Die Herausforderung

Um eine stabile Schwebebewegung in einem Hyperloop-Fahrzeug zu erreichen, ist eine präzise Steuerung von fünfzehn miteinander verbundenen Parametern erforderlich – eine Herausforderung, die mit herkömmlichen Trial-and-Error-Verfahren nicht effizient gelöst werden konnte.

Delft Hyperloop X erkannte die Möglichkeit, diese Parameter mithilfe von Simcenter Amesim automatisch zu berechnen und so den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Um das volle Potenzial der Simulationssoftware auszuschöpfen, waren jedoch zusätzliches Fachwissen und Erfahrung erforderlich.

Um die Komplexität der Software zu bewältigen und verschiedene technische Herausforderungen zu meistern, ging das Team eine Partnerschaft mit Femto Engineering ein.

Einsatz von Simcenter Amesim für Simulation und Optimierung

Als Delft Hyperloop X mit der Nutzung von Simcenter Amesim begann, war das akademische Jahr bereits weit fortgeschritten: erst Mitte April. Wie bei vielen fortschrittlichen Engineering-Tools werden das volle Potenzial und die Anwendungsmöglichkeiten der Software erst dann deutlich, wenn die Anwender praktische Erfahrungen sammeln.

Simcenter Amesim ist ein Simulationssoftwarepaket, das domänenübergreifend in Bereichen wie Physik, Mechanik, Elektronik und Steuerungssysteme eingesetzt wird. Anstelle detaillierter Konstruktionsentwürfe arbeitet es mit parametrisch definierten Komponentenmodellen.

Dadurch eignet es sich besonders für die frühe Entwurfsphase, die Systemvalidierung und das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen komplexen Teilsystemen.

Für Delft Hyperloop X bot Simcenter Amesim die Möglichkeit, das Schwebesystem zu simulieren und die für einen stabilen Betrieb erforderlichen optimalen Steuerungsparameter zu berechnen.

Foto 1. Simcenter Amesim ist eine vollständig integrierte, skalierbare Systemsimulationsplattform zur Modellierung und Analyse von multidisziplinären Systemen.

Die technische Herausforderung

Der Hyperloop ist ein schwebendes Fahrzeug, das selbst im Stillstand über fünf Freiheitsgrade verfügt, die präzise gesteuert werden müssen. Für jeden Freiheitsgrad wird ein PID-Regler verwendet, und jeder Regler verfügt über drei Verstärkungsfaktoren (P, I und D).

Daraus ergeben sich fünfzehn einstellbare Parameter, die alle korrekt abgestimmt werden müssen, um eine stabile Schwebebewegung zu erreichen.

In Simcenter Amesim lässt sich das Fahrzeug als einfacher Würfel mit Masse, Trägheitsmoment, Radsteifigkeit und magnetischen Kräften modellieren. Dies kann in 1D, 2D oder 3D erfolgen, wobei jede zusätzliche Dimension eine umfassendere Vorhersage ermöglicht.

Das Steuerungssystem, einschließlich der PID-Regler, lässt sich ebenfalls in der Software nachbilden. Mithilfe der integrierten Optimierungsfunktion können dann automatisch die stabilsten Reglerparameter berechnet werden.

Bisher wurden diese Parameter manuell im Verfahren von Versuch und Irrtum abgestimmt. Mit Hilfe der Simulation lassen sich Konstruktionsänderungen, wie beispielsweise eine andere Fahrzeugmasse, wesentlich schneller bewerten. Man muss lediglich die Masse in Simcenter Amesim anpassen, die Simulation ausführen, und schon stehen die neuen optimalen Reglerparameter zur Verfügung.

Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, mussten jedoch zunächst alle Systemparameter genau ermittelt werden. Die Magnetkraft stellte sich als besonders große Herausforderung heraus. Mehrere Methoden scheiterten bei der Bestimmung der tatsächlichen Kraft, und das Team stieß schließlich an seine Grenzen.

Gemeinsam das Problem lösen

Um diese Herausforderungen zu meistern, arbeitete Delft Hyperloop X eng mit Femto Engineering und dem Projektingenieur Jordi Brouwer zusammen. Gemeinsam untersuchten die Teams, wie sich der Optimierungs-Workflow weiter verbessern lässt und wie für diese spezifische Anwendung zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden können.

Eine nichtlineare Kraft, die von mehreren Variablen abhängt, zu entwirren, ist keine einfache Aufgabe. Wie so oft bei fortschrittlicher Engineering-Software musste das Team verschiedene Implementierungsdetails und Konfigurationseinstellungen untersuchen, um den Workflow erfolgreich auf seinen Anwendungsfall anzuwenden.

Einige Aspekte der Integration erforderten zusätzliche Untersuchungen und Tests, bevor der gewünschte Workflow realisiert werden konnte. Durch die gemeinsame Bewältigung dieser Herausforderungen gelang es dem Team, einen robusten Workflow zu etablieren und die Entwicklung fortzusetzen.

Mit Jordis Unterstützung und anhand seiner Beispiele entwickelte das Team schließlich eine funktionsfähige API (Application Programming Interface), die es ermöglicht, Simcenter-Amesim-Simulationen extern auszuführen, und die einen maßgeschneiderten Optimierungs-Workflow für ihre spezifische Anwendung unterstützt.

Bild 2: Auch das vollständige Regelungssystem, einschließlich der PID-Regler, kann innerhalb der Software modelliert und simuliert werden.

Ergebnis

Das Projekt hat nun einen wichtigen Meilenstein erreicht. Mit der Unterstützung von Femto Engineering ist es Delft Hyperloop X gelungen, eine funktionsfähige API zu entwickeln, mit der Simcenter Amesim extern ausgeführt und eine Optimierungsmethode angewendet werden kann, die über die Standardfunktionen der Software hinausgeht.

Zwar müssen der Graben-Simulationstisch und die Testdaten noch integriert werden, doch ist die technische Hürde, die das Team zuvor aufgehalten hat, überwunden.

Die sich daraus ergebenden Automatisierungsmöglichkeiten sind beträchtlich. Sobald der Graben-Simulationstisch verfügbar ist, können die optimalen Verstärkungsfaktoren für das Levitationssystem automatisch berechnet werden, auch für zukünftige Designänderungen.

Ohne die Hilfe von Femto hätte das Team diesen Punkt sicherlich nicht erreicht. Die Einrichtung einer API war etwas, womit das Team noch keine Erfahrung hatte, aber Jordi Brouwer hat sie reibungslos durch die ersten Phasen dieses Teils des Prozesses geführt.

Quelle: Delft Hyperloop