Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme

Transkript

1 Georg Pelz Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme Vom Chip- zum Systementwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen DU Hüthig Verlag Heidelberg

2 1 Ziel und Motivation 1 2 Grundlagen der Modellierung und Simulation Einführung Modellkategorien Einsatzgebiete Einführung Bottom-Up-Design Top-Down-Design Bezug der Entwurfsstrategie zur Modellierung Modellierung zur Spezifikation Modellierung zum Entwurf Modellbildung Einführung Strukturelle Modellierung Einführung Schaltpläne Zustandsgraphen Mehrkörperdiagramme Finite Elemente Physikalische Modellierung Einführung Perspektive der Modellierung Resultierende Gleichungen Experimentelle Modellierung Einführung Tabellenmodelle Parameterschätzung und Systemidentifikation Modellverifikation und -Validierung Einführung Modellverifikation 27

3 VIII Verifikation anhand der Implementierungsmethodik Plausibilitätsprüfungen Verifikation anhand alternativer Modelle Verifikation anhand von visueller Inspektion und Animation Verifikation des Laufzeitverhaltens Formale Verifikation Modellvalidierung Einführung Direkte Validierung anhand von Messdaten Validierung anhand einer Systemidentifikation Validierung anhand des 'model-distortion'-ansatzes Validierung anhand einer Empfindlichkeitsanalyse Validierung anhand einer Monte-Carlo Simulation Validierung anhand der Modellhierarchie Validierung anhand von inversen Modellen Modellvereinfachung Simulatoren und Simulation Einführung Schaltungssimulation Logiksimulation Mehrkörpersimulation Blockdiagrammsimulation Finite-Elemente-Simulation Softwaresimulation Zusammenfassung 41 3 Modellbildung und Simulation gemischter Systeme Einführung Elektronik und Mechanik Einführung Analogien Grenzen der Analogien Unterschiede zwischen Elektronik und Mechanik Modelltransformation 51

4 IX Einführung Schaltungssimulation Einführung Analogiebetrachtung Modellierung von Differentialgleichungen mit äquivalenten Schaltungen Logik-/Petrinetzsimulation Einführung Definition von Prädikat/Transition-Netzen Modellierung diskreter Zusammenhänge Modellierung kontinuierlicher Zusammenhänge Mehrkörpersimulation Einführung Elektronikmodellierung mit dem Lagrange-Ansatz Objektorientierter Ansatz Finite-Elemente-Simulation Bewertung der Modelltransformation Domänenunabhängige Beschreibungsformen Bondgraphen Blockdiagramme Modellierungssprachen für physikalische Systeme Bewertung der domänenunabhängigen Beschreibungsformen Simulatorkopplung Einführung Simulator-Backplane Beispiele für die Simulatorkopplung Einführung Mechatronik Mikromechatronik Bewertung Zusammenfassung 71 4 Modellierung in Hardwarebeschreibungssprachen Einführung Einsatzgebiete 75

5 4.2.1 Formulierung von Spezifikation und Entwurf Validierung von Spezifikationen und Verifikation von Designs Automatische Synthese Charakterisierung von Hardwarebeschreibungssprachen Sprachen Modellierungsparadigmen Einführung Strukturelle und verhaltensorientierte Modellierung Digitalmodellierung Beispiel: Multiplexer Beispiel: Multiplizierer Digitale Signalzuweisung Analogmodellierung Einführung Physikalische Domänen und zugehörige Größen Diskontinuitäten Modellierung im Frequenzbereich Simulation von Modellen in Hardwarebeschreibungssprachen Zusammenfassung 94 5 Software in Hardwarebeschreibungssprachen Einführung Simulation der Hardware zur Abarbeitung der Software Cosimulation durch Software-Interpretation Cosimulation durch Software-Compilation Einführung Softwareabbildung Synchronisation Einführung Synchronisation ohne Interrupt Synchronisation nach einem Interrupt 105

6 XI Beispiel für die Softwaremodellierung Debugging von Software Zusammenfassung Mechanik in Hardwarebeschreibungssprachen Einführung Mehrkörpermechanik Einführung Systemorientierte Modellierung Newton-Euler Ansatz Lagrange-Ansatz Formulierung in Hardwarebeschreibungssprachen Objektorientierte Modellierung Einführung Basismodelle Beispiel: Radaufhängung Weitere Anwendungen Einführung Mechatronik Mikromechatronik Kontinuumsmechanik Einfuhrung Strukturelle Modellierung Einführung Finite Elemente Aufstellung der Elementmatrizen Zusammenbau der Systemmatrix Beispiel: Balken mit verschiedenen Randbedingungen Physikalische Modellierung Partielle Differentialgleichungen und finite Differenzen Analytische Modellierung Ritz-Ansatz Galerkin-Ansatz Experimentelle Modellierung Einführung Tabellenmodelle 150

7 XII Identifikation eines harmonischen Schwingers Allgemeine Identifikation Zusammenfassung Mechatronik Modellierung mechatronischer Systeme Demonstrator 1: Semi-aktive Radaufhängung Systembeschreibung Modellierung der Software Modellierung der Mechanik Simulation Demonstrator 2: Ottomotor mit Antriebsstrang Systembeschreibung Modellierung Simulation Demonstrator 3: Kamerawinder Einführung Systembeschreibung Modellierung Batterien und Akkumulatoren Elektromotor Getriebe Mechanische Last Simulation Zusammenfassung Mikromechatronik Modellierung mikromechatronischer Systeme Einführung Komponentenentwurf Systementwurf. 175 $.2 Demonstrator 4: Kapazitiver Drucksensor 176

8 XIII Systembeschreibung Modellierung Einführung Aufstellung der Elementmatrizen Formulierung in einer Hardwarebeschreibungssprache Systemmatrix Anregung der Mechanik Geometrische Nicht-Linearität Berechnung der Kapazität Simulation Mechanisches Verhalten Elektrisches Verhalten Systemsimulation Parametrische Simulationen Demonstrator 5: Mikrospiegel Systembeschreibung Modellierung Simulation Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick 201 Literatur 203 Anhang 231 Formelzeichen 231 Abkürzungen 234 Eingetragene Warenzeichen 235 Sachwörterverzeichnis 237