Computergestützte. Berechnungswerkzeuge. Präsentation der Module. CGBW - Module. Prof. Dr. rer. nat. Johannes Gottschling

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1 CGBW - Module Computergestützte Berechnungswerkzeuge Präsentation der Module Prof. Dr. rer. nat. Johannes Gottschling Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg 1

2 Einleitung Ziel der Lehrveranstaltung Computergestützte Berechnungswerkzeuge (CGBW) ist, erste praktische Erfahrungen mit dem Computer sowie den Umgang mit einigen ingenieurtypischen, universell einsetzbaren Softwarewerkzeugen (insbesondere im weiteren Verlauf des Studiums!) teamorientiert zu vermitteln. Durchführungsform und Prüfungsmodus: Die Lehrveranstaltung wird in Form von zwei Modulen mit je ca. 15 Lehreinheiten (1 Lehreinheit 45 min.) absolviert. Jedes Modul besteht aus mehreren Terminen mit je ca. 5 Lehreinheiten. Die Studierenden können aus einem Katalog von 17 Modulen mit unterschiedlichen Anforderungen und Inhalten entsprechend ihren Vorkenntnissen und ihrer Interessenlage geeignete Module mit Zahlen von 1 bis 17 bewerten. Dabei bedeutet die Zahl 1 Teilnahmewunsch ist sehr hoch und 17 Teilnahmewunsch ist niedrig. Abhängig von der Bewertung und einem Zufallsverfahren werden einem Studierenden zwei Module zugeordnet, die verschiedene Themen haben. Je Einzelkurs wird eine Teilnahmebescheinigung der jeweiligen Dozentin oder des Dozenten ausgestellt. Beurteilung des Lernerfolges: mit Erfolg teilgenommen bzw. ohne Erfolg teilgenommen. Die Prüfungsleistung zur Veranstaltung CGBW ist erbracht, wenn zwei positive Teilnahmebescheinigungen aus zwei verschiedenen Modulen vorliegen. Es besteht Anwesenheitspflicht. 2

3 Einleitung Alle Module Modul 1-5 Einführung in MATLAB Modul 11 Approximation von Messwerten durch Funktionen Modul 6 Computergestützte Geometrie Modul 12 Programmieren mit einem RAD System Meine Module Modul 7 Modellbildung und Simulation von mechatronischen Systemen mit Dymola am Beispiel eines Starter-Systems Modul Einführung in MS Excel MeinModul 1 Name des Moduls Modul 8 Fahrzeugdynamikregelung Modul Windows Betriebssysteme MeinModul 2 Name des Moduls Modul 9 Seilroboter Modul 10 Sensoren und Messwerte Abhängig von der Bewertung und einem Zufallsverfahren werden einem Studierenden zwei Module zugeordnet. Die Module müssen verschiedene Themen haben. Das sollte bei der Bewertung beachtet werden. 3

4 Modul 1 bis 3 Einführung in MATLAB Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. A. Kecskeméthy Die Einführung in das Programmsystem MATLAB umfasst die folgenden Grundelemente: Skalare, Vektoren, Matrizen, Untermatrizen. Lösen linearer Gleichungssysteme, Inverse, Determinanten, Eigenwerte. Polynome und Interpolation. Erstellen von MATLAB-Files: benutzerdefinierte Funktionen und Script-Files. Einfache Algorithmen: Newton-Verfahren, numerische Integration (Quadratur). Numerische Lösung gewöhnlicher Differentialgleichungen. Visualisierung der Ergebnisse. 4

5 Modul 4 und 5 Einführung in MATLAB Verantwortlich: Prof. Dr. rer. nat. J. Gottschling/Dr.-Ing. B. Weyh Das Programmpaket MATLAB ist ein Werkzeug zur numerischen Bearbeitung von einfachen bis hin zu komplexen technischen Systemen. Es ist zur schnellen Analyse und Synthese dynamischer Vorgänge insbesondere in der Prototypenentwicklung geeignet und wird heute zunehmend in der Industrie eingesetzt. In dieser Lehrveranstaltung soll eine erste Einführung in MATLAB an ausgewählten Beispielen gegeben werden. Grundelemente: Skalare, Vektoren, Matrizen, Determinanten, linearer Gleichungssysteme und nichtlineare Gleichungen. Probleme zu diesen Grundelementen werden durch Übungen am Rechner vertieft. Dies schließt die Verknüpfung von Symbolik und Numerik ein. Symbolisches Rechnen, also das Rechnen mit Formel, und das numerische Rechnen, das heißt das Rechnen mit reellen oder auch komplexen Zahlen, sind die beiden Säulen, auf denen das wissenschaftliche Rechnen basiert. Das symbolische Rechnen ist der Versuch, das Rechnen mit Bleistift und Papier auf dem Rechner abzubilden. In MATLAB muss dazu die Symbolic Toolbox installiert sein. Ferner werden 2D- und 3D-Visualisierungen zur Ergebnisinterpretation erarbeitet. Eine Einführung in die MATLAB-Programmieroberfläche und deren Sprachelemente ist ebenfalls in diesem Modul enthalten. 5

6 Modul 6 Computergestützte Geometrie Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. Dipl. Math. P. Köhler Analytische Beschreibung spezieller, oft gebrauchter Kurven und Flächen Erzeugung entsprechender geometrischer Darstellungen in CAD-Systemen Analyse und Diskussion wichtiger Eigenschaften dieser Kurven und Flächen Einführung in Freiformkurven und Freiformflächen Modellierung ausgewählter Bauteilflächen in Pro/ENGINEER 6

7 Modul 7 Modellbildung und Simulation von mechatronischen Systemen mit Dymola am Beispiel eines Starter-Systems Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. D. Schramm Ein Startersystem (Bild 1) erzeugt durch einen Schleppvorgang geeignete Druck- und Drehzahlbedingungen für einen Anlauf des Verbrennungsmotors. Hierfür wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie durch den elektrischen Motor in eine Drehbewegung umgewandelt. Diese Bewegung wird durch weitere Übersetzungen im Starter sowie zwischen Ritzel und Zahnkranz an den Verbrennungsmotor weitergeleitet, wodurch die Verdichtung in den Zylindern erfolgt (Bild 2, Walteros 2003). Bild 1: Starter-Einheit eines Kraftfahrzeugs Bild 2: Antriebsstrang des Starter-Systems In diesem Modul bekommen die Studierenden die Gelegenheit, das mechatronische System eines Starters einschließlich des Verbrennungsmotors unter der objektorientierten Programmierumgebung Dymola zu modellieren und zu simulieren. 7

8 Modul 7 Unter Vorgabe der Gleichungen der einzelnen Komponenten wird Schritt für Schritt das vereinfachte Modell des Starter-Systems aufgebaut. Die anschließende Simulation des Modells ermöglicht erste Erfahrungen mit dem Umgang und der Interpretation von Simulationsergebnissen. Klasse elport // elektrischer Port across Reell V;// Spannung through Klasse ReellmechPort i; // mechanischer // StromPort Ende elport across Reell v; // Geschwindigkeit through Klasse ReellWiderstand f;// Kraft Ende mechport Parameter Reell R=1; // [Ohm] elportklasse porta, Elektromotor portb; Widerstand RA; Drehzahl_Elek... oilpump gain1 Gleichungen: Induktivität LA; w porta.v EMF- emf; portb.v // = elektromotorische k=60/... R*port_A.i;// Ohmsches Kraft Gesetz dcmotor idealgear=5 idealgear1=125/9 porta.i Trägheitsmasse + portb.i = 0; inertia; freewheelspringdamper=120 // Knotengleichung Masse ground; Ende Widerstand ground d=20 Gleichungen: battery Drehzahl_Ver... Drehzahl_vor... Drehzahl_nac... gain Verbinde RA.portA mit LA.portB; w w w Verbinde LA.portB mit emf.porta; k=60/... Verbinde emf.portb mit ground.port; viscou... Verbinde emf.portc mit inertia.port; world... y Ende Elektromotor cuttorque fixed=0 a b a b x my_c... my_c... my_c... my_c... n={1,0,0} torq... resol... actuatedrev... gain.y Bild 3: Modell des gesamten Antriebsstrangs unter Dymola 8

9 Modul 8 Fahrzeugdynamikregelung Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. D. Schramm Am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen lernen die Studierenden das Gebiet der Fahrdynamik interaktiv im Umgang mit der Simulationssoftware CarMaker. Die Studierenden führen in Rechnerübungen mit CarMaker eigene virtuelle Fahrversuche durch und lernen so Schritt für Schritt, das dynamische Verhalten von Fahrzeugen zu verstehen. Um die Dynamik eines Fahrzeuges möglichst umfassend zu beurteilen, werden während der Fahrzeugentwicklung neben Versuchsfahrten auf der Teststrecke auch Fahrdynamik-Simulationen am Computer durchgeführt. Diese virtuellen Fahrversuche haben den Vorteil, dass sie - frei von äußeren Einflüssen reproduzierbare Ergebnisse liefern. Damit lassen sich die Resultate aus den virtuellen Fahrversuchen eindeutig in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrzeugparametern darstellen. Sowohl grundlegende als auch sehr komplexe fahrdynamische Zusammenhänge können somit systematisch analysiert werden. Diese Eigenschaft macht die Fahrdynamik-Simulation nicht nur für die Fahrzeugentwicklung in der Industrie, sondern auch für die Forschung und Lehre an den Universitäten interessant. Am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen wird die Fahrdynamiksoftware CarMaker eingesetzt, um verschiedene Forschungsprojekte zu bearbeiten und angehenden Ingenieuren das Gebiet der Fahrdynamik anschaulich zu vermitteln. 9

10 Modul 8 In dem angebotenen Modul wird den Studierenden in Rechnerübungen angeboten, fahrdynamische Zusammenhänge interaktiv im Umgang mit CarMaker kennenlernen. Der Einstieg in CarMaker ist dank der intuitiven Bedienbarkeit sehr leicht, so dass die Studierenden bereits nach einer kurzen Einführung verschiedene Fahrversuche aufbauen können. Während und nach der Simulation verfolgen sie die virtuellen Testfahrten in der 3D-Animation von CarMaker und analysieren ausgewählte Simulationsgrößen. Ziel dieser Übungen ist es zu Anfang, das Verständnis der Studierenden für die grundlegenden fahrdynamischen Größen, wie Nicken, Gieren, Wanken oder den Schwimmwinkel zu festigen. Darauf aufbauend lernen sie Schritt für Schritt, die dynamischen Eigenschaften von Fahrzeugen hinsichtlich Fahrstabilität, Komfort und Sicherheit zu beurteilen. Das Fahrverhalten wird dann anhand von Standardmanöver (z.b. stationäre Kreisfahrt, ISO-Spurwechsel oder Lenkwinkelsprung) untersucht und bewertet. Nach eingehender Einarbeitung in CarMaker werden die Studierenden ein Anti-Blockier-System (ABS) in der MATLAB/Simulink -Umgebung von CarMaker programmieren. Die Funktionalität der durch die Studierenden entworfenen ABS Regelung wird dann in Virtuellen Fahrversuchen getestet. 10

11 Modul 9 Seilroboter Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. D. Schramm Das angebotene Modul beschäftigt sich mit einer neuen, innovativen Art von Roboter, dem so genannten seilgetriebenen Parallelmanipulator. Dieses System ermöglicht die Positionierung einer Nutzlast (z.b. Greifer, Schweißgerät, Frachtpalette etc.), welche mit Seilen im Raum verspannt ist. Die an dem Rahmen befestigten Seilwinden stellen in diesem mechatronischem System die Aktoren dar. Die Nutzlast kann, durch die Seile geführt, hochdynamisch im Raum bewegt werden. Auf dem Roboter wird ein d-space Echtzeitsystem in Verbindung mit MATLAB/Simulink zur Steuerung verwendet. Ein Prototyp befindet sich im Labor des Lehrstuhls für Mechatronik, so dass der Roboter in action gezeigt werden kann. Innerhalb des Moduls sollen im späteren Studium theoretisch eingeführt kinematische Begriffe wie Arbeitsraum oder physikalische Größen wie Kraft und Beschleunigung intuitiv begreifbar und anschaulich dargestellt werden. Dabei stellt der Seilroboter ein ebenso unkonventionelles wie leistungsfähiges System dar, dessen Funktionsprinzip aber einfach verständlich ist. Mit der Hilfe von Engineering-Tools wie MATLAB/Simulink und MAPLE wird zunächst der Arbeitsraum eines Seilroboters computergestützt berechnet: Im nächsten Schritt wird ein Seilroboter mit dem am Lehrstuhl für Mechatronik entwickeltem Tool GraSy designt. Außerdem werden in dem Modul einfache Steuerungskonzepte in MATLAB/Simulink implementiert. Weiterhin wird der Einsatz dieser Werkzeuge in anderen Projekten des Lehrstuhls für Mechatronik geschildert. 11

12 Modul 10 Sensoren und Messwerte Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. P. J. Mauk Für die Auswertung von Versuchen in der Werkstoffprüfung und Umformtechnik wird ein Spektrum von Sensoren zur Erfassung von physikalischen Größen wie Längenänderung, Kraft, Zeit, Temperatur, usw. benötigt. Diese Sensoren müssen einen weiten Messbereich abdecken (z.b. Temperaturen bis 1600 C, Kräfte bis 2 MN) und unter widrigen Rahmenbedingungen funktionieren. Die Signalkonditionierung und Messwerterfassung mittels PC muss diesen Anforderungen angepasst sein. Die Auswertung der erfassten Daten und ihre Umsetzung in aussagekräftige Ergebnisse mit Hilfe unterschiedlichster Software führen am Beispiel eines Stauchversuches vom Kraft-Weg-Diagramm zur Fließkurve als wichtige Charakterisierung metallischer Werkstoffe in der Umformtechnik. 12

13 Modul 11 Fließspannung kf [N/mm^2] Stauchversuch X3CrNiCu - Ausgewählte Messwerte y = -854,49x ,8x + 310,82 R 2 = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 x 0,0158 1,0969 1,1013 1,1056 1,1100 1,1144 1,1187 1,1231 M Tab. 1: Messwerte M Umformgrad Phi [-] y 287,0 996,7 998,3 999,9 1001,5 1003,1 1004,8 1006,4 Approximation von Messwerten durch Funktionen Verantwortlich: Prof. Dr. rer. nat. J. Gottschling Dieses Modul gibt einen ersten Einblick in die Lineare Ausgleichsrechnung, einem wichtigen Verfahren, um aus Messwerten funktionale Zusammenhänge herzuleiten. Die Lineare Ausgleichsrechnung basiert auf der Methode der kleinsten Quadrate, die von dem bekannten deutschen Mathematiker Carl Friedrich Gauß ( ) entwickelt wurde. Die Grundlagen zu dieser Methode legte er bereits 1795 im Alter von 18 Jahren. Die Methode der kleinsten Quadrate ist im Zeitalter leistungsfähiger Computer ein Standardverfahren der numerischen Mathematik und der Statistik. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass eine Modellfunktion bekannt sein muss, deren Parameter "bestmöglich" an die Messdaten angepasst werden. Ist keine Modellfunktion bekannt, so sind Neuronale Netze ein hilfreiches Werkzeug, falls eine große und dichte Datenbasis zur Verfügung steht. Warum reichen die gemessenen Werte nicht aus? Es gibt kein Paar innerhalb der Messwerte, das den x-wert 1,115 besitzt. Oft besteht aber die Notwendigkeit einen y-wert für x-werte zu bestimmen, die nicht zu den gemessenen Werten gehören. Liegt ein nicht gemessener x-wert innerhalb des kleinsten und größten gemessenen x-wertes, so nennt man das interpolieren, anderenfalls extrapolieren. Auf Basis geeigneter Modellfunktionen können Messwerte inter- und extrapoliert werden. Künstliche Neuronale Netze (NN, engl. artificial neural networks) sind ein Zweig der Künstlichen Intelligenz (KI). Ohne auf die Theorie der NN einzugehen, wird interessante Software vorgestellt, um Messwerte mit Hilfe der NN zu approximieren. 13

14 Modul 12 Programmieren mit einem RAD System Verantwortlich: Prof. Dr. rer. nat. J. Gottschling Die Abkürzung RAD bedeutet Rapid Application Development. Viele Anwendungen, insbesondere grafische Benutzeroberflächen (GUI Graphical User Interface), lassen sich mit Hilfe von RAD Systemen erheblich schneller realisieren als mit konventioneller Programmierung. Weitere Vorteile sind u.a. die automatische Code-Vervollständigung bei der Eingabe. Eine RAD- Programmierumgebung stellt dem Anwendungsentwickler ein komplettes Paket zur Entwicklung von Software zur Verfügung. Hierzu gehören ein leistungsstarker Debugger und ein unterstützender Editor mit Syntaxhervorhebung. In diesem Modul wird mit Delphi 2007 ein Einstieg in die Programmierung mit einem RAD System gegeben. Delphi ist ereignis- und objektorientiert und sehr schnell zu erlernen. Die Programmiersprache, auf der Delphi basiert, ist Objekt-Pascal. Die Programmiersprache Pascal wurde ursprünglich in den Jahren 1968 bis 1972 an der ETH Zürich vom Schweizer Informatiker Nikolaus Wirth entwickelt, der diese Sprache nach dem französischen Mathematiker und Philosophen Blaise Pascal ( ) benannte. Wirth wollte eine einfache, didaktisch gut aufbereitete Programmiersprache entwickeln, die in der Ausbildung eingesetzt werden kann und die strukturierte Programmierung unterstützt. Delphi bietet zwar nicht die Plattformunabhängigkeit wie JAVA, wegen der Klarheit des Sprachkonzeptes, der leichten Erlernbarkeit und der Erziehung zu einem disziplinierten Programmentwurf fand es dennoch eine weite Verbreitung. Delphi läuft unter Windows und Linux (dort unter dem Namen Kylix). Unter Windows ist eine freie Version unter dem Namen Turbo Delphi erhältlich. 14

15 Modul 13 bis 15 Einführung in MS Excel Verantwortlich: Petra Stratmann, Andreas Michels (ZIM) In diesem Modul werden die Möglichkeiten eines Tabellenkalkulationsprogrammes am Beispiel von Microsoft Excel behandelt. Folgende Bereiche werden abgedeckt: Grundlagen der Tabellenkalkulation absolute und relative Zellbezüge Einfügen von Funktionen und Arbeiten mit dem Funktionsassistenten Einrichten des Seitenlayouts, Druckvorgänge Diagrammerstellung Möglichkeiten der Datenverwaltung, Datenmaske Die logischen Funktionen WENN, UND, ODER einfache Anwendungen Excel-Funktionen aus verschiedenen Kategorien (Finanzmathematik, Logik, Matrix, Statistik,...) bedingte Formatierung benannte Bereiche in Formeln verwenden Arbeit mit mehreren Arbeitsmappen (Verknüpfen von Tabellen und Arbeitsmappen) Möglichkeiten der Datenauswertung (Zielwertsuche, Solver, Pivot-Tabelle, Szenario-Manager) Nach Erarbeitung der oben angegebenen Inhalte wird die Datenauswertung mit Excel exemplarisch für die Themenfelder Regressionsanalyse und linearen Optimierung vorgestellt. 15

16 Modul 16 und 17 Windows Betriebssysteme Verantwortlich: Petra Stratmann, Andreas Michels (ZIM) Dieses Modul gibt einen Überblick über die Microsoft Windows Betriebssysteme. Der Schwerpunkt liegt in der Betrachtung des Desktop-Betriebssystems Windows XP. Themenbereiche sind: Funktion und Struktur des Betriebssystems Das Dateisystem Installation und Konfiguration eines Arbeitsplatzrechners unter Windows XP Sicherheitsaspekte System- und Hilfsprogramme Des Weiteren erfolgt ein vergleichender Überblick über das Windows-Serverbetriebssystem Windows Server Hierbei wird sowohl auf die Grundfunktionalitäten des Serverbetriebs als auch auf die Möglichkeiten der Einrichtung einer Active-Directory Domäne eingegangen. 16