Virtual Vehicle
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Co-Simulation

Die Gruppe Co-Simulation am ViF beschäftigt sich mit der Erforschung und Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Simulation komplexer, dynamischer Systeme. Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick über die gesetzten Schwerpunkte.

 

Ansprechperson: Dr. Martin Benedikt

Einleitung

Die Simulation von dynamischen Systemen ist im heutigen Entwicklungsprozess eine wesentliche Voraussetzung, um frühzeitig Aussagen und Konzeptentscheidungen über das Endprodukt treffen zu können. Es gilt dabei, nicht nur einzelne Baugruppen oder Teilmodule der verschiedenen Fachgebiete zu modellieren, simulieren und zu testen, sondern vielmehr wird das Zusammenspiel einer großen Zahl von Funktionen (mit Simulationsmodellen und auch Hardware-Komponenten aus verschiedenen Domänen) und damit das Abbilden eines größeren Gesamtsystems (z.B. bis hin zum Gesamtfahrzeug) gefordert.

 

Die Zielsetzung von "Co-Simulation" ist es, im Produktentwicklungsprozess die Problemstellungen aus unterschiedlichen Fachbereichen zusammenzuführen und somit die komplexen Wechselwirkungen der Teilsysteme adäquat berücksichtigten zu können. Die Kopplung unterschiedlicher, spezifischer und bereits etablierter Simulationsprogramme (bzw. der darin implementierten Modelle) aus verschiedenen Entwicklungsdomänen stellt einen zukunftsträchtigen Weg dar, das Verhalten des Gesamtsystems simulieren zu können.

Co-Simulationsplattform ICOS

Die zum Thema Co-Simulation erzielten Forschungsergebnisse werden in der, am ViF entwickelten, unabhängigen Co-Simulationsplattform ICOS umgesetzt. ICOS sorgt für die adäquate Berücksichtigung der genannten, komplexen Interaktionen. Die Plattform ermöglicht ein exaktes Zusammenspiel der diversen Simulationswerkzeuge (bis hin zu echtzeitfähigen "Hardware-in-the-Loop"-Systemen) mittels eines sogenannten Co-Simulationsframeworks. Erst das kontrollierte Zusammenspiel zahlreicher Modelle (und damit simulierter Komponenten) ermöglicht eine realitätsnahe Konzeptauslegung, sowie die virtuelle Validierung des Gesamtsystems aus Fahrzeug, Fahrer und Umwelt.

 

Kopplungsmethoden

Eine Herausforderung beim Aufbau einer Co-Simulation ist die Kopplung von Modellen mit stark unterschiedlicher Dynamik (Zeitkonstanten). Hierbei müssen extrem kleine Zeitschritte für den Datenaustausch zwischen den Modellen vorgegeben werden. Andernfalls entstehen durch die zusätzliche Quantisierung Fehler, die im Extremfall zu einem Divergieren der Co-Simulation führen können, d.h. es werden – eventuell unbemerkt –  falsche Ergebnisse generiert.

 

Das ViF widmet sich intensiv der Erforschung und Entwicklung von neuartigen Kopplungsalgorithmen, welche die genannten Probleme verringern oder eliminieren können. Moderne mathematische und regelungstechnische Methoden wie Waveform Relaxation, Multi-Rate Ansätze, adaptive Schrittweitensteuerung bis hin zu energieerhaltenden Kopplungsformen gewährleisten die korrekte Interaktion von Modellen auch bei Einsatz von großen Schrittweiten. Damit wird, im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, ein ausgezeichnetes Verhältnis aus Genauigkeit, Konvergenzverhalten und Rechenzeitaufwand erzielt.

Co-Simulationsnetzwerk

Die Aufgaben eines Co-Simulationsframeworks sind zahlreich. Zum Einen wird die Anbindung der unterschiedlichen Simulationswerkzeuge gewährleistet. Zusätzlich müssen aber auch zahlreiche organisatorische und den Datenaustausch betreffende Funktionen zur Verfügung gestellt werden:

  • Aufbau der Kommunikation
  • Steuerung des (Co-)Simulationsablaufs
  • Synchronisierung
  • Datenaustausch
  • Schrittweitensteuerung und Extrapolation

Einer der Forschungsschwerpunkte der Gruppe "Co-Simulation" am ViF liegt bei der Entwicklung eines dezentralen und selbstorganisierenden Co-Simulationsnetzwerks, welches die oben genannten Aufgaben autonom und fehlerminimal erfüllt.

Echtzeit-Co-Simulation

Der Einsatz aktueller Co-Simulationsframeworks ist auf Simulationsmodelle bzw. –systeme beschränkt, welche bestenfalls "weiche Echtzeitanforderungen" erfüllen können (auch als Offline-Simulation bezeichnet). Unter "harten Echtzeitbedingungen" müssen allerdings alle beteiligten Simulationsmodelle ihre korrekten Berechnungsergebnisse innerhalb vorgegebener, harter Zeitschranken liefern (auch als Online-Simulation bezeichnet). Ist dies nicht möglich, wird dies als ein Fehler gewertet und führt zum Abschalten der Simulation. Systeme mit harten Echtzeitanforderungen sind etwa die sogenannten Hardware-in-the-Loop Systeme (HiL). Hierbei wird mechanische oder elektrische Hardware in einer Echtzeittestumgebung betrieben, z.B. Komponenten-, oder Steuergeräteprüfstände, aber auch etwa Testsysteme für Mensch-Maschine-Interaktion (z.B. Flugsimulatoren).

 

Dem Thema Echtzeit-Co-Simulation wird vom ViF eine hohe Bedeutung im zukünftigen Entwicklungsprozess beigemessen. Dementsprechend werden intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten in diesem spannenden Fachgebiet durchgeführt.

Anwendungsfelder für Co-Simulation am ViF

Die in ICOS professionell umgesetzten Methoden und Applikationen zur Co-Simulation werden in zahlreichen Projekten am ViF eingesetzt. Anbei eine Auswahl der Themen:

  • Integrierte Sicherheit: Kopplung von Finite-Elemente-Methoden (FEM) zur Crash-Simulation mit Fahrdynamiksimulation und Reglerentwurfswerkzeugen
  • Bordnetzsimulation: Kopplung von elektrischen/mechanischen Teilmodellen
  • Batteriesimulation: Kopplung von elektrochemischen und thermischen Simulationsmodellen
  • Thermische Simulation: Kopplung von thermischen, elektrischen und mechanischen Modellen zur Auslegung und Optimierung von Energiemanagementsystemen
  • Mechanische Simulation: Kopplung Mehrkörpersimulation/FEM mit Reglerentwurfswerkzeugen
  • Fahrdynamiksimulation: Entwurf und Abstimmung von Regelungsstrategien im Systemverbund mit Mehrkörpersimulation