Software: SimX - Nadelantrieb - Aktordynamik - Versuchsstand

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Versuchsstand-Konfiguration

Nach den Erfahrungen aus der vorherigen Etappe, sollte es keine Probleme bereiten, nach dem Start von OptiY einen numerischen Versuchsstand als Projekt zu konfigurieren:

1. Neues Projekt öffnen
2. Simulationsmodell einfügen
3. Entwurfsparameter (Nennwerte)
4. Forderungen (Restriktionen)
5. Wünsche (Gütekriterien)
6. Optimierungsverfahren
7. Visualisierung vorbereiten

Dazu im Folgenden einige Hinweise:

1. Neues Projekt öffnen

• Nach dem Start von OptiY ist bereits eine neue Projekt-Datei mit einem (leeren) Experiment geöffnet.
• Diese sollte man sofort Speichern und dabei den gleichen Namen verwenden, wie für das Simulationsmodell der aktuellen Etappe (Etappe2a_xx.opy).

2. Simulationsmodell einfügen

• Die aktuellen Parameter des Simulationsmodells werden als Startwerte für die noch zu wählenden Entwurfsgrößen genutzt.
• Das gespeicherte Simulationsmodell sollte deshalb vor dem Einfügen in den Experiment-Workflow unbedingt mit einer sinnvollen Ausgangslösung konfiguriert sein (vollständiger Prägezyklus!).
• Vor der Auswahl der Modell-Datei im OptiY-Workflow sollte diese Modell-Datei im SimulationX geöffnet sein!
• Nach dem Öffnen der .isx-Datei das Arbeitsverzeichnis Relativpfad \ eintragen (wegen der Portabilität):
  

3. Entwurfsparameter (Nennwerte)

Gesucht werden innerhalb dieser Etappe die optimalen Nennwerte für folgende Entwurfsparameter:

• Windungszahl w_Spule
• Spulenwiderstand R_Spule
• Schutzwiderstand R_Schutz
• Ankerdurchmesser d_Anker
• Federsteifigkeit k_Feder
• Vorspannweg der Feder s0

Der Zeitbedarf für die Lösungssuche steigt zumindest proportional mit der Anzahl der berücksichtigten Entwurfsparameter:

• Entwurfsparameter, welche man anderweitig einfach bestimmen kann, sollte man nicht durch numerische Optimierung suchen lassen.
• Im Beispiel ist das offensichtlich der Vorspannweg s0, der über Abhängigkeiten aus der aktuellen Nadel-Masse und der Federkonstante berechnet wird (Siehe Etappe1).
• Es sind in dieser Etappe nur die folgenden 5 unabhängigen Entwurfsparameter zu berücksichtigen:
  
• Startwerte:

In den Eigenschaften der einzelnen Entwurfsparameter muss der aktuelle Wert aus dem Simulationsmodell als Startwert eingetragen werden (da dieser in der aktuellen OptiY-Version nicht automatisch übernommen wird).

• Grenzwerte:

Die standardmäßig eingetragenen Grenzen muss man noch im Sinne möglicher Lösungen anpassen.

1. Man sollte die Hinweise aus der 1. Etappe beachten.
2. Grenzwerte sollte man "hinreichend" weit entfernt von physikalisch sinnlosen Werten setzen:
   • z.B. sind negative Spulenwiderstände (meist) sinnlos.
   • Während der Optimierung können Lösungen außerhalb der vorgegebenen Grenzen entstehen, die infolge schlechter Bewertung jedoch wieder verworfen werden.
   • Physikalisch sinnlose Parameterbelegungen führen im Modell oft zu numerischen Instabilitäten (Absturz) und können durch Wahl geeigneter Grenzwerte vermieden werden.

• Typen:

Für unser SimulationX-Modell kann man ausschließlich Nennwerte vom Typ "Variable" oder "Konstante" verwenden. Dabei handelt es sich im Zahlenwerte im REAL-Format. "Variable" Entwurfsparameter sind freigegeben für die Veränderung durch das Optimierungsverfahren.

Durch Angabe einer "Genauigkeit" beschreibt man die kleinste Abstufung zwischen zwei Werten:

• Ankerdurchmesser und Federkonstante sind weitestgehend frei fertigbar (Genauigkeit=0).
• Durch die Wahl von geeigneter Spulengeometrie und Drahtdurchmesser lässt sich ein ermittelter Spulenwiderstand hinreichend genau realisieren (Genauigkeit=0).
• Der Schutzwiderstand sollte einer Norm-Reihe entstammen. Da der Wert selbst wahrscheinlich ziemlich unkritisch ist, kann man den erhaltenen Optimalwert einfach auf den nächst möglichen abrunden (Genauigkeit=0).
• Eine Besonderheit weist die Windungszahl auf:
  • Es gibt technisch nur ganze Windungszahlen.
  • Prinzipiell könnte man als Optimum auch eine gebrochene Windungszahl ermitteln und diesen Wert nachträglich runden.
  • Über "Genauigkeit=1" sollte man jedoch die Optimierung zwingen, nur ganze Werte für die Windungszahl zu verwenden.

4. Forderungen (Restriktionen)

• Die für die Bewertungsgrößen erforderlichen Ausgangsgrößen müssen "sorgfältig" mit dem SimulationX-Modell verbunden werden → nur die Variablen an den Compound-Schnittstellen verwenden!
• Die Forderung nach einer maximal zulässigen Zykluszeit von 3,4 ms muss nicht als Restriktion formuliert werden, da wir die Zykluszeit noch als Gütekriterien definieren.
• So genügt die Definition der restlichen drei Forderungen:

• In den Eigenschaften der Restriktionsgrößen definiert man den zulässigen Bereich über die Grenzwerte:
  • Praegung=1.0 ... 1.1
  • iMax=0 A ... 1,5 A
  • vMax=-200 V ... 200 V
• Alle Restriktionsgrößen sollten vorläufig mit dem gleichen Gewichtsfaktor=1 berücksichtigt werden.
• Restriktions- und Ausgangsgrößen sind im Experimentworkflow mit den gleichen Maßeinheiten zu verwenden.

5. Wünsche (Gütekriterien)

• Die Auflistung der Wünsche bereitet erfahrungsgemäß die geringsten Probleme.
• Im Beispiel verfolgen wir vorläufig den Wunsch aus der 1.Etappe weiter:

Wir wünschen uns einen möglichst kurzen Prägezyklus!

6. Optimierungsverfahren

• Wir wählen das Hooke-Jeeves-Verfahren mit manuell einzustellenden Startschrittweiten.
• Bei der Konfiguration der Startschrittweiten für die Entwurfsparameter nutzen wir die Erfahrungen aus der 1. Etappe.

Achtung: Speichern nicht vergessen!

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