Virtueller Motorprüfstand mit LabCar · den ihre Übungen am heimischen PC-Arbeitsplatz durchführen. Diese Lehrveranstaltungen könnten auch über die „Virtuelle Hochschule Bayern,

Fachhochschule München FB 03 Maschinenbau/Fahrzeugtechnik Labor für Fahrzeugelektronik

Virtueller Motorprüfstand mit ETAS LabCar

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Virtueller Motorprüfstand mit LabCar 1 Einleitung An der FH München wird im Fachbereich Fahrzeugtechnik/Maschinenbau für die beiden Stu-diengänge „Fahrzeugtechnik“ und „Maschinenbau“ eine Vorlesung „Verbrennungsmotoren“ mit begleitendem Praktikum angeboten. Für das Praktikum steht ein Motorenlabor mit mehre-ren Prüfständen für Diesel- bzw. Ottomotoren zur Verfügung. Die Übungsmöglichkeiten für die Studenten sind wegen der Personalsituation relativ knapp bemessen, da ein unbeaufsich-tigtes Arbeiten am Prüfstand nicht möglich ist. Um die Übungen am Motor – und hier vor allem Applikationsübungen – zu vertiefen, werden im Labor für Fahrzeugelektronik die realen Versuche mit Hilfe von LabCar nachgebildet. Dadurch haben die Studenten die Möglichkeit, sich intensiv mit virtuellen Otto- und Diesel-motoren zu befassen, die durch geeignete Parametrierung denen im realen Motorlabor mög-lichst gleichen. Diese Übungen können nach einer Einweisung unbeaufsichtigt erfolgen, da eine Zerstörungsgefahr auch beim Überschreiten zulässiger Betriebsparameter nicht besteht. Außerdem betragen die Investitions- und Betriebskosten eines virtuellen Prüfstands nur einen Bruchteil derer eines realen. Zur Zeit sind im Labor für Fahrzeugelektronik ein Prüfstand mit geeigneter Hardware für Online-Experimente (Echtzeitbetrieb) und vier weitere für Offline-Experimente (nicht echtzeitfähig) in Betrieb. Für die Zukunft ist geplant, die Ausrüstung auf mehrere echtzeitfähige Prüfstände zu erwei-tern und die Bedienung über Internet zu ermöglichen. Auf diese Weise können die Studieren-den ihre Übungen am heimischen PC-Arbeitsplatz durchführen. Diese Lehrveranstaltungen könnten auch über die „Virtuelle Hochschule Bayern, VHB“ oder ähnliche Institutionen an-geboten werden. Abb. 1 stellt die Vor- und Nachteile eines realen und eines virtuellen Prüfstandes gegenüber.

Abb. 1: Gegenüberstellung von realem und virtuellem Motorpüfstand

Projekt "Virtueller Motorprüfstand"Realer Motorprüfstand Vitueller Motorprüfstand

- Hohe Investitions- und Betriebskosten

- Hoher Betreuungsaufwand

- Sehr anschaulich

- Umweltbelastung

- Betriebsgefahren

- Geringer Studentendurchsatz

- Niedrige Investitions- und Betriebskosten

- Niedriger Betreuungsaufwand

- Sehr abstrakt

- Keine Umweltbelastung

- Keine Betriebsgefahren

- Hoher Studentendurchsatz



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Es ist ganz offensichtlich, dass der virtuelle Motorprüfstand den realen nicht ersetzen kann, da man auf die Anschaulichkeit des letzteren nicht verzichten kann. Zur Ergänzung der Übungen ist er aber hervorragend geeignet. Die fehlende Anschaulichkeit ist dabei kein Mangel, da ja auch das Abstraktionsvermögen der Studierenden geschult werden soll. Ganz nebenbei wer-den sie mit praxisnahen Simulations- und Entwicklungswerkzeugen vertraut gemacht. 2 Einsatz von Labcar in der Lehre LabCar wird von ETAS als komplettes virtuelles Fahrzeug mit Fahrer- und Umgebungsmo-dell, aber praktisch ohne Steuergerät (ein einfaches Datenfeld mit fest eingestellter Einspritz-zeit und festem Zündwinkel für den Notbetrieb ist vorhanden) ausgeliefert. Abb. 2 zeigt ein Blockdiagramm des serienmäßigen LabCar.

Abb. 2: Blockdiagramm von Labcar Für den virtuellen Motorprüfstand müssen einige Änderungen vorgenommen werden, die in Abb. 3 dargestellt sind.

Abb. 3: Blockdiagramm des virtuellen Motorprüfstandes

ETAS LabCar

Motormodell

UmgebungsmodellFahrermodell

Antriebsstrang-modellSteuergerät

Fahrzeugmodell

Virtueller Motorprüfstand

Motormodell

UmgebungsmodellVirtueller Leitstand

4-Quadranten-MaschineSteuergerät

Prüfstandsmodell



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Aus dem Fahrzeugmodell muß der gesamte Antriebsstrang von LabCar entfernt und durch eine virtuelle 4-Quadranten-Maschine zum Abbremsen und Antreiben des Verbrennungsmo-tors ersetzt werden. Dies geschieht am besten durch CT-Blöcke. Das Steuergerät muß erheblich erweitert werden – zumindest um Kennfelder für Zündzeit-punkt und Einpritzdauer. Dies ist ein gutes Beispiel, um das Modellieren mit zeitdiskreten Blöcken in ASCET-SD zu üben. Für den virtuellen Leitstand müssen etliche Befehls- und Anzeigeeinheiten modelliert werden. Dies erfordert eine für den Praktikumsbetrieb geeignete Gestaltung der Experimentierumge-bung im Offline- oder Onlineexperiment. Im Studiengang „Fahrzeugtechnik“ gibt es das Wahlpflichtfach „Fahrzeuginformatik“. Hier werden mit besonders interessierten Studenten grundlegende Übungen im Design von Fahr-zeugsteuergeräten durchgeführt. Es bietet sich geradezu an, in diesem Rahmen das Standard-LabCar in einen Motorprüfstand „umzubauen“. Die Studierenden des Faches „Fahrzeugin-formatik“ bauen also in Projektarbeit die Versuchseinrichtungen für das Pflichtfach „Verbrennungsmotoren“ und dort für den Versuch „Motorapplikation“. Abb. 4 zeigt die wich-tigsten Lehrziele der beiden Fächer.

Abb. 4: Lehrziele der Fächer „Fahrzeuginformatik“ und „Verbrennungsmotoren“

LabCar-Einsatz in der Lehre

Fach Fahrzeuginformatik (Wahlpflichtfach)

� Modellieren von Steuergerätefunktionen

� Modellieren von Fahrzeugbaugruppen- und komponenten

� Modellieren eines virtuellen Bedienpultes

in Projektarbeit

Fach Verbrennungsmotoren (Pflichtfach)

� Untersuchung von Betriebszuständen

� Aufnahme von Motorkennlinien

� Kennfeldapplikationen

in Praktikumsversuchen und freien Übungen



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3 Projekt „Motorprüfstand“ 3.1 Grundkurs ASCET SD Die Studenten müssen vor der eigentlichen Projektarbeit zunächst in die Grundzüge von AS-CET eingeführt werden. Dies geschieht dadurch, dass für die drei Hauptgebiete „Module und Klassen“, „CT-Basis- und Strukturblöcke“ und „Projekte“ vorbereitete Übungen durchgeführt werden. Für das Modellieren von Steuergerätefunktionen wurde aus den ETAS-Schulungs-unterlagen der Baustein „Bordcomputer“ weitgehend übernommen. Lediglich eine Funktion zur Anzeige der Motoröltemperatur wurde hinzugefügt.

Abb. 5: Bordcomputermodell Um das Modellieren von mechanischen (und thermischen) Systemen zu üben, wird ein sehr stark vereinfachtes Fahrzeugmodell, ein „Mini-LabCar“ modelliert. Dieses Modell besteht aus einem Motormodul, welches aus einem Drosselklappenwinkel als Eingangsgröße ein Dreh-moment und eine Öltemperatur als Ausgangsgrößen erzeugt. Daran angeschlossen sind ein stark vereinfachter Antriebsstrang ohne Kupplung und mit nur einem Gang sowie ein simples Fahrzeugmodell mit einer trägen Masse und einem Fahrwiderstand, der einen konstanten An-teil (Reibung) und einen quadratischen (Luftwiderstand) enthält. Dieses Mini-LabCar ist in der Lage, alle Signale zu erzeugen, die vom Bordcomputermodul als Eingangsgrößen benötigt werden.



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Abb. 6: Vereinfachtes Fahrzeugmodell zum Üben von CT-Blöcken

In einer weiteren Stufe werden dann das Fahrzeugmodell und das Bordcomputermodell in einem ASCET-Projekt zusammengefasst. Mit diesem Projekt werden dann Experimente (off-line) ausgeführt, wobei allerdings bereits alle Teilmodule für sich erprobt sind. Das Fach „Fahrzeuginformatik“ ist im Studiengang Fahrzeugtechnik ein sogenanntes „Inter-disziplinäres Wahlpflichtfach“. Dies bedeutet, dass in den Lehrveranstaltungen möglichst viele Fachgebiete angesprochen werden sollen. Am Beispiel des Moduls zur Modellierung der Öltemperatur soll gezeigt werden, wie die Fachgebiete Motorentechnik, Wärmelehre, Elektro-technik und Regelungstechnik angesprochen werden. Am Anfang der Überlegungen steht ein geeignetes Modell des technischen Vorgangs. Der Verbrennungsmotor erzeugt eine Verlustleistung PV, die an die Umgebung abgeführt werden muß. Unser vereinfachtes Modell nimmt an, dass dies sowohl über das Kühlwasser als auch über das Motoröl geschehen kann. Daraus entsteht ein elektrisches Ersatzschaltbild, bei dem die Kondensatoren den Wärmekapazitäten, die Widerstände den Wärmeübergangs-widerständen, der elektrischen Strom der thermischen Leistung und die Spannungsabfälle den Temperaturgefällen entsprechen.

Abb. 7: Elektrisches Ersatzschaltbild für die Wärmeabfuhr im Motor Dieses Schaltbild kann in ein regelungstechnisches Blockschaltbild mit den Übertragungs-funktionen G(s) umgewandelt werden. Der Formelbuchstabe s entspricht dabei dem Laplace-Operator. Durch die Laplace-Transformation erspart man sich das explizite Aufstellen von Differentialgleichungen.

RthMO

CthK

R thMK

C thO

R thKU RthOU

PV PKPO

PCK PKU PCO POU

TMUTMK

TWU

TMO

TOU

Kühlwasser Motoröl

TU



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Abb. 8: Thermisches Blockschaltbild von Kühlwasser- und Motoröltemperatur Wenn man sich in ASCET eine kleine Bibliothek aus CT-Blöcken modelliert, und zwar Multiplizie-rer, Dividierer, Integrator, Differenzierer, dann kann man dieses regelungstechnische Block-schaltbild in ASCET nahezu 1:1 nachbilden. Abb. 9: Blockbibliothek

Abb. 10: CT-Strukturblock „Kühlwassertemperatur“ Abb. 11: CT-Strukturblock „Öltemperatur“

iR

RthMK

1/RthMO

PV PK PCK

PKU

TKU

TMK

TMU

TOU

TMO

POPCO

POU

TOU

Kühlwasser Motoröl

1/RthKU

1/C thK 1/s

1/R thOU

1/s1/CthO



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Unter der (vereinfachenden) Annahme, der Verbrennungsmotor habe einen konstanten Wir-kungsgrad η kann man aus dem Motordrehmoment, das ja bereits als Ausgang des CT-Blocks für den Motor vorliegt, die Motoröltemperatur ableiten. Abb. 12 zeigt den kompletten CT-Strukturblock für diese Funktion. Auf diese Weise hat der Student „so nebenbei“ Lösungsverfahren aus mehreren Fachgebieten geübt und ist mit den Prinzipien der Modellierung vertraut (z.B. dem Erstellen eigener Biblio-theksbausteine), auch wenn die zu Grunde gelegten Modelle teilweise noch sehr primitiv sind. Abb. 12: CT-Strukturblock zur Modellierung der Motoröltemperatur 3.2 Projektgruppen Im Sommersemester 2001 wurde erstmalig der Einsatz von LabCar als virtueller Motorprüf-stand in Angriff genommen. Für das Wahlpflichtfach „Fahrzeuginformatik“ hatten sich 15 Studenten angemeldet. Den ASCET-Grundkurs mussten alle Teilnehmer absolvieren. Ent-sprechend den erforderlichen Änderungen an LabCar (Abb. 2 und 3) wurden drei Projekt-gruppen aus je fünf Teilnehmern gebildet:

• Gruppe 1: Modellieren des „Steuergerätes“ • Gruppe 2: Modellieren der 4-Quadranten-Maschine • Gruppe 3: Modellieren der Experimentierumgebung (virtuelles Bedienpult)

Dazu wurden gemeinsam die Anforderungen für die drei Teilgebiete erarbeitet. Dabei stand im Vordergrund, keine funktionsfähigen Geräte entwickeln zu müssen, sondern die Durchfüh-rung sinnvoller Praktikumsversuche zu ermöglichen. Es ergaben sich folgende Anforderun-gen:



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Steuergerät ECU:

- Zwei zweidimensionale Kennfelder für Einspritzdauer und Zündwinkel, aus Grün-den der besseren Handhabung im Praktikum auf 6x6 Werte beschränkt,

- Umschaltung zwischen Kennfeldbetrieb und manueller Eingabemöglichkeit der Werte.

4-Quadrantenmaschine

- Drehzahlregelung, um alle Punkte der Motorkennlinie anfahren zu können, - Massenträgheitsmoment der Belastungsmaschine soll einstellbar sein, - Drehzahlregelung soll zu- und abschaltbar sein.

Experimentierumgebung

- Die erforderlichen Eingabeelemente für die Bedienung des Prüfstandes und des Prüflings sind zu erstellen,

- Balkenanzeigen für Drehzahl, Luftmassenstrom, Kraftstoffmassenstrom und Luft-zahl λ.

- Oszilloskopanzeige für Drehmoment und Drehzahl.

3.3 Ergebnisse Die Lehrveranstaltung „Fahrzeuginformatik“ besteht laut Lehrplan des Studiengangs „Fahr-zeugtechnik“ aus zwei Teilen mit je zwei Semesterwochenstunden. Dies ergibt insgesamt je nach Lage der Feiertage zwischen 24 und 28 Stunden pro Semester. Ein Semester ist nach den ersten Erfahrungen gerade ausreichend, um den Grundkurs zu absolvieren, zumal die Studie-renden alle aus dem Studiengang „Fahrzeugtechnik“ stammen und nur eine Grundlagenaus-bildung in den Informatikfächern erhalten haben. Für die Einarbeitung in LabCar und die ei-gentliche Modellierung müssen zwei weitere Semesterwochenstunden angesetzt werden. Al-lerdings taten sich einige Studenten besonders hervor, die den Grundkurs in kürzerer Zeit absolvierten und sich dann dem Ummodellieren von Labcar in einen virtuellen Motorprüf-stand widmen konnten. So entstanden die in den Abb. 13 bis 15 gezeigten Lösungen, die sehr einfach gehalten sind, ihre Funktion aber dennoch erfüllen.

Abb. 13: Vereinfachtes Modell des Steuergerätes



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Natürlich ist dies kein echtes Steuergerät, aber man kann zumindest ein einem kleinen 6x6-Kennfeld das Motormodell im stationären Betrieb optimieren. Für grundlegende Untersu-chungen im Praktikumsbetrieb reicht dies zunächst aus. Ein weiterer stufenweiser Ausbau ist für die nächsten Semester geplant.

Abb. 14: Modell der Vierquadrantenmaschine

Dieses Modell soll keinen Elektroantrieb nachbilden, aber es erzeugt bei Abweichungen zwi-schen Soll- und Istdrehzahl ein Gegenmoment. Mit diesem kann man eine Drehzahlregelung realisieren, so dass man beliebige Punkte auf der Kennlinie des Verbrennungsmotormodells anfahren kann. Abb. 15: Experimentierumgebung (virtuelles Bedienpult)



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4 Schlussbemerkungen Die Studierenden arbeiteten mit Begeisterung an dem System LabCar. Besonders die grafi-sche Programmierung wurde gegenüber der Sprache C, deren Grundzüge alle beherrschten, als äußerst angenehm empfunden. Bemerkenswert ist, dass die Prinzipien der Echtzeitverar-beitung wie Tasks und Prozesse relativ schnell und gut verstanden wurden, während bei den CT-Blöcken doch sehr viel Hilfestellung durch den Dozenten nötig war. Für die nähere Zukunft ist geplant, die erarbeiteten Erkenntnisse in einen noch aufzubauenden Praktikumsversuch für das Fach „Verbrennungsmotoren“ einfließen zu lassen. Dieser Ver-such soll aber mit der entsprechenden Hardware in Echtzeit ablaufen, während die bisherigen Versuche alle „offline“ durchgeführt wurden. In der weiteren Zukunft soll die Möglichkeit einer Bedienung des Prüfstandes über Internet untersucht werden. Darüber hinaus soll LabCar nicht nur für das Üben mit Verbrennungsmo-toren eingesetzt werden, sondern es ist auch eine Zusammenarbeit mit dem Labor für An-triebstechnik geplant. Hier könnten z.B. virtuelle Versuche zur Fahrdynamik aufgebaut wer-den, um die aus theoretischen Lehrveranstaltungen und aus Fahrversuchen gewonnenen Er-kenntnisse zu vertiefen.



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Folie 1

FH München, FB 03 Labor für Fahrzeugelektronik

Project „Virtual Engine Test Rig“

Real Engine Test Rig

§High Investment Costs§High Support Efforts§Operational Risks§ Environment Pollution§ Low Througput of Students§ Very demonstrative

Virtual Engine Test Rig

§ Low Investment Costs§ Low Support Efforts§No Operational Risks § LowEnvironment Pollution§High Througput of Students§Relatively abstract

Sheet 1 Prof. Dr.-Ing. G. Wermuth

Übersícht

Folie 2


Motor ModelECU

Driver Model Environment Model

Drive TrainModel


Vehicle Model

ETAS Labcar

Folie 3


Motor ModelECU

VirtualOperating Panel Environment Model

4-Quadrant-Engine


Test Rig Model

Virtual Engine Test Rig



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Folie 4



Labcar In Education

Electronic Control Design (Optional Subject)

• Modelling of ECU Functions• Modelling of Vehicle Components and Assemblies• Modelling of a Virtual Operating Panel

in Project Work

Automotive Electronics (Required Subject)

• Study of Important Operational Parameters• Recording of Motor Chracteristic Curves• Characteristic Table Applications (Ignition and Injection Maps)

in Requiredand Optional Exercises

Folie 5

Tutorial Example (Board Computer)FH München, FB 03 Labor für Fahrzeugelektronik


Folie 6



Tutorial (Simple Vehicle Model with CT Blocks)



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Folie 7



Electrical Schematic of Heat Removal

RthMO

CthK

RthMK

CthO

RthKU R thOU

PV PKPO

PCK PKU PCO POU

TMUTMK

TW U

TMO

TOU

Coolant Motor Oil

TU

Folie 8



iR

R thMK

1/RthMO

PV

P K PC K

P KU

TKU

T MK

TMU

T OU

TMO

P OPC O

PO U

T OU

Coolant Motor Oil

1/R thKU

1/C thK1/s

1/R thOU

1/s1/CthO

Control Engineering Block Diagram

Folie 9



Library of CT Basic Blocks



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Folie 10 FH München, FB 03 Labor für Fahrzeugelektronik

Sheet 1 0 Prof. Dr.-Ing. G. Wermuth

CT Structue Block for Coolant Temperature

Folie 11



CT Structure Block for Oil Temperature

Folie 12



Complete Structure For Modelling of Oil Temperature



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Folie 13



Simple Model of ECU

Folie 14

Combustion Engine

n

M

Load (stable)

Load (instable)



Charcteristic Diagram of Combustion Engine

Folie 15



Model of 4-Quadrant Engine



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Folie 16



Operating Panel

Documents

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