Entwurf mechatronischer Systeme

• ... ist Folge von Entwurfsschritten
• ... ist eine abstrakte Definition von Aktivitäten
• Ein Entwurfsschritt beinhaltet folgende, zu beachtende Eigenschaften und Aspekte:
  • Personen
  • Methoden
  • Eingabedaten
  • Teilaufgabe
  • Ergebnisse

• Analyse
• Design
• Implementierung
• Applikation
• Test

Wasserfallmodell

V- Modell

Spiralmodell

• Ein Prozessmodell definiert den organisatorischen Rahmen für komplexe Entwurfsprozesse
• Festlegungen:
  • zu durchlaufende Prozessschritte
  • dabei durchgeführte Aktivitäten
  • Definition von Teilprodukten und  Abnahmekriterien
  • Anzuwendende Standards in der Entwicklung
  • Richtlinien
  • Rollenmodelle ( Aufgaben die von Mitarbeitern erfüllt werden müssen)
  • Einzusetzende Methoden und Werkzeuge

Analyse                

Spezifikation

Design

Implementierung

Komponententest

Modultest

Systemtest

Abnahmetest

in Richtung des roten Pfeiles sind steigende Kosten zu erwarten

... ist eine Bedingung oder Eigenschaft, die ein System oder eine Person benötigt, um ein Problem zu lösen oder ein Ziel zu erreichen

...ist eine Bedingung oder Eigenschaft, die ein System oder eine Systemkomponente aufweisen muss, um einen Vertrag zu erfüllen oder einem Standard, einer Spezifikation oder einem anderen formell auferlegten Dokumente zu genügen.

...ist eine dokumentierte Repräsentation einer Bedingung oder Eigenschaft wie oben definiert.

funktionale Anforderungen

nichtfunktionale Anforderungen

• unterspezifiziert funktional
• Qualitätsanforderungen
  • technische
  • Benutzerschnitstelle
  • Dienstqualität
  • Lieferbestandteile
• Rahmenbedingungen

... definiert eine vom System bzw. von einer Systemkomponente bereitzustellende Funktion oder einen bereitzustellenden Service. Als Benutzeranforderung kann eine funktionale Anforderung kann sehr allgemein beschrieben sein. Als Bestandteil einer Spezifikation beschreibt eine funktionale Anforderung detailliert Eingaben und Ausgaben sowie bekannte Ausnahmen.

Bsp.: funktionale Anforderung an das Gebäudesicherheitssystem
Stellt ein Glasbruchsensor fest, dass eine Glasscheibe beschädigt wurde, muss das System den Sicherheitsdienst benachrichtigen.

Korrektheit

Die Anforderung muss dem Wunsch des Kunden richtig abbilden.

Eindeutigkeit

Die Anforderung darf nur auf eine Weise interpretierbar sein.

Vollzähligkeit

Die Anforderung beschreibt die Funktionalität umfassend.

Prüfbarkeit

Die Anforderung muss so beschrieben sein, dass sie testbar ist.

Bewertbarkeit

Die Anforderung muss hinsichtlich der Priorität einordbar sein.

Nicht alle Anforderungen sind gleich wichtig:

1. MUSS -> unverzichtbar
2. SOLL -> wichtig, aber bei zu hohen Kosten verzichtbar
3. Wunsch- Anforderung -> schön zu haben, aber nicht essentiell

Modifizierbarkeit

Die Anforderung muss so formuliert sein, dass Lücken und Risiken erkennbar sind und notwendige Änderungen eingebracht werden können.

Verfolgbarkeit

Die Anforderung muss eindeutig identifizierbar sein und Informationen zu Autor, Version usw. enthalten.

Konsistenz

Die Anforderung ist hinsichtlich Inhalt und Beschreibung gleich zu allen anderen Anforerungen.
 

Nichtfunktionale Anforderungen (NFA) sind Qualitätseigenschaften und Einschränkungen eines Produktes. Nichtfunktionale Anforderungen beschreiben Bedingungen, die an die Dienste und Leistungen des Systems oder der Systemerstellung gestellt werden.

Eine systematische Struktur von nichtfunktionalen Anforderungen liefert der ISO-Standard 9126.

NFA lassen sich in unterspezifizierte funktionale und Qualitätsanforderungen trennen. Die meisten der sogenannten nichtfunktionalen Anforderungen verbergen unzureichend verstandene und unzureichend spezifizierte funktionale Anforderungen.

•Schwer zu spezifizieren und zu testen
•Nur auf Komponentenebene validierbar, während Fehler aus dem Zusammenwirken von Komponenten resultieren
•Aufwendige Realisierungen im System
•Starke Wechselwirkungen mit der Architektur und den umgebenden Systemen und Menschen
•Abhängigkeiten untereinander und zu funktionalen Anforderungen
•Schwierige und häufig unzureichende Diagnose und Fehlermanagement

Beispiel: Überprüfbarkeit (Messbarkeit) von (NFA) Anforderungen
keine überprüfbare Anforderung
R1: Das System soll schnell auf Benutzereingaben reagieren.
überprüfbare Anforderung
R1: Die Reaktionszeit des Systems auf Benutzereingaben soll unter 1 Sekunde liegen.

Eine Qualitätsanforderung definiert eine qualitative Eigenschaft des gesamten Systems, einer Systemkomponente oder einer Funktion.

• Technische Anforderungen (z.B. Vorgaben an Hardware, Schnittstellen oder Systemarchitektur)
• Anforderungen an die Benutzerschnittstelle (z.B. Vorgaben an Benutzeroberfläche, Ergonomie)
• Anforderungen an die Dienstqualität (z.B. Antwortzeitverhalten, Zuverlässigkeit, Änderbarkeit)
• Anforderungen an Lieferbestandteile (z.B. Betriebshandbuch, Produktschulungen)
• Anforderung an die Durchführung der Entwicklung (z.B. Vorgehensmodell, zur erstellende (Zwischen)-Ergebnisse, vorgeschriebene Werkzeuge, anzuwendende Standards)
• Rechtlich-vertragliche Anforderungen (z.B. Zahlungsmodalitäten, Umgang mit Änderung der Anforderungen)

Eine Rahmenbedingung ist eine organisatorische oder technologische Anforderung, die die Art und Weise einschränkt, wie ein Produkt entwickelt wird.

Anforderungen spezifizieren

• gewinnen
• analysieren und dokumentieren
• prüfen

Anforerungen verwalten

• freigeben
• ändern
• verfolgen

texteull ( Sätze mit Anforderungen)

graphisch (Schaltplan)

formell (Formeln, Zahlen -> eindeutig überall lesbar)

1. Problemdefinition
2. Anforderungsanalyse/ Spezifikation
3. Systemanalsyse
4. Modellerstellung
5. Modellierung / Simulation

Gerichtet kausal

• Modell hat klare Ein- und Ausgänge mit gerichtetem Informationsfluss
• Modellverhalten oft als Übertragungsfunktion realisiert

Ungerichtet akausal

• Modell hat physikalische Schnittstellen ohne Wirkrichtung
• Wird üblicherweise durch Fluss- und Potentialgrößen charakterisiert (z.B.: Strom und Spannung, Druck und Volumenstrom, Kraft und Geschwindigkeit, Moment und Drehzahl, ...)
• Modellverhalten wird oft direkt mittels Differentialgleichung beschrieben

• Weg zum Modell
  • Modellierungsobjekt
    • ist das zu Untersuchende Systemmit entsprechenden Schnittstellen zu seiner Umgebung
  • Modellierungsapekt
    • beschreibt unter welchen Gesichtspunkt die Abbildung erfolgt
    • Architektur- / Strukturmodelle
    • Verhaltens- / Funktionsmodelle
    • Objektmodelle
    • Prozessmodelle
  • Aussagegüte (qualitativ, quantitativ)
    • Qualitatives Modell
      • Wertefreie/-arme Modelle
      • Aussage allgemeinen Charakter
      • Einsatz in frühen Entwurfsphasen
      • Anwendungsfall beispielsweise Diskussionsgrundlagen
    • Quantitatives Modell
      • Wertebehaftete Modelle
      • Im Vergleich höherer Detaillierungsgrad
      • Es können quantitative Aussagen getroffen werden
      • Dimensionierung eines Systems mit konkreten Werten
  • Wissensstand / Abstraktionsgrad ( White- /Grey- / Blackbox)
  • Modellbildung / .gewinnung ( theoretisch, phänomenologisch, experimentell, kombiniert)
• Anwendungsgebiet
  • Modellverhalten ( Deterministisch, Stochastisch)
  • Domäne ( Mechanik (Starrkörper, Elastizitätstheorie, Mehrkörpersimulation, Kontinuumsmechanik) Elektrotechnik, multiphysikalisch)
• Raum / Zeit
  • Örtliche Auflösung (konzentriert, verteilt 1-D, 2-D, 3-D)
  • Zeitliche Auflösung (Momentan- und Mittelwertmodell)
  • Zeitliche Abtastung (zeitdiskret, zeitkontinuierlich, ereignisdiskret)
  • Zeitliche Detaillierung ((quasi)statisch / dynamisch)
• Umsetzung
  • Modularität (monolithisch, modular, objektorientiert, Vererbung, Klassen,…)
  • Modellierungsparadigma (gerichtet kausal vs. ungerichtet akausal)
  • Modellierungsart (skriptbasiert, graphisch, hybrid)
  • Modellumsetzung und Notation (DGL, Zustandsautomat, Petrinetz, Künstliche Neuronale Netze, Bool‘sche Logik)

Aufgaben: Wandlung einer Prozessgröße X in eine Messgröße Y

Prozessgröße X:

• Physikalische Größe in einem mechatronischen System
• meist nicht in elektrischer Form

Messgröße Y:

• Messbare Größe, welche in einem bekannten Verhältnis zu Prozessgröße steht
• meist elektrisch

Störgröße Z:

• Einflüsse, die den Sensor stören und dessen Genauigkeit beeinflussen
• z.B.: Temperatur, Hilfsenergie, EMV, ...

siehe Bild

Prozessgrößen

• mechanisch (Induktion, Piezoeffekt)
• Elektrisch (Ohmsches Gesetz)
• Magnetische (Hall-Effekt)
• Thermisch (Seebeck- Effekt)
• Optisch ( Fotoelek. Effekt)

Wandlung in

Elektrische Messgröße

• Elektrisch ( Spannung, Strom, Zeitverlauf, Spannungsimpulse, ...)

siehe Bild

Steigungsfehler

Nullpunktfehler

Linearitätsfehler

Hysteresefehler

Bereichsfehler

Auflösungsfehler ((mit A/D- Wandlung)

Geeignete Sensorauswahl / AD-Umsetzer Auswahl

• Auswahl eines Sensors dessen Parameter zum Einsatzzweck (siehe Anforderungsdefinition) passen
• Technisch angepasste Sensoren verwenden (z. B. induktive Drehzahlsensoren statt optischer in rauhen Industrieumgebungen)

Aufbereitung der Messgrößen

• Signalvorverarbeitung verwenden, welche angemessen ist für die Aufgabe

Eliminierung von Störeinflüssen

• Positionierung des Sensors (z. B. möglichst weit von Störquellen entfernt)

Kalibrierung eines Sensors an Hand bekannter Ein-/Ausgabegrößen

• Vermessung des Sensors (bzw. eines Referenzsensors)
• Ermittlung von Korrekturwerten
• Anwendung der Korrekturwerte auf die Messungen (digitale Nachberarbeitung)

Angepasste Erwartungshaltung

• Fehler tolerieren, wenn die Systemaufgabe weiterhin erfüllt wird
• Prinzip: „So genau wie nötig, statt so genau wie möglich“ -> Gesamtsystem betrachten

-> liefert für den gesamten Wandlungszeitraum ein konstantes Signal

oder

Analoge Zwischenspeicherung:

• Erfassung (Abtasten) einer analogen Eingangsspannung zu einem Zeitpunkt
• konstante Bereitstellung (Halten) des Signals am Ausgang zur der Haltezeit

siehe Bild

• Wandlung von Stellinformation tragenden Signalen in leistungsbehaftete Signale einer entsprechenden Energieform (mechanisch, elektrisch, fluidisch).
• Aktoren bilden die Schnittstelle zwischen Signalverarbeitung (Reglerausgangsgröße) und Prozess (Regelstrecke)
• Aktoren stellen Energieflüsse oder Massen-/Volumenströme
• Aktoren liefern am Ausgang eine Energie oder Leistung

Ein Pulsweitenmoduliertes Signal ist ein Signal, welches zyklisch zwischen den Logikpegeln „High“ und „Low“ wechselt.

• Puls-Weiten-Modulierte Signale werden zur Ansteuerung von elektromagnetischen Stellgliedern genutzt. Z.B.
  • Motoren
  • Helligkeit LED
  • Sitz-, Scheiben-, Lenkradheizung
  • Abgasrückführventil (AGR)
  • Ladedrucksteller

-> Tiefpassverhalten in der Strecke wirkt wie kontinuierliches Signal!

• Erzeugung der Ausgangsspannung über gepulst betriebene Transistorsteller -> hoher Wirkungsgrad
• Entweder konstante Pulsfrequenz oder konstante Einschaltzeit
• Einschaltzeit: Strom IA durch den Anker des anzusteuernden Motors
• Ausschaltzeit: Freilaufstrom IF durch Motorwicklung und Freilaufdiode getrieben durch Induktivität der Ankerwicklung (bei hohen Pulsfrequenzen (>1kHz) Ankerinduktivität zur Stromglättung ausreichend)
• Volles Drehmoment über gesamte Periodendauer, da immer ein Strom fließt

... ist die Zuordnung einer oder mehrer Funktionen auf die Hardwarekomponenten

• Art der Verbindung (Topologie),
• den Regeln (Protokoll),
• Spezifikation der physikalischen Realisierung der Kommunikation mehrerer Teilnehmer, als ein System digitaler Signalübertragung.

... beschreibt ein vollständiges uns eindeutiges Regelwerk für die Kommunikation von mindestens zwei Teilnehmern.

... ist die Zerlegung einer Funktion oder eines Systems in Teilfunktionen bzw. Teilsysteme / Subsysteme.

Ein mit Signalen / Daten befüllter Nachrichtenrahmen heißt Nachricht / Botschaft.

Aufbau: siehe Bild

Die K- Matrix stellt den Zusammenhang zwischen Signalen, Nachrichten auf dem CAN- Bus und den Steuergeräten her.

Entsprechend der zugrunde liegenden funktionellen Topologie wird hier den Signalen ihre Bedeutung zugeordnet. Die Signale entsprechen dabei den Kanten des Funktionsgraphen. Darüber hinaus werden technologische Daten (Wiederholzeit, Übertragungsart) für jedes Signal/Nachricht definiert.

Die K-Matrix wird manuell erstellt und ist wichtige Grundlage im Entwicklungsprozess des verteilten Steuergerätenetzwerkes in Kraftfahrzeugen.

• Echtzeitverhalten -> zeitverhalten der Regelstrecke
• zeitdiskrete Systeme -> Abtastbedingung -> Zeitauflösung
• Latenzzeit -> Zeitraum zwischen Ereignis und sichtbarer Reaktion
• End-to-End- Timing -> Verzögerung zwischen Änderung der Messgröße und der entsprechenden Stellgröße -> Berücksichtigung aller Verzögerungen
• Sychronisation -> werden parallel erfassten Signale mit gleichem Zeitbezug verarbeitet
• Probleme bei Zustandsübergängen in System of Sytems