Systemsimulation
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engl: system simulation Kategorie: 
Level 2 Theorie Methoden
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Inhaltsverzeichnis |
Simulation
Die Systemsimulation im Umfeld der numerischen computer-gestützten Simulation ist geprägt durch die Verbindung von Physiken und Simulationsmodellen in einer Simulation. Dabei geht es darum, die Freiheitsgrade oder physikalischen Eigenschaften der von unterschiedlichen Teil-Systemen miteinander zu koppeln und die gegenseitigen Einflüsse zu berücksichtigen. Das Ziel ist eine Verbindung mehrerer Teil-Systeme zu einem Gesamt-System.
Beispiel: Hybrid-Fahrzeug mit Teil-Systemen
- für die mechanischen Antriebseinheiten (Motoren, Wellen, Getriebe, ..),
- für die elektrischen Antriebs-Bauteile (Batterie, ..),
- für die Steuerungs-Software,
- ...
In der Abbildung rechts ist ein Beispiel einer Systemsimulation dargestellt. Das System ist ein Hybridfahrzeug. Die Teile des Systems sind eine elektrische Versorgung, ein Elektromotor, Steuer- und Messeinheiten, mechanische Teile mit Massen und Trägheiten und physikalische Ergebnisgrößen wie Drehmoment und Geschwindigkeit. Die Simulation verwendet jeweils die geeigneten Zustandsgrößen, um die Interaktion zwischen diesen Teil-Simulationsmodellen abzubilden.
Das Ziel solcher Simulationen ist eine Auslegung des Systems mit den verschiedenen Bestandteilen.
Mit einer Studie der Sensitivität kann untersucht werden, welche Auswirkungen die Variation einzelner Parameter des Systems hat. Eine solche Sensitivitäts-Studie wird als eine Folge einzelner (voneinander unabhängiger) Simulationen durchgeführt. Im Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Varianten kann der Einfluss der Parameter beurteilt werden.
Durch eine RDO-Optimierung (Robust Design Optimization) kann eine solche Parameter-Variation zielgerichtet automatisiert werden. Damit wird durch eine numerisch gesteuerte Folge der Varianten eine stetige Verbesserung des Systems simuliert werden.
Grundlagen
Grundlagen der Systemsimulation sind Teil-Systeme (Teil-Simulationsmodelle), die jeweils angemessen das physikalische Verhalten abbilden. Ein solches Teil-System kann zum Beispiel ein FEM-Modell des Antriebsstranges des Fahrzeugs sein, das die Elastizitäten der Motor- und PowerTrain-Komponenten abbildet und deren strukturdynamisches Verhalten. Ein anderes Teil-System kann der elektrische Teil des Antriebssystems sein.
Diese Teil-Systeme müssen gekoppelt und zu einem Gesamt-System verbunden werden. Dazu werden die Teil-Systeme durch eine Systemreduktion auf diejenigen Freiheitsgrade oder physikalischen Eigenschaften kondensiert, die für die Kopplung mit den anderen Teil-Systemen maßgebend sind.
Beispiele
Prinzipbeispiel Maschinenportal
Die Abbildung rechts zeigt ein Prinzipbild eines Maschinenportals. Der blaue Portalrahmen steht über einem Werkstück (das ist das graue Viereck), nimmt das Werkstück an der rechten Position auf und hebt es an. Dann verfährt das Portal seitlich nach links und setzt an der Endposition links das Werkstück wieder ab.
Die wesentlichen Bewegungen dabei sind der Hebevorgang und der horizontale Verfahrvorgang.
Eine ungeregelte Ansteuerung der Motoren für diese Bewegungen ergibt, dass zunächst rechts das Werkstück angehoben wird. Das horizontale Verfahren von rechts nach links wird durch das Motorverhalten bestimmt, in 1. Näherung wird es rechteckig sofort mit Sollgeschwindigkeit stattfinden und am Endpunkt sofort zum Stillstand abbremsen. Durch diese Bewegungsfolge wird die Last pendeln und am Endpunkt links pendelnd abgesetzt. Der genaue Absetzpunkt ist dadurch unbestimmt.
Eine geregelte Ansteuerung der Motoren für diese Bewegungen ergibt, dass nach dem Anheben rechts das horizontale Verfahren von rechts nach links so gesteuert wird, dass das Pendeln verhindert wird. Am Endpunkt wird so abgebremst, dass das Werkstück wie auf einer Flugbahn gezielt am Endpunkt landet. Eine kluge Regelung kann sogar über eine Kraftmessdose feststellen und berücksichtigen, wie schwer das aktuelle Werkstück ist, und so das dynamische Verhalten jeweils anpassen. Der gewünschte Absetzpunkt wird dadurch exakt getroffen.
Robotersystem
Solche Reglersysteme sind für Roboter bereits im Einsatz. Eine Simulation dieses Systems dient dazu, eine möglichst perfekte Reglerauslegung zu entwickeln. Bestandteile des Systems sind die mechanischen Eigenschaften des Roboters, wobei die Einzelteile und die Gelenke und Stellglieder berücksichtigt werden, und elektrische, mechatronische und elektronische Bereiche. Ein Beispiel eines solchen Roboters, bei dem es auf höchste Präzision ankommt, ist eine Messrobotic-Zelle. Damit wird im Automobilbau die Formgenauigkeit von Teilen wie PKW-Türen geprüft. Die Messgenauigkeit des Sensors am Roboter-Arm liegt im Mikrometer-Bereich. Diese hohe Anforderung steht im Gegensatz zu einer möglichst schnellen Positionierung und der dabei auftretenden Verformungen, Verzögerungen, Überschwing-Erscheinungen und anderen unerwünschten Abweichungen.
Typische Beispiele des technischen Alltags
Typische Anwendungen der Systemsimulation im technischen Alltag sind
- Hybrid-Fahrzeuge HEV (hybrid electric vehicles): Die Bestandteile des Systems und Einflüsse darauf sind gegeben durch die elektrischen Antriebe, Getriebe, Batterien als Energiequelle, deren Lade- und Entladesteuerung, die Software-Steuerung (embedded systems), die Fahrdynamik des Fahrzeugs, die Widerstände des Fahrweges.
- Windräder: Bestandteile des Systems und Einflüsse darauf sind gegeben durch den aktuellen Wind, das fluiddynamische Verhalten der Flügel, die Regelung der Blattstellung, das dynamische Verhalten der Kraftübertragung, das elektrische Verhalten des Generators, die Regelungseinflüsse bei der Netzeinspeisung.
- Werkzeugmaschinen: Bestandteile des Systems und Einflüsse darauf sind gegeben durch den Schneidevorgang am Werkstück, das mechanische Verhalten des Werkzeuges, dessen Halterung bzw. Einspannung (Spannfutter), das dynamische mechanische Verhalten der Spindel und des gesamten Maschinenträgers, Änderungen durch Temperaturen und die Aufheizung an allen diesen Positionen, die Steuerungs- und Regelungs-Software der Maschine.
- Roboter, Kranfahrzeuge, Betonpumpen, Feuerwehr-Drehleitern: Alle diese Konstruktionen müssen beim Verfahren die Endposition möglichst schnell, aber auch möglichst genau und ohne Überschwingen erreichen. Die Bestandteile des Systems und Einflüsse darauf sind gegeben durch die Steifigkeiten der Mechanik (des Armes, des Auslegers), die Steifigkeiten der Abstützung, Eigengewicht und Lasten in den verschiedenen Positionen, die aktiven Komponenten (Linearmotoren, Hydraulikzylinder), die Steuerung und Regelung sowie zahlreiche Sensoren und Messwertaufnehmer.
Publikationen
Eine Veröffentlichung über die Simulation eines E-Fahrzeug-Systems beschreibt die Anforderungen und Lösungen für diesen Technikbereich.
