Dies ist das Repository für den Kurs Systemsimulation / Digitaler Zwilling an der Fachhochschule Oberösterreich (Campus Wels).
Der Kurs vermittelt den Studierenden des Bachelor-Studiengangs Automatisierungstechnik die Grundlagen der Modellierung, Simulation und Visualisierung technischer Systeme. Die Vorlesung gliedert sich in zwei aufeinander aufbauende Blöcke:
- Tooling & Visualisierung (Kapitel 2–6): Hardwarenahe 2D-Raster- und Vektorgrafik, Telemetrie-Diagramme, Netzwerkgraphen, 3D-Echtzeitrendering mit OpenGL sowie Hochleistungs-Multithreading mit der Task Parallel Library.
- Physikalische Simulationsmodelle (Kapitel 7–10): Statische Systeme (Fachwerke via LGS und Cholesky-Zerlegung), kontinuierliche dynamische Systeme (ODEs, S-Functions, DC-Servomotor mit Anti-Windup), diskrete Systeme (Warteschlangen, Monte-Carlo) und hybride Systeme (State Events mit Vorzeichenwechsel-Bisektion).
- Synthese & Epilog (Kapitel 11): Co-Simulation via FMI/FMU, Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN / HiL) und ganzheitliche Digitale Zwillinge.
Alle Konzepte werden von vollständigen, lauffähigen C#-Implementierungen in WPF und .NET 8/.NET 10 begleitet.
| Kapitel | Inhalt |
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Prolog Organisatorisches, Voraussetzungen, Lernziele, Lehrveranstaltungsaufbau und Überblick über die Semesterstruktur. |
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Kapitel 1: Einführung & Digitaler Zwilling Grundlagen von Modellbildung und Simulation, Taxonomie von Modellarten, analytische vs. numerische Verfahren und das Konzept des Digitalen Zwillings nach Michael Grieves. |
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Kapitel 2: 2D-Visualisierung (Pixel) Direkte Rastergrafik mit WriteableBitmap, linearisiertes Stride-Speicherlayout, optimierte Farbtabellen (LUTs) und numerische FDM-Lösung der 2D-Wärmeleitungsgleichung. |
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Kapitel 3: 2D-Visualisierung (Vektor) Geometrische Vektorgrafik mit WPF Canvas, Welt-zu-Bildschirm-Koordinatentransformationen und Performance-Skalierung mit der leichtgewichtigen DrawingVisual-Pipeline. |
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Kapitel 4: Diagramme & Graphen Echtzeit-Telemetrie und Daten-Streaming mit ScottPlot 5 (In-Place Zero-Allocation Scatter), MVVM-Architektur sowie topologische Signalfluss-Netzwerke mit MSAGL. |
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Kapitel 5: 3D-Visualisierung (OpenGL) Hardwarebeschleunigtes 3D-Rendering mit SharpGL, hierarchische Szenengraphen (Roboterkinematik), parametrische Körper, Orbit-Kamera mit Kugelkoordinaten und Beleuchtungsmodelle. |
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Kapitel 6: Multithreading & Performance Multi-Core-Parallelisierung mit der Task Parallel Library ( Parallel.For), Thread-Synchronisation, Trennung von Physik- und UI-Thread sowie Zero-Allocation-Strategien. |
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Kapitel 7: Statische Modelle Berechnung idealer und elastischer Fachwerke in 2D und 3D, Aufstellung der Element- und Gesamtsteifigkeitsmatrizen, Koordinatentransformationen und LGS-Lösung mit Math.NET Numerics via Cholesky-Zerlegung. |
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Kapitel 8: Kontinuierliche Dynamische Modelle Zustandsraumdarstellung und DGLs, explizite/implizite Solver (Euler, Heun, RK4), Stabilitätsanalyse steifer Systeme, algebraische Schleifen, blockbasierte S-Functions und Closed-Loop DC-Servomotor mit Anti-Windup. |
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Kapitel 9: Diskrete Dynamische Modelle Ereignisdiskrete Simulation (DES) von Warteschlangen und Produktionssystemen, Zufallsvariablen (Inversionsmethode, Box-Muller), parallele Monte-Carlo-Simulation und numerisch stabiler Welford-Akkumulator. |
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Kapitel 10: Hybride Dynamische Modelle Kopplung kontinuierlicher Dynamik mit diskreten Zustandsübergängen, exakte Nullstellensuche (Vorzeichenwechsel-Bisektion), Zeno-Effekt mit Sticking-Threshold und hybride S-Functions. |
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Kapitel 11: Epilog & Synthese Vergleichende Modell-Taxonomie, Multi-Fidelity-Simulation im Produktlebenszyklus, Co-Simulation nach dem FMI/FMU-Standard, Virtuelle Inbetriebnahme (VIBN / HiL) und ingenieurmäßiger Werkzeugkasten. |
Die begleitenden C#-Projekte befinden sich im Verzeichnis ./Quellen:
Quellen/WS24/: Bewährte Laborprojekte (z.B. Warteschlangensimulation mit integriertem Welford-Akkumulator, statische Fachwerk-Berechnung).Quellen/WS25/: Neu strukturierte Architekturbausteine:SimulationMvvmPattern/: Saubere WPF/MVVM-Entkopplung mit allokationsfreier ScottPlot-5-Visualisierung.SFunctionContinuous/: Blockbasierte kontinuierliche Simulations-Engine (ODE-Solver, DC-Servomotor mit dynamischem Anti-Windup).SFunctionHybrid/: Hybride Simulations-Engine mit Vorzeichenwechsel-Bisektion und Sticking-Schwellwert.VorlageSzenengraph3D/: 3D-Szenengraph mit Kugelkoordinaten-Orbitkamera und geometrischen Generatoren (GeometryFactory).SimulationTests/: Unit-Testsuite (MSTest) zur numerischen Verifikation aller Algorithmen.
# Kompilieren der gesamten Solution
dotnet build Quellen/Quellen.sln -c Release
# Ausführen der Unit-Testsuite (14/14 Tests)
dotnet test Quellen/Quellen.sln -c ReleaseZur Sicherstellung höchster Beamer- und Lesbarkeitsergonomie verfügt das Repository über einen automatisierten Headless-Chromium-Linter:
# Automatische Prüfung aller 12 Foliensätze auf vertikalen Überlauf und minimale Schriftgrößen
pwsh Skripte/Test-SlideLayout.ps1