Wie fortschrittliche Simulationsspezialisten die Grenzen der Echtzeitleistung erweitern

Wichtigste Erkenntnisse

• CPU-only-Tools erzwingen oft größere Schrittweiten oder zusätzliche Verzögerungen, die genau in den entscheidenden Momenten die Wiedergabetreue beeinträchtigen.
  
• Spezialisierte Echtzeit-Löser bewahren die Genauigkeit in vertrauten Modellen und halten gleichzeitig strenge feste Schritte für schnelle Ereignisse ein.
  
• FPGA-Löser erfassen Dynamiken im Sub-Mikrosekundenbereich, sodass Steuerungen ein realistisches Schaltverhalten und Schutz-Timing erleben.
  
• Eine hybride Aufteilung zwischen CPU und FPGA ermöglicht es Ihnen, Gitter und Konverter zu skalieren, ohne Modelle neu schreiben oder Details opfern zu müssen.
  
• Konsistente Build- und Test-Pipelines verkürzen Iterationen, reduzieren Risiken und erhöhen das Vertrauen in die endgültigen Designentscheidungen.

Herkömmliche Simulationswerkzeuge stoßen angesichts der Geschwindigkeit und Komplexität moderner elektrischer Systeme an ihre Grenzen. Ingenieur:innen , dass ihre Modelle nicht alle schnellen Transienten oder Instabilitäten erfassen, was die Validierung kritischer Konstruktionen riskanter macht. Tatsächlich hat der zunehmende Einsatz von Hochfrequenz-Stromrichtern in Erneuerbare Energien neue Zuverlässigkeitsprobleme aufgezeigt – Ausfälle von Stromrichtern gelten mittlerweile als eine der Hauptursachen für Stromausfälle. Angesichts dieser hohen Risiken müssen Simulationen in Echtzeit und ohne Einbußen bei der Genauigkeit durchgeführt werden. Wir bei OPAL-RT sind der Meinung, dass Ingenieur:innen niemals durch ihre Werkzeuge behindert werden Ingenieur:innen . Jahrzehntelange Erfahrung mit Echtzeitsimulationen hat gezeigt, dass diese Engpässe durch die Integration fortschrittlicher Algorithmen in spezielle hardware beseitigt hardware . Das Ergebnis ist die Möglichkeit, komplexe Systeme schnell und mit absoluter Zuversicht in die Ergebnisse zu testen.

Standard-Simulationstools haben Schwierigkeiten, die Anforderungen an die Echtzeitleistung zu erfüllen.

Herkömmliche CPU-basierte Simulatoren kommen oft an ihre Grenzen, wenn sie versuchen, mit schnellen, komplexen Systemen Schritt zu halten. Ingenieur:innen stoßen Ingenieur:innen auf numerische Instabilität oder müssen Modelle vereinfachen, damit sie überhaupt laufen. Im Folgenden sind einige häufige Probleme aufgeführt, die verdeutlichen, warum Standardtools Schwierigkeiten haben, Schritt zu halten:

• Begrenzte Zeitauflösung: Allzweck elektromagnetische Transiente (EMT) Simulatoren arbeiten in der Regel mit festen Zeitschritten in der Größenordnung von 5 bis 100 Mikrosekunden. Die Erfassung schneller Schaltvorgänge oder Fehlertransienten kann jedoch Zeitschritte im Bereich von 100 Nanosekunden erfordern, was um Größenordnungen über dem liegt, was herkömmliche CPU-Löser zuverlässig leisten können.

• Genauigkeitseinbußen aufgrund von ModellverzögerungenUm CPU-Einschränkungen zu bewältigen, fügen Ingenieur:innen winzige Verzögerungen oder erhöhte Schrittweiten in ihre Modelle ein. Diese künstlichen Anpassungen sorgen dafür, dass die Simulationen weiterlaufen, haben jedoch ihren Preis: Selbst geringfügige Zeitverzögerungen, die zur Stabilisierung eingefügt werden, können die Genauigkeit merklich beeinträchtigen und damit die Zuverlässigkeit untergraben, die eine Echtzeitsimulation eigentlich bieten sollte.

• Grenzen der Parallelverarbeitung: Multi-Core-Prozessoren und software können den Durchsatz verbessern, aber bestimmte Hochgeschwindigkeits-Regelkreise und Wechselwirkungen in der Leistungselektronik bleiben von Natur aus schwer zu parallelisieren. Einige Berechnungen müssen sequenziell erfolgen, was bedeutet, dass ein schnell schaltender Wandler oder ein starres Netzwerksubsystem immer noch einen Engpass für die gesamte Simulation darstellen kann. In der Praxis bedeutet dies, dass kritische Transienten übersehen oder übermäßig geglättet werden können, da der Simulator nicht alle Gleichungen innerhalb der strengen Echtzeit-Fristen lösen kann.

• Dilemma zwischen Größe und Geschwindigkeit: Da Modelle immer größere Teile eines Stromnetzes oder detailliertere Wandlerschaltungen umfassen, steigt die Rechenlast pro Zeitschritt. Teams müssen oft Kompromisse bei den Details eingehen (z. B. Geräte zu einer einzigen gemittelten Einheit zusammenfassen), um Überschreitungen der Zeitschritte zu vermeiden. Dieser Kompromiss zwischen Systemgröße und Simulationsgeschwindigkeit führt zu Wissenslücken, da ein vereinfachtes Modell lokale Phänomene ignorieren könnte, die sich im tatsächlichen Betrieb als entscheidend erweisen.

Diese Herausforderungen verdeutlichen, warum der Einsatz von Standard-Simulationstools Innovationen behindern kann. Wenn Ihr Simulator durch numerische Fehler, fehlende Ereignisse oder erzwungene Vereinfachungen Zweifel aufkommen lässt, wird es schwieriger, den Ergebnissen zu vertrauen. Ingenieur:innen Lösungen, die diese Hindernisse beseitigen. Ein Simulator sollte sich genau wie das reale System verhalten, unabhängig davon, wie komplex oder schnell es ist.

Die Integration von Standardmodellen mit spezialisierten Solvern gewährleistet Genauigkeit bei Echtzeitgeschwindigkeit.

Fortgeschrittene Simulationsspezialisten begegnen diesen Einschränkungen, indem sie bekannte Modellierungswerkzeuge mit leistungsstarker Solver-Technologie verbessern. Anstatt Ingenieur:innen zwingen Ingenieur:innen Modelle drastisch Ingenieur:innen vereinfachen, besteht der Ansatz darin, die Berechnung der Simulation selbst zu verbessern. Eine bewährte Methode ist die Integration domänenspezifischer Echtzeit-Solver direkt in Plattformen wie Simscape Electrical™. Auf diese Weise können Teams weiterhin ihre Standardmodelle in MATLAB/Simulink® verwenden und gleichzeitig von der Stabilität und Geschwindigkeit eines benutzerdefinierten Solvers profitieren.

Zum Beispiel das ARTEMiS Solver wurde für die Verwendung mit Simscape Electrical-Modellen entwickelt, um numerische Stabilität bei festen Zeitschritten zu gewährleisten. Er nutzt eine fortschrittliche Entkopplungstechnik, die künstliche Verzögerungen zwischen Subsystemen vermeidet und so die Modellgenauigkeit auch bei groß angelegten Netzsimulationen gewährleistet. In der Praxis bedeutet dies, dass Ingenieur:innen ein detailliertes Simulink-Modell eines komplexen Stromnetzes in Echtzeit ausführen Ingenieur:innen , ohne die üblichen Hacks oder Detailverluste. Der Solver unterteilt das Netz in kleinere lösbare Blöcke und verarbeitet diese mit optimierten Algorithmen, die bei der erforderlichen Geschwindigkeit stabil bleiben. Entscheidend ist, dass diese Entkopplung verzögerungsfrei – der Simulator ist nicht darauf angewiesen, die Interaktionen zwischen den Komponenten zu verlangsamen oder zu dämpfen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Dadurch spiegeln die Ergebnisse eine hochpräzise Offline-Simulation wider, werden jedoch sofort, Schritt für Schritt und im Gleichschritt mit der Uhr generiert.

Die Zusammenarbeit zwischen Standardtools und spezialisierten Solvern optimiert auch die Arbeitsabläufe. Ingenieur:innen Modelle in den ihnen vertrauten Tools (wie Simulink) entwickeln und einfach in den Echtzeitmodus wechseln, wenn sie bereit sind, diese auf einem Zielrechner auszuführen. Im Hintergrund verarbeiten Solver automatisch starre Gleichungen und schnelle Umschaltvorgänge, sodass selbst notorisch schwierige Komponenten ohne Instabilität berechnet werden können. Die Erfahrung in der Industrie zeigt, dass mit diesem Ansatz auch große Systeme zuverlässig simuliert werden können, die normalerweise Vorteil Instabilitäten wären. Durch die Beibehaltung von Details und Genauigkeit bei Echtzeitgeschwindigkeit bieten spezialisierte Solver Ingenieur:innen leistungsstarke Alternative zur „Vereinfachung” ihrer Modelle.

FPGA-basierte Solver sind für moderne hochpräzise elektrische Simulationen unverzichtbar.

Während fortschrittliche CPU-Löser die Echtzeitleistung erheblich verbessern, erfordern einige Szenarien einfach mehr Geschwindigkeit, als ein Allzweckprozessor leisten kann. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) haben sich als unverzichtbares Werkzeug für ultrahochauflösende Echtzeitsimulationen etabliert. Diese rekonfigurierbaren Chips führen Berechnungen wirklich parallel und mit Taktraten durch, die Zeitschritte im Submikrosekundenbereich ermöglichen. Tatsächlich kann ein FPGA-basierter Solver die Physik von schnell schaltenden Geräten und elektromagnetischen Transienten mit hardware Granularität darstellen.

Der Unterschied, den FPGAs bewirken, ist beeindruckend. Beispielsweise bewältigte eine FPGA-basierte Simulation 1.200 Leistungshalbleiterschalter mit einem Zeitschritt von nur 373 ns und einer Genauigkeit von 99,83 %.mdpi.com. Diese Zahlen sind nicht nur akademischer Natur, sondern lassen sich direkt in die Fähigkeit übersetzen, hochfrequente Phänomene wie schnelle Schaltübergänge oder die Ausbreitung von Transienten in einem großen Netzwerk zu modellieren. Im Gegensatz dazu würde ein CPU-basierter Simulator entweder abstürzen, sich dramatisch verlangsamen oder gezwungen sein, diese Dynamiken zu mitteln.

FPGA-basierte Solver zeichnen sich dadurch aus, dass sie viele Operationen gleichzeitig berechnen können. Ein FPGA kann verschiedene Logikschaltungen für die parallele Lösung von Teilen des Modells einsetzen, beispielsweise zur Lösung von Matrixgleichungen bei gleichzeitiger Integration von Gerätemodellen im selben Taktzyklus. Diese massive Parallelität bedeutet, dass selbst groß angelegte Systeme mit kompromissloser Detailgenauigkeit simuliert werden können. Moderne Echtzeit-Simulationsplattformen kombinieren häufig CPUs mit FPGAs: Die CPU verwaltet das Gesamtmodell und die Schnittstellen, während FPGA-Karten die Berechnungen im Submikrosekundenbereich übernehmen. Das Ergebnis ist ein Simulator, der einen 50-kHz-Schaltwandler in Echtzeit betreiben kann und dabei jeden Impuls und jede Transiente erfasst, während Tools früherer Generationen die Geschwindigkeit drosseln oder Details vollständig weglassen mussten.

Das Überschreiten der Grenzen der Echtzeitsimulation beschleunigt Innovationen und schafft Vertrauen in das Design.

Nahtlose hardware Tests

Echtzeitsimulationen bei Hochpräzis Tests (HIL). Moderne Echtzeitsimulatoren erreichen eine so präzise Zeitsteuerung, dass echte hardware erkennen hardware , dass sie nicht mit dem tatsächlichen System verbunden ist. Ingenieur:innen physische Steuerungen oder Schutzvorrichtungen anschließen und unter strengen, realistischen Bedingungen testen. Der Simulator ist in der Lage, Fehler zu injizieren, beispielsweise einen plötzlichen Spannungsanstieg oder einen Komponentenausfall, und die Steuerung reagiert genau so, wie sie es auch im Feld tun würde. Das bedeutet, dass Teams ihre software hardware unzähligen Szenarien überprüfen können, einschließlich extremer Randfälle, deren Test auf physischen Geräten zu riskant oder unpraktisch wäre.

Komplexe Systeme zuverlässig validieren

Der vielleicht größte Vorteil der fortschrittlichen Echtzeitsimulation ist das Vertrauen, das sie in die endgültigen Konstruktionsentscheidungen bringt. Moderne Konstruktionen in jeder Branche von Antrieben für Elektrofahrzeuge über Stromnetze mit hohem Anteil erneuerbarer Energien bis hin zu Luft- und Raumfahrtsystemen – beinhalten unzählige Wechselwirkungen und Vorteil , die validiert werden müssen. Ingenieur:innen ihre Projekte Ereignissen wie mehrzyklischen Netzfehlern, schnellen Laständerungen oder Geräteausfällen aussetzen und beobachten, wie das gesamte System reagiert. Hochpräzise Simulatoren erfassen subtile Effekte, die einfachere Modelle übersehen, und stellen so sicher, dass potenzielle Probleme virtuell entdeckt werden und nicht erst in der Praxis. Dieser proaktive Ansatz vermeidet kostspielige Überraschungen und bedeutet, dass das endgültige Design bereits in einem digitalen Zwilling des Systems getestet wurde.

Der offene, leistungsstarke Echtzeit-Simulationsansatz von OPAL-RT

Um Simulationsengpässe weiter zu beseitigen, hat OPAL-RT seine Technologie auf die Verbindung von Standard-Modellierungstools mit leistungsstarker hardware ausgerichtet. Die Kernidee hinter unserem Ansatz ist Offenheit und Leistung: Ingenieur:innen vertraute Simulink-Modelle oder FMI-basierte Modelle einbringen und sie auf speziellen Echtzeitplattformen ausführen, die Multicore-CPUs und FPGAs kombinieren. So profitieren Sie von den Vorteilen beider Ansätze: der Flexibilität einer Ihnen vertrauten software und der kompromisslosen Geschwindigkeit dedizierter hardware. So kann beispielsweise ein detailliertes Simscape Electrical™-Modell in Echtzeit auf unserem Echtzeitsimulator mit unseren speziellen toolboxes wie ARTEMiS CPU-basierte Simulationen oder eHS für FPGA-basierte Schaltungssimulationen) ausgeführt werden, ohne dass eine Vereinfachung des Modells erforderlich ist, da unsere Solver auch bei hohen Geschwindigkeiten Stabilität und Genauigkeit gewährleisten. Dieser Ansatz hat es Ingenieur:innen Energie, Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie akademischer Forschung ermöglicht, schnell Prototypen zu erstellen und Systeme zu testen, die zuvor einfach nicht in Echtzeit simuliert werden konnten.

Durch die Steigerung der Simulationsleistung auf ein neues Niveau ermöglicht unsere Plattform Teams, mit Zuversicht innovativ zu sein. Diese Lösungen bewähren sich bereits in Bereichen wie Elektrofahrzeugen und nationalen Stromnetzen, indem sie unter extremsten Bedingungen zuverlässige Ergebnisse liefern. Wir entwickeln unsere Tools so, dass sie nicht nurVorteil ihrer LeistungsfähigkeitVorteil sind, sondern auch benutzerfreundlich und modular aufgebaut sind, sodass Unternehmen ihre Tests kleinen HIL-Setups auf Komponentenebene bis hin zu umfangreichen digitalen Zwillingen auf Systemebene auf einer einheitlichen Plattform skalieren können. Das ultimative Ziel ist es, die Grenzen dessen, was Ingenieur:innen testen Ingenieur:innen , aufzuheben. Mit einem offenen, leistungsstarken Simulationsökosystem zur Verfügung verbringen unsere Nutzer weniger Zeit damit, sich mit den Einschränkungen der Tools auseinanderzusetzen, und mehr Zeit damit, neue Wege im Design zu beschreiten, in der Gewissheit, dass sie alles, was sie sich vorstellen können, in Echtzeit simulieren können.

Allgemeine Fragen

Viele Ingenieur:innen neugierig, wie diese fortschrittlichen Echtzeit-Simulationstechniken in der Praxis tatsächlich funktionieren. 

Wie kombinieren fortgeschrittene Anwender Simscape Energiesysteme ARTEMiS Echtzeitgenauigkeit?

Fortgeschrittene Anwender nutzen die ARTEMiS als Plug-in-Löser innerhalb von Simscape Energiesysteme ehemals SimPowerSystems), um Echtzeitgenauigkeit zu erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass das elektrische Modell wie gewohnt in Simscape Electrical™ erstellt und dann ARTEMiS Fixed-Step-Solver ausgewählt wird, wenn es auf hardware ausgeführt wird. ARTEMiS das Standardmodell, indem es das Netzwerk automatisch partitioniert und numerische Stabilisierungstechniken anwendet, sodass die Simulation beim gewählten Zeitschritt stabil bleibt. Das Ergebnis ist, dass Ingenieur:innen komplexe Energiesysteme wie Mikronetze oder Mehrmotorantriebe – in Echtzeit simulieren Ingenieur:innen , ohne künstliche Verzögerungen hinzuzufügen oder das Modell zu vereinfachen. Im Wesentlichen ARTEMiS als Echtzeit-Ausführungsengine, die sicherstellt, dass die Genauigkeit des Simscape-Modells bei hoher Geschwindigkeit erhalten bleibt.

Warum sind FPGA-basierte Solver für die moderne elektrische Simulation unverzichtbar?

FPGA-basierte Solver sind unverzichtbar geworden, da moderne elektrische Systeme oft Phänomene beinhalten, die sich schneller entfalten, als herkömmliche CPU-Solver verarbeiten können. Hochfrequente Leistungselektronikgeräte, wie beispielsweise Siliziumkarbid- (SiC) oder Galliumnitrid- (GaN) Wandler, schalten so schnell, dass für eine genaue Simulation extrem kleine Zeitschritte erforderlich sind. FPGAs können diese winzigen Schritt-Simulationen parallel berechnen, was für allgemeine CPUs in großem Maßstab eine Herausforderung darstellt. Durch den Einsatz von FPGAs können Simulatoren jedes schnelle Übergangs- und Schaltvorgang erfassen und so alles von Hochgeschwindigkeits-Motorantrieben bis hin zu blitzschnellen Schutzschaltungen genau modellieren. Im Wesentlichen stellen FPGA-Löser sicher, dass die Auflösung einer Simulation fein genug ist, um die Realität widerzuspiegeln, selbst wenn Schritte im Mikrosekundenbereich wichtige Details verwischen würden.

Mit welchen Einschränkungen sind Ingenieur:innen bei Echtzeitsimulationen nur mit CPU Ingenieur:innen ?

CPU-basierte Echtzeitsimulationen sind durch die sequenzielle Natur und Taktrate von Allzweckprozessoren begrenzt. Mit zunehmender Komplexität der Simulationsmodelle – mit mehr Knoten, Schaltelementen und Regelkreisen – muss eine CPU in derselben festen Zeitschrittlänge mehr Berechnungen durchführen. Irgendwann erreicht sie einen Punkt, an dem sie nicht mehr alle Berechnungen vor dem nächsten Schritt abschließen kann, was zu Terminüberschreitungen oder der Notwendigkeit einer Vergrößerung der Schrittweite führt. Ingenieur:innen müssen Modelle Ingenieur:innen unter CPU-Beschränkungen vereinfachen, beispielsweise durch Gruppierung von Komponenten oder Reduzierung der Schaltgeschwindigkeiten, wodurch kritische dynamische Verhaltensweisen ausgelassen werden können. Darüber hinaus beinhalten einige Leistungselektronik-Simulationen sehr starre Gleichungen, die auf einer CPU zu numerischer Instabilität neigen, sofern die Schrittweite nicht vergrößert wird. All diese Faktoren bedeuten, dass ein rein CPU-basierter Ansatz extrem schnelle oder groß angelegte Systeme möglicherweise nicht originalgetreu simulieren kann, was die Szenarien einschränkt, die Sie zuverlässig testen können.

Wie verbessern Echtzeitsimulationen die Tests Steuerungssystemen?

Echtzeit-Simulationen verbessern Tests von Steuerungssystemen erheblich Tests der Controller mit einem virtuellen Modell interagieren kann, als wäre es die reale Anlage. Diese Konfiguration wird als Tests bezeichnet. Da die Simulation in Echtzeit abläuft, kann der Controller Signale senden und Rückmeldungen erhalten, genau wie bei einem tatsächlichen Einsatz. Dies ermöglicht gründliche Tests Logik, Funktionen und Tests Leistung des Controllers unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen. Beispielsweise Ingenieur:innen mithilfe von Echtzeitsimulationen testen, wie das Steuerungssystem einer Windkraftanlage auf plötzliche Windböen oder Netzfehler reagiert. Der Simulator versorgt den Regler in Echtzeit mit realistischen Sensoreingaben (wie unterschiedlichen Spannungen, Strömen und Drehzahlen), und die Ausgaben des Reglers können in die Simulation zurückgeführt werden. Dieser enge Regelkreis deckt alle Probleme in den Steuerungsalgorithmen oder im Code – wie Instabilitäten oder schlechte Reaktionen – in einer sicheren Umgebung auf. Letztendlich ermöglicht die Echtzeitsimulation die Validierung, dass Steuerungssysteme auch unter schwierigsten Bedingungen korrekt funktionieren, lange bevor diese Steuerungen an die tatsächlichen Anlagen angeschlossen werden.

Können fortschrittliche Echtzeit-Simulatoren seltene Ausfallbedingungen unterstützen ?

Ja, einer der großen Vorteile fortschrittlicher Echtzeit-Simulatoren ist ihre Fähigkeit, seltene Ausfallbedingungen zu untersuchen und vorherzusagen, die sonst nur schwer nachzustellen wären. Da diese Simulatoren hochdetaillierte Modelle ausführen können, Ingenieur:innen Fehlerzustände oder Extremereignisse in die Simulation einfügen und die Ergebnisse beobachten. Ein Echtzeit-Simulator kann beispielsweise modellieren, was passiert, wenn ein Leistungsschalter in einem Stromnetz nicht rechtzeitig öffnet, oder wie sich ein Erneuerbare Energien während eines ungeplanten Inselbetriebs verhält. Durch die Beschleunigung oder Wiederholung von Szenarien im Simulator können Sie Fehlermodi entdecken, die normalerweise erst nach Jahren des tatsächlichen Betriebs auftreten würden. Wichtig ist, dass die Simulation in Echtzeit mit tatsächlichen Schutzvorrichtungen oder Steuerungen interagieren kann und so aufzeigt, wie das gesamte System (sowohl hardware software) auf diese seltenen Ereignisse reagiert. Diese Vorhersagefähigkeit hilft Ingenieur:innen , robustere Systeme Ingenieur:innen und Schutzmaßnahmen für Ereignisse zu treffen, die zwar unwahrscheinlich, aber möglich sind. Kurz gesagt, ermöglicht eine hochpräzise Echtzeit-Simulation einen proaktiven Ansatz für die Zuverlässigkeit, bei dem potenzielle Ausfälle im Voraus erkannt und gemindert werden können.