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2017 | Buch

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Strukturbildung und Simulation technischer Systeme

Band 2, Teil 1: Elektrische Dynamik

verfasst von: Axel Rossmann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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

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Über dieses Buch

Teil 1 des zweiten Bandes behandelt die Zeit- und Frequenz-Abhängigkeit elektrischer Systeme aus technischer Sicht. Mechanische Systeme bestehen aus Massen, Federn und Dämpfern. Elektrische Schaltungen bestehen aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen. Mit diesen Bauelementen lassen sich die Basis-Systeme in Physik und Technik realisieren, wie zum Beispiel Oszillatoren.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Das Wichtigste aus Kapitel 1

Zusammenfassung

Das Simulationsprogramm SimApp

Durch Simulation soll das Verhalten technischer Systeme berechnet werden. Dadurch werden die Informationen gewonnen, die zu ihrem Verständnis, zum Bau und der Beschaffung ihrer Komponenten benötigt werden.

Um ein System simulieren zu können, muss man sich dessen Struktur überlegen. Wie dies für zeitunabhängige Systeme gemacht wird, haben wir in Band 1 gezeigt. Die zugehörigen Rechnungen heißen ‚statisch‘ bzw. bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit ‚stationär‘.

Die Leistung eines technischen Systems hängt von der Arbeitsgeschwindigkeit seiner Komponenten ab. Um sie den Erfordernissen anpassen und optimieren zu können, muss es dynamisch berechnet werden. Dazu sind drei Voraussetzungen zu erfüllen:

1. Physikalische und mathematische Grundlagen: Sie sind in diesem Prolog zusammengestellt und werden, wenn sie gebraucht werden, kurz wiederholt. Zu den Grundlagen gehören die Rechenoperationen Differenzierung und Integration (Absch. 3.1.5). Nicht benötigt wird höhere Mathematik (Infinitesimalrechnung), denn das Simulationsprogramm erledigt für uns alle Berechnungen. Dazu muss ihm in Form von Strukturen gesagt werden, was es rechnen soll. Strukturbildung ist die immer wiederkehrende Aufgabe bei jeder Systemanalyse.

2. Die Strukturen der Systeme werden nur mit physikalischen Grundlagen entwickelt. Sie sollen einfach aufgebaut und möglichst selbsterklärend sein. Das dazu nötige Basiswissen wird in diesem Band 2/7 ‚Technische Dynamik‘ vermittelt.

3. Ein Simulationsprogramm, das Strukturen berechnen kann. Es soll leicht zu erlernen, leistungsfähig und preiswert sein. Diese Forderungen erfüllt das hier verwendete Programm SimApp. Seine Handhabung wurde in Band 1/7 erklärt. Sie soll hier kurz wiederholt werden. Die Einzelheiten zu SimApp finden Sie unter http://www.simapp.com

Axel Rossmann

2. Das Wichtigste aus Kapitel 2

Zusammenfassung

In Kapitel 2 werden die Vorgänge im elektrischen Strömungsfeld und im elektrostatischen Feld simuliert. Dabei lernen Sie Bauelemente ‚ohmscher Widerstand R‘ und ‚ Kondensator C‘ kennen. Untersucht werden soll die Zeitabhängigkeit von Strömen i und Spannungen u. Zu zeigen ist, dass der Strom i=dq/dt der Fluss von Ladungen q ist.

Eine gelungene Darstellung der hier benötigten elektrischen Grundlagen finden Sie auf der Webseite von Dr. Stefan Schenke: http://www.stefan-schenke.de/joomla.

Zur Definition der positiven Zählrichtungen

Strukturen stellen die Gesetzmäßigkeiten, nach denen ein System Signale verknüpft, symbolisch dar. Das setzt voraus, dass alle Signale Namen erhalten und ihre positiven Zählrichtungen durch Zählpfeile festgelegt sind (Abb. 2-1). Die Festlegung ist prinzipiell willkürlich, sollte aber so erfolgen, dass in Berechnungen (Simulationen) möglichst wenig Minuszeichen auftreten, denn zu viele Minuszeichen führen leicht zur Verwirrung.

Wenn technische Systeme beschafft oder gebaut werden sollen, müssen deren Daten angegeben werden. Sie aus den Forderungen der Anwendung zu berechnen, ist ein Ziel dieses Kapitels. Es setzt das Verständnis der Systeme voraus. Dies soll in diesem Kapitel durch die Simulation der wichtigsten elektromagnetischen Bauteile und Grundschaltungen gezeigt werden.

Axel Rossmann

3. Elektrische Dynamik

Zusammenfassung

In Band 1 der ‚Strukturbildung und Simulation technischer Systeme‘, wurden in Kapitel 2 Systeme vorwiegend statisch (bzw. stationär) berechnet. Kennzeichen: Alle Signale sind zeitlich konstant. Wie langsam oder schnell solch ein stabiler Zustand erreicht wird, spielte dabei noch keine Rolle. In Industrie und Technik bestimmen aber Genauigkeit und Schnelligkeit eines Systems seine Leistung und damit Erfolg und Verdienst.

Wenn es auf höchste Geschwindigkeit bei guter Stabilität ankommt, müssen Systeme dynamisch optimiert werden. Die dazu verwendeten Verfahren sollen hier zunächst anhand elektrischer Beispiele vermittelt werden. Die gleichen Verfahren werden in Teil 2 auf mechanische Systeme angewendet.

Axel Rossmann

Backmatter

Titel: Strukturbildung und Simulation technischer Systeme
verfasst von: Axel Rossmann
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-48306-0
Print ISBN: 978-3-662-48305-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-48306-0

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