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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
2
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Einführung• Einordnung/Motivation
Technisches System• Gesamtsystem• Problemstellung• Entwurfsaufgabe
Modellierung und Simulation• Methode• Aufzugsystem• Neuronales Netz
Zusammenfassung
Gliederung
3
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
GesamtsystemTechnisches System
5
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
9
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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)
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Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
• 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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fahrkurven-Generator
undDrehzahl-regelung
Kabine,Führung
Seilauf-hängung
Meßwert-erfassung
und-aufbereitung
Seilauf-hängung
feld-orientierteRegelung
Frequenz-Umrichter
Treib-scheibe
NeuronalesNetz
Gewicht,Führung
P
Gesamtsystem
Darstellung der Bauelemen-te (Teilsysteme) als Mehrpo-le mit Koppelgrößen
Modellierung
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Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fahrkurven-parameter
Kennwerte zur
Aufzug n
Ist-FahrweiseKennwerte zur Soll-Fahrweise
xG .
Aufzug 1
Fahrkurven-Generator
undDrehzahl-regelung
Seilauf-hängung
Meßwert-erfassung
und Aufberei-
Seilauf-hängung
feld-orientierteRegelung
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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Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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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Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Soll- Istverhalten der Kabi-nengeschwindigkeit
Systemverhalten Aufzug
Simulation
Soll
Ist
t
v
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Gemessene Kabinenge-schwindigkeit
Systemverhalten Aufzug
Simulation
v
t
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Seilkraft an der Kabine
Weg an der Kabine
Geschwindigkeit an der Kabine
DrehzahlvorgabeASM
Beschleunigung an der Kabine
Simulationsergebnisse für eine Kurzfahrt, Seillänge 40m
Systemverhalten Aufzug
Simulation
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Anlauf: Rucken bei Vorgabe kleiner Sollwerte
Einfahren: Positionierfehler oder Schwingungen
Einfluß der Führungsrei-bung auf das Verhalten an der Kabine
Systemverhalten Aufzug
Simulation
v
x
t
t
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IIS
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Training des Neuronalen Netzes
Simulation
.
Aufzugmodell
Stuttgart Neural Network Simulator (SNNS)
Schaltkreis- und SystemsimulatorKOSIM / SABER
Sim
ulat
orko
pplu
ng
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IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Modelle der Steuerung
STEUERUNG
Aufzug jFahrkurven-parameter
Kennwerte zur
Aufzug n
Ist-FahrweiseKennwerte zur Soll-Fahrweise
Aufzug 1Rufauswertung
Berechnung der Fahrkurven-parameter mit NN
C-CodeMAST
STEUERUNG
Aufzug jFahrkurven-parameter
Kennwerte zur
Aufzug n
Ist-FahrweiseKennwerte zur Soll-Fahrweise
Aufzug 1Rufauswertung
Berechnung der Fahrkurven-parameter mit NN
SNNS
24
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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
Fahrkurven-parameter
Kennwerte zur
Aufzug n
Ist-FahrweiseKennwerte zur Soll-Fahrweise
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
25
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
Gesamtsystemsimulation mit Neuronalem Netz
Simulation
Verkürzung der Fahrzeit durch NN-Einsatz
Einstellfahrten 1 bis 7
Kabinenfahrweg[m]
Kabinengeschwindigkeit [m/s]
sinkende Fahrzeit
26
IIS
Fraunhofer InstitutIntegrierte Schaltungen
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