Simulation mit ACSL: Eine Einführung in die Modellbildung, numerischen Methoden und Simulation

410 Pages·1993·12.409 MB·German

by  Prof. Dr. Felix Breitenecker, Dr. Horst Ecker, Dr. Ingrid Bausch-Gall (auth.)

Felix Breitenecker
Horst Ecker
lngrid Sauseh-Gall
Simulation mit ACSL
Fortschritte in der Simulationstechnik
im Auftrag der Arbeitsgemeinschaft Simulation (ASIM)
herausgegeben von Walter Ameling
Band 1 F. Breitenecker, I. Troch, P. Kopacek (Hrsg.)
Simulationstechnik
6. Symposium in Wien, September 1990
Band 2 F. Breitenecker, H. Ecker, I. Sauseh-Gall
Simulation mit ACSL
Band 3 Dj. Tavangarian
Simulation und Entwurf elektronischer Schaltungen
Band 4 Dj. Tavangarian (Hrsg.)
Simulationstechnik
Z Symposium in Hagen, September 1991
Band 5 0. Rathjen
Digitale Echtzeitsimulation
Band 6 A. Sydow (Hrsg.)
Simulationstechnik
8. Symposium in Berlin, September 1993
Exposes und Manuskripte erbeten unter der Adresse:
Prof. Dr.-lng. Walter Ameling,
RWTH Aachen, Schinkelstr. 2, D-52062 Aachen
oder an den Verlag Vieweg, Postfach 58 29, D-65048 Wiesbaden
Felix Breitenecker
Horst Ecker
lngrid Sauseh-Gall
Simulation
mit
ACSL
Eine Einführung in die
Modellbildung, numerischen Methoden
und Simulation
al
v1eweg
Herausgeber der Reihe im Auftrag der Arbeitsgemeinschaft Simulation (ASIM):
o. Prof. Dr.-lng. Walter Ameling, RWTH Aachen,
Schinkelstraße 2, D-5100 Aachen
Prof. Dr. Felix Breitenecker lehrt an derTechnischen Universität Wien im Fachgebiet Simulationstechnik.
Er beschäftigt sich mit Struktur und Vergleich von Simulationssprachen und numerischen Verfahren in
der kontinuierlichen Simulation. Er betreut Forschungsprojekte für Modellaustausch zwischen Simula
tionssprachen und gibt Fortbildungskurse in Simulationstechnik, u. a. mit ACSL. Er ist Vorstandsmitglied
der deutschsprachigen Simulationsvereinigung ASIM und Präsident von EUROSIM, dem Dachverband
der europäischen Simulationsvereinigungen.
Dr. Horst Ecker ist Universitätsassistent am Institut für Maschinendynamik und Meßtechnik der Techni
schen Universität Wien. Sein Arbeitsgebiet umfaßt die Maschinendynamik, die Fahrzeugdynamik und die
Simulationstechnik. Er ist langjähriger ACSL-Anwender im universitären Forschungsbetrieb und in der
Lehre.
Dr. lngrid Bausch-GaU hat an der RWTH Aachen in Numerischer Mathematik promoviert. ACSL hat sie
1979 kennengelernt, als sie bei Control Data Simulationsprojekte bearbeitete. Seit 1983 arbeitet sie
selbständig und führt u. a. regelmäßig Schulungskurse zu ACSL durch. Sie war 1982 Mitbegründerin und
ist seit 1989 Sprecherin der deutschsprachigen Simulationsvereinigung ASIM.
Alle Rechte vorbehalten
©Springer Fachmedien Wiesbaden 1993
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1993
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede
Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für
Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf säurefreiem Paoier
ISBN 978-3-528-06381-8 ISBN 978-3-322-96175-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96175-4
V
Vorwort
Die Idee zu diesem Buch "Simulation mit ACSL" bestand schon seit längerer
Zeit. Die Realisierung wurde jedoch zweimal durch wesentliche Änderungen und
Erweiterungen von ACSL verzögert.
Das Buch basiert auf ACSL Level IOD und berücksichtigt, soweit wie möglich,
auch die in Implementierung begriffenen Änderungen für ACSL Level lOF und
Level 11. Die Autoren haben überdies versucht, das Buch durch grundlegende
Inhalte der Modellbildung, Simulationstechnik und Numerischer Verfahren mög
lichst unabhängig von der aktuellen ACSL-Version zu halten.
Die Zusammenarbeit dreier Autoren aus unterschiedlichen Fachgebieten (Ma
thematik, Technische Dynamik, Technische Informatik) und unterschiedlichen
Tätigkeitsbereichen (Universität, Forschung, Industrie) führte zu einem Buch,
das einen breiten Anwenderkreis ansprechen möge. Die räumliche Entfernung
ihrer Wirkungsstätten stellte die Autoren dabei gelegentlich vor Probleme, da
sie noch nicht die Perfektion des italienischen Schriftstellerduos Fruttero und
Lucentini erreicht haben.
Wir möchten an dieser Stelle all jenen danken, die zum Gelingen des Buches
beitrugen. An erster Stelle sind unsere Familien zu erwähnen, die vor allem in
der Endphase der Bucherstellung große Geduld aufbringen mußten. Insbeson
dere wollen wir Fr.Martina Breitenecker und Fr.Elisabeth Ecker für das aufge
brachte Verständnis und für das stundenlange Korrekturlesen danken, ebenso
Frl.Katharina Breitenecker für organisatorische Unterstützung.
Zu besonderem Dank sind wir Fr.lrmgard Husinsky, der Leiterin der deutsch
sprachigen ACSL User Group verpflichtet, die neben den Korrekturen des Textes
auch die Programme überprüfte und versionsabhängige Inkonsistenzen im Ma
nuskript beseitigte. Ferner danken wir Hrn. Günther Schuster für das Anfertigen
von Zeichnungen, die nicht mit ACSL erzeugt werden konnten.
Auch den "Autoren" von ACSL, den Herren Ed Mitchell und Jo Gauthier (Mit
chell & Gauthier Associates (MGA) Inc., Concord, MA) gebührt Dank für not
wendige Vor- und Insiderinformationen zu ACSL, sowie Hrn.Bill Havranek (Ra
pid Data Ltd, Worthing, UK), dem europäischen Distributor von ACSL, für
Testversionen und sonstige Unterstützung.
VI
Abschließend möchten wir dem Herausgeber der Reihe "Fortschritte in der Si
mulationstechnik", Herrn Prof.Dr.lng.W.Ameling für die Aufnahme des Buches
in dieser Reihe danken und dem Verlag VIEWEG Wiesbaden/Braunschweig für
die Unterstützung und Geduld bei der Fertigstellung.
Felix Breitenecker, Wiener Neustadt
Horst Ecker, Wien
Ingrid Bausch-GaB, München, im Juli 1993
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Einführende Beispiele mit ACSL 7
2.1 Nichtlineares Pendel 7
2.2 Elektrischer Schwingkreis . 19
2.3 Reaktionskinetik 30
2.4 Einmassen-Schwinger . 35
2.5 Populationsdynamik 45
2.6 Beschleunigungsvorgang 60
2.7 Regelstrecke . 70
2.8 Radioaktiver Zerfall . 77
3 Sprachdefinition 89
3.1 Struktur eines ACSL-Modells 89
3.2 Modellbeschreibungssprache . 94
3.2.1 Schlüsselwörter für Strukturen . 94
3.2.2 Parameterdefinition, Initialisierung, Steuerung 95
3.2.3 Integrations--Operatoren 96
3.2.4 Übertragungsfunktionen 99
3.2.S Signalgeneratoren 100
3.2.6 Kennlinien .... 101
3.2. 7 Schaltoperatoren 106
3.2.8 Generatoren für Zufallszahlen 107
3.2.9 Sonstige Operatoren ..... 108
3.2.1 0 Operatoren für Runtime-Befehle 109
VIII
3.2.11 FORTRAN-Operatoren ................... 109
3.3 Erzeugung des Simulationsprogramms ................ 110
3.4 Befehle des Runtime-lnterpreters ............ . 114
0 0 0
3.4.1 Systemparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4.2 PREPARE [PRE] ....................... 118
3.4.3 OUTPUT [0] ......................... 119
3.4.4 START [ST] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.5 CONTINUE [CO] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.4.6 PRINT [PRI] ......................... 123
3.4. 7 SET [S] ............................ 123
3.4.8 DISPLAY [D] ......................... 124
3.4.9 PLOT [PL] .......................... 125
3.4.10 RANGE [RA] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.4.11 PROCEDURE [PRO]. . . . . . . . . . . . . . .. 129
3.4.12 REINIT [RE] ......................... 130
3.4.13 ACTION [AC]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.14 SAVE [SA]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.15 RESTORE [RE] ....................... 132
3.4.16 SYSTEM [SY] ......................... 133
3.4.17 QUIT [Q], EXIT [EX] . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133
3.4.18 HELP [H] ..................... . 133
0 0 0
3.4.19 MATLAB [MA] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4.20 MERROR [ME], XERROR [XE] .............. 134
3.4.21 DATA [DA] .......................... 134
3.4.22 ANALYZE [AN] ....................... 134
IX
4 Numerische Verfahren 135
4.1 Differentialgleichungen als dynamische Modelle . 135
4.2 Numerische Algorithmen für Differentialgleichungen 140
4.2.1 Einschrittverfahren 141
4.2.2 Mehrschrittverfahren 152
4.2.3 Integrationsverfahren für steife Systeme . 159
4.2.4 Verfahren für implizite Modelle 168
4.3 Integrationsverfahren in ACSL ..... 170
4.4 Vergleich: Integrationsverfahren in ACSL . 180
4.5 Numerische Berechnung der Jakobimatrix 193
4.6 Numerische Lösung von nichtlinearen Gleichungen . 197
4. 7 Linearisierung in ACSL ........ . 200
4.8 Anwendung: Lithium-Cluster Dynamik 204
4.9 Anwendung: Schaltverstärker ..... 211
5 Diskrete Modellteile - Ereignisse 219
5.1 Zeitereignisse .. 220
5.2 Diskreter Regler . 226
5.3 Zustandsbedingte U nstetigkeiten-Zustandsereignisse 235
5.4 Fadenpendel mit Anschlag 240
6 Modellbildung mit Macros 249
6.1 Einfache Macros ..... . 250
6.2 Macros mit Namenserzeugung 252
6.3 Hyperlogistisches Wachstum 254
6.4 Macros mit variabler Struktur 260