Möglichkeiten der Co-Simulation mit dem Building Controls Virtual Test Bed für den Bereich der objektorientierten Modellbildung physikalischer Systeme

Abstract

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der Co-Simulation (kurz für engl. Cooperative Simulation) mithilfe des Co-Simulationstools BCVTB (kurz für Building Controls Virtual Test Bed) untersucht. Basierend auf dem Wunsch der Energieoptimierung in Fertigungsbetrieben soll dem Problem der Simulation eines Gebäudemodells sowie mehreren Maschinenmodellen durch Co-Simulation begegnet werden. Durch eine Co-Simulation können verschiedene Modellbildungsansätze und Teile mit unterschiedlichen Anforderungen an die Simulationsmethodik in einer umfassenden Gesamtsimulation zusammengeführt werden.<br />Als Einführung wird in den ersten Kapiteln die Methode der objektorientierten Modellbildung physikalischer Systeme, die die Grundlage für die meisten im Zuge dieser Arbeit entwickelten Modelle bildet, beschrieben. Anschließend werden verschiedene Arten der Co- Simulation vorgestellt und ein Überblick über die zugrunde liegende Numerik gegeben, um diese Vorgehensweise hinsichtlich Stabilität und Konsistenz zu rechtfertigen.<br />Im Hinblick auf die Implementierung wird zunächst auf die Synchronisation der einzelnen Simulatoren mit deren individuellen Solveralgorithmen eingegangen, da diese für eine erfolgreiche Co-Simulation unabdingbar ist. Es folgen detaillierte Beschreibungen der Einzelmodelle, die in der Co-Simulation für den Raum und die darin befindlichen Maschinen verwendet werden, darunter die Entwicklung eines Compartmentmodells für die thermische Modellierung eines Raumes in Modelica via Dymola, verschiedene Maschinenmodelle, die in MATLAB, Simscape und Dymola implementiert wurden, sowie eine mithilfe von Simulink realisierte Temperaturregelung.<br />In Fallstudien werden nach der Validierung des entwickelten Raummodells zunächst Vor- und Nachteile der Aufspaltung in Einzelsysteme für die Co-Simulation einzelner Maschinenmodelle mit einem Raummodell aufgezeigt. Nach der erfolgreichen Kopplung aller beteiligten Simulatoren wird die Zuverlässigkeit bei der Co-Simulation komplexer Einzelmodelle als auch einer hohen Anzahl an beteiligter Software und Instanzen derer erörtert.<br />Zusätzlich zum Compartmentmodell des Raumes, das im Zuge dieser Arbeit entwickelt wurde, werden anhand eines in EnergyPlus erstellten Gebäudemodells die Unterschiede der beiden Modellierungs- und Simulationsarten dargelegt.<br />Abschließend werden die Möglichkeiten und Grenzen der Co-Simulation mit BCVTB zusammenfassend aufgeführt, ehe im Schlusswort die Erkenntnisse dieser Arbeit und mögliche weiterführende Methoden zusammengefasst werden.<br />

This thesis considers the possibilities of cooperative simulation (abbr. co-simulation) with the co-simulation tool BCVTB (short for Building Controls Virtual Test Bed).<br />For the aim of energy optimization in the manufactoring industry a building model as well as several machine models have to be combined. This problem is faced with co-simulation.<br />Co-simulation enables the overall simulation of models requiring different modelling approaches and hugely differing step sizes or even solver algorithms.<br />The introductory chapters describe the method of object-oriented modelling of physical systems since most of the included models are implemented based on this approach.<br />Subsequently different co-simulation methods are discussed.<br />Additionally, the basics concerning numerics of co-simulation are described to justify this method considering numerical stability and consistency.<br />The first part of the implementation section deals with the synchronization of all simulators in spite of their individual solver algorithms since accurate synchronization is necessary to even enable cooperative simulation. The following sections contain a detailed description of all partial models of the room and the machines which will be used in the co-simulation.<br />Thus the development of a thermal compartment model for the machine hall in Modelica via Dymola and individual machine models implemented in MATLAB, Simscape and Dymola as well as a Simulink model for temperature control are described.<br />The beginning of the following case studies deals with the validation of the Dymola room model and the advantages and disadvantages of separating huge models into partial ones for co-simulation. Besides co-simulating individual machine models with the room model, the BCVTB's performance at the co-simulation of many instances of all simulators and complex partial models is evaluated. Additionally the differences of the modelling and simulation methods of the room model developed in this thesis and an EnergyPlus model of the same building are discussed.<br />A summary of the possibilities and limits of cooperative simulation with the BCVTB followed by general results of this work and possibilities for further studies concludes the thesis.