Verfahren zur Synchronisation betriebsparalleler Simulationen durch Online-Parameterschätzung

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung der Zustandssynchronisierung, welche eine betriebsparallele Simulation an eine industrielle Anlage kontinuierlich angleicht. Die betrachteten Simulationsmodelle liegen als Co-Simulation nach dem FMI Standard vor. Die Zustandssynchronisierung funktioniert nachdem Prinzip der Signal-Rückkopplung der Differenz zwischen betriebsparalleler Simulation und physischer Anlage. Die Synchronisation wird durch einen Optimierungsalgorithmus online erreicht, welche den Unterschied zwischen physischer Anlage und Simulation minimiert. Dabei wird der Einsatz von statischen und dynamischen Optimierungsalgorithmen untersucht. Es werden weiterhin Möglichkeiten zur Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit sowie zur Zeitsynchronisation erarbeitet. Die entwickelten Methoden und Algorithmen werden anschließend an unterschiedlichen technischen Systemen erfolgreich validiert.

Inhalt

1. Einleitung 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Erklärung an einem Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Stand der Wissenschaft 5
2.1. Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3. Formulierung der wissenschaftlichen Fragestellung . . . . . . . . . . . . 12
3. Formale Beschreibung der Blackbox Co-Simulation 13
3.1. Einführung Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1. Technischer Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2. Simulationskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.3. Co-Simulationsmaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2. Modell einer Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1. Repräsentation einer Co-Simulation als Graph . . . . . . . . . . 17
3.3. Sequenzdiagramm einer Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4. Synchronisierungskonzept 20
4.1. Prinzip der Zustandssynchronisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2. Realisierung der Zustandssynchronisierung mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3. Einbetten der Optimierung in den Co-Simulationsmasteralgorithmus . 24
4.4. Verbesserung der Performance der Zustandssynchronisierung . . . . . . 28
4.4.1. Ansatz 1: Unter welchen Bedingungen kann die Ausführung einer
Simulationskomponente das Ergebnis der Optimierung beeinflussen?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.2. Ansatz 2: Unter welchen Bedingungen liefern zwei Ausführungen
einer Simulationskomponente das identische Ergebnis? . . . 31
4.4.3. Kombination von Ansatz 1 und Ansatz 2 . . . . . . . . . . . . . 35
4.4.4. Anwendung von Ansatz 1 und Ansatz 2 . . . . . . . . . . . . . 36
4.5. Integration der Performanceverbesserungen in den Algorithmus . . . . 37
4.6. Zeitliche Synchronisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7. Diskussion der Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5. Validierung 44
5.1. Umsetzung des Co-Simulationsmasters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2. Simulationskomponente Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3. Metriken für die Auswertung der Validierung . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3.1. Anzahl Iterationen der Simulationskomponenten . . . . . . . . . 47
5.3.2. Mittlere quadratische Abweichung . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.3. Maximale absolute Abweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4. Wertekontinuierliches System: Motorsystem . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.1. Beschreibung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.2. Aufbau der Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4.3. Parametrierung der Simulationsmodelle und der Optimierung . 52
5.4.4. Formulieren von Szenarien für die Validierung . . . . . . . . . . 53
5.4.5. Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5. Hybrides System: Transportsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.1. Beschreibung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.2. Aufbau der Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.3. Parametrierung der Simulationsmodelle und der Optimierung . 64
5.5.4. Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.6. Hybrides System: Zylindersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.6.1. Beschreibung des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.6.2. Aufbau der Co-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.6.3. Parametrierung der Simulationsmodelle und der Optimierung . 73
5.6.4. Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.7. Simulative Validierung der zeitlichen Synchronisation . . . . . . . . . . 77
5.8. Auswertung der Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6. Zusammenfassung und Ausblick 82
6.1. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2. Lessons-Learned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Anhang A Überblick über die im Rahmen der Arbeit erstellten Implementierungen
86
Eigene Publikationen 87
Literaturverzeichnis 89

Keywords: Betriebsparallele Simulationen, Synchronisation, Optimierung, Co-Simulation, Digitaler Zwilling, Betriebsparallele Simulationen, Synchronisation, Optimierung, Co-Simulation, Digitaler Zwilling