Page 1
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 1
Modellbasierte Entwicklung und Test
der Regelung einer hydraulischen Belastungseinheit
eines Windkraftprüfstandes
mit MATLAB/Simulink und Speedgoat
12.05.2015
Innovative Power Transmission
Page 2
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 2
RENK Test System GmbHMitglied der MAN-Gruppe im Volkswagen-Konzern
Page 3
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 3
RENK Test System GmbHProduktspektrum
Luftfahrzeuge
Schienenfahrzeuge
Personen- und Nutzfahrzeuge
Windenergieanlagen
Militärische Fahrzeuge
Page 4
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 4
Das ProjektPrüfstand für Windenergieanlagen
Page 5
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 5
Die Herausforderungen
Neuentwicklung einer hydraulischen Belastungseinheit
Enger Zeitplan
Entwicklung der Regelung parallel zur Hardwareentwicklung
Komplexer Regelungsalgorithmus notwendig
Das ProjektEntwicklung des Prüfstands
Page 6
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 6
Die Lösung
Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung
Die Herausforderungen
Neuentwicklung einer hydraulischen Belastungseinheit
Enger Zeitplan
Entwicklung der Regelung parallel zur Hardwareentwicklung
Komplexer Regelungsalgorithmus notwendig
Das ProjektEntwicklung des Prüfstands
Page 7
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 7
Erstellung eines Simulationsmodells der Belastungseinheit in
MATLAB/Simulink
VorgehenEntwicklungsablauf
Entwicklung und Optimierung der Regelung am Modell
Durchführung einer „virtuellen Inbetriebnahme“ der Regelung, mit Hilfe
eines Rapid Prototyping Systems (Speedgoat)
Page 8
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 8
Modellierung aller relevanter Komponenten
Unterteilung des Modells in zwei Teilsysteme
- Hydraulisches Teilsystem
- Mechanisches Teilsystem
Schnittstelle zwischen hydraulischen und
mechanischen System ist der Zylinderdruck
Erstellung eines Modells der RegelstreckeGesamtmodell
Page 9
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 9
Aufbringen einer definierten Kombination aus Zylinderkräften
Biegemomente und Kräfte am Prüfling
Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem
Page 10
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 10
Modell der Belastungsscheibe und Prüfling
Belastungsscheibe und Welle als starre
Körper
Prüfling als Elastizität modelliert
(Angabe vom Kunden)
Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem
Page 11
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 11
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
Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem
Page 12
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 12
SimMechanics Modell der Mechanik
Modell hat sehr viele Freiheitsgrade
Lange Simulationszeiten
Ergebnisse
Ermittlung von Eigenfrequenzen
Kontrolle der Bewegungen
Untersuchung von Querbeeinflussungen
Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem
Page 13
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 13
Querbeeinflussungen
Bewegung der Scheibe bei Belastung
Ausgleichsbewegung der passiven Zylinder, damit keine Störkräfte entstehen
Richtung der Kraftvektoren können sich durch Scheibenbewegung ändern
Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem
Page 14
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 14
Erstellung eines Modells der RegelstreckeHydraulisches Teilsystem
Untersuchung der Hydraulikversorgung
Abbildung der Hydraulik in SimHydraulics
Modell eines Kolbendruckspeichers
Modellierung der Temperatureinflüsse
Page 15
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 15
Muss die Hydraulikversorgung berücksichtigt werden?
Untersuchung der Einflüsse hoher Volumenströme auf den Versorgungsdruck
Korrekte Auslegung der Kolbendruckspeicher
Erstellung eines Modells der RegelstreckeHydraulisches Teilsystem
Page 16
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 16
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
Erstellung eines Modells der RegelstreckeHydraulisches Teilsystem
Page 17
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 17
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
Erstellung eines Modells der RegelstreckeHydraulisches Teilsystem
Page 18
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 18
Simulink Modell der Zylinder-Hydraulik
Einfaches Modell einer Druckkammer
Bereits mehrfach eingesetzt und verifiziert
Erstellung eines Modells der RegelstreckeHydraulisches Teilsystem
Page 19
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 19
Erstellung eines Modells der RegelstreckeGesamtmodell
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
Page 20
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 20
Erstellung eines Modells der RegelstreckeGesamtmodell
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
Page 21
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 21
Vereinfachung / Linearisierung
Sukzessive Vereinfachung des Gesamtmodells
Linearisierung des Modells
Abgleich mit dem Anfangsmodell
Ergebnis
Simulink-Modell – ohne SimScape
Identifizierung des Systemverhalten am
Blockschaltbild
Entwicklung und Optimierung der Regelung Analyse des Systemverhaltens
Page 22
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 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
Page 23
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 23
Durchführung der virtuellen InbetriebnahmeCodegenerierung
MATLAB/SimulinkSimMechanics
RegelungModell der
Belastungseinheit-
Simulink Real-Time
Regelung-
EtherCAT
Modell der
Belastungseinheit
Automatische
Code Generierung
Regelstrecke
Codegenerierung mit
Simulink Real-Time
Download auf Speedgoat-
Echtzeitrechner
Separierung des Reglers von der Regelstrecke
Test des Reglers im RDDS-Automatisierungssystem
Regler
Codegenerierung mit
Simulink-Coder
Einfügen in Prüfstand-
software RDDS
Page 24
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 24
Durchführung der virtuellen InbetriebnahmeVorteile der Methode
Test der Implementierung
Prüfung der Auswirkung von Laufzeiten
Simulation von Sonderzuständen
MATLAB/SimulinkSimMechanics
RegelungModell der
Belastungseinheit-
Simulink Real-Time
Regelung-
EtherCAT
Modell der
Belastungseinheit
Automatische
Code Generierung
Virtuelle Inbetriebnahme
Page 25
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 25
Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme Ablauf der virtuellen Inbetriebnahme
MATLAB/SimulinkSimMechanics
RegelungModell der
Belastungseinheit-
Simulink Real-Time
Regelung-
EtherCAT
Modell der
Belastungseinheit
Automatische
Code Generierung
Regelung-
EtherCAT
Inbetriebnahme der realen Anlage
Inbetriebnahme an der realen Anlage
Ersetzen des Speedgoat-Rechners
durch Anschluss der realen
Prüfstandkomponenten
Page 26
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 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
Page 27
RENK Test System GmbH Modellbasierte Reglerentwicklung 12.05.2015 27
RENK Test System GmbH
Danke für Ihre
Aufmerksamkeit!