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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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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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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 Programmes

Simulation

Daten-Beschaffung

ModulVerknüpfung

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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

Weitere

architektonische

Modelle in

Vorlesung

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Modell des Ingenieurs(Modell Raum als Bild und attributiert - 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

3 m

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)

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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

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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 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.“

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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.

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Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf

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/ 8/ Coad, P.: Yourdon, E.: Object-Oriented Analysis, 2. Edition. Englewood Cliffs, Yourdon Inc./Prentice-Hall, 1991.

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/10/ Booch, G.: Object-oriented Design with Applications. Redwood City, California: Benjamin/Cummings. 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

/14/ Wedeking, H.: Objektorientierte Schema-Entwicklung - Ein kategorierter Ansatz für Datenbanken und Programmierung. Mannheim: B.I.-Reihe Informatik, Bd 85, 1992.

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Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf

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Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf

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/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.

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/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.

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/38/ Doberkat, E.-E. Das siebte Buch. Objektorientierung mit C++. G.B. Teubner, 2000.