Systems Engineering Mechatronik

bezieht sich auf die Anzahl und Art der Beziehungen
zwischen den Elementen in einem System, also auf die inneren Strukturen

 größere Komplexität durch:

• Heterogenität
• mehrere zu berücksichtigende physikalische Prinzipien, Werkstoffe und Technologien

Mögliches Problem:

• Schwierigkeit bei der frühzeitigen Fokussierung auf einen der Aufgabenstellung angepassten, vollständig bearbeitbaren Lösungsraum

 Mögliche Maßnahmen:

• Präzisierung der Aufgabenstellung
• eine differenzierte Berücksichtigung der Anforderungen in allen Phasen des Entwicklungsprozesses
• die Verwendung von Funktions-Struktur-Speichern, um das Auffinden erster Funktionsstrukturen zu erleichtern

Interdisziplinarität

• mehrere Wissensdomänen, hauptsächlich  Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik

Probleme der Interdisziplinarität

• Beteiligende Domänen verfügen über eigene  Begriffswelten, Erfahrungen und über Jahrzehnte gewachsene Methoden und Beschreibungsmittel
• häufig von einer Wissensdomäne meist der mechanischen dominiert,  die mechanische Grundstruktur stellte die Basis dar, Elektrotechnik und
  Informationsverarbeitung wurden später ergänzt

sequentielles Vorgehen --> welches langwierige Iterationen mit kosten- und zeitintensiven Entwicklungsprozessen mit sich bringt; „Throw-it-over-the- wall“-Mentalität

Maßnahmen:

• Concurrent Engineering
• domänenübergreifend Vorgehensweisen und Beschreibungsmittel
• verteilte Entwicklung

Mögliche Probleme:

• Wechselwirkungen und steigende Komplexität durch Kopplung zuvor unabhängiger Teilsysteme
• Neben dem Verhalten der Teilsysteme auch Berücksichtigung des Einflusses der Teilsysteme untereinander
• Systemelemente lassen sich oft nicht einer Wissensdisziplin zuordnen; Funktionen
  mindestens zweier Disziplinen und Schnittstellen zwischen den beteiligten Teilsystemen

Mögliche Maßnahmen:

• Erweiterung des Digital Mock-Up (3D-Gestaltmodelle und Produktstruktur) durch zusätzliche Aspekte wie Kinematik, Dynamik, Festigkeit
• Functional Mock-Up (FMU)
• die relevanten IT-Werkzeuge zu einer Entwicklungsumgebung zusammenzuführen und das Zusammenspiel der Werkzeuge modell-, system-, prozess- und verfahrenstechnisch unterstützen

INCOSE (International Council on Systems Engineering):

• A system is a construct or collection of different elements that together produce results not obtainable by the elements alone.

Definiton:

• Ein System besteht aus einzelnen Elementen, die in Beziehung zueinander stehen
• Elemente werden im Sinne des Systems als Einheit gesehen und können von ihrer
  Umwelt abgegrenzt werden
• Ein System interagiert mit der Umwelt

zielgerichtete, interdisziplinäre Zusammen- und Parallelarbeit in der gesamten Produkt-, Produktions- und Vertriebsentwicklung für den vollständigen PLZ mit einem straffen Management

Voraussetzung:

• die Arbeiten in den Prozessen sind geeignet koordiniert
• die Arbeitsergebnisse sind domänenübergreifend verfügbar
• die Vorgaben des Projektmanagements (Projektpläne und Abgabetermine) sind berücksichtigt

• Aufteilung in Systemelemente
• Betrachtung der Abhängigkeiten zwischen den Elementen
• Strukturierung durch Abstufung der Elemente

• ist ein interdisziplinärer Ansatz mit dem Ziel erfolgreich (komplexe) Systeme zu realisieren
• konzentriert sich auf:

1. Definition und Dokumentation der Systemanforderungen (frühe Phase)
2. Erarbeitung eines Systemdesigns
3. Überprüfung des Systems auf Einhaltung der Anforderungen unter Berücksichtigung des Gesamtproblems:
   • Betrieb, Zeit, Test, Erstellung, Kosten & Planung, Training & Support und Entsorgung

• Anforderungsanalyse, Anforderungsdefinition und Anforderungsmanagement
• Systemdesign (Modellbildung, Simulation und Bewertung)
• Funktionsdesign
• Systemintegration
• Verifikation und Validation und
• Risikomanagement

• System-Engineering-Prozess ist nicht sequentiell
• Funktionen werden parallel und iterativ ausgeführt  

Der SIMILAR-Prozess beinhaltet in der Regel die folgenden sieben Aufgaben:
 

1. Anforderungsmodell erstellen (State the Problem)
2. Alternative Lösungen prüfen (Investigate alternatives)
3. Systemdesignmodell erstellen (Model system)
4. System einbetten (Integrate)
5. System implementieren (Launch the system)
6. Technische Messwerte prüfen (Assess performance)
7. Projektergebnisse prüfen (Re-evaluate)

Vorgehensweise zum Entwickeln mechatronischer Produkte besteht
aus drei folgenden Elementen:
 
1. Ganzheitliches Vorgehensmodell des (Smart) Systems Engineering

• Ausdehnen der Virtuellen Produktentstehung auf die neutralen und Disziplinen übergreifenden Systementwicklungsphasen
• Zusammenhang zwischen den Ausgestaltungsphasen der Produktgewerke (Baugruppen, Softwaremodule, Elektronikmodule) mithilfe durchgängiger modellbasierter Lösungen in den Systementwurfs- und Systemabsicherungsphasen

2. Problemlösungszyklus als Mikrozyklus

• Wechselspiel von Analyse und Synthese, um von einem SOLL- Zustand in einen IST-Zustand zu überführen

3. Systembeschreibungssprache

• Beschreiben des gesamten Systems mithilfe einer Beschreibungssprache, die domänenübergreifend verständlich ist (z.B. SysML)

• Eine Anforderung wird durch eine oder mehrere Eigenschaften oder
  Verhaltensweisen eines Systems beschrieben, die stets erfüllt werden
  müssen
   
• Es zeigt Anforderungen und deren Beziehungen zu anderen Modellelementen
   
• Das Ziel ist, dass die Nachvollziehbarkeit (traceability) von Anforderungen bezüglich der Analyse der Architektur oder des Designs sehr leicht dargestellt werden kann
   
• In einem Blockdefinitionsdiagramm können Anforderungen mit anderen
  Elementen durch die Verbindung „satisfy“ oder „trace“ in Beziehung gesetzt werden

• Systembausteine beschreiben Teile einer Struktur  eines Systems
• Attribut definiert eine Struktureigenschaft
• Operation definiert eine Verhaltenseigenschaft eines Systembausteins

Bestandteile sind Parts, Ports und Konnektoren:

• Parts sind die Bestandteile eine Blocks
• Port definiert einen Interaktionspunkt
• Konnektoren spezifizieren eine Beziehung zwischen zwei Parts, die es ihnen ermöglicht, miteinander zu kommunizieren

sind eine Spezialisierung des Internen Blockdiagramms:

• beschreiben die Beziehungen zwischen verschiedenen Eigenschaften von Blöcken und werden benötigt , wenn ein Wert aus Attributen verschiedener Blöcke berechnet werden soll
• Formel wird im Abschnitt „constraints“ und die Parameter im Abschnitt „parameters“ definiert
• Notation im Parameterdiagramm entspricht den Elementen aus dem internen Blockdiagramm

dienen dazu Abläufe zu modellieren:

•  Abarbeitung eines Use-Cases
• oder einer Operation visualisieren
• oder einen kompletten Geschäftsablauf darstellen

SysML (System Modeling Language)

für Systeme mit Diagrammtypen --> Analyse, Design, Testen

Erweiterung von UML (Unified Modeling Language)

• wird von der OMG (Object Management Group) und der INCOSE (International Council of Systems Engineering) weiterentwickelt und ist eine Erweiterung vom UML (Unified
  Modeling Language)

AP233

• ist ein Standard für den Austausch von Systems-Engineering-Daten  

STEP

• steht für “Standard for the Exchange of Product model data“ und beschreibt eine Reihe von ISO Standards
• Es beinhaltet verschiedene Anwendungsprotokolle (Application Protocol, AP) zur Beschreibung von Produktdaten unter einem spezifischen Aspekt
• Im Falle des Systems Engineering zur Beschreibung von im SE Prozess anfallenden Daten STEP AP 233:
  • Anforderungen
  • Funktionale und strukturelle Daten
  • Physikalische Strukturen
  • Konfigurationsdaten
  • Projekt- und Datenmanagementdaten
     

• direkte Verbindung zw. Systemelementen --> Koordination im Prozess
• Verknüpfung durch Metamodell/Systemmodell
• Verknüpfung von Ergebnissen --> Smart Hybrid Prototyping

• Sensoren wandeln die zu messenden physikalischen oder chemischen Größen in elektrische Signale um
• Ein Signal stellt in diesem Sinne eine zeitvariable physikalische oder
  chemische Zustandsgröße (z. B. Druck, Temperatur, Kraft usw.) als zeitliche Abfolge von Messwerten dar
• Funktional besteht ein Sensor aus:
  • einem Sensorelement, das die Messgröße in ein elektrisches Signal umwandelt
  • einer Signalverarbeitung, die ein genormtes elektrisches Ausgangssignal liefert

Sensorik/Messgrößen

• Angesaugter Luftmassenstrom
• Winkel/Drehlzahlgeber von Kurbel- und Nockenwelle
• Winkelgeber der Drosselklappe
• Barometrischer Umgebungs-Luftdruck
• Lambdasonde
• Kraftstoffdrucksignal
• Temperatur der Motorkühlflüssigkeit
• Temperatur der angesaugten Luft
• Klopfsensor  

• Aktor = Zusammenschaltung eines Energiewandlers mit einem Leistungsstellglied
• Leistungsstellglied verbindet die eingehende Energie mit dem Stellsignal
  →  Es entsteht eine modulierte Energie, die vom Wandler in die Energieart der Stellgröße transformiert wird
• Aktoren = Bindeglied zwischen der Informationsverarbeitung und dem mechanischen Grundsystem
• Einsatzgebiete von Aktoren liegen in allen Bereichen unserer Umwelt, wie
  • z.B. in CD-Playern, Waschmaschinen, Heizungen, Klimaanlagen, Maschinen
• Sie dienen dem zielgerichteten Ausführen von Bewegungen und Aufbringen von Kräften

• Zündkerze: Zündzeitpunkt und Zündenergie
• Einspritzpumpe und -ventil: Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge
• Drosselklappenstellung (elektronisches Gaspedal)
• Ladungsbewegungsklappen  
• Nockenwellenverstellung
• Abgasrückführventil
• Tankentlüftungsventil
• Kompressoransteuerung
• Verstellbarer VTG Turbolader

Steuerung (open loop control):

wirkt auf das Eingangssignal und beeinflusst das Ausgangssignal:

• Offene Wirkungskette
• Keine Rückkopplung
• Nicht robust

Regelung (closed loop control):

ein Vorgang, bei dem fortlaufend die Regelgröße erfasst und mit der
Führungsgröße verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird:

• Geschlossener Wirkungskreis
• Rückkopplung
• Soll/Istwert-Vergleich
• Robust