ES2836758T3 - Procedimiento y dispositivo para la cosimulación de dos sistemas parciales - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la cosimulación de dos sistemas parciales Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la simulación de un sistema global mediante cosimulación de dos sistemas parciales (TS1, TS2) del sistema global (1) en un dispositivo de simulación (3), donde los sistemas parciales (TS1, TS2) están acoplados de forma recíproca mediante magnitudes de acoplamiento (y1, y2), caracterizado por que en el dispositivo de simulación (3), mediante una unidad de extrapolación (2) se identifica a partir de magnitudes de entrada (x1, x2) y/o magnitudes de medición (w1, w2) de los sistemas parciales (TS1, TS2), mediante un método de identificación de modelo basada en datos, un modelo matemático (M) válido en el punto de funcionamiento actual del sistema global (1) para ambos sistema parciales (TS1, TS2) y a partir de este modelo (M) se extrapolan las magnitudes de acoplamiento (y1, y2) para un paso de tiempo de acoplamiento siguiente y se ponen a disposición de los sistemas parciales (TS1, TS2).

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo para la cosimulación de dos sistemas parciales
La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo de simulación para la simulación de un sistema global mediante cosimulación de dos sistemas parciales del sistema global en un dispositivo de simulación, donde los sistemas parciales están acoplados de forma recíproca mediante magnitudes de acoplamiento.
Para la simulación de un sistema global se subdivide un sistema global con frecuencia en sistemas parciales, que se simulan entonces de forma individual; a este respecto, se habla de simulación distribuida o cosimulación. Esto pasa p. ej. cuando los sistemas parciales se simulan en diferentes herramientas de simulación, o cuando se pretende un cálculo en paralelo en varios núcleos de cálculo o cuando se debe unir una simulación en tiempo real (p. ej. un sistema de hardware en bucle (Hardware-in-the-Loop, HiL) a un sistema de automatización real para un banco de pruebas. Un sistema parcial representa en este caso un modelo parcial del sistema a simular inclusive del algoritmo de solución numérica correspondiente. Las simulaciones vinculadas entre sí de los sistemas parciales dan como resultado entonces la simulación del sistema global. En la simulación, en cada etapa de simulación se simula un punto de funcionamiento determinado del sistema global o puntos de funcionamiento coherentes con él de los sistemas parciales. Un punto de funcionamiento describe aquí el comportamiento del sistema global en un instante determinado. En la simulación distribuida de un sistema global se intercambian así denominadas magnitudes de acoplamiento entre los sistemas parciales en instantes determinados, especificados y los sistemas parciales se resuelven a lo largo de pasos de tiempo definidos, los así denominados pasos de tiempo de acoplamiento, independientemente de otros sistemas parciales. Al final de un paso de tiempo de acoplamiento se lleva a cabo un intercambio de datos entre los sistemas parciales para la sincronización de los sistemas parciales.
En el caso de dependencias recíprocas de sistemas parciales, cuando p. ej. un primer sistema parcial necesita una salida de un segundo sistema parcial como entrada, donde el segundo sistema parcial necesita como entrada una salida del primer sistema parcial, no se conocen todas las magnitudes de acoplamiento necesarias al comienzo del paso de tiempo de acoplamiento y se deben estimar a través de extrapolación. Gracias a la extrapolación se predice el comportamiento temporal de uno o varios sistemas (sistemas parciales).
El acoplamiento de los modelos parciales de los sistemas parciales se realiza en la cosimulación típicamente en base a la extrapolación polinómica, basada en señales de las magnitudes de acoplamiento. La mayoría de las veces se usan para ello procedimientos de orden cero, raramente procedimientos de orden superior (1° o 2° orden). Mediante la extrapolación basada en señales, la señal de salida y se calcula como función de la señal de entrada x, es decir, y=f(x) - se habla a este respecto también de entrada simple, salida simple (single-input, single-output, SISO). Mediante la extrapolación de magnitudes de acoplamiento relevantes se introduce un así denominado error de acoplamiento, que tiene una influencia directa (negativa) en la calidad de los resultados de la (co)simulación. Dado que se realiza una extrapolación a lo largo de pasos de tiempo de acoplamiento, el error introducido se corresponde con un «error de discretización local». Las discontinuidades en los puntos de acoplamiento (debido a la extrapolación por tramos) también tienen a este respecto una influencia negativa en la solución numérica de los sistemas parciales. Para mantener bajo el error de acoplamiento, los pasos de exploración o intervalos de intercambio se deben mantener bajos, lo que conduce a altos tiempos de cálculo y por consiguiente no es deseable. Pero el error de acoplamiento también provoca una distorsión de la señal de acoplamiento y conduce a un desplazamiento de tiempo inherente de la señal de acoplamiento (tiempo muerto virtual), que tienen una influencia negativa en el comportamiento transitorio de sistemas de bucle cerrado (p. ej. un circuito de regulación. Pero mediante el intercambio de las magnitudes de acoplamiento también se originan tiempos muertos «reales» adicionales mediante el uso de sistemas de comunicación, p. ej. intercambio de datos a través de sistemas de bus como FlexRay o CAN. Estos tiempos muertos reales son típicamente esencialmente mayores que los tiempos muertos virtuales debidos al acoplamiento.
En los documentos EP 2442248 A1 y AT 509930 A2 se describen p. ej. metodologías de acoplamiento basadas en señales para las cosimulaciones con corrección de errores y control de los pasos de tiempo de acoplamiento. Por consiguiente, los errores de extrapolación se pueden reducir claramente mediante un método para la compensación de errores. Además, por consiguiente, se pueden compensar los tiempos muertos (virtuales y reales), que no sobrepasan esencialmente el paso de tiempo de acoplamiento.
El documento EP 2570877 A1 muestra una adaptación de los parámetros de un modelo matemático de una turbina gas.
El problema en procedimientos de extrapolación basados en señales es que fallan en el caso de la extrapolación sobre largos intervalos de tiempo, es decir, por encima de varios pasos de tiempo de acoplamiento. En la simulación en tiempo real del sistema global aparece este caso, dado que aquí se producen tiempos muertos típicamente grandes (varios pasos de tiempo de acoplamiento) en base a la medición (conversión A/D), preparación de señales, transmisión de datos a través de los medios de comunicación, etc. En la simulación en tiempo real, las magnitudes de acoplamiento deben estar disponibles en instantes especificados de forma fija (paso de tiempo de acoplamiento), dado que en caso contrario la simulación en tiempo real se interrumpe con un error. Una simulación en tiempo real es necesaria p. ej. cuando está acoplado al menos un sistema en tiempo real (con otro sistema en tiempo real o un sistema no en tiempo real) o cuando están acopladas las tareas en un sistema en tiempo real.
Por ello, un objetivo de la invención concreta es mejorar la extrapolación de las magnitudes de acoplamiento en la cosimulación, en particular mejorarla de modo que también sea posible una extrapolación sobre largos intervalos de tiempo, es decir, también a lo largo de varios pasos de tiempo de acoplamiento, de modo que también se posibilite una cosimulación en tiempo real.
Este objetivo se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 1 y un dispositivo de simulación correspondiente según la reivindicación 6, en el que en el dispositivo de simulación, mediante una unidad de extrapolación se determina a partir de magnitudes de entrada y/o magnitudes de medición de los sistemas parciales, mediante un método de identificación de modelo basada en datos, un modelo matemático válido en el punto de funcionamiento actual del sistema global para ambos sistemas parciales y a partir de este modelo se extrapolan las magnitudes de acoplamiento para un paso de tiempo de acoplamiento siguiente y se ponen a disposición de los sistemas parciales. Dado que mediante el modelo se conoce muy bien el comportamiento temporal de los sistemas parciales durante un cierto margen de tiempo (punto de funcionamiento), por consiguiente, también se puede extrapolar por encima de varios pasos de tiempo de acoplamiento, lo que posibilita una cosimulación en tiempo real. Pero esto también permite el funcionamiento posterior sin errores de los sistemas en tiempo real, aun cuando los valores de medición faltan a lo largo de varios pasos de tiempo de acoplamiento, dado que estos se pueden determinar de forma fiable mediante la extrapolación basada en el modelo. Adicionalmente, mediante la extrapolación basada en el modelo también se pueden procesar las señales con ruido.
El tiempo muerto real y el virtual se pueden compensar de forma muy sencilla, en tanto que mediante la extrapolación a partir del modelo se calculan además las magnitudes de acoplamiento situadas en el futuro alrededor del tiempo muerto.
En particular en sistemas en tiempo real es importante un diagnóstico de error, para poder llevar el sistema en tiempo real eventualmente a un estado seguro. Esto se posibilita cuando durante la extrapolación se determina un error de acoplamiento y en función de ello se inician las etapas del procedimiento para el tratamiento del error de acoplamiento. La exactitud de la determinación de las magnitudes de acoplamiento se puede mejorar cuando durante la extrapolación se usan adicionalmente procedimientos para la compensación de errores.
En particular, al comienzo de la simulación puede ser que todavía no esté disponible un modelo suficientemente exacto. Este lapso de tiempo se puede superar mediante un acoplamiento basado en señales para la determinación de las magnitudes de acoplamiento de manera sencilla.
Al usar un sistema de bus en tiempo real entre un sistema parcial y la unidad de extrapolación se puede elevar la exactitud de la extrapolación, dado que el tiempo muerto de comunicación se puede determinar exactamente y por ello compensarse de forma más dirigida al objetivo.
La invención concreta se explica más en detalle a continuación en relación con las figuras 1 a 5, que muestran esquemáticamente y a modo de ejemplo configuraciones de la invención ventajosas y no limitantes. A este respecto muestra
Fig. 1 una extrapolación basada en señales de las magnitudes de acoplamiento según el estado de la técnica, Fig. 2 la extrapolación basada en el modelo, según la invención de las magnitudes de acoplamiento,
Fig. 3 un desarrollo del procedimiento a modo de ejemplo para la extrapolación de las magnitudes de acoplamiento, Fig. 4 un ejemplo de la cosimulación de un sistema global y
Fig. 5 un dispositivo de simulación para la implementación del procedimiento para la extrapolación de las magnitudes de acoplamiento.
En la fig. 1 para la explicación está representado el enfoque basado en señales para la extrapolación de magnitudes de acoplamiento del estado de la técnica. A este respecto están acoplados dos sistemas parciales TS1, TS2 de forma recíproca. Las funciones fi, f2 extrapolan las magnitudes de acoplamiento y1, y2 a partir de las magnitudes de entrada xi, X2 mediante extrapolación polinómica, p. ej. retención de orden cero (zero order hold, ZOH), retención de primer orden (first order hold, FOH) o retención de segundo orden (second order hold, SOH), es decir, y1=fi(x1(t), t), y2=f2(x2(t),t).
En el ejemplo de realización siguiente se mencionan respectivamente dos magnitudes de entrada, de acoplamiento y de medición, pero la invención también comprende naturalmente otro número respectivamente a voluntad de magnitudes de este tipo.
Según la invención, ahora se selecciona un enfoque basado en el modelo, en el que para la extrapolación de las magnitudes de acoplamiento y1, y2 se usa un modelo matemático M de los sistemas parciales TS1, TS2, según se representa esquemáticamente en la fig. 2. A este respecto, el modelo M se determina a partir de las magnitudes x 1, x2 y/o a partir de las magnitudes de medición w1, w2 teniendo en cuenta tanto los valores de tiempo actuales, como también de los anteriores. Bajo las magnitudes de entrada se entienden en general magnitudes que también se pueden corresponder, por ejemplo, con valores intercambiados entre los modelos de simulación. Las magnitudes de medición pueden proceder, por ejemplo, de sensores de cualquier tipo y pueden estar cargadas correspondientemente con ruidos.
Del modelo M se deduce para las magnitudes de acoplamiento y1=fi(x1(t), x2(t), t), y2=f2(x1(t), x2(t), t). En el caso del uso puro de las magnitudes de medición, en el ejemplo de realización representado se deduce del modelo M para las magnitudes de acoplamiento y1=fi(w1(t), w2(t), t), y2=f2(w1(t), w2(t), t). En el caso del uso de magnitudes de entrada y de medición según la definición arriba expuesta se deduce del modelo M para las magnitudes de acoplamiento y1=fi(x1(t), x2(t), w1(t), w2(t), t), y2=f2(x1(t), x2(t), w1(t), w2(t), t).
Por consiguiente, existe un sistema de entrada múltiple, salida múltiple (multi-input, multi-output, MIMO). El modelo M contiene un modelo identificado de los sistemas parciales TS1, TS2, que solo es válido localmente, es decir, solo a corto plazo para el punto de funcionamiento actual del sistema global. Gracias a esta extrapolación basada en el modelo, la extrapolación se ajusta de forma adaptativa al comportamiento del sistema o la solución del sistema. Pero mediante la extrapolación basada en el modelo también se pueden procesar señales con ruido (señales de acoplamiento y1, y2, señales de entrada x1, x2, señales de medición w1, w2), ya que la extrapolación se realiza en base a un modelo M y no se basa en las magnitudes de medición con ruido mismas, lo que no es posible en la extrapolación basada en señales.
Para la determinación del modelo M se recurre a métodos conocidos suficientemente de la identificación de modelo basada en datos. A este respecto, el modelo se determina a partir de magnitudes de entrada x1, x2 y/o magnitudes de medición w1, w2 actuales y pasadas de los sistemas parciales TS1, TS2. Tales métodos son p. ej. procedimientos de mínimos cuadrados recursivos (Rekursives Least Squares, RLS, RLS extendidos), métodos de filtro de Kalman (extendidos), métodos de variables instrumentales recursivas, identificación de subespacio recursiva, algoritmo de proyección, algoritmo de gradiente estocástico, regresiones pseudolineales recursivas, métodos de error de predicción recursiva, métodos de identificación basada en observadores (modo deslizante, observador de entrada desconocido, ...), análisis de Fourier, análisis de correlación.. Con tales métodos se determinan los parámetros del modelo M mediante el punto de funcionamiento actual del sistema global y se optimiza de forma continua. Para ello, la estructura del modelo se puede especificar a voluntad, p. ej. un sistema lineal, invariante en el tiempo de 2° orden, con dos entradas y salidas. Como magnitudes de medición W1, W2 se usan ventajosamente las magnitudes de medición W1, W2 ofrecidas por los sistemas parciales, donde se pueden usar las magnitudes de medición W1, W2 actuales y pasadas.
Un modelo inicial también se puede determinar o especificar al comienzo de la simulación de antemano a partir de magnitudes conocidas o conocimientos externos. Para determinar los parámetros iniciales del modelo, se pueden recalcular p. ej. estados iniciales para los sistemas parciales y para el modelo estimado por medio de modelos inversos, o calcularse los estados de modelo internos por medio de un procedimiento más sencillo, hasta que el procedimiento basado en el modelo discurra de forma transitoria, o se pueden ajustar los valores iniciales concretos para las señales de entrada. Pero en principio se puede usar un modelo inicial cualquiera. También es concebible prever un acoplamiento basado en señales, hasta que el modelo estimado esté disponible o sea válido.
Ya que mediante el modelo M se conoce muy bien el comportamiento temporal de los sistemas parciales TS1 y TS2 para un cierto margen de tiempo (punto de funcionamiento), también se pueden compensar los tiempos muertos eventuales. Por consiguiente, se puede predecir el comportamiento del respectivo otro sistema parcial TS1, TS2, sin que se deba esperar la respuesta dinámica del sistema.
Mediante el uso de un modelo M para la determinación de las magnitudes de acoplamiento y1, y2 entonces también se puede continuar operando un sistema en tiempo real sin errores (al menos temporalmente), cuando las magnitudes de medición wi, W2 faltan a lo largo de varios pasos de tiempo de acoplamiento, dado que estas se pueden determinar de forma fiable mediante la extrapolación basada en el modelo.
La cosimulación de dos sistemas parciales TS1, TS2 se puede desarrollar luego según está representado en la fig. 3. En una primera etapa según el ejemplo de realización descrito se especifica o determina un modelo inicial. A este respecto se trata de una etapa opcional. Luego, como segunda etapa se leen las necesarias magnitudes de medición w1, w2 y/o magnitudes de entrada x1, x2 y a partir de ellas en una tercera etapa por medio de un método basado en datos de la identificación de modelo se determinan los parámetros del modelo M válidos localmente, es decir, dentro de la etapa de simulación. Los parámetros también pueden permanecer válidos durante varias etapas de simulación, por ejemplo, cuando por motivos cualesquiera no se pueden leer nuevas magnitudes de medición w 1, w2 y/o magnitudes de entrada x1, x2. Correspondientemente se suprimirían las etapas 2 y 3.
A este respecto, opcionalmente también se puede determinar el error de acoplamiento, p. ej. un error de extrapolación, un tiempo muerto, pérdida de datos, etc. (etapa 4) y en base a ello se pueden iniciar las etapas del procedimiento, como p. ej. interrupción de la simulación, transferir sistema al estado seguro, emisión de una advertencia (etapa 8).
Mediante la extrapolación basada en el modelo se pueden compensar los tiempos muertos reales y virtuales, que aparecen en el sistema cerrado. Se puede compensar el tiempo muerto real provocado por la comunicación o el intercambio de señales, p. ej. a través de un sistema de bus, pero también por tiempos de cálculo, tiempos para la medición y preparación de las señales, en tanto que con el modelo M se hace una estimación aún más en el futuro. Gracias al uso de sistemas de bus en tiempo real 4 (indicado en la fig. 5), es decir, sistemas de bus controlados por tiempo, o en general de sistemas que transmiten adicionalmente a la señal una información de tiempo, se puede elevar la exactitud de la extrapolación, dado que el tiempo muerto de comunicación se puede determinar exactamente, p. ej. mediante estimación del tiempo muerto en base a la información del sistema de bus en tiempo real 4 o mediante evaluación del modelo estimado. El tiempo muerto virtual, provocado por desplazamientos temporales debido a la exploración, se puede compensar de forma implícita por el uso de la extrapolación basada en el modelo. Mediante la extrapolación basada en el modelo, según la invención se pueden compensar por consiguiente todos los tiempos muertos, lo que ante todo al usar sistemas en tiempo real conduce a una clara mejora del comportamiento de simulación.
A partir del modelo local M, en una quinta etapa se calculan las magnitudes de acoplamiento y1, y2, que luego en una sexta etapa se ponen a disposición de los sistemas parciales TS1, TS2 para la cosimulación en la siguiente etapa de simulación, por lo que el procedimiento continúa de nuevo en la segunda etapa. Las magnitudes y1, y2 se pueden seguir procesando en los sistemas parciales TS1, TS2, pero también de otra manera, p. ej. cuando no se simula un sistema parcial TS1, TS2, sino que se construye realmente.
En la determinación de las magnitudes de acoplamiento y1, y2 también se pueden aplicar métodos para la compensación adicional de errores, p. ej. un método según se describe en el documento EP 2442 248 A1. Por consiguiente, se podría elevar aún más la exactitud de las magnitudes de acoplamiento y1, y2 determinadas.
En la fig. 4 está representada esquemáticamente la cosimulación de un sistema global 1 en el ejemplo de un vehículo híbrido. A este respecto, el sistema parcial TS1 representa p. ej. una máquina eléctrica, el sistema parcial TS2 un motor de combustión interna, el sistema TS3 una cadena cinemática, el sistema parcial TS4 un acumulador de energía eléctrica y el sistema parcial TS5 un equipo de control híbrido. Las conexiones en medio describen las conexiones entre los sistemas parciales TS. A este respecto, el equipo de control híbrido puede estar construido realmente p. ej. en un hardware HiL y los otros sistemas parciales TS1 a TS4 funcionan como simulación en plataformas de simulación apropiadas, como p. ej. dSpace o Matlab, por lo que se necesita una co-simulación en tiempo real. Pero también se pueden construir adicionalmente otros sistemas parciales como hardware real, p. ej. el motor de combustión interna en un banco de pruebas de motores.
En la fig. 5 está representado el dispositivo de simulación 3 a modo de ejemplo para una parte de la cosimulación del sistema global 1. Cada sistema parcial TSn se simula aquí en un entorno de simulación propio (hardware y con software para la simulación del modelo parcial del sistema parcial con el algoritmo de solución previsto) Sn. Evidentemente también se pueden simular varios o todos los sistemas parciales en un entorno de simulación. Aquí, el entorno de simulación S5 es p. ej. un sistema HiL con hardware y software correspondientes. Los entornos de simulación S1 y S2 están implementados p. ej. en ordenadores apropiados con software correspondiente, como p. ej. Simulink de Mathworks o Adams de MSC. Los sistemas parciales TS1 y TS5 dependen aquí entre sí de forma recíproca, de modo que la dependencia para la cosimulación se debe desencadenar por medio de las magnitudes de acoplamiento y1, y2, según se ha descrito arriba. Para ello está prevista una unidad de extrapolación 2, que está realizada p. ej. como hardware de ordenador con software apropiado y los algoritmos necesarios, p. ej. para la identificación de modelo. La unidad de extrapolación 2 obtiene las magnitudes de entrada x 1, x2 y magnitudes de medición wi, W2 de los sistemas parciales TS1, TS5 e identifica a partir de ellas para cada etapa de simulación un modelo M válido localmente. A partir del modelo M se calculan entonces simultáneamente las magnitudes de acoplamiento y1, y2 y se ponen a disposición de los sistemas parciales TS1, TS5.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la simulación de un sistema global mediante cosimulación de dos sistemas parciales (TS1, TS2) del sistema global (1) en un dispositivo de simulación (3), donde los sistemas parciales (TS1, TS2) están acoplados de forma recíproca mediante magnitudes de acoplamiento (y1, y2), caracterizado por que en el dispositivo de simulación (3), mediante una unidad de extrapolación (2) se identifica a partir de magnitudes de entrada (x1, x2) y/o magnitudes de medición (w1, w2) de los sistemas parciales (TS1, TS2), mediante un método de identificación de modelo basada en datos, un modelo matemático (M) válido en el punto de funcionamiento actual del sistema global (1) para ambos sistema parciales (TS1, TS2) y a partir de este modelo (M) se extrapolan las magnitudes de acoplamiento (y1, y2) para un paso de tiempo de acoplamiento siguiente y se ponen a disposición de los sistemas parciales (TS1, TS2).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que las magnitudes de acoplamiento (y1, y2) que se sitúan más en el futuro alrededor del tiempo muerto real y virtual se calculan mediante la extrapolación del modelo (M), por lo que se compensa el punto muerto real y el virtual.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que durante la extrapolación se identifica un error de acoplamiento y en función de ello se inician las etapas del procedimiento para el tratamiento del error de acoplamiento.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que durante la explotación se utilizan procedimientos para la compensación de errores
5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que un acoplamiento basado en señales se usa para la determinación de las magnitudes de acoplamiento (y1, y2) hasta que está disponible el modelo identificado (M).
6. Dispositivo de simulación para la simulación de un sistema global mediante cosimulación de al menos dos sistemas parciales (TS1, TS2) del sistema global (1), donde los sistemas parciales (TS1, TS2) están acoplados de forma recíproca mediante magnitudes de acoplamiento (y1, y2), caracterizado por que al menos una unidad de extrapolación (2) está equipada para obtener las magnitudes de entrada (x1, x2) y/o magnitudes de medición (w1, w2) de los sistemas parciales (TS1, TS2) e identificar a partir de ellas mediante un método de identificación de modelo basada en datos un modelo matemático (M) válido en el punto de funcionamiento actual del sistema global (1) para ambos sistemas parciales, a fin de extrapolar las magnitudes de acoplamiento con el modelo (M).
7. Dispositivo de simulación según la reivindicación 6, caracterizado por que al menos un sistema parcial (TS1, TS2) y al menos una unidad de extrapolación (2) están conectados mediante al menos un sistema de bus en tiempo real (4).
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