Gesamtsysteme abbilden

Einbeziehung der Fahrzeug-Umwelt-Mensch-Interaktion in die virtuelle Produktentwicklung.

Gekoppelte Simulation Technischer Systeme: Offline und im Echtzeitkontext

Die Kopplung von Simulationssoftware aus verschiedenen physikalischen Domänen ist heutzutage unerlässlich, um moderne technische Gesamtsysteme adäquat abbilden und simulieren zu können.

Dies trifft in besonderem Maße auf das System Fahrzeug zu: moderne Fahrzeuge sind komplexe mechatronische Systeme, in denen u.a. elektrische und hydraulische Komponenten mit aufwändigen Regelalgorithmen und der klassischen Mechanik des Fahrzeugs wechselwirken. Das Fahrzeug wiederum wird von einem Fahrer gesteuert und bedient und interagiert über den Reifen möglicherweise mit nachgiebigem Boden.

Co-Simulation
© Foto ITWM

Co-Simulation

Um all diese Komponenten und Subsysteme angemessen mathematisch modellieren zu können, muss in der Regel jeweils problemangepasste, domänspezifische Modellierungs- und Simulationssoftware verwendet werden. Dabei werden typischerweise auch mathematische Gleichungen unterschiedlicher Art erzeugt, die unterschiedliche numerische Löser erfordern. Hinzu kommt, dass die Modelle meist auch in deutlich unterschiedlichen Zeitskalen laufen – abhängig von der Physik, aber auch vom Modellierungsansatz (Mikro-/Makro-Ebene).

Gesamtsystemmodell simuliert alle Subsysteme und Komponenten

In einem entsprechenden Gesamtsystemmodell müssen alle Subsysteme und Komponenten - aus verschiedenen Domänen, in verschiedenen Softwarewerkzeugen, in verschiedener mathematischer Beschreibung mit jeweils unterschiedlichen numerischen Lösern – miteinander gekoppelt simuliert werden.
Dies ist zunächst eine große softwaretechnische Herausforderung, die verwendeten Simulationstools müssen in der Lage sein, zur Laufzeit Daten auszutauschen.

Die meisten modernen Tools unterstützen heute diese Möglichkeit, z.B. durch Unterstützung des FMI-Standards, ein toolunabhängier Schnittstellenstandard für Co-Simulation und Modelaustausch.
(siehe www.fmi-standard.org)

Darüber hinaus ist das numerische Kopplungsschema von entscheidender Bedeutung: dadurch wird bestimmt, wann und nach welchem Muster Daten ausgetauscht werden, bei paralleler Simulation einzelner Kopplungspartner müssen Austauschgrößen geeignet prädiziert und extrapoliert werden.

Wir beschäftigen uns mit der Entwicklung numerischer Verfahren, die verschiedene Kopplungschemata umsetzen und eine effiziente und stabile Co-Simulation gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird am Fraunhofer ITWM eine Co-Simulations-Master Software entwickelt und in Kundenprojekten eingesetzt, die eine gekoppelte Simulation organisieren und administrieren kann. U.a. können Simulationsparter eingebunden werden, die den FMI-Standard unterstützen.

Verteilte Co-Simulation und Co-Simulation im Echtzeitkontext

Um eine effiziente Co-Simulation zu erreichen, ist es häufig unerlässlich, auf verschiedenen Berechnungseinheiten zu arbeiten. Dies können moderne Mehrkern-Rechnersysteme mit gemeinsamem Speicherbereich sein oder auch verteilte, getrennte Prozessoren, die über eine Netzwerkverbindung miteinander kommunizieren.

Besonders wichtig sind diese verteilten Simulationsstrategien für eine gekoppelte Simulation unter Echtzeitbedingungen. Hier muss nicht nur jeder Simulationspartner echtzeitfähig sein, sondern auch der Datenaustausch und die Datenextrapolation muss hinreichend effizient durchgeführt werden können bzw. muss angepasst werden, um eine stabile, gekoppelte Echtzeitsimulation zu erreichen.

Unsere Co-Simulations-Master Software ist mit besonderem Fokus auf diese Echtzeitanwendungen entwickelt. Typische Anwendungsbereiche sind HiL/SiL-Tests, aber auch der Prüfstandsbereich  und interaktive Fahrsimulatoren. An unserem Fahrsimulator RODOS wurde bereits eine verteilte gekoppelte Echtzeitsimulation realisiert: Kopplungspartner dabei waren ein MKS-Fahrzeugmodell, vier Reifenmodelle sowie der Simulator und der menschliche Bediener.

Gekoppelte Simulation
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Gekoppelte Simulation