《建模与仿真》（英文版） Vorlesung Mode llbildung und Simulation

Realitat Modell Simulation Vorlesung Modellbildung und simulation von Prof Baier, Prof. Bender und Prof. Schilling

Realität Modell Simulation Vorlesung Modellbildung und Simulation von Prof. Baier, Prof. Bender und Prof. Schilling

Realita Vorlesung Modellbildung un Simulation Teil 1: Grundlagen Itm im Mastin Realita Organisatorisches Simulation Dozent Prof K. Bender Betreuer. ipl. -Ing. S. Domi Raum: 0125 089-28916444 domina @itm tum. de @2004 itm

© 2004 itm 1 – 1 Simulation Realität Modell Vorlesung Modellbildung und Simulation Teil 1: Grundlagen © 2004 itm 1 – 2 Simulation Realität Modell Organisatorisches Dozent: Prof. K. Bender Betreuer: Dipl.-Ing. S. Dominka Raum: 0125 089 – 289 164 44 dominka@itm.tum.de

Kapite/ 1. 1: Einfuhrung Realita Simulation Kapite/ 1. 1: Einfuhrung Kapite/ 1.2: Grundlagen Kapite/ 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapite/ 1.4: Modellbildung Kapite/1.5. Simulation 2004in Realita Modellbildung im Alltag Simulation Kunst Erstellung eines Literatur vereinfachten Abbild existierender oder gedachter Realitat Wissenschaft Technik @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 3 Simulation Realität Modell Kapitel 1.1: Einführung • Kapitel 1.1: Einführung • Kapitel 1.2: Grundlagen • Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse • Kapitel 1.4: Modellbildung • Kapitel 1.5: Simulation © 2004 itm 1 – 4 Simulation Realität Modell Modellbildung im Alltag Erstellung eines vereinfachten Abbilds existierender oder gedachter Realität Kunst Wissenschaft Technik Literatur 1.1 Einführung

Realita Was ist , Modellbildung simulation Simulation Realitat Modell 5(t)=-ks(t) s(t)=ssin(wt +po) = Mit Modellbildung und Simulation wird der Problemlosungsprozess von der realitat auf ein abstrahiertes abbild der wirklichkeit verlagert und somit unterstutzt 1.1 Einfuhrung Realita Beispiele zu , Modellbildung SimulationI Simulation materiell physikalische Simulation Verifikation der berechneten ergebnisse · Auftriebs kraft Luftwiderstand Wirbelbildung Optimierung der Stromungseigenschaften · Minimierung des Luftwiderstandes Optimierung des Auftriebes @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 5 Simulation Realität Modell Was ist „Modellbildung & Simulation“ Mit Modellbildung und Simulation wird der Problemlösungsprozess von der Realität auf ein abstrahiertes Abbild der Wirklichkeit verlagert und somit unterstützt. Realität ? !! Modell 1.1 Einführung © 2004 itm 1 – 6 Simulation Realität Modell Beispiele zu „Modellbildung & Simulation“ I Optimierung der Strömungseigenschaften • Minimierung des Luftwiderstandes • Optimierung des Auftriebes materiell / physikalische Simulation Beispiel: Windkanal Verifikation der berechneten Ergebnisse • Auftriebskraft • Luftwiderstand • Wirbelbildung 1.1 Einführung

Beispiele zu,, Modellbildung simulational Realita Simulation Computersimulation Layoutplanung und-optimierung von Roboterzellen Erreichbarkeits- und Kollisionskontrollen fur die verifikation der Roboter-Bewegungsprogramme Analyse von Einbauraumen und Montagepfaden Konstruktive Optimierung neuer Robotertypen Ofifline-Programmierung von Industrierobotern Generierung von steuerungsprogrammen fur einen realen roboter 1.1 Einfuhrung Realita Beispiele zu, Modellbildung& Simulation“Ⅲ Simulation Computersimulation Beispiel: virtuelle Realitat Gestaltung/Presentation Architektur Virtuelle Ausstellung Fabrikplanung Erklarung/ Schulung Veranschaulichung von Funktionsprinzipien @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 7 Simulation Realität Modell Beispiele zu „Modellbildung & Simulation“ II 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 1.1 Einführung Computersimulation © 2004 itm 1 – 8 Simulation Realität Modell Beispiele zu „Modellbildung & Simulation“ III 1.1 Einführung Computersimulation Beispiel: Virtuelle Realität Gestaltung / Präsentation • Architektur • Virtuelle Ausstellung / Museum • Fabrikplanung Erklärung / Schulung • Veranschaulichung von Funktionsprinzipien

Grunde fur den einsatz von mouse Realita Simulation Es konnen Erkenntnisse uber Systeme erlangt werden, die in der realitat nicht oder nur mit wesentlich hoherem aufwand experimentierbar sind zu langsam, zu schnell Kernreaktionen, Kontinentaldrift) zu grol, zu klein(Galaxien, Atome) reale System nicht verfugbar (Fusions prozels bzw. nicht existent (zu entwickelndes Produkt reale System wurde stark gestor (Borse.bzw. zerstort werden zu teuer( Luft-und Raumfahrttechnik) zu gefahrlich(okosystem 2004in 1.1 Einfuhrung Realita leiter Vorteile von mouse Simulation Virtuelle Experimente sind beliebig wiederholbar, was sich fur das reale system nicht, oder nur mit erheblichen Aufwand sicherstellen lasst Simulierte Modelle sind in der Regel vollstandig beobachtbar Das System wird durch Messungen nicht beeinflusst Der Zeit und Kostenaufwand von Projekten kann erheblich reduziert werden(Simultanious/Concurrent Engineering).(z B. Luft-und Raumfahrttechnik, Crash-Tests @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 9 Simulation Realität Modell Gründe für den Einsatz von MouSi 1.1 Einführung Es können Erkenntnisse über Systeme erlangt werden, die in der Realität 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) © 2004 itm 1 – 10 Simulation Realität Modell Weitere Vorteile von MouSi Der Zeit und Kostenaufwand von Projekten kann erheblich reduziert werden (Simultanious / Concurrent Engineering). (z.B. Luft- und Raumfahrttechnik, Crash-Tests) 1.1 Einführung Virtuelle Experimente sind beliebig wiederholbar, was sich für das reale System nicht, oder nur mit erheblichen Aufwand sicherstellen lässt. Simulierte Modelle sind in der Regel vollständig beobachtbar. Das System wird durch Messungen nicht beeinflusst

Realita Bedeutung von Mousi im Produktentwicklungsprozess Simulation Pre oblemstellung K onzept Entwurf Produktion ? Nachweis der Virtueller Machbarkeit Funktionstest Prognose -und Optimierung Entscheidungshilfe Haufig hort man folgende falsch gestellte Frage. Konnen wir uns die simulationstechnik leisten Die richtige Formulierung der Frage ist aber: Wie lange konnen wir es uns leisten auf die Simulation zu verzichten?“ Aus: Simulation von Produktionssystemen(1995),Vorwort 2004in 1.1 Einfuhrung Systemkenntnis in unterschiedlichen Realita Wissenschaftsbereichen Simulation Elektrotechni Mechanik 5EE9兰苏 luiddynamik Chemie Biologie Okonomie Sozialisten schatten Steuerung UO( Psychologi Systemverstandnis Entwurf Speculation g Vorhersage s Modellbildung und Simulation hat daher eine besondere Bedeutung in den Ingenieurswissenschaften @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 11 Simulation Realität Modell Bedeutung von MouSi im Produktentwicklungsprozess “ Häufig hört man folgende falsch gestellte Frage: ‚Können wir uns die Simulationstechnik leisten ?‘ Die richtige Formulierung der Frage ist aber: ‚Wie lange können wir es uns leisten, auf die Simulation zu verzichten ?‘ “ Aus: Simulation von Produktionssystemen (1995), Vorwort Problemstellung Konzept Entwurf Produktion Nachweis der Machbarkeit Prognose- und Entscheidungshilfe Optimierung Virtueller Funktionstest 1.1 Einführung © 2004 itm 1 – 12 Simulation Systemkenntnis in unterschiedlichen Realität Modell Wissenschaftsbereichen Systemkenntnis gering hoch Psychologie Ökonomie Chemie Elektrotechnik Mechanik Fluiddynamik Sozialwissen￾schaften Biologie Spekulation Systemverständnis Vorhersage Entwurf Steuerung Î Modellbildung und Simulation hat daher eine besondere Bedeutung in den Ingenieurswissenschaften 1.1 Einführung

Realita Chancen von Mousi Simulation Simplifizierung der realen Welt Erfassung der verbessertes Systemkomplexitat Systemverstandnis Entscheidung Alternative zu hilfen realen Experimenten Strategie- Dattner bestimmung fassung Moglichkeiten Simulation Grenzen 2004in 1.1 Einfuhrung Realita Risiken von mouse Simulation Moglichkeiten Simulation Grenzen Datenmangel Mangelnde Transparenz Fehleran- Computer- glaubwurdigkeit Vermischung von Hoher Konstruktions- Modell und Realitat aufwand Realitatsferne @2004 itm 1.1 Einfuhrung

© 2004 itm 1 – 13 Simulation Realität Modell Chancen von MouSi Simplifizierung der realen Welt Erfassung der Systemkomplexität verbessertes Systemverständnis Entscheidungs￾hilfen Strategie￾bestimmung Möglichkeiten Simulation Grenzen Alternative zu realen Experimenten Datener￾fassung 1.1 Einführung © 2004 itm 1 – 14 Simulation Realität Modell Risiken von MouSi Vermischung von Modell und Realität Hoher Konstruktions￾aufwand „Computer￾glaubwürdigkeit“ Fehleran￾fälligkeit Datenmangel Mangelnde Transparenz Realitätsferne Möglichkeiten Simulation Grenzen 1.1 Einführung

Kapite/ 1.2: Grundlagen Realita Simulation Kapite/ 1. 1: Einfuhrung Kapite/ 1.2: Grundlagen Kapite/ 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse Kapite/ 1.4: Modellbildung Kapite/1.5. Simulation Realita Beziehung zwischen Realitat, Modell und simulation Simulation Realitat Modell Simulations Modell @2004 itm 1.2 Grundlagen

© 2004 itm 1 – 15 Simulation Realität Modell Kapitel 1.2: Grundlagen • Kapitel 1.1: Einführung • Kapitel 1.2: Grundlagen • Kapitel 1.3: Problemstellung und Anforderungsanalyse • Kapitel 1.4: Modellbildung • Kapitel 1.5: Simulation © 2004 itm 1 – 16 Simulation Realität Modell Beziehung zwischen Realität, Modell und Simulation Realität Simulations￾Modell Modell 1.2 Grundlagen

Begriffsdefinition, Realitat Realita Simulation Realitat (Wirklichkeit: Realitat: Dinglichkeit, Wirklichkeit bezeichnet das, was unabhangig objektive oder empirische Realitat, vom Subjektiven, also von Vorhandensein in der Aubenwelt Wahrnehmung, Gefuhlen und subjektive oder ideale realitat Wunschen objektiv der Fall ist und Vorhandensein in der Vorstellung existiert. Im engeren Sinne ist (www.wissen.de) Realitat der philosophischen und wissenschaftlichen Betrachtung und Erforschung zuganglich; Dinge der Realitat sind also messbar und konnen als Basis fur Theoriebildung dienen.(net-lexike Realitat im Umfeld von MouSi: existierende bzw gedachte Wirklichkeit eingebettet in seine System-Umwelt 1.2 Grundlagen Realita Begriffsdefinition, Modell,, Modellieren Simulation Modellbildung System konzeptionelles) Modell: Ist eine vereinfachte Nachbildung eines existierenden oder gedachten Systems in einem anderen begrifflichen oder gegenstandlichen System Es wird genutzt, um eine bestimmte Aufgabe zu losen, deren Durchfuhrul mittels direkter Operationen am Original nicht moglich oder zu aufwene ng ware(VDI 3633) Modellierung Modellbildung): Die Modellierung umfasst das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein Modell @2004 itm 1.2 Grundlagen

© 2004 itm 1 – 17 Simulation Realität Modell Realität: Dinglichkeit, Wirklichkeit; objektive oder empirische Realität, Vorhandensein in der Außenwelt; subjektive oder ideale Realität, Vorhandensein in der Vorstellung. (www.wissen.de) Begriffsdefinition ‚Realität‘ Realität im Umfeld von MouSi: existierende bzw. gedachte Wirklichkeit eingebettet in seine System-Umwelt. Realität (Wirklichkeit): bezeichnet das, was unabhängig vom Subjektiven, also von Wahrnehmung, Gefühlen und Wünschen objektiv der Fall ist und existiert. Im engeren Sinne ist Realität der philosophischen und wissenschaftlichen Betrachtung und Erforschung zugänglich; Dinge der Realität sind also messbar, und können als Basis für Theoriebildung dienen. (net-lexikon) 1.2 Grundlagen © 2004 itm 1 – 18 Simulation Realität Modell (konzeptionelles) Modell: 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 aufwendig wäre (VDI 3633). Begriffsdefinition ‚Modell‘, ‚Modellieren‘ Modellierung (=Modellbildung): Die Modellierung umfasst das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein Modell. System Modell Modellbildung 1.2 Grundlagen