Fachbereich ElektrotechnikLehrstuhl für Regelungstechnik und SignaltheorieReferent: W. Deis

Einführung in CAE-Simulationssysteme

l Einleitung

l Motivation für CAE-Werkzeuge

l Modellierung technischer Prozesse

l MATRIXX

l MATRIX -CoreX

l MATRIX -SystembuildX

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l Funktionsinhalte von Simulationssystemen

Übersicht über CAE-Simulationssysteme

l Echtzeit-Code

l Kommerzielle Programme

l Freeware

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Motivation für CAE-Werkzeuge

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Klassische Entwurfsmethoden der

Regelungstechnik

Neue Entwurfsmethoden

Modellierung technischer Prozesse

Generierung von Source-Code

- lineare Entwurfsmethoden (Frequenz-

kennlinien, WOK)

- nichtlinearer Entwurf

- Optimierungsverfahren

- Zustandsregler

- Fuzzy-Control

- Expertenregler

- Hybride Regelstrukturen

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Modellierung technischer Prozesse

Problemstellung:

Ursprüngliche Vorgehensweise ( CAE):ohne

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Keine geschlossene mathematische Lösung

angebbar

Test an realem Prozess nicht möglich

1). Strukturbild & Systemgleichungen

2). Diskretisierung und Verwendung von

numerischen Routinen zur Integration

3). Implementierung mit Programmiersprachen

(Basic, C/C++, Pascal, FORTRAN, etc.)

4). Simulation

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Modellierung technischer Prozesse

Nachteil der Implementierung in Quellcode:

m Umsetzung in diskretes Simulationsmodell

Programmierkenntnisse

Abkehr von der eigentlichen Simulationsaufgabe

Individuelle Simulationsprogramme

(intransparent, fehlende Kompatibilität)

Fehleranfällig

Zeitraubend (Fehlersuche)

Komplexe Simulationsprogramme

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Modellierung technischer Prozesse

Vorgehensweise mit CAE-Werkzeugen:

Vorteile:

Nachteile:

1). Strukturbild & Systemgleichungen

- meist bereits in graphischer Form angebbar

2). & 3). entfällt !

4). Simulation

Keine Programmierkenntnisse

Konzentration auf Simulation

weniger fehleranfällig

transparent

zeit- und kosteneffizient

Kauf eines CAE-Simulationssystems (Hard- und

Software)

Numerische Rechenfehler Fehlinterpretationen

Oberflächliche Analyse (wahlloses Simulieren)

Fehlinterpretation aufgrund ungenügender Kenntnis

der verwendeten Rechenverfahren

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CAE-Simulationssyssteme

Übersicht über Simulationssysteme:

Kommerziell:

MATHEMATICA

MAPLE

MODELICA

DYMOLA

DYNASIM

LabView

PSPICE

gPROMS

DORA-PC

Win/UNIX Modellbildung, Simulation,

Reglerentwurf, Matrixalgebra

Win/UNIX Modellbildung, Simulation,

Reglerentwurf, Matrixalgebra

Win/UNIX symbolische und

numerischeMathematik

Win/UNIX symbolische Mathematik

Win Chemische Modelle, elektrische

/ Schaltkreise, Petrinetze,

Zustandsdiagramme, thermo-

dynamische Systeme, Hybride

Systeme, ...

Win/Unix Messwerterfassung und

Verarbeitung

Win Elektrische Schaltkreise

Win Chemische Prozessmodelle

DOS/Win Regelungstechnik, Entwurf,

Analyse, Simulation

MATLAB

MATRIXX

Freeware-Programme:

Win/Linux/DecAlpha/ Simulation,

Sun Sparc/Macintosh Matrixalgebra,

Reglerentwurf

Win/Linux Chemical engineering

Win/Mac Differentialgleichungen,

graph. Ausgabe

ASCEND

MADONNA

Ä

Ä

http://www.cs.cmu.edu/~ascend/

http://www.berkeleymadonna.com/

SCILAB

Ä http://www-rocq.inria.fr/scilab/

CAE-Simulationssyssteme

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CAE-Simulationssysteme

Funktionsumfang:

Grundsätzlich:

mathematische Operationen

- insbesondere Matrix-Operationen

Systemanalyse

- Zustandsdarstellung dynamischer Systeme

Reglersynthese

Simulation

Weiterhin:

Fuzzy-Control-Systeme

System-Identifikation

Modellvereinfachung

Adaptive Regelungen

Neuronale Netze

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MatrixX

Graphisch orientierte Simulationsumgebung für dieModellierung dynamischer Systeme

Modularer Aufbau:

Matrix Corem X

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m

Systembuild

Control Design Module

System Identification Module

Digital Signal Processing

Robust Control Module

Model Reduction Module

Optimization Module

Fuzzy Control

Matrix Core

Codegeneration:

C

ADA

FORTRAN

Testhardware (AC-100)

X

Beispiel: Matrix / XMathX

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MatrixX

Der Matrix Core (Grundpaket):X

m Kommandozeilen-Interpreter

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m

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Matrizendarstellung und -berechnung

komplexe Zahlen

Strukturierte Programmiersprache

Graphische Darstellung

mathematische Grundfunktionen (sin, cos, ...)

Control Design Module:

m Differentialgleichungen

m

m

m

m

Übertragungsfunktionen

Pol/Nullstellendarstellung

Zustandsdarstellung

Reglerentwurf nach

Frequenzkennlinien

Wurzelortskurve

Zustandsregler

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MatrixX

Systembuild:

m Menüorientiert

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m

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Mauseingabe

Graphische Eingabe von Strukturbildern

Hierarchische Modellstrukturierung ( )

Definition eigener

Superblocks

Superblocks

MatrixX

Prototyping:

m Entwurf und Simulation

m

m

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Code-Generierung

Test und Nachparametrierung (Validierung)

Hardware-in-the-Loop

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MatrixX

Beispiel eines Systembuild:

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MatrixX

Beispiel: Lissajous-Figuren

t = [0:pi/200:pi]';

x1 = SIN(8*t);

y1 = SIN(10*t);

plot(x1, y1)