Model Based Systems Engineering for Aircraft Systems – Mindset for Change

1. Model Based Systems Engineering for Aircraft Systems – Mindset for Change Ingela Lind 19 oktober 2010

2. Varför använder grundflygplansystem modellering och desktop simulering? • Omfattande riskreducering i projekt • Hittar fel tidigt i utvecklingsprocessen • Utrustning kan simuleras I systemet innan beställning • Mjukvara får bättre specifikation (även om den inte simuleras) • Bättre förståelse för systemen – problem kan analyseras • Få underleverantörer simulerar • Kvalificering av flygplan kan utföras • Simuleringar kompletterar flygprov som inte når provmålen • Ersätter farliga flygprov • Kostnadsbesparingar för prov • Färre rigg- och flygprov • Mindre omdesign av provflygplan och riggar

3. SYSTEMUTVECKLING • Trender: • Ökad andel modellering och simulering • Fler använder modeller och simuleringsresultat • Modellering sker tidigare MBD, Model Based Development

4. Mindset for Change • Finns det mätetal? • Identifiera svaga punkter i nuvarande utvecklingsprocess. Exempel: Förmåga att planera och schemalägga, kvalitet, ”time to market”, produktivitet, spårbarhet, konfigurationsstyrning, återanvändbarhet, dokumenteringsrutiner, validering och verifiering • Det måste finnas minst två syften att använda MBSE. Exempel: validera krav genom simulering, automatiskt generera dokumentation, utveckla styralgoritmer, generera kod för produktion • Modellen är ensam informationsbärare. • Använd övergången till MBSE som källa till lärande. Svagheter/styrkor i organisationen, utmaningar, nyckelkompetenser, effektiva punkter • Integrera utvecklingsprocessen • Se utvecklingen på lång sikt. Börja med svaga punkter och nya produkter

5. GRUNDFLYGPLANSYSTEM Bränslesystem Luftsystem Elkraftsystem Landställ Hydraulsystem

6. SYSTEMÖVERSIKT Utrustning En typisk modell över ett system som t ex bränslesystem kan delas upp i tre modellkategorier ECU / Inbyggd mjukvara Task Task Task Task Task Omgivning Komplett systemmodell

7. Efterfrågad kylkapacitet Pådrag Kyld luft Bleedluft Trycksättning . Bränsle • Exempel: • Många och komplexa kopplingar mellan olika systems uppstartsförlopp och deras systemkontroll (SK). • Idag svårt att förutse innan provning i flygplan. • Har larmgränser satts korrekt med tanke på systemens normala uppstartsförlopp (långsam tryckuppbyggnad och temperaturinsvängning) och ordningen på SK för olika system? • Kan alla normala uppstarter göras, t ex på solig, varm platta, med liten bränslemängd, vid extrem kyla, omstart?  VISION

8. Reglermodell Inbyggd kod Provrigg Flygprov Simulator Första Återkoppling Andra återkoppling Tredje Återkoppling u u y y M M Systemmodell av fysiska systemet EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS VISION

9. EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS • Data från underleverantörer • Fysiska lagar och grundläggande relationer • Bänkprov • Tidigare erfarenhet • Geometriska data / CFD analys • Första konceptvalidering • Dimensionering • Känslighetsanalys • Prestandauppskattning u u y y M M Systemmodell av fysiska systemet

10. EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS • Dokument (genererade) • Specifikation för inbyggd mjukvara • Simulerbar beskrivning Reglermodell • Fysiska begränsningar • Reglermål • Systemsäkerhet

11. EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS • Snabb prototyputveckling både för fysiska delen av systemet och regleringen • Stöd för systemsäkerhetsarbete • Hjälp att ta fram statiska och utmattningslaster • Prestandautvärdering • Detaljerad design Reglermodell Första Återkoppling u u y y M M Systemmodell av fysiska systemet

12. u u y y M M EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS • Systemvalidering • Ökad konfidens i modeller och simuleringsresultat • Kunna särskilja trovärdiga resultat från osäkra • Komplementerande fysiska och virtuella prov ger billigare och säkrare systemverifiering

13. systemsimuleringsingenjör systemsäkerhetsingenjör systemingenjör apparatingenjör systemintegratör CAD-ingenjör specifikation apparater specifikation mjukvara skrov & installation beräkningsingenjör mjukvaruingenjör inbyggd kod laster & hållfasthet simulatorutvecklare SYSTEM- MODELL realtids- modell MYSIM provledare utvecklare specifikation riggprov SYSIM piloter tekniker riggprov flygprov tränings- simulatorer specifikation flygprov provingenjörer

14. VERKTYGSVAL KRAV • långsiktighet • användarvänlighet • skalbarhet • anpassning till utvecklingsprocessen • synliggöra ekvationerna som används • flexibla modeller (map syfte) • versionskontroll • robust • FÄLLOR • kodgeneratorer • plattformsberoende • licensavtal + jurister • många projekt drar nytta av resultatet  ingen vill betala

15. LUFTSYSTEM (ECS) Språk: ModelicaVerktyg: Dymola

16. MODELLERAD REGLERLOGIK Verktyg: Simulink, Stateflow

18. Fundamentala fysikaliska ekvationer i varje komponentmodell: • jämviktsekvationer • kontinuitetsekvationer • gaslagen • friktionsförlustekvationer • Ohms lag… • Typiska tillstånd: • tryck, • temperatur, • flöde, • fukthalt, • spänning, • ström… Vad är en systemmodell? • Modellen är i 1D och byggd av komponentmodeller • Varje komponentmodell beskriver en komponent av systemet: • ventil, • pump, • rör, • sensor, • värmeväxlare, • RAMMkanal, • vattenseparator, • reservoar, • kablage...

19. t t t t q Dynamiskt: Lumpad volym: Kapacitans med/utan resistans C= V/β = (q1-q2) / p (massans bevarande) . Dynamiskt: Lumpad volym och massa med/utan resistans Resistans +Kapacitans + Induktans (L) L = (ρ*V) / A2 = (p1-p2) / q (rörelsemängdens bevarande) . Dynamiskt: Distribuerad volym (1-D CFD) Resistans + massans bevarande + rörelsemängdens bevarande + energins bevarande Modellera ett rör – olika modelleringsnivåer q2 q1 p1 Statiskt: q1=q2 and p1=p2 p2 q Kc Statiskt: Resistans q = Kc (p1-p2)0.5 p1 p2 q Kc Kc q1 q2 V 63% t = C/Kc Ökande noggrannhet och bandbredd m V q m m m m V V V V Dynamiskt: Lumpat rör Inklusive temperatur

20. Signalbaserad eller power port strategi • Signalbaserad modellering (Simulink, MatrixX, etc) – systemekvationer p p 2 0 p q q Volym Ventil 1 q 0 2 1 • Power port modellering (EASY5, HOPSAN, Dymola, etc) – systemscheman. • Naturlig objektorientering. • Ingen fixerad kausalitet • Många fysiska signaler överförda i varje linje p q p q q p Volym Diff ekv 1 1 Ventil Alg ekv 2 2 0 0

21. BESKRIVA MODELLOSÄKERHET statistiska variationer • Parameterosäkerhet • ventilarea, tryckfallskoefficient… • Modellstrukturosäkerhetmodelleringsnivå, okända faktorer • Hur påverkas simuleringsresultat? • valideringsmetodik i komplexa olinjära modeller • Kan man rikta prov till det som ger mest nytta för minskning av risker (säkerhet, projekt, …)? brist på information

22. HELHETSBILD • Fortsätta bygga helhetsbilden av en modellbaserad utvecklingsprocess • Identifiera och åtgärda brister – ge sammanhängande metodik • Stötta utvecklingen mot fler användare – identifiera aktörer och deras behov u u y y M M

23. KOMPETENSSPRIDNING • Informationsspridning • MBSE-kurser för systemingenjörer (basnivå) • MBSE-forum för OTTODG / OTTOFG / OTTODYM • konferensbidrag • seminarier efter konferenser • Daglig problemlösning i gruppen • Scrum-team  aktuella problem och lösningar tas upp flera gånger i veckan • ”vi hjälper varann”-anda • ”extreme programming” – parprogrammering används vid extra besvärliga eller helt nya typer av problem • Forskning och metodikutveckling • förstudier / lärling / engineering portal-sidor för ny metodik • OTTODG ofta ”först ut” i projekt pga långa ledtider påverkar dokumenterad metodik, t ex för GripenCore • forskningsprojekt, t ex Crescendo, NFFP, CleanSky, med syfte att lära och sprida kunskap • industrihandledare för doktorander • dialog med verktygsleverantörer