Methodik der Modellbasierten Systementwicklung

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1 Methodik der Modellbasierten Systementwicklung Donnerstag, Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Panreck

2 Institutsmitglieder Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Panreck Mess- und Regelungstechnik seit 2011 Prof. Dr.-Ing. Dirk Weidemann Regelungstechnik und Prozessautomatisierung seit 2009 Prof. Dr.-Ing. Heinrich Kühlert Mechatronik, Technische Mechanik und Dynamik seit 1998 Prof. Dr.-Ing. Sebastian Hoffmann Elektrotechnik und Automatisierungstechnik seit 2011 Prof. Dr.-Ing. Joachim Waßmuth Elektrotechnische Gebiete der Mechatronik seit 2009 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann Mehrkörpersimulation (MKS) und Finite-Elemente-Methoden (FEM) seit 2009 Prof. Dr. rer. nat. Axel Schneider Ingenieurinformatik seit / 20 Klaus Panreck

3 1. Einführung Aufbau eines mechatronischen Systems Hardware-basiert (z.b. FPGA) Schnittstellen-Elektronik Funktionalität Informationsverarbeitung z.b. Regelgerät Software-basiert (Programm auf C) Schnittstellen-Elektronik Hilfsenergie Aktuatoren Elektrik Elektronik Sensoren Umgebung Umgebung physikalisches Grundsystem Umgebung Optik Mechanik Akustik Magnetik Elektrik Thermik Hydraulik Pneumatik 3 / 20 Klaus Panreck

4 1. Einführung Vorgehen in Anlehnung an die VDI 2206 Aufgabenstellung präzisieren Anforderungen V-Modell unterschiedliche Produktstadien Produkt Eigenschaftsabsicherung Konzeptentwurf Systemintegration Erarbeitung eines domänenübergreifenden Lösungskonzeptes Domänenspez. Entwurf Maschinenbau Elektrotechnik weitere Disziplinen Modellbildung und -analyse schrittw. Zusammensetzen der Komponenten (virtuell u./o. real) Detailberechnungen und -auslegungen 4 / 20 Klaus Panreck

5 2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes Regeln (z.b. der Drehzahl eines Antriebs) Anforderungen Wichtig: Von klassischen Realisierungskonzepten lösen! UND: In Funktionen denken! Konzeptentwurf Dom Mode 5 / 20 Klaus Panreck

6 2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes Zerlegen Regeln (z.b. der Drehzahl eines Antriebs) Anforderungen Vergleichen Verstärken Bewegen Funktionsstruktur Messen Konzeptentwurf Strukturierung: In welche Teilfunktionen lässt sich die Gesamtfunktion (hierarchisch) zerlegen? UND Welche Beziehungen bestehen unter ihnen? Dom Mode 6 / 20 Klaus Panreck

7 2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes Zerlegen Regeln (z.b. der Drehzahl eines Antriebs) Domäne y Anforderungen Vergleichen Verstärken Bewegen Domäne x Funktionsstruktur Messen Konzeptentwurf Partitionierung: Welche Funktion wird in welcher Fachdisziplin realisiert? Dom Umsetzung: Wie werden die Funktionen realisiert? Nutzung morphologischer Kästen! => Meist mehrere Realisierungsvarianten, da verschiedene Kombinationen denkbar! Mode 7 / 20 Klaus Panreck

8 2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes Zunächst: Konzentration auf das phys. Grund-System Vielleicht 5 bis 6 Aufbauvarianten Anforderungen Antrieb 1 Antrieb 2 Antrieb 3 Antrieb 4 Antrieb 5 Modellierung und Simulation der physikalischen Aufbauvarianten (jede für sich allein!) Konzeptentwurf Bewertung Dom Antrieb 2 Antrieb 5 Mode Ziel: Reduktion der Variantenvielfalt auf 2 bis 3 8 / 20 Klaus Panreck

9 2. Ermittlung eines domänenübergreifenden Systemkonzeptes Verbliebene Variantenmodelle um die informationsverarbeitenden Modelle ergänzen! Anforderungen IT IT Regler 1 Antrieb 2 Regler 2 Antrieb 5 MiL-Simulation des jeweiligen Gesamtsystems (Stufe 1) Konzeptentwurf Ziel: Model-in-the-Loop-Simulation IT-System wird als Modell zusammen mit einem Modell des phys. Grundsystems simuliert. Auswahl der am besten geeigneten Aufbauvariante bzw. des besten Gesamtkonzeptes Dom Mode 9 / 20 Klaus Panreck

10 3. Domänenspezifischer Entwurf Verfeinerung des Entwurfs in den jeweiligen Fachdisziplinen (zunächst wieder für das physikalische Grundsystem) Domänenspez. Entwurf Maschinenbau Elektrotechnik weitere phys. Disziplinen Modellbildung und -analyse Einsatz von Spezialsimulatoren Elektrotechnik (Schaltkreis-Simulatoren) Mechanik (Mehrkörper-Simulatoren) Hydraulik Verwendung sehr detaillierter Modelle Ziele: - Optimierung der Konstruktion und des Verhaltens - Untersuchung/Berücksichtigung von Nebeneffekten etc. 10 / 20 Klaus Panreck

11 4. (Virtuelle) Systemintegration wurf Systemintegration Produkt virtueller Prototyp (Systemsimulation) Elektronik Mechanik IT Hauptaufgabe: Zusammenführen heterogener Teilmodelle Die Systemintegration erfolgt immer häufiger zunächst modellbasiert. Die benötigten Systemmodelle werden aus den Detailmodellen des domänenspezifischen Entwurfs abgeleitet.?? lyse Vorteile: frühzeitige Systemtests weniger reale Prototypen => effizientere Entwicklung, weniger Kosten 11 / 20 Klaus Panreck

12 4. (Virtuelle) Systemintegration Produkt virtuelle Systembeschreibung Domäne 1 Aggregation erfolgt über mehrere Hierarchieebenen zunehmende Abstraktion Domäne 2 weitere Domänen? Domäne 3 virtuelle Integration wurf lyse Systemintegration Simulatorkopplung Modellkonvertierung objektorientierte Modellierung 12 / 20 Klaus Panreck

13 4. (Virtuelle) Systemintegration Modellkonvertierung G l e i c h s t r o m m o t o r elektrisches Modell EMK-Wandler mechanisches Modell fachdisziplinspezifische Modelle u a i a R a L a M e M L k a M u R u J M d L u e elek. mech. J R ideal d R Konvertierung R a d R M L u R M d Blockschaltbild u a u L L a i a u e k a k a M e M J J R 13 / 20 Klaus Panreck

14 4. (Virtuelle) Systemintegration Effizienteres Vorgehen Antrieb 2 Regler 1 IT Antriebssystem u Physiknaher Entwurf des Antriebes 14 / 20 Klaus Panreck

15 4. (Virtuelle) Systemintegration Effizienteres Vorgehen Antrieb 2 Regler 1 Alle Parameter verfügbar IT Antriebssystem Physiknaher Entwurf des Antriebes Einbetten u Antriebsmodell Antrieb 2 Drehzahl Strom 15 / 20 Klaus Panreck

16 4. (Virtuelle) Systemintegration Effizienteres Vorgehen Antrieb 2 Regler 1 IT Entwurf des Reglers Antriebssystem Physiknaher Entwurf des Antriebes Regler 1 PWM-Steller u Antriebsmodell Antrieb 2 Pulsweite Pulssignal Spgsanpassung Drehzahl Pulsweite Drehzahl Strom Scope n Scope i 16 / 20 Klaus Panreck

17 4. (Virtuelle) Systemintegration Produkt virtuelle Systembeschreibung Domäne 2 Domäne 1 Domäne 3 weitere Domänen? virtuelle Integration MiL-Simulation des Gesamtsystems (Stufe 2) IT Regler 1 Antrieb 2 Ziel: Eigenschaftsabsicherung durch virtuelles Testen wurf lyse Systemintegration Simulatorkopplung Modellkonvertierung objektorientierte Modellierung 17 / 20 Klaus Panreck

18 4. (Virtuelle) Systemintegration Produkt Im weiteren Verlauf der Entwicklung eingesetzte Simulationstechniken Systemintegration MiL (Model-in-the-Loop) RCP (Rapid Control Prototyping) SiL (Software-in-the-Loop) übliche Verwendungsreihenfolge wurf lyse PiL (Processor-in-the-Loop) HiL (Hardware-in-the-Loop) Modellbasierte Funktionsentwicklung Ziel: Detailentwurf des IT-Systems (Regelung/Steuerung) 18 / 20 Klaus Panreck

19 5. Zusammenfassung Allgemein Heute lassen sich viele Vorgänge / Effekte simulationsgestützt untersuchen. => Beantwortung funktionsorientierter Fragestellungen => Untersuchung ungewollter Wechselwirkungen Aufwand / Nutzen Methodik benötigt zunächst mehr Zeit und verursacht zusätzliche Kosten Bezogen auf den gesamten Entwicklungsprozess ermöglicht sie jedoch zeit- 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) 19 / 20 Klaus Panreck

20 5. Zusammenfassung Modellbildung und Simulation ist heute in allen Entwurfsphasen von Bedeutung. Frühe Entwurfsphase: Entscheidungsunterstützung bei der Findung eines multidiszipl. Systemkonzeptes Späte Entwurfsphase: Aufbau virtueller Prototypen im Rahmen der Systemintegration Aber: Die Modellbildung und Simulation ist kein Allheilmittel! Was bereitet Probleme? Nicht verstandene Vorgänge sind nicht modellierbar. An die Zahlenwerte der Modellparameter zu kommen. Modelle im zulässigen Gültigkeitsbereich zu simulieren. 20 / 20 Klaus Panreck