Modellierung: MATLAB

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ModellierungMATLAB Simulink - Stateflow

• Stefan Rose
• srose_at_upb.de
• Uni Paderborn
• Seminar
• SoftwareEngineering für
• softwareintensive Systeme
• SS 2006

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Motivation

• MATLAB als Werkzeug zur modellbasierten
  Softwareentwicklung
• mehr als nur MATLAB
• sehr mächtiges Werkzeug durch verschiedene
  Erweiterungen
• Automatische Codegenerierung
• Integriertes Testen ? Zeitersparnis
• Eingesetzt in Industrie und Forschung
• Automobilbau
• Luft- und Raumfahrt
• Medizin
• Maschinenbau

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Inhalt
Inhalt

• Grundlagen
• Was ist MATLAB?
• MATLAB Erweiterungen
• Modellierung
• Modellbasierte Softwareentwicklung
• automatische Codegenerierung
• Anwendungsbeispiel
• Railroad Gate Controller
• Fazit
• Evaluation

Grundlagen
Modellierung
Fazit
4
Was ist MATLAB?
Inhalt

• Abkürzung für MATrix LABoratory
• Kernwerkzeug Erweiterungen(Toolboxen)

Grundlagen
Modellierung
Fazit
5
Kernwerkzeug MATLAB I  
Inhalt

• Hochentwickelte Programmiersprache für technische
  Berechnungen
• Im Gegensatz zu Maple und Mupad aber rein
  numerisch
• Operationen werden auf Matrizen ausgeführt
• mathematische Funktionen (Algebra, Statistik,
  Filter, Analysen)
• MATLAB Umgebung
• Interpreter
• Visualisierung von Daten (2D/3D)
• Erweiterbarkeit durch Toolboxen
• Erschließung von versch. Anwendungsbereichen
• Finanzanalyse
• biologische Probleme

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
6
Kernwerkzeug MATLAB II
Inhalt

• Die Matlab Umgebung

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Simulink I
Inhalt

• Interaktive Modellierung, Simulation und Analyse
  von dynamischen Systemen
• lineare, nicht-lineare und diskrete Systeme
• Modellierung durch Signalflusspläne /
  Blockdiagramme
• Signale können zu jedem Zeitpunkt abgegriffen
  werden
• Voll integriert in MATLAB
• Erweiterbarkeit durch Toolboxen
• Codegenerierung

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
8
Simulink II
Inhalt

• Grafische Oberfläche zur Modellierung
• Blockdiagrammeditor

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Simulink III
Inhalt

• Simulink S-Functions
• In Simulink eingebundener Code
• MATLAB, C, C, ADA, Fortran
• Vorteile
• Verwendung von externem Code
• Einbinden von hardwarenahem Code (Treiber)
• Simulink Bibliotheken
• große Anzahl fertiger Blöcke
• Standard Logik, Filter, Sources,
  Signalverarbeitung
• Regelungstechnik, Vision, Kommunikation
• mit der Umgebung per Drag and Drop einzubinden

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Erweiterungen (Toolboxen)
Inhalt

• Symbolic Math Toolbox
• Erweiterung von Matlab um Maple Syntax
• Optimization Toolbox
• Optimierung von Funktionen und Modellen
• Stateflow
• Erweiterung um Zustandautomaten
• Image Processing Toolbox
• Bildverarbeitung mit MATLAB (Filter etc.)
• Control System Toolbox
• Modellierung von Regelungen
• Communications Toolbox
• Kommunikationsnetze mit MATLAB

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Optimization Toolbox
Inhalt

• Methoden zur Optimierung von Funktionen
• Nullstellensuche
• Minimierung
• Maximierung
• Optimierung von Parametern eines Simulink Modells

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Stateflow I
Inhalt

• Stateflow
• Modellierung endlicher Zustandsautomaten
• Im Gegensatz zu Simulink eventgesteuert
  (Modellierung ereignisdiskreter Systeme)
• Generierung von Simulink S-Functions
• ? Volle integriert in Simulink
• Stateflow Coder
• Erweiterung zur automatischen Codegenerierung aus
  Stateflow Modellen

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Stateflow II

• Stateflow Oberfläche

Inhalt
Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Semantik Stateflow I
Inhalt

• Semantik ähnlich zu UML Statecharts
• Erweiterungen
• Steuerung von Übergängen und Ereignissen mit
  Hilfe temporaler Operatoren
• Condition Actions
• Ausführungsreihenfolge bei nicht
  deterministischen Automaten
• nicht in Stateflow enthalten
• Fork-Joins
• Synchronisationsconnectoren

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Semantik Stateflow II
Inhalt

• Steuerung von Übergängen und Ereignissen mit
  Hilfe temporaler Operatoren
• before, after, at, every
• Condition Actions
• Ausführung in jedem Fall (vor Transition Action)
•  

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
16
Semantik Stateflow III
Inhalt

• Ausführungsreihenfolge bei nicht
  deterministischen Automaten
• grafische Anordnung im Editor entscheidet
• oben vor unten
• links vor rechts
• Transitionen mit Guard werden bevorzugt

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
Fazit
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Überblick Modellierung
Inhalt

• Modellbasierte Softwareentwickling mit
  MATLAB/Simulink und Stateflow
• Hybride Modellierung
• Plattformunabhängig
• (Hardware-in-the-loop) Simulation
• Möglichkeit zur automatischen Codegenerierung
• Beispielhafte Modellierung eines Systems anhand
  des Railroad Gate Controllers
• Simulink Umgebungs-Modell
• Stateflow Diagramm
• Simulation

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Modellierung I
Inhalt

• Modellierung hybrider Systeme
• diskrete und kontinuierliche Modelle mit Simulink
  möglich / auch in Kombination
• bei eingebetteten Systemen oftmals aufgrund der
  Umgebung nötig
• Echtzeitumgebungen können so modelliert werden
• Simulationen
• Hardeware-in-the-Loop
• Modelle beschreiben die Hardware
• Software-in-the-Loop
• Hardware wird simuliert

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
19
Modellierung II
Inhalt

• Automatische Codegenerierung mit MATLAB/Simulink
• Real-Time Workshop
• diskrete, kontinuierliche und hybride Modelle
• RTW Embedded Coder
• Stateflow Coder
• Zustandsdiagramm lt-gt C-Code
• TargetLink
• Externes Tool von DSPACE
• verschiedene Simulationsmöglichkeiten

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Anwendungsbeispiel
Inhalt

• Railroad Gate Controller
• x beschreibt die Position des Zuges (in m)
• initialisiert mit 5000
• v x, Geschwindigkeit Zug
• y beschreibt die Position der Schranke (in )
• initialisiert mit 90
• vSchranke y, Geschwindigkeit Schranke
• (xgt1000) ? v 50, vSchranke 0
• xlt1000 ? v 30, vSchranke -9 (bis y 0)
• xlt -100 ? v 5, vSchranke 9 (bis y 90)

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Railroad Gate Controller I
Inhalt

• Modellierung des Zustandautomaten

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Railroad Gate Controller II
Inhalt

• Schnittstellen
• Input
• x die Entfernung zum Bahnübergang
• y die Position der Schranke
• z laufende Zeit um Delay u einzuhalten
• u Konstante (Delay)
• Outputs
• v x Geschwindigkeit Zug
• vSchranke y Geschwindigkeit Schranke

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Railroad Gate Controller III
Inhalt

• Simulink Modellierung

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Modell/Verhalten des Zuges
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Modell/Verhalten der Schranke
Fazit
RG Controller als Zustandautomat
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Railroad Gate Controller IV
Inhalt
Grundlagen
Kernwerkzeug

• Simulation

Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
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Fazit
Inhalt

• Mächtiges Programm zur Modellierung und
  Simulation von kontinuierlichen, diskreten und
  hybriden Modellen
• Starke Erweiterbarkeit durch sehr große Anzahl
  von Erweiterungen
• Anpassung an sehr verschiedene Aufgabenbereiche
• Medizin
• Robotik
• Automobilbau
• Große Verbreitung in der Industrie
• spart Zeit und Kosten
• Software gewinnt an Stabilität durch verschiedene
  Test
• weniger Fehler
• schneller am Markt

Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Beispiel
Fazit
26
Ende
Inhalt
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Grundlagen
Kernwerkzeug
Simulink
Erweiterungen
Modellierung
MDD
Fragen?
Beispiel
Fazit