Conception of modular system simulation of mechatronic systems

Abstract

Für die Entwicklung mechatronischer Systeme ist eine Systemsimulation erforderlich, die physikalische Zusammenhänge korrekt abbildet und eine übersichtliche Struktur ermöglicht, da solche Systeme aus eng gekoppelten mechanischen, elektrischen und regelungstechnischen Komponenten bestehen. In der Praxis stehen jedoch meist zwei getrennte Ansätze zur Verfügung: die signalbasierte Modellierung (SBM) mit klarer Datenflussstruktur und die gleichungsbasierte Modellierung (EBM), die physikalische Beziehungen mithilfe von Differential-Algebraischen Gleichungen (DAEs) beschreibt. Diese Arbeit untersucht, wie beide Prinzipien in einem hybriden modularen Rahmen vereint werden können, sodass Teilsysteme (Module) durch Gleichungen formuliert werden (EBM-Komponente), während ihre Kopplung über explizite Ein und Ausgänge erfolgt (SBM-Komponente). Als konzeptionelle Inspiration dient das Functional Mock-up Interface (FMI), ein offener Industriestandard für den Austausch von Simulationsmodellen. Der Rahmen wurde in Python implementiert.Zur Demonstration wurden verschiedene Modelle eines elektrischen Filtersystems sowie ein nichtlineares Modell eines prothetischen Beins umgesetzt. Die Simulationsergebnisse wurden mit Referenzmodellen in OpenModelica und Simulink verglichen und zeigten eine konsistente Übereinstimmung. Die Arbeit zeigt, dass ein hybrider, modular aufgebauter Rahmen die Implementierung eines funktionalen Werkzeugs auf Basis von Prinzipien des FMI-Standards ermöglicht und durch seine Struktur erste Schritte in Richtung zukünftiger Co-Simulation unterstützt. Die Ergebnisse stimmen mit denen der Referenzmodelle überein, gleichzeitig bietet der Rahmen einen neuartigen und praktischen Ansatz zur Darstellung und Lösung mechatronischer Modelle.

The development of mechatronic systems requires system simulation that accurately represents physical relationships while also providing a clear structural organization, as such systems consist of tightly coupled mechanical, electrical, and control components. In practice, however, two separate approaches are typically available: signal-based modeling (SBM), characterized by a clear data-flow structure, and equation-based modeling (EBM), which describes physical relationships using differential-algebraic equations (DAEs).This thesis investigates how both principles can be combined within a hybrid modular framework, such that subsystems (modules) are formulated through equations (EBM component), while their coupling is realized via explicit inputs and outputs (SBM component). The Functional Mock-up Interface (FMI), an open industry standard for the exchange of simulation models, serves as a conceptual inspiration.The framework was implemented in Python. For demonstration purposes, models of an electrical filter system as well as a nonlinear model of a prosthetic leg were developed. The simulation results were compared with reference models in OpenModelica and Simulink and showed consistent agreement.The thesis demonstrates that a hybrid, modularly structured framework enables the implementation of a functional tool based on principles of the FMI standard and, through its structure, supports initial steps toward future co-simulation. The results are consistent with those of the reference models, while the framework provides a novel and practical approach for representing and solving mechatronic models.