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Modellbildung und moderne Regelungsstrategien

Ansprechperson: Dr. Michael Stolz

Modellbasierte Entwicklung

Hohe Produktanforderungen und legislative Randbedingungen, wie Abgasnormen, machen eine ständige Verbesserung vieler Fahrzeugkomponenten notwendig. Weiterentwicklungen können oft nur aufgrund steigender Komplexität erreicht werden. Neben der Anzahl an Komponenten erhöht sich die Menge möglicher Betriebszustände sowie deren Übergängen untereinander. Daraus folgende Abhängigkeiten und Interaktionen der Komponenten vervielfachen sich, was sich auf längere Entwicklungszeiten auswirkt. Gleichzeitig verlangen verkürzte Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie nach einer weiteren Steigerung der Effizienz in der Funktionsentwicklung und -Kalibrierung.

 

Die Steuerung und Regelung von Komponenten bestimmt maßgeblich deren Verhalten und übernimmt in modernen Fahrzeugen eine zentrale Bedeutung. Um die wachsende Komplexität zu beherrschen, geht in der Funktionsentwicklung der Trend hin zum Einsatz von Regel-Streckenmodellen und darauf basierender Entwicklungsmethoden.

 

Diese sogenannten modellbasierten Entwicklungsmethoden beschleunigen und/oder vereinfachen die Funktionsentwicklung und Parametrierung durch die Nutzung virtueller Prüfstände und Testläufe. Ziel ist die Erarbeitung und Anwendung einer modellbasierten Methodik zur Erstellung von Regelungen für Prozesse in automotiven Anwendungen. Die Erstellung einer Regelung umfasst dabei die Architektur der Struktur, sowie die Parametrierung und die dazu benötigten Werkzeuge.

 

Beispielhafte Anwendungen der modellbasierten Methodik zum Reglerentwurf:

  • Regelung des Luftpfades eines Dieselmotors für Nutzfahrzeuge. Nach virtueller Umsetzung infolge von Simulation wurden die Ergebnisse am Prüfstand im Realversuch validiert.
  • Regelung eines Schalt- und Anfahrvorganges in einem elektrisch angesteuerten Getriebe eines Hybrid-PKWs.

Moderne Regelungsstrategien

Entwicklungstrends

Ein erster möglicher Ansatz zur erfolgreichen Lösung einer Regelungsaufgabe ist gegeben durch die Anwendung klassischer PID-Regelungskonzepte. Die einfache intuitive Einstellung und der geringe Rechenaufwand haben zu einer sehr weiten Verbreitung dieses Ansatzes geführt.

 

Die fortschreitende Erhöhung der Komplexität von modernen Fahrzeugen und die erhöhten Anforderungen führten in der Vergangenheit zu einem enormen Anwachsen notwendiger Adaptionen der ursprünglich schlanken Regelungskonzepte. Die Folge ist ein überproportionales Anwachsen des Aufwands in Funktionsentwicklung, Test und Parametrierung der Regelungsalgorithmen.

 

Um auch zukünftig einen effizienten Entwicklungs-prozess mit akzeptablem Entwicklungsaufwand und entsprechenden Produktherstellungszeiten garantieren zu können, werden neben einer Optimierung der klassischen Regelungskonzepte vermehrt neue Regelungskonzepte im Einsatz für Steuergeräte untersucht.

 

Ein Schlüssel, diese neuen Verfahren einsetzen zu können, ist die Verlagerung der Reglerparametrierung vom Prüfstand zum virtuellen Prüfstand.

 

Modell-Approximation

Eine virtuelle Entwicklung ist Stand der Technik, wobei Modelle für Komponenten entwickelt und simuliert werden. Durch den oft hohen Detaillierungsgrad und damit verbundenem hohen Rechenaufwand sind diese Modelle für den modellbasierten Reglerentwurf sowie für Echtzeitanwendungen oder Optimierungsansätze ungeeignet. Einfachere Beschreibungen der charak-teristischen Zusammenhänge sind notwendig, um die Anforderungen dieser modellbasierten Verfahren zu erfüllen.

 

Neben Modell-Ordnungs-Reduktion (MOR), wo das Modell beschreibende Gleichungssystem reduziert wird, stellen datengetriebene Methoden der Modellbildung eine Alternative dar. Basierend auf Messdaten erfolgt hierbei eine Identifikation der wesentlichen Ein-/Ausgangszusammenhänge. Ein Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf universell einsetzbaren Methoden zur effizienten Erstellung von schnell ausführbaren Modellen. Einhergehend mit der Modellvereinfachung sind Sensitivitätsanalysen, Design von Experimenten (DoE) und abschließende Bewertung der Modellqualität.

 

 

Moderne Regelungskonzepte

Das bereichsübergreifende Lead-Thema Regelungs-technik dient am Zentrum der Speicherung und Bereitstellung von regelungstechnischem Know-How und fachspezifischen Werkzeugen sowie der Sammlung relevanter Literatur.

 

Neben bereits etablierten klassischen Konzepten, wie PID-Regelung werden modellbasierte Ansätze, wie z.B. die flachheitsbasierte Steuerung und Regelung, Modell-Prädiktive (MPC) und Sliding-Mode-Regelung (SMC) untersucht. Virtuelle Sensorik, bereitgestellt über modellbasierte Beobachter, erhöhen die Anwend-barkeit der Regelgesetze.

 

Aktuelle Anwendung

Aktuell werden in geförderten Kooperationsprojekten Lösungen für unterschiedliche regelungstechnische Problemstellungen erarbeitet.

So findet momentan die Erstellung einer modularen und einfach parametrierbaren Mehrgrößenregelung des Luftpfads eines Dieselmotors statt.

Zusätzlich wird in einem weiteren Projekt auf Basis eines Antriebsstrang-Modells die Regelung eines Anfahr- und Schaltvorganges eines Hybridfahrzeuges modular dargestellt. Unter Berücksichtigung des modellierten erwarteten Dynamikverhaltens des Verbrennungsmotors sowie unter Zuhilfenahme des Elektromotors wird die Regelung optimiert.

Aktuelle Anwendungen

Erhöhte Sicherheit durch Bewegungsvorhersage von Fußgängern und robuste Bewegungsplanung:

Wir arbeiten an prädiktiven Pfadplanungsalgorithmen für unsichere und dynamische Umgebungen. Aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert die Bewegungen für alle Verkehrsteilnehmer (z.B. Fußgänger, Fahrzeuge, Radfahrer) vorherzusagen. Um sichere Wegstrecken in dynamischen Umgebungen zu finden, verwenden wir fortgeschrittene Methoden des Maschinellen Lernens und neue Pfadplanungsalgorithmen.

 

Generische, echtzeitfähige Modellierung und modellbasierte Regelung von komplexen Getriebe-Topologien:

Die größere Variantenanzahl und Komplexität elektrifizierter Antriebsstränge bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die Schaltqualität rücken vermehrt modellbasierte Ansätze ins Blickfeld der Automobilindustrie.  Diesem Trend folgend ist die Modellierung und modellbasierte Regelung von komplexen Getriebe-Topologien Thema eines aktuellen Forschungsprojektes. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Echtzeitfähigkeit, um die spätere Applikation auf Steuergeräten zu ermöglichen. Die Echtzeitfähigkeit verlangt die Lösung der Modellgleichungen zu festen vorgegebenen Abtastschritten. Speziell für Reibelemente (z. B. Kupplungen) stellt das eine große Herausforderung dar, da diese bei Reibschluss die Systemordnung und -struktur beeinflussen. Es wird ein Ansatz zur generischen Modellierung von Getriebe-Topologien mit mehreren gekoppelten Reibelementen entwickelt, um die universelle Einsetzbarkeit zu gewährleisten. Die generische Modellierung bildet die Basis für den Entwurf eines echtzeitfähigen Beobachters. Ein derartiger Beobachter ermöglicht die Verwendung virtueller Sensordaten für die Regelung von Schaltvorgängen. Aufbauend auf dem entwickelten Modellierungsansatz wird eine modellbasierte Regelungsstrategie für Schaltvorgänge entworfen. Der Fokus liegt hierbei auf komplexen Antriebsstrang-Topologien mit mehreren Antriebselementen (z.B. Hybridfahrzeuge). Ziel ist Verwirklichung einer bisher unerreichten Performance im Spannungsfeld zwischen Schaltkomfort und Energieeffizienz.