Im Rahmen des Masterstudiengangs BSE der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 1. Fachsemester der Kurs Systems-Design-Engineering angeboten. In diesem Kurs entwickeln Studierende in Zusammenarbeit mit anderen Teams ein technisches System nach dem V-Modell. In dem 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 Gesamtmodells darstellen.
Aufgabe der Komponente Fahrzeuglängsdynamik (FLD)
Die Komponente Fahrzeuglängsdynamik modelliert die Bewegung in der Längsrichtung des Fahrzeuges. Die Komponente regelt dabei die Fahrzeugleistung anhand einer vom Umgebungsmodell vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit und gibt diese an weitere Komponenten weiter. Von diesen Komponenten werden weitere Daten aufgenommen, aus denen 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:
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 arbeiten dran.
Akzeptiert mit Einschr.
wenn die Leistung stimmt, gerne ;-)))
Funktionaler Systementwurf
Im funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteilt, 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 der 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 Soll-Leistung 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
Im technischen Systementwurf werden die einzelnen Komponenten, sowie deren Zusammenspiel genauer beschrieben. Für diese Entwicklung wurde das Gesamtmodell zunächst auf Papier grob skizziert, bevor ein Simulink-Modell erstellt wird. Hierbei wurden die jeweiligen Unterkomponenten als eigenes Subsystem erstellt. Diese werden mit ihren Ein- und Ausgängen untereinander verbunden und bilden so den Rahmen der Gesamtkomponente Fahrzeuglängsdynamik (FLD). Die interne Implementierung der Subsysteme wird in diesem Schritt noch nicht durchgeführt. Dies folgt in den nächsten Schritten des V-Modells.
Erster Entwurf auf Papier
Erster Entwurf in Simulink
Finaler Entwurf in Simulink
Die ermittelten Schnittstellen der einzelnen Komponenten sind in den folgenden Tabellen dargestellt.
Fahrwiderstände
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
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
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Widerstand_f64
Gesamtkraft der Fahrwiderstände
N
Bremsen
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
Eingänge
Beschreibung
Einheit
FLD_P_soll_f64
Soll-Leistung des Antriebs
W
FLD_P_ist_f64
Ist-Leistung des Antriebs
W
FLD_v_ist_f64
Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Bremse_f64
Bremskraft des Fahrzeuges
N
Geschwindigkeitsermittlung
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
Eingänge
Beschreibung
Einheit
PAR_F_B_Max_f64
Maximalwert für die Bremskraft
N
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_v_ist_f64
Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
Hangabtriebskraft
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_Steigung_Prozent_f64
Steigung, in welcher sich das Fahrzeug befindet. Negative Werte geben ein Gefälle an.
Prozent
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
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
Regler
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_v_soll_f64
Soll-Geschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
EHF_v_ist_f64
Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
EHF_P_ist_f64
Ist-Leistung des Fahrzeuges
W
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_P_Soll_f64
Soll-Leistung, welche von der Komponente Antrieb angefordert wird
W
Umrechnung P zu F
Die Komponente besitzt folgende Eingänge:
Eingänge
Beschreibung
Einheit
EHF_P_ist_f64
Ist-Leistung, welche durch die Komponente Antrieb ermittelt wird
W
EHF_V_ist_f64
Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges
m/s
Die Komponente besitzt folgende Ausgänge:
Ausgänge
Beschreibung
Einheit
FLD_F_Antrieb_f64
Die Kraft, welche durch den Antrieb auf das Fahrzeug ausgeübt wird
N
Komponentenspezifikation
Nach dem technischen Systementwurf werden die einzelnen Komponenten im Detail spezifiziert. Mithilfe dieser Spezifikationen wird festgelegt, wie die Komponenten umzusetzen sind. Anhand der ermittelten Punkte kann im Anschluss der jeweilige Baustein erstellt und implementiert werden.
Durch [Ausklappen] der einzelnen Teilbereiche werden die detaillierten Tabellen zur Komponentenspezifikation dargestellt.
Fahrwiderstände
Die Komponente berechnet die Fahrwiderstände. Im Modell werden dabei Wind- und Rollwiderstand betrachtet. Die Berechnungen beruhen auf Parametern zur Geometrie des Fahrzeuges, zur Beschaffenheit des Reifen-Fahrbahnsystems und zur Umgebung des Fahrzeuges.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
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
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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
c_R = PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64
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
Die Komponente Bremse berechnet die durch die Fahrzeugbremsen ausgeübte Kraft. Die benötigte Bremsleistung wird durch den Vergleich von Soll- und Ist-Rekuperationsleistung bestimmt. Im Anschluss wird aus dieser Leistung eine Kraft ausgerechnet, welche schließlich auf die maximal erreichbare Kraft der Bremsen begrenzt wird.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_F_B_Max_f64
Maximalwert für die Bremskraft
20000
N
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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
Leistung Differenz
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
040
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
P_ist = FLD_P_ist_f64
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
P_soll = FLD_P_soll_f64
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
3
Berechung der Bremskraft
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
050
Wenn die Sollleistung negativ ist, dann wird die Bremskraft wie folgt berechnet:
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
060
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
v_ist = FLD_v_ist_f64
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Die Bremskraft wird auf den Schwellwert PAR_F_B_Max_f64 begrenzt
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
Geschwindigkeitsermittlung
Die Komponente berechnet die Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die Berechnung beruht auf der Gesamtkraft des Fahrzeuges, welche durch die Summe der Fahrzeugmasse geteilt wird.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
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
Das Trägheitsmoment rotierender Komponenten wie die Reifen eines Autos kann ebenfalls durch eine Ersatzmasse simuliert werden. Die entsprechende Formel ist den Spezifikationen zu entnehmen.
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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
Erstatzmasse des Massenträgheitsmoments eines Rades
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
040
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
J = PAR_FLD_J_Rad_f64
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
r = PAR_FLD_r_Rad_f64
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
3
Berechnung der Beschleunigung
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
050
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
060
Die Geschwindigkeit wird durch die Integration der Beschleunigung berechnet
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
a_Fzg = FLD_v_ist_f64
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
F_Ges = FLD_F_Ges_f64
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
m_Fzg = FLD_v_ist_f64
Lukas Honerlage
16.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
Hangabtriebskraft
Die Komponente berechnet die durch eine Steigung entstehenden Hangabtriebskraft. Die Berechnung beruht auf Parametern der Steigung, Fahrzeugmasse und Erdbeschleunigung.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_FLD_g_f64
Erdbeschleunigung
9,81
m/s²
PAR_FLD_m_Fzg_f64
Masse des Fahrzeuges
2000
kg
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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
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
Der Regler berechnet aus der Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit des Fahrzeuges die benötigte Soll-Leistung des Antriebes zur Minimierung der Regelabweichung. Um ein möglichst schnelles Ansprechverhalten ohne ständige Regelabweichung zu realisieren, wird ein PID-Regler verwendet. Durch den Vergleich von Soll- und Ist-Leistung des Antriebes wird eine Anti-Windup-Strategie umgesetzt, welche dieses ungewünschte Verhalten des I-Anteils des PID-Reglers verhindert.
Die Parameter des PID-Reglers werden mit der Sprungantwortmethode ermittelt. Das Vorgehen ist im folgenden Kapitel Programmierung / Modellierung dargestellt. Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
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
-
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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 Ist-Leistung 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 konstanten 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
Mit dieser Komponente wird die vom Antrieb zur Verfügung gestellte Radleistung in eine Kraft umgewandelt. Diese Berechnung erfolgt auf Basis der Momentangeschwindigkeit des Fahrzeuges. Zur Beachtung von Radschlupf wird die Antriebskraft auf einen Maximalwert begrenzt.
Die folgenden Parameter werden von der Komponente verwendet:
Parameter
Beschreibung
Wert
Einheit
PAR_F_Antireb_Max_f64
Maximalkraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann
10000
N
In der folgenden Tabelle finden sich die Spezifikationen zur Umsetzung der Komponente:
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
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
2
Umrechnung Leistung zu Newton
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
040
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
F_A = FLD_F_Antrieb_f64
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
P_A = EHF_V_ist_f64
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
v_ist = FLD_F_Antrieb_f64
Lukas Honerlage
12.05.2022
Mario Wollschläger
18.05.2022
050
Die Kraft wird auf einen Maximalwert begrenzt
Mario Wollschläger
18.05.2022
Lukas Honerlage
18.05.2022
Programmierung / Modellierung
In der Programmierung werden die einzelnen Komponenten entsprechend zuvor definierter Spezifikationen umgesetzt. Die Implementierung erfolgt in dem bereits für den technischen Systementwurf erstellten Simulink-Modell. Ebenfalls werden die Parameter angelegt. Alle Parameter, welche von der Komponente Fahrzeuglängsdynamik verwendet werden, sind in einer Matlab-Datei zusammengefasst. Diese Datei wird beim Start des Modells aufgerufen, sodass die entsprechenden Konstanten im Workspace angelegt werden.
% Parameterdatei fuer FLD (Fahrzeuglängsdynamik)
% ***********************************************************\
%
% Projekt: EHF - Energiehaushalt eines Fahrzeugs
%
% Teilprojekt: FLD - Fahrzeuglängsdynamik
%
% Implementierung : MATLAB R2020a
%
% Toolbox : Simulink
%
% Autor : Mario Wollschläger, Lukas Honerlage
%
%************************************************************/
PAR_FLD_cw_Fzg_f64 = 0.3; %Cw-Wert des Fahrzeuges (Einheitenlos)
PAR_FLD_A_Front_f64 = 3.2; %Stirnfläche des Fahrzeuges (m^2)
PAR_FLD_Rollwiderstandsbeiwert_f64 = 0.013; %Koeffizient für die Berechnung des Rollwiderstandes (Einheitenlos)
PAR_FLD_roh_Luft_f64 = 1.225; %Dichte der Luft (kg/m^3)
PAR_FLD_m_Fzg_f64 = 2000; %Masse des Fahrzeuges (kg)
PAR_FLD_g_f64 = 9.81; %Erdbeschleunigung (m/s^2)
PAR_FLD_J_Rad_f64 = 70; %Massenträgheitsmoment eines Rades (kg m^2)
PAR_FLD_r_Rad_f64 = 0.55; %Radus eines Rades (m)
PAR_FLD_F_B_Max_f64 = 20000; %Maximalwert für die Bremskraft (N) (Abgeschätzt: 1g Verzögerung bei 2 Tonnen Fahzeugmasse)
PAR_FLD_KP_f64 = 7594.5; %P-Faktor des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_KI_f64 = 45566.7; %I-Faktor für den Integrationsanteil des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_KD_f64 = 11391.7; %D-Faktor für den Differentialanteil des PID-Reglers (Einheitenlosen)
PAR_FLD_F_Antrieb_Max_f64 = 10000; %Maximal Kraft, welche durch den Antrieb ausgeübt werden kann (N)
Fahrwiderstände
Bremsen
Geschwindigkeitsermittlung
Hangabtriebskraft
Regler
Die Regler-Parameter Kp, Ki und Kd werden mittels der Sprungantwortmethode nach Ziegler und Nichols bestimmt.[2] Hierfür wurde ein Einheitsprung in die Regelstrecke eingeleitet und die Sprungantwort aufgenommen. Diese Sprungantwort wurde im Anschluss mittels eines PT1-Gliedes mit Totzeit approximiert. Aus den Kostanten der Approximation können die Regler-Parameter berechnet werden.
Simulinkmodell zur Auslegung des Reglers
Sprungantwort und Approximation als PT1 Glied
Berechnung der Werte des PID-Reglers
Umrechnung P zu F
In der Programmierung wird das Problem abgefangen, dass nicht durch Null geteilt werden darf. Wenn die Ist-Geschwindigkeit gleich Null ist, wird diese auf den Wert 0.0001 gesetzt. Durch den sehr kleinen Wert wird das Gesamtergebnis nur so verändert, das es vernachlässigt werden kann.
Komponententest
Der Komponententest für die Komponenten der Fahrzeuglängsdynamik wurde durch die Gruppe FKI durchgeführt. Im Folgenden ist die Dokumentation der Tests zu sehen.
Simulation bei einer Leistung von 59655,9897 W (= 80 PS) und einer Fahrgeschwindigkeit von 41,6667 m/s (= 150 km/h)
Fa=Pa/v ist = 59655,9867/41,6667 = 1431,74261 N
Fa=1432 N
i. O.
040
Test auf die Begranzung auf einen Maximalwert
050
Die Kraft wird auf 10000 begrenzt EHF_P_ist_f64 = 149139.974 EHF_V_ist_f64 = 2.77777778
Simulation bei einer Leistung von 149139,974 W (= 200 PS) und einer Fahrgeschwindigkeit von 2,77777778 m/s (= 10 km/h)
FLD_F_Antrieb_f64=10000 N
FLD_F_Antrieb_f64=1e+04 N
i. O.
Integrationstest
Der Integrationstest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.
Systemtest
Der Systemtest war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.
Abnahme
Die Abnahme war im Sommersemester 2022 kein Bestandteil des Kurses Systems-Design-Engineering im Studiengang BSE.
Fazit
Während des Sommersemesters 2022 war die Seminaraufgabe, den Energiehaushalt eines Fahrzeuges mithilfe des V-Modells zu entwickeln. Angefangen von der Anforderungsdefinition bis zum Komponententest. Die Bereiche Integrationstest, Systemtest und Abnahme waren dieses Semester kein Bestandteil des Kurses. Im ersten Schritt wurden die einzelnen Anforderungen definiert. Im zweiten Schritt wurde der Technische Systementwurf durchgeführt. Dieser beinhaltet eine anfängliche Skizze, welche später in Matlab umgesetzt wurde. Ebenfalls wurden die Ein- und Ausgänge der einzelnen Submodule definiert. In der Komponentenspezifikation wurde in einer Tabelle beschrieben, wie die Umsetzung im Programmierteil aussehen soll. Des Weiteren wurden hier die verwendeten Parameter aufgeführt. Bei der späteren Umsetzung in Matlab/Simulink wurden diese entsprechen der Spezifikation umgesetzt. Zum Schluss wurde der Komponententest der Gruppe FKI durchgeführt, wodurch noch kleine Fehler entdeckt werden konnten. Diese wurden im Anschluss behoben.
Somit wurde mit der Seminaraufgabe die Durchführung des V-Modells praktiziert. Hierbei wurden sowohl die Verifikation als auch die Validierung durchgeführt. Der Hauptaugenmerk lag in diesem Semester auf dem Linken Pfad des V-Modells, wodurch der Entwicklungszweig vollständig durchlaufen wurden. Ebenfalls konnte mit den Komponententests der erste Schritt des rechten Pfades im V-Modell, dem Testen durchgeführt werden.