Optimierung des Transientverhaltens von mobilen Arbeitsmaschinen VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug, Stuttgart, Juni 2012 Lars Henning, Peter Eckert, René Gegusch, Jörn Seebode, Tobias Töpfer
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 2012 2
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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 2012 4
Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Einleitung & Problemstellung 100 80 60 40 20 0 2000 1500 1000 500 Soll-Drehzahl Ist-Drehzahl 0 5 10 15 20 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 2012 5
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 2012 6
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 2012 7
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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 2012 9
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 2012 10
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 2012 11
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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 2012 13
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 2012 14
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 2012 15
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 2012 16
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 2012 17
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Moment Bedatungsmethodik 1. Anfahren eines Arbeitspunktes Drehzahl INCA MiL-Desk Quelle: www.etas.com Zugriff auf (virtuelles) Motor-SG über Applikations-Tool IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 19
Bedatungsmethodik 1700 1500 1300 1700 1500 Soll-Drehzahl [1/min] +10% Ist-Drehzahl [1/min] 1300 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 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: www.etas.com Zugriff auf (virtuelles) Motor-SG und Datenerfassung mit Applikations-Tool IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 20
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 2012 21
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 2012 22
Bedatungsmethodik INCA Quelle: www.etas.com 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 2012 23
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 2012 24
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Einspritzung [mg/hub] Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse 100 75 50 25 0 2100 1900 1700 1500 1300 50 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 40 30 20 10 ohne Kompensation mit Kompensation 0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 Zeit [s] Gutes Drehzahl-Regelverhalten durch die Störgrößenaufschaltung auch bei schnellen Lastwechseln IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 26
Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse Kaltstartverhalten 80 60 40 20 0 2100 1800 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 1500 1200 900 8 9 10 11 12 13 14 Zeit [s] Verbesserung des Kaltstartverhaltens durch die Störgrößenaufschaltung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 27
Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Ergebnisse Warmstartverhalten 80 60 40 20 0 2100 1800 1500 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 1200 900 8 9 10 11 12 13 14 Zeit [s] Verbesserung des Transientverhaltens durch die Störgrößenaufschaltung IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 28
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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 2012 30
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 2012 31
Drehzahl [1/min] Lastmoment [%] Zusammenfassung Einsatz einer modularen und flexiblen Entwicklungsumgebung für Funktionsentwicklung und Applikation Regelungstechnischer Entwurf einer Störgrößenaufschaltung zur Kompensation schneller Lastaufschaltungen 80 60 40 20 0 2100 1800 1500 1200 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 900 8 9 10 11 12 13 14 Zeit [s] IAV VDI-Konferenz Motorenentwicklung im Nutzfahrzeug Stuttgart Juni 2012 32
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 2012 33
Vielen Dank IAV GmbH Entwicklungszentrum Email: lars.henning@iav.de Carnotstrasse 1 Phone: +49 30 39978-9194 10587 Berlin Fax: +49 30 39978-8108
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