Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung einer ... der Hydraulik in SimHydraulics Modell...

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


RENK Test System GmbHMitglied der MAN-Gruppe im Volkswagen-Konzern

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/9/9e/Logo_MAN.svg


RENK Test System GmbHProduktspektrum

Luftfahrzeuge

Schienenfahrzeuge

Personen- und Nutzfahrzeuge

Windenergieanlagen

Militärische Fahrzeuge


Das ProjektPrüfstand für Windenergieanlagen

6DOF Nacelle Test System.mp4


Die Herausforderungen

Neuentwicklung einer hydraulischen Belastungseinheit

Enger Zeitplan

Entwicklung der Regelung parallel zur Hardwareentwicklung

Komplexer Regelungsalgorithmus notwendig

Das ProjektEntwicklung des Prüfstands


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


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)


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


Aufbringen einer definierten Kombination aus Zylinderkräften

Biegemomente und Kräfte am Prüfling

Erstellung eines Modells der RegelstreckeMechanisches Teilsystem


Modell der Belastungsscheibe und Prüfling

Belastungsscheibe und Welle als starre

Körper

Prüfling als Elastizität modelliert

(Angabe vom Kunden)



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



SimMechanics Modell der Mechanik

Modell hat sehr viele Freiheitsgrade

Lange Simulationszeiten

Ergebnisse

Ermittlung von Eigenfrequenzen

Kontrolle der Bewegungen

Untersuchung von Querbeeinflussungen



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 RegelstreckeHydraulisches Teilsystem

Untersuchung der Hydraulikversorgung

Abbildung der Hydraulik in SimHydraulics

Modell eines Kolbendruckspeichers

Modellierung der Temperatureinflüsse


Muss die Hydraulikversorgung berücksichtigt werden?

Untersuchung der Einflüsse hoher Volumenströme auf den Versorgungsdruck

Korrekte Auslegung der Kolbendruckspeicher



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



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



Simulink Modell der Zylinder-Hydraulik

Einfaches Modell einer Druckkammer

Bereits mehrfach eingesetzt und verifiziert




Gesamtmodell (Mechanik + Hydraulik)

Bewegungsanalyse der Mechanik



Stabilität der Ölversorgung (Aggregat, Druckspeicher)

Ventileigenschaften (Nullüberdeckung, Linearität, Ansprech- und Stellzeiten)

Prüfung und Optimierung der Prüfstandhardware



Gesamtmodell (Mechanik + Hydraulik)

Bewegungsanalyse der Mechanik



Stabilität der Ölversorgung (Aggregat, Druckspeicher)

Ventileigenschaften (Nullüberdeckung, Linearität, Ansprech- und Stellzeiten)

Prüfung und Optimierung der Prüfstandhardware

Gesamtmodell zu komplex zur Entwicklung der Regelung


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


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


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


Durchführung der virtuellen InbetriebnahmeVorteile der Methode

Test der Implementierung

Prüfung der Auswirkung von Laufzeiten

Simulation von Sonderzuständen


RegelungModell der

Belastungseinheit-

Simulink Real-Time

Regelung-

EtherCAT

Modell der

Belastungseinheit

Automatische

Code Generierung

Virtuelle Inbetriebnahme


Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme Ablauf der virtuellen Inbetriebnahme


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


Zusammenfassung

Nutzen und Vorteile der Methode

Frühzeitige Verifikation und Optimierung der mechanischen und hydraulischen Konstruktion

Risikominimierung bei der Inbetriebnahme

Einsparung von Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeit


RENK Test System GmbH

Danke für Ihre

Aufmerksamkeit!

Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung einer ... der Hydraulik in SimHydraulics Modell...

Documents

Transcript of Modellbasierte Entwicklung und Test der Regelung einer ... der Hydraulik in SimHydraulics Modell...