Design durch Modellierung

[Hellmut]

Hallo Freunde, seit nun vielen Jahren arbeite ich an meinem Projekt des „Schwimmenden Roboters”, einem Modellsegelboot, angelehnt an die Segelboote der J-Klasse, welche die ganz Reichen zu Beginn des letzten Jahrhunderts bauen liessen. Im Zusammenhang mit diesem Projekt habe ich vor jetzt schon einer ganzen Menge Jahren mit Microcontroller beschäftigt und damals die Produkte von „RobotikHardware.de” fleissig eingesetzt. Ziel bei diesem Projekt ist es ihn als „Roten Faden” zu betrachten, welcher mich mit den unterschiedlichsten Technologien in Berührung gebracht hat und sicher weiter bringen wird.

Im Rahmen dieses Projektes habe ich mir ein eigenes system zur Schotsteuerung ausgedacht, dass sind jene „Seile” durch welche man die Bewegung der Segel kontrolliert. Meine Herausforderung ist es, wie beim Original, die Schot, welche dort 6x vom Deck zum Baum und zurückgeht, so zu steuern, dass ich einerseits die für den Modellbau enorme verstelllänge der Schot von etwa 840 cm ermögliche, andererseits auch verhindere das lose Schot sich auf Deck oder sonstwo verhakt oder verknotet. Zu guter letzt soll das System auch die best mögliche Energieeffizienz erreichen. Nun setze ich hier einen großen Hybrid-Schrittmotor ein, welcher durch ICs der Firma Trinamic aus Hamburg gesteuert wird. Schon beim Reflektieren über das System bei meinen täglichen Sparziergängen mit dem Hund kam ich auf mehrere Aspekte die einerseits einen großen Einfluss auf das Systemdesign haben werden, aber auch darauf, dass es im system versteckt wohlmöglich weitere wichtige aspekte geben kann die ich entweder noch nicht erfasst habe, oder wo ich die Tragweite von Entscheidungen nicht wirklich qualitativ und quantitativ auch experimentell schlecht überprüfen kann. Natürlich kann man das system einfach bauen und sehn was passiert!

Ich bin also irgendwann auf Matlab und Simulink gestoßen und festgestellt, dass man mit einem solchen Werkzeug auch Fragen klären könnte, welche die Hinweise von anderen Schiffsmodellbauern warum das System nicht funktionieren wird zu untersuchen. Diese hervorragenden und mächtigen Werkzeuge, absolut vergleichbar sind auch Maple und MapleSim, haben aber die lästige Eigenschaft extrem teuer zu sein und Privatpersonen, außer sie schreiben sich zu diesem Zweck an der Uni ein wo es Studentenlizenzen billig bis kostenlos für die dauer des Studiums gibt. So bin ich nun seit einiger Zeit dabei zu prüfen ob die Produkte aus dem Hause Wolfram, Mathematica und SystemModeler, von welchen man sich nicht kommerzielle Lizenzen zu vertretbaren Preisen als Privatperson leisten kann. Leider ist die hier verfügbare Dokumentation davon geprägt den einsatz der Software in der traditionellen Weise zu beschreiben. Mir schwebt vor eigentlich so was wie „Hardware-in-the-loop” und „Software-in-the-loop” zu verwenden, die dann durch die Fähigkeiten von Mathematica und SystemModeler ergänzt, die interessanten Möglichkeiten der Simulation und Verifikation dafür z nutzen einerseits das System sehr exakt zu modellieren, wodurch mein Verständnis des Systems zur Schotsteuerung hinreichend vertieft werden kann. Auf der anderen Seite kann man die Modelle dort mit Daten aus den externen hardware und Softwaresystemen füttern, wie auch aus den Messungen von Experimenten.

Ich bin der Meinung das Wolfram mit seinen 2 Produkten diesen in der Zukunft großen Markt sich eröffenen will, aber doch noch sehr in den Kinderschuhen steht, vergleicht man es mit der Produktreife der anderen 2 Anbietern. Diese Situation fördert aber die Bedeutung der Sprache und Programmierumgebung von „Modelica” und ihrem zusammenspiel mit dem Produkten von Wolfram. Wer sich über „Modelica” informieren will, der findet bei OpenModelica.org sowohl die kostenlose Software, wie auch umfangreiche Informationen. Man findet aber auch schön aufgearbeitete Informationen wenn man im Web bei MapleSim sich informiert. Dort lernt man auch über die Unterschiede und Vorteile/Nachteile von „kausalen” und „akausalen” Objekten in der Modellierung von Systemen. Ich war auf der Messe Electronica hier in München und musste feststellen, dass die Kenntnis über die Technik des Design durch Modellierung noch nicht vorhanden ist und wurde so mit der Frage konfrontiert, was wäre hier neu und komplett anders als bei der Modellierung mit Spice? Die Antwort in aller Kürze addressiert 2 Aspekte. Erstens erlaubt die Technik durch Modellierung die Modellierung von Systemen die unterschiedliche technische Domains verwenden, also z.B. Elektronik und Mechanik, und/oder Pneumatik und Hydraulik, Thermodynamik, usw.. Die Objekte werden über sogenannte "connectors verbunden. Der zweite Aspekt, und das kommt letztlich ganz wesentlich von „Modelica”, können Systeme auf die traditionelle Weise mit „kausalen” Objekten beschrieben werden, aber eben auch mit „akausalen” Objekten. Kausale Objekte sind Elemente einer Systemmodellierung, wo es eine „Flussrichtung” gibt, also ein definiertes Input, es erfolgt eine bearbeitung und als Ergebnis entsteht ein Output, ganz traditionelle aus der Regelungstechnik bekannte Sachverhalte. Bei akausalen Objekten gibt es keine Flussrichtung. Vedeutlichen tue ich diesen Unterschied gerne durch das Beispiel einer einfachen Schaltung, welche einen Gleichstrommotor betätigt. ich lege eine Spannungsversorgung an einen Motor und dieser wandelt die elektrische Energie in eine Drehbewegung und ein Drehmoment um. Trenne ich diese schaltung von der Spannungsquelle und drehe die Motorachse, so wird der Motor zum Generator. Eine kausale Schaltungsmodellierung für den fall einer Betätigung des Gleichstrommotors durch Anlegen einer Spannungsversorgung könnte so nicht verwendet werden den 2. fall zu modellieren. Realisiert man die Schaltung aber mit akausalen Objekten, dann ist auch der 2. Fall für die Schaltungsmodellierung weitestgehend wiederverwendbar. Die Verwendung von akausalen Elementen in einer Schaltungsmodellierung, gerade auch wenn diese unterschiedliche Domains abdeckt stellt aber besondere Anforderungen an die Umgebung in welcher die Modellierung abgearbeitet wird

Wer sich ein wenig in die auf der Webseite von Trinamic verfügbaren Informationen umschaut und dazu die Videos z.B. in ihrem YouTube-kanal anschaut, der wird feststellen, dass die produkte und die IDE von Trinamic es möglicht macht Steuerparameter z setzen, welche einen gewaltigen Einfluss auf den Betrieb eines Schrittmotors haben, von welchen man sonst praktisch nirgendwo was liest oder hört und welche aber sowohl für die mechanische Funktion des Schrittmotors in meiner Schotsteuerung eines gewaltigen Einfluss haben, aber eben auch auf die Energieeffizienz.

In diesem ersten beitrag möchte ich feststellen, ob es hier im Forum Personen gibt die mit der Technik des Designs durch Modellierung sich auskennen oder aber nur ein Interesse haben sich damit zu beschäftigen.

[Rabenauge]

Hm, das meiste von deinen Darlegungen sind für mich eher böhmische Dörfer, aber ich benutze seit vielen Jahren ne 3D-Suite, um mal eben schnell Kleinigkeiten abzuklären (wird das Servo da rein passen??), oder auch schon mal, um was vom Äusseren her zu entwerfen.
Das Programm meiner Wahl ist Blender- kostenlos zu haben, allerdings für nen Einsteiger wohl unüberschaubar (ich benutze auch noch ne ältere Version, da sie weit intuitiver war als die jetztigen). Einfache Physiksimulationen sind da ebenso drin, wie komplette Riggs, Animationen, Texturierungen- bis hin zu kompletten Videoproduktionen hat Blender alles drauf.
Im Modelling unschlagbar, wenn man es mal drauf hat (ich hab früher mit 3D-StudioMax gearbeitet, von der Bedienung her jämmerlich gegen Blender), aber eben nicht ganz einfach zu erlernen.
Dafür aber kann ich damit recht einfach auch Daten für nen 3D-Drucker, ne Fräse oder nen Laser erstellen, da Blender alle üblichen Formate nebenbei beherrscht.
Aktuell sitze ich grad an nem Projekt, bei dem kompliziertere Formen später aus Platten gefräst werden sollen (nen paar Dutzend Einzelteile) , da man alles vorab zusammenbauen kann, ist es ne echte Hilfe- was dann später aus der Fräse purzeln wird, das passt.
Zudem weiss ich schon, wie das fertige "Spielzeug" dann aussehen wird, weil ichs realistisch texturieren kann.

[Hellmut]

Hallo Rabenauge, ne das was man mit 3D und mit Blender macht haben mit dem Thema nichts, oder nur sehr wenig zu tun. Ja, ich bin gerade dabei meine Mathe-Kenntnisse aufzufrischen und lerne die Calculus Kurse von der MIT via OpenCourseware. Aber trotzdem auch weiter viel Erfolg bei dem was du machst! Zu den böhmischen Dörfern! Ja, Design durch Modellierung ist eine Technologie die im 21. Jahrhundert gewaltig an Bedeutung gewinnen wird und gibt auch unserem Hobby die Möglichkeit bei der Gestaltung von Lösungen neue Wege zu beschreiten. Wären es also für dich keine böhmischen Dörfer, dann wäre es ja auch nichts neues.

Ich beschäftige mich seit Anfang des Jahres im Zusammenhang mit meinem Projekt der Schotsteuerung für meinen Segler Carina damit. Entscheidend war, dass ich darin die Möglichkeit sah, nicht nur die diversen Warnungen die Funktion meiner Schotsteuerung, so wie geplant zu realisieren und das ich beim Reflektieren darüber auf wichtige Aspekte getoßen bin, welche die Art der Lösung wesentlich beeinflussen. Als ich dann die Fähigkeiten und daraus resultierenden Möglichkeiten der Anwendung der Software von oben genannten kommerziellen Anbietern stieß, wurden zum Beispiel die Frage der energieeffizienten Lösung, die eventuell auch dazu führen kann keine elektrisch zu lösenden mechanischen Bremsen vorzusehen. Ich bin also auch nicht über Nacht auf das Thema gestoßen.

Zuerst war mir klar, dass ich meine mathematischen Kenntnisse dafür aktualisieren und beträchtlich erweitern müßte, was mir vermutlich für einen begrenzten Zeitraum als Student den kostenlosen Zugriff auf diese Software ermöglichen würde. Heute weiss ich, dass zwar die akademischen Kenntnisse nicht so weit fassbar sein müssen wie ich es verfolge, aber die Beschäftigung damit hat meinen Appetit geweckt und macht mir sehr viel Spaß. Heute gehe ich davon aus, dass ich auf den Weg zu dem Erwünschten, weit über die notwendigen Kenntnisse hinaus reichendem Wissen gehen werde, Bachelorstudiengänge der Mathematik, der Physik und der Elektrotechnik anpeile. Gerade bei der Mathematik sind die Kurse der sogenannten "reinen Mathematik" und der diskreten und numerischen Mathematik nützlich. Sie sind das Rüstzeug. Das Physikstudium ist gerade im Rahmen der klassischen Mechanik die Anwendung der Mathematik auf die physikalische, reale Welt in welcher mein Segelboot sich bewegen wird und wo die Schotsteuerung äußeren Einflüssen ausgesetzt ist. Beim Elektronikstudium sind insbesondere die Regelungstechnik von großer Bedeutung, aber auch die Systemtechnik, wo kausale und akausale Objekte in der Modellierung verwendet werden. Hier kann man viel dazu an Information finden! Natürlich ist das was man an digitaler und analoger Elektronik in dem Studiengang lernt, ergänzt sich übrigens wunderbar mit entsprechenden Kursen aus dem Physikstudium aus meiner praxis des einsatzes von Elektronik in meinem projekt bereits angetastet worden. Elektronik als Technik im Schiffsmodellbau verfolge ich ja seit etwa einem Jahrzehnt und habe in meiner Werkstatt mir auch ein schönes Elektroniklabor aufgestellt.

Übrigens möchte ich nicht vergessen den Verweis auf die Webseite "Openmodelica.org" zu machen. Modelica ist vermutlich die Sprache die zur Modellierung von allen Anbietern verwendent wird und es gibt dort auch eine kostenlose Modelica Entwicklungsumgebung!

Also Rabenauge, kein Wunder dass du viele böhmischen Dörfer siehst, auch mir ist vieles noch ein böhmisches Dorf. Ja ich bin mir im Laufe dieses Sommer bei meinen Recherchen häufig wie ein Analfabet vorgekommen, da man ohne gewisse mathematischen Kenntnisse, das geht schon mit den Symbolen in mathematischen Aussagen los, ich mich wie jemand vorgekommen bin der Komik Magazine liest, weil er dort über die Bilder etwas davon versteht worum es geht, da er nicht lesen kann!

[ranke]

Hallo Hellmut,
ich hatte mal bei der Entwicklung eines Temperaturreglers für einen kleinen Ofen spice für die Simulation des elektrischen Teils verwendet. Da ich unsicher war und die Sache nicht mehrmals aufbauen wollte habe ich mit (angenommenen) Werten für die thermischen Zeitkonstanten des Ofens eine PT2-Rückführung vom Schaltausgang des Reglers auf den Temperatursensor simuliert. Das geht im Stile eines Analogrechners mit Operationsverstärkern in spice recht gut. Vorteilhaft gegenüber einem echten Analogrechner ist die Tatsache, dass man beliebig ideale Bauteile in der Simulation verwenden kann.
Sicherlich kann man auch mechanische Effekte (z.B. Feder-Masse-Systeme) ganz ähnlich in spice nachbilden, man muss in erster Linie die Analogien zwischen den mechanischen und den elektrischen Bauteilen und Größen finden. Störgrößen könnte man durch geschaltete Strom- oder Spannungsquellen realisieren. Spice gibt zwar nicht den Funktionsumfang und Bedienungskomfort von Matlab her, dafür ist es freeware.
Gruß,
Uli

[Hellmut]

Hallo Uli, schau dir mal die IDE zu Modelica bei Openmodelica.org an, auch für die muss man nichts bezahlen! Die Mächtigkeit der Werkzeuge geht nach meiner Überzeugung weit über das was man mit Spice machen kann, insbesondere wenn man komplexere Systeme modellieren will. Ich kann auch nur auf den Link diesen Link nochmals verweisen, der so denke ich einen ganz brauchbaren Überblick gibt was letztlich auch mit der IDE bei OpenModelica.org erreicht werden kann:

http://www.maplesoft.com/support/hel...uide/Chapter01

Ich bin mehrfach mit der Fragestellung konfrontiert worden, was der Unterschied des Design durch Modellierung und der Verwendung von Modelica zu Software wie Spice ist! Ich denke der Link direkt hier drüber gibt detaillierte Auskünfte und die Möglichkeit sich schlau zu machen, aber auf einen Punkt gebracht: Ich denke es ist die Art wie Multidomainsysteme modelliert werden können und welche Simulationen dadurch effizient möglich werden! Prompt stellt sich natürlich die Frage was heisst Multidomain in diesem Zusammenhang? Unter Domain versteht man hier unterschiedliche Technologien, also Elektronik, translatorische und rotatorische mechanische Systeme, Pneumatik, magnetische, usw. . In Modelica übernimmt die IDE die wohl recht komplexe Aufgabe die über das Element "Connector" genannt verbundenen Blöcke auch aus den unterschiedlichen Domains zusammenzuwirken. Das, verbunden mit den Vorteilen der Verwendung akausaler Blöcke, ist vermutlich die Grundlage welche die Mächtigkeit möglich macht. Maple, Matlab und auch Wolfram mit Mathematica greifen auf die Funktionalität von Modelica zu!

[Hellmut]

Kurz für diesen Thread, es gibt jetzt von Mathworks, Matlab usw. ebenfalls nicht kommerziell zu nutzende Versionen sehr günstig!

[drew]

Hi,
mir fällt zu dem Thema auch noch SciLab ein. Hier eine Beschreibung auf Wikipedia:
http://de.wikipedia.org/wiki/Scilab

Gruß,
Drew

[Hellmut]

Ich habe mir sowohl Scilab auf den rechner geladen, wie auch im Internet dazu mich informiert. Da ja meine Zielsetzung einen starken Fokus auf die Modellierung eines Systems mit den unterschiedlichsten Domains gesetzt ist und matlab/Simulink hier definitiv ein führender Anbieter ist, warte ich auf das Erscheinen der neuen Version 2015a und werde mich zuerst darauf konzentrieren zu verstehen wie Matlab/Simulink mit dem Paket für den Raspberry Pi B+ funktioniert und dieses entsprechend analysieren. Ich habe auch gefunden, dass meine Kombi-Messgerät/Logik Analysator "Analog Discovery" ebenfalls unterstützt wird. Somit habe ich die Laborumgebung die ich brauche um meine Ziele erstmal zu verfolgen. Ich werde mich daher nicht mit Mathematica von Wolfram beschäftigen. da die Entwicklung der Software gerade in den für mich interessanten Bereichen in den letzten 2 Jahren enorm fortgeschritten ist, bin ich auf die Neuerungen gespannt. Bedauerlich ist aber, dass der Vertrieb in Deutschland immer noch sehr unkooperativ ist und offenbar nicht versteht, dass die Home-Edition den Markt für ihr Produkt weiter öffnet. Sie lassen es dich fühlen im Umgang! Von allgemeinen Interesse ist vielleicht noch, dass Mathworks keine Update-Möglichkeit für die Home-Edition anbietet, man also dann die Software neu kaufen muss! Auch kann man sie nur Online und per Kreditkarte kaufen!

[White_Fox]

Naja, Matlab kann man meiner Meinung nach vergessen wenn man keine Firma ist.
Wenn ich schon sehe wie überteuert die Studentenversion ist-und dann auch noch eingeschränkt in der Leistung.

Dass du da von miesem Service schreibst wundert mich nicht. Aber wen interessierts...Mathworks sind nicht die Einzigen, die Rechensoftware herstellen.

[Sisor]

Ich finde die aktuelle Octave Version 3.8.2 für Windoof ziemlich nett. Kostenlos und MATLAB kompatibel, mit Editor. Reglerentwurf geht da allerdings nur ohne 'Hübsch' ... äh SimuLink.