EcosimPro

EcosimPro
グラフィカルモデル生成に使用される回路図ビューのEcosimPro
安定版リリース	7.0.10 / 2024年9月4日; 15か月前 (2024-09-04)
オペレーティングシステム	Microsoft Windows
ウェブ	www.ecosimpro.com

EcosimPro は、微分代数方程式または常微分方程式と離散イベント シミュレーションで表現できる単純および複雑な物理プロセスをモデル化するために Empresarios Agrupados AIE によって開発されたシミュレーション ツールです。

アプリケーションはさまざまなMicrosoft Windowsプラットフォーム上で実行され、モデル設計には独自のグラフィック環境を使用します。

物理コンポーネントのモデリングは、従来のオブジェクト指向プログラミング言語^[1]と非常によく似ているが、連続プロセスと離散プロセスをモデル化するのに十分な強力なEcosimPro言語（EL）に基づいています。

このツールは、あらゆる種類のシステムをモデル化するために再利用できるさまざまなタイプのコンポーネント (機械、電気、空気圧、油圧など) を含むライブラリ セットを採用しています。

これはESA内で推進システムの解析に使用されており^[2]、ECLSシステム用のESA推奨解析ツールです。^{[3] [4]}

起源

EcosimProツールプロジェクトは、1989年に欧州宇宙機関（ESA）の資金援助を受けて開始され、ハーメス・シャトルなどの有人宇宙船^[4] の環境制御および生命維持システムのシミュレーションを目的としていました。このモデリングツールの学際的な性質により、流体力学、化学処理、制御、エネルギー、推進、飛行力学など、他の多くの分野でも使用されるようになりました。これらの複雑なアプリケーションにより、EcosimProは非常に堅牢であり、他の多くの分野で使用できることが実証されました

モデリング言語

コード例

微分方程式
EcosimPro の使い方に慣れるために、まずは微分方程式を解くための簡単なコンポーネントを作成しましょう。EcosimPro は複雑なシステムをシミュレートするように設計されていますが、純粋な方程式ソルバーのように物理システムとは独立して使用することもできます。このセクションの例では、この使用法を示します。次の微分方程式を解き、変数xに遅延を導入します。

${\displaystyle {\frac {dy}{dt}}=(x-y)/tau}$

これは次の式と同等である。

${\displaystyle y'=(x-y)/tau}$

ここで、xとyは実験で定義される時間依存性を持ちます。τはユーザーが指定するデータで、ここでは0.6秒を使用します。この式は、変数xにτの値を持つyに対する遅延を導入します。この式をシミュレートするには、この式を含む EcosimProコンポーネントを作成します。

EL でシミュレートするコンポーネントは次のようになります。

コンポーネント方程式_テスト
   データ
      実数 tau = 0.6 "遅延時間（秒）"
   宣言
      実数 x, y
   継続的
      y' = (x - y) / タウ
エンドコンポーネント

振り子
応用微積分の一例としては、摩擦を考慮しない完全な振り子の運動が挙げられます。以下のデータがあります。重力「g」、振り子の長さ「L」、振り子の質量「M」です。計算する変数として、振り子の各瞬間における直交座標「x」と「y」、そして振り子のワイヤーの張力「T」があります。モデルを定義する方程式は以下のとおりです

- ケーブルの長さを直交座標軸に投影し、ピタゴラスの定理を適用すると、次のようになります。

${\displaystyle x^{2}+y^{2}=L^{2}}$

力を直交座標に分解すると、

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

そして

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

微分方程式を得るには、次のように変換します。

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

そして

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

（注：は位置の1次微分で速度に等しい。は位置の2次微分で加速度に等しい）${\displaystyle {\dot {x}}}$ ${\displaystyle {\ddot {x}}}$

この例は、DEFAULT_LIB ライブラリの「pendulum.el」にあります。

EcosimProによる振り子のモデリング

COMPONENT 振り子「振り子の例」
   データ
      実数 g = 9.806「重力（m/s^2）」
      REAL L = 1.「振り子経度(m)」
      REAL M = 1.「振り子の質量（kg）」
   宣言
      REAL x "振り子X位置（m）"
      REAL y "振り子のY位置（m）"
      REAL T「振り子ワイヤ張力（N）」
   継続的
      x**2 + y**2 = L**2
      M * x'' = - T * (x / L)
      M * y'' = - T * (y / L) - M * g
エンドコンポーネント

最後の2つの式はそれぞれX軸とY軸上の 加速度x''とy''を表す。

数学の能力

• 方程式の記号的処理（例：導出など）
• 非線形およびDAEシステムのためのロバストなソルバー：DASSL、^[5]、ニュートン・ラプソン^{[6] [7]}
• 数学ウィザード：
  • 境界条件の定義
  • 代数ループの解法
  • 高指数DAE問題の軽減^[8]
• グラフ理論に基づいた巧妙な数学アルゴリズムで、未知の変数と方程式の数を最小限に抑えます。
• イベント発生時にシミュレーションを停止する強力な離散イベントハンドラー

用途

EcosimProは多くの分野や学問分野で使用されています。以下の段落では、いくつかの用途を紹介します

• 制御: このライブラリは、一般的な P、PI、PID コントローラや信号プロセッサなどの制御ループを表現するためのコンポーネントを提供します。
• Turbojet：タービン反応器のモデリング用ライブラリ。タービン、ノズル、コンプレッサー、バーナーなどのコンポーネントが含まれています。
• ECLSS：有人宇宙船の複雑な環境条件をモデル化するためのコンポーネントの完全なライブラリが開発されました^[4]
• ESPSS：打ち上げロケット推進システムおよび宇宙船推進システムのシミュレーションのためのコンポーネントと関数を備えた標準ライブラリセット。^[2]
• Thermal : このライブラリには、集中パラメータ熱モデル (拡散熱ノード、境界熱ノード、線形熱伝導体、放射熱伝導体) を開発するために必要なコンポーネントが含まれています。
• エネルギー: エネルギー分野では、EcosimPro は、熱バランス (Thermal_Balance)、油圧システム (パイプ ネットワーク ツール)、溶融炭酸塩、アルカリ燃料電池などのさまざまなアプリケーションで使用されています。
• 極低温工学：例えばCERNにおける大規模極低温システムのシミュレーション。^[9]
• その他
  • 水処理
  • 廃棄物処理
  • 農業食品バイオテクノロジープロセス
  • その他

参照

• AMESim
• APMonitor
• Dymola
• 航空宇宙工学ソフトウェア一覧
• MapleSim
• モデルベースデザイン
• Modelica
• SimulationX
• Simulink
• Wolfram SystemModeler

参考文献

1. バートランド・マイヤー (1997).オブジェクト指向ソフトウェア構築（第2版）. プレンティス・ホール. ISBN 0-13-629155-4。
2. Armin Isselhorst (2010年7月). アリアン5 ESC-A上段におけるESPSSツールを用いたHM7Bシミュレーション(PDF) . 第46回AIAA/ASME/SAE/ASEE共同推進会議および展示会. AIAA . 2011年5月6日閲覧^{[永久リンク切れ]}
3. 「ESA：熱解析ソフトウェア - EcosimPro」。欧州宇宙機関。
4. Daniele Laurini; Alan Thirkettle; Klaus Bockstahler (1999年5月). 「ESA：生命を支える」(PDF) . 欧州宇宙機関.
5. Linda R. Petzold (1982). DASSLの説明：微分・代数システムソルバーSAND82-8637 .
6. P. Deuflhard (2004).非線形問題に対するニュートン法. アフィン不変性と適応アルゴリズム. ベルリン: 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. pp. 10-12 ISBN 9.6 0-521-43108-5。
8. C Pantelides (1988年3月). 「微分代数システムの無矛盾な初期化」. SIAM J. Sci. Stat. Comput. 9 (2): 213–231 . doi :10.1137/0909014
9. B. Bradu、P. Gayet、SI Niculescu (2007). 「大規模極低温システム向け動的シミュレータ」(PDF) .第6回EUROSIMモデリング・シミュレーション会議. リュブリャナ、スロベニア. オリジナル(PDF)から2011年7月7日時点のアーカイブ。 2011年5月6日閲覧。

外部リンク

• 公式サイト