HiL-Simulation in der Praxis - Hochdynamische Regelung des Zylinderdruckverlaufs

(openPR) Das thermodynamische Model enDYNA Themos der TESIS DYNAware unterstützt die Entwicklung der aktuellsten Steuergerätegeneration mit zylinderdruckbasierten Regelalgorithmen für Dieselmotoren. Durch Variation der Einspritzung wird der gewünschte Druckverlauf eingestellt und so Einfluss auf das Drehmoment sowie auf die Abgaswerte genommen. enDYNA Themos reagiert zeitsynchron auf das Motorsteuergerät und ermöglicht so die modellbasierte Entwicklung und den Test derartiger Steuergerätefunktionen.

Hier wird die Inbetriebnahme eines HiL-Prüfstands mit enDYNA Themos anhand eines Anwendungsbeispiels aus der Praxis skizziert. Oft sind individuelle und plattformspezifische Lösungen erforderlich, um die vielseitigen und teilweise konkurrierenden Bedürfnisse zu erfüllen. Das Ziel ist ein reibungsloses Zusammenspiel von Echtzeithardware und Simulationsmodellen. Dabei wird die maximale Detailtiefe bei gleichzeitiger Echtzeitfähigkeit ausgelotet, was eine optimale Abstimmung von Modellkomplexität und vorhandener Rechenleistung verlangt.
Der Test eines Steuergeräts mit Zylinderdruckregelung auf dem HiL-Prüfstand stellt deutlich erhöhte Anforderungen an die verwendete Hardware. Während die üblicherweise verwendete Simulationsschrittweite von einer Millisekunde für die meisten HiL-Prüfstände ausreichend ist, sind hier deutlich kürzere Antwortzeiten erforderlich. Die Computerhardware, das IO-System, das Motormodell und das zu prüfende Steuergerät bilden ein hochdynamisches System. Die Verarbeitung von Einspritzsignalen und die Antwort des Zylinderdrucks sind die kritischen Aspekte hinsichtlich der Zeitskalen bei Rechenzeit und I/O Kommunikation.
Prinzipiell können am HiL-Prüfstand die Einspritzsignale nur zeitverzögert an das Motormodell kommuniziert werden. Zwar werden Anfang und Dauer der einzelnen Einspritzungen unmittelbar nach deren Messung an das Simulationsmodell weitergereicht, bedingt durch die diskrete Natur von Echtzeitanwendungen werden die Signale im Modell allerdings erst im nächsten Simulationsschritt aktualisiert. Bei einer Drehzahl von beispielsweise 5000 Umdrehungen pro Minute werden während einer Millisekunde 30 Grad Kurbelwinkel überstrichen. Während beim realen Motor die Verbrennung bereits eingesetzt hätte, hat das Simulationsmodell noch nicht mal die Information über die erfolgte Einspritzung erhalten. Diese Verzögerung macht eine sinnvolle Verbrennungsberechnung unmöglich. Das Steuergerät hat keine Chance, den Zylinderinnendruck vernünftig einzustellen. Die Lösung hierfür ist ebenso offensichtlich wie herausfordernd: Eine möglichst hohe Abtastrate minimiert die prinzipbedingte Totzeit und ermöglicht gleichzeitig die vom Steuergerät benötigte hohe Auflösung für die Zylinderdrucküberwachung. Der Kompromiss zwischen dem Detailgrad des Simulationsmodells, der verfügbaren Rechenleistung und der Kommunikationsgeschwindigkeit des I/O Systems bestimmt die kleinste mögliche Simulationsschrittweite.
Zunächst wird das Modell und seine Implementierung hinsichtlich der Rechenzeit optimiert. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass verschiedene Modellteile unterschiedliche Zeitskalen benötigen, abhängig von der involvierten Physik. Daher wird das Modell in verschiedene Subsysteme unterteilt, die als eigene Tasks mit jeweils optimaler Abtastrate berechnet werden. Diese Maßnahme erhöht zum einen die Modellgenauigkeit und verringert zugleich die Rechenlast. In der oben genannten Anwendung wird das Modell auf zwei Tasks verteilt. Nur die notwendige I/O Schnittstelle und die Modellteile für Einspritzsignale und Zylinderdruck werden in einem schnelleren Task mit kleinstmöglicher Simulationsschrittweite berechnet. Der Rest des Modells wird unter Verwendung der regulären Schrittweite von 1ms berechnet. Abhängig von den bereits erwähnten Randbedingungen wie verfügbare Rechenleistung wird so eine Auflösung erreicht, die einen sinnvollen Betrieb von Motorsteuergeräten mit zylinderdruckbasierten Regelalgorithmen am HiL-Prüfstand ermöglicht.
TESIS DYNAware Simulationsprodukte erlauben eine maßgeschneiderte und schnelle Echtzeitlösung auf allen gängigen HiL-Plattformen und reduzieren somit übergreifende Prüfstandskosten.