ColSim - Simulation von Regelungssystemen in ... - OptiControl

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26 KAPITEL 3. DIE SIMULATIONSUMGEBUNG COLSIM Simulationskontrolle (SIMCONTROL) Wetter- und Lastprofil aktualisieren Controller Pumpen serielle Abfolge der Plug-Flow UNITS (hydraulische Komponenten) sonstige TYPES: Printer, Equation usw. Die Stellgröße der Regler wird zu Beginn des Rechenschrittes t k durch die Auswertung der UNIT-Ausgangsmatrix out last [i unit ][j] ermittelt, d.h. die Regelentscheidung bezieht sich immer auf den letzten Zeitschritt t k,1 . Anschließend werden die Routinen der Pumpen (TYPE=3) aus der Liste ’unit_order’ ausgeführt, so daß die Eingangsgrößen der hydraulischen TYPES vor deren Berechnung aktualisiert worden ist. Die Funktion ’init_set_mp.c’ ermittelt die Abfolge aller Komponenten in einem hydraulischen Kreis, der durch eine Pumpe betrieben wird. Dazu werden die Eingangsverknüpfungen inp unit [i unit ][j], inp outNr [i unit ][j], die sich aus UNIT-Nummern und Ausgangselementen zusammensetzen, aller UNITS im Skript auf ihren „Vorgänger“ (previousunit) hin überprüft und sortiert. Abschließend erfolgt die Berechnung aller noch übrigen UNITS (z.B. printer), deren Aktualität von sekundärer Bedeutung. Innerhalb der Zeitschleife, die den Simulationsschritt h durchläuft, wird die gesamte UNIT- Abfolge 17 (unit_order[]) mit Hilfe einer case-Anweisung abgearbeitet (vgl. Abbildung 3.5). Dabei kann eine Komponente (UNIT) mehrmals aufgerufen werden, (vgl. storage.c), falls mehrere hydraulische Kreise mit dieser verknüpft sind (multiple-input-units). Menüführung Die Aufgabe der Menüführung ist die Koordination der verschiedenen Prozesse in der Simulationsumgebung. Diese Bedienung wird unter Zuhilfenahme einer interaktiv bedienbaren Menüleiste mit Buttons und Entries erheblich beschleunigt. 3.3.3 Energiefluß bei der Plug-Flow Modellierung ColSim nutzt zur Berechnung der Modelle finite Differenzentechnik, die innerhalb der Komponenten implementiert ist. Dabei findet ein modifiziertes Euler-Verfahren 18 Anwendung, das sich für die ohnehin nötige hohe Zeitauflösung eignet. Im Gegensatz zu den meisten Systemsimulationsprogrammen wird in ColSim keine Gleichungsmatrix separiert, die von einem externen Solver gelöst wird. Der Vorteil der verteilten Berechnung liegt in der individuell auf das Anlagenschema bezogenen Berechnungsabfolge (vgl. 3.3.2) der UNITS. Dabei wird die Abbildung 17 Die Abfolge der UNITS kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß ColSim mit dem Argument ’d’ aufgerufen wird. Mit der Kommandozeile ’sim -d | more’ wird die schrittweise Ausgabe im Dialogfenster erfolgen. 18 das explizite Euler-Verfahren fordert im Gegensatz zu anderen Integrationstechniken eine sehr hohe Zeitauflösung, da es sonst instabil werden kann. Für ColSim ergeben sich dennoch einige entscheidende Vorteile dieser Technik.
3.3. ABLAUFSCHRITTE BEI DER SIMULATION 27 ColSim-Menüführung System-Auswahl, entry Konverter Simulation Onlineplot Onlineplot Simulation XFIG skript fig2dek starten unterbrechen fortsetzen terminieren starten editieren Parameter editieren Abbildung 3.6: Menüführung: Mit Hilfe eines TCL-Graphikfensters, das sich mit Hilfe des Mauszeigers bedienen läßt, wird die Koordination der Simulation durchgeführt. des Totzeitverhaltens von Rohrleitungen sowie eine effiziente Massenstrombilanzierung möglich (nichtlineares System). Gerade bei verzweigten Rohrleitungssystemen bieten konventionelle Löser wenig effiziente Möglichkeiten zur Fehlerkontrolle. Duffie [Duffi91] beschreibt die Plug-Flow Technik zur Modellierung von Schichtspeichern, um die Temperaturschichtung möglichst exakt abzubilden. Hierbei wird der Speicher in Abhängigkeit des Eintrags in homogene isotherme Zonen eingeteilt und zeitlich verschoben. Die Segmente können unterschiedlich groß werden und sich ggf. durch Vermischung vergrößern. In ColSim wird eine ähnliche Technik benutzt, um den Fluidstrom durch die Leitungselemente (pipe.c) abzubilden. Dazu wird unter Zugrundelegung der hohen Zeitauflösung ein Plug folgendermaßen definiert: Q plug = _mc P [T P lug , T ref ] h; wobei T ref := 0 C (3.1) Die Referenztemperatur T ref wird mit 0 C definiert, um keine unnötigen Rechenoperationen auszulösen. Die Rechenschrittweite h legt also den Betrag der Energie des Plugs fest, der zwischen den hydraulischen UNITS ausgetauscht wird. Eine hydraulische UNIT benötigt also mindestens zwei INPUTS zur Beschreibung des Wärmestroms: inp[i unit ][1] = Q plug (3.2) inp[i unit ][2] = _m (3.3) Dabei kennzeichnet der Index i unit die eindeutige UNIT im Simulationsskript, der 2. Index die Kanalbezeichnung des Eingangs. Meist wird zur Schnittstellenbeschreibung lediglich Temperatur und Massenstrom (vgl. [Trn88]) verwendet, um den Eintrittswärmestrom einer UNIT erneut zu berechnen. Dieser Berechnungsschritt entfällt bei der Beschreibung durch die Plug- Flow Modellierung. Es gibt noch weitere wesentliche Vorteile der Methode: Die Energie kann als diskretes Profil im Totzeitregister (FILO-STACK) abgelegt werden
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