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Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 1
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 ?
Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 2
Universität Stuttgart
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
Bildung von Modellen
Problem
mathematischesModell
physikalischesModell
Analyse und Darstellungder Ergebnisse
Analyse des mathe-matischen Modells
Existenz und Lösungen
numerisches Modell
Konsistenz, Konvergenz
Entwurf und Implementierung eines Programms
Simulation
Daten-Beschaffung
ModulVerknüpfung
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Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
Problem: Wärmebedarf eines Wohngebäudes
Ta
Transmissions-verluste
SolareWärmegewinne
Lüftungs-verluste
Ti
Interne Wärmegewinne
Wärmebedarf
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Physikalisches Modell
Zonenweise stationäre Energiebilanz bei vorgegebener Sollinnentemperatur
)( SILT QQQQQ
TQ
SQ
LQ
IQ
: Transmissionsverluste
: Lüftungsverluste
: Interne Wärmegewinne
: Solare Wärmegewinne
: Ausnutzungsgrad
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Mathematisches Modell
Transmissionsverluste:
Lüftungsverluste:n Luftwechsel
Interne Wärmegewinne:
dtTTAktQ aiT )()(
dtTTcVntQ aiL )()(
dtAQtQ II )(
Mittlere interne Wärmegewinne auf der Basis eines durchschnittlichen 2,7-Personenhaushaltes bezogen auf die Wohnraumfläche
:IQ
Statisches Verfahren auf monatlicher Basis mit folgenden Gleichungen:
Solare Wärmegewinne:F bedeuten Abminderungsfaktoren für Verschattung, Sonnenschutz und Rahmenanteil
dtFFFAItQ FCSS )(
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Mathematisches Modell Transmissionsverluste:
Lüftungsverluste:
Interne Wärmegewinne:
Solare Wärmegewinne:
Ausnutzungsgrad:
Stationäres Punktmodell
tTTAkQ aiT )(
tTTcVnQ aiL )(
tAQQ II
tFFFAIQ FCSs
1 wenn,1
1 wenn ,1
11
a
a
a
a
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Beispielgebäude EFH - Isometrie
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Modell des Architekten(Ziel: Darstellung und Raumgefühl)
Block A: Schnitt
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Modell des IngenieursModell Raum: als Bild und Attribute (Ziel: Beschreibung von Verhalten)
Bauteil Zusammen-setzung
Dickem
LeitfähigkeitW/m/K
spez.WärmekJ/kg/K
Dichtekg/m3
äußereWand
VerputzBeton
Dämmung
0,0050,3
0,09
0,872,0350,045
1,00,520,84
14002400
75
innereWand
Dämmung 0,1 0,045 0,84 75
Boden TeppichEstrichBeton
0,0070,0750,012
0,061,40
2,035
1,30,920,92
10020002100
Decke BetonEstrichTeppich
0,0120,0750,007
2,0351,400,06
0,920,921,3
21002000100
Attribute
3m
0,7
m
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Beispiel Gebäudemodellierung
Architektonisches Modell
Thermisches Modell 1
Thermisches Modell 2
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Ergebnis 1
Es gibt ganz verschiedene Möglichkeiten Modelle zu gestalten
Modelle sind zweckgebunden
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Eigenschaften von Modellen
ŸModelle
- beschreiben Ausschnitt der Welt
- haben beschränkte Gültigkeit
- unterliegen vielen Fehlerquellen
ŸModelle sind
- nicht wahr, aber brauchbar
- nicht verifizierbar, aber validierbar
- nicht richtig, aber nützlich
ŸModellergebnisse benötigen
- Interpretation
- Validierung
- Daten
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Reale Welt
Beschreibbar
• Weltausschnitte je als dynamisches System
• 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.
• Dynamische Systeme erfordern Kontrollflüsse.
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Methoden zur Beschreibung von Weltausschnitten
– 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
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Beispiele komplexer Systeme
Beispiel 1
Modellierung von Anlagen in Gebäuden
Ziele: Minimierung des Energieverbrauchs durch Ersatz von Energie durch Intelligenz
Kontrolle von Gebäude, Anlage und Anlagenverhalten durch modellbasierte Methoden
Beispiel 2
Informationssystem zur kooperativen Verarbeitung von Umweltdaten
Ziele: Einbringung von Umweltgesichtspunkten in Entscheidungsprozesse durch integrale Behandlung der Umweltbelange
Nutzung verteilten Wissens über verteilte Datenbanken und darauf operierende Agenten zur Erbringung von wissensintensiven Dienstleistungen
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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.
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Anlagen in Gebäuden
Aufgaben, für die Daten aus dem Produktdatenmodell verwendet werden können
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Reale und virtuelle Anlagen -1
Produkt und Produktmodell (PDM + Methoden)Zusammenspiel während des Lebenszyklus
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Reale und virtuelle Anlagen - 2
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.
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Ergebnis 2
Modelle werden zunehmend komplexer:
mehr Einflüsse, mehr Nutzungen
Bestandteile von Modellen werden zunehmend ähnlicher
Messdaten, Beschreibungsdaten, Stammdaten
Abschätzung, Auslegung, Betrieb
Modelle können über gesamte Lebensdauer eines Systems genutzt werden
Datenbestand wächst mit System
Aufgaben unterschiedlichen Phasen
Konsequenz: Trennung von Beschreibung und Verhalten
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Modelle zur Interpretation von Daten
– Modelle verhalten sich im Rahmen ihrer Gültigkeit wie Realität
– Modelle können Realität ergänzen, wenn
• Daten lückenhaft sind
• Daten ungenau sind
• Daten interpretationsbedürftig sind
• Daten fehlen
– Realität kann an Modellen gemessen werden
• Synoptische Prüfung von Daten
• Bewertung von Entwurfsalternativen
• Optimierung von Systemen
• Aufspüren von Fehlern
• Schulung im Umgang mit komplexen Systemen
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Grundlagen der Verbesserung von Modellen
ŸRechnerleistung
- erlaubt detaillierte physikalische und mathematische Beschreibung als Grundlage der Modelle
ŸSoftware Engineering
- erlaubt, komplexe Modelle in Programme umzusetzen
ŸKommunikationstechnik
- erlaubt Bereitstellung aktueller Zustandsdaten für realitätsnahe Simulation
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Nutzen besserer Modelle
– Interpolation zwischen Messwerten
(Verringerung teuerer Messungen)
– Korrelation verschiedener Bereiche
(Gesamtschau statt Einzeleffekt)
– Untersuchung von alternativen Lösungen
(Variantenkonstruktion)
– Optimierung des Betriebs unter aktuellen Randbedingungen
– Untersuchungen in Grenzbereichen
(Störfallsimulation)
Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 24
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Diese Fragen sollten Sie beantworten können
• 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
Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 25
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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 untersuchungsrelevanten 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.“
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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.
Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 27
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Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
/ 1/ Parnas, D.L.: On the Criteria to be Used in Decomposing Systems into Mdules. Communications of the ACM, Vol. 5,
No. 12, 1053-1058, 1972.
/ 2/ Chen, P.:The Entity-Relationship Model - Toward a Unified View of Data. ACM Transactions on Database Systems, Vol.1, 1976
/ 3/ Yourdon, E.: Constantine, L.L.: Structured Design. New York:Yourdon Press, 1975/1979.
/ 4/ De Marco, T.: Structured Analysis and System Specification. New York: Yourdon Inc., 1978/1979.
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/ 6/ Yourdon, E.: Modern Structured Analysis. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1989.
/ 7/ Ward, P.T.: Mellor, S.J.: Strukturierte Systemanalyse von Echtzeit-Systemen. München/Wien: Hanser; London: Prentice-Hall, 1991.
/ 8/ Coad, P.: Yourdon, E.: Object-Oriented Analysis, 2. Edition. Englewood Cliffs, Yourdon Inc./Prentice-Hall, 1991.
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/12/ Nagl, W.D.: Computertechnologie und Managementpraxis: Datenbanken und Objekte. Addison-Wesley, 1992.
/13/ Raasch, J.: Systementwicklung mit strukturierten Methoden. München/Wien: Hanser, 2. Auflage, 1992
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Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 28
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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.
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/18/ Stein, W.: Objektorientierte Analysemethoden. Vergleich, Bewertung, Auswahl. BI-Wissenschaftsverlag, 1994.
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Simulation technischer Systeme, WS 05/06 Vorlesung 1 Modelle Folie 29
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Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
/27/ Burkhardt, R.: UML - Unified Modeling Language. Objektorientierte Modellierung für die Praxis, Addison-Wesley, August 1997.
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