Software: FEM - Tutorial - Magnetfeld - Kennfeld-Nutzung zur System-Simulation
Verwendete Software
Es soll am Beispiel des Programms SimulationX gezeigt werden, wie der exportierte C-Code mit geringem Aufwand zur System-Simulation eines Magnet-Antriebs genutzt werden kann. Dank gebührt Herrn Tobias Nähring (Mitarbeiter der Firma ITI GmbH) für seine wertvollen Tipps zum Einbinden externer Funktionen in SimulationX-Modelle.
Wir verwenden den freien Gnu-C-Compiler gcc, der Bestandteil der GNU-Compiler Collection ist. Eine Portierung dieser Compiler Collection für Windows läuft unter Cygwin. Von http://www.cygwin.com/ kann man eine aktuelle setup.exe für die Cygwin-Installation kostenlos herunterladen.
Ausführliche Hinweise zur Installation enthält die Installation_Cygwin.pdf von Herrn Sönke Hoffmann (Hochschule Ostwestfalen-Lippe). Von den darin angegebenen Komponenten der Development-Umgebung genügt für unsere Zwecke:
- gcc-core, der C- Compiler,
- make, ein Hilfsprogramm (dass man sicher benötigt)
Hinweis: Im Beispiel konnte bei der Benutzung der Download-Seite der TU-Dresden die Installation nicht vollendet werden, weil etwas fehlte. Ein Wechsel auf die Ruhr-Uni-Bochum führte zum Erfolg!
Die Windows-Systemvariable PATH wird, wie in der Anleitung beschrieben, durch den Verweis auf den cygwin\bin-Ordner erweitert. Damit ist gewährleistet, dass man den C-Compiler im Konsolen-Fenster von Windows direkt aufrufen kann.
Hinweis: Man muss in diesem Verzeichnis nachschauen, welche Version des Compilers installiert ist. In der Beispiel-Installation war es gcc-3.exe, deshalb ist dann der Compiler in der Konsole mit gcc-3 aufzurufen!
Erzeugen einer Windows-DLL
SimulationX bietet die Möglichkeit, externe Funktionen einzubinden, welche sich in einer Windwos-DLL befinden. Deshalb erzeugen wir aus dem vorliegenden c-Quelltext durch Compilieren mit dem gcc eine solche DLL-Datei:
- Der exportierte c-Quelltext der aktuellen OptiY-Version ist noch nicht vollständig kompatibel mit den Anforderungen des gcc und der Schnittstelle zum SimulationX. Das soll sich mit der nächsten OptiY-Version ändern. Bis dahin sind noch folgende Änderungen im Quelltext vorzunehmen:
- Das den Kennfeld-Variablen vorangestellte Zeichen # muss entfernt werden (im Beispiel #i und #s durch i und s ersetzen). Ansonsten kommt es zu einem Syntax-Fehler im gcc-Compiler!
- Der Datentyp float muss überall durch double ersetzt werden (Kompatibilitaetsforderung zu SimulationX).
- Danach hat die Datei Magnet_RSM.c die folgende Form (gekürzt):
double Covariance(double x1[],double x2[],double p[])
{
double Co, W;
W = 0;
for(int i = 0; i<2; i++) {
W = W + (x1[i]-x2[i])*(x1[i]-x2[i])*p[i]*p[i];
}
Co = exp(-W);
return Co;
}
double F(double i, float s)
{
double p[2];
double x1[2];
double x2[2];
double y = -46.7372056;
y = y+10.5264863*pow(i,1);
y = y+4.62081477*pow(s,1);
p[0] = 0.161298213;
p[1] = 0.928373134;
x1[0] = i;
x1[1] = s;
x2[0] = 5.01;
x2[1] = 2.02;
y = y-183.986679*Covariance(x1,x2,p);
x2[0] = 0.01;
x2[1] = 0.02;
y = y-8624.5598*Covariance(x1,x2,p);
x2[0] = 2.01;
x2[1] = 0.02;
y = y+27677.7263*Covariance(x1,x2,p);
:
:
x2[0] = 10.01;
x2[1] = 4.02;
y = y-1042.30105*Covariance(x1,x2,p);
return y;
}
double Psi(double i, double s)
{
double p[2];
double x1[2];
double x2[2];
double y = 0.0189621757;
y = y+0.00649675907*pow(i,1);
y = y-0.00349272992*pow(s,1);
p[0] = 0.590637256;
p[1] = 0.777378104;
x1[0] = i;
x1[1] = s;
x2[0] = 5.01;
x2[1] = 2.02;
y = y-0.000721074847*Covariance(x1,x2,p);
x2[0] = 0.01;
x2[1] = 0.02;
y = y-0.0269366063*Covariance(x1,x2,p);
x2[0] = 2.01;
x2[1] = 0.02;
y = y+0.0298939078*Covariance(x1,x2,p);
:
:
x2[0] = 10.01;
x2[1] = 4.02;
y = y-0.00522234634*Covariance(x1,x2,p);
return y;
}
- Man startet die Windows-Konsole (Start - Ausführen - cmd) und wählt als aktuelles Verzeichnis das, worin sich die c-Quelltext-Datei (hier Magnet_RSM.c) befindet.
- Mittels der Kommandozeile (im Beispiel für die Compiler-Version gcc-3):
gcc-3 -mno-cygwin -shared -o Magnet_RSM.dll Magnet_RSM.c
- sollte ohne Fehlermeldung die Datei Magnet_RSM.dll im gleichen Verzeichnis erzeugt werden.
Das Verzeichnis, in dem Magnet_RSM.dll abgelegt wird, muss in die Liste der Verzeichnisse fuer die externen Funktionen von SimulationX eingetragen werden:
- Diese Liste findet man in SimulationX unter Extras->Optionen->Verzeichnisse->Externe Funktionen.
- Entweder man kopiert die .dll-Datei in eines der Standard-Verzeichnisse oder man ergänzt die Liste dieser Verzeichnisse um den aktuell genutzten Ordner.
- Im Prinzip könnte man in der obigen Kommadozeile die .dll-Datei in eines der Standard-Verzeichnisse von SimulationX lenken.
Kennfeld-Testmodell
Bevor man die Kennfelder in ein kompliziertes Antriebsmodell einbindet, sollte man unbedingt ein Testmodell aufbauen, um das richtige Funktionieren zu überprüfen:
- Wir beginnen im SimulationX mit einer neuen Datei, welche wir als Test_Kennfeld.ism speichern.
- Es werden zwei lokale Element-Typen im Modell definiert, welche jeweils eine der Kennfeld-Funktionen bereitstellen. Der Test erfolgt dann durch eine Rastersuche in einem OptiY-Experiment.
- Wir beginnen im SimX-Modell mit dem Elementtyp F_RSM für das Kraft-Kennfeld:
- Als Symbol wird ein 61x61-Pixel-Bild verwendet, welches eine modifizierte Kopie des 2D-Kennfeld-Symbols aus der SimX-Bibliothek darstellt:
- Zum Testen speisen wir die Funktionsvariablen Strom i und Luftspalt s als Parameter in das Element ein und führen den Funktionswert der Kraft F als Variable nach außen:
- Achtung: Für diese Komponenten muss man die gleiche Einheit für die physikalischen Größen wählen, wie sie im FE-Modell verwendet wurden. Das bedeutet, die Luftspalt-Werte sind in mm einzuspeisen!
- Das F-Kennfeld wird im Element-Typ unter Lokale Typen als externe Funktion definiert:
Durch Bearbeiten der Funktionseigenschaften definiert man die Schnittstelle zwischen dem SimX-Modell und der externen Function innerhalb der .dll-Datei:
- Für die allgemeinen Einträge genügen die Standard-Vorgaben.
- Als Argumente der Funktion definieren wir zwei Eingabe- und einen Ausgabeparameter:
- Dabei berücksichtigen wir ebenfalls die Maßeinheiten der Funktionsargumente (z.B. Luftspalt in mm).
- Die Atrribute der Argumente belassen wir auf den Standard-Einträgen.
- Unter den Aufrufkonventionen ist die Liste der Argumente bereits eingetragen. Wir definieren noch den Namen der benutzten .dll-Datei und den Typ der Schnittstelle:
- Beim Fertigstellen der Funktionsdefinition erfolgt eine Warnung, dass keine grafische Darstellung definiert wurde. Diese Warnung können wir ignorieren.
- Für das Verhalten des Element-Typs definieren wir abschließend den Funktionsaufruf unter Berücksichtigung der physikalischen Einheiten (Luftspalt in mm):
- Der lokale Element-Typ F_RSM wird als Element F_Kennfeld innerhalb des SimX-Modells verwendet.
- Für einen ersten Test wurde der Stromeingang i mit der Simulationszeit t belegt, die von 0 bis 10 s läuft.
- Sowohl für den Luftspalt s=0 mm, als auch für s=4 mm ergeben sich korrekte Funktionsverläufe:
- Die Rastersuche nach Einbindung des Modells in ein OptiY-Experiment zeigt die komplette Funktionsfläche:
. . .
- Für das Psi-Kennfeld wurde folgendes Symbol verwendet:
===>>> Hier geht es bald weiter!!!
