Dymola: Umgebung zur objekt-orientierten Modellierung physikalischer Systeme

Kurzbeschreibung

Es handelt sich dabei um eine Modellierungsumgebung, die es erlaubt, Hardwarekomponenten physikalischer Systeme direkt auf entsprechende Softwarekomponenten abzubilden.

Elmqvist erkannte als erster, dass es dabei keinen Unterschied zwischen Ein- und Ausgabeparametern solcher Objekte geben darf. Die Richtung des Informationsflusses darf erst während der Übersetzung des Modells auf Grund der Einbettung der Modellkomponenten bestimmt werden.

Dymola/Modelica wurde unterdessen zur besten und flexibelsten Modellierungsumgebung für die Beschreibung physikalischer Prozesse, die auf dem Softwaremarkt erhältlich ist.

Historische Entwicklung

• Im Jahre 1978 stellte Hilding Elmqvist eine erste Version von Dymola im Rahmen seiner Dissertation vor. Es handelte sich dabei um eine rein alphanumerische Sprachdefinition, welche die Grundlage zur heutigen Modellierungssprache Modelica bildet. Eine erste Version des Dymola Compilers war in Simula 68 entwickelt worden. Diese Version wurde aber schon bald durch eine Version ersetzt, die in Pascal kodiert war. Der Compiler übersetzte Dymola Modelle nach Simnon, einer Simulationsumgebung, die Elmqvist 1975 als Teil seiner MS Thesis entwickelt hatte.

• Im Jahre 1981 entwickelte Hilding Elmqvist eine erste Version einer Graphik-Oberfläche zur graphischen Beschreibung physikalischer Systeme. Die Graphikmodule wurden auf Dymola abgebildet. Elmqvist war überzeugt davon, dass die graphische Beschreibung einfacher zu verwenden wäre, da diese zweidimensionale Verknüpfungen ermöglicht, während eine alphanumerische Beschreibung notgedrungenerweise eindimensional sein muss. Die vorgeschlagene Graphik-Oberfläche war allerdings damals noch nicht sinnvoll einsetzbar, da sie zu viele Resourcen verschlang. Die Computer jener Zeit waren noch nicht reif für diese Entwicklung.

• Nachdem Elmqvist 1984 in die Industrie abgewandert war, begann ich 1986, Dymola mit meinen Studenten weiter zu entwickeln. Insbesondere entwickelten wir neue Übersetzungsmodule, welche Dymola Modelle auf die Simulationssprachen Desire und ACSL abbildeten. Diese Module wurden im Auftrag der NASA entwickelt.

• Im Jahre 1991 publizierte ich das Buch Continuous System Modeling [1], in welchem Dymola eine zentrale Rolle zugewiesen wird. Dieses Buch überzeugte Hilding Elmqvist, seine Stelle in der Industrie aufzugeben und stattdessen eine eigene Firma, Dynasim AS, zu gründen, deren Aufgabe es sein würde, Dymola weiter zu entwickeln.

• Ein ungelöstes Problem war die symbolische Behandlung algebraischer Schleifen sowie struktureller Singularitäten, welche bei der Kopplung von Dymola Modellen häufig auftreten. Dieses Problem wurde von Elmqvist 1992 gelöst. Dies führte zur Publikation [2].

• Im Sommer 1992 arbeitete ich bei der Deutschen Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. Dieser Aufenthalt führte zu einer engen und sehr fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen Hilding Elmqvist (Dynasim), Martin Otter (DLR) und mir. In der Folge finanzierte die DLR nahmhaft die Weiterentwicklung von Dymola. So wurde zunächst eine Schnittstelle zur Simulationsumgebung DSblock der DLR entwickelt, welche die Grundlage zur heute verwendeten Simulationsumgebung Dymosim bildet.

• 1993 wurde die Dymola Modellierungsumgebung um Sprachelemente zur Modellierung diskontinuierlicher Prozesse erweitert, welche die Modellierungskonzepte, welche in der Modellierungsumgebung COSY vorgeschlagen worden waren, ersetzte und verbesserte [3]. Gleichzeitig wurde eine neue Version des Compilers erstellt, welche nun in C kodiert ist.

• 1994 wurde die symbolische Behandlung algebraischer Schleifen durch das Einführen von Schneidevariablen verbessert. Gleichzeitig wurden Sprachelemente zugefügt, die es erlauben sollten, vektorielle Prozesse, wie sie zum Beispiel bei Mehrkörperproblemen in der Mechanik auftreten, in Matrizenschreibweise ähnlich wie in Matlab beschreiben zu können.

• Ebenfalls 1994 kam eine neue Graphik-Oberfläche dazu, die zunächst Dymodraw genannt wurde. Im Gegensatz zur früheren Entwicklung von 1981 war Dymodraw durchaus anwendbar. Allerdings waren die Werkzeuge zur Erstellung graphischer Objekte noch sehr mangelhaft, d.h. graphische Objekte konnten zwar bereits bequem angewandt aber nicht entwickelt werden. Der Graphik-Compiler wurde in C++ geschrieben.

• 1995 wurde die Effizienz der Simulationsprogramme wesentlich durch die Einführung des DASSL Integrationsverfahrens sowie durch das neue Konzept des "Inlining", d.h. des Zusammenfügens der Integratorgleichungen mit den Modellgleichung vor der symbolischen Vorverarbeitung des resultierenden differential-algebraischen Gleichungssystems, verbessert [4].

• 1996 wurde die symbolische Vorverarbeitung um einen weiteren Algorithmus, das "Relaxing" von linearen Gleichungssystemen, erweitert. Dabei handelt es sich um eine symbolische Variante des Gauss'schen Austauschverfahrens [5].

• Ebenfalls 1996 begann eine Überarbeitung der nunmehr 18 Jahre alten Modellierungssprache Dymola. Die neue Sprache wurde Modelica genannt, und deren Sprachdefinition wurde als Public Domain erklärt. Da der Name Dymola jetzt frei geworden war, wurde von nun an die Graphik-Oberfläche als Dymola bezeichnet. Im Jahr 2003, Dymola Version 5 wurde fertifgestellt. Die neue Version von Dymola verfügte über eine völlig neu entwickelte graphische Schnittstelle, welche nun voll ausgereift war, und in welcher auch neue graphische Objekte elegant und zuverlässig entwickelt werden können.

• 1997 wurde ein Standardisierungskomitee gebildet, welches die Sprachdefinition von Modelica vorantreiben sollte. An diesen Arbeiten konnte ich mich leider nicht mehr direkt beteiligen, da dies 2-3 Europa-Reisen pro Jahr, meistens während der Vorlesungsperioden, bedingt hätte, was ich nicht verantworten konnte.

• Ebenfalls stellte ich bereits 1993 meine eigenen Arbeiten am Compiler von Dymola ein, da ich mit der Gruppe von Elmqvist weder konkurrieren wollte noch konnte. Ich konzentrierte mich in der Folge auf eine Aufgabe, die ich weit besser mit meinen Studenten bewältigen konnte, nämlich die Entwicklung von Dymola/Modelica Bibliotheken, wie z.B. BondLib .

Wichtigste Publikationen

1. Cellier, F.E. (1991), Continuous System Modeling, Springer-Verlag, New York.

2. Cellier, F.E., and H. Elmqvist (1993), Automated Formula Manipulation Supports Object-Oriented Continuous-System Modeling, IEEE Control Systems, 13(2), pp.28-38.

3. Elmqvist, H., F.E. Cellier, and M. Otter (1993), Object-Oriented Modeling of Hybrid Systems, Proc. ESS'93, SCS European Simulation Symposium, Delft, The Netherlands, pp.xxxi-xli.

4. Elmqvist, H., M. Otter, and F.E. Cellier (1995), Inline Integration: A New Mixed Symbolic/Numeric Approach for Solving Differential-Algebraic Equation Systems, Proc. ESM'95, SCS European Simulation MultiConference, Prague, Czech Republic, pp.xxiii-xxxiv.

5. Otter, M., H. Elmqvist, and F.E. Cellier (1996), "Relaxing" - A Symbolic Sparse Matrix Method Exploiting the Model Structure in Generating Efficient Simulation Code, Proc. Symposium on Modelling, Analysis, and Simulation, CESA'96, IMACS MultiConference on Computational Engineering in Systems Applications, Lille, France, vol.1, pp.1-12.

Sponsoren

• NASA
• Deutsche Luft- und Raumfahrt

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