Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle Universität Stuttgart Institut für Kernenergetik und Energiesysteme Modelle Vorlesung 1: Modelle als Basis realer und virtueller Anlagen Inhalt – Was ist ein Modell ? – Beispiel für Modelle komplexer Systeme – Was kann man mit Modellen tun ?
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Universität Stuttgart Institut für Kernenergetik und Energiesysteme Simulation technischer Systeme, WS 03/04Vorlesung 1 Modelle Modelle Vorlesung 1: Modelle.
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• Aktionsfähige Einheiten wirken zur Erreichung gemeinsamer Ziele,
dabei werden Güter und Nachrichten (Daten)
- bearbeitet,
- über Verbindungen getauscht,
- in Speichern koordiniert.
• Einheiten haben Eigenschaften und innere Strukturen (sie sind selber Weltausschnitte mit eigener Hierarchie) und können durch Botschaften (Informationsflüsse) aktiviert werden.
– Objektorientierte ModelleDie Welt wird beschrieben durch Komponenten. Komponenten sind aufgebaut aus Teilkomponenten und Objekten. Objekte beschreiben Dinge und ihr Verhalten über Parameter und Methoden. Komponenten kommunizieren über Botschaften und nehmen fremde Methoden als Dienste in Anspruch. Beispiel : Virtuelle Systeme
– Funktionale BeschreibungWelt beschrieben durch relevante Funktionen. Funktionen : - können strukturiert sein,
- laufen kontrolliert ab. Beispiel : Organigramm
– Datenfluss-Diagramme - strukturierte AnalyseDie Welt wird beschrieben durch DatenströmeDaten werden : - beschrieben, - transformiert, - gespeichert, - weitergegeben. Beispiel : Bilanz – InformationsflüsseDie Welt wird beschrieben durch Informationseinheiten(Entities) mit - Attributen, - Relationen, - Strukturen, - Verweisen. Beispiel : Ablaufpläne
Anlagen in Gebäuden - Datenquellen für das Produktdatenmodell
Nicht alle Daten werden von allen Nutzern des PDM benötigt. Häufig sind die Daten in anwendungsabhängiger Form zusammenzufassen. Für Fachanwender sind die Produktdatenmodelle daher durch Aspektmodelle zu ergänzen.
Wechselspiel von Produkt und Produktmodell am Beispiel der energetischen Optimierung
Optimierungen können in allen Phasen des Lebenszyklus eines Gebäudes erfolgen
Phase 1: PlanungEnergetische Optimierung des Gebäudeentwurfes durch dynamische
Gebäudesimulation.Optimale Auswahl der technischen Anlagen durch wissensbasierte Systeme .
Phase 2: BauOptimierung der Auslegung und der Arbeitspunkte durch dynamische Anlagensimulation.
Phase 3: Betrieb
Anpassung der virtuellen Anlage an das tatsächliche Verhalten der realen Anlage.Optimierung des Anlagenbetriebes und der Wartung (Erkennung von fehlerhaften
Entwicklungen) durch ständigen Vergleich des Soll-Ist-Verhaltens aus Messungen an der virtuellen und der realen Anlage.
• Was ist das Ziel der Vorlesung -Ingenieure haben Techniken entwickelt, um komplexe Anlagen zu entwerfen, zu bauen und zu betreiben. Die Übertragung dieser Techniken ins Software Engineering erlaubt es ähnlich komplexe Anlagen auf dem Rechner zu planen, zu implementieren und zu betreiben
• Was ist ein Modell - Abstraktion
• Wie sind technische Modelle strukturiert - horizontal und vertikal
• Was sind die mathematischen Grundbeziehungen technischer
Modelle - Erhaltungsgleichungen in integraler und differenzieller Form
VDI-Definitionen zur Modellierung durch Simulation -1
VDI-Richtlinie 3633 (Beuther Verlag, Berlin 1996)
definiert den Begriff des Systems
“Abgegrenzte Anordnung von Komponenten, die miteinander in Beziehung stehen. Es ist gekennzeichnet durch:
- Systemgrenze, Systemein- und ausgangsgrößen
- Subsysteme, Systemelemente,
- Aufbaustruktur
- Ablauflogik
- Zustandübergänge und -größen“,
den Begriff des Modells
„Ein Modell ist eine vereinfachte Nachbildung eines existierenden oder gedachten Systems mit seinen Prozessen in einem anderen begrifflichen oder gegenständlichen System. Es unterscheidet sich hinsichtlich der untersuchungs-relevanten Eigenschaften nur innerhalb eines vom Untersuchungsziel abhängigen Toleranzrahmens vom Vorbild“. Es wird genutzt, um eine bestimmte Aufgabe zu lösen, deren Durchführung mittels direkter Operationen am Original nicht möglich oder zu aufwendig wäre.
- Gedankliches Modell: Modell, das noch nicht in ein Simulationsmodell umgesetzt wurde.
- Experimentierbares Modell oder Simulationsmodell: Reales Modell, das aus dem gedanklichen Modell entstand und mit dem Experimente durchgeführt werden können.“
VDI-Definitionen zur Modellierung durch Simulation -2
Den Prozess der Modellierung
„Die Modellierung umfasst bei der Simulation das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein experimentierbares Modell“,
und der Begriff der Simulation:
„Simulation ist ein Verfahren zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.
Im weiteren Sinne wird unter Simulation das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit einem Simulationsmodell verstanden.
Mit Hilfe der Simulation kann das zeitliche Ablaufverhalten komplexer Systeme untersucht werden“.
Auf Basis des Modells vom Verhalten eines Systems können Entwurf und Steuerung von Anlagen geplant werden. Die Steuerung geschieht über die Leittechnik. Die VDI-Richtlinie 3814 definiert als Aufgaben und Zielsetzung beim Einsatz von Gebäudeleittechnikanlagen das Leiten (DIN 19222) von betriebstechnischen Anlagen, d.h. die "Übernahme oder Unterstützung folgender Aufgaben:
- Anlagenautomation
- Betriebskontrolle
- Betriebsführung
- Archivierung
- Betriebsanalyse
- Energiemanagement
- Instandhaltungsmanagement."
Als wesentlichstes Element wird der Erhalt der Selbständigkeit der betriebstechnischen Anlagen gefordert.
Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
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/16/ Ebbinghaus, J., Wiest, G.: Status objektorientierter Techniken. Forschungsbericht des Forschungsinstitutes für anwendungsorientierte Wissensverarbeitung. Uni Ulm, Oktober 1994.
/22/ Balzert, H.: Methoden der objektorientierten Systemanalyse. Angewandte Informatik Band 14. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim, 1995.
/23/ Rumbaugh, J., Booch, G.: Unified Method V 0.8 (1995). Metamodell Guide, Notation Summary, Reference ^ Manual und User Guide. Rational Software Corp. (kontinuierliche Fortschreibung)
/24/ Booch, G.: Object-oriented Analysis and Design with Applications. Redwood City, California: Benjamin/Cummings. 1994.
/25/ Booch, G., Rumbaugh, J., Jacobsen, I.: The Unified Method Language for Object-Oriented Development, Documentation Set 0.9 Addendum, Rational Software Corporation, Santa Clara, 1996.
/26/ Oestereich, B.: Objektorientierte Softwareentwicklung: Analyse und Design mit dem Unified Method (modeling) Language. Oldenburg Verlag, München, Wien, 1998 (4. Auflage UML 1.2)
Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
/27/ Burkhardt, R.: UML - Unified Modeling Language. Objektorientierte Modellierung für die Praxis, Addison-Wesley, August 1997.
/28/ Neumann, H.: Objektorientierte Entwicklung mit der Unified Modeling Language, Carl Hanser Verlag, München 1998.
/29/ Fowler, M., R. Scott: UML Distilled: A Consise Guide for Applications Developers, Addison-Wesley, 1997 (deutsche Ausgabe 1998 bei Longman, Bonn).
/30/ Dröschel, W., et al.: Inkrementelle und objektorientierte Vorgehensweise mit dem V-Modell ‘97, Oldenbourg Verlag. 1997.
/31/ Dröschel, W., Heuser, W., Midderhoff, R. (Hrsg.): Incrementelle und objektorientierte Vorgehensweisen mit dem V-Modell 97. Oldenburg Verlag 1998.
/32/ Kahlbrandt, Bernd: Software-Engineering. Objektorientierte Software-Entwicklung mit der Unified Modeling Language. Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York, 1998. ISBN 3-540-63309-X.
/33/ Breymann, Ulrich: Komponenten entwerfen mit der C++ STL. Addison-Wesley, Longman Verlag GmbH, 1999.
/34/ Oestereich, B. (Hrsg.): Erfolgreich mit Objektorientierung, Vorgehensmodelle und Managementpraktiken für die objektorientierte Softwareentwicklung. Oldenburg Verlag, München 1999.
/35/ Balzert, Helmut: Lehrbuch der Softwaretechnik. Spektrum Akademischer Verlag, 1996.