Modellierung und Entwurf heterogener Systeme:
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1997
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| Beschreibung: | Paderborn, Univ. Gesamthochsch., Diss., 1997 |
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| adam_text | Titel: Modellierung und Entwurf heterogener Systeme
Autor: Brielmann, Maria
Jahr: 1997
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 7
3 Heterogene Systeme 13
3.1 Physikalischer Teil des heterogenen Systems 14
3.1.1 Beschreibung durch Differentialgleichungen höherer Ordnung . . 15
3.1.2 Beschreibung durch Differentialgleichungen in Zustandsdarstellung 17
3.1.2.1 Lösung der Zustandsgieichung 20
3.1.2.2 Einige Systemeigenschaften 21
3.1.2.3 Reglersynthese auf Basis der Zustandsdarstellung ... 22
3.1.3 Diskretisierung der Differentialgleichung 22
3.1.3.1 Diskretisierung von Differentialgleichungen höherer Ord¬
nung 24
3.1.3.2 Diskretisierung der Zustandsdarstellung mit Hilfe der
Fundamentalmatrix 26
3.1.3.3 Diskretisierung der Zustandsdarstellung mittels Diskre-
tisierungsverfahren 28
3.2 Aperiodischer reaktiver Teil des heterogenen Systems 31
3.2.1 Softwaresysteme 32
3.2.1.1 Anweisungen und Anweisungsfolgen (Sequenzen) ... 32
3.2.1.2 Alternativen 32
3.2.1.3 Iterationen 33
3.2.1.4 Modularität 33
3.2.1.5 Parallelität und parallele Prozesse 34
3.2.2 Hardwaresysteme 35
3.2.2.1 Systemebene 35
3.2.2.2 Algorithmische Ebene 37
3.2.2.3 Register-Transfer Ebene 37
3.2.2.4 Gatterebene 38
3.2.2.5 Schalterebene und elektrische Ebene 38
3.3 Kommunikation zwischen den Systemteilen 39
i
3.3.1 Kommunikation zwischen verschiedenen aperiodischen reaktiven
Systemen 39
3.3.2 Kommunikation von aperioschen reaktiven Systemen zu Reglern 40
3.3.3 Kommunikation von Reglern zu aperiodischen reaktiven Systemen 41
3.3.4 Kommunikation zwischen verschiedenen Reglern 42
3.3.5 Kommunikation von Reglern zu physikalischen Systemen .... 42
3.3.6 Kommunikation von physikalischen Systemen zu Reglern .... 43
3.3.7 Kommunikation zwischen verschiedenen physikalischen Systemen 45
3.3.8 Kommunikation von physikalischen Systemen zu aperiodischen
reaktiven Systemen 45
3.3.9 Kommunikation von aperiodischen reaktiven Systemen zu phy¬
sikalischen Systemen 46
4 Erweiterte Prädikat /Transitions-Netze als zugrunde liegendes Mo¬
dellierungsparadigma 47
4.1 Petri-Netze 48
4.2 Prädikat/Transitions-Netze 50
4.2.1 Prädikatenlogik 50
4.2.2 Prädikatenlogik als Beschriftung von Prädikat/Transitions-Netzen 51
4.2.3 Hierarchie in erweiterten Prädikat/Transitions-Netzen 53
4.2.4 Zeit in erweiterten Prädikat/Transitions-Netzen 54
4.2.5 Zeit und Hierarchie in erweiterten Prädikat/Transitions-Netzen 59
5 Modellierung heterogener Systeme 63
5.1 Modellierung des physikalischen Systemteils 64
5.1.1 Modellierung auf Basis von Differentialgleichungen höherer Ord¬
nung 64
5.1.1.1 Impulsantwort eines physikalischen Systems 65
5.1.1.2 Konvergenz der Z-Transformation 67
5.1.1.3 Die Z-Transformation zur Berechnung der Impulsant¬
wort h(k) 69
5.1.1.4 Modellierung mit Hilfe der Z-Transformation 71
5.1.1.5 Beweise zur Modellierung mit Hilfe der Z-Transformation 73
5.1.1.6 Einige Gedanken zur Komplexität 77
5.1.2 Modellierung auf Basis der Zustandsdarstellung 78
ii
5.1.2.1 Modellierung mit Hilfe von Diskretisierung 79
5.1.2.2 Komplexität der Modellierung mit Hilfe von Diskreti¬
sierung 81
5.1.2.3 Modellierung der schrittweisen Integration 82
5.1.2.4 Komplexität der Modellierung der schrittweisen Inte¬
gration 86
5.1.2.5 Bewertung der verschiedenen Modellierungsansätze . . 86
5.1.3 Bildung von Teilsystemen und deren Verkopplung 87
5.1.3.1 Probleme bei der Verkopplung von Teilsystemen .... 88
5.1.3.2 Verkopplung durch Berechnung des Gesamtsystems . . 89
5.1.3.3 Verkopplung durch Einführung von Koppelmatrizen . . 89
5.1.3.4 Verkopplung durch Aufspaltung der Vektoren 93
5.1.3.5 Bewertung der verschiedenen Verkopplungsansätze . . 95
5.1.4 Modellierung von nichtlinearen Systemen 97
5.1.4.1 Modellierung von Unstetigkeiten 97
5.1.4.2 Modellierung von nichtlinearen Funktionen 99
5.1.4.2.1 Modellierung unter Einbeziehung der Integration 99
5.1.4.2.2 Linearisierung 100
5.1.4.3 Behandlung von Kennlinien und Kennfeldern 102
5.1.5 Modellierung von Blockdiagrammen 103
5.1.6 Kontinuierliche Modellierung 104
5.1.7 Einsatzgebiete der verschiedenen Modellierungsansätze für phy¬
sikalische Systeme 110
5.1.7.1 Differentialgleichungen höherer Ordnung 110
5.1.7.2 Differentialgleichungen in Zustandsdarstellung 111
5.1.7.3 Diskretisierung der Differentialgleichung 112
5.1.7.4 Linearisierung der Differentialgleichung 113
5.1.7.5 Strukturelle Beschreibung mit Blockdiagrammen . . . 115
5.1.7.6 Modellierung mit Hilfe kontinuierlicher Transitionen . 116
5.1.7.7 Modellierungstiefe 116
5.1.7.8 Anleitung zur Wahl der geeigneten Modellierungstechnik 117
5.2 Modellierung des aperiodischen reaktiven Systemteils 119
5.2.1 Modellierung von Software 119
iii
5.2.1.1 Modellierung von Anweisungen und Anweisungsfolgen
(Sequenzen) 119
5.2.1.2 Modellierung von Alternativen 121
5.2.1.3 Modellierung von Iterationen 121
5.2.1.4 Modularität 122
5.2.1.5 Parallelität und parallele Prozesse 123
5.2.2 Modellierung von Hardwaresystemen 124
5.2.2.1 Modellierung der Systemebene 124
5.2.2.2 Modellierung der algorithmischen Ebene 125
5.2.2.3 Modellierung der Register-Transfer Ebene 126
5.2.2.4 Modellierung der Gatterebene 127
5.2.2.5 Modellierung der Schalterebene und der elektrischen
Ebene 128
5.3 Modellierung der Kommunikation zwischen den Teilsystemen 129
5.3.1 Kommunikation zwischen verschiedenen aperiodischen reaktiven
Systemen 129
5.3.2 Kommunikation von aperiodischen reaktiven Systemen zu Reglernl29
5.3.3 Kommunikation von Reglern zu aperiodischen reaktiven Systemenl32
5.3.4 Kommunikation zwischen verschiedenen Reglern 134
5.3.5 Kommunikation von Reglern zu physikalischen Systemen .... 134
5.3.6 Kommunikation von physikalischen Systemen zu Reglern .... 136
5.3.7 Kommunikation zwischen verschiedenen physikalischen Systemen 137
5.3.8 Kommunikation von physikalischen Systemen zu aperiodischen
reaktiven Systemen 138
5.3.9 Kommunikation von aperiodischen reaktiven Systemen zu phy¬
sikalischen Systemen 138
6 Der Entwurf heterogener Systeme auf Basis des einheitlichen Modells 139
6.1 Der Entwurf von Hardwaresystemen als Referenzentwurf 140
6.1.1 Systemebene 140
6.1.2 Algorithmische Ebene 141
6.1.3 Übergang von der System- zur algorithmischen Ebene 141
6.1.4 Register-Transfer-Ebene 141
6.1.5 Übergang von der algorithmischen zur Register/Transfer-Ebene 142
6.1.5.1 Scheduling 142
iv
6.1.5.2 Allocation und Assignment 143
6.1.6 Gatterebene 144
6.1.7 Übergang von der Register/Transfer- zur Gatterebene 144
6.1.8 Schalterebene 144
6.1.9 Elektrische Ebene 145
6.1.10 Übergang von der Gatter- zur Schalter- und von der Schalter-
zur elektrischen Ebene 145
6.2 Die Produktionszelle als Beispiel für ein heterogenes System 146
6.2.1 Die Elemente der Produktionszelle 146
6.2.2 Arbeitsweise der Produktionszelle 147
6.3 Der neue Ansatz zum Entwurf von heterogenen Systemen 149
6.3.1 Systemebene 149
6.3.2 Algorithmische Ebene 151
6.3.3 Übergang von der System- zur algorithmischen Ebene 153
6.3.4 Funktionsblockebene 153
6.3.5 Übergang von der algorithmischen zur Funktionsblockebene . . 156
6.3.5.1 Scheduling 158
6.3.5.2 Allocation und Assignment 159
6.3.6 Weitere Abstraktionsebenen 160
6.3.7 System- und algorithmische Ebene von mechatronischen Systemenl60
6.3.8 Funktionsblockebene mechatronischer Systeme 161
6.3.9 Übergang von der algorithmischen zur Funktionsblockebene . . 163
6.3.10 Modulebene 164
6.3.11 Aggregatebene 166
6.3.12 Mechanische Ebene 167
6.3.13 Einige abschließende Bemerkungen zum Entwurf heterogener Sy¬
steme 167
7 Zusammenfassung und Ausblick 171
Literatur 175
Anhang A: Mathematische Berechnung der Verkopplung 187
Anhang B: Verkopplung mit Hilfe von Koppelmatrizen 189
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