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2023 | Buch

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Methoden zur Modellbildung und Simulation mechatronischer Systeme

Bondgraphen, objektorientierte Modellierungstechniken und numerische Integrationsverfahren

verfasst von: Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Das Buch beschreibt verschiedene Methoden zur Modellierung mechatronischer Systeme. Zur Durchführung eines modellbasierten Systementwurfs wird anfänglich die in der Praxis oft angewandte signalflussorientierte Modellierung herangezogen. Bei den in diesem Vorgang nötigen Modifikationen des Systems, zeigen sich die prinzipbedingten Schwierigkeiten dieser Methode.Als mögliche Alternativen werden Bondgraphen und die objektorientierte Modellierung eingehend vorgestellt und darauffolgend angewandt, um dasselbe System zu beschreiben. Abschließend werden numerische Lösungsverfahren für Studierende von Ingenieursdisziplinen verständlich erläutert.

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Grundlegendes

Zusammenfassung

Noch bevor wir uns um die Methoden der Modellbildung und Simulation mechatronischer Systeme kümmern, bedarf es einiger Definitionen und Erklärungen zu diesem Thema. Ferner soll anhand dieses Kapitels klar zum Vorschein kommen, welche der vorgestellten Themen im Buch behandelt werden. Themen, auf die nicht näher eingegangen wird, werden durch Verweise auf weiterführende Literatur entsprechend gekennzeichnet.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 2. Einführung in die Zustandsraumdarstellung

Zusammenfassung

Wenn von Modellbildung und Simulation gesprochen wird, sind damit immer zwei grundsätzlich unterschiedliche Prozesse gemeint: Der Prozess Modellbildung ist eine klassische Ingenieursdisziplin, welche im Verlauf eines technischen Studiums einen Teil der Ausbildung darstellen sollte. Dabei wird das physikalische System durch ein mathematisches Modell beschrieben, welches dann dem Solver übergeben wird. Dazu muss das mathematische Modell bestimmte Voraussetzungen erfüllen, damit dieses von einem Solver korrekt interpretiert und simuliert werden kann.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 3. Modellbildung: Ein iterativer Prozess

Zusammenfassung

Wie in jeder Ingenieursdisziplin, benötigt es auch bei der Modellbildung mechatronischer Systeme einiges an Erfahrung, um ein valides Modell zu erstellen und dessen Simulationsergebnis korrekt zu interpretieren.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 4. Signalflussorientierte Modellbildung: Blockschaltbilder

Zusammenfassung

Eine nach wie vor weit verbreitete Technik ist es, die systembeschreibenden Gleichungen in ein Blockschaltbild zu überführen. Dazu muss das Gleichungssystem, wie in Abb. 3.1 auf Seite 58 angedeutet, sortiert werden. Als Ergebnis erhält man ein kausales Gleichungssystem in dem bekannt ist, welche unbekannte Variable in welcher Gleichung berechnet wird.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 5. Die Theorie der Bondgraphen

Zusammenfassung

Bondgraphen wurden 1959 von H.M. Paynter entwickelt und 1961 erstmals am Massachusetts Institute of Technology (MIT) vorgestellt und in [Pay61] publiziert. Zwei seiner damaligen Studenten, Dean C. Karnopp und Ronald C. Rosenberg, erkannten das enorme Potential dieses Konzepts, entwickelten es weiter und publizierten zusammen mit Donald L. Margolis den bis heute de-facto Standard in der Bondgraphenliteratur ([KMR75] bzw. die neuste Auflage [KMR12]). Des Weiteren sind die Werke folgender Autoren zu erwähnen: Wolfgang Borutzky [Bor10], François Cellier [Cel91], Lennart Ljung und Torkel Glad [LG94].

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 6. Einführung in die objektorientierte Modellierung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen die Lesenden schrittweise an die objektorientierte Modellierung herangeführt werden. Dazu werden zuerst einige verfügbaren Sprachen grob vorgestellt, um dann das Beispiel des Feder-Masse-Dämpfer Schwingers aus Abschnitt 4.2 und dessen Modifikationen mit der Modellierungssprache Modelica umzusetzen (Abschnitt 6.2). Darauf folgend wird in Abschnitt 6.3 erläutert, weshalb die direkte Umsetzung über akausale Gleichungen nicht ideal ist.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 7. Modelica

Zusammenfassung

Eine erste Einführung in die Modellierungssprache Modelica wird in Abschnitt 6.2 gegeben. Dabei findet Modelica Anwendung, um das Konzept der Modellierung über Gleichungen zu erläutern. Die Erweiterung um das Konzept der Komponenten wird in Abschnitt 6.3 erklärt, um die Erstellung komplexer Modelle zu vereinfachen.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Kapitel 8. Simulation und numerische Integrationsverfahren

Zusammenfassung

Ziel dieses Kapitels ist es, dem Anwender von Modellierungsumgebungen nahezubringen, was sich hinter dem Begriff Solver und seinen „Synonymen“ verbirgt. Dazu soll ein Grundverständnis für die zugrundeliegenden Zusammenhänge aufgebaut werden. Es ist nicht Ziel, die Details der sich dahinter verbergenden Mathematik oder Herausforderungen bei der Implementierung zu klären.

Thomas Lienhard Schmitt, Markus Andres

Backmatter

Titel: Methoden zur Modellbildung und Simulation mechatronischer Systeme
verfasst von: Thomas Lienhard Schmitt
Markus Andres
Copyright-Jahr: 2023
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-42761-0
Print ISBN: 978-3-658-42760-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-42761-0