Generierung vereinfachter Modelle mechatronischer Systeme auf Basis symbolischer Gleichungen

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Für die Entwicklung, Regelung und Optimierung technischer Systeme stellt die modellbasierte Simulation ein wichtiges Hilfsmittel dar. Dabei sind in vielen Anwendungen niedrige Simulationszeiten essentiell. Eine Simulation besteht zum einen aus dem Modell des technischen Systems und zum anderen aus einem numerischen Lösungsverfahren. Für eine effiziente Simulation sollte das verwendete Modell so einfach wie möglich sein, um den interessierenden physikalischen Effekt noch abbilden zu können, jedoch nicht einfacher. Die Modellbildung technischer Systeme geschieht häufig in objektorientierten Simulationsumgebungen. Diese erlauben eine komfortable Modellierung per drag & drop mit Hilfe grafischer Benutzeroberflächen. Außerdem ist die Modellbildung weniger fehleranfällig, da die meisten Komponenten vorgefertigten Standard-Bibliotheken entnommen werden können. Darüber hinaus sind die generierten Modelle leicht wiederverwendbar. Diese Vorteile führen insbesondere dazu, dass die Erstellung komplexer Modelle technischer Systeme in objektorientierten Simulationsumgebungen in einfacher Art und Weise geschehen kann. In der Regel werden von einem technischen System während des Entwicklungsprozesses mehrere Modelle benötigt. Die einfache Verfügbarkeit komplexer Modelle legt es nahe, die Modellbildung lediglich für das komplexeste Modell zu betreiben und alle weiteren Modelle durch Modellreduktion aus diesem zu generieren. In dieser Arbeit wird ein geeignetes Modellreduktionsverfahren entwickelt und in eine objektorientierte Simulationsumgebung integriert. Das verwendete Modellreduktionsverfahren basiert darauf, ausgehend von einem vorgegebenen Szenario den Einfluss der in den Modellgleichungen enthaltenen mathematischen Terme zu schätzen. Anhand ihres geschätzten Einflusses auf das Simulationsergebnis werden die Terme anschließend sortiert und manipuliert (beispielsweise linearisiert oder vernachlässigt). Da die Schätzung des Einflusses szenariobasiert ist, hängt die Güte des Modells in einer Simulation von der Ähnlichkeit des Reduktionsszenarios zum Simulationsszenario ab. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze vorgestellt, um den Gültigkeitsbereich der reduzierten Modelle zu vergrößern. Darüber hinaus wird ein neues, äußerst effizientes Verfahren zur Schätzung des Einflusses der Terme präsentiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt weiterhin auf der Generierung von Modellen für die Echtzeitsimulation. Für die Echtzeitsimulation muss jeder Integrationsschritt innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne berechnet werden können. Die zur Verfügung stehende Rechenleistung hängt dabei zum einen von der Zielhardware und zum anderen von dem gewünschten Takt ab. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, um ausgehend von einem komplexen Modell ein vereinfachtes Modell zu generieren, welches (falls überhaupt möglich) in Echtzeit auf der Zielhardware in dem gewünschten Echtzeittakt simuliert werden kann. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird anhand bekannter Modelle aus der Fahrdynamik eindrucksvoll gezeigt. Darüber hinaus wurde im Rahmen der Arbeit ein komplexes Modell einer Baumaschine generiert und anschließend für Echtzeitsimulationen reduziert. Außerdem dient das Modellreduktionsverfahren als Basis für einen Ansatz zur Erstellung generischer Modelle.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Mechatronik und Systemdynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Modellbildung, Simulation
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Schramm, Dieter [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Knoop, Hans-Bernd [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
18.01.2012
Promotionsantrag am:
22.07.2011
Dateien geändert am:
06.09.2012
Medientyp:
Text