Modellierung: MATLAB – Simulink - Stateflow Stefan Rose srose@upb.de Uni Paderborn Seminar „SoftwareEngineering für softwareintensive Systeme“ SS 2006

Motivation MATLAB als Werkzeug zur modellbasierten Softwareentwicklung mehr als „nur“ MATLAB sehr mächtiges Werkzeug durch verschiedene Erweiterungen Automatische Codegenerierung Integriertes Testen  Zeitersparnis Eingesetzt in Industrie und Forschung Automobilbau Luft- und Raumfahrt Medizin Maschinenbau 4:43

Inhalt Grundlagen Modellierung Fazit Was ist MATLAB? MATLAB Erweiterungen Modellierung Modellbasierte Softwareentwicklung automatische Codegenerierung Anwendungsbeispiel Railroad Gate Controller Fazit Evaluation Grundlagen Modellierung Fazit 4:43

Was ist MATLAB? Abkürzung für „MATrix LABoratory“ Inhalt Abkürzung für „MATrix LABoratory“ Kernwerkzeug + Erweiterungen(Toolboxen) Grundlagen Modellierung Fazit 4:43

Kernwerkzeug MATLAB I Inhalt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Hochentwickelte Programmiersprache für technische Berechnungen Im Gegensatz zu Maple und Mupad aber rein numerisch Operationen werden auf Matrizen ausgeführt mathematische Funktionen (Algebra, Statistik, Filter, Analysen) MATLAB Umgebung Interpreter Visualisierung von Daten (2D/3D) Erweiterbarkeit durch Toolboxen Erschließung von versch. Anwendungsbereichen Finanzanalyse biologische Probleme Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Kernwerkzeug MATLAB II Inhalt Die Matlab Umgebung Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Simulink I Inhalt Interaktive Modellierung, Simulation und Analyse von dynamischen Systemen lineare, nicht-lineare und diskrete Systeme Modellierung durch Signalflusspläne / Blockdiagramme Signale können zu jedem Zeitpunkt abgegriffen werden Voll integriert in MATLAB Erweiterbarkeit durch Toolboxen Codegenerierung Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Simulink II Grafische Oberfläche zur Modellierung Blockdiagrammeditor Inhalt Grafische Oberfläche zur Modellierung Blockdiagrammeditor Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Simulink III Simulink S-Functions Simulink Bibliotheken Inhalt In Simulink eingebundener Code MATLAB, C, C++, ADA, Fortran Vorteile Verwendung von externem Code Einbinden von hardwarenahem Code (Treiber) Simulink Bibliotheken große Anzahl fertiger Blöcke Standard Logik, Filter, Sources, Signalverarbeitung Regelungstechnik, Vision, Kommunikation mit der Umgebung per Drag and Drop einzubinden Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Erweiterungen (Toolboxen) Inhalt Symbolic Math Toolbox Erweiterung von Matlab um Maple Syntax Optimization Toolbox Optimierung von Funktionen und Modellen Stateflow Erweiterung um Zustandautomaten Image Processing Toolbox Bildverarbeitung mit MATLAB (Filter etc.) Control System Toolbox Modellierung von Regelungen Communications Toolbox Kommunikationsnetze mit MATLAB Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Optimization Toolbox Methoden zur Optimierung von Funktionen Inhalt Methoden zur Optimierung von Funktionen Nullstellensuche Minimierung Maximierung Optimierung von Parametern eines Simulink Modells Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Stateflow I Stateflow Stateflow Coder Inhalt Stateflow Modellierung endlicher Zustandsautomaten Im Gegensatz zu Simulink eventgesteuert (Modellierung ereignisdiskreter Systeme) Generierung von Simulink S-Functions  Volle integriert in Simulink Stateflow Coder Erweiterung zur automatischen Codegenerierung aus Stateflow Modellen Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Stateflow II Stateflow Oberfläche Inhalt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Semantik Stateflow I Semantik ähnlich zu UML Statecharts Inhalt Semantik ähnlich zu UML Statecharts Erweiterungen: Steuerung von Übergängen und Ereignissen mit Hilfe temporaler Operatoren Condition Actions Ausführungsreihenfolge bei nicht deterministischen Automaten nicht in Stateflow enthalten: Fork-Joins Synchronisationsconnectoren Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Semantik Stateflow II Inhalt Steuerung von Übergängen und Ereignissen mit Hilfe temporaler Operatoren before, after, at, every Condition Actions Ausführung in jedem Fall (vor Transition Action)   Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Semantik Stateflow III Inhalt Ausführungsreihenfolge bei nicht deterministischen Automaten grafische Anordnung im Editor entscheidet oben vor unten links vor rechts Transitionen mit Guard werden bevorzugt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung Fazit 4:43

Überblick Modellierung Inhalt Modellbasierte Softwareentwickling mit MATLAB/Simulink und Stateflow Hybride Modellierung Plattformunabhängig (Hardware-in-the-loop) Simulation Möglichkeit zur automatischen Codegenerierung Beispielhafte Modellierung eines Systems anhand des Railroad Gate Controllers Simulink Umgebungs-Modell Stateflow Diagramm Simulation Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Modellierung I Modellierung hybrider Systeme Simulationen Inhalt diskrete und kontinuierliche Modelle mit Simulink möglich / auch in Kombination bei eingebetteten Systemen oftmals aufgrund der Umgebung nötig Echtzeitumgebungen können so modelliert werden Simulationen Hardeware-in-the-Loop Modelle beschreiben die Hardware Software-in-the-Loop Hardware wird simuliert Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Modellierung II Automatische Codegenerierung mit MATLAB/Simulink Inhalt Automatische Codegenerierung mit MATLAB/Simulink Real-Time Workshop diskrete, kontinuierliche und hybride Modelle RTW Embedded Coder Stateflow Coder Zustandsdiagramm <-> C-Code TargetLink Externes Tool von DSPACE verschiedene Simulationsmöglichkeiten Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Anwendungsbeispiel Railroad Gate Controller Inhalt Railroad Gate Controller x beschreibt die Position des Zuges (in m) initialisiert mit 5000 v = x‘, Geschwindigkeit Zug y beschreibt die Position der Schranke (in °) initialisiert mit 90 vSchranke = y‘, Geschwindigkeit Schranke (x>1000)  v= 50, vSchranke= 0 x<=1000  v= 30, vSchranke= -9 (bis y= 0) x<= -100  v= 5, vSchranke= +9 (bis y= 90) Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Railroad Gate Controller I Inhalt Modellierung des Zustandautomaten Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Railroad Gate Controller II Inhalt Schnittstellen Input x : die Entfernung zum Bahnübergang y : die Position der Schranke z : laufende „Zeit“ um Delay u einzuhalten u : Konstante (Delay) Outputs v = x‘: Geschwindigkeit Zug vSchranke = y‘ : Geschwindigkeit Schranke Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Railroad Gate Controller III Inhalt Simulink Modellierung Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Modell/Verhalten des Zuges Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Modell/Verhalten der Schranke Fazit RG Controller als Zustandautomat 4:43

Simulation Railroad Gate Controller IV Inhalt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Fazit Inhalt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Mächtiges Programm zur Modellierung und Simulation von kontinuierlichen, diskreten und hybriden Modellen Starke Erweiterbarkeit durch sehr große Anzahl von Erweiterungen Anpassung an sehr verschiedene Aufgabenbereiche Medizin Robotik Automobilbau Große Verbreitung in der Industrie spart Zeit und Kosten Software gewinnt an Stabilität durch verschiedene Test weniger Fehler schneller am Markt Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel Fazit 4:43

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ende Inhalt Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Grundlagen Kernwerkzeug Simulink Erweiterungen Modellierung MDD Beispiel … Fragen? Fazit 4:43