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Methodik der ModellbasiertenSystementwicklung
Donnerstag, 13.11.2014
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Panreck
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Prof. Dr.-Ing. Sebastian HoffmannElektrotechnik und Automatisierungstechnik seit 2011
Prof. Dr.-Ing. Heinrich KühlertMechatronik, Technische Mechanik und Dynamik seit 1998
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus PanreckMess- und Regelungstechnik seit 2011
Prof. Dr. rer. nat. Axel SchneiderIngenieurinformatik seit 2012
Prof. Dr.-Ing. Joachim WaßmuthElektrotechnische Gebiete der Mechatronik seit 2009
Prof. Dr.-Ing. Dirk WeidemannRegelungstechnik und Prozessautomatisierung seit 2009
Prof. Dr.-Ing. Rolf NaumannMehrkörpersimulation (MKS) und Finite-Elemente-Methoden (FEM) seit 2009
Institutsmitglieder
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z.B. Regelgerät
Schnittstellen-Elektronik Schnittstellen-Elektronik
1. Einführung – Aufbau eines mechatronischen Systems
Umgebung Umgebung
FunktionalitätHardware-basiert (z.B. FPGA) Software-basiert (Programm auf C)
physikalischesGrundsystem
MechanikOptik
Magnetik
Hydraulik
Thermik
Akustik
Pneumatik
Elektrik
SensorenAktuatoren UmgebungHilfsenergie ElektrikElektronik
Informations-verarbeitung
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1. Einführung – Vorgehen in Anlehnung an die VDI 2206
Konzept-entwurf
System-integration
Domänenspez. EntwurfMaschinenbauElektrotechnik
weitere Disziplinen
Anforderungen Produkt
Eigenschaftsabsicherung
Modellbildung und -analyse
Aufgabenstellung präzisieren
Erarbeitungeines domänen-übergreifendenLösungskonzeptes
Detailberechnungenund -auslegungen
unterschiedliche Produktstadien
schrittw. Zu-sammensetzen
der Komponenten(virtuell u./o. real)
V-Modell
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Regeln (z.B. der Drehzahleines Antriebs)
Mode
Konzept-entwurf
Dom
Anforderungen
Wichtig:Von klassischen Realisierungskonzepten lösen!UND: In Funktionen denken!
2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes
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Funktionsstruktur
UNDWelche Beziehungen bestehenunter ihnen?
Regeln
Vergleichen
Messen
Verstärken Bewegen
Zerlegen
Strukturierung: In welche Teilfunktionen lässt sichdie Gesamtfunktion (hierarchisch)zerlegen?
(z.B. der Drehzahleines Antriebs)
Mode
Konzept-entwurf
Dom
Anforderungen
2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes
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Domäne y
Domäne xFunktionsstruktur
Regeln
Zerlegen
BewegenVergleichen
Messen
Verstärken
(z.B. der Drehzahleines Antriebs)
Partitionierung: Welche Funktion wird in welcherFachdisziplin realisiert?
Umsetzung: Wie werden die Funktionen realisiert?Nutzung morphologischer Kästen!=> Meist mehrere Realisierungsvarianten,
da verschiedene Kombinationen denkbar!
Mode
Konzept-entwurf
Dom
Anforderungen
2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes
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Zunächst:Konzentration auf das phys. Grund-SystemVielleicht 5 bis 6 Aufbauvarianten
GS
Antrieb 2
GS
Antrieb 3
GS
Antrieb 4
GS
Antrieb 5
GS
Antrieb 1
GS
Antrieb 2
GS
Antrieb 5
Ziel: Reduktion der Variantenvielfalt auf 2 bis 3
Modellierung und Simulation der physikalischenAufbauvarianten (jede für sich allein!)
Bewertung
Mode
Konzept-entwurf
Dom
Anforderungen
2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes
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Verbliebene Variantenmodelle um die infor-mationsverarbeitenden Modelle ergänzen!
GS
Antrieb 2Regler 1
IT GS
Antrieb 5Regler 2
IT
Auswahl der am besten geeigneten Aufbauvariantebzw. des besten Gesamtkonzeptes
MiL-Simulation des jeweiligen Gesamtsystems (Stufe 1)
Model-in-the-Loop-Simulation
IT-System wird als Modell zusammen miteinem Modell des phys. Grundsystems simuliert.
Mode
Konzept-entwurf
Dom
Anforderungen
Ziel:
2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes
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3. Domänenspezifischer Entwurf
Domänenspez. EntwurfMaschinenbauElektrotechnik
weitere phys. Disziplinen
Modellbildung und -analyse
Verfeinerung des Entwurfs in den jeweiligen Fachdisziplinen(zunächst wieder für das physikalische Grundsystem)
Einsatz von Spezialsimulatoren
- Optimierung der Konstruktion und des Verhaltens- Untersuchung/Berücksichtigung von Nebeneffekten etc.
Mechanik(Mehrkörper-Simulatoren)
Elektrotechnik(Schaltkreis-Simulatoren)
Verwendungsehr detaillierter
Modelle
Hydraulik
Ziele:
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4. (Virtuelle) Systemintegration
System-integration
wurf
Produkt
lyse
virtueller Prototyp(Systemsimulation)
Die Systemintegration erfolgt immer häufiger zunächst modellbasiert.
• frühzeitige Systemtests• weniger reale Prototypen
=> effizientere Entwicklung, weniger Kosten
Vorteile:
Elektronik
Mechanik
IT
ZusammenführenheterogenerTeilmodelle
Hauptaufgabe:
??
Die benötigten Systemmodelle werden aus den Detail-modellen des domänenspezifischen Entwurfs abgeleitet.
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System-integration
wurf
Produkt
lyse
virtuelleSystembeschreibung
?
Simulator-kopplung
virtuelle Integration
Domäne 1
Domäne 2
Domäne 3
weitereDomänen
Modell-konvertierung
objektorientierteModellierung
Aggregation erfolgt übermehrere Hierarchieebenen
zunehmendeAbstraktion
4. (Virtuelle) Systemintegration
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ka
ka
Me
ueua
Ra La
ideal
dR
ML
EMK-Wandler
uR uL
ka MJ Md
ia
elek. mech. JR
G l e i c h s t r o m m o t o r
fachdisziplin-spezifische
Modelle
Konvertierung
Block-schalt-
bild
elektrisches Modell mechanisches Modell
Ra
Laua uL
uR
ue
ia
dR
JR
Md
MJ
ML
Me
4. (Virtuelle) Systemintegration – Modellkonvertierung
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u
GS
Antrieb 2 Regler 1
IT
PhysiknaherEntwurf desAntriebes
4. (Virtuelle) Systemintegration – Effizienteres Vorgehen
Antriebs-system
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Einbetten
Antrieb 2
Dreh-zahl
Strom
u
4. (Virtuelle) Systemintegration – Effizienteres Vorgehen
GS
Antrieb 2 Regler 1
IT
PhysiknaherEntwurf desAntriebes
Antriebs-system
Antriebs-modell
Alle Parameter verfügbar
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Entwurf des Reglers
PWM-Steller
Puls-weite
Puls-signal
Spgs-anpassung
Regler 1
Dreh-zahl
Puls-weite
Scope n
Scope iAntrieb 2
Dreh-zahl
Strom
u
GS
Antrieb 2 Regler 1
IT
4. (Virtuelle) Systemintegration – Effizienteres Vorgehen
PhysiknaherEntwurf desAntriebes
Antriebs-system
Antriebs-modell
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4. (Virtuelle) Systemintegration
System-integration
wurf
Produkt
lyse
virtuelleSystembeschreibung
?
Simulator-kopplung
virtuelle Integration
Domäne 1
Domäne 2
Domäne 3
weitereDomänen
Modell-konvertierung
objektorientierteModellierung
GS
Antrieb 2Regler 1
IT
MiL-Simulation desGesamtsystems (Stufe 2)
Eigenschaftsabsicherungdurch virtuelles Testen
Ziel:
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System-integration
wurf
Produkt
lyse
Im weiteren Verlaufder Entwicklung eingesetzte
Simulationstechniken
MiL (Model-in-the-Loop)
RCP (Rapid Control Prototyping)
SiL (Software-in-the-Loop)
HiL (Hardware-in-the-Loop)
PiL (Processor-in-the-Loop)
üblicheVerwendungs-
reihenfolge
ModellbasierteFunktionsentwicklung
Ziel:Detailentwurf
des IT-Systems(Regelung/Steuerung)
4. (Virtuelle) Systemintegration
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5. Zusammenfassung
AllgemeinHeute lassen sich viele Vorgänge / Effekte simulationsgestützt untersuchen.=> Beantwortung funktionsorientierter Fragestellungen
Aufwand / NutzenMethodik benötigt zunächst mehr Zeit und verursacht zusätzliche Kosten
Bezogen auf den gesamten Entwicklungsprozess ermöglicht sie jedochzeit- und kostensparende Sekundäreffekte.
=> Zusätzliche Untersuchungsmöglichkeiten (z.B. Betrieb in Grenzbereichen)
=> Höhere Transparenz der Entwurfsschritte
=> Eindeutige Reproduzierbarkeit der Entwicklungsergebnisse
=> Einfache Wiederverwendung von Modellen bei zukünftigen Projekten
=> Möglichkeit einer frühzeitigen Eigenschaftsabsicherung (virtuelles Testen)
=> Untersuchung ungewollter Wechselwirkungen
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5. Zusammenfassung
Aber:
Entscheidungsunterstützung bei der Findung eines multidiszipl. Systemkonzeptes
Frühe Entwurfsphase:
Späte Entwurfsphase:Aufbau virtueller Prototypen im Rahmen der Systemintegration
Die Modellbildung und Simulation ist kein Allheilmittel!
Modellbildung und Simulation ist heute in allen Entwurfsphasen von Bedeutung.
Was bereitet Probleme?
• Nicht verstandene Vorgänge sind nicht modellierbar.• An die Zahlenwerte der Modellparameter zu kommen.• Modelle im zulässigen Gültigkeitsbereich zu simulieren.