Einführung in CAE-Simulationssysteme

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1 Einführung in CAE-Simulationssysteme Einleitung Motivation für CAE-Werkzeuge Modellierung technischer Prozesse Übersicht über CAE-Simulationssysteme Kommerzielle Programme Freeware Funktionsinhalte von Simulationssystemen MATRIX X MATRIX -Core X MATRIX -Systembuild X Echtzeit-Code

2 Motivation für CAE-Werkzeuge Klassische Entwurfsmethoden der Regelungstechnik - lineare Entwurfsmethoden (Frequenzkennlinien, WOK) - nichtlinearer Entwurf - Optimierungsverfahren - Zustandsregler Neue Entwurfsmethoden - Fuzzy-Control - Expertenregler - Hybride Regelstrukturen Modellierung technischer Prozesse Generierung von Source-Code

3 Modellierung technischer Prozesse Problemstellung: Keine geschlossene mathematische Lösung angebbar Test an realem Prozess nicht möglich Ursprüngliche Vorgehensweise ( ohne CAE): 1). Strukturbild & Systemgleichungen 2). Diskretisierung und Verwendung von numerischen Routinen zur Integration 3). Implementierung mit Programmiersprachen (Basic, C/C++, Pascal, FORTRAN, etc.) 4). Simulation

4 Modellierung technischer Prozesse Nachteil der Implementierung in Quellcode: Umsetzung in diskretes Simulationsmodell Programmierkenntnisse Abkehr von der eigentlichen Simulationsaufgabe Individuelle Simulationsprogramme (intransparent, fehlende Kompatibilität) Fehleranfällig Zeitraubend (Fehlersuche) Komplexe Simulationsprogramme

5 Modellierung technischer Prozesse Vorgehensweise mit CAE-Werkzeugen: 1). Strukturbild & Systemgleichungen - meist bereits in graphischer Form angebbar 2). & 3). entfällt! 4). Simulation Vorteile: Keine Programmierkenntnisse Konzentration auf Simulation weniger fehleranfällig transparent zeit- und kosteneffizient Nachteile: Kauf eines CAE-Simulationssystems (Hard- und Software) Numerische Rechenfehler Fehlinterpretationen Oberflächliche Analyse (wahlloses Simulieren) Fehlinterpretation aufgrund ungenügender Kenntnis der verwendeten Rechenverfahren

6 CAE-Simulationssyssteme Übersicht über Simulationssysteme: Kommerziell: MATLAB Win/UNIX Modellbildung, Simulation, Reglerentwurf, Matrixalgebra MATRIX X Win/UNIX Modellbildung, Simulation, Reglerentwurf, Matrixalgebra MATHEMATICA Win/UNIX symbolische und numerischemathematik MAPLE Win/UNIX symbolische Mathematik MODELICA DYMOLA / DYNASIM Win Chemische Modelle, elektrische Schaltkreise, Petrinetze, Zustandsdiagramme, thermodynamische Systeme, Hybride Systeme,... LabView Win/Unix Messwerterfassung und Verarbeitung PSPICE Win Elektrische Schaltkreise gproms Win Chemische Prozessmodelle DORA-PC DOS/Win Regelungstechnik, Entwurf, Analyse, Simulation

7 CAE-Simulationssyssteme Freeware-Programme: SCILAB Win/Linux/DecAlpha/ Sun Sparc/Macintosh Simulation, Matrixalgebra, Reglerentwurf ASCEND Win/Linux Chemical engineering MADONNA Win/Mac Differentialgleichungen, graph. Ausgabe

8 CAE-Simulationssysteme Funktionsumfang: Grundsätzlich: mathematische Operationen - insbesondere Matrix-Operationen Systemanalyse - Zustandsdarstellung dynamischer Systeme Reglersynthese Simulation Weiterhin: Fuzzy-Control-Systeme System-Identifikation Modellvereinfachung Adaptive Regelungen Neuronale Netze...

9 Matrix X Beispiel: Matrix / XMath X Graphisch orientierte Simulationsumgebung für die Modellierung dynamischer Systeme Modularer Aufbau: Matrix Core X Systembuild Control Design Module System Identification Module Digital Signal Processing Robust Control Module Model Reduction Module Optimization Module Fuzzy Control Matrix Core X Codegeneration: C ADA FORTRAN Testhardware (AC-100)

10 Matrix X Der Matrix Core (Grundpaket): X Kommandozeilen-Interpreter Matrizendarstellung und -berechnung komplexe Zahlen Strukturierte Programmiersprache Graphische Darstellung mathematische Grundfunktionen (sin, cos,...) Control Design Module: Differentialgleichungen Übertragungsfunktionen Pol/Nullstellendarstellung Zustandsdarstellung Reglerentwurf nach Frequenzkennlinien Wurzelortskurve Zustandsregler

11 Matrix X Systembuild: Menüorientiert Mauseingabe Graphische Eingabe von Strukturbildern Hierarchische Modellstrukturierung ( Superblocks) Definition eigener Superblocks

12 Matrix X Prototyping: Entwurf und Simulation Code-Generierung Test und Nachparametrierung (Validierung) Hardware-in-the-Loop

13 Matrix X Beispiel eines Systembuild:

14 Matrix X Beispiel: Lissajous-Figuren t = [0:pi/200:pi]'; x1 = SIN(8*t); y1 = SIN(10*t); plot(x1, y1)