Traction Control System for Co-Simulation in a Digital Twin Platform

In dieser Arbeit wurde die Entwicklung, Implementierung und Evaluierung einer Anti-Schlupf-Regelung mit Geschwindigkeitsregelung in Form einer Co-Simulation über FMU-Modelle erarbeitet. Ziel war die Verwendung für einen digitalen Zwilling (DT) eines Schienenfahrzeugs. Es wurden zwei Ansätze von Co-Simulation untersucht und miteinander verglichen: eine direkte Co-Simulation zwischen Simpack und MATLAB/Simulink sowie eine FMI-basierte Co-Simulation ausgeführt in Model.Connect (mit späterem Export als SSP). Ziel war hier insbesondere, eine robuste und portable Simulationsumgebung zu schaffen, die das Rad-Schiene-Dynamikverhalten realistisch abbildet und die Bewertung des Reglers unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglicht. Im direkten Co-Simulationsansatz wurden bestehende hochauflösende Mehrkörper-simulations- (MKS) und neu entwickelte PID-Regler-Modelle über SIMAT co-simuliert, wobei die Anti-Schlupf-Regelung und Geschwindigkeitsregelung in MATLAB/Simulink entworfen wurden. Im FMI-basierten Ansatz wurden sowohl das Reglermodell als auch das MKS-Modell als Functional Mock-up Units (FMU) exportiert, standardisiert und gemäß der Spezifikation verpackt, um Modularität und Wieder-verwendbarkeit sicherzustellen. Die Co-Simulation wurde in Model.Connect orchestriert, was eine plattformunabhängige Ausführung sowie eine Kapselung der Modelle ermöglichte. Während der Implementierung der Co-Simulation traten mehrere technische Herausforderungen auf. So kam es in bestimmten Szenarien zu unerwarteten Oszillationen, die Parameteranpassungen am Solver erforderten, sowie zu einem unerwarteten Offset der Schlupfwerte, verursacht durch unterschiedliche Radradiusdefinitionen im MKS-Modell und im Regler-Modell. Die Wahl des Solvers und der Simulationszeitschritt hatten einen wesentlichen Einfluss auf Genauigkeit und Stabilität; der Dormand-Prince-Solver erwies sich dabei als optimaler Kompromiss zwischen Präzision und Rechenaufwand. In Übereinstimmung mit der Literatur (Kugu et al., 2024) zeigte sich eine Abwägung zwischen Simulationsqualität und Rechenzeit, die eine sorgfältige Parametrierung erforderte, auch in Bezug auf die Verpackung als SSP. Die Validierung erfolgte anhand mehrerer Betriebsszenarien und zeigte konsistente Ergebnisse zwischen direktem und FMI-basierte Ansatz für die Co-Simulation, sobald anfängliche Abweichungen überprüft worden waren. Auch die SSP-Verpackung für die Integration des Co-Simulationsmodell in die bestehende Digital-Twin Plattform wurde erfolgreich umgesetzt, wodurch das Framework sowohl portabel als auch flexibel einsetzbar ist. Die Ergebnisse belegen, dass der entwickelte Workflow die Anti-Schlupfregelung sowie die Geschwindigkeitsregelung zuverlässig in beiden Co-Simulationskonfigurationen abbilden kann. Durch den modularen Aufbau ist zudem die einfache Integration alternativer Regelstrategien, Ersatzfahrzeugmodelle oder verteilter Co-Simulationsprotokolle möglich. Damit wurde eine solide Grundlage für zukünftige Arbeiten in den Bereichen der Co-Simulation, Reglerparameteroptimierung und plattformübergreifende Digital-Twin-Anwendungen geschaffen.