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MOTIVATION UND EINFÜHRUNG

REALITÄTSNAH TESTEN MIT HARDWARE-IN-THE-LOOP

Aktuelle Anwendungen und Entwicklungen im Bereich der Komponenten- und Systemprüfung

Dirk Mayer Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF www.lbf.fraunhofer.de

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AGENDA

Motivation

Hardware-in-the-Loop Tests

Potenzial von In-the-Loop-Simulationen

Aktuelle Entwicklungen

Ausblick

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Entwicklung zuverlässiger Systeme

Experimentelle und numerische Betriebsfestigkeit

Zyklische Prüfungen von Materialproben, Komponenten und Systemen

Zuverlässigkeit elektromechanischer Systeme, Degradation smarter Aktoren

Fahrbetriebsmessungen und Betriebslastennachfahrversuche

Entwicklung maßgeschneiderter Prüftechnik

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Entwicklung zuverlässiger Systeme

FMEAs, Funktionale Sicherheit, etc.

Design-to-Reliability

Innovative Funktionsintegration

Ableitung von Auslegungsrichtlinien für sicherheitsrelevante Komponenten

Analyse und Abschätzung von Fertigungs- und Umwelteinflüssen auf die Betriebsfestigkeit

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Entwicklung zuverlässiger Systeme

Modellbildung multi-physikalischer komplexer Systeme

Betriebsmessungen und Systemanalyse

Systemoptimierung hinsichtlich (Ressourcen-)Effizienz

Auslegung, Prototyping und Systemintegration

Systemtests im Labor und im Feld

Integration in bestehende Entwicklungs- und Fertigungsprozesse

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Motivation

Schleppende Integration digitaler Technologien in moderne mechatronische Systeme mit hoher Funktionalität

Validierung komplexer mechatronischer Systeme derzeit nur im Feldversuch unter Aufwendung hoher Ressourcen möglich

Zuverlässige mechatronische Systeme basieren auf inkrementeller Entwicklung – Vermeidung disruptiver technologischer Innovationen

Großes Interesse der Industrie an systematischer und effizienter Entwicklung und Validierung der Produkte „von morgen“

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Entwicklung mechatronischer Systeme

Vereinfachte Tests für mechanische und elektrische Komponenten

Verifikation der Funktionsweise des Gesamtsystems oft erst nach erfolgter Systemintegration möglich

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Hardware-in-the-Loop Simulation Rocket Science

Test der Avionik einer (bemannten) Rakete

IBM Gemini Mission Verification Simulation (1967)

“Will the actual Gemini digital computer, together with its operational program, indeed function adequately within the operational interface environment expected during actual Gemini missions?”

Test von Funktionalität und Zuverlässigkeit VOR dem Start eines Prototyps

http://en.wikipedia.org

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Hardware-in-the-Loop Simulation Funktionsvalidierung im Systemkontext

(HiL-)Prüfungen im „Systemkontext“ für Steuergeräte und Software

Nachbildung komplexer Interaktionen eines mechatronischen Systems mit seiner Umwelt derzeit nicht möglich

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Beispielszenario Windenergie

Herausforderung

Zertifizierende Versuche neuer Systemlösungen

Zuverlässigkeit

Effizienz

Netzverträglichkeit

Derzeitiges Vorgehen

Feldversuch mit Fault-Ride-Through-Container

Simulation von Netzfehlern

Abwarten günstiger Windbedingungen

Kosten bis 1M€, Dauer 1-2 Jahre

(Bild: Nordex SE)

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Erweiterte In-the-Loop-Simulation

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Erweiterte In-the-Loop-Simulation

Frühzeitige Tests im Systemkontext und schnelle Reaktionen auf veränderte Systemeigenschaften

Prüfung komplexer/großer Teilsysteme im Labor

Gezielte Fehlerinjektion und systemkritische Tests ohne Gefährdungspotenzial für Mensch

Reproduzierbare Tests unter gleichbleibenden und im Feld schwer zu erreichenden Test- bedingungen

Beschleunigte Entwicklung zuverlässiger Produkte durch den Einsatz von Zuverlässigkeitsmethoden (Prüfen kritischer Fehlerpfade)

Vereinfachung von Versuchsaufbauten möglich

Ersatz elektrischer, elektromechanischer oder mechanischer Systeme

Zeitvariantes Verhalten kann simuliert werden

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Technologiepotenzial

Potenzial von In-the-Loop Simulationen

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Integration der In-the-Loop-Methoden in einen durchgängigen testgetriebenen Entwicklungsprozess für komplexe mechatronische Systeme

Generierung hochdynamischer, echtzeitfähiger Modelle zur virtuellen Nachbildung des Restsystemverhaltens

Entwicklung und Realisierung von modularen V/R-Schnittstellen zur Nachbildung von dynamischen mechanischen und elektrischen Randbedingungen zwischen virtuellen und realen Systemteilen

Mittelfristige Ziele zur Umsetzung

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Anwendungen

Hochdynamische mechanische Prüfung

Antriebsstrangprüfung

Umweltsimulation mit Echtzeitnachbildung elektromechanischer Lasten

Vernetze HIL-Prüfstände

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Ausblick und weitere Forschungsthemen

Erweiterte Regelungsverfahren

Automatisierte und parametrische Modellreduktion

Schnelles Testen von Varianten und Fehlermoden

Mechanical-Simulation Toolbox (Matlab/Simulink)

Mehrachsige Schnittstellen

Realitätsnäherer Test übertragener Kräfte/ Momente

Kombination aktiver Systeme mit passiven Substrukturen

Kompromiss zwischen Aufwand für den Versuchsaufbau und die M-HITL-Schnittstelle bei der Nachbildung der Admittanz

Systemintegration der Aktorik und Sensorik in der M-HITL-Schnittstelle

Robuste Hardware, tauglich für Dauer- und Belastungstests

www.mechanical-simulation.de

DUT

VirtualResidualSystemInterface

-Adaptive

Filter

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x.y

OnlineAdaptation

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Kontakt

Dirk Mayer Leiter Innovationsmanagement Fraunhofer-Institute für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Darmstadt dirk.mayer@lbf.fraunhofer.de