- Fallbeispiel Luftsystem -
Version: 1.0
Projektbezeichnung
SPES 2020
Verantwortlich
Bastian Tenbergen, Marian Daun (Universität Duisburg-Essen)
QS-Verantwortlich
Jens Höfflinger (Robert Bosch GmbH)
Erstellt am
05.08.2011
Zuletzt geändert
19.01.2012 16:01
Freigabestatus
Vertraulich für Partner: ; ; … Projektöffentlich X
Bearbeitungszustand
Öffentlich in Bearbeitung vorgelegt
X
fertig gestellt
Weitere Produktinformationen Erzeugung
Bastian Tenbergen (BT), Marian Daun (MD)
Mitwirkend
Sebastian Gabrisch (SG)
Änderungsverzeichnis Änderung
Geänderte Kapitel
Beschreibung der Änderung
Autor
Zustand
Nr.
Datum
Version
1
05.08.11
0.1
Alle
Initiale Produkterstellung
SG
In Bearbeitung
2
11.09.11
0.2
Alle
Review und Überarbeitung
MD
In Bearbeitung
3
10.10.11
0.3
2, 3, 4, 5
Überarbeitung nach Fallstudienkonsolidierung
SG
In Bearbeitung
4
25.11.11
0.3
-
Review
BT
In Bearbeitung
5
03.01.12
0.4
Alle
Überarbeitung nach Änderung des Modells
SG
In Bearbeitung
5
06.01.12
0.4
-
Review
MD
Vorgelegt
6
19.01.12
1.0
1, 4, 5
Finalisierung
BT
Fertig gestellt
Fallstudie Luftsystem
Kurzfassung Das vorliegende Dokument stellt eine abschließende und umfassende Beschreibung der Modelle in dem Fallbeispiel „Luftsystem“ dar und beschreibt die Anwendung des Ansatzes anhand der resultierenden Modellartefakte. Das Fallbeispiel wurde im Rahmen der Weiterentwicklungs- und Evaluierungsarbeiten des modellbasierten Requirements-Engineering-Ansatzes in einer Kooperation mit der Universität DuisburgEssen und der Robert Bosch GmbH ausgearbeitet. Das Fallbeispiel „Luftsystem“ stellt eine Einschränkung des ursprünglichen Fallbeispiels „Motorsteuerung“ dar. Die Einschränkung wurde vorgenommen, um bestimmte Aspekte der diskretkontinuierlichen Modellierung sowie der Modellierung von Echtzeitanforderungen und dem Übergang von lösungsorientierten Anforderungen sowie logisch-technischen Architekturaspekten besser gerecht werden zu können. Das vorliegende Dokument beschreibt die Anwendung des Ansatzes anhand der resultierenden Modellartefakte. Anhand des Fallbeispiels wurden die essentiellen Lösungskonzepte (siehe [SPES11a]) sowie die den Ansatz unterstützenden Profile und Schablonen (siehe [SPES11b]) evaluiert und weiterentwickelt. Die Ergebnisse und Weiterentwicklungen wurden in dem in diesem Dokument dargestellten Fallbeispiel exemplarisch angewendet und somit der modellbasierte RequirementsEngineering-Ansatz in ZP-AP2 evaluiert.
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Fallstudie Luftsystem
Inhalt 1
Einordnung und Kurzbeschreibung ..................................................................... 5 1.1
Motivation und Einordnung ............................................................................ 5
1.2
Management Summary ................................................................................. 5
1.3
Überblick ....................................................................................................... 5
2
Gesamtarchitektur ............................................................................................... 6
3
Top System Level ................................................................................................ 7
4
5
6
3.1
Systemumgebung.......................................................................................... 7
3.2
Ziele und Szenarien „Luftsystem“ .................................................................. 7
3.3
Systemfunktionen, Zustände und Daten...................................................... 10
3.4
Architektur ................................................................................................... 12
3.5
Nachvollziehbarkeit der Architekturentscheidungen .................................... 16
System Level: Sollwertberechner ...................................................................... 18 4.1
Umwelt ........................................................................................................ 18
4.2
Ziele und Szenarien..................................................................................... 18
4.3
Funktionen, Zustände und Daten ................................................................ 20
System Level: Trajektorplaner ........................................................................... 23 5.1
Umwelt ........................................................................................................ 23
5.2
Ziele und Szenarien..................................................................................... 24
5.3
Funktionen, Zustände und Daten ................................................................ 28
Literaturverzeichnis ........................................................................................... 30
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Fallstudie Luftsystem
1
Einordnung und Kurzbeschreibung
In diesem Abschnitt wird das vorliegende Dokument kurz in den Projektkontext eingeordnet.
1.1 Motivation und Einordnung Das vorliegende Dokument stellt eine abschließende und umfassende Beschreibung der Modelle des Fallbeispiels „Luftsystem“ dar und beschreibt die Anwendung des Requirements-Engineering-Ansatzes anhand der resultierenden Modellartefakte. Das Fallbeispiel wurde im Rahmen der Weiterentwicklungs- und Evaluierungsarbeiten des modellbasierten Requirements-Engineering-Ansatzes in einer Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen und der Robert Bosch GmbH ausgearbeitet. Das Fallbeispiel „Luftsystem“ stellt eine Einschränkung des ursprünglichen Fallbeispiels „Motorsteuerung“ dar. Die Einschränkung wurde vorgenommen, um bestimmte Aspekte der diskret-kontinuierlichen Modellierung sowie der Modellierung von Echtzeitanforderungen und dem Übergang von lösungsorientierten Anforderungen sowie logisch-technischen Architekturaspekten besser gerecht werden zu können.
1.2 Management Summary Das vorliegende Dokument beschreibt die Anwendung des Ansatzes anhand der resultierenden Modellartefakte. Anhand des Fallbeispiels wurden die essentiellen Lösungskonzepte (siehe [SPES11a]) sowie die den Ansatz unterstützenden Profile und Schablonen (siehe [SPES11b]) evaluiert und weiterentwickelt. Die Ergebnisse und Weiterentwicklungen wurden in dem in diesem Dokument dargestellten Fallbeispiel exemplarisch angewendet und somit der modellbasierte RequirementsEngineering-Ansatz in ZP-AP2 evaluiert.
1.3 Überblick Die Fallbeispielbeschreibung orientiert sich an den im Fallbeispiel verwendeten Abstraktionsebenen (vgl. [SPES11a]). Abschnitt 2 beschreibt die Gesamtarchitektur als Überblicksdiagramm. Abschnitt 3 beschreibt die Gesamtsystemebene des Luftsystems. Abschnitte 4 und 5 beschreiben Teilsysteme, die zum Luftsystem gehören, die beide auf der gleichen Systemebene spezifiziert worden sind.
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Fallstudie Luftsystem
2
Gesamtarchitektur
Dieses Diagramm gibt einen Überblick über die Gesamtarchitektur des Gesamtsystems Fahrzeug mit Fokus auf dem Luftsystem. Hier lassen sich die Zusammenhänge der einzelnen Komponenten auf den verschiedenen Ebenen der Architektur entnehmen. Auf oberster Ebene, dem Top System Level, befinden sich die Komponenten Luftsystem sowie Abgassystem und Verbrennungsmotor. Die beiden letzteren Komponenten stellen nur eine kleine Auswahl der weiteren Subsysteme des Gesamtsystems Fahrzeug dar. Im gezeigten Modell wurden nur diese beiden Subsysteme angegeben, da lediglich diese mit dem Luftsystem direkt interagieren. Das System Luftsystem besteht wiederum aus mehreren Subsystemen, die in der darunter liegenden Ebene, dem System Level definiert werden. Dazu zählen die Hardwarekomponente Drosselklappe, sowie der Drosselklappenbeobachter, die Drosselklappenvorsteuerung und die Drosselklappenregelung. Außerdem die Hardwarekomponente Turbo-Bypass-Klappe sowie der Turbo-Bypass-Beobachter, die Turbo-Bypass-Vorsteuerung und der Turbo-Bypassregler. Darüber hinaus die Hardware-Komponente Abgasrückführventil, der Abgasrückführventilbeobachter, sowie die Abgasrückführventilvorsteuerung und der Abgasrückführventilregner. Des Weiteren zählen die Systeme Sollwertberechner und Trajektorplaner zu den Subsystemen des Luftsystems.
Abbildung 1: Gesamtarchitektur "Fahrzeug"
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Fallstudie Luftsystem
3
Top System Level 3.1 Systemumgebung
In Abbildung 2 wird die Umgebung des Luftsystems spezifiziert. Es wird folglich dargestellt, welche Eingaben von welchen Kontextentitäten an das Gesamtsystem gegeben werden und welche Ausgaben an welche Kontextentitäten von dem Gesamtsystem ausgegeben werden. Kontextentitäten sind Elemente des Gesamtsystemkontextes, die einen Einfluss auf das System haben, bzw. von ihm beeinflusst werden, sie werden in diesem Diagramm als Akteure dargestellt. In diesem Beispiel erhält das Gesamtsystem Luftsystem verschiedene Eingaben von diversen Kontextentitäten. Von der Entität Gaspedalsensor bekommt das System Informationen zur Stellung des Gaspedals. Aus der abstrakten Umwelt wird die Realweltgröße Frischluft sowie weitere nicht näher spezifizierte Sensordaten gewonnen. Von der Entität Abgassystem erhält das System die Realweltgröße Abgase durch die Abgasrückführung. Als Ausgabe hat das System Informationen zur Luftmenge an die Entität Verbrennungsmotor.
Abbildung 2: Luftsystemumgebung
3.2 Ziele und Szenarien „Luftsystem“ In Abbildung 3 wird das Zielmodell des Gesamtsystems Luftsystem dargestellt. In ihm befinden sich am oberen Rand die vier Hauptziele Motorschäden vermeiden, Luftstrom regeln, Fahrspaß gewährleisten und hohe Fahrdynamik. Das letzte Ziel hohe Fahrdynamik beeinflusst das vorige Fahrspaß gewährleisten bereits auf dieser Ebene positiv. Das erste Ziel Motorschäden vermeiden wird durch das Ziel Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen verfeinert. Das zweite Ziel Luftstrom regeln wird durch die vier Ziele Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen, Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen, Regelzeiten Luftstrom regeln ()
> hohe Fahrdynamik ()
++ «Contribution»
> Regelzeiten < 20ms ()
«Refinement Of» «Refinement Of»
«Refinement Of» --
«Refinement Of»
«Contribution»
«Contribution»
«Refined By»
«Refined By»
+
> Fahrdynamik durch Turbolader ()
«Refined By»
> Fahrdynamik durch Kompressor ()
«Contribution» «Refined By»
«Refined By»
> Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen ()
«Refined By» «Refined By» > Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen ()
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Turbo-Bypassregler «block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Turbo-Bypass-Beobachter
> Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen ()
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Turbo-Bypass-Vorsteuerung «block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Drosselklappenregelung
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Sollw ertberechner
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Drosselklappennbeobachter
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem"::Traj ektorplaner «block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Drosselklappenv orsteuerung
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Abgasrückführv entilregler «block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Abgasrückführv entilbeobachter
«block» 1.4. Architecture "Luftsystem":: Abgasrückführv entilv orsteuerung
Abbildung 3: Ziele "Luftsystem"
In diesem Modell wurden außerdem contributes Beziehungen zwischen einzelnen Architekturelementen und den Systemzielen modelliert, um aufzuzeigen welche Elemente der späteren Architektur zu der Erfüllung verschiedener Ziele beitragen. Das Ziel Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen wird beispielsweise durch die Komponenten Sollwertberechner, Trajektorplaner, Drosselklappenregelung, Drosselklappenbeobachter sowie Drosselklappenvorsteuerung beeinflusst. Das Ziel Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen wird ebenfalls von den Systemkomponenten Sollwertberechner, Trajektorplaner, Drosselklappenregelung, Drosselklappenbeobachter sowie Drosselklappenvorsteuerung beeinflusst. Das Ziel Regelzeiten < 20ms durch den Sollwertberechner und den Trajektorplaner. Das Ziel Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen wird durch die Komponenten Drosselklappenregelung, Drosselklappenbeobachter sowie Drosselklappenvorsteuerung, Abgasrückführventilregler, Abgasrückführventilbeobachter sowie Abgasrückführventilvorsteuerung, außerdem durch Turbo-Bypass-Regler, Turbo-Bypass-Beobachter sowie Turbo-Bypass-Vorsteuerung unterstützt. Das Ziel Fahrdynamik durch Turbolader wird schließlich durch die drei Komponenten Turbo-Bypass-Regler, Turbo-BypassBeobachter sowie Turbo-Bypass-Vorsteuerung unterstützt.
3.2.1 System-Use-Cases Abbildung 4 zeigt das System-Use-Case-Modell für das Luftsystem. Im Luftsystem existiert der Haupt-Use-Case Drosselklappenstellung regeln, welcher Informationen der externen Entitäten Gaspedalsensor und Verbrennungsmotor einschließt. Der Use-Case Drosselklappenstellung regeln ist per «include» Beziehung mit dem Use Case Drosselklappenstellung berechnen verknüpft. Der Use Case Drosselklappenstellung berechnen ist per «include» Beziehung mit dem Use Case Ist-Wert/Soll-Wert Analyse verknüpft. Außerdem hat der Use Case Drosselklappenstellung berechnen einen Extension Point der in bestimmten Drehzahlbereichen abweichendes VerhalZuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Fallstudie Luftsystem
ten anzeigt und dieses durch zwei weitere Use Cases modelliert. Die zwei UseCases, die per «extend» Beziehung verknüpft sind und dieses Verhalten modellieren sind Minimale Luftmenge für Leerlauf gewährleisten, der bei einer Drehzahl kleiner als 800U/Min gilt, sowie Drehzahl auf 5500U/Min begrenzen, der bei einer Drehzahl größer als 5500U/Min gilt.
Abbildung 4: System-Use-Cases "Luftsystem"
3.2.2 Systemszenario „Luftmenge regeln“ In Abbildung 5 wird das mit einem Sequenzdiagramm modellierte Systemszenario Luftmenge regeln dargestellt. Die drei Entitäten Gaspedalsensor, Umwelt und Abgassystem leiten hierbei Informationen über die Gaspedalstellung, sowie die Realweltgrößen Frischluft und Abgase an das Luftsystem zu. Das Luftsystem gibt darauf folgend die regulierte Luftmenge an den Verbrennungsmotor weiter. Die internen Abläufe zur Regelung der Luftmenge im Luftsystem werden hierbei nicht modelliert.
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Fallstudie Luftsystem
Abbildung 5: Systemszenario "Luftsystem: Luftmenge regeln"
Durch dieses Szenario werden auf der Systemebene die Ziele Luftstrom regeln sowie Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen realisiert.
3.3 Systemfunktionen, Zustände und Daten In dem folgenden Kapitel werden die Funktionen, Zustände und die Datenklassen des Gesamtsystems Luftsystem auf der obersten Abstraktionsebene beschrieben.
3.3.1 Systemzustände
Abbildung 6: Systemzustände "Luftsystem"
Abbildung 6 zeigt in einer State-Machine die Zustände in denen sich das System Luftsystem befinden kann. Nach dem Initialzustand folgt der Zustand DrosselklapZuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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penstellung zu gering. Aus diesem Zustand kann das System in den Zustand Drosselklappenstellung zu hoch wechseln und von dort aus wieder zurück in den Zustand Drosselklappenstellung zu gering. Aus beiden Zuständen kann das System in den Terminierungszustand Verbrennungsprozess beendet wechseln.
3.3.2 Systemfunktionen Abbildung 7 zeigt in einem Aktivitätsdiagramm die Funktionen des Luftsystems.
Abbildung 7: Systemfunktionen "Luftsystem"
In diesem Diagramm existieren zwei Aktivitäten Luftmenge regeln und Luftmenge prüfen. Die Funktion Luftmenge prüfen hat hierbei aus der Systemumwelt die Gaspedalstellung sowie von der Aktivität Luftmenge regeln die aktuelle Luftmenge als Eingaben. Als Ausgabe übermittelt die Funktion die erforderliche Luftmengenänderung an die Funktion Luftmenge regeln. Die Funktion Luftmenge regeln besitzt als Eingaben aus der Systemumwelt die Realweltgrößen Frischluft und Abgase, sowie die erforderliche Luftmengenänderung von der Funktion Luftmenge prüfen. Als Ausgabe besitzt diese Funktion Informationen über die aktuelle Luftmenge an die Funktion Luftmenge prüfen sowie die Realweltgröße Luftmenge an die Systemumwelt.
3.3.3 Daten In Abbildung 8 wird die Datenstruktur des Luftsystems in einem Strukturdiagramm abgebildet. Das System beinhaltet am oberen Rand mittig die Datenklasse Gaspedalstellung, mit dem Synonym Fahrpedalstellung, welche eine Generalisierungsbeziehung zu der Klasse Fahrerbefehle besitzt. Die Datenklasse Luftmenge in der Mitte des Diagrammes beinhaltet die beiden Klassen Frischluft und Abgase. Frischluft besitzt eine Abhängigkeit zu Turboleistung, welche durch den Sollwert benötigte Turboleistung sowie tatsächliche Turboleistung spezialisiert wird (Generalisierungsbeziehung). Die Datenklasse Luftmenge selbst wird durch den Sollwert benötigte LuftZuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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menge und die tatsächliche Luftmenge spezialisiert (Generalisierungsbeziehung). Die Datenklasse Abgase wird durch den Sollwert benötigte Abgasmenge sowie die tatsächliche Abgasmenge spezialisiert (Generalisierungsbeziehung).
Abbildung 8: Data "Luftsystem"
3.4 Architektur In den folgenden Abbildungen wird die Architektur des Luftsystems in einem Strukturdiagramm definiert. Dabei existieren drei verschiedene Modellierungsalternativen.
3.4.1 Strukturdiagramm regelungstechnische Architektur (Alt. 1) In Abbildung 9 wird die erste Variante der Architektur des Luftsystems gezeigt. In dieser Variante der Architektur wird das Systemziel hohen Fahrspaß gewährleisten nicht erfüllt. Die externen Daten bzw. Realweltgegenstände die in das System einfließen finden sich auf der linken Seite des Diagrammes. Das sind die Daten Gaspedalstellung sowie der Abstrakte Datentyp Sensordaten, sowie die beiden Realweltgrößen Frischluft und Abgase. Die Daten bzw. Realweltgrößen die das Luftsystem verlassen finden sich auf der rechten Seite des Diagrammes. Der Realweltgegenstand Luftmenge ist hierbei die einzige Ausgabe des Systems. Innerhalb des Architekturmodells finden sich verschiedene Komponenten, die verschiedene Daten- bzw. „Realweltgrößenströme“ austauschen. Die Komponente Sollwertberechner (links oben) erhält aus der Systemumgebung die Daten über die Gaspedalstellung (bzw. Fahrpedalstellung) und gibt Sollwerte für die Drosselklappe, den Turbo-Bypass sowie die Abgasrückführung an die Komponente Trajektorplaner. Der Trajektorplaner (links unten) erhält neben den bereits aufgeführten Eingaben der Sollwerte für die Drosselklappe, den Turbo-Bypass sowie die Abgasrückführung von der Komponente Sollwertberechner noch Sensordaten aus der Systemumgebung sowie von den Komponenten Drosselklappenbeobachter und Abgasrückführventilbeobachter Informationen zur tatsächlichen Luft- und Abgasmenge im System. Die Ausgaben der Komponente Trajektorplaner sind der Drosselklappenstellwert an die Zuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Komponente Drosselklappenregelung, sowie der Rückführventilstellwert an die Komponente Abgasrückführventilregler.
Abbildung 9: regelungstechnische Architektur Luftsystem (Alternative 1)
In der Mitte des Diagrammes finden sich (von oben nach unten) die vier Komponenten Drosselklappenbeobachter, Drosselklappenregelung, sowie Abgasrückführventilbeobachter und Abgasrückführventilregler. Der Drosselklappenbeobachter besitzt als Eingabe von der Komponente Drosselklappe die tatsächliche Drosselklappenstellung und sendet die tatsächliche Luftmenge an den Trajektorplaner. Die Komponente Drosselklappenregelung bezieht als Eingabe von der Komponente Trajektorplaner den Drosselklappenstellwert und besitzt als Ausgabe die Drosselklappenstellung an die Komponente Drosselklappe. Die Komponente Abgasrückführventilbeobachter besitzt als Eingabe von der Komponente Abgasrückführventil die tatsächliche Rückführventilstellung und sendet die tatsächliche Abgasmenge an die Komponente Trajektorplaner. Der Abgasrückführventilregler besitzt als Eingabe den Abgasrückführventilstellwert von der Komponente Trajektorplaner, sowie als Ausgabe die Rückführventilstellung an die Komponente Abgasrückführventil. Letztendlich finden sich auf der rechten Seite des Diagrammes die beiden Komponenten (von oben nach unten) Drosselklappe sowie Abgasrückführventil. Die Drosselklappe besitzt als Eingaben die Drosselklappenstellung von der Komponente Drosselklappenregelung sowie die Realweltgröße Frischluft aus der Systemumgebung. Die Ausgaben der Komponente Drosselklappe sind die tatsächliche Drosselklappenstellung an die Komponente Drosselklappenbeobachter sowie die Realweltgröße Luftmenge in die Systemumgebung. Die Komponente Abgasrückführventil besitzt als Eingaben die Realweltgröße Abgase aus der Systemumgebung sowie den Rückführventilstellwert aus der Komponente Abgasrückführventilregler. Als Ausgaben besitzt die Komponente den Wert tatsächliche Rückführventilstellung zur Komponente Abgasrückführventilbeobachter sowie die Realweltgröße Abgase an die Komponente Drosselklappe. Zuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Am Rand des Modells, außerhalb des Systems Luftsystem werden angelehnt an die Verknüpfungen im Zielmodell aus Kapitel 3.2 die Ziele aufgeführt, zu dessen Erfüllung die einzelnen Komponenten in der Architektur beitragen. Am linken Rand befindet sich das Ziel Regelzeiten < 20ms, das durch den Sollwertberechner und den Trajektorplaner beeinflusst wird. Das Ziel am oberen Rand links, Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen, wird durch die Komponenten Sollwertberechner, Trajektorplaner, Drosselklappenregelung und Drosselklappenbeobachter beeinflusst. Rechts daneben befindet sich das Ziel Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen welches ebenso von den Systemkomponenten Sollwertberechner, Trajektorplaner, Drosselklappenregelung sowie Drosselklappenbeobachter beeinflusst wird. Das Ziel Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen, am oberen Bildrand rechts wird durch die Komponenten Drosselklappenregelung und Drosselklappenbeobachter sowie Abgasrückführventilregler und Abgasrückführventilbeobachter unterstützt.
3.4.2 Strukturdiagramm regelungstechnische Architektur (Alt. 2) In Abbildung 10 wird die Variante 2 der regelungstechnischen Architektur der Komponente Luftsystem abgebildet. Diese Variante der Architektur erfüllt das Ziel "Regelungszeit < 20ms" nicht. Die wesentlichen Bestandteile werden schon in Kapitel 3.4.1 beschrieben, diese Variante ist lediglich um 3 Komponenten erweitert und besitzt einen veränderten Fluss einer Realweltgröße.
Abbildung 10: regelungstechnische Architektur Luftsystem (Alternative 2)
Die neuen Komponenten sind der Turbo-Bypass-Beobachter, der Turbo-BypassRegler sowie die Turbo-Bypass-Klappe. Die beiden erstgenannten Komponenten erweitern die Komponente Trajektorplaner um die neue Eingabe tatsächliche Turboleistung (von der Komponente Turbo-Bypass-Beobachter) und die neue Ausgabe Turbo-Bypass-Stellwert (zur Komponente Turbo-Bypassregler). Der Turbo-BypassBeobachter besitzt neben der bereits erwähnten Ausgabe tatsächliche Turboleistung zur Komponente Trajektorplaner die Eingabe tatsächliche Bypassklappenstellung von der Komponente Turbo-Bypass-Klappe. Der Turbo-Bypass-Regler besitzt neben der schon angeführten Eingabe Turbo-Bypass-Stellwert vom Trajektorplaner die Ausgabe Bypassklappenstellung zur Komponente Turbo-Bypass Klappe. Die KomZuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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ponente Turbo-Bypass-Klappe besitzt die Ausgaben Frischluft (Realweltgröße) zur Drosselklappe sowie die tatsächliche Bypassklappenstellung zur Komponente TurboBypass-Beobachter, außerdem die beiden Eingaben Bypassklappenstellung von der Komponente Turbo-Bypassregler sowie die Realweltgröße Frischluft. Diese Realweltgröße führte in Variante 1 der Architektur (siehe Kapitel 3.4.1) direkt zu der Komponente Drosselklappe. Hier wird diese allerdings über die Turbo-Bypass-Klappe geregelt und erst dann an die Komponente Drosselklappe übertragen. Bei der Beeinflussung der Systemziele durch die neuen Architekturkomponenten ergeben sich auch einige Änderungen. Das hier hinzugekommene Ziel Fahrdynamik durch Turbolader am oberen rechten Bildrand wird durch die beiden Komponenten Turbo-Bypass-Regler und Turbo-Bypass-Beobachter unterstützt. Das Ziel Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen, vormals am oberen Bildrand, nun rechts wird außerdem neben den Komponenten Drosselklappenregelung, Drosselklappenbeobachter, Abgasrückführventilregler und Abgasrückführventilbeobachter in dieser Variante zusätzlich durch die hinzugekommenen Komponenten Turbo-BypassRegler und Turbo-Bypass-Beobachter unterstützt.
3.4.3 Strukturdiagramm regelungstechnische Architektur (Alt. 3) Abbildung 11 zeigt die dritte, abermals erweiterte Variante der regelungstechnischen Architektur der Komponente Luftsystem. Diese Architekturvariante erfüllt alle Ziele des Zielmodelles aus Kapitel 3.2. Die grundlegenden Bestandteile wurden bereits in den beiden vorigen Kapiteln (3.4.1 und 3.4.2) beschrieben. Hier wurde das System abermals um einige Komponenten und Datenflüsse erweitert. Für alle 3 Ventile bzw. Klappen der Luftsteuerung wurde eine Vorsteuerungskomponente hinzugefügt, die vor einer Feinaussteuerung der Ventile eine grobe Einstellung vornimmt (siehe z.B. Use-Cases in Kapitel 5.2).
Abbildung 11: regelungstechnische Architektur Luftsystem (Alternative 3)
Die Komponente Turbo-Bypass-Vorsteuerung erhält hierbei von der Komponente Trajektorplaner den Turbo-Bypass-Stellwert und hat als Ausgabe zur Komponente Turbo-Bypass-Klappe den Wert Bypassklappenstellung. Die Komponente Drosselklappenvorsteuerung erhält von der Komponente Trajektorplaner den DrosselklapZuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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penstellwert und hat als Ausgabe zur Komponente Drosselklappe den Wert Drosselklappenstellung. Die Komponente Abgasrückführventilvorsteuerung erhält den Abgasrückführventilstellwert von der Komponente Trajektorplaner und hat als Ausgabe zur Komponente Abgasrückführventil den Wert Abgasrückführventilstellung. Die restlichen Komponenten verhalten sich analog zu den beiden vorigen Kapiteln. Die neu hinzugefügten Komponenten der Vorsteuerung erweitern zudem gegenüber der vorigen Variante die Zielbeziehungen der Architektur. Das Ziel Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen am rechten Rand der Abbildung wird nun neben den Komponenten Drosselklappenregelung, Drosselklappenbeobachter sowie Drosselklappenvorsteuerung, Abgasrückführventilregler, Abgasrückführventilbeobachter sowie Abgasrückführventilvorsteuerung, außerdem durch Turbo-Bypass-Regler, Turbo-Bypass-Beobachter sowie Turbo-Bypass-Vorsteuerung unterstützt. Das Ziel Fahrdynamik durch Turbolader am oberen Rand rechts wird neben den beiden Komponenten Turbo-Bypass-Regler und Turbo-Bypass-Beobachter zusätzlich durch die Turbo-Bypass-Vorsteuerung unterstützt.
3.5 Nachvollziehbarkeit der Architekturentscheidungen Im vorherigen Abschnitt 3.4 wurden drei Architekturvarianten entwickelt, die die Ziele auf der Gesamtsystemebene möglichst erfüllen sollen. Die vier „Hauptziele“ des Systems
Motorschäden vermeiden Luftstrom regeln Fahrspaß gewährleisten hohe Fahrdynamik
werden dabei durch verschiedene Teilziele verfeinert (vgl. Kapitel 3.2). Die Erfüllung der Teilziele wird wiederum von verschiedenen einzelnen Komponenten der Architektur beeinflusst. Darüber hinaus gibt es auch bestimmte Kombinationen von Architekturkomponenten die die Zielerfüllung positiv oder negativ beeinflussen kann. Das erste Ziel Motorschäden vermeiden wird durch das Ziel Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen verfeinert und durch die Hardwarekomponenten Trajektorplaner, Sollwertberechner sowie durch die Systemkomponenten um die Drosselklappe beeinflusst. Das zweite Ziel Luftstrom regeln wird über die Teilziele Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen, Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen, Regelzeiten Regelzeiten < 20ms ()
> Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen ()
Abbildung 13: Ziele "Sollwertberechner" Zuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Fallstudie Luftsystem
4.2.1 Use-Cases In Abbildung 14 wird das Use-Case Modell für die Komponente Sollwertberechner des Luftsystems gezeigt. In diesem Modell existiert nur ein einziger Haupt-Use-Case Sollwerte berechnen, in dem die externen Entitäten Gaspedalsensor und Trajektorplaner referenziert sind. Der Use-Case Sollwerte berechnen ist über «include» Beziehungen mit den Use-Cases benötigte Turboleistung berechnen, benötigte Abgasmenge berechnen und benötigte Luftmasse berechnen verknüpft.
Abbildung 14: Use-Cases "Sollwertberechner"
4.2.2 Szenario: Berechnung benötigter Leistungskennwerte In Abbildung 15 wird mit einem Sequenzdiagramm das Szenario Sollwertberechner berechnet benötigte Leistungskennwerte modelliert. Dieses Szenario erfüllt die Systemziele Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen, Minimale Luftmenge für 800 U/Min im Leerlauf bereitstellen, Regelzeiten Motorschäden vermeiden ()
> Luftstrom regeln ()
«Refinement Of»
«Refined By»
«Refinement Of»
«Refined By» «Refined By» «Refined By»
> Drehzahl auf 5500 U/Min begrenzen () > Regelzeiten < 20ms ()
> Luftgemisch aus Frischluft und Abgasen erzeugen ()
+
«Contribution»
«Contribution»
> Fahrdynamik durch Turbolader ()
Abbildung 20: Ziele "Trajektorplaner"
5.2.1 Use Cases In Abbildung 21 wird das Use-Case-Modell der Komponente Trajektorplaner präsentiert. Dieses beinhaltet den Haupt-Use-Case Stellwerte für Regler berechnen der mit der Komponente Sollwertberechner interagiert. Dieser Use-Case ist mit einer Reihe von weiteren Use-Cases über eine «includes» Verknüpfung in Beziehung. Zum einen mit dem Use-Case groben Stellwert der Drosselklappe berechnen, der mit der Komponente Drosselklappenvorsteuerung interagiert. Der ebenfalls inkludierte Use-Case groben Stellwert des Abgasrückführventils berechnen interagiert mit der Komponente Abgasrückführventilvorsteuerung. Der Use-Case groben Stellwert der Turbo-BypassKlappe berechnen interagiert mit der Komponente Turbo-Bypass-Vorsteuerung. Der Use-Case Feineinstellung der Turbo-Bypass-Klappe vornehmen, ist mit den Komponenten Turbo-Bypass-Regler sowie Turbo-Bypass-Beobachter verbunden. Der UseCase Feineinstellung der Drosselklappe vornehmen, steht mit den Komponenten Drosselklappenregelung und Drosselklappenbeobachter in Beziehung. Der UseCase Feineinstellung des Abgasrückführventils vornehmen, steht mit den Komponenten Abgasrückführventilregler und Abgasventilbeobachter in Beziehung. Zuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Fallstudie Luftsystem
Abbildung 21: Use-Cases "Trajektorplaner"
Zuletzt geändert: 27.04.2012 10:28
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Fallstudie Luftsystem
5.2.2 Szenario Regelung des Abgasrückführventils
Abbildung 22: Szenario "Trajektorplaner regelt Abgasrückführventil"
Abbildung 22 illustriert mit einem Sequenzdiagramm das Szenario Trajektorplaner regelt Abgasrückführventil. Von diesem Szenario werden die Systemziele Regelzeiten
