Modellierung und Simulation eines geregelten Aufzugsystemspublications.eas.iis.fraunhofer.de/papers/2000/010/slides.pdf · 1 IIS Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen Dresdner

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IIS

Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen

Dresdner Tagung

Simulation im Maschinenbauam 24. und 25. Februar 2000

Modellierung und Simulation eines geregelten Aufzugsystems

Erich Huck, Peter Schneider, Peter Schwarz

Fraunhofer-Institut für Integrierte SchaltungenAußenstelle für Automatisierung des Schaltkreis- und Systementwurfs (EAS)Zeunerstraße 38, D-01069 Dresdene-mail: [email protected]

SIM 2000

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IIS


Einführung• Einordnung/Motivation

Technisches System• Gesamtsystem• Problemstellung• Entwurfsaufgabe

Modellierung und Simulation• Methode• Aufzugsystem• Neuronales Netz

Zusammenfassung

Gliederung

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IIS


elektr. Steuerungen - analog/digital - Neuronale Netze

Digitale Systeme- Statecharts, Verilog, LeapfrogAnaloge Systeme- ELDO, Saber, KOSIM, PSpiceNeuronale Netze- SNNS, ...

Einordnung/MotivationEinführung

FEM-Simulatoren- ANSYS, CapaSimulation zeitkontinuierl. Systeme- ITI-Sim, Simplorer, Matlab/SimulinkMechanismen- ADAMS

Gesteuertes System - Gerätetechnik - Maschinenbau - Fahrzeugtechnik

Gesamtsystem-Simulation

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IIS


GesamtsystemTechnisches System

5

IIS


MOTOR

TREIBSCHEIBE

ωist

RegelungLeistungsteilNetzteil Steuerung

Regelsystem

CAN-Bus

xref

Etage iRufei(t)

Etage 1Rufe1(t)

iist

3

GETRIEBE

Meßwert-aufbereitung

Fahrkurven-generator

FÜHRUNGS-LAGER

GEGEN-GEWICHT

FÜHRUNGS-SCHIENEN

FÖRDER-KABINE

Magnete(Referenz-

punkte)

Bistabiler Magnet-schalter

Last-wäge-

system

Drehzahl-geber

Positionier-system

Aufzug1 Aufzugn

Etage mRufem(t)

ZETADYN 1DF SteuerungDC-2000.1Steuer-

signale

GesamtsystemTechnisches System

6

IIS


Technisches System

• Positioniergenauigkeit• Fahrzeit• maximale Beschleunigung• maximale Bremsbeschleunigung• ...

t

ω

ωpos

ωFahr

r1r4

r2 r3

ωneg. .

Steuerung des FahrverhaltensFahrkurveVorgabe der Winkelgeschwin-digkeit an der Motorwelle

• Beschleunigung• Verzögerung• Fahrgeschwindigkeit• Verrundungen

Gütekriterien (Kennwerte)Fahrverhalten der Kabine

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IIS


Technisches System

Fahrkorb

Gegengewicht

Antrieb

Steuerung

Monteur

Inbetriebnahme

• Probefahrt des Monteurs

• subjektive Beurteilung des Fahrverhaltens

• Nachstellen der Parameter der Fahrkurve

• Kontrolle der Fahreigen-schaften

• ggfs. weiteres Nachstellen

Ausgangszustand

8

IIS


Technisches System

Fahrkorb

Gegengewicht

Antrieb

Vorverarbeitung(Merkmals-extraktion)

Sensorik

NeuronalesNetz

Steuerung

automatischeInbetriebnahme und laufende Korrektur

• sensorische Erfassung der Ist-Fahrkurve

• Extraktion von Merkmalen aus der Ist-Fahrkurve

• Nachstellen der Parameter der Fahrkurve durch Neuronales Netz

• laufende Korrektur der Fahrkurvenparameter

Zielstellung

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IIS


Neuronales CAN-Bus

Etagej

P Steuerung

Netz

ωist

Regelsystem

xref

iist

3

Etage1 . . .

Aufzug . . .

Kennwerte Soll-Fahrweise

Kennwerte

Ist-Fahrweise

Kabine

Teilaufgaben:• Auswahl Netztyp

• BereitstellungTrainings-daten

• Netztraining

• Test Gesamtsystem

Offene Fragen:• Ansatz tragfähig?

• Empfindlichkeit

• Einfluß Bauelemente?

• Änderung von Bauele-menten erforderlich?

Entwurfsaufgabe

Steuerung des Fahrver-haltens durch Neuronales Netz

Technisches System

10

IIS


gewünschte Fahrweise- Positioniergenauigkeit- Fahrzeit- Beschleunigung- ...

Fahrkurven-parameter

Kennwerte für die Fahrweise

Fahrkurven-generator Aufzug

Kennwert-extraktion

Soll-Fahrkurve Ist-Fahrkurve

Neuronales Netz

t

v

t

v

Systemsimulation

NN-Simulation

• Variable System- und Bauelemente-Modellierung

• Einbeziehung Neuronaler Netze in die Systemsimula-tion

- Simulatorkopplung- C-Modell für die Systemsimulation

GesamtsystemsimulationModellierung und Simulation

11

IIS


Darstellung der Bauelemen-te (Teilsysteme) als Blöcke

Festlegung der Koppelgrö-ßen zwischen den Teilsyste-men

Gesamtsystem

Modellierung

Steuerung

ASM Getriebe

Seil

Seil

Etage j

Etage m

Etage i

Etage 1

uωsoll

uωist uxref

u3i3 mMo

ωMo

ωGmG

f1

f2

x1 .

xK .

xs1 .fs1 fK

fs2 fG

Rufe i (t)

Rufe1(t)

Rufem(t)

xK, xref .ωMo

iist umess

umess

iA

iA

Aufzug n

xG .

Aufzug 1

Fahrkurven-Generator

undDrehzahl-regelung

Kabine,Führung

Seilauf-hängung

Meßwert-erfassung

und-aufbereitung

Seilauf-hängung

feld-orientierteRegelung

Frequenz-Umrichter

NeuronalesNetz

Gewicht,Führung

P

KSollKIst

x2 .

xs2 .

Treib-scheibe

12

IIS


Jedes Teilsystem (TS) wird als Mehrpol mit Verbindun-gen zur Umgebung (Klem-men) aufgefaßt

Koppelgrößen

Teilsysteme

Modellierung

f(.)

din

ain aout

dout

network

block diagram(signal flow)

logical block

v1v2

K

-

RS

-

i1i2

• Fluß- und Differenzgrößen (v1,i1; v2,i2), z.B. Drehmoment und Drehzahl

• Input- Outputgrößen (ain, aout) bei gerichtetem Signalfluß (z.B. Regelungstechnik)

• Digitale Signale (din, dout)

13

IIS


• verallgemeinerte Netzwerke• Blockschaltbilder (Regelungstechnik)• Logik-Schaltungen (Digitaltechnik)

• mathematische Beschreibung durch Algebro-Differential-Gleichungssysteme (DAE)

• Implementierung in der Beschreibungssprache des Simulators

Strukturmodelle

Verhaltensmodelle

Teilsystemmodellierung

Modellierung

Inhalt der TS-Modelle:

f(.)

din

ain aout

dout

network

block diagram(signal flow)

logical block

v1v2

K

-

RS

-

i1i2

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IIS


Kennwerte Ist-Fahrw.

Kennwerte Soll-Fahrw.

Steuerung

ASM Getriebe

Seil

Seil -

Etage j

Etage m

Etage i

Etage 1

uωsoll

uωist uxref

u1...3i1...3mMo

ωMo

ωGmG

f1

f2

x2 .

x1 .

xs2 .

xK .

xs1 .

fs1 fK

fs2 fG

Rufe i (t)

Rufe1(t)

Rufem(t)

xK, xref .ωMo

iist umess

umess

iA

iA

Aufzug n

xG .

Aufzug 1



Kabine,Führung

Seilauf-hängung

Meßwert-erfassung

und-aufbereitung

Seilauf-hängung


Frequenz-Umrichter

Treib-scheibe

NeuronalesNetz

Gewicht,Führung

P

Gesamtsystem

Darstellung der Bauelemen-te (Teilsysteme) als Mehrpo-le mit Koppelgrößen

Modellierung

15

IIS


Teilsystemmodellierung

Separate Teilsystem-Modellierung:

„Herausschneiden“des Teilsystemsunter Beibehaltungder Koppelgrößenan den Rändern

Modellierung

ASM Getriebe

Seil

Seil -

Aufzug juωsoll

uωist uxref

u1...3i1...3mMo

ωMo

ωGmG

f1

f2

x2 .

x1 .

xs2 .

xK .

xs1 .

fs1 fK

fs2 fG

xref ωMo

iist umess

umess

iA

iA


Kennwerte zur

Aufzug n

Ist-FahrweiseKennwerte zur Soll-Fahrweise

xG .

Aufzug 1



Seilauf-hängung

Meßwert-erfassung

und Aufberei-

Seilauf-hängung


Frequenz-Umrichter

Treib-scheibe

Gegen-gewicht,Führung

xK, .

xK .

fKKabine,Führung

Steuerung

Etage 1Rufe1(t)

Aufzug 1

NeuronalesNetz

Aufzug 1

PEtage j

KSollKIst

mMo

ωMo ωG

mG

Getriebe

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IIS


Modell (Level 1)

GETRIEBE_1mG

ωG

m Mo

ωMo

Verhaltensmodell GETRIEBE_1

- Übersetzung- Wirkungsgrad

VM Übersetzung

Bauelement

Teilsystemmodellierung - Getriebe

Modellierung

mMo mG η UE( )⁄⋅=

ϕ·G ϕ·Mo UE⋅=

, hier η(UE)=η=konst.

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IIS


Modell (Level 2)

mR1(ϕ .1)

J1

mb1

mR2(ϕ .2)

J2

mb2ωGωMo

mMo mGmp1 mp1 mp2

UE,η

ϕ1

. ,

∆ϕp

cz

dz

.

VM Reibung VM Spiel/Prellen VM Übersetzung

GETRIEBE_2VM Reibung

mG

cz r12 ∆ϕp

S 2⁄r1----------–

dz r12

∆ϕp⋅ ⋅+⋅ ⋅

cz r12 ∆ϕp

S 2⁄r1----------+

dz r12

∆ϕp⋅ ⋅+⋅ ⋅

0

= fuer

∆ϕpS 2⁄r1----------≥

∆ϕpS 2⁄r1----------≤

S 2⁄r1---------- ∆ϕp

S 2⁄r1----------< <

Bauelement

Teilsystemmodellierung - Getriebe

Modellierung

Verhaltens-modell GETRIEBE_2

- Übersetzung- Wirkungsgr. - Spiel- Prellen- Reibung- Drehträgheit

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IIS


Soll- Istverhalten der Kabi-nengeschwindigkeit

Systemverhalten Aufzug

Simulation

Soll

Ist

t

v

19

IIS


Gemessene Kabinenge-schwindigkeit


Simulation

v

t

20

IIS


Seilkraft an der Kabine

Weg an der Kabine

Geschwindigkeit an der Kabine

DrehzahlvorgabeASM

Beschleunigung an der Kabine

Simulationsergebnisse für eine Kurzfahrt, Seillänge 40m


Simulation

21

IIS


Anlauf: Rucken bei Vorgabe kleiner Sollwerte

Einfahren: Positionierfehler oder Schwingungen

Einfluß der Führungsrei-bung auf das Verhalten an der Kabine


Simulation

v

x

t

t

22

IIS


Training des Neuronalen Netzes

Simulation

.

Aufzugmodell

Stuttgart Neural Network Simulator (SNNS)

Schaltkreis- und SystemsimulatorKOSIM / SABER

Sim

ulat

orko

pplu

ng

23

IIS


Modelle der Steuerung

STEUERUNG

Aufzug jFahrkurven-parameter

Kennwerte zur

Aufzug n


Aufzug 1Rufauswertung

Berechnung der Fahrkurven-parameter mit NN

C-CodeMAST

STEUERUNG

Aufzug jFahrkurven-parameter

Kennwerte zur

Aufzug n


Aufzug 1Rufauswertung

Berechnung der Fahrkurven-parameter mit NN

SNNS

24

IIS


Berechnung der Fahrkur-venparameter mit trainier-tem Neuronalen Netz

Gesamtsystemsimulation mit Neuronalem Netz

Simulation

Steuerung

Etage P

Kennwerte zurIst-Fahrweise

Kennwerte zurSoll-Fahrweise

Neuronales Netz • C-Code• SNNS-AufrufASM Getriebe

Seil

Seil -

Aufzug juωsoll

uωist uxref

u1...3i1...3mMo

ωMo

ωGmG

f1

f2

x2 .

x1 .

xs2 .

xK .

xs1 .

fs1 fK

fs2 fG

xref ωMo

iist umess

umess

iA

iA


Kennwerte zur

Aufzug n


xG .

Aufzug 1

Fahrkur-ven-

Generatorund

Seilauf-hängung

Meßwert-erfassung

und

Seilauf-hängung

feld-orientier-

te

Fre-quenz-

Treib-scheibe

Gegen-gewicht,

xK, .

Kabine-Führung

Aufzugmodell

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IIS


Gesamtsystemsimulation mit Neuronalem Netz

Simulation

Verkürzung der Fahrzeit durch NN-Einsatz

Einstellfahrten 1 bis 7

Kabinenfahrweg[m]

Kabinengeschwindigkeit [m/s]

sinkende Fahrzeit

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IIS


Modellierung und Simulation komplexer Systeme unter Einbeziehung Neuronaler Netze

Modellierungsarbeiten• Bauguppenorientierte Partitionierung• Teilsystem-Modellierung (Modellstufen)• C-Code-Generierung der Neuronalen Netz-Funktion

Simulation• simulationsgestützte Erzeugung von Lerndaten• Off-Line-Training des Neuronalen Netzes • Simulation des Fahrverhaltens des Aufzugsystems ein-

schließlich Neuronalem Netz

Simulatorkopplung• Mechatronik-Simulator: Kosim, Saber• Neuronaler Netz-Simulator: SNNS• Möglichkeit des On-line-Lernens

Zusammenfassung

Zusammenfassung

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