Simulatorkopplung mit FEMLAB

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1 Presned a he COMSOL Muliphysics User's Conference 2005 Frankfur Simulaorkopplung mi FEMLAB Roland Marin, Chrisoph Clauß, André Nordwig 2, Chrisoph Nysch-Geusen 2, André Schneider, Peer Schwarz Fraunhofer-Insiu für, Außenselle EAS Dresden 2 Fraunhofer-Insiu für Rechnerarchiekur und Sofwareechnik Berlin Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November 2005

2 Übersich. Moivaion 2. Algorihmische Fragen bei Simulaorkopplungen 3. Koppelmöglichkeien mi FEMLAB 4. Prooypische Realisierung einer FEMLAB-Modelica- Kopplung 5. Simulaionsbeispiel 6. Zusammenfassung und Ausblick Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

3 . Moivaion / Einleiung Mulidomain-Simulaion Zusammenwirkung verschiedener physikalischer Domainen (Mechanik, Thermik, Magneik,...) gemeinsame Berachung verschiedenen Subsyseme: mechanische Sensoren, elekronische Regler, digiale Signalverarbeiung... Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

4 Beispiel : Gebäudeauomaisierung / Brennsoffzellen Gesamsysemmodell Sysem Subsyseme Gesamsysem (Gebäude, Heizungssysem, Brennsoffzelle,...) Komponenen Akorik, Sensorik e Seuerung / Regelung Brennsoffzellen-Sack Mechanik Thermodynamik Elekr./mag. Felder Fluidik Chemie Charakerisisch: verschiedene physikalisch/chemische Domänen unerschiedliche Deaillierungsgrade Deailsimulaion eingebee in Gesamsysem-Analyse Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

5 Beispiel 2: Roaorischer Sensor (Drehraensensor) z Anrieb Ausschni y Drehrae Deekion x Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

6 Beispiel 2: Roaorischer Sensor (Drehraensensor) Ausschni Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

7 Mechanische Verformung und elekrische Felder Zusammenwirkung verschiedener physikalischer Domainen (Mechanik, Elekrosaik, Regelungsechnik, elekrische Schalungsechnik) Mechanik + Elekrosaik -> FEM-Simulaor Regelungsechnik + elekrische Schalungsechnik -> Sysemsimulaor Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

8 Moivaion / Einleiung Mulidomain-Simulaion Simulaorkopplung Zusammenwirkung verschiedener physikalischer Domainen (Mechanik, Thermik, Magneik,...) gemeinsame Berachung verschiedenen Subsyseme: mechanische Sensoren, elekronische Regler, digiale Signalverarbeiung... Für jedes Subsysem den am besen geeignee Simulaor wählen! Sysemsimulaion: Malab/Simulink, Dymola, Saber, VHDL-AMS-Simulaoren,... FEM-Simulaion: FEMLAB, ANSYS,... Fraunhofer-Projek GENSIM: Neuer Sysemsimulaor Mosilab. Kopplung mi FEMLAB algorihmische Aspeke Programmschnisellen, Koppelsofware, Implemenierung Kopplung zunächs für Mosilab und Dymola Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

9 Kopplung Mosilab mi FEM-Simulaor Sysem Subsysem Device Mechanik Anlagenkompon., Sensorik Simulaionszei Gesamsysem (BZ, Heizungssysem, Gebäude,...) Seuerung / Regelung Sackmodell Elekr./mag. Felder Thermodynamik Brennsoff- zellen- Sack Fluidik Chemie Gesamsysemmodell Kanalmodell (FEM) Mosilab-Rahmensysem Sysemmodell (Mosilab) Sack-Modell (Mosilab) Kanal-Modell (FEM-Solver) mi einem FEM-Simulaor gekoppel werden Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November Schniselle Schniselle Schniselle

10 2. Algorihmische Fragen bei Simulaorkopplungen Zeipunke das Daenausauschs allgemeine Fälle: separae Seuerung gleichrangiger Simulaoren oder Maser-Slave-Prinzip Inerne Schriweien, Kommunikaionsschriweie ggf. Ieraion, Rücksezen Anzahl der Simulaoren Simulaor Simulaor2 Seuerung Simulaor (Maser) Simulaor2 (Slave) inerne Zeischrie spezieller Fall: Maser-Slave kein Rücksezen keine Ieraion Simulaor mögliche Reihenfolge der Simulaionen Simulaor2 d d d Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

11 Schrie der Simulaion im Zeibereich Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. Dymola FEMLAB i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November 2005

12 Schrie der Simulaion im Zeibereich (2) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 FEMLAB i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

13 Schrie der Simulaion im Zeibereich (3) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 3 Dymola sende die akuelle Zei i und die Kraf F y an FEMLAB. 3 FEMLAB i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

14 Schrie der Simulaion im Zeibereich (4) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 3 Dymola sende die akuelle Zei i und die Kraf F y an FEMLAB. 3 4 FEMLAB simulier den gleichen Zeischri [ i-, i ] und ermiel y. FEMLAB Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors

15 Schrie der Simulaion im Zeibereich (5) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 3 Dymola sende die akuelle Zei i und die Kraf F y an FEMLAB FEMLAB simulier den gleichen Zeischri [ i-, i ] und ermiel y. 5 FEMLAB sende y an Dymola. FEMLAB Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors

16 Schrie der Simulaion im Zeibereich (6) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 3 Dymola sende die akuelle Zei i und die Kraf F y an FEMLAB FEMLAB simulier den gleichen Zeischri [ i-, i ] und ermiel y. 5 FEMLAB sende y an Dymola. 6 Dymola simulier den nächsen Zeischri (vgl. 2) FEMLAB Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors

17 Schrie der Simulaion im Zeibereich (7) Beide Simulaoren iniialisieren die Modelle. 2 Dymola simulier einen Zeischri [ i-, i ] und berechne F y. Dymola 2 3 Dymola sende die akuelle Zei i und die Kraf F y an FEMLAB FEMLAB simulier den gleichen Zeischri [ i-, i ] und ermiel y. 5 FEMLAB sende y an Dymola. 6 Dymola simulier den nächsen Zeischri (vgl. 2) FEMLAB Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November i- i i+ Kommunikaion inerne Zeischrie des Simulaors

18 3. Koppelmöglichkeien mi FEMLAB Ankopplung aus Anwendersich GESAMTMODELL Koppel- Modell FEMLAB- Modell Simulaor FEMLAB FEMLAB biee zwei grundsäzliche Möglichkeien der Simulaorkopplung Nuzung von FEMLAB im Rahmen von Malab, Kopplung - über Malab-Engine aus einem C-Programms oder - über selbs implemenieres Koppelmodell auf Basis der Malab-MEX-Schniselle. FEMLAB ohne Malab (Sand-alone-Simulaor) FEMLAB-Java-API für: - Laden eines FEMLAB-Modells, - Seuerung der Simulaion, - Organisaion des Daenausausches Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

19 Koppelmöglichkeien mi FEMLAB Enscheidung für Möglichkei 2 FEMLAB als Sand-alone-Simulaor ohne Malab Verwendung der Java-API erweierer Befehlsvorra der Version 3.2 iniialize() simulae(i) Nuzung der Möglichkeien von Modelica Realisierung Simulaor erminae() TCP/IP-Sockes,... Koppelmodul (C, C++, Java,...) Koppelmodul (Java) Einbindung exerner Rouinen (C, C++,..) als exernal funcions für die Kommunikaion zum FEMLAB-Koppelmodul Kommunikaion: TCP/IP-Socke basier Implemenierung der Funkionen iniialize(), simulae(), erminae() Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November FEMLAB FEMLAB-Java-API

20 4. Prooypische Realisierung srukureller Aufbau der Kopplung Dymola/Mosilab Modelica- Modell model FemlabConnecor FEMLAB-Java-API FEMLAB funcion femlab_iniialize funcion femlab_simulae funcion femlab_erminae PSL Channel FEMLAB- Workspace Koppelmodul (Java) FEMLAB- Modell PSL-Bibliohek (Porable Socke Layer), Enwicklung am EAS, basier auf der Berkeley- Implemenierung der TCP/IP-Sockes TCP/IP-Sockes Koppelmodul (C/C++) Channel: Java-Socke-Implemenierung Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

21 Prooypische Realisierung Kommunikaion auf der Modelica-Seie (I) exernal funcions sind im Modell FemlabConnecor verein iniialize() model FemlabConnecor exends Modelica.Blocks.Inerfaces.MIMO; parameer Sring hos = "localhos"; parameer Ineger por = 238; parameer Sring femlabmodel = "noname.m"; parameer Ineger inervals = ; parameer Real absoluetolerance = 0.00; parameer Real relaivetolerance = 0.0; parameer Real 0 = 0; parameer Real d = 0.025; //... funcion femlab_iniialize //... exernal "C"; end femlab_iniialize; Simulaor simulae(i) erminae() TCP/IP-Sockes,... Koppelmodul (C, C++, Java,...) Koppelmodul (Java) FEMLAB FEMLAB-Java-API Anwender sieh Kopplung als Block mi Ein-und Ausgängen. funcion femlab_simulae inpu Real ; inpu Real u[:]; oupu Real y[:]; proeced Ineger saus; exernal "C" saus=femlab_simulae(, u, y); end femlab_simulae; funcion femlab_erminae //... exernal "C"; end femlab_erminae; //... Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

22 Prooypische Realisierung Kommunkaion auf der Modelica-Seie (II) equaion when (iniial()) hen aux = femlab_iniialize(hos, por, femlabmodel, nin, nou, absoluetolerance, relaivetolerance, d, inervals, inerpolaion); end when; Simulaor iniialize() simulae(i) erminae() TCP/IP-Sockes,... Koppelmodul (C, C++, Java,...) Koppelmodul (Java) FEMLAB FEMLAB-Java-API when (sample(0, d)) hen y = femlab_simulae(ime, pre(u)); end when; when (erminal()) hen aux2 = femlab_erminae(); end when; end FemlabConnecor; Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

23 Prooypische Realisierung Kommunikaion auf der FEMLAB-Seie analoge Aufeilung in: iniialize() java-skrip: Srings mi akualisieren FEMLAB-Kommandos, die im workspace ausgewere werden. Auszug: simulae() solvefemlabmodel(...) Simulaor gefemlabresul() erminae() iniialize() simulae(i) erminae() TCP/IP-Sockes,... Koppelmodul (C, C++, Java,...) Koppelmodul (Java) FEMLAB FEMLAB-Java-API workspace.sevar("", "[" + + " " "]"); workspace.eval("fem = muliphysics(fem);"); workspace.eval("fem.xmesh = meshexend(fem);"); workspace.eval("fem.sol=femime(fem, ini, fem.sol, " + " nullfun, flnullorh, " + " solcomp,{ u, u_, v_, v }, " + " oucomp,{ u, u_, v_, v }, " + " lis,, " + " aol,{ " + absoluetolerance + " }, " + " rol," + relaivetolerance + ", ou, lis );");... workspace.sevar("coord", "[50.0, 0.0]"); workspace.eval("v = posinerp(fem, v, coord);"); v = workspace.gemarixreal("v"); resul[0] = v[0][0]; Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

24 5. Beispiel: einseiig eingespanner Balken Schwingungen: anregen, messen und regeln! Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

25 Beispiel: einseiig eingespanner Balken (vereinfach) Vereinfaches Modell: einseiig eingespanner Biegebalken mi punkförmigen Krafeinwirkungen Messung des Absandes y nich deaillier modellier Regelung der Gegenkraf über einen Akuaor Balken (F T ) F S A F E y s A Sensor S y m Akuaoranseuerung s A Regler PID Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

26 Beispiel: einseiig eingespanner Balken (vereinfach) Vereinfaches Modell: einseiig eingespanner Biegebalken mi punkförmigen Krafeinwirkungen Messung des Absandes y nich deaillier modellier Regelung der Gegenkraf über einen Akuaor Balken (F T ) F S A F E y s A Sensor S y m Akuaoranseuerung s A Regler PID Simulaion: Sysem pariionieren in Aneile für FEM-Simulaor für regelungsechnischen Simulaor Kopplung beider Simulaoren realisieren Kopplung FEMLAB Modelica Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

27 Beispiel: einseiig eingespanner Balken Blockschalbild F Balken FEMLAB F E F Y Einsellung der Simulaionsparameer erfolg auf Modelica-Seie. Der Regler kann über K R und die Zeikonsanen (T i, T d ) konfigurier werden Sprung bei 0.s Modelica-Simulaor PID-Regler: x a Regler PID ( ) = K x ( ) x ( τ) τ R e T + e i 0 Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November F S d y T d x e ( )

28 Simulaionsergebnisse Einfluss der Regelung zeilicher Verlauf der Auslenkung y() des freien Balkenendes: - ungeregel - geregel y geregel ungeregel F y Fy x Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

29 Simulaionsergebnisse (2) Variaion der Kommunikaions-Schriweie zeilicher Verlauf der Auslenkung y() des freien Balkenendes der geregelen Schwingungen: Kommunikaions-schriweie d {0.025, 0.05, 0.s} y wenn Schriweie d zu groß -- > schleche/falsche Resulae => beache Schriweie! Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

30 Simulaionsergebnisse (3) Änderung der Reglereinsellung zeilicher Verlauf der Auslenkung y() des freien Balkenendes der geregelen Schwingungen: Variaion der Zeikonsanen Td {0.3, 0.5,.0s} d=0.025s y F y Fy x Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

31 6. Zusammenfassung Die Koppelmöglichkeien von FEMLAB wurden unersuch und an einem Beispiel erprob. Die prooypisch realisiere FEMLAB-Kopplung wurde mi den Modelica-Simulaoren Dymola und Modelica erfolgreich geese. Sie demonsrier das Grundprinzip der Kopplung. Die exerne Mosilab/Dymola-C-Funkion»FemlabConnecor_C«(bzw. das zugehörige Modell) kann als Vorbild für weiere Kopplungen dienen. Die verwendeen Simulaoren sind für Kopplungen gu geeigne. Das beriff insbesondere zeiliche Synchronisaion und Möglichkei des Rücksezens bei ieraiven Rechnungen. Die gekoppelen Simulaoren können auf verschiedenen Rechnern, plaformunabhängig - sogar über Inerne - laufen Der zusäzliche Zeiaufwand durch die Kopplung is vernachlässigbar, selbs bei Überragung größerer Daenmengen. Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November

32 Ausblick Tes komplexerer Modelle, zum Beispiel für Biegebalken: Flächenlasen sa Punklasen, inhomogene Geomerie, reale Auswereschalungen,... Erprobung alernaiver Zei- bzw. Synchronisaions-Schemaa Neben Dymola und Mosilab können weiere Simulaoren unersüz werden. Für eine Kopplung mi der Elekroniksimulaion kommen z.b. Saber und VHDL-AMS- Simulaoren in Berach. Für die Kopplung mi Mosilab weiere FEM-Simulaoren: ANSYS? CFD? FEMLAB: weiere Problemklassen Roland Marin FEMLAB-Konferenz, Frankfur November