多領域物理統一建模語言MODELICA與MWORKS系統建模（簡體書）

本書概括了系統建模仿真的發展歷史，淺顯易懂地介紹了Modelica語言的基礎知識和高級特性，並對MWorks建模仿真平臺的功能做了詳盡的講解。 本書彙聚了MWorks開發團隊十多年的研發經驗，對Modelica和多領域建模知識有著全面且深刻的解釋，內容涵蓋了模型、變量、方程、算法、函數等語言基礎知識，結合示例講解了初始條件設置、模型重用和事件等高級特性。在建模仿真方面，本書全面講解了MWorks基礎環境、高級特性、工具箱和接口的使用方法，有些高級特性是開發健壯模型的關鍵知識點，比如“外部資源的使用”，對工程建模人員掌握建模知識起到很好的幫助作用。 本書力求嚴謹全面，並強調實踐操作，可作為Modelica語言和MWorks系統建模仿真平臺的教學參考書，也可供相關高校師生或科研工程人員參考。

陳立平

華中科技大學機械學院教授/博士生導師，華中科技大學國家CAD支撐軟件工程技術研究中心（武漢）（CAD中心）主任，浙江大學CAD&CG國家重點實驗室學術委員，民用飛機模擬飛行國家重點實驗室學術委員，獲2004教育部新世紀優秀人才計劃資助。近十年來主持多層次科研項目？二十餘年來，在幾何約束求解、多體系統動力學、多領域建模分析等數字化設計支撐技術方面進行研究，承擔了國家自然基金、863及企業合作等多層次項目。研發的幾何約束求解引擎及計算機繪圖系統InteCAD得到廣泛應用。？十餘年來，密切關注複雜機電系統建模分析與優化技術發展，在多領域物理建模理論方面進行了深入研究，提出多領域約束融合理論，獲2006年自然基金資助，在國內率先研究了多領域物理建模規範語言modelica,承擔2006年863目標導向項目2006AA04Z162《基於多領域物理建模的複雜產品協同仿真平台》並組織研發多領域物理建模與仿真係統MWorks v1.6（獲知識產權）。2009主持《機械系統動力學CAE平台》獲得國家863重點項目資助（2009AA044501）。作為亞太地區第一個基於modelica的建模分析平台，Mworks在維也納MODELICA 2006大會上受到國際同行關注和肯定。十年來，在計算機學報、軟件學報、CAD及AMT、Computer&Struct.及Structural&Multidisplinary Optimization等國內外重要學刊上發表論文90餘篇。？經過十多年的深入研究，目前已開發出亞洲唯*的多領域物理統一建模平台Modelica/MWorks3.0，在國內航空、航天、汽車、工程機械行業得到應用。

21世紀以來，工業軟件成為製造業數字化、網絡化、智能化的基石，是新一輪工業革命的核心要素。由陳立平、周凡利、丁建完、郭俊峰等領銜編著的《多領域物理統一建模語言Modelica與MWorks系統建模》從多個方面闡述了工業軟件不同於普通軟件，它是工業創新知識長期積累、沉澱並在應用中迭代進化的工具化產物。工業軟件是典型的軟裝備，是高端工業裝備的“魂魄”和“大腦”，而目前工業軟件，特別是研發設計類的工業軟件有95%是被國外所壟斷的，沒有工業軟件，所有高端裝備將“喪魂失魄”。工業軟件是中國製造實現“數字化、網絡化、智能化”的基礎，沒有自主的工業軟件，中國製造將是無根之木、無源之水。陳立平、周凡利、丁建完、郭俊峰等人秉承以為“中國智造”提供自主可控核心工業軟件為企業使命，以中國裝備製造業的產品創新研製為源頭需求，堅守初心，歷時18年，自主研發，不斷完善並掌握新一代數字化設計核心技術——多領域物理統一建模和系統仿真技術，希望進一步為中國工業提供國*領先、自主可控的新一代工業智能化設計平台及應用服務。MWorks由工業需求驅動，從單純的系統仿真軟件發展成為兼具設計與仿真能力的平台——同元系統智能設計與仿真驗證平台MWorks。相信這本書對中國工業軟件的發展及多領域物理統一建模語言Modelica的推廣具有積極的指導意義。

21世紀以來，以德國工業4.0為代表的技術力量掀起了新一輪工業革命。德國工業4.0採用全新的語境：工業、系統、軟件、模型、標準，強調軟件是工業的未來，並指出未來的工業軟件必須採用基於模型的理論、方法和工具，為此必須創新發展新一代數字化設計技術。基於統一模型規範Modelica的全系統建模、分析、仿真優化及軟件自動生成技術已成為國際智能係統與產品設計研發技術的重要創新方向，是新一輪工業革命的設計技術制高點，歐美髮達國家正籍此構築新的技術壁壘，對此，我們必須有所為。2018年以來，由於眾所周知的事件，引發了國人對自主核心技術的廣泛焦慮和深入思考，“缺芯少魂”是製約我國工業安全可靠、創新發展的“卡脖子問題”。Modelica是國際工業系統應用軟件標準、規範、技術和生態的創新發展方向，目前國外有大量的Modelica建模仿真工具以及Modelica資料，但國內相關的工具和資料寥寥無幾。本書的面世在一定程度上解決了這個問題，通過對本書的學習，讀者可以提高對Modelica認識和使用，並利用國內團隊自主研發的建模仿真平台MWorks.Sysplorer搭建Modelcia模型解決實際工程問題。本書從系統仿真、Modelica規範和MWorks應用等三個層面，循序漸進地介紹了Modelica和MWorks的理論方法和實踐步驟。全書共分為八章，內容如下： 第1章主要講述了系統建模的發展歷程，從中引出了系統建模與仿真語言Modelica和系統建模仿真平台MWorks.Sysplorer。第2章結合示例對Modelica語言的語法進行詳細的講解。初學者讀完本章內容就能用Modelica語言進行建模。第3章至第7章為MWorks.Sysplorer功能的詳細介紹。第3章通過三個簡單案例幫助讀者快速了解MWorks.Sysplorer從建模、仿真到結果分析的運行過程。第4章詳細介紹了MWorks. Sysplorer操作面板與上下文菜單中的功能含義及其使用方法。第5章為第4章的進階篇，介紹了MWorks.Sysplorer中較為高級的特性，如單位檢查與推導、外部資源使用說明、外部資源函數調試指南、仿真數據文件等，這些特性的使用方法較為複雜，能夠滿足系統建模與仿真過程中的一些高級需求。第6章介紹了模型發布、二維動畫、三維動畫、頻率估算、模型標定、參數分析、模型優化、分佈式顯示和3D模型外部文件格式轉換等工具箱的用途以及使用方法。第7章介紹了平台的命令接口和FMI、S-Function、Veristand以及多體導入等導入/導出接口。第8章介紹了MWorks.Sysplorer的安裝配置過程，對配置時常見問題給出解決方法。本書是蘇州同元軟控信息技術有限公司十多年來MWorks研發和工程實踐的經驗積累和技術結晶。蘇州同元軟控信息技術有限公司自創立以來，在國家科技部863計劃先進製造領域的支持下，牢記使命、不忘初心，堅持“基礎創新、源頭把握、高端切入、國際比肩、共贏未來”，潛心耕耘，砥礪探索，自主研發，從初自研的Modelica編譯求解內核MWorks，發展出MWorks.Sysplorer、MWorks.Sysbuilder和MWorks. Syslink等系列平台工具，在多個航空、航天、核動力等重大工程中得到了考驗和進化。希望本書的出版，能夠進一步推動Modelica語言和國產自主研發軟件MWorks在工業界的應用，吸引更多有識之士加入國產自主軟件的開發大潮中，為“製造大國”向“智造大國”的轉型貢獻綿薄之力。本書總結、歸納MWorks研發、工程團隊大量技術和應用素材，由陳立平教授總體策劃，由周凡利、丁建完和郭俊峰並主筆完成。衷心感謝同事楊濤對全書做了細心的勘誤校對，感謝華中科技大學出版社周芬娜編輯對出版工作提供了專業細緻的指導。由於本書篇幅大、內容多，書中錯誤和不妥之處在所難免，敬請專家、同仁及讀者批評指正。十年磨利劍，後向2008年以來矢志不渝打造MWorks的諸位同事一併表示由衷敬意和衷心感謝。作者2019年9月

第1章緒論1 1.1 什麼是系統1 1.2 什麼是系統建模1 1.3 系統建模發展概述3 1.4 系統建模與仿真語言Modelica 8 1.5 系統建模仿真平台MWorks.Sysplorer 15 第2章Modelica語言基礎25 2.1 模型要素25 2.2 建模功能29 2.3 方程37 2.4 算法43 2.5 數組48 2.6 函數58 2.7 模型初始條件70 2.8 模型重用72 2.9 高級特徵79 2.10 術語表88 第3章MWorks.Sysplorer入門93 3.1 簡單示例93 3.2 創建新模型97 第4章MWorks.Sysplorer基礎環境110 4.1 概述110 4.2 模型瀏覽器118 4.3 圖形視圖131 4.4 文本視圖154 4.5 組件瀏覽器159 4.6 組件參數面板167 4.7 組件變量面板171 4.8 輸出面板172 4.9 仿真瀏覽器174 4.10 曲線窗口184 4.11 幫助窗口197 4.12 CMD命令行201 4.13 環境定制209 4.14 鍵盤快捷鍵226 第5章MWorks.Sysplorer高級特性230 5.1 單位檢查與單位推導230 5.2 外部資源使用說明236 5.3 外部函數調試指南239 5.4 仿真數據文件253 第6章MWorks.Sysplorer工具箱256 6.1 模型發布256 6.2 二維動畫263 6.3 三維動畫286 6.4 頻率估算293 6.5 模型標定305 6.6 參數分析323 6.7 模型優化350 6.8 分佈式顯示390 6.9 3D模型外部文件格式轉換398 第7章MWorks.Sysplorer接口410 7.1 命令接口與選項索引410 7.2 FMI 442 7.3 S-Function 447 7.4 Veristand 460 7.5 多體導入464 第8章MWorks.Sysplorer安裝配置487 8.1 概述487 8.2 安裝MWorks.Sysplorer 487 8.3 配置使用許可(License) 495 8.4 卸載MWorks.Sysplorer 507 8.5 MWorks.Sysplorer運行配置509 8.6 常見問題與解決方案513 參考文獻518

1.4 系統建模與仿真語言Modelica 如前所述，物理系統建模經歷了從單一領域獨立建模到多領域統一建模、連續域或離散域分散建模到連續-離散混合建模、過程式建模到陳述式建模、結構化建模到面向對象建模的發展階段。進入21世紀以來，以多領域統一建模、連續-離散混合建模、陳述式非因果建模、面向對象建模為典型特徵的直接物理建模支持已經成為建模與仿真領域的重要發展方向，對於CAE技術產生深遠影響。Modelica是一個開放的面向對象的物理系統多領域統一建模規範，基於廣義基爾霍夫網絡表示和廣義基爾霍夫定律提供了全面的物理建模能力。Modelica支持面向對象建模、多領域統一建模、非因果陳述式建模及連續-離散混合建模。Modelica自1997年誕生以來發展迅速，目前已經成為物理系統多領域統一建模的事實標準。1.4.1 Modelica發展歷程Modelica發展迅速，語言規範和標準庫更新了系列版本，主要包括Modelica語言規範(MLS，modelica language specification)和Modelica標準領域庫(MSL，modelica standard library)，由Modelica協會負責維護，其發展歷史如表1-3和表1-4所示，在Modelica授權協議下可以自由使用。經二十年的發展，憑藉語言本身的許多優良特性，Modelica語言已然成熟，得到了業界的廣泛認可，其應用研究發展迅猛，已經成為事實上的複雜物理系統建模語言標準。