnlicher Differenzialgleichungen (ODE) Konstante Berechnungszeit t B Keine iterativen Algorithmen Schnelle Suchverfahren für Kurven und Kennfelder (Ausnutzung von Monotonie und Nachbarschaft) Berechnung muss im vom Echtzeitsystem vorgegebenen Zeitschlitz Δt abgeschlossen sein Abhängig von Modellkomplexität (Zahl der Zustände, numerische Operationen, Eigenfrequenzen und Zeitkonstanten, Nichtlinearitäten) z y f ( z, x); z(0) z0 g( z, x) t B Δt t Echtzeitfähige physikalische Modelle

13 Erreichen von Echtzeitfähigkeit mit SimulationX Identifikation langsamer Modellteile: Eigenfrequenzanalyse (SimulationX-Funktion) Performance-Analyse Differenzialgleichungslöser (SimulationX-Funktion) Modellreduktion: Parametrische Abschaltung hochdynamischer Effekte in Modellobjekten (SimulationX-Funktion) In-place Ersetzung von komplexer Komponentenmodelle durch einfachere unter Erhalt von Parametern und Verbindungsstrukturen (SimulationX-Funktion) Performance-Test: Testläufe mit den Echtzeitlösern direkt in SimulationX Echtzeitfähige physikalische Modelle

14 Agenda Was ist physikalische Modellierung? Effiziente Streckenmodellierung in ITI SimulationX Modellsynergien im Produktentwicklungsprozess Maximale Effizienz und Flexibilität für den Anwender Wie wird ein physikalisches Modell echtzeitfähig? Modellanpassung und reduktion Zugeschnittene Funktionen im SimulationX zum Erreichen und Sichern der Echtzeitfähigkeit Wie werden physikalische Modelle in die NI Hardware- und Softwarewelt integriert? C-Code-Erzeugung aus SimulationX Demonstration

15 Beispiel: Doppelkupplungsgetriebe Grundfunktionen Steuerung Voll schaltbar dynamisches physikalisches Modell (Triebstrangschwingungen, Gangwechselzeiten, ) Synchronisierungen Source: VW AG Kupplungen Anbindung an National Instruments Hardware und Software

16 Kundenanforderungen und -vorteile Anforderungen Echtzeitmodell eines DKG, welches nicht nur reine Funktions- und Fehlerabsicherungstests unterstützt, sondern auch dynamisches Verhalten abbildet und damit zur Auslegung geeignet ist Physikalisch plausibles Verhalten von Kupplungen und Synchronisierungen Vorteile Vom Anwender definierte Modellkomplexität, die mit zukünftigen Aufgaben wachsen kann An Echtzeit-Aktuatorikmodelle anbindbar Direkte Code-Generierung aus SimulationX auf das Target Anbindung an National Instruments Hardware und Software

17 Zusammenfassung Physikalische Modellierung erlaubt eine effiziente und anwenderfreundliche Implementation von Streckenmodellen für Echtzeitanwendungen. Modellsynergien zur Komponentenentwicklung können effizienzsteigernd und kostensenkend ausgenutzt werden. SimulationX bietet eine nahtlose Anbindung von physikalischen Streckenmodellen an NI VeriStand und NI LabVIEW für Echtzeitanwendungen und hat dies bereits in Kundenprojekten unter Beweis gestellt.