Forschungsarbeiten zur Co-Simulation

Im Dokument Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme (Seite 65-72)

3.2 Konzepte zur Steigerung der Modellkomplexität durch Co-Simulation

3.2.2 Forschungsarbeiten zur Co-Simulation

In der Literatur sind mehrere Forschungsarbeiten verfügbar, die sich dem Themenfeld der Co-Simulation zuordnen lassen. Die nachfolgende Betrachtung gibt zuerst einen Über- blick über den Inhalt der Betrachtungen in bestehenden Arbeiten. Im Anschluss an diesen Überblick erfolgt die zusammenfassende Bewertung der bestehenden wissenschaftlichen

1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 … Nicht erfüllt … Erfüllt

Betrachtungen im Hinblick auf eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation von virtuellen Produktionsanlagen für die HILS-RTOS.

(Rükgauer 1997): Die Arbeit „Modulare Simulation mechatronischer Systeme mit An-

wendung in der Fahrzeugdynamik“ betrachtet die Simulation von komplexen mechatro- nischen Systemen durch die Kopplung von Teilmodellen aus unterschiedlichen Simulati- onsdisziplinen, wie der Mechanik, der Regelungstechnik und der Elektronik. Rükgauer stellt die Simulation eines Gesamtsystems durch einen zeitdiskreten Co-Simulationsmas- ter, der die einzelnen Teilmodelle über die Ein- und die Ausgangsgrößen koppelt und die Kommunikation zu diskreten Zeitschritten koordiniert, vor. Im Rahmen der Betrachtungen des Co-Simulationsmasters steht die Einhaltung von Echtzeitanforderungen nicht im Fo- kus. Die Betrachtungen beschränken sich auf die Simulationsdomäne der Fahrzeugtech- nik.

(Kübler 2000): Die Arbeit „Modulare Modellierung und Simulation mechatronischer Sys-

teme“ setzt die Arbeit von Rükgauer 1997 fort und betrachtet die Bereitstellung einer Modellierungs- und Simulationsmethodik für mechatronische Systeme. Bei den Betrach- tungen steht die Realisierung eines hohen Grads an Modularität bei der Produktentwick- lung im Vordergrund. Im Detail betrachtet Kübler effiziente und verlässliche numerische Verfahren zur modularen Simulation, welche allgemeingültig in verschiedenen Simulati- onsdisziplinen anwendbar sein sollen. Speziellen Fokus legt die Arbeit auf die modulare Modellierung von Mehrkörpersystemen (MKS). Darüber hinaus stellt Kübler ein Simulati- onswerkzeug für modulare Systeme vor. Wie bei Rükgauer handelt es sich in Küblers Ar- beit um eine Nichtechtzeitsimulation, die ausschließlich Anforderungen aus der Fahrzeug- technik berücksichtigt.

(Schulz 2003): Die Arbeit „Parallele und verteilte Simulation bei der Steuerung komplexer

Produktionssysteme“ stellt ein Lösungskonzept zum Einsatz der parallelen und verteilten Simulation zur simulationsbasierten Fertigungssteuerung vor. Unter anderem bietet die Arbeit eine Übersicht über bestehende Ansätze zur Partitionierung, Kommunikation, Syn- chronisation und zum Mapping, Scheduling und Load-Balancing auf dem Gebiet der pa-

rallelen und verteilten Simulation. Die von Schulz betrachtete Simulationssoftware berück- sichtigt zwar eine echtzeitnahe Entscheidungsunterstützung, eine Betrachtung der vorge- stellten Ansätze unter Echtzeitbedingungen, welche zur Einbindung industrieller Steue- rungssysteme im Rahmen einer HILS-RTOS erforderlich sind, findet nicht statt.

(Dronka 2004): Die Arbeit „Die Simulation gekoppelter Mehrkörper- und Hydraulik-Mo-

delle mit Erweiterung für Echtzeitsimulation“ untersucht die Modellierung und Simulation mechanischer Systeme mit dem Schwerpunkt der Betrachtung von Mehrkörpersystemen sowie hydraulischer Systeme. In den Untersuchungen wird die gekoppelte MKS-Hydraulik- Simulation untersucht. Neben diesen simulationsdisziplinspezifischen Betrachtungen stellt die Arbeit die theoretischen Grundlagen einer verteilten Echtzeitsimulation dar. Die vor- gestellten Grundlagen umfassen parallele Rechnerarchitekturen, Methoden der Paralleli- sierung, Methoden zur Systempartitionierung und Teilsystemkopplung, Methoden zur Multi-Rate- und Multi-Method-Integration und Methoden zur Synchronisation und zur Organisation des Zeitfortschritts. Die Betrachtungen von Dronka sind spezialisiert auf die Fahrzeugtechnik. Aufgrund des fehlenden Bezugs zur industriellen Steuerungstechnik können die Anforderungen einer HILS-RTOS nicht erfüllt werden.

(Scholz 2004): Die Arbeit „Zur Simulatorkopplung für mechatronische Systeme“ führt

einen Entwurf eines Verfahrens zur Kommunikationsschrittweitensteuerung, eine Kopp- lung von Simulation und Virtual Reality Umgebung und eine Dynamikanalyse eines Hyd- raulikprüfstands durch. Die Einhaltung von Echtzeitanforderungen und die Anwendung im Bereich der industriellen Steuerungstechnik stehen nicht im Fokus der Arbeit.

(Völker 2011): Die Arbeit „Untersuchung des Kommunikationsintervalls bei der gekop-

pelten Simulation“ stellt eine „Methodik zur Bestimmung des Kommunikationsintervalls“ (Völker 2011) bei einer Co-Simulation auf Basis des Simulationswerkzeugs Matlab Simu- link vor. Die Arbeit betrachtet bei der Kopplung von Teilsystemen die Schrittweitensteue- rung in den Teilsimulationen und damit die Wahl der Kommunikationsintervalle. Die Ar- beit stellt keinen Bezug zur industriellen Steuerungstechnik her.

(Busch 2012): Die Arbeit „Zur effizienten Kopplung von Simulationsprogrammen“ befasst

numerischen Fehler klassischer expliziter und impliziter Kopplungsverfahren“ (Busch 2012). Es wird eine „automatische Steuerung der Makroschrittweite“ (Busch 2012) um- gesetzt. Auch Busch stellt keinen Bezug zur industriellen Steuerungstechnik her.

(Friedrich 2012): Die Arbeit „Parallel Co-Simulation for Mechatronic Systems“ betrachtet

„gekoppelte Multi-Domain Simulationen, insbesondere von mechanischen, hydraulischen und elektrischen Systemen, durch Co-Simulation“ (Friedrich 2012). Hauptaugenmerk der Betrachtungen sind Stabilitätsuntersuchungen und die Parallelisierung der Modellberech- nung. Friedrich stellt hierzu ein Framework zur Co-Simulation vor. Die Einhaltung von Echtzeitanforderungen und die Anwendung im Bereich der industriellen Steuerungstech- nik stehen nicht im Fokus der Arbeit.

(Schmoll 2015): Die Arbeit „Co-Simulation und Solverkopplung“ unterscheidet zwischen

zwei Arten von gekoppelter Simulation und untersucht für MKS „den Einfluss auf die numerische Stabilität und die Genauigkeit der gekoppelten Lösung“ (Schmoll 2015). In der Arbeit wird „immer ein MKS mit einem oder mehreren Modellen aus einer anderen Disziplin gekoppelt“ (Schmoll 2015). Die erste Art der dargestellten gekoppelten Simula- tion ist die Kopplung von zwei oder mehreren dynamischen Subsystemen. Die zweite Art der gekoppelten Simulation ist die Kopplung „eines dynamischen mit einem oder mehre- ren statischen Subsystemen“ (Schmoll 2015). Auch Schmoll führt keine Betrachtungen von Echtzeitanforderungen durch und legt keinen Schwerpunkt auf die Anwendung der erarbeiteten Lösung im Bereich der industriellen Steuerungstechnik.

(Günther 2017): Die Arbeit „Beitrag zur Co-Simulation in der Gesamtsystementwicklung

des Kraftfahrzeugs“ verfolgt das Ziel einer gesamtheitlichen Modellierung und Simulation des Fahrzeugs. Durch Modellpartitionierung und Co-Simulation sollen die Berechnungs- zeiten bei der Simulation des virtuellen Fahrzeugs verringert werden. Die Arbeit stellt Me- thoden der Approximation, ein neues numerisches Verfahren mit Makroschrittweitensteu- erung und eine modulare Modellbibliothek vor. Auch Günther führt keine Betrachtungen hinsichtlich der Anforderungen bei einer Einbindung industrieller Steuerungssysteme durch.

Bestehende wissenschaftliche Betrachtungen im Themengebiet der Co-Simulation lösen die Aufgabe der Konzeption und Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation von virtuellen Produktionsanlagen für die HILS-RTOS nicht. Nachfolgend werden die Ar- beiten hinsichtlich der Anforderungen 3-5 bewertet. Eine Bewertung hinsichtlich den An- forderungen 1-2 entfällt, da in den Forschungsarbeiten keine Plattformen konzipiert und entwickelt werden, sondern die Betrachtung von Co-Simulationsmechanismen in der Be- rechnungsphase im Vordergrund steht. Tabelle 3.3 stellt abschließend die Bewertung der einzelnen Arbeiten hinsichtlich der Anforderungen 3-5 übersichtlich dar.

Bewertung zu Anforderung 3: Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

In bestehenden Arbeiten werden die Teilmodelle manuell durch das händische Aufstellen der Modellgleichungen erstellt. Die dabei entstehenden Teilmodelle werden aufwendig manuell miteinander gekoppelt. In den Betrachtungen steht die Zusammenführung der Teilmodelle in einer Co-Simulation im Vordergrund. Die Partitionen ergeben sich direkt aus der Modellierung der zu koppelnden Teilmodelle. Günther verweist auf die häufig nach Domänen getrennte Modellierung, aus der sich eine Partitionierung „aus solchen praktischen Gesichtspunkten“ (Günther 2017) ergibt. Die in den Arbeiten dargestellten Mechanismen zur Partitionierung betrachten, wie die Partitionsgrenzen aus numerischen Aspekten gezogen werden sollen. Für die Problemstellung der Arbeit sollen hingegen aus einem ganzheitlichen Blockschaltbild-Modell über einen automatisierten Partitionierungs- mechanismus die einzelnen Teilmodelle gebildet und zur Modellberechnung automatisch auf die Simulationstasks verteilt werden. Eine automatisierte Partitionierung eines ganz- heitlichen Blockschaltbild-Modells wird in den dargestellten Arbeiten nicht betrachtet.

Bewertung zu Anforderung 4: Erfüllung der Anforderungen einer HILS-RTOS

In den meisten Arbeiten steht die Einhaltung von Echtzeitanforderungen nicht im Fokus der Betrachtungen, wodurch diese Arbeiten die Anforderung nicht erfüllen können. In den Betrachtungen mit Echtzeitbezug sind bislang keine Arbeiten verfügbar, welche eine Einbindung industrieller Steuerungssysteme in eine Co-Simulation vornehmen. Lediglich Schulz stellt als einzige Arbeit einen Bezug zur Produktionstechnik her. Allerdings wird

auch in Schulz kein Bezug zur VIBN und den bei einer HILS-RTOS durch die Kommunika- tion mit industriellen Steuerungssystemen entstehenden spezifischen Anforderungen her- gestellt.

Bewertung zu Anforderung 5: Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung und Ausführungsplattform (RTOS, NRTOS)

In untersuchten Plattformen ist die unterschiedliche Taktung von Teilmodellen möglich. Eine Betrachtung der automatisierten Instanziierung und Kopplung von Simulationstasks über Plattformgrenzen hinweg erfolgt nicht.

Rü kg au er 1 99 7 Küb le r 20 00 Sc hu lz 2 00 3 D ro nk a 20 04 Sc ho lz 2 00 4 Völk er 2 01 1 Bu sch 20 12 Fr ie dr ic h 20 12 Sc hmo ll 20 15 G ün th er 2 01 7

A3: Automatisierte Konfiguration der Co-Simulation

A3.1: Automatisierter Partitionierungs- mechanismus

A3.2: Automatisierte Konfiguration und Kopplung

A4: Erfüllung der Anforderungen einer HILS-RTOS

A4.1: Verlustfreie und zeitsynchrone Kommunikation mit dem Steuerungssystem

A4.2: Taktgenaue Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen A5: Simulationstasks mit unterschiedlicher

Taktung und Ausführungsplattform (RTOS, NRTOS)

1Keine Partitionierung: Zusammenführung von Teilmodellen, keine Partitionierung eines Gesamtmodells in Teilmodelle

2Erwähnung der Partitionierung und insbesondere numerischer Aspekte, allerdings nicht im Sinne einer automatisierten Partitio-

nierung eines ganzheitlichen Blockschaltbild-Modells

3Keine Betrachtung von Echtzeitanforderungen

4Echtzeitbetrachtungen werden durchgeführt, allerdings keine Erfüllung der Anforderungen einer HILS-RTOS aufgrund des

fehlenden Bezugs zur industriellen Steuerungstechnik

5Die unterschiedliche Taktung von Teilmodellen ist möglich, keine automatisierte Instanziierung und Kopplung von Simulati-

onstasks über Plattformgrenzen hinweg

Tabelle 3.3: Bewertung bestehender Forschungsarbeiten zur Co-Simulation an-

hand der Anforderungen

1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 3 3 3 4 3 3 3 3 3 4 3 3 3 4 3 3 3 3 3 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 … Nicht erfüllt … Erfüllt

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