Vorlesung Modellbildung und Simulation

Transkript

1 Vorlesung bildung und Teil 1: Grundlagen Informationstechnik im Maschinenwesen Prof. Dr.-Ing. K. Bender Prof. Dr.-Ing. F. Schiller 2005 itm 1 1

2 Organisatorisches Dozent: Prof. F. Schiller Betreuer: Dipl.-Ing. B. Danzer Raum: itm 1 2

3 Kapitel 1.1: Einführung Kapitel 1.1: Einführung Kapitel 1.2: Grundlagen Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapitel 1.4: bildung Kapitel 1.5: 2005 itm 1 3

4 Was ist bildung? Kunst Erstellung eines vereinfachten Abbilds existierender oder gedachter (= ) Literatur Wissenschaft Technik 2005 itm 1.1 Einführung 1 4

5 Was ist bildung &?!! Mit bildung und wird der Problemlösungsprozess von der auf ein abstrahiertes Abbild verlagert und damit gelöst itm 1.1 Einführung 1 5

6 Beispiele zu bildung & I Überprüfung der berechneten Ergebnisse Auftriebskraft Luftwiderstand Wirbelbildung Optimierung der Strömungseigenschaften materiell / physikalische Minimierung des Luftwiderstandes Optimierung des Auftriebes Beispiel: Windkanal 2005 itm 1.1 Einführung 1 6

7 Beispiele zu bildung & II Computersimulation Layoutplanung und -optimierung von Roboterzellen Erreichbarkeits- und Kollisionskontrollen für die Verifikation der Roboter-Bewegungsprogramme Analyse von Einbauräumen und Montagepfaden Konstruktive Optimierung neuer Robotertypen Offline-Programmierung von Industrierobotern Generierung von Steuerungsprogrammen für einen realen Roboter 2005 itm 1.1 Einführung 1 7

8 Beispiele zu bildung & III Computersimulation Beispiel: Virtuelle Gestaltung / Präsentation Architektur Virtuelle Ausstellung / Museum Fabrikplanung Erklärung / Schulung Veranschaulichung von Funktionsprinzipien 2005 itm 1.1 Einführung 1 8

9 Gründe für den Einsatz von MouSi Es können Erkenntnisse über Systeme erlangt werden, die in der nicht oder nur mit wesentlich höherem Aufwand experimentierbar sind: zu langsam, zu schnell (Kernreaktionen, Kontinentaldrift) zu groß, zu klein (Galaxien, Atome) reale System nicht verfügbar (Fusionsprozess) bzw. nicht existent (zu entwickelndes Produkt) reale System würde stark gestört (Börse...) bzw. zerstört werden zu teuer (Luft- und Raumfahrttechnik) zu gefährlich (Ökosystem) 2005 itm 1.1 Einführung 1 9

10 Weitere Gründe für den Einsatz von MouSi Virtuelle Experimente sind beliebig wiederholbar, was sich für das reale System nicht oder nur mit erheblichen Aufwand sicherstellen lässt. Simulierte e sind in der Regel vollständig beobachtbar. Das System wird durch Messungen nicht beeinflusst. Der Zeit und Kostenaufwand von Projekten kann erheblich reduziert werden (Simultaneous / Concurrent Engineering). (z.b. Luft- und Raumfahrttechnik, Crash-Tests) 2005 itm 1.1 Einführung 1 10

11 Bedeutung von MouSi im Produktentwicklungsprozess Problemstellung Konzept Entwurf Produktion Nachweis der Machbarkeit Prognose- und Entscheidungshilfe Virtueller Funktionstest Optimierung Häufig hört man folgende falsch gestellte Frage: Können wir uns die stechnik leisten? Die richtige Formulierung der Frage ist aber: Wie lange können wir es uns leisten, auf die zu verzichten? Aus: von Produktionssystemen (1995), Vorwort 2005 itm 1.1 Einführung 1 11

12 Systemkenntnis in unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen Elektrotechnik gering Systemkenntnis hoch Psychologie Spekulation Sozialwissenschaften Ökonomie Systemverständnis Biologie Mechanik Fluiddynamik Chemie Steuerung Entwurf Vorhersage Wollen Können bildung und hat daher eine besondere Bedeutung in den Ingenieurswissenschaften 2005 itm 1.1 Einführung 1 12

13 Chancen von MouSi Simplifizierung der realen Welt Erfassung der Systemkomplexität verbessertes Systemverständnis Alternative zu realen Experimenten Möglichkeiten Grenzen Entscheidungshilfen Strategiebestimmung Datenerfassung 2005 itm 1.1 Einführung 1 13

14 Risiken von MouSi Datenmangel Möglichkeiten Grenzen Mangelnde Transparenz Computerglaubwürdigkeit Fehleranfälligkeit Hoher Konstruktionsaufwand Vermischung von und sferne 2005 itm 1.1 Einführung 1 14

15 Kapitel 1.2: Grundlagen Kapitel 1.1: Einführung Kapitel 1.2: Grundlagen Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapitel 1.4: bildung Kapitel 1.5: 2005 itm 1 15

16 Beziehung zwischen, und s itm 1.2 Grundlagen 1 16

17 Begriffsdefinition (Wirklichkeit): bezeichnet das, was unabhängig vom Subjektiven, also von Wahrnehmung, Gefühlen und Wünschen objektiv der Fall ist und existiert. Im engeren Sinne ist der philosophischen und wissenschaftlichen Betrachtung und Erforschung zugänglich; Dinge der sind also messbar und können als Basis für Theoriebildung dienen. (net-lexikon) : Dinglichkeit, Wirklichkeit; objektive oder empirische, Vorhandensein in der Außenwelt; subjektive oder ideale, Vorhandensein in der Vorstellung. ( im Umfeld von MouSi: existierende bzw. gedachte Wirklichkeit eingebettet in seine System-Umwelt itm 1.2 Grundlagen 1 17

18 Begriffsdefinition, ierung bildung System (konzeptionelles) : Ist eine vereinfachte Nachbildung eines existierenden oder gedachten Systems in einem anderen begrifflichen oder gegenständlichen System. Es wird genutzt, um eine bestimmte Aufgabe zu lösen, deren Durchführung mittels direkter Operationen am Original nicht möglich oder zu aufwändig wäre (VDI 3633). ierung (=bildung): Die ierung umfasst das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein itm 1.2 Grundlagen 1 18

19 Beziehung zwischen, und ieren 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 19

20 Begriffsdefinition Implementierung, smodell Das abstrakte ist nicht direkt experimentierbar. Um ein Experiment durchführen zu können, muss das abstrakte in eine ausführbare Form z.b. rechnerlesbare Programme überführt werden. Implementierung smodell smodell: Ablauffähiges, das aus dem konzeptionellen entstanden und mit dem Experimente durchgeführt werden können. Implementierung: Unter Implementierung in der sstudie versteht man die Umsetzung eines abstrakten bzw. gedanklichen s in ein auf einem Rechner ablauffähiges smodell (VDI 3633) itm 1.2 Grundlagen 1 20

21 Beziehung zwischen, und ieren Implementieren smodell 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 21

22 Begriffsdefinition Experimentieren: In der stechnik versteht man unter Experimentieren die gezielte empirische Untersuchung des verhaltens durch wiederholte släufe mit systematischen Parametervariationen (VDI 3633). Implementierung Experimentieren : umfasst die Implementierung und das Experimentieren von smodellen, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind itm 1.2 Grundlagen 1 22

23 Beziehung zwischen, und ieren Experimentieren smodell Implementieren 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 23

24 Begriffsdefinition Verifikation und Validierung Verifikation: Durch den Prozess der Verifikation wird überprüft, ob ein die zugrundeliegenden Anforderungen der widerspiegelt bzw. ob das smodell das konzeptionelle korrekt beschreibt. Habe ich es richtig gemacht? Validierung: Überprüfen der hinreichenden Übereinstimmung von und System (). Es ist sicherzustellen, dass das das Verhalten des Originalsystems im Hinblick auf die Untersuchungsziele genau genug und fehlerfrei widerspiegelt (VDI 3633). Habe ich das Richtige gemacht? 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 24

25 Verifikation und Validierung in MouSi Verifikation des s ieren Verifikation des smodells Implementieren Experimentieren smodell Validierung des smodells 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 25

26 Planung der bildung und bevor mit der eigentlichen Arbeit begonnen wird... Projektmanagement Zeitplanung Wer macht was wann Meilensteine festlegen Phasenplanung Ressourcen einplanen Budget Software Hardware Personal Dokumentation Was muss dokumentiert werden Wie dokumentiere ich Dokumentationsrichtlinien 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 26

27 Vorgehensweise bei MouSi Problemspezifikation (Kapitel 1.3) bildung (Kapitel 1.4) Systemanalyse Verifikation (Kapitel 1.5) Implementierung Verifikation Parametrierung Validierung Experimentieren Gesamtauswertung und Präsentation 2005 itm 1.2 Grundlagen 1 27

28 Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapitel 1.1: Einführung Kapitel 1.2: Grundlagen Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapitel 1.4: bildung Kapitel 1.5: 2005 itm 1 28

29 Problemstellung ist kein Selbstzweck. Durch sstudien soll ein mehr oder weniger konkretes Problem gelöst werden. Problembeschreibung, Aufgabenstellung & zweck Was will ich? Anforderungsspezifikation an die ierung Entscheidung, welche Systemaspekte abgebildet werden müssen und welche Systemaspekte abstrahiert werden können! 2005 itm 1.3 Problemstellung und Anforderungsanalyse 1 29

30 Klassifikation der ierungszwecke Prognose und Entscheidungshilfe Geologie Wettervorhersage Militärische Szenarien Verständnis Wissenschaft: Kernphysik Rechnernetzanalyse Chemische Reaktionen Design & Architektur Optimierung Verkehrsplanung Transport und Logistik Personaleinsatz Regelungsauslegungen Schaltungsentwurf Ressourceneinsparung Schulung: Schiffs-, Flugund Fahrsimulator Men in the Loop Qualitätssicherung Produktentwicklung Absicherung der Spezifikation Produkt-Test 2005 itm 1.3 Problemstellung und Anforderungsanalyse 1 30

31 ierungszweck : Konkrete Beispiele Aufgabe: Erstellung eines s der Autowaschanlage zweck: Test der Steuerungssoftware Aufgabe: Abbildung des Energiehaushalts eines Pkw zweck: Verständnis der Zusammenhänge, Optimierung Aufgabe: FEM Abbildung eines Balkens mit angreifenden Kräften zweck: Analyse des Bruchverhaltens 2005 itm 1.3 Problemstellung und Anforderungsanalyse 1 31

32 Anforderungsspezifikation Die Anforderungsspezifikation leitet sich aus der Aufgabenstellung ab. In der Anforderungsspezifikation wird eindeutig beschrieben, welche Probleme aus der Aufgabenstellung mit Hilfe der gelöst werden sollen. Weiter enthält die Anforderungsspezifikation Anforderungen, wie: Ergebnisdarstellung Qualitätskriterien Zeitkriterien Kostenrahmen Die Anforderungen sind zum Teil konkurrierend und von mehreren Einflüssen abhängig. Ziel: Formulieren von eindeutigen, möglichst quantitativen Anforderungen itm 1.3 Problemstellung und Anforderungsanalyse 1 32

33 Anforderungsspezifikation - Einflussfaktoren Erfahrung in MouSi Systemkenntnis hilfreich bei der Anforderungsspezifikation Systematisches und methodengestütztes Vorgehen Fehler in der Anforderungsspezifikation sind später nur mit großem Aufwand korrigierbar und erfordern oft eine vollständige Neukonzeption itm 1.3 Problemstellung und Anforderungsanalyse 1 33