Die Arbeit stellt eine Methodik zur modellbasierten Spezifikation und Analyse des Zeitverhaltens eines Systems mit UML (Unified Modeling Language) vor. Durch Stereotypen und Tags des Profile for Schedulability, Performance and Time (SPT) werden die erforderlichen Eigenschaften beschrieben. Als Eingangsinformation dient das UML-Modell des zu entwerfenden Systems. Die Analyse liefert eine Aussage über die Einhaltung von Zeitconstraints als Ganzes. Bei Verletzungen erfolgen elementbezogene Kommentare. Damit wird mit standardisierten Mitteln eine Analyse des zeitbezogenen Systemverhaltens vor den Partitionierungsentscheidungen möglich. Die Modellierung erfolgt im Tool Real-time Studio (RtS) der Firma Artisan Software Tools, Inc.

In der modellbasierten Softwareentwicklung für eingebettete Systeme werden verschiedene Werkzeuge und Sprachen aus heterogenen Modelldomänen verwendet. Eine Modelldomäne bezeichnet in dieser Arbeit eine Menge von Modelltypen, die das gleiche Meta-Modell besitzen oder sich in diesem nur geringfügig unterscheiden. Es werden also Werkzeuge mit verschiedenen Schwerpunkten verwendet, deren Modellen völlig unterschiedliche Meta-Modelle zugrunde liegen. Bei umfangreichen Systemen kann eine beliebige Anzahl von Modellen mit enthaltenen Teilaspekten und Subsystemen entstehen, die von mehreren Projektbeteiligten realisiert werden. Beim Erstellen der Modelle wird häufig vernachlässigt, Anforderungen an das Zeitverhalten zu berücksichtigen und Modellelemente mit von Anforderungen abgeleiteten Zeiteigenschaften zu versehen. Dabei gehören Anforderungen an das Zeitverhalten zu den wichtigsten, nicht-funktionalen Anforderungen und deren Verletzung kann kritische Folgen haben. Es ist daher empfehlenswert, Zeiteigenschaften wie Ausführungszeiten und Zeitschranken in frühen Entwicklungsphasen direkt bei Modellelementen zu spezifizieren. Mit Werkzeugen zur Analyse von Zeitverhalten kann dann eine Simulation bezüglich des Zeitverhaltens vorgenommen werden und dieses validiert werden. Um die Analyse vornehmen zu können, muss schließlich ein Überführen der Zeiteigenschaften aus verschiedenen Modelldomänen zum Analysewerkzeug durchgeführt werden. Das Gesamtsystem kann nur validiert werden, wenn sämtliche Zeiteigenschaften aus allen Teil-Modellen berücksichtigt und zusammengeführt werden. Dabei können in Modellen auch redundante Informationen vorliegen. Um diese konsistent zu halten und zu synchronisieren, muss es möglich sein, zwischen Zeiteigenschaften Abhängigkeiten zu erfassen und diese verfolgen zu können. Im Fokus dieser Arbeit ist daher ein Konzept zu erarbeiten, das ein Zusammenführen und Verfolgen von Zeiteigenschaften über heterogene Modelldomänen ermöglicht. Eine besondere Herausforderung ist, dass die Zeiteigenschaften in unterschiedlichen Modelldomänen auf gänzlich verschiedene Weise beschrieben werden. Im Lösungskonzept dieser Arbeit werden ein zusätzliches Zeit-Zwischenmodell, auf dessen Basis das Zusammenführen durchgeführt wird, und ein Kopplungsmodell zur Verfolgbarkeit erarbeitet. Zu berücksichtigen ist, dass Zeiteigenschaften in mehreren Modellen gleichzeitig vorliegen können, sodass die Herausforderung vorliegt, über heterogene Modelldomänen deren Konsistenz sicherzustellen.

Ständig steigende Anforderungen an industrielle Anlagen, wie zum Beispiel ein höherer Durchsatz oder mehr Flexibilität, führen zu einer gesteigerten Komplexität dieser Systeme. Zusätzlich verlagert sich immer mehr Funktionalität aus dem Hardware- in den Softwarebereich, so dass dessen Bedeutung stetig zunimmt. Diesem Wandel mit wettbewerbsfähiger Entwicklungszeit zu begegnen, ist eine der wichtigsten Herausforderungen im Automatisierungssektor. Einen Ansatz hierzu stellt die Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden dar. Während in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses modellbasierte Methoden zunehmend häufiger eingesetzt werden, besteht vor allem in den späteren Entwicklungsphasen sowie in der Phase des Betriebs erheblicher Nachholbedarf. In diesem Beitrag werden zunächst die bereits heute in der Praxis verwendeten Methoden am Beispiel einer komplexen Roboterkinematik vorgestellt. Anschließend wird im Wesentlichen die Phase des Betriebs betrachtet und dargestellt, welche Mehrwerte sich durch die Verwendung so genannter Smart Services auf Basis der bereits vorhandenen physikalischen Simulationsmodelle ergeben.

Die Arbeit stellt eine Methodik zur modellbasierten Spezifikation und Analyse des Zeitverhaltens eines Systems mit UML (Unified Modeling Language) vor. Durch Stereotypen und Tags des Profile for Schedulability, Performance and Time (SPT) werden die erforderlichen Eigenschaften beschrieben. Als Eingangsinformation dient das UML-Modell des zu entwerfenden Systems. Die Analyse liefert eine Aussage über die Einhaltung von Zeitconstraints als Ganzes. Bei Verletzungen erfolgen elementbezogene Kommentare. Damit wird mit standardisierten Mitteln eine Analyse des zeitbezogenen Systemverhaltens vor den Partitionierungsentscheidungen möglich. Die Modellierung erfolgt im Tool Real-time Studio (RtS) der Firma Artisan Software Tools, Inc.

Ständig steigende Anforderungen an industrielle Anlagen, wie zum Beispiel ein höherer Durchsatz oder mehr Flexibilität, führen zu einer gesteigerten Komplexität dieser Systeme. Zusätzlich verlagert sich immer mehr Funktionalität aus dem Hardware- in den Softwarebereich, so dass dessen Bedeutung stetig zunimmt. Diesem Wandel mit wettbewerbsfähiger Entwicklungszeit zu begegnen, ist eine der wichtigsten Herausforderungen im Automatisierungssektor. Einen Ansatz hierzu stellt die Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden dar. Während in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses modellbasierte Methoden zunehmend häufiger eingesetzt werden, besteht vor allem in den späteren Entwicklungsphasen sowie in der Phase des Betriebs erheblicher Nachholbedarf. In diesem Beitrag werden zunächst die bereits heute in der Praxis verwendeten Methoden am Beispiel einer komplexen Roboterkinematik vorgestellt. Anschließend wird im Wesentlichen die Phase des Betriebs betrachtet und dargestellt, welche Mehrwerte sich durch die Verwendung so genannter Smart Services auf Basis der bereits vorhandenen physikalischen Simulationsmodelle ergeben.

Ein geringer Treibstoffverbrauch ist aufgrund von ökologischen und ökonomischen Zielen für die zivile Luftfahrt von großer Bedeutung. Daher werden seit Jahrzehnten konventionell hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt. Dieser Trend wird auch als „More Electric Aircraft (MEA)“ bezeichnet. In bisherigen Studien waren MEA-Architekturen zwar effizienter, jedoch deutlich schwerer als die konventionellen Architekturen. Basierend auf ökonomischen Modellen wird in der vorliegenden Arbeit die modellbasierte Entwicklung eines intelligenten Energiemanagements für Flugzeug-Energiesysteme demonstriert. Das Energiemanagement ermöglicht eine deutliche Reduktion der Systemmasse, verbessert die Energieeffizienz und kann damit den Treibstoffverbrauch eines MEA beträchtlich reduzieren. Insbesondere durch die integrierte und frühzeitige Entwicklung des Energiemanagements mit dem elektrischen System in der Modellbeschreibungssprache Modelica lassen sich die Systemkomponenten mit realistischen Lastprofilen dimensionieren und dadurch die Systemmasse reduzieren. Anhand eines elektrischen Referenzsystems wird das Optimierungspotenzial des Energiemanagements bezüglich Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung quantifiziert und am Systemmodell validiert. Es ergibt sich für das Systemmodell eine Reduktion der Systemmasse um 32 % sowie eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die multiphysikalische Implementierung des Energiemanagements lässt sich dieses auch für das thermische Management im Flugzeug verwenden. Hierbei kann eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz für die Bereitstellung von Kühlleistung erzielt werden. Aufgrund der erreichten Vorteile sollte ein Energiemanagement bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeugenergiesysteme in Betracht gezogen werden. Insbesondere beim MEA existiert ein großes Optimierungspotenzial durch das Energiemanagement. Die Ausführungen in der vorliegenden Arbeit sollen als Motivation für die Flugzeugindustrie dienen, mit realistischen Lastprofilen zu dimensionieren und die modellbasierte und integrierte Entwicklung eines Energiemanagements mit den Energiesystemen bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. / Low fuel consumption is a major concern in civil aerospace due to environmental and economic objectives. Hence, conventional hydraulically or pneumatically driven aircraft systems have been replaced by electrically driven systems for decades. This trend is also known as More Electric Aircraft (MEA). In former studies, MEA architectures were more efficient, but much heavier than their conventional counterparts. The present work demonstrates the model-based development of intelligent energy management algorithms for aircraft energy systems based on economic models. This energy management facilitates a significant reduction of system mass, improves energy efficiency and can hence reduce fuel consumption of MEA considerably. In particular, the integrated development of an energy management along with the electrical system in the Modelica modelling language enables sizing of system components with realistic load profiles. Hence, this reduces the system mass. The optimization potential of the energy management is quantified and validated by means of an electrical reference system model. Applying the energy management, the mass of this system model can be reduced by 32 % and the energy efficiency can be improved slightly. Due to the multi-physical modelling of the energy management, it can also be applied to thermal management of aircraft systems. Thus, the energy efficiency of the cooling system can be improved significantly. As a result of the demonstrated benefits, an energy management should be considered for future development of aircraft energy systems. Especially for MEA, there is tremendous optimization potential for the energy management. Hence, the present work shall motivate aircraft industry to size aircraft systems with realistic load profiles and perform a model-based and integrated development of the energy management along with the electrical system in early phases of the system design process.

Ein Haupteinsatzgebiet der Großraummanipulatoren stellen Betonverteilermasten dar. Aufgrund der langen schmalen Armkonstruktionen fällt bei diesen Maschinen der Trend zum Leichtbau bezüglich der Dynamik besonders ins Gewicht. Um die Vorteile leichter Konstruktionen wie geringere Achslasten, geringerer Kraftstoffverbrauch und kleinere Antriebe nutzen zu können, werden Regelungen benötigt, die die Struktur stabilisieren und ein Schwingen der Mastspitze verhindern. Zur Systemanalyse und Regelungsauslegung wurde ein Mehrkörpermodell aus starren und elastischen Körpern sowie den notwendigen Hydraulikzylindern erstellt und durch Messungen validiert. Am Modell konnte gezeigt werden, dass die Regelung im letzten Gelenk die Schwingung an der Mastspitze maßgeblich beeinflusst und zur Schwingungstilgung eingesetzt werden kann. Hierfür wird die Bewegung des Verteilermastes durch eine Ausgleichsbewegung im letzten Gelenk kompensiert, sodass die Mastspitze keine starken Schwingungen ausführt. Die Schwingungen werden über Beschleunigungsmessung detektiert und nach entsprechender Filterung kann die Bewegung bestimmt werden. Mittels Sliding Mode Control erfolgt die Berechnung der schwingungsmindernden Zylinderkraft und garantiert somit Robustheit gegenüber Modellierungsungenauigkeiten und äußeren Störungen. Die Kraftregelung des Hydraulikzylinders wird anschließend über eine Integrator-Backstepping Regelung realisiert. Die resultierende Schwingungsminimierung beträgt in unterschiedlichsten Maststellungen bis zu 95%. / A special case of multi-link manipulators are truck mounted concrete pumps. Due to the lightweight design of the long and slender boom, it is vulnerable to vibrations. The advantages are smaller masses and therefore less actuation power which results in smaller actuators with less fuel consumption. In order to retain the advantages of lightweight design, special controllers are needed to stabilize the overall system and result in a vibration free motion of the boom tip. A multibody system with flexible bodies has been built in order to analyse the system's behaviour and to test and design appropriate control strategies. It could be demonstrated, that controlling only the last joint of the boom decisively effects the motion of the boom tip and is therefore suitable to suppress vibrations. The idea is to compensate the boom's motion by adjusting the last joint angle in a way, so that the boom tip stays at its initial position. In order to implement these findings and obtain a robust control three steps are necessary: the boom's motion must be measured and a vibration reducing force defined which has to be applied by the hydraulic actuator. The vibrations are detected by acceleration measurement and after appropriate filtering a joint angle trajectory can be determined. The cylinder force is found using Sliding Mode Control which guarantees robustness against modeling inaccuracies and external disturbances. A mathematical description of the last segment is necessary for the design of this nonlinear control strategy. The force control of the hydraulic cylinder is then implemented via backstepping control. The resulting vibration is minimized by this control by up to 95% at different boom positions.

Im Zuge der Globalisierung sehen sich produzierende Unternehmen mit einem kontinuierlich anwachsenden Wettbewerbsdruck konfrontiert. Aufgrund dessen sehen sich viele Marktakteure zu einer intensivierten Spezialisierung gezwungen, um auf kunden-individuelle Anforderungen eingehen zu können. Einen möglichen Lösungsansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet der Ansatz der Modularisierung. Hier wird allerdings nicht konkret ein Baukasten definiert, vielmehr werden verschiedene Alternativen generiert. Die Entscheidung, welcher Baukasten schlussendlich implementiert wird, fällt meist aufgrund einiger weniger Einflussfaktoren sowie maßgeblich durch Expertenentscheidungen. An dieser Stelle setzt der vorliegende Beitrag an. Um ein quantifizierbares und ganzheitliches Kriterium zur Unter-stützung der Auswahl modularer Baukastensysteme zu bieten, wird eine multifaktorielle Simulation eingesetzt. Einer der maßgeblichen Aspekte derer ist die beidseitige Inbezugnahme von sowohl Kunden- als auch Unternehmensperspektive. Dies wird v.a. durch die Verwendung eines dynamischen Produktkonfigurationssystems ermöglicht. Um die zugrundeliegenden, teils komplexen Produktarchitekturen datentechnisch konsistent und pflegbar zu halten, wird zusätzlich der Einsatz einer modellbasierten Datenstruktur aufgezeigt. Die Verwendung des Model-Based Systems-Engineering (MBSE) Ansatzes hilf dabei, die vielschichtigen Zusammenhänge des Modulbaukastens in einer konsistenten und maschinenlesbaren Form auszudrücken. Somit kann das Konfigurationssystem produktunabhängig auf die Ontologie der zugrundeliegenden Datenstruktur zugreifen. Für die Baukastensimulation wird dieses Konfigurationssystem rekursiv für mehrere Kundenanfragen und alternative Baukästen eingesetzt, um anschließend mittels eines geometrisch-mathematischen Algorithmus ein multi-dimensionales Entscheidungskriterium hinsichtlich der Baukasten-performance zu generieren.

Ein geringer Treibstoffverbrauch ist aufgrund von ökologischen und ökonomischen Zielen für die zivile Luftfahrt von großer Bedeutung. Daher werden seit Jahrzehnten konventionell hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt. Dieser Trend wird auch als „More Electric Aircraft (MEA)“ bezeichnet. In bisherigen Studien waren MEA-Architekturen zwar effizienter, jedoch deutlich schwerer als die konventionellen Architekturen. Basierend auf ökonomischen Modellen wird in der vorliegenden Arbeit die modellbasierte Entwicklung eines intelligenten Energiemanagements für Flugzeug-Energiesysteme demonstriert. Das Energiemanagement ermöglicht eine deutliche Reduktion der Systemmasse, verbessert die Energieeffizienz und kann damit den Treibstoffverbrauch eines MEA beträchtlich reduzieren. Insbesondere durch die integrierte und frühzeitige Entwicklung des Energiemanagements mit dem elektrischen System in der Modellbeschreibungssprache Modelica lassen sich die Systemkomponenten mit realistischen Lastprofilen dimensionieren und dadurch die Systemmasse reduzieren. Anhand eines elektrischen Referenzsystems wird das Optimierungspotenzial des Energiemanagements bezüglich Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung quantifiziert und am Systemmodell validiert. Es ergibt sich für das Systemmodell eine Reduktion der Systemmasse um 32 % sowie eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die multiphysikalische Implementierung des Energiemanagements lässt sich dieses auch für das thermische Management im Flugzeug verwenden. Hierbei kann eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz für die Bereitstellung von Kühlleistung erzielt werden. Aufgrund der erreichten Vorteile sollte ein Energiemanagement bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeugenergiesysteme in Betracht gezogen werden. Insbesondere beim MEA existiert ein großes Optimierungspotenzial durch das Energiemanagement. Die Ausführungen in der vorliegenden Arbeit sollen als Motivation für die Flugzeugindustrie dienen, mit realistischen Lastprofilen zu dimensionieren und die modellbasierte und integrierte Entwicklung eines Energiemanagements mit den Energiesystemen bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. / Low fuel consumption is a major concern in civil aerospace due to environmental and economic objectives. Hence, conventional hydraulically or pneumatically driven aircraft systems have been replaced by electrically driven systems for decades. This trend is also known as More Electric Aircraft (MEA). In former studies, MEA architectures were more efficient, but much heavier than their conventional counterparts. The present work demonstrates the model-based development of intelligent energy management algorithms for aircraft energy systems based on economic models. This energy management facilitates a significant reduction of system mass, improves energy efficiency and can hence reduce fuel consumption of MEA considerably. In particular, the integrated development of an energy management along with the electrical system in the Modelica modelling language enables sizing of system components with realistic load profiles. Hence, this reduces the system mass. The optimization potential of the energy management is quantified and validated by means of an electrical reference system model. Applying the energy management, the mass of this system model can be reduced by 32 % and the energy efficiency can be improved slightly. Due to the multi-physical modelling of the energy management, it can also be applied to thermal management of aircraft systems. Thus, the energy efficiency of the cooling system can be improved significantly. As a result of the demonstrated benefits, an energy management should be considered for future development of aircraft energy systems. Especially for MEA, there is tremendous optimization potential for the energy management. Hence, the present work shall motivate aircraft industry to size aircraft systems with realistic load profiles and perform a model-based and integrated development of the energy management along with the electrical system in early phases of the system design process.

Ein Haupteinsatzgebiet der Großraummanipulatoren stellen Betonverteilermasten dar. Aufgrund der langen schmalen Armkonstruktionen fällt bei diesen Maschinen der Trend zum Leichtbau bezüglich der Dynamik besonders ins Gewicht. Um die Vorteile leichter Konstruktionen wie geringere Achslasten, geringerer Kraftstoffverbrauch und kleinere Antriebe nutzen zu können, werden Regelungen benötigt, die die Struktur stabilisieren und ein Schwingen der Mastspitze verhindern. Zur Systemanalyse und Regelungsauslegung wurde ein Mehrkörpermodell aus starren und elastischen Körpern sowie den notwendigen Hydraulikzylindern erstellt und durch Messungen validiert. Am Modell konnte gezeigt werden, dass die Regelung im letzten Gelenk die Schwingung an der Mastspitze maßgeblich beeinflusst und zur Schwingungstilgung eingesetzt werden kann. Hierfür wird die Bewegung des Verteilermastes durch eine Ausgleichsbewegung im letzten Gelenk kompensiert, sodass die Mastspitze keine starken Schwingungen ausführt. Die Schwingungen werden über Beschleunigungsmessung detektiert und nach entsprechender Filterung kann die Bewegung bestimmt werden. Mittels Sliding Mode Control erfolgt die Berechnung der schwingungsmindernden Zylinderkraft und garantiert somit Robustheit gegenüber Modellierungsungenauigkeiten und äußeren Störungen. Die Kraftregelung des Hydraulikzylinders wird anschließend über eine Integrator-Backstepping Regelung realisiert. Die resultierende Schwingungsminimierung beträgt in unterschiedlichsten Maststellungen bis zu 95%. / A special case of multi-link manipulators are truck mounted concrete pumps. Due to the lightweight design of the long and slender boom, it is vulnerable to vibrations. The advantages are smaller masses and therefore less actuation power which results in smaller actuators with less fuel consumption. In order to retain the advantages of lightweight design, special controllers are needed to stabilize the overall system and result in a vibration free motion of the boom tip. A multibody system with flexible bodies has been built in order to analyse the system's behaviour and to test and design appropriate control strategies. It could be demonstrated, that controlling only the last joint of the boom decisively effects the motion of the boom tip and is therefore suitable to suppress vibrations. The idea is to compensate the boom's motion by adjusting the last joint angle in a way, so that the boom tip stays at its initial position. In order to implement these findings and obtain a robust control three steps are necessary: the boom's motion must be measured and a vibration reducing force defined which has to be applied by the hydraulic actuator. The vibrations are detected by acceleration measurement and after appropriate filtering a joint angle trajectory can be determined. The cylinder force is found using Sliding Mode Control which guarantees robustness against modeling inaccuracies and external disturbances. A mathematical description of the last segment is necessary for the design of this nonlinear control strategy. The force control of the hydraulic cylinder is then implemented via backstepping control. The resulting vibration is minimized by this control by up to 95% at different boom positions.