Echtzeitsimulationen

Echtzeitsimulationen bezeichnen die Simulation von Systemen, bei der die Rechenzeit der Simulation strikt mit der realen Zeit verknüpft ist. Dadurch entstehen Eingaben und Ausgaben der simulierten Struktur in derselben zeitlichen Reihenfolge wie im echten Betrieb. Ziel ist es, komplexe Systeme realitätsnah zu testen, zu validieren oder zu schulen, ohne das reale System zu gefährden oder kostspielige Prototypen nutzen zu müssen.

Man unterscheidet harte Realzeit, bei der das Überschreiten einer Abstands- oder Deadlines zu systembedingten Fehlverhalten führt, und weiche Realzeit, bei der Verzögerungen toleriert werden, aber die Leistung beeinträchtigen können. Die Realzeitenanforderungen bestimmen Auswahl von Architekturen, Programmiersprachen und Hardware.

Typische Architekturkomponenten sind eine Simulations-Engine, eine Synchronisierungsschicht und oft ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder eine feste zyklische Ausführung. In vielen Bereichen kommt Hardware-in-the-Loop (HIL) zum Einsatz, um reale Komponenten mit der virtuellen Umgebung zu verbinden. Software-in-the-Loop (SIL) und Model-in-the-Loop (MIL) beschreiben Stufen der Integration. Häufige Ansätze nutzen Co-Simulation oder federated Simulationen, verbunden über Standards wie FMI (Functional Mock-up Interface) oder ähnliche Schnittstellen.

Anwendungsbereiche umfassen die Automobilindustrie (Fahrassistenzsysteme, Brems- und Lenksysteme), Luftfahrt, Energiesysteme (Stromnetze, Verteilernetze), Robotik, industrielle Automatisierung und Ausbildungsumgebungen. Typische Tools reichen von MATLAB/Simulink Real-Time und dSPACE bis hin zu RT-LAB, Opal-RT oder LabVIEW Real-Time.

Wichtige Messgrößen sind Zykluszeit, Termin- bzw. Deadline-Miss-Rate, Jitter und Gesamtdurchsatz. Echtzeitsimulationen liefern so präzise Testumgebungen, Validierung und Optimierung für Systeme, die in realen Bedingungen zuverlässig funktionieren müssen.