De uitdaging

Om een stabiele levitatie in een Hyperloop-voertuig te realiseren, is een nauwkeurige regeling van vijftien onderling samenhangende parameters vereist – een uitdaging die met traditionele trial-and-error-afstemmingsmethoden niet efficiënt kon worden opgelost.

Delft Hyperloop X zag een kans om Simcenter Amesim in te zetten om deze parameters automatisch te berekenen en zo het ontwikkelingsproces te versnellen. Om het volledige potentieel van de simulatiesoftware te benutten, was echter aanvullende expertise en ervaring nodig.

Om de complexiteit van de software te doorgronden en diverse technische uitdagingen het hoofd te bieden, ging het team een samenwerking aan met Femto Engineering.

Simcenter Amesim gebruiken voor simulatie en optimalisatie

Toen Delft Hyperloop X Simcenter Amesim in gebruik nam, was het al vrij laat in het academisch jaar: pas half april. Zoals bij veel geavanceerde technische hulpmiddelen, worden het volledige potentieel en de toepassingsmogelijkheden van de software pas duidelijker naarmate gebruikers er meer praktijkervaring mee opdoen.

Simcenter Amesim is een simulatiesoftwarepakket dat op meerdere gebieden toepasbaar is, waaronder natuurkunde, mechanica, elektronica en besturingssystemen. In plaats van gedetailleerde ontwerpen werkt het met componentmodellen die door parameters worden gedefinieerd.

Dit maakt het waardevol voor vroege ontwerpfasen, systeemvalidatie en het begrijpen van interacties tussen complexe subsystemen.

Voor Delft Hyperloop X bood Simcenter Amesim de mogelijkheid om het levitatiesysteem te simuleren en de optimale besturingsparameters te berekenen die nodig zijn voor een stabiele werking.

Foto 1. Simcenter Amesim is een volledig geïntegreerd, schaalbaar systeem-simulatieplatform voor het modelleren en analyseren van systemen met meerdere domeinen.

De technische uitdaging

De Hyperloop is een zwevend voertuig dat, zelfs in stilstand, vijf vrijheidsgraden heeft die nauwkeurig moeten worden geregeld. Voor elke vrijheidsgraad wordt een PID-regelaar gebruikt, en elke regelaar heeft drie versterkingsfactoren (P, I en D).

Dit resulteert in vijftien instelbare parameters die allemaal correct moeten worden afgestemd om een stabiele zweeftoestand te bereiken.

In Simcenter Amesim kan het voertuig worden gemodelleerd als een eenvoudige kubus met massa, traagheidsmoment, wielstijfheid en magnetische krachten. Dit kan in 1D, 2D of 3D worden gedaan, waarbij elke dimensie meer voorspellingen mogelijk maakt.

Het besturingssysteem, inclusief de PID-regelaars, kan ook binnen de software worden nagebouwd. Met behulp van de ingebouwde optimalisatiefunctie kunnen vervolgens automatisch de meest stabiele regelaarversterkingen worden berekend.

Voorheen werden deze parameters handmatig afgesteld via trial-and-error. Met simulatie kunnen ontwerpwijzigingen, zoals een andere voertuigmassa, veel sneller worden geëvalueerd. Pas simpelweg de massa aan in Simcenter Amesim, voer de simulatie uit, en de nieuwe optimale versterkingen zijn beschikbaar.

Om betrouwbare resultaten te verkrijgen, moesten echter eerst alle systeemparameters nauwkeurig worden bepaald. Met name de magnetische kracht bleek een grote uitdaging. Verschillende methoden slaagden er niet in de werkelijke kracht te bepalen, en het team liep uiteindelijk vast.

Samenwerken om het probleem op te lossen

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, werkte Delft Hyperloop X nauw samen met Femto Engineering en projectingenieur Jordi Brouwer. Samen onderzochten de teams hoe de optimalisatieworkflow verder kon worden verbeterd en hoe betrouwbaardere resultaten voor deze specifieke toepassing konden worden bereikt.

Het ontrafelen van een niet-lineaire kracht die afhankelijk is van meerdere variabelen is geen eenvoudige taak. Zoals vaak het geval is bij geavanceerde engineeringsoftware, moest het team verschillende implementatiedetails en configuratie-instellingen onderzoeken om de workflow succesvol toe te passen op hun gebruiksscenario.

Sommige aspecten van de integratie vereisten aanvullend onderzoek en testen voordat de gewenste workflow kon worden gerealiseerd. Door deze uitdagingen gezamenlijk aan te pakken, slaagde het team erin een robuuste workflow op te zetten en de ontwikkeling voort te zetten.

Met de ondersteuning en voorbeelden van Jordi ontwikkelde het team uiteindelijk een werkende API (Application Programming Interface) waarmee Simcenter Amesim-simulaties extern kunnen worden uitgevoerd en die een op maat gemaakte optimalisatieworkflow voor hun specifieke toepassing ondersteunt.

Foto 2: Ook het volledige regelsysteem, inclusief de PID-regelaars, kan binnen de software worden gemodelleerd en gesimuleerd.

Resultaat

Het project heeft nu een belangrijke mijlpaal bereikt. Met de steun van Femto Engineering is Delft Hyperloop X erin geslaagd een werkende API te ontwikkelen waarmee Simcenter Amesim extern kan worden uitgevoerd en een optimalisatiemethode kan worden toegepast die verder gaat dan de standaardmogelijkheden van de software.

Hoewel de kraaftafel en de testgegevens nog moeten worden geïntegreerd, is de technische hindernis die het team eerder tegenhield, overwonnen.

De automatiseringsmogelijkheden die hieruit voortvloeien, zijn aanzienlijk. Zodra de kraaftafel beschikbaar is, kunnen de optimale versterkingsfactoren voor het levitatiesysteem automatisch worden berekend, ook voor toekomstige ontwerpwijzigingen.

Zonder de hulp van Femto zou het team dit punt zeker niet hebben bereikt. Het opzetten van een API was iets waar het team nog geen ervaring mee had, maar Jordi Brouwer heeft hen soepel door de eerste fasen van dit deel van het proces geleid.

Bron: Delft Hyperloop