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ACoRTA

Advanced Co-Simulation Methods for Real-Time-Applications (ACoRTA, E03_T03 / E2_T1 und ACoRTA-2, E2_T3)

Dauer: 01.01.2012 - 31.12.2014 (ACoRTA) und 01.01.2015 - 31.12.2017 (ACoRTA-2)

Projektbeschreibung

ACoRTA

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 nicht nur einzelne Baugruppen oder Teilmodule der verschiedenen Fachgebiete zu modellieren, zu simulieren und zu testen. Vielmehr werden auch das Zusammenspiel einer großen Zahl von Funktionen (Simulationsmodelle und/oder Hardwarekomponenten aus verschiedenen Domänen) und damit das Abbilden eines größeren Gesamtsystems (bis hin zum Gesamtfahrzeug) gefordert. Die Aufgabe gängiger Co-Simulationsplattformen, wie das am ViF entwickelte ICOS (http://www.v2c2.at/icos), ist es, die komplexen Interaktionen zwischen den unterschiedlichen Subsystemen adäquat zu berücksichtigen. ICOS ermöglicht ein exaktes Zusammenspiel der diversen Simulationswerkzeuge mittels eines so genannten Co-Simulationsframeworks.

Bisher war der Einsatz eines solchen Co-Simulationsframeworks allerdings auf Verbundsimulationen beschränkt, welche bestenfalls „weiche Echtzeitanforderungen" erfüllen können (auch als Offline-Simulation bezeichnet, linker Teil im V-Modell in Abbildung 1).

 

Ab einem bestimmten Zeitpunkt im Entwicklungsprozess sind Komponenten real in Hardware verfügbar (siehe Hardware Validation in Abbildung 1). Bisher war die Integration von Echtzeitsystemen in die Co-Simulation nicht möglich, d.h. an dieser Stelle existierte ein Bruch im Entwicklungsprozess. Durch die Integration von realer Hardware entstehen zusätzlich zu den "klassischen" Kopplungsproblemen der Co-Simulation weitere Herausforderungen:

  • Die Offline-Co-Simulation muss auf Echtzeit synchronisiert werden
  • Kommunikationsbedingte Totzeiten beeinflussen das Verhalten der dynamischen Systeme und können Stabilitätsprobleme verursachen
  • Verrausche Koppelsignale eignen sich nicht für eine signalbasierte Extrapolation zum Lösen des Kausalitätsproblems
  • Datenverluste oder verzögerte Messwerte (z.B. durch Buskommunikation) können auftreten, wodurch die Co-Simulation blockiert wird

Zur Lösung dieser Probleme wurden in ACoRTA zwei grundlegende Ansätze verfolgt:

  • die physikalische Synchronisation der Teilsysteme
  • ein modellbasiertes Kopplungsverfahren

Das Hauptziel war die Entwicklung einer geeigneten Methodik, um Co-Simulation auch unter harten Echtzeitbedingungen ausführen zu können. Es wurde sowohl die Anbindung eines Offline-Co-Simulationsframeworks an Echtzeitsysteme, als auch die Co-Simulation von Echtzeitmodellen und -systemen untereinander berücksichtigt. Die im Rahmen des Projekts erzielten Forschungsergebnisse ermöglichten erstmalig, die zuvor beschriebene Lücke im modernen Entwicklungsprozess zu schließen. Somit findet der Co-Simulationsansatz während des gesamten Produktentwicklungsprozesses Anwendung (auch im rechten Ast des V-Modells!). Basierend auf den grundlegenden Ansätzen der physikalischen Synchronisation von Teilsystemen und der Entwicklung einer modellbasierten Kopplung war es möglich das Echtzeit-Co-Simulationsproblem zu lösen.

Abbildung 2 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des (Echtzeit-)Co-Simulationsansatzes.


Die Ergebnisse von ACORTA wurden in die von AVL entwickelte durchgängige und offenen Entwicklungsplattform IODP integriert, die eine einfache Weiterverwendung von Simulationsmodellen und Programmen von der Konzeptentwicklung bis zur Validierung am Prüfstand ermöglicht, das zu einer signifikanten Effizienzsteigerung führt.

Ansprechpartner für dieses Projekt ist Dr. Martin Benedikt

Die Projektpartner waren:

 

ACoRTA-2

Während der letzten drei Jahre forschte AVL List GmbH, Porsche AG, die TU Graz, und das VIRTUAL VEHICLE an neuen Methoden zur modellbasierten Kopplung zur Lösung des Echtzeit-Co-Simulationsproblems. Ziel war es, industrienahe Lösungen für Echtzeit-Co-Simulationen zu entwickeln, die auch Hardware einbinden. Die gelungene Zusammenarbeit wird nun in einem Folgeprojekt mit Volkswagen als neuer zusätzlicher Industriepartner fortgesetzt.

Der Fokus von ACoRTA-2 liegt auf der effizienten Anwendbarkeit (Stichwort: Usability) in Kombination mit dem zuverlässigen Einsatz der neu entwickelten Methoden für industrielle Anwendungen. Dabei sollen vor allem neuentwickelte Diagnosefunktionalitäten zur Anwendungen kommen um einen sicheren Betrieb der eingebetteten Prüfstände sicherzustellen.


Ansprechpartner für dieses Projekt ist Dr. Martin Benedikt

Die Projektpartner sind:

Ergebnisse

Die Wirksamkeit des entworfenen modellbasierten Kopplungsansatzes wird anhand eines Positionsregelkreises einer schwebenden Kugel im Magnetfeld demonstriert. In diesem Regelkreis sorgt vor allem die vorhandene Totzeit für inakzeptables Führungsverhalten, gekennzeichnet durch ausgeprägte Oszillationen. Die nachfolgenden Videos demonstrieren den Performancezugewinn durch die Kompensation dieses Totzeiteffektes mit Hilfe der modellbasierten Kopplung im Vergleich zu einer konventionellen zero-order-hold (ZOH) Kopplung.

Video 1: In den ersten 9s wird die konventionelle ZOH Kopplung zu Vergleichszwecken verwendet und anschließend auf die modelbasierte Kopplung gewechselt. Durch die Kompensation des Totzeiteffektes wird ein ansprechendes Führungsverhalten erreicht.

 

 

Video 2: Durch die Kompensation des Totzeiteffektes werden vor allem die Oszillationen in der Ballbewegung (ab ca. 12s) eliminiert.

 

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