Methodik der ModellbasiertenSystementwicklung

Donnerstag, 13.11.2014

Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Panreck

2 / 20 Klaus Panreck · 13.11.2014

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.