Dieselmoottorin mekaniikkakehitykseen tehtyjen simulointimallien hyödyntäminen ohjausjärjestelmän tuotekehityksessä
Istolahti, Tuomo (2016)
Istolahti, Tuomo
2016
Automaatiotekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-12-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201611244782
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201611244782
Tiivistelmä
Viime vuosien dieselmoottoreiden tiukentuneet päästörajoitukset ovat asettaneet haasteita dieselmoottorin valmistajille, joka on johtanut muun muassa moottorin ohjausjärjestelmän monimutkaistumiseen. Osaksi tästä syystä ohjausjärjestelmää on siirrytty kehittämään mallipohjaisilla kehitystyökaluilla, joka nopeuttaa ohjausjärjestelmän kehitystä. Mallipohjaisessa kehityksessä käytetään erilaisia in-the-loop-simulointeja testaamaan ja simuloimaan kehitettävää järjestelmää sen eri kehitysvaiheissa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia, miten AGCO Powerilla käytössä olevia yksityiskohtaisia, alun perin moottorin mekaniikkakehityksen tarpeisiin tarkoitettuja GT-Power-simulointimalleja voidaan käyttää ohjausjärjestelmän kehityksessä in-the-loop-simulointien malleina.
GT-Power-mallia ei sellaisenaan voi käyttää in-the-loop-simuloinnissa, vaan sitä joudutaan yksinkertaistamalla nopeuttamaan, sekä siirtämään Simulink-ympäristöön. GT-Power-mallin yksinkertaistukseen on olemassa kaksi erilaista ja vakiintunutta tapaa: keskiarvomalli ja fast running model (FRM-malli). Työssä valittiin kirjallisuuskatsauksen sekä mallille määriteltyjen vaatimusten perusteella näistä toinen, FRM-malli, josta tehtiin ohjausjärjestelmäkehitykseen soveltuva malli. Moottori, josta FRM-malli tässä työssä tehtiin, oli AGCO Powerin 6-sylinterinen ja 7,4 litrainen moottori. Lisäksi työssä tehtiin myös mallin rakentamisen toimintakaavio ja määriteltiin sen toimijat.
Uudelle mallille tehtiin erilaisia testejä sen käyttökelpoisuuden varmistamiseksi. Testeissä verrattiin mallin toimintaa oikean moottorin mittauksiin, tai asiantuntijat arvioivat sen toimintaa. Testien perusteella työssä tehty FRM-malli toimi oikein ja riittävän tarkasti. Mallin nopeudeksi mitattiin noin 8-15 kertaa hitaampi kuin reaaliaika, riippuen simuloitavasta tilanteesta. Nopeutensa takia se ei soveltunut HIL-simulointiin, jonka mallilla on vaatimus toimia reaaliajassa. MIL- ja SIL-simuloinneilla tätä vaatimusta ei ole, joten niiden malliksi työssä tehty FRM-malli soveltui. Diesel engines’ tightened emission limits have set new challenges to the engine manufacturers, which have led for example to a more complex engine control systems. Partly because of this designers have started to develop engine control systems in model-based design (MBD) tools, which make developing faster. In model-based design it is common to use different in-the-loop simulations to test and simulate the system under development in different development phases. The purpose for this thesis was to study how detailed GT-Power simulation models that are originally designed for diesel engine’s mechanical development can be used in engine control system design as in-the-loop simulation models. This work is done with AGCO Power research and development department and they have GT-Power models from their engines.
Before using GT-Power simulation model in in-the-loop simulation, the model needs to be simplified and exported to Simulink environment. There are two different established ways to make GT-Power model faster: a mean value model (MVM) and a fast running model (FRM). In this work one of these two models is chosen according to literature review and requirements defined for the model. In this work engine control system development suitable FRM is carried out from AGCO Power’s 6 cylinder and 7.4 litre engine. Also functional diagram about how the model is done and who are actors in the process is developed.
Different tests are performed for the FRM in Simulink to validate the model. The performance of the model was compared to the real engine’s measurements, or engine experts assessed the performance. According to the tests FRM worked correct and was accurate enough. The speed of the model was measured to be 8-15 times slower than real time, depending on the simulated situation. Hardware-in-the-Loop simulation requires real time capable model, so the model was too slow for that. For Model-in-the-Loop and Software-in-the-Loop simulations developed FRM was suitable, because model running in real time is not necessary in those simulations.
GT-Power-mallia ei sellaisenaan voi käyttää in-the-loop-simuloinnissa, vaan sitä joudutaan yksinkertaistamalla nopeuttamaan, sekä siirtämään Simulink-ympäristöön. GT-Power-mallin yksinkertaistukseen on olemassa kaksi erilaista ja vakiintunutta tapaa: keskiarvomalli ja fast running model (FRM-malli). Työssä valittiin kirjallisuuskatsauksen sekä mallille määriteltyjen vaatimusten perusteella näistä toinen, FRM-malli, josta tehtiin ohjausjärjestelmäkehitykseen soveltuva malli. Moottori, josta FRM-malli tässä työssä tehtiin, oli AGCO Powerin 6-sylinterinen ja 7,4 litrainen moottori. Lisäksi työssä tehtiin myös mallin rakentamisen toimintakaavio ja määriteltiin sen toimijat.
Uudelle mallille tehtiin erilaisia testejä sen käyttökelpoisuuden varmistamiseksi. Testeissä verrattiin mallin toimintaa oikean moottorin mittauksiin, tai asiantuntijat arvioivat sen toimintaa. Testien perusteella työssä tehty FRM-malli toimi oikein ja riittävän tarkasti. Mallin nopeudeksi mitattiin noin 8-15 kertaa hitaampi kuin reaaliaika, riippuen simuloitavasta tilanteesta. Nopeutensa takia se ei soveltunut HIL-simulointiin, jonka mallilla on vaatimus toimia reaaliajassa. MIL- ja SIL-simuloinneilla tätä vaatimusta ei ole, joten niiden malliksi työssä tehty FRM-malli soveltui.
Before using GT-Power simulation model in in-the-loop simulation, the model needs to be simplified and exported to Simulink environment. There are two different established ways to make GT-Power model faster: a mean value model (MVM) and a fast running model (FRM). In this work one of these two models is chosen according to literature review and requirements defined for the model. In this work engine control system development suitable FRM is carried out from AGCO Power’s 6 cylinder and 7.4 litre engine. Also functional diagram about how the model is done and who are actors in the process is developed.
Different tests are performed for the FRM in Simulink to validate the model. The performance of the model was compared to the real engine’s measurements, or engine experts assessed the performance. According to the tests FRM worked correct and was accurate enough. The speed of the model was measured to be 8-15 times slower than real time, depending on the simulated situation. Hardware-in-the-Loop simulation requires real time capable model, so the model was too slow for that. For Model-in-the-Loop and Software-in-the-Loop simulations developed FRM was suitable, because model running in real time is not necessary in those simulations.