Band 1 - Kapitel 1 & 2
Von der Realität zur Simulation & Signalverarbeitung statisch

Sinn und Zweck von Simulationen

Am Anfang der Entwicklung eines technischen Systems steht die Idee. Wenn man bei ihrer Umsetzung nach dem Probier-Verfahren vorgeht (Versuch und Irrtum, trial and error), wird man nicht weit kommen. Deshalb muessen Systeme berechnet werden.

• Ein Ziel der Berechnung ist die Darstellung der System-Funktionen. Sie zeigen, ob die gesteckten Ziele erreicht werden können.
• Ein zweites Ziel ist die Dimensionierung der Bauteile des Systems. Die Berechnungen liefern auch die zur Beschaffung der Komponenten benötigten technischen Daten.

Was die Simulation kann

Technische Systeme sind im Allgemeinen so komplex, dass sie per Hand nicht mehr berechnet werden können. Dazu gibt es Simulations-Programme, denen nur gesagt werden muss, was sie rechnen sollen. Die zeilenweise Eingabe dieser Rechen-Anweisungen (das Computer-Programm) wird schnell unübersichtlich. Deshalb arbeiten Simulations-Programme mit der graphischen Darstellung der Rechen-Operationen. Wenn sie das System vollständig beschreiben, heißt dies Algorithmus oder Struktur.

Strukturen werden von Simulations-Programmen verstanden und auch bei komplexesten Systemen in Sekundenschnelle berechnet. Danach können alle Funktionen in Diagrammen dargestellt werden. Sie zeigen schnell, ob die Simulation stimmen kann oder falsch ist. Die Variation von Parametern ist – im Gegensatz zur Praxis, bei der sie meist den Austausch von Komponenten bedeutet – kein Problem. So kann man durch Simulationen viel mehr in kuerzerer Zeit lernen als durch die Praxis. Die letztlich immer notwendigen, aufwändigen Tests, werden auf ein Minimum reduziert.

Zur Simulation technischer Systeme wird dreierlei benötigt:

1. Das Simulations-Programm. Es soll so leistungsfaehig wie möglich, aber nicht komplizierter und teurer als nötig sein. Ein Beispiel dafuer ist SimApp aus der Schweiz.Seine Handhabung wird im ersten Kapitel an Beispielen aus Alltag, Schule und Beruf erklärt. Der Gebrauch anderer Simulations-Programme ist ähnlich.

2. Die Kenntnis der Strukturbildung, denn Simulations-Programme verstehen nur Strukturen. Diese ‚Strukturbildung und Simulation technischer Systeme‘ vermittelt die Fähigkeit zur Simulation anhand vieler Beispiele aus Technik und Physik. Die dazu benötigten physikalischen Grundlagen werden jedem Kapitel vorangestellt. Wir beginnen die Strukturbildung im zweiten Kapitel mit dem Thema ‚Elektrizität‘.

3. Zur Simulation werden meist regelungstechnische Grundkenntnisse benoetigt. Wir vermitteln sie am Schluss des zweiten Kapitels.

 

Dieser erste Band der ‚Strukturbildung und Simulation technischer Systeme‘ soll Sie in die Strukturbildung ohne mathematischen Ballast einführen. Das ist möglich, weil alle Funktionen im Detail dargestellt und simuliert werden.
Wie man Strukturen entwickelt und so darstellt, dass sie das Programm versteht, zeigen wir im

• Kapitel 1: Von der Realitaet zur Simulation‘ bei der Lösung von Gleichungen

und im

• Kapitel 2: Statische Signal-Verarbeitung‘ anhand elektrischer Grundlagen. Sie werden bei den meisten Simulationen gebraucht.

statisch‘ oder bei Antrieben ‚stationär‘ bedeutet, dass das alle Signale zeitlich konstant sein sollen. Die Simulation von Zeit-Funktionen folgt im Band 2 ‚Dynamik‘.

Die Themen im Kapitel 1:

• Den Unterschied zwischen Bauplan und Struktur
• Die Analogien zwischen Mechanik, Elektrik, Pneumatik/Hydraulik, Wärme/Kälte
• Den Umgang mit SimApp, einem einfach zu erlernenden und sehr leistungsfähigen Simulations-Programm
• Darstellung von System-Funktionen im Zeitbereich und im Frequenz-Bereich
• Formeln berechnen durch Simulation, z.B. Mittelwerte und Effektivwerte
• Vorhalt und Verzögerung, Tiefpass und Hochpass und ihre Zeitkonstante
• Simulation von Diode und Gleichrichter-Schaltungen

Warum Sie Kapitel 1 lesen sollten:

1. Sie erkennen die Vorteile der Struktur gegenüber mathematischen Funktions-beschreibungen durch Gleichungen.
2. Sie werden durch Simulation zum Rechenmeister.
3. Sie erkennen die Anschaulichkeit und Flexibilität der Simulation. Das fördert Ihr Verständnis technischer Zusammenhänge wie die Praxis selbst, nur schneller.

Die Themen im Kapitel 2:

• Spannungs- und Strom-Quellen
• Zwei- und Vierpole und das Überlagerungs-Prinzip
• Der Spannungsteiler und der Operations-Verstärker
• Das elektrostatische und das elektrische Strömungsfeld
• Der Kondensator und die elektro-statische Zeitkonstante
• Elektro-Filter

Warum Sie Kapitel 2 lesen sollten:

1. Viele Systeme arbeiten elektrisch oder mit elektrischen Hilfsmitteln (z.B. Servo-Antriebe). Deshalb sind elektrische Grundkenntnisse zur Simulation unerlässlich.
2. Die Vierpol-Methode zur Darstellung von Wirkungen und Rückwirkungen klärt, was berechnet werden soll. Sie steht am Anfang jeder Simulation.
3. Komplexe Systeme sind meist rückgekoppelt. Das zeigen ihre Strukturen anschaulich.
   Ihre Berechnung per Hand ist meist zu schwierig. Für Simulations-Programme ist das kein Problem.

Inhaltsverzeichnis

Leseproben

Formeln berechnen durch Simulation
Motor und -Generator als Vierpole
Effektiv-Werte durch Simulation berechnen
Elektronischer Tacho
Stromdichte und Drift-Geschwindigkeit
Motor mit Haftreibung
Zweipunkt-Regler

Beispiele

Drehzahl-Regelung
Hochspannungs-Tastkopf
RC-Glaettung