SystemModeler – Wolfram SystemModeler - Features

Wolfram SystemModeler


Wolfram SystemModeler - Features

Modellierung und Simulation mit dem Wolfram SystemModeler

Der Wolfram SystemModeler verwendet Drag-and-Drop, um realistische Multidomänen-Modelle zu erzeugen. Dadurch ist die genaue Simulation des Systemverhaltens mit effizienten, integrierten numerischen Solvern möglich, die Systeme mit Ereignissen und nicht-kontinuierlichem Verhalten korrekt behandeln. Die Visualisierung erfolgt umgehend und beinhaltet die automatische Animation der dreidimensionalen mechanischen Komponenten.

Drag-and-Drop-Modellierung

Drag-and-Drop-Modellierung

Mit der Drag-and-Drop-Technik des Wolfram SystemModelers können Modelle einfach und intuitiv erstellt werden. Die Komponenten wie Transistoren oder Federn werden mit der Maus einfach aus der Komponentenbibliothek auf die Zeichenfläche gezogen. Physikalische Verbindungen wie Stromleitungen oder mechanische Befestigungen zwischen den Komponenten werden durch Linien symbolisiert.

 Kurzer Blick auf die Drag-and-Drop-Modellierung (0:30)

Beispiele:
Bungee-Sprung »

Hierarchische Modellierung

Hierarchische Modellierung

Der Wolfram SystemModeler ist in der Lage, hierarchische komponenten-basierende Modelle zu erzeugen, welche die Topologie von realen Modellen abbilden. Der Vorteil liegt darin, dass diese Modelle einfacher zu entwickeln und zu verstehen sind als herkömmliche Blockmodelle. Im Wolfram SystemModeler sind individuelle Untermodelle einzeln test- und wiederverwendbar, so dass Sie schnell alternative Designs und Szenarien ausprobieren können.

  Hierarchische Modellierung (0:31)

Beispiele:
Entwurf eines Joysticks » | Antriebssystem » | Hausheizung »

Modellierung von hybriden Systemen

Modellierung von hybriden Systemen

Exakte diskret-kontinuierliche Hybridsysteme kann der Wolfram SystemModeler modellieren, indem diskrete Signale und die integrierte StateGraph-Bibliothek der kontinuierlichen physikalischen Komponenten kombiniert werden. Die in den SystemModeler integrierten numerischen Solver erkennen und behandeln Diskontinuitäten in hybriden Systemen, so dass Modelle mit plötzlichen Ereignissen wie beispielsweise Schaltern, Kollisionen oder Zustandsübergängen korrekt simuliert werden.

Beispiele:
Antriebssystem » | Kühlschrank mit Gefrierfach »

Sofortige Visualisierung

Sofortige Visualisierung

Durch die prompte Visualisierung des SystemModelers können Systemvariablen mit einem Klick grafisch dargestellt werden. Weiterhin sind Plots mehrerer Variablen und parametrische Plots möglich. Dabei kann auf integrierte Plotstile mit einer Point-and-Klick- Oberfläche zurückgegriffen werden. Visualisierungsgeometrien aus CAD-Systemen können an die Komponenten angehängt und 3D-Animationen für Modelle mit dreidimensionalen mechanischen Komponenten erzeugt werden. Programmier- und anpassbare Visualisierungen sind mit der Verbindung zu Mathematica möglich.

  Animiertes 3D-Modell (0:58)

Beispiele:
Bagger » | Satellit »

Export und Veröffentlichung

Export und Veröffentlichung

Der SystemModeler kann numerische Simulationsergebnisse direkt ins CSV- oder MAT-Format exportieren. Plots können in alle Standardformate (PNG, JPG usw.) und die Daten der Plots als CSV-Datei exportiert werden. Modelle und dazugehörige Simulationen können automatisch als interaktive Webseiten veröffentlicht werden.

  Export und Veröffentlichung (0:36)

Multidomänen-Modellierung

Multidomänen-Modellierung

Reale Maschinen und Systeme sind nicht auf einen einzigen physikalischen Bereich wie die Mechanik, Elektrotechnik oder Thermik beschränkt. Aus diesem Grund können Modelle im SystemModeler auch jede denkbare Kombination aus miteinander verbundenen Komponenten aus den unterschiedlichsten Bereichen enthalten. In Simulationen werden mit diesen realistischeren Multidomänen-Modellen wichtige Effekte aufgedeckt.

Beispiele:
Wasserkocher » | Kühlschrank mit Gefrierfach »

Integrierte Modellbibliotheken

Integrierte Modellbibliotheken

Der SystemModeler bringt eine große Bibliothek mit Standard-Modelica-Komponenten zur Modellierung translierbarer, rotierbarer und dreidimensionaler Mechaniken, Elektronik, logischen Bausteinen und Signalblöcken und mehr mit sich. Die Bibliotheken enthalten den vollständigen Quellcode sowie die Dokumentation.

Beispiele:
Wasserkocher »

BioChem-Bibliotheken

BioChem-Bibliotheken

Die BioChem-Bibliothek enthält Komponenten, die reaktive Stoffe, physikalische Kompartimente und grundlegende biochemische Reaktionen sowie einige ausführliche Beispiele abbilden. Indem Stoffwechselwege modelliert oder numerische Experimente durchgeführt werden, kann die Notwendigkeit von Labortests minimiert werden.

Eigene Komponenten und Bibliotheken

Eigene Komponenten und Bibliotheken

Eigene wiederverwendbare Komponenten können entweder aus bereits bestehenden Komponenten oder durch Definition von Gleichungen erstellt werden. Dabei können die Symbole der Komponenten oder neue Typen von Verbindungslinien spezifiziert werden. Zusammengehörende Bibliotheken können in verteilbaren Modelica-Packages zusammengefasst werden. Weiterhin sind Modelica-Bibliotheken von Drittanbietern für viele spezielle Bereiche erhältlich.

Beispiele:
LEGO Segway » | Entwurf eines Joysticks »

Simulation und Versuche

Simulation und Versuche

Modelle können mit dem SystemModeler automatisch in optimierte Systeme oder Differentialgleichungen übersetzt werden, die zur sofortigen Simulation bereit stehen. Die Point-and-Click-Oberfläche zur Anpassung der Modellparameter erlaubt die schnelle Untersuchung, ohne dass das Modell neu kompiliert werden muss. Simulationen können pausiert und wiederaufgenommen werden, ebenso können Simulationen in Echtzeit abgespielt werden.

Beispiele:
Insulinsignal » | Kühlschrank mit Gefrierfach »

Alleinstehende Ausführungsdateien der Simulationen

Ausführbare Standalone Simulation

Die optimierte Ausführungsdatei der Simulation, die durch den SystemModeler erzeugt wird, ist eigenständig und beinhaltet alle numerischen Solver. Die ausführbare Datei kann z. B. in einer Desktop-Anwendung weiterverwendet werden. Werte von Parametern und Anfangsbedingungen können aus einer leicht zu programmierden XML-Datei ausgelesen werden. Die Ergebnisse von Simulationen werden in einem Standardformat zurückgeliefert, das in anderen Anwendungen interpretiert werden kann.

Analyse und Design mit Mathematica

Die Analyse von Modellen des SystemModelers kann mit Mathematica durchgeführt werden. Die Integration von Mathematica erlaubt die programmiertechnische Kontrolle von Simulationen, die mit dem SystemModeler erstellt wurden, oder das Finden von Modellgleichgewichten mit integrierten Funktionen. Weiterhin können Modellkalibrierung und Systemoptimierungen unter Verwendung der symbolischen und numerischen Funktionen von Mathematica durchgeführt werden. Mit der Anbindung von Mathematica ist die Präsentation der Ergebnisse mit erweiterten Grafiken und zusätzlicher Interaktivität möglich.

Programmierbare Steuerung von Simulationen

Programmierbare Steuerung von Simulationen

Aus der Notebook-Umgebung von Mathematica heraus ist die komplette Kontrolle der SystemModeler-Simulationen möglich. Die Anfangsbedingungen, Parameterwerte und Eingabesignalfunktionen lassen sich programmieren. Verschiedenen Simulationen über Gruppen von Parameterwerten werden automatisch parallel ausgeführt.

Beispiele:
Aktive Dämpfung » | Hüpfende Bälle » | Insulinsignal »

Optimierung und Design

Optimierung und Design

Mit Mathematica kann die Planung der Geometrie von dreidimensionalen mechanischen Systemen durchgeführt oder gleichungsbasierte eigene Komponenten erzeugt werden. Sobald ein Modell mit dem SystemModeler zusammengebaut wurde, kann Mathematica dazu verwendet werden, optimale Modellparameter zu finden. Ebenso können eigene Benutzerumgebungen für die manuelle Untersuchung, numerische Versuche oder feinere Abstimmungen durchgeführt werden.

Beispiele:
Bagger » | Aktive Dämpfung »

Analyse von Modellen und Gleichungen

Analyse von Modellen und Gleichungen

Modellgleichungen und Eigenschaften sind von Mathematica aus zugänglich und können mit Hilfe der symbolischen Mathematikfunktionen zur Analyse von Systemgleichungen wie dem Auffinden von geschlossenen Lösungen, der Untersuchung von Näherungslösungen oder der Lösung für optimale oder spezielle Parameterwerte verwendet werden. Ebenso können beschränkte oder unbeschränkte Suchen zur Auffindung von Gleichgewichtszuständen durchgeführt werden.

Beispiele:
Voll durchmischter Faulbehälter » | Aktive Dämpfung »

Entwurf von Regelsystemen

Entwurf von Regelsystemen

Mathematica enthält umfassende Features für Regelsysteme mit Stabilitäts- und Frequenzanalyse, Visualisierung und Reglerdesign. SystemModeler-Modelle können automatisch so linearisiert werden, dass sie den Zustandsräumen für linear zeitinvariante Systeme in Mathematica entsprechen. Die Verwendung von numerischer Linearisation von Modellen oder die Beibehaltung benannter Parameter zur weiteren symbolischen Analyse sind ebenso möglich.

Beispiele:
LEGO Segway » | Satellit »

Volle Funktionalität von Mathematica

Volle Funktionalität von Mathematica

Die Modellgleichungen und Simulationsergebnisse des SystemModelers sind von Mathematica aus vollständig zugänglich und können ohne weitere Bearbeitung oder Konvertierung mit den Algorithmen für symbolische oder numerische Mathematik weiterverwendet werden. Mathematica eignet sich mit seinen umfangreichen Statistikfunktionen, leistungsstarken Werkzeugen zur Datenanalyse, anpassbaren Grafiken und automatisch hinzugefügter Interaktivität hervorragend für die Modellanalyse.

Mehr:
Mathematica Features »

Modellkalibrierung

Modellkalibrierung

Freie Parameter werden durch Modellkalibrierung an Daten der realen Welt angepasst. Durch Simulationen des SystemModelers mit Mathematica können Parameterräume untersucht werden. Mit Hilfe der Optimierungsfunktionen von Mathematica werden die besten Anpassungswerte gefunden, die in den Modellen des SystemModelers weiterverwendet werden können.

Beispiele:
Wasserkocher »

Sensitivitätsanalyse

Sensitivitätsanalyse

Modelle können simuliert und die Sensitivität von Systemvariablen unter Berücksichtigung festgelegter Parameter ermittelt werden. Das zeichnen von Sensitivitätsfrequenzbändern ist integriert. Mit der Integration von Mathematica lässt sich herausfinden, welche der relevanten Parameter leicht reagieren oder welche Parameter den größten Einfluss auf das Systemverhalten haben.

Beispiele:
Insulinsignal »

Grafische Darstellung und eigene Visualisierungen

Grafische Darstellung und eigene Visualisierungen

Variablen und Empfindlichkeitsbereiche können direkt mit den Simulationsergebnissen grafisch dargestellt werden. Die Simulationsergebnisse des SystemModelers werden in einem Standardformat für Interpolationsfunktionen ausgegeben und können direkt durch die Visualisierungsfunktionen von Mathematica genutzt werden. Eigene angepasste Grafiken, Animationen und Benutzeroberflächen sind ebenso möglich.

Beispiele:
Satellit » | Hüpfende Bälle »

Berechenbare Daten

Berechenbare Daten

Modelica-Modell-Dateien sowie gespeicherte Simulationsergebnisse des SystemModelers können direkt in Mathematica importiert werden. Neben dem Im- und Export der über hundert nativ von Mathematica unterstützten Datenformate können die Eingabedatenformate von Modelicas Standardbibliothekskomponenten genutzt werden. Durch die programmiertechnische Einbindung von Wolfram|Alphas umfangreicher Datensammlung zu Wetter, Erdbeben, Gezeiten und weiteren Fachgebieten werden Simulationen unter realistischen Bedingungen durchgeführt. Grafiken und Animationen können in den gängigsten Bild- und Multimediaformaten exportiert werden.

Beispiele:
Hausheizung » | Antriebssystem » | Wasserkocher »

Notebook-Umgebung

Notebook-Umgebung

Die Mathematica-Umgebung wurde entworfen, um die Untersuchung und Analyse so effizient wie möglich zu gestalten. Jeder in ein Mathematica-Notebook eingegebene Befehl erzeugt automatisch einen Bericht, der mit Kollegen geteilt oder für zukünftige Verbesserungen genutzt werden kann. Notebooks kombinieren Quellcode, Daten, beschreibenden Text, Funktionsgraphen, Grafiken und interaktive Elemente in einem plattformunabhängigen Dokument im Computable Document Format (CDF).

Beispiele:
Hüpfende Bälle » | Aktive Dämpfung »

Mehr:
Computable Document Format (CDF) »

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