Ein strukturierter Entwurfsprozess für mechatronische Systeme und dessen Abbildung durch Workflows im Rechner:
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| Published: |
München
Verl. Dr. Hut
2008
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| Edition: | 1. Aufl. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 1
1.2 Aufbau der Arbeit 3
1.3 Anwendungsbeispiele 4
1.3.1 Linearer Stellantrieb 4
1.3.2 Edutruck 5
1.3.3 Servicezubringer 7
2 Entwurf mechatronischer Systeme 9
2.1 Kennzeichen mechatronischer Systeme 9
2.2 Einordnung des Entwurfs in den Produktlebenszyklus 10
2.3 Stand der Technik beim Entwurf mechatronischer Systeme 12
2.4 Analyse existierender Softwaresysteme 14
2.4.1 Numerische Berechnungsprogramme 14
2.4.2 Computeralgebra-Systeme 17
2.4.3 Berechnungsprogramme für mechanische Aufgabenstellungen 18
2.4.4 CAMeL-View- eine Entwicklungsumgebung für mechatronische Systeme 19
3 Strukturierung des Entwurfsprozesses 21
3.1 Phasen im Entwurfsprozess 21
3.2 Kennzeichen der Top-Down- und Bottom-Up-Entwurfsmethode 23
3.3 Arbeitsprozesse beim Entwurf mechatronischer Systeme 23
3.4 Der modellbasierte ganzheitliche Entwurf 25
3.5 Drei mögliche Sichtweisen auf ein mechatronisches System 26
3.5.1 Funktionensicht 26
3.5.2 Hierarchiesicht 28
3.5.3 Modellsicht 30
3.6 Zusammenfassende Kennzeichnung des Entwurfsverfahrens 32
4 CAMeL-View - Konzept und Implementierung 33
4.1 Kennzeichen objektorientierter Programmierung 37
4.2 Überblick über objektorientierte Programmiersprachen 38
4.3 Der Komponentenbegriff in der Softwareentwicklung 40
4.4 Mechanismen zur Kommunikation zwischen Komponenten 42
4.4.1 DDE und Pipe-Mechanismus 43
4.4.2 COM 43
4.4.3 .NET 44
4.4.4 CORBA 45
4.4.5 J2EE 46
4.4.6 Gegenüberstellung der Kommunikationstechniken 48
4.5 Externe Softoarepakete in CAMeL-View 48
4.5.1 Plotter 48
4.5.2 Scilab 50
4.5.3 MuPAD 51
4.5.4 Benutzerschnittstellen zu externen Tools 51
4.5.5 Weitere externe Tools in CAMeL-View 52
5 Beschreibungsform „Workflow 55
5.1 Überblick zur Entwicklung von Workflows 55
5.1.1 Begriffsbestimmung „Workflow 56
5.1.2 Begriffsbestimmung „Workflow-Management-System 57
5.1.3 Phasen eines Workflows 57
5.2 Einsatzgebiete heutiger Workflow-Management-Systeme 58
5.3 Realisierung von Ablaufsteuerungen in CAMeL 58
5.3.1 Skriptbasierte Ablaufsteuerung - Experimentbeschreibungssprache 59
5.3.2 Ablaufsteuerung durch eine anwendungsspezifische Benutzeroberfläche 62
5.4 Anforderungen an Workflows beim Entwurf mechatronischer Systeme 64
6 Modellierung von Workflows 67
6.1 Kennzeichnung der notwendigen Workflow-Module 67
6.1.1 Module zur Informationsbeschaffung und -Verwaltung 67
6.1.2 Module für Analyse- und Syntheseaufgaben 68
6.1.3 Module zur Steuerung der Abarbeitung 69
6.1.4 Module zur Workflowsteuerung 70
6.2 Zusammenführung der Einzelkomponenten 70
6.2.1 Initialisierung externer Softwarekomponenten 71
6.2.2 Prozess zur Abarbeitung einer Aktivität 72
6.2.3 Prozess zur Entscheidungsfindung und Verzweigung der Abarbeitungsstränge 73
6.2.4 Visualisierung von Analyseergebnissen im Workflow 75
6.2.5 Verkopplung der Module zum Workflow 75
6.3 Workflow-Beschreibungselemente 76
6.3.1 Grundaufbau der Beschreibungselemente 78
6.3.1.1 Klassendefinition 80
6.3.1.2 Schnittstellendefinition 81
6.3.1.3 Implementierung 81
6.3.2 Klassen zur Workflowsteuerung 82
6.3.3 Klassen zur Initialisierung externer Werkzeuge 83
6.3.3.1 Skriptgesteuerte Programmpakete 83
6.3.3.2 Komponenten mit Konfigurationsattributen 84
6.3.4 Klassen zur Beschreibung von Abarbeitungsprozessen 85
6.3.4.1 Klasse zur Abbildung eines Smalltalk-Skripts 85
6.3.4.2 Klasse zur Abbildung eines skriptbasierten Prozessaufrufs 86
6.3.4.3 Klasse zur Abbildung eines Prozesses mit Konfigurationsattributen 87
6.3.5 Klassen zur Abbildung von Entscheidungen 88
6.3.5.1 Automatisierte Entscheidung 88
6.3.5.2 Benutzergeführte Entscheidung 89
6.3.6 Klassen zur Abbildung von Verzweigungen im Workflow 91
6.3.7 Klassen zur Zusammenführung alternativer Abarbeitungsstränge 93
6.3.8 Klassen zur Abbildung von Hierarchien 94
6.3.9 Koppelelemente 96
6.4 Ausgewählte Beispiele 96
6.4.1 Sequenzieller Workflow 96
6.4.2 Verzweigter Workflow 97
6.4.3 Schleifenstrukturen 98
6.5 Modellverwaltung in CAMeL-View 98
6.5.1 Verwaltung der Workflow-Modelle 98
6.5.2 Visualisierung der Workflow-Modelle 99
6.6 Graphenbasierte Repräsentation der Workflow-Modelle 99
6.6.1 Graphen und Algorithmen 100
6.6.2 Abbildung modular-hierarchischer Systeme 101
6.6.3 Analyse der Workflow-Struktur 101
6.6.3.1 Prüfung der strukturellen Konsistenz 102
6.6.3.2 Prüfung der strukturellen Korrektheit 103
7 Abarbeitung von Workflows 109
7.1 Abarbeitungskonzept 109
7.1.1 Lauffähige Objekte zur Abarbeitung einer Aktivität 110
7.1.2 Ergebnisorientierte Abarbeitung einer Aktivität 111
7.1.3 Datenaustausch zwischen den Aktivitäten 115
7.1.4 Berücksichtigung äußerer Ereignisse bei der Abarbeitung eines Workflows 116
7.2 Generierung des lauffähigen Skripts 117
7.2.1 Instanziierung der lauffähigen Objekte 119
7.2.2 Instanziierung der Verbindungen zwischen den lauffähigen Objekten 119
7.3 Aufbau einer Laufzeitumgebung 120
7.3.1 Steuerung der Laufzeitumgebung durch den Anwender 121
7.3.2 Überwachung der Aktivitäten 122
7.3.3 Debuggen eines Workflows 123
7.3.4 Error-Handling beim Ausführen eines Workflows 124
7.4 Rekonfiguration eines Workflows zur Laufzeit 125
7.4.1 Phasen im Rekonfigurationsvorgang 125
7.4.2 Aufbau eines Rekonfigurationsskripts 127
8 Realisierung des Workflow-Systems in CAMeL-View 129
8.1 Integration des Workflow-Systems in CAMeL-View 129
8.1.1 Erweiterung von CAMeL-View um einen Workflowmodellierer 130
8.1.2 Integration der Workflow-Laufzeitumgebung in CAMeL-View 132
8.2 Anwendungsbeispiele für Workflows 134
8.2.1 Workflowgestützte Auslegung eines Zustandsreglers 134
8.2.1.1 Auslesen des Streckenmodells aus der OdssDatabase 137
8.2.1.2 Linearisierung des Streckenmodells 138
8.2.1.3 Überprüfung der Strecke auf Steuerbarkeit 139
8.2.1.4 Verzweigung des Workflows in Abhängigkeit von der Steuerbarkeit 140
8.2.1.5 Auslegung eines Reglers zur Stabilisierung des Systems 142
8.2.1.6 Speicherung der Rückführmatrix in der OdssDatabase 143
8.2.1.7 Zusammenführung der Basissysteme zu einem Workflow 144
8.2.2 Workflowgestutzte Auslegung einer Fahrdynamikregelung 145
8.2.3 Workflowgestützte Systemoptimierung 149
8.3 Übertragbarkeit des Workflowkonzepts auf weitere Anwendungsfälle 151
8.3.1 PrüfstandsautomaBsierung mit Hilfe von Workflows 151
8.3.2 Softwareentwicklung mit Hilfe von Workflows 151
9 Zusammenfassung und Ausblick 153
A Grammatik 157
A.1 Metaklassen zur Workflow-Steuerung 157
A.1.1 StartOwss 158
A.1.2 FinishOwss 158
A.2 Metaklassen zur Initialisierung von Softwarewerkzeugen 159
A.2.1 Mupadlnit 159
A.2.2 Scilablnit 160
A.2.3 Plotterlnit 161
A.3 Metaklassen zur Beschreibung von Abarbeitungsprozessen 161
A.3.1 SmalltalkProcess 162
A.3.2 MupadProcess 163
A.3.3 ScilabProcess 164
A.3.4 PlotterProcess 165
A.3.5 UserDecisionProcess 166
A.3.6 CodedDecisionProcess 167
A.3.7 SplitProcess 168
A.4 Metaklassen zur Beschreibung von Hierarchien 169
A.4.1 WorkflowHcsOwss 169
A.5 Metaklassen zur Parametrisierung des Workflows 171
A.5.1 ParametrizationOwss 171
B Beispiel: Modellierung und Reglerauslegung des linearen Stellantriebs .. 173
B.1 Systembeschreibung 173
B.2 Struktur des mechatronischen Systems 174
B.3 Lösungselemente beim linearen Stellantrieb in reduzierter Darstellungsform 174
B.3.1 Modell des Gleichstrommotors 175
B.3.2 Verhalten des Gleichstrommotors 177
B.3.3 Modellierung des Schubkurbeltriebs 180
B.3.3.1 Übersetzung von phi nach deltaX 180
B.3.3.1 Übersetzung von Fx nach MA 181
B.3.4 Modellierung des Motorgetriebes 182
B.3.5 Modellierung der Hebelarmverstellung 183
B.4 Zusammenführung der einzelnen Komponenten zum Gesamtmodell 184
B.4.1 Linearisierung des Gesamtsystems im Betriebspunkt 189
C Beispiel: Modellierung und Reglerauslegung beim Edutruck 191
C.1 Edutruck Gesamtmodell 191
C.2 Abbildung der Querdynamik im Einspurmodell 192
C.3 Das linearisierte Einspurmodell 194
C.4 Auslegung der Fahrdynamikregelung 196
Literatur 201
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