Der Einsatz moderner Simulationstechniken ermöglicht die effiziente Entwicklung mechatronischer Produkte. Eine zentrale Rolle spielt dabei der Modellaustausch, der durch die Bosch-Standardmodell-Bibliothek unterstützt wird.

Komplexe mechatronische Systeme wie die Common-Rail-Hochdruckeinspritzung oder ein Antiblockiersystem bestehen aus einer großen Anzahl von Komponenten aus verschiedenen physikalischen Domänen: Hydraulik, Mechanik und Elektronik. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten sind entscheidend für die Funktion und das Verhalten des Gesamtsystems. Besonders in den frühen Entwicklungsphasen, wenn noch keine Prototypen verfügbar sind, werden Simulationsmodelle zur Überprüfung prinzipieller Designentscheidungen benötigt.

Grundsätzliche Fragestellungen können dabei oft durch relativ einfache Modelle der Bauteile geklärt werden. Geht es mehr ins Detail, so werden verfeinerte Komponentenmodelle benötigt. Bei diesen detaillierten Modellen ist der Fokus meist auf eine bestimmte physikalische Domäne gerichtet:

• So existieren detaillierte Hydraulikmodelle von Common-Rail-Injektoren. Diese können nur über spezielle Programme, deren numerische Berechnungsverfahren genau auf hydraulische Systeme abgestimmt sind, simuliert werden. Zum Beispiel müssen hierbei auch Kavitationsphänomene berücksichtigt werden.
• Zur Auslegung der Leistungselektronik, die den Injektor ansteuert, werden ebenfalls detaillierte Modelle benötigt. Dazu werden wiederum Software-Werkzeuge eingesetzt, die eigens zur Simulation von elektronischen Schaltungen entwickelt wurden.
• Entwicklung und Simulation der Software, die im Steuergerät mit Hilfe der Signale der Sensoren die Hochdruckpumpe und die Leistungselektronik regelt, erfolgen ebenfalls mit domänenspezifischen Werkzeugen, die speziell auf diesen Ausschnitt des Gesamtsystems ausgelegt sind.

Eine Analyse der typischen Komponenten bei mechatronischen Systemen ergibt aber, daß sich diese aus wenigen einfachen domänenspezifischen Elementen zusammensetzen lassen. Diese Standardelemente sind im Bereich der Hydraulik beispielsweise Drossel, Ventil oder Leitung, in der Elektronik Widerstand, Kondensator oder Transistor, in der Mechanik Masse mit Reibung, Getriebe oder Kupplung. Diese Elemente sind in einer Bosch-Standardmodell-Bibliothek enthalten und für die Produktentwicklung über das Bosch-Intranet verfügbar.

Kern der Standardmodell-Bibliothek ist die Dokumentation der Standardelemente. Diese umfaßt für jedes Element eine Beschreibung des physikalischen Verhaltens in Worten, die physikalischen Gleichungen, Parameter (zum Beispiel Leitfähigkeit oder Permeabilität), Zustandsgrößen (zum Beispiel Strom, Spannung, magnetischer Fluß, Druck) sowie Ein- und Ausgänge. Hinzu kommt noch als wesentlicher Bestandteil ein Referenzmodell in der werkzeugunabhängigen Modellbeschreibungssprache VHDL-AMS.

Bibliothek

Dieses Referenzmodell ist das zentrale Bindeglied zwischen den Domänen. Aus der Bibliothek werden nun die werkzeugspezifischen Standardmodelle abgeleitet. Jedes Standardelement ist für die verschiedenen Werkzeuge somit durch identische mathematische Gleichungen und Parametersätze beschrieben. Ist ein Standardmodell für ein bestimmtes Simulationswerkzeug noch nicht vorhanden, so kann aus dieser Dokumentation mit geringem Aufwand das werkzeugspezifische Modell abgeleitet werden.

Als erste Entwicklungsschritte werden im Beispiel des Common-Rail-Systems im Hydrauliksimulator die Komponenten in Form von Standardmodellen zum Gesamtsystem zusammengesetzt. Im Elektroniksimulator und dem Simulationswerkzeug für die Software wird nun aus den gleichen Standardelementen ebenfalls das Gesamtsystem aufgebaut. Die Entwickler für die Hydraulik, Elektronik und Software haben somit in ihren Werkzeugen ein Modell des Gesamtsystems mit jeweils gleichem Verhalten und identischen Parametersätzen. Mit ihren spezifischen Entwicklungswerkzeugen können sie nun detaillierte Untersuchungen vornehmen. Neue Ergebnisse gehen in veränderte Parametersätze ein, die unter den beteiligten Entwicklern ausgetauscht werden können. Das Problem des Modellaustauschs zwischen den physikalischen Domänen wird somit auf einen Parameteraustausch reduziert. Erfolgt beispielsweise eine Änderung in der Leistungselektronik durch eine verfeinerte Rechnung, so wird auch das korrespondierende einfachere, aus Standardelementen aufgebaute Komponentenmodell modifiziert. Dies steht dann wieder den übrigen Simulationswerkzeugen als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen zur Verfügung.

Mit der Standardmodell-Bibliothek und dem beschriebenen Modellaustauschverfahren steht jederzeit ein identisches Systemmodell für alle Simulationswerkzeuge bereit, welches während des gesamten Entwicklungsprozesses automatisch aktualisiert wird und damit auch als Referenz für alle weiteren Untersuchungen gilt.

Spezielle, bei externen Kunden eingesetzte Simulationswerkzeuge können in dieses Konzept ebenfalls leicht eingebunden werden; dadurch wird der aufwendige Modellaustausch deutlich vereinfacht.