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Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer.

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Präsentation zum Thema: "Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer."—  Präsentation transkript:

1 Modellbasierte Software- Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Von der SystemSpec zur SWSpec Identifikation, welche Anforderungen durch Software gelöst werden können / sollen Beschreibung der Schnittstellen der SW zur Außenwelt Analoge Ein / Ausgänge (Sensoren, Aktuatoren) Digitale Ein / Ausgänge (Knöpfe, Schalter, Lämpchen, Displays, Kommunikationskanäle, Signale, Parameter) Beschreibung der Funktionalität der SW bezogen auf die Schnittstellen Beziehungen zwischen SRS und SWRS

3 Folie 3 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme physikalische Modellierung 1. Identifikation der relevanten Umgebungsgrößen 2. Repräsentation durch mathematische Variablen 3. Eigenschaften / Relationen der Variablen festlegen die relevanten Variablen sind im Allgemeinen zeitabhängig Funktionen über der Zeit! - Zustand: Wert aller Funktionen zu einem gegebenen Zeitpunkt - Trajektorie: Veränderung des Zustandes in der Zeit Festlegung: überwachte und geregelte Variablen (monitorierte und kontrollierte Größen)

4 Folie 4 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Beispiel Füllstandsregelung informelle Anforderungen: Wenn f < min, Zulauf einschalten Wenn f > max, Zulauf ausschalten Stellvertretend für Heizungsthermostat, Batterieladegerät, Dämmerungslicht, … Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min VariableTypBeschreibung Werteber eichEinheit Bemerku ng fmFüllstand0-100mm zcZulauf0-1 prozentuale Öffnung a Ablauf0-1 nicht zugänglich minkonstantMinimalfüllstand86mm maxkonstantMaximalfüllstand95mm

5 Folie 5 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Festlegung in Systemspezifikation Randbedingungen von der Natur oder vom Auftraggeber vorgegeben - z.B. physikalische Beschränkungen - z.B. Altsysteme, zu beachtende Restriktionen etc. Verantwortlichkeit des Auftraggebers! Steuerfunktionalität Abbildung von überwachten in gesteuerte Größen i.A. mehrdeutig, relational; Definitionsbereich von Randbedingungen eingeschränkt, Wertebereich gibt zulässige Trajektorien an Verantwortlichkeit des Systemingenieurs

6 Folie 6 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme im Beispiel Randbedingungen 0 f(t) h 0 < f(t) < h f´(t)= k 1 *z(t) – k 2 *a(t) Steuerfunktionalität als Klauseln f(t) min z(t) = 1 f(t) max z(t) = 0 als partielle Funktion 1 falls f(t) min z(t) = 0 falls f(t) max undef sonst als Abbildung C ={(f(t), z(t)) | (f(t) min z(t) = 1) (f(t) max z(t) = 0)} Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min

7 Folie 7 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Trajektorienbereiche intendierte, erlaubte und verboten t

8 Folie 8 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme im Beispiel Zulauf sei kontinuierlich regelbar (0 z(t) 1); der Füllstand sollte möglichst nahe an soll=(min+max)/2 gehalten werden intendiertes Verhalten: je näher der Füllstand bei soll ist, desto mehr wird der Zulauf geschlossen erlaubtes Verhalten: voller Zulauf bis soll erreicht wird, dann zu (oszilliert, ruiniert auf Dauer das Ventil) verboten: max wird irgendwann überschritten und Ventil ist auf gesucht: sanfte Regelung (PID) Füllstandsanzeiger Zulauf Ablauf max min

9 Folie 9 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Katze-und-Maus-Problem fängt die Katze die Maus oder nicht? (trifft die Abwehrrakete das Projektil oder nicht?)

10 Folie 10 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Modellierung Differentialgleichungssystem für diese Variablen Ziel (x z,y z ) Katze Geschwindigkeit v k Position (x k (t),y k (t)) Konstante: v k, v m, x z, y z, x m (0), y m (0), x k (0), y k (0) Geschwindigkeitsvektor Maus v m 2 = x m 2 +y m 2 x m = x z -x m (0), y m = y z -y m (0) d mz = sqrt( x m 2 + y m 2 ) x m / v m = x m / d mz, y m /v m = y m / d mz Geschwindigkeitsvektor Katze v k 2 = x k 2 +y k 2 x k = x m -x k, y k = y m -y k d km = sqrt( x k 2 + y k 2 ) x k / v k = x k / d km, y k / v k = y k / d km Maus Geschw. v m Pos. (x m (t),y m (t))

11 Folie 11 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Datenflussmodellierung Beispiel ist stark datenorientiert Kontrollfluss nur zum Abbruch Modellierung durch Datenflussdiagramm jede Leitung entspricht einer Variablen Konstante als spezielle Variable Integratoren Rückkoppelungen

12 Folie 12 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme

13 Folie 13 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Simulationsergebnis

14 Folie 14 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme

15 Folie 15 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Abstraktion Hauptstärke von SimuLink besteht in der Möglichkeit, Blöcke zusammenzufassen Abstraktion von Verhalten baumartige Navigation Parametrisierung Modulbibliotheken externe Erweiterungen Codeanbindung Modelltransformation und –entwicklung!

16 Folie 16 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Crashkurs Regelungstechnik Allgemeines Schema eines Regelkreises: © Prof. Dr.-Ing. Ch. Ament Eingebettetes System: System Umgebung

17 Folie 17 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme

18 Folie 18 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Reglerklassen Proportionaler, integraler und differentialer Anteil bei der Regelung P-Regler: u(t)=k*e(t) I-Regler: u(t)=k* e(t) dt D-Regler: u(t) = k*e (t) PI-Regler: u(t) = k 1 *e(t) + k 2 * e(t) dt PD-Regler: u(t) = k 1 *e(t) + k 2 *e (t) PID-Regler: u(t) = k 1 *e(t) + k 2 * e(t) dt + k 3 *e (t) u(t) = K P *[e(t) + 1/T I * e(t) dt + T D *e (t)] K P : Proportionalbeiwert, T I : Nachstellzeit, T D : Vorhaltezeit Ziel: Vermeidung bzw. Dämpfung von Überschwingungen Reiner Differenzierer nicht realisierbar (Verzögerung!)

19 Folie 19 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme informell PID-Regler: P(proportionaler) Anteil: Je größer die Regelabweichung, umso größer muß die Stellgröße sein I(integraler) Anteil: Solange eine Regelabweichung vorliegt, muß die Stellgröße verändert werden D(differentieller) Anteil: Je stärker sich die Regelabweichung verändert, umso stärker muß die Regelung eingreifen

20 Folie 20 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme PID in Simulink Als fester vorgegebener Block verfügbar!

21 Folie 21 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Einstellung des Reglers Erst den proportionalen Anteil einstellen erhöhen bis leichte Oszillation auftritt Dann integralen Teil hochregeln solange bis die Oszillation aufhört Dann differentiellen Anteil damit Zielgerade möglichst schnell erreicht wird ParameterAnstiegszeitÜberschwingungEinschwingzeitAbweichung P I D

22 Folie 22 H. Schlingloff, SS2011 – modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Beispiel Wasserstandsregelung


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