EcosimPro

EcosimPro es una herramienta de simulación desarrollada por Empresarios Agrupados AIE para modelar procesos físicos simples y complejos que pueden expresarse en términos de ecuaciones diferenciales algebraicas o ecuaciones diferenciales ordinarias y simulación de eventos discretos .

La aplicación se ejecuta en las distintas plataformas de Microsoft Windows y utiliza su propio entorno gráfico para el diseño de modelos.

El modelado de componentes físicos se basa en el lenguaje EcosimPro (EL), que es muy similar a otros lenguajes de programación orientada a objetos convencionales ^{[ 1 ]} pero es lo suficientemente potente como para modelar procesos continuos y discretos.

Esta herramienta emplea un conjunto de bibliotecas que contienen diversos tipos de componentes (mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc.) que pueden reutilizarse para modelar cualquier tipo de sistema.

Se utiliza dentro de la ESA para el análisis de sistemas de propulsión ^{[ 2 ]} y es la herramienta de análisis recomendada por la ESA para sistemas ECLS. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Orígenes

El proyecto EcosimPro Tool comenzó en 1989 con fondos de la Agencia Espacial Europea (ESA) y con el objetivo de simular sistemas de control ambiental y soporte vital para naves espaciales tripuladas, ^{[ 4 ]} como el transbordador Hermes . La naturaleza multidisciplinaria de esta herramienta de modelado propició su uso en muchas otras disciplinas, incluyendo mecánica de fluidos, procesamiento químico, control, energía, propulsión y dinámica de vuelo. Estas complejas aplicaciones han demostrado que EcosimPro es muy robusto y está listo para su uso en muchos otros campos.

El lenguaje de modelado

Ejemplos de código

Ecuación diferencial Para familiarizarse con el uso de EcosimPro, primero cree un componente simple para resolver una ecuación diferencial. Aunque EcosimPro está diseñado para simular sistemas complejos, también puede utilizarse independientemente de un sistema físico, como si fuera un solucionador de ecuaciones puro. El ejemplo de esta sección ilustra este tipo de uso. Resuelve la siguiente ecuación diferencial para introducir un retardo en la variable x :

{\frac {dy}{dt}}=(xy)/tau

lo cual es equivalente a

y'=(xy)/tau

donde x e y tienen una dependencia temporal que se definirá en el experimento. Tau es un dato proporcionado por el usuario; utilizaremos un valor de 0,6 segundos. Esta ecuación introduce un retardo en la variable x con respecto a y con valor tau . Para simular esta ecuación, crearemos un componente de EcosimPro que la contenga.

El componente que se va a simular en EL es el siguiente:

COMPONENTE ecuación_prueba DATOS tau REAL = 0,6 "tiempo de retardo (segundos)" DECLS x, y reales CONTINUO y' = (x - y) / tau COMPONENTE FINAL

Péndulo Un ejemplo de cálculo aplicado podría ser el movimiento de un péndulo perfecto (sin considerar la fricción). Tendríamos los siguientes datos: la fuerza de gravedad 'g'; la longitud del péndulo 'L'; y la masa del péndulo 'M'. Como variables a calcular, tendríamos: la posición cartesiana del péndulo en cada instante de tiempo 'x' e 'y' y la tensión en el alambre del péndulo 'T'. Las ecuaciones que definen el modelo serían:

- Proyectando la longitud del cable sobre los ejes cartesianos y aplicando el teorema de Pitágoras obtenemos:

x^{2}+y^{2}=L^{2}

Al descomponer la fuerza en cartesianos obtenemos

F_{x}=-T{\frac {x}{L}}

y

F_{y}=-T{\frac {y}{L}}-M\;g

Para obtener las ecuaciones diferenciales podemos convertir:

F_{x}=M\;a_{x}=M\;{\ddot {x}}

y

F_{y}=M\;a_{y}=M\;{\ddot {y}}

(nota: ${\dot {x}}$ es la primera derivada de la posición y es igual a la velocidad. ${\ddot {x}}$ es la segunda derivada de la posición y es igual a la aceleración)

Este ejemplo se puede encontrar en la biblioteca DEFAULT_LIB como “pendulum.el”:

Péndulo COMPONENTE "Ejemplo de péndulo" DATOS g REAL = 9,806 "Gravedad (m/s²)" REAL L = 1. "Longitud del péndulo (m)" REAL M = 1. "Masa del péndulo (kg)" DECLS REAL x "Posición X del péndulo (m)" REAL y "Posición Y del péndulo (m)" REAL T "Fuerza de tensión del cable del péndulo (N)" CONTINUO x² + y² = L² M * x'' = - T * (x / L) M * y'' = - T * (y / L) - M * g COMPONENTE FINAL

Las dos últimas ecuaciones expresan respectivamente las aceleraciones, x'' e y'' , en los ejes X e Y.

Capacidades matemáticas

Manejo simbólico de ecuaciones (por ejemplo: derivación, etc.)
Solucionadores robustos para sistemas no lineales y DAE: DASSL, ^{[ 5 ]} Newton-Raphson ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}
Magos de las matemáticas para:
- Definición de las condiciones de contorno
- Resolver bucles algebraicos
- Reducción de problemas DAE de alto índice ^{[ 8 ]}
Algoritmos matemáticos inteligentes basados en la teoría de grafos para minimizar el número de variables y ecuaciones desconocidas.
Potente controlador de eventos discretos para detener la simulación cuando ocurre un evento.

Aplicaciones

EcosimPro se ha utilizado en numerosos campos y disciplinas. Los siguientes párrafos muestran varias aplicaciones.

Control : Esta biblioteca proporciona componentes para la representación de bucles de control, incluidos los controladores típicos P, PI y PID, procesadores de señales, etc.
Turbojet : Biblioteca para modelar reactores de turbina. Incluye componentes como turbinas, toberas, compresores, quemadores, etc.
ECLSS : Se ha desarrollado una biblioteca completa de componentes para modelar condiciones ambientales complejas para naves espaciales tripuladas ^{[ 4 ].}
ESPSS : Un conjunto estándar de bibliotecas con componentes y funciones para la simulación de sistemas de propulsión de vehículos de lanzamiento y sistemas de propulsión de naves espaciales. ^{[ 2 ]}
Térmico : Esta biblioteca contiene los componentes necesarios para desarrollar modelos térmicos de parámetros concentrados, es decir, nodos térmicos difusivos, nodos térmicos de contorno, conductores térmicos lineales y conductores térmicos radiactivos.
Energía : En el campo de la energía, EcosimPro se ha utilizado en diferentes aplicaciones, como balances térmicos (Thermal_Balance), sistemas hidráulicos (Pipe Networks Tool), pilas de combustible de carbonato fundido y alcalinas, etc.
Criogenia : Simulación de grandes sistemas criogénicos, por ejemplo, en el CERN . ^{[ 9 ]}
Otros :
- Tratamiento del agua
- Tratamiento de residuos
- Procesos biotecnológicos agroalimentarios
- Etc.

Véase también

Referencias

↑ Bertrand Meyer (1997). Construcción de software orientado a objetos (2.ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-629155-4.
1 2 Armin Isselhorst (julio de 2010). Simulación HM7B con la herramienta ESPSS en la etapa superior ESC-A del Ariane 5 (PDF) . 46.ª Conferencia y Exposición Conjunta de Propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE. AIAA . Recuperado el 6 de mayo de 2011 .
↑ "ESA: Software de análisis térmico - EcosimPro" . Agencia Espacial Europea.
1 2 3 Daniele Laurini; Alan Thirkettle; Klaus Bockstahler (mayo de 1999). "ESA: Apoyando la vida" (PDF) . Agencia Espacial Europea.
↑ Linda R. Petzold (1982). Una descripción de DASSL: un solucionador de sistemas diferenciales/algebraicos SAND82-8637 .
↑ P. Deuflhard (2004). Métodos de Newton para problemas no lineales. Invariancia afín y algoritmos adaptativos . Berlín: Springer. ISBN 3-540-21099-7.
↑ WH Press; BP Flannery; SA Teukolsky; WT Vetterling (1992). Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing . Cambridge University Press. págs. y 9.6 [ http://www.nrbook.com/a/bookcpdf/c9-6.pdf . ISBN 0-521-43108-5.]
↑ C Pantelides (marzo de 1988). "La inicialización consistente de sistemas diferenciales-algebraicos". SIAM J. Sci. Stat. Comput. 9 (2): 213– 231. doi : 10.1137/0909014 .
↑ B. Bradu; P. Gayet; SI Niculescu (2007). "Un simulador dinámico para sistemas criogénicos a gran escala." (PDF) . VI Congreso EUROSIM sobre Modelado y Simulación . Ljubljana, Eslovenia. Archivado del original (PDF) el 7 de julio de 2011. Recuperado el 6 de mayo de 2011 .

Enlaces externos

Sitio web oficial

[1] Bertrand Meyer (1997). Construcción de software orientado a objetos (2.ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-629155-4.

[ESPSS-2] 1 2 Armin Isselhorst (julio de 2010). Simulación HM7B con la herramienta ESPSS en la etapa superior ESC-A del Ariane 5 (PDF) . 46.ª Conferencia y Exposición Conjunta de Propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE. AIAA . Recuperado el 6 de mayo de 2011 .

[3] "ESA: Software de análisis térmico - EcosimPro" . Agencia Espacial Europea.

[ECLSS-4] 1 2 3 Daniele Laurini; Alan Thirkettle; Klaus Bockstahler (mayo de 1999). "ESA: Apoyando la vida" (PDF) . Agencia Espacial Europea.

[5] Linda R. Petzold (1982). Una descripción de DASSL: un solucionador de sistemas diferenciales/algebraicos SAND82-8637 .

[6] P. Deuflhard (2004). Métodos de Newton para problemas no lineales. Invariancia afín y algoritmos adaptativos . Berlín: Springer. ISBN 3-540-21099-7.

[7] WH Press; BP Flannery; SA Teukolsky; WT Vetterling (1992). Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing . Cambridge University Press. págs. y 9.6 [ http://www.nrbook.com/a/bookcpdf/c9-6.pdf . ISBN 0-521-43108-5.]

[8] C Pantelides (marzo de 1988). "La inicialización consistente de sistemas diferenciales-algebraicos". SIAM J. Sci. Stat. Comput. 9 (2): 213– 231. doi : 10.1137/0909014 .

[9] B. Bradu; P. Gayet; SI Niculescu (2007). "Un simulador dinámico para sistemas criogénicos a gran escala." (PDF) . VI Congreso EUROSIM sobre Modelado y Simulación . Ljubljana, Eslovenia. Archivado del original (PDF) el 7 de julio de 2011. Recuperado el 6 de mayo de 2011 .

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