Im Rahmen des Studiengangs BSE der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 1. Fachsemester der Kurs Systems-Design-Engeneering angeboten. In diesem Kurs entwickeln Studenten in Zusammenarbeit mit anderen Team ein technisches System nach dem V-Modell. Im Sommersemester 2022 wurde der Energiehaushalt eines Fahrzeuges simuliert.
Gesamtmodell
Bei dem Gesamtmodell handelt es sich um eine Simulation in Simulink, welche den Energiehaushalt eines Fahrzeuges mit Längsdynamik, Wärmehaushalt und Energieinhalt der Fahrzeugbatterie umfasst. Diese drei Komponenten werden von unterschiedlichen Gruppen erstellt. Hierbei werden über Schnittstellen relevante Daten ausgetauscht, sodass sie in Zusammenarbeit die Simulationsaufgabe des Gesamtmodelles darstellen.
Aufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik
Die Komponente Fahrzeuglängsdynamik modelliert die Bewegung des Fahrzeuges in der Längsrichtung des Fahrzeuges. Die Komponente regelt dabei die Fahrzeugleistung anhand einer vom Umgebungsmodell vorgegebenen Sollgeschwindigkeit und gibt diese an weitere Komponenten weitert. Von diesen Komponenten werden weitere Daten aufgenommen aus denen dann die Fahrzeugbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet werden.
Anforderungsdefinition
In der Anforderungsdefinition werden die Anforderungen an das System festgehalten. Dabei sind lediglich die zu erfüllenden Aufgaben zu definieren und nicht die Art der Umsetzung. Alle Punkte sollten somit möglichst lösungsneutral beschrieben werden. Für die Komponente Fahrzeuglängsdynamik wurden folgende Anforderungen definiert und mit dem Auftraggeber abgestimmt:
ID
Typ (I = Info, A = Anforderung)
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum
Kommentar Auftragnehmer
Status Auftraggeber
Kommentar Auftraggeber
001
I
1
Ausgänge
002
A
Berechnete Daten werden über einen Bus ausgegeben.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
003
A
Die Simulation muss die Geschwindigkeit des Fahrzeuges berechnen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
004
A
Die Simulation muss die benötigte Antriebsleistung in Watt ausgeben.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
005
A
Die Simulation muss bei Rekuperation eine Negativeantriebsleistung ausgaben (in Watt)
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
006
I
2
Eingänge
007
Für die Berechnung benötigte Daten werden über einen Bus eingelesen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
008
A
Die Simulation muss die Sollgeschwindigkeit als Eingangssignal bekommen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Korrigiert
Akzeptiert mit Einschr.
alle zeitveränderlichen Werte sind SIGNALE (siehe Systemtheorie 5. Semester MTR)
009
A
Die Simulation muss die Steigung in Prozent als Eingangsparmeter bekommen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert mit Einschr.
010
A
Die Simulation muss die Windgeschwindigkeit als Eingangsparmeter bekommen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert mit Einschr.
011
A
Die Simulation muss Antriebsleistung in Watt bekommen
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
012
I
2.1
Eingänge - Konstanten
013
A
Die Simulation verarbeitet den Paramter Cw Wert.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
014
A
Die Simulation verarbeitet den Paramter Luftdruck.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
015
A
Die Simulation verarbeitet den Paramter Rollwiderstandbeiwert.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
016
A
Die Simulation verarbeitet den Paramter Fahrzeugsmasse.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
017
I
3
Berechnung
018
A
Die Berechungen müssen numerisch druchgeführt werden.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
019
A
Die Schrittweite der Berechnung muss für die Aufgabe hinreichend schnell sein. Sie muss in der Simulation untersucht werden und darf maximal 1/10 von der kleinsten Systemzeitkostanten betragen!
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Korrigiert
Akzeptiert mit Einschr.
… muss in der Simulation untersucht werden und darf maximal 1/10 von der kleinsten Systemzeitkostanten betragen!
020
A
Das Programm muss eine Minimierung des Regefehlers von Soll- und Ist- Geschwindigkeit anstreben.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
021
I
4
Unsetzung/Software
022
A
Das Modell wird in einem Simulink-Block umgesetzt
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
023
A
Der Simulink-Block wird in einer Bibiliothek bereitgestellt.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
024
A
Das Modell entspricht den Namenskonventionen für Matlab/Simulink von Prof. Mirek Göbel. (Version 1.1)
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
025
A
Variablen im Signanalflussplan werden beschriftet, entsprechend den Namenskoventionen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
026
A
Blöcke im Signanalflussplan werden eingefärbt, entsprechend den Namenskoventionen.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
027
I
5
Rahemnbedingungen
028
A
Das Projekt wird nachhaltig im SVN dokumnetiert.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
029
A
Die Produktentwicklung erfolgt nach dem V-Model.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
030
A
Alle Ein- und Ausgangssinale werden in SI-Einheiten angegeben, falls nicht anders defniernt.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Akzeptiert
031
A
Prof. Mirek Göbel bewertet das Projekt mit 1.0.
L.Honerlage M. Wollschläger
27.04.2022
Wir arbeit dran.
Akzeptiert mit Einschr.
wenn die Leistung stimmt, gerne ;-)))
Funktionaler Systementwurf
Im Funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteil, für welche eine Teilaufgabe definiert wurde. In Verbindung erfüllen diese Komponenten die Gesamtaufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik.
Fahrwiderstände: Die Komponente berechnet die Fahrwiderstände, welche auf das Fahrzeug wirken. Im Modell werden dabei Wind- und Rollwiderstand betrachtet.
Bremsen: Die Komponente berechnet die Bremskraft, welche aufgrund einer zu geringen Rekuperationsleistung benötigt wird.
Geschwindigkeitsermittlung: Die Komponente berechnet die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Integration der Beschleunigung.
Hangabtriebskraft: Die Komponente berechnet die durch eine Steigung entstehenden Hangabtriebskraft, welche auf das Fahrzeug wirkt.
Regler: Die Komponente berechnet die Sollleistung des Fahrzeugs. Im Modell wird ein PID-Regler verwendet.
Umrechnung P zu F: Die Komponente rechnet die Leistung des Antriebs in die Antriebskraft um.
Weitere Informationen zur Interaktion der Einzelnen Komponenten untereinander finden sich im Abschnitt technischer Systementwurf.
Technischer Systementwurf
Komponentenspezifikation
Fahrwiderstände
Eingänge
Beschreibung
Einheit
FLD_v_ist_f64
Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn
m/s
EHF_v_Wind_f64
Windgeschwindigkeit relativ zur Fahrbahn
m/s
FLD_F_Normal_f64
Normalkraft auf die Fahrbahn
N
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Widerstand_f64
Gesamtkraft der Fahrwiderstände
N
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_FLD_cw_Fzg_f64
Cw-Wert des Fahrzeuges
0,3
-
PAR_FLD_A_Front_f64
Stirnfläche des Fahrzeuges
3,2
m²
PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64
Koeffizient für die Berechnung des Rollwiderstandes
0,013
-
PAR_FLD_roh_Luft_f64
Dichte der Luft
1,225
kg/m³
PAR_FLD_m_Fzg_f64
Masse des Fahrzeuges
2000
kg
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum 1
Durchsicht von
Datum 2
1
Rahmenbedingungen
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
010
Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
020
Es gibt keine weiteren Subsysteme
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
030
Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
2
Luftwiderstand
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
040
Die Gesamtgeschwindigkeit wird relativ zur Luft mittels Addition von Fahrgeschwindigkeit und Luftgeschwindigkeit ermittelt
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Folgende Formel wird für den Luftwiderstand verwendet
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
050
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
v = Gesamtgeschwindigkeit relativ zur Luft
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
c_w = PAR_FLD_cw_Fzg_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
A = PAR_FLD_A_Front_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
ρ = PAR_FLD_roh_Luft_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
3
Rollwiderstand
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Folgende Formel wird für den Rollwiderstand verwendet (Multiplikation von Normalkraft und Rollwiderstandsbeiwert)
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
070
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
F_Normal = FLD_F_Normal_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
4
Gesamtkraft
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
080
Die Gesamtkraft ergibt sich aus der Addition von F_Wind und F_Roll
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Bremsen
Eingänge
Beschreibung
Einheit
FLD_P_soll_f64
Sollleistung des Antriebs
W
FLD_P_ist_f64
Istleisutng des Antiebs
W
FLD_v_ist_f64
Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Bremse_f64
Bremskraft des Fahrzeuges
N
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_F_B_Max_f64
Maximalwert für die Bremskraft
20000
N
Geschwindigkeitsermittlung
Eingänge
Beschreibung
Einheit
PAR_F_B_Max_f64
Maximalwert für die Bremskraft
N
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_v_ist_f64
Istgeschwindigkeit des Fahzeuges
m/s
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_FLD_m_Fzg_f64
Masse des Fahrzeuges
2000
kg
PAR_FLD_J_Rad_f64
Massenträgheitsmoment eines Rades
70
kg m²
PAR_FLD_r_Rad_f64
Radius eines Rades
0,55
m
Hangabtriebskraft
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_Steigung_Prozent_f64
Gibt die Steigung an, in welcher sich das Fahrzeug befindet. Negative Werte geben ein Gefälle an.
Prozent
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Hang_f64
Resultierende Kraft aus der Steigung in Newton.
N
FLD_f_Normal_f64
Normalkraft auf die Reifen (wird für Rollwiderstand verwendet)
N
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_FLD_g_f64
Erdbeschleunigung
9,81
m/s²
PAR_FLD_m_Fzg_f64
Masse des Fahrzeuges
2000
kg
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum 1
Durchsicht von
Datum 2
1
Rahmenbedingungen
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
010
Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
020
Es gibt keine weiteren Subsysteme
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
030
Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
2
Berechnung
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Folgende Formeln werden für die Berechung verwendet
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
040
Die Gesamtgeschwindigkeit wird relativ zur Luft mittels Addition von Fahrgeschwindigkeit und Luftgeschwindigkeit ermittelt
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
050
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Die Variablen sind folgendermaßen zuzuordnen:
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
m = PAR_FLD_m_Fzg_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
g = PAR_FLD_g_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
s = EHF_Steigung_Prozent_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
F_Hang = FLD_F_Hang_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
F_Normal = FLD_F_Normal_f64
Mario Wollschläger
12.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Regler
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_v_soll_f64
Sollgeschwindgikeit des Fahrzeuges
m/s
EHF_v_ist_f64
Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
EHF_P_ist_f64
Istleistung des Fahrzeugs
W
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_P_Soll_f64
Sollleistung, welche von der Komponente Antrieb angefordert wird
W
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_FLD_KP_f64
P-Faktor des PID-Reglers
7594,5
-
PAR_FLD_KI_f64
I-Faktor für den Integrationsanteil des PID-Reglers
45566,7
-
PAR_FLD_KD_f64
D-Faktor für den Differentialanteil des PID-Reglers
11391,7
-
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum 1
Durchsicht von
Datum 2
1
Rahmenbedingungen
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
010
Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
020
Es gibt keine weiteren Subsysteme
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
030
Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
2
Umsetzung
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
040
Die Sollleistung wird mit einem PID-Regler bestimmt
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
050
P,I,D Parameter werden mittels Sprungantwortmethode ermittelt
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
3
Anti-Windup
Lukas Honerlage
18.05.2022
Mario Wollschläger
19.05.2022
060
Das Anti-Windup Problem wird durch einen Vergleich von Soll- und Istleistung umgesetzt.
Mario Wollschläger
04.07.2022
Lukas Honerlage
04.07.2022
070
Die Regeldifferenz in der Leistung wird bestimmt (Soll - Ist)
Mario Wollschläger
04.07.2022
Lukas Honerlage
04.07.2022
080
Die Regeldifferenz wird mit einem konstaten Wert multipliziert. (Der Wert wird bei der Inbetreibnahme bestimmt)
Mario Wollschläger
04.07.2022
Lukas Honerlage
04.07.2022
090
Die Regeldifferenz wird vor dem Integrator des I-Anteils Abgezogen
Mario Wollschläger
04.07.2022
Lukas Honerlage
04.07.2022
Umrechnung P zu F
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_P_ist_f64
Istleistung, welche durch die Komponente Antieb ermittelt wird
W
EHF_V_ist_f64
Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Antrieb_f64
Die Kraft, welche durch den Antrieb auf das Fahrzeug ausgeübt wird
N
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_F_Antireb_Max_f64
Maximalkraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann
10000
N
ID
Kapitel
Inhalt
Ersteller
Datum 1
Durchsicht von
Datum 2
1
Rahmenbedingungen
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
010
Die Berechnung erfolgt in einem Simulink Block
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
020
Es gibt keine weiteren Subsysteme
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
030
Alle Werte in SI-Einheiten, falls nicht anders angegeben
