Simulation von Schienenfahrzeugen mit hydraulischen Komponenten

Simulation von Schienenfahrzeugen mit hydraulischen Komponenten
Prof. Helduser, Dipl.-Ing. Stüwing, Institut für Fluidtechnik (IFD), TU Dresden,
Prof. Liebig, Dipl.-Ing. Dronka, Institut für Theoretische Grundlagen der Fahrzeugtechnik
(ITGF), TU Dresden
1 Einleitung
Bedingt durch die gewachsenen Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften von Schienenfahrzeugen
– höhere Geschwindigkeiten bei gleichem oder besserem Komfort und gleicher oder
verbesserter Fahrstabilität zu erreichen - werden immer häufiger aktive Komponenten zur gezielten
Beeinflussung bestimmter dynamischer Eigenschaften eingesetzt. Beispiele hierfür in der Schienenfahrzeugtechnik
sind die aktive Neigetechnik, aktive und semiaktive Fahrzeugfederungen (vertikal und
horizontal) und die aktive Radsatzsteuerung.
Für die Auslegung und Untersuchung solcher Systeme, die aus Teilsystemen verschiedener Ingenieurdisziplinen
bestehen, werden u.a. Simulationsprogramme eingesetzt, die auf der numerischen
Approximation der Modellgleichungen (Gewöhnliche Differentialgleichungen oder Differential-Algebraische
Gleichungen) über der Zeit beruhen. Für das in unserem Fall untersuchte Beispielsystem eines
Schienenfahrzeuges mit aktiver hydraulischer Neigetechnik, sind hierbei das mechanische Teilsystem
Fahrzeug (Modellierung als Mehrkörpersystem – MKS) und das Teilsystem Neigetechnik-Hydraulik zu
modellieren und für Untersuchungen am Gesamtsystem geeignet zusammenzufassen und zu
simulieren (gekoppelte Simulation).
Die Entwicklung von Werkzeugen, die sowohl den Gesamtsystemhersteller bei der Untersuchung
solcher Systeme als auch die Teilsystemhersteller bei der Entwicklung der Teilsysteme unter Berücksichtigung
des Einflusses der weiteren Teilsysteme unterstützen, ist das Ziel des vom IFD und ITGF
gemeinsam bearbeiteten Projekts „Entwicklungswerkzeuge für Schienenfahrzeuge mit hydraulischen
Komponenten“. Das Vorhaben wird im Rahmen der AiF-Forschungsförderung (AiF-Nr. 12074 B/1) im
Fachverband Fluidtechnik des VDMA durchgeführt. Der erste Schwerpunkt liegt hierbei in der programmtechnischen
Umsetzung einer gekoppelten Simulation von MKS- und Hydraulik-Teilsystemen
unter Verwendung von Standardsoftware für Modellierung und Simulation. Der zweite Schwerpunkt ist
der Aufbau eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstandes (HIL), der Untersuchungen am realen Neigetechnik-Hydrauliksystem
in einer virtuellen Testumgebung unter annähernd realen Bedingungen wie im
Schienenfahrzeug erlaubt.
2 Softwarekonzept der realisierten Lösung
Nachdem die verschiedenen Möglichkeiten einer gekoppelten Simulation, die Funktionalität verschiedener
Werkzeuge und die Erfahrungen beider Institute bei der Realisierung bisheriger Lösungen
ausgewertet worden sind, wurden für die Realisierung der beiden Schwerpunkte Gekoppelte Simulation
und HIL-Prüfstand die folgenden Anforderungen an das Softwarekonzept formuliert:
• Die Modellierung der Teilsysteme Fahrzeug (als MKS) und Hydraulik soll in speziellen, an die
Anforderungen der jeweiligen Ingenieurdisziplin angepassten Werkzeugen vorgenommen werden.
Dieses gestattet dem Experten der entsprechenden Ingenieurdisziplin die Modellierung des
Teilsystems in der bekannten Modellierungsumgebung und im gewünschten Detaillierungsgrad.
• Der Aufbau des HIL-Prüfstandes verlangt die Echtzeitsimulation des gekoppelten Modells, d.h. den
Übergang der gekoppelten Simulation auf eine Echtzeitplattform. Bei der Auswahl der Modellbildungs-Werkzeuge
war daher darauf zu achten, dass diese einen späteren Übergang auf eine
Echtzeitplattform zulassen, d.h. die Modellgleichungen in einem transferierbaren Format exportiert
werden können.
• Für Modellbildung und Simulation als auch für den Übergang auf die Echtzeithardware sollen
kommerzielle Standardentwicklungswerkzeuge eingesetzt werden. Damit sind für diese Werkzeuge
zum einen Weiterentwicklung und Support durch den Softwarehersteller und zum anderen
Akzeptanz für eine Anwendung des Werkzeuges in der Industrie gesichert.
Basierend auf den gestellten Anforderungen wurde das in Bild 1 dargestellte Softwarekonzept festgelegt.
Für die Modellierung des Fahrzeug-Modells wurde das MKS-Werkzeug SIMPACK ausgewählt. Die
Modellierung der Hydraulik-Anteile wird mit dem Werkzeug DSHplus vorgenommen. Die (Offline-)Simulation
des Gesamtsystems erfolgt mit dem Werkzeug MATLAB/SIMULINK, wobei die mit SIMPACK

zw. DSHplus erstellten Teilmodelle automatisiert über die Standard-Schnittstelle S-Function in SIMU-
LINK eingebunden werden. Der Übergang von der Offline-Simulation der gekoppelten Teilsysteme in
SIMULINK zur Echtzeitsimulation wird mit Unterstützung der Funktionalität des zur MATLAB-Gruppe
gehörenden Werkzeuges Real-Time-Workshop (RTW) vorgenommen.
MKS-Simulationswerkzeug
SIMPACK
Hydraulik-Simulationswerkzeug
F
x, v, a
DSHplus
Modellexport (FORTRAN)
S-Function
Modellexport
(C++)
Hydraulik-
Modell
MATLAB/SIMULINK:
Gekoppelte Simulation
Simulationssteuerung
Real-Time-
Workshop
S-Function
Echtzeit-
Simulation
RT-LAB
f2c (C)
MKS-
Modell
Übergang auf
Echtzeithardware
RT-LAB
Routinen
umgebung
Echtzeit-
P 1 P 2
P 3
Bild 1: Softwarekonzept
Als Plattform für die Echtzeitsimulation wurde das System RT-LAB der Firma OPAL-RT ausgewählt.
Drei unter dem Echtzeitbetriebssystem QNX arbeitende, handelsübliche PC werden durch das echtzeitfähige
Netzwerk FireWire miteinander verbunden und arbeiten somit als verteiltes Mehrprozessorsystem
mit leistungsfähigen Echtzeitknoten. Das System wird als Zielsystem vom RTW unterstützt, so
dass kein Entwicklungsaufwand für die Realisierung der Echtzeitfunktionalität notwendig ist.
3 HIL-Prüfstand
Der Aufbau und Betrieb des HIL-Prüfstandes erfordert neben der Erweiterung der gekoppelten Simulation
zur Echtzeitsimulation weiterhin die Entwicklung einer Lastsimulation für die Nachbildung der auf
die Anlenkpunkte des Testzylinders wirkenden reduzierten Fahrzeugmasse.
Im HIL-Prüfstand, Bild 2, sind zwei gegeneinander arbeitende Zylinder eingebaut: der zu testende
Neigetechnik-Zylinder und der Lastzylinder, welcher die auf den Neigetechnik-Zylinder reduzierten Bewegungen
des „virtuellen“ Fahrzeuges auf diesen zurückgeben soll. Entsprechend seiner Ansteuerung
wird der Neigetechnik-Zylinder eine Kraft erzeugen. Aufgrund dieser Kraft, die als Eingangsgröße der
MKS-Simulation übergeben wird, werden die Bewegungen der Einzelkörper des Fahrzeugs durch das
in Echtzeit simulierte Fahrzeugmodell berechnet. Nach der Berechnung eines Zeitschrittes ergibt sich
eine neue Lage des Fahrzeuges und somit auch eine veränderte Länge des NT-Zylinders (im virtuellen
Fahrzeug). Diese Längenveränderung wird durch den zweiten, dem Neigetechnik-Zylinder entgegen
wirkenden Last-Zylinder abgebildet, wobei hier durch eine entsprechende Regelung des Last-Zylinders
eine minimal verzögerte Nachbildung der Lageänderung erreicht werden soll. Die Entwicklung dieser
Lastsimulation ist Entwicklungsgegenstand am IFD und soll hier nicht weiter beschrieben werden.
4 Ergebnisse
Die gekoppelte Simulation in Simulink auf Basis der eingebundenen Teilmodelle aus SIMPACK und
DSHplus wurde realisiert und deren Funktionsfähigkeit an einfachen Beispielen nachgewiesen. Für die
Einbindung von Schienenfahrzeug-Modellen aus SIMPACK wurde die Standard-Export-Schnittstelle um
die Funktionalität der Fahrweg-Beschreibung erweitert, so dass mit den exportierten Modellen die
Simulation von Fahrzeugen mit den in SIMPACK definierten Fahrwegen möglich ist. Das aus SIMPACK
exportierte Fahrzeugmodell wird in einem Zwischenschritt mit Hilfe des Programmes f2c von der
Programmiersprache FORTRAN in C umgesetzt, da dies für eine spätere Weiterverwendung auf der

Echtzeitplattform notwendig ist. Beide Schritte, der Export aus SIMPACK und die Konvertierung,
wurden weitgehend automatisiert. Für die Einbindung der Hydraulik-Modelle aus DSHplus wurde eine
S-Function programmiert. Die notwendigen Daten für die Einbindung der Modelle in Simulink werden in
entsprechend programmierten Fenstern abgefragt und weiterverarbeitet, so dass der Benutzer von der
genauen Kenntnis der einzelnen Vorgänge für das Einbinden befreit wird.
Hydraulik-Modul
MKS-Modul
Neigetechnikantrieb
Echtzeit-
Simulation
Bewegungen
Antriebsverhalten
Lastantrieb
Positionssignal
Neigetechnik-Achse
Beschleunigungssensor
Wegsensor
Lastachse
Kraftsensor
gelagerte Verbindung
Bild 2: Skizze HIL-Prüfstand
Zur Zeit wird an der Portierung der gekoppelten Simulation auf die Echtzeitplattform gearbeitet. Infolge
der Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit der gekoppelten Simulation sind Einschränkungen in der Wahl
der Integrationsmethoden, der Methode zur Lösung des Gesamtsystems und der Komplexität der Modelle
vorhanden, die derzeit untersucht werden. Weiterhin werden Möglichkeiten der Modularisierung
der Modelle untersucht, um bei Verletzung der Echtzeitanforderungen eine Substrukturierung der
Teilmodelle und damit eine Verteilung der Rechenlast vornehmen zu können.
5 Zusammenfassung und Ausblick
Aufgrund des gewählten Softwarekonzeptes ergeben sich aus unserer Sicht für Anwendung und Erweiterung
des Werkzeuges mehrere Vorteile:
• Durch den Einsatz der ausgewählten allgemeinen Werkzeuge für die Modellbildung der Teilsysteme
MKS und Hydraulik ist die Anwendung der beschriebenen Teilsystemkopplung nicht auf die Modellierung
von Schienenfahrzeugen mit hydraulischen Komponenten begrenzt. Generell können alle
mit SIMPACK bzw. DSHplus modellierbaren Systeme eingebunden werden. Im Fall von DSHplus
sind somit auch pneumatische Systeme modellierbar.
• Die Verwendung einer Standard-Schnittstelle von Simulink gestattet für die gekoppelte Simulation
und den Übergang zur Echtzeitsimulation prinzipiell auch die Einbindung von Modellen anderer oder
zusätzlicher Programme für MKS, Hydraulik oder anderer Ingenieurdisziplinen, sofern diese
Programme die Möglichkeit besitzen, ihre Modelle, d.h. die Modellgleichungen, zu exportieren und
eine entsprechende Schnittstellenroutine für Simulink existiert.
• Durch den Einsatz des Software-Werkzeuges MATLAB/SIMULINK und die Verwendung des RTW
für die Unterstützung beim Übergang zur Echtzeitsimulation ist ein durchgängiger Entwicklungsprozeß
von der Offline-Simulation des Gesamtsystems in SIMULINK bis zur Echtzeitsimulation für
den Einsatz im HIL-Prüfstand gewährleistet.
Die aufgezählten Vorteile unterstreichen das Potential der realisierten Lösung für zukünftige Erweiterungen
bzw. Weiterentwicklungen.