Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme: vom Chip- zum Systementwurf mit Hardwarebeschreibungssprachen
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Heidelberg
Hüthig
2001
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GEORG PELZ MODELLIERUNG UND SIMULATION MECHATRONISCHER SYSTEME VOM CHIP-
ZUM SYSTEMENTWURF MIT HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN DU HUETHIG VERLAG
HEIDELBERG INHALTSVERZEICHNIS 1 ZIEL UND MOTIVATION 1 2 GRUNDLAGEN DER
MODELLIERUNG UND SIMULATION 5 2.1 EINFUEHRUNG 5 2.2 MODELLKATEGORIEN 8
2.3 EINSATZGEBIETE 9 2.3.1 EINFUEHRUNG 9 2.3.2 BOTTOM-UP-DESIGN 10 2.3.3
TOP-DOWN-DESIGN 11 2.3.4 BEZUG DER ENTWURFSSTRATEGIE ZUR MODELLIERUNG 12
2.3.5 MODELLIERUNG ZUR SPEZIFIKATION 13 2.3.6 MODELLIERUNG ZUM ENTWURF
14 2.4 MODELLBILDUNG 15 2.4.1 EINFUEHRUNG 15 2.4.2 STRUKTURELLE
MODELLIERUNG 18 2.4.2.1 EINFUEHRUNG 18 2.4.2.2 SCHALTPLAENE 18 2.4.2.3
ZUSTANDSGRAPHEN 19 2.4.2.4 MEHRKOERPERDIAGRAMME 19 2.4.2.5 FINITE
ELEMENTE 19 2.4.3 PHYSIKALISCHE MODELLIERUNG 19 2.4.3.1 EINFUEHRUNG 19
2.4.3.2 PERSPEKTIVE DER MODELLIERUNG 20 2.4.3.3 RESULTIERENDE
GLEICHUNGEN 21 2.4.4 EXPERIMENTELLE MODELLIERUNG 22 2.4.4.1 EINFUEHRUNG
22 2.4.4.2 TABELLENMODELLE 23 2.4.4.3 PARAMETERSCHAETZUNG UND
SYSTEMIDENTIFIKATION 23 2.5 MODELLVERIFIKATION UND -VALIDIERUNG 26 2.5.1
EINFUEHRUNG 26 2.5.2 MODELLVERIFIKATION 27 VIII INHALTSVERZEICHNIS
2.5.2.1 VERIFIKATION ANHAND DER IMPLEMENTIERUNGSMETHODIK 27 2.5.2.2
PLAUSIBILITAETSPRUEFUNGEN 27 2.5.2.3 VERIFIKATION ANHAND ALTERNATIVER
MODELLE 28 2.5.2.4 VERIFIKATION ANHAND VON VISUELLER INSPEKTION UND
ANIMATION 29 2.5.2.5 VERIFIKATION DES LAUFZEITVERHALTENS 29 2.5.2.6
FORMALE VERIFIKATION 29 2.5.3 MODELLVALIDIERUNG 30 2.5.3.1 EINFUEHRUNG 30
2.5.3.2 DIREKTE VALIDIERUNG ANHAND VON MESSDATEN 31 2.5.3.3 VALIDIERUNG
ANHAND EINER SYSTEMIDENTIFIKATION 32 2.5.3.4 VALIDIERUNG ANHAND DES
'MODEL-DISTORTION'-ANSATZES 33 2.5.3.5 VALIDIERUNG ANHAND EINER
EMPFINDLICHKEITSANALYSE 33 2.5.3.6 VALIDIERUNG ANHAND EINER MONTE-CARLO
SIMULATION 34 2.5.3.7 VALIDIERUNG ANHAND DER MODELLHIERARCHIE 34 2.5.3.8
VALIDIERUNG ANHAND VON INVERSEN MODELLEN 35 2.6 MODELLVEREINFACHUNG 36
2.7 SIMULATOREN UND SIMULATION 37 2.7.1 EINFUEHRUNG 37 2.7.2
SCHALTUNGSSIMULATION 38 2.7.3 LOGIKSIMULATION 39 2.7.4
MEHRKOERPERSIMULATION 40 2.7.5 BLOCKDIAGRAMMSIMULATION 40 2.7.6
FINITE-ELEMENTE-SIMULATION 40 2.7.7 SOFTWARESIMULATION 41 2.8
ZUSAMMENFASSUNG 41 3 MODELLBILDUNG UND SIMULATION GEMISCHTER SYSTEME 43
3.1 EINFUEHRUNG 43 3.2 ELEKTRONIK UND MECHANIK 44 3.2.1 EINFUEHRUNG 44
3.2.2 ANALOGIEN 45 3.2.3 GRENZEN DER ANALOGIEN 49 3.2.4 UNTERSCHIEDE
ZWISCHEN ELEKTRONIK UND MECHANIK 50 3.3 MODELLTRANSFORMATION 51
INHALTSVERZEICHNIS IX 3.3.1 EINFUEHRUNG 51 3.3.2 SCHALTUNGSSIMULATION 51
3.3.2.1 EINFUEHRUNG 51 3.3.2.2 ANALOGIEBETRACHTUNG 51 3.3.2.3
MODELLIERUNG VON DIFFERENTIALGLEICHUNGEN MIT AEQUIVALENTEN SCHALTUNGEN 52
3.3.3 LOGIK-/PETRINETZSIMULATION 53 3.3.3.1 EINFUEHRUNG 53 3.3.3.2
DEFINITION VON PRAEDIKAT/TRANSITION-NETZEN 53 3.3.3.3 MODELLIERUNG
DISKRETER ZUSAMMENHAENGE 54 3.3.3.4 MODELLIERUNG KONTINUIERLICHER
ZUSAMMENHAENGE 54 3.3.4 MEHRKOERPERSIMULATION 56 3.3.4.1 EINFUEHRUNG 56
3.3.4.2 ELEKTRONIKMODELLIERUNG MIT DEM LAGRANGE-ANSATZ 56 3.3.4.3
OBJEKTORIENTIERTER ANSATZ 57 3.3.5 FINITE-ELEMENTE-SIMULATION 58 3.3.6
BEWERTUNG DER MODELLTRANSFORMATION 58 3.4 DOMAENENUNABHAENGIGE
BESCHREIBUNGSFORMEN 59 3.4.1 BONDGRAPHEN 59 3.4.2 BLOCKDIAGRAMME 61
3.4.3 MODELLIERUNGSSPRACHEN FUER PHYSIKALISCHE SYSTEME 62 3.4.4 BEWERTUNG
DER DOMAENENUNABHAENGIGEN BESCHREIBUNGSFORMEN 65 3.5 SIMULATORKOPPLUNG 66
3.5.1 EINFUEHRUNG 66 3.5.2 SIMULATOR-BACKPLANE 67 3.5.3 BEISPIELE FUER DIE
SIMULATORKOPPLUNG 69 3.5.3.1 EINFUEHRUNG 69 3.5.3.2 MECHATRONIK 69
3.5.3.3 MIKROMECHATRONIK 71 3.5.4 BEWERTUNG 71 3.6 ZUSAMMENFASSUNG 71 4
MODELLIERUNG IN HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 73 4.1 EINFUEHRUNG 73 4.2
EINSATZGEBIETE 75 INHALTSVERZEICHNIS 4.2.1 FORMULIERUNG VON
SPEZIFIKATION UND ENTWURF 75 4.2.2 VALIDIERUNG VON SPEZIFIKATIONEN UND
VERIFIKATION VON DESIGNS 75 4.2.3 AUTOMATISCHE SYNTHESE 76 4.3
CHARAKTERISIERUNG VON HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 76 4.4 SPRACHEN 79
4.5 MODELLIERUNGSPARADIGMEN 80 4.5.1 EINFUEHRUNG 80 4.5.2 STRUKTURELLE
UND VERHALTENSORIENTIERTE MODELLIERUNG 81 4.5.3 DIGITALMODELLIERUNG 83
4.5.3.1 BEISPIEL: MULTIPLEXER 83 4.5.3.2 BEISPIEL: MULTIPLIZIERER 84
4.5.3.3 DIGITALE SIGNALZUWEISUNG 85 4.5.4 ANALOGMODELLIERUNG 86 4.5.4.1
EINFUEHRUNG 86 4.5.4.2 PHYSIKALISCHE DOMAENEN UND ZUGEHOERIGE GROESSEN 89
4.5.4.3 DISKONTINUITAETEN 91 4.5.4.4 MODELLIERUNG IM FREQUENZBEREICH 92
4.6 SIMULATION VON MODELLEN IN HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 92 4.7
ZUSAMMENFASSUNG 94 5 SOFTWARE IN HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 95 5.1
EINFUEHRUNG 95 5.2 SIMULATION DER HARDWARE ZUR ABARBEITUNG DER SOFTWARE
97 5.3 COSIMULATION DURCH SOFTWARE-INTERPRETATION 98 5.4 COSIMULATION
DURCH SOFTWARE-COMPILATION 101 5.4.1 EINFUEHRUNG 101 5.4.2
SOFTWAREABBILDUNG 102 5.4.3 SYNCHRONISATION 103 5.4.3.1 EINFUEHRUNG 103
5.4.3.2 SYNCHRONISATION OHNE INTERRUPT 104 5.4.3.3 SYNCHRONISATION NACH
EINEM INTERRUPT 105 INHALTSVERZEICHNIS XI 5.4.4 BEISPIEL FUER DIE
SOFTWAREMODELLIERUNG 106 5.4.5 DEBUGGING VON SOFTWARE 111 5.5
ZUSAMMENFASSUNG 112 6 MECHANIK IN HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 113 6.1
EINFUEHRUNG 113 6.2 MEHRKOERPERMECHANIK 114 6.2.1 EINFUEHRUNG 114 6.2.2
SYSTEMORIENTIERTE MODELLIERUNG 119 6.2.2.1 NEWTON-EULER ANSATZ 119
6.2.2.2 LAGRANGE-ANSATZ 121 6.2.2.3 FORMULIERUNG IN
HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHEN 122 6.2.3 OBJEKTORIENTIERTE MODELLIERUNG
123 6.2.3.1 EINFUEHRUNG 123 6.2.3.2 BASISMODELLE 124 6.2.4 BEISPIEL:
RADAUFHAENGUNG 127 6.2.5 WEITERE ANWENDUNGEN 129 6.2.5.1 EINFUEHRUNG 129
6.2.5.2 MECHATRONIK 130 6.2.5.3 MIKROMECHATRONIK 130 6.3
KONTINUUMSMECHANIK 132 6.3.1 EINFUHRUNG 132 6.3.2 STRUKTURELLE
MODELLIERUNG 133 6.3.2.1 EINFUEHRUNG 133 6.3.2.2 FINITE ELEMENTE 133
6.3.2.3 AUFSTELLUNG DER ELEMENTMATRIZEN 136 6.3.2.4 ZUSAMMENBAU DER
SYSTEMMATRIX 142 6.3.2.5 BEISPIEL: BALKEN MIT VERSCHIEDENEN
RANDBEDINGUNGEN 142 6.3.3 PHYSIKALISCHE MODELLIERUNG 144 6.3.3.1
PARTIELLE DIFFERENTIALGLEICHUNGEN UND FINITE DIFFERENZEN 144 6.3.3.2
ANALYTISCHE MODELLIERUNG 146 6.3.3.3 RITZ-ANSATZ 147 6.3.3.4
GALERKIN-ANSATZ 148 6.3.4 EXPERIMENTELLE MODELLIERUNG 149 6.3.4.1
EINFUEHRUNG 149 6.3.4.2 TABELLENMODELLE 150 XII INHALTSVERZEICHNIS
6.3.4.3 IDENTIFIKATION EINES HARMONISCHEN SCHWINGERS 150 6.3.4.4
ALLGEMEINE IDENTIFIKATION 150 6.4 ZUSAMMENFASSUNG 152 7 MECHATRONIK 153
7.1 MODELLIERUNG MECHATRONISCHER SYSTEME 153 7.2 DEMONSTRATOR 1:
SEMI-AKTIVE RADAUFHAENGUNG 154 7.2.1 * SYSTEMBESCHREIBUNG 154 7.2.2
MODELLIERUNG DER SOFTWARE 157 7.2.3 MODELLIERUNG DER MECHANIK 157 7.2.4
SIMULATION 159 7.3 DEMONSTRATOR 2: OTTOMOTOR MIT ANTRIEBSSTRANG 162
7.3.1 SYSTEMBESCHREIBUNG 162 7.3.2 MODELLIERUNG 164 7.3.3 SIMULATION 166
7.4 DEMONSTRATOR 3: KAMERAWINDER 167 7.4.1 EINFUEHRUNG 167 7.4.2
SYSTEMBESCHREIBUNG 168 7.4.3 MODELLIERUNG 169 7.4.3.1 BATTERIEN UND
AKKUMULATOREN 169 7.4.3.2 ELEKTROMOTOR 169 7.4.3.3 GETRIEBE 170 7.4.3.4
MECHANISCHE LAST 171 7.4.4 SIMULATION 172 7.5 ZUSAMMENFASSUNG 172 8
MIKROMECHATRONIK 173 8.1 MODELLIERUNG MIKROMECHATRONISCHER SYSTEME 173
8.1.1 EINFUEHRUNG 173 8.1.2 KOMPONENTENENTWURF 174 8.1.3 SYSTEMENTWURF.
175 $.2 DEMONSTRATOR 4: KAPAZITIVER DRUCKSENSOR 176 INHALTSVERZEICHNIS
XIII 8.2.1 SYSTEMBESCHREIBUNG 176 8.2.2 MODELLIERUNG 178 8.2.2.1
EINFUEHRUNG 178 8.2.2.2 AUFSTELLUNG DER ELEMENTMATRIZEN 179 8.2.2.3
FORMULIERUNG IN EINER HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHE 184 8.2.2.4
SYSTEMMATRIX 186 8.2.2.5 ANREGUNG DER MECHANIK 186 8.2.2.6 GEOMETRISCHE
NICHT-LINEARITAET 187 8.2.2.7 BERECHNUNG DER KAPAZITAET 187 8.2.3
SIMULATION 187 8.2.3.1 MECHANISCHES VERHALTEN 187 8.2.3.2 ELEKTRISCHES
VERHALTEN 190 8.2.3.3 SYSTEMSIMULATION 192 8.2.3.4 PARAMETRISCHE
SIMULATIONEN 193 8.3 DEMONSTRATOR 5: MIKROSPIEGEL 195 8.3.1
SYSTEMBESCHREIBUNG 195 8.3.2 MODELLIERUNG 196 8.3.3 SIMULATION 198 8.4
ZUSAMMENFASSUNG 199 9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 201 LITERATUR 203
ANHANG 231 FORMELZEICHEN 231 ABKUERZUNGEN 234 EINGETRAGENE WARENZEICHEN
235 SACHWOERTERVERZEICHNIS 237 |
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| discipline | Technik Informatik Elektrotechnik / Elektronik / Nachrichtentechnik Mess-/Steuerungs-/Regelungs-/Automatisierungstechnik Mess-/Steuerungs-/Regelungs-/Automatisierungstechnik / Mechatronik |
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