Die Simulation des Systems

1. Allgemeines

1.1 Einführung

1.2 Die Klasse Simulation

Folgende Variablen werden von der Klasse CSimulation zur Verfügung gestellt:

Diese Variablen werden aus dem expandierten Netz übernommen

• **apKomponente
• AnzahlKomponenten
• **apBruecke
• AnzahlBruecken

  Diese Variablen dienen der Ausgabe der Simulation sowie zum Laden/Speichern

• OutputFileName
• KompDataFileName
• KompDataFile

  Hiermit wird gerechnet

• Koeffizienten
• Ergebnis
• Loesung
• SummeLGSZeilen
• SummeLGSSpalten

  Einige Variablen, die die Simulation betreffen

• deltat
• delta_max
• Zeitende
• deltalog

  Ausgabe des Systemverhaltens

• SummeAusgaben
• Verhalten

  Diese Variablen sind aus Effizienzgründen da

• **apVarKomp
• anzVarKomp
• alleVariablen
• anzVariablen

  Hierauf wird gearbeitet

• *pNetz
• *pExpnetz
• SchematicName

Methoden der Klasse CSimulation:

• Konstruktor
• GetErgebnis
• GetDaltaT
• GetKomponenten
• Init
• snapshot_Variablen
• restore_Variablen
• sim
• Run
• SaveKomponentenData
• LoadKomponentenData
• SetzeMatrix
• putZeitEnde
• putstep

  Konstruktor

  Im Konstruktor werden Defaultwerte für deltat, deltalog, ZeitEnde und delta_max gesetzt.

  GetErgebnis()

  GetErgebnis liefert den Ergebnisvektor der Simulation zurück.

  GetDeltaT()

  GetDeltaT stellt das aktuelle deltat bereit, das in den Komponenten zur Berechnung der neuen Werte der Variablen benötigt wird.

  GetKomponenten()

  GetKomponenten durchläuft das Netz (pNetz) und speichert alle Komponenten im Feld apKomponente.

  snapshot_Variablen()

  snapshot_Variablen sichert den aktuellen Systemzustand, d.h. die aktuellen Werte der Variablen werden in einem Feld alleVariablen gesichert.

  restore_Variablen()

  restore_Variablen setzt die Werte der Variablen wieder auf die ursprünglichen, d.h. die die in alleVariablen gespeichert sind.

  sim()

  In sim wird das LGS gelöst. Das Verfahren, mit dem das LGS gelöst wird, ist Lower-Upper-Decomposition mit anschliessendem BackSubstitution.

  SaveKomponentenData()

  SaveKomponentenData speichert die Daten, die man mit Enter Data eingegeben hat.

  LoadKomponentenData()

  Das Gegenstück zu SaveKomponentenData.

  SetzeMatrix()

  SetzeMatrix besorgt sich die aktuellen Werte der Variablen und UnknownQuantities und setzt sie entsprechend ihrer Zeilen- und Spaltennummern in die Matrix Koeffizienten und in den Ergebnisvektor Ergebnis.

  putZeitEnde()

  putZeitEnde setzt ZeitEnde auf den Wert, der in der Eingabemaske eingegeben wurde.

  putstep()

  putstep legt die Zeitpunkte fest, zu denen der Benutzer eine Ausgabe des Systemverhaltens haben will.

  2. Ablauf einer Simulation

  Zuerst müssen natürlich ein System und Daten vorhanden sein. Dies geschieht über den Load-Button. Falls die einzelnen Komponenten schon Daten enthalten, müssen nur noch zwei Werte angegeben werden:

  1. Wie lange soll simuliert werden?
  2. In welchen Abständen soll das Systemverhalten protokolliert werden?
  Hat man nur ein Schema geladen, so muß man noch für jede Komponente die spezifischen Daten eingeben. Dies geschieht mit Hilfe des Buttons Enter Data. Durch Klick auf den Button Simulation wird die Simulation gestartet. Dann werden folgende Schritte abgearbeitet:
  1. Initialisierung
  2. Berechnung
  3. Ausgabe

2.1 Initialisierung

Hier wird zunächst die Größe des Gleichungssystems bestimmt und die Komponenten, die Variablen bereitstellen. Die Größe des Gleichungssystems wird über GetAnzahlLGSZeilen() und GetAnzahlLGSSpalten() bestimmt. Weiterhin werden alle Komponenten des Systems, die Variablen enthalten, in dem Array apVarKomp gespeichert. Dies geschieht aus Effizienzgründen, wie weiter unten noch gezeigt wird. Anschliessend wird Speicher fü:r die Matrix und die Ergebnisvektoren bereitgestellt und die Einträge in die Matrix vorgenommen (mit der Funktion SetzeMatrix()). Somit sind alle wichtigen Daten initialisiert und es kann losgehen.

2.2 Berechnung

Hier wird die eigentliche Arbeit verrichtet. In der Hauptschleife wird die Zeitvariable t in jedem Durchlauf um deltat erhöht, bis zur vorgegebenen Zeitgrenze. Die Schwierigkeit ist aber, das richtige deltat zu finden. Mit Hilfe der Funktion snapshot_Variablen() werden alle Variablen in dem Feld alleVariablen gesichert. Denn nun wird in der zweiten Schleife ein deltaT bestimmt. Dieses deltaT dient dazu die Schrittweite eines Simulationsschrittes gerade so groß zu halten, daß das Ergebnis vom vorherigen nicht erheblich abweicht. Innerhalb der while (!deltat_ist_ok)-Schleife geschieht folgendes: es wird ein Ergebnisvektor (erg1) berechnet mit den Werten, die jetzt in der Matrix und im Ergebnisvektor stehen. Danach wird ein Zeitschritt ausgeführt, d.h. die Werte der Variablen werden neu berechnet. Nun wird die Matrix mit diesen neu berechneten Werten gesetzt und es wird wieder ein Ergebnisvektor (erg2) berechnet. Jetzt werden die beiden Ergebnisvektoren komponentenweise verglichen. Gibt es dabei eine Komponente, die die Vergleichsfunktion nicht erfüllt, so werden die alten Werte der Variablen wiederhergestellt(mit der Funktion restore_Variablen()), die Matrix wieder mit diesen Werten gesetzt und das deltat halbiert. Dies geschieht so lange, bis die Vergleichsfunktion für jede Komponente der Ergebnisvektoren erfüllt ist. Dann ist das delat für diesen Zeitschritt ok. Das delat wird erhöht, da man annimmt, daß das Verhalten nun auf längere Sicht stabil bleibt. Falls man an einem deltalog-Punkt angekommen ist, wird das Systemverhalten noch ausgegeben.

2.3 Ausgabe

Zur Ausgabe des Systemverhaltens an jedem deltalog-Zeitpunkt wird einfach für jede Komponente die Funktion VariablenAusgabe() aufgerufen. Sie gibt einfach alle Ausgaben, d.h. sowohl Variablen als auch Unknown Quantities, mit dem aktuellen Zeitpunkt in eine Datei aus. Die Ausgabedatei hat folgenden Namen: SchematicName+".sim.out", also den Namen der Schemadatei plus die Endung ".sim.out".