《MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證》全套教學課件

MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證1.緒論2.MWORKS平臺介紹3.系統(tǒng)建模仿真環(huán)境MWORKS.Sysplorer4.控制策略建模環(huán)境MWORKS.Sysblock5.科學計算環(huán)境MWORKS.Syslab6.汽車工具箱7.車載控制器應用（北航）8.展望全套可編輯PPT課件MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第1篇概述1.緒論1.1汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀新能源汽車的崛起新能源汽車是汽車行業(yè)的發(fā)展方向之一，包括純電動車、混合動力車等，受到政府政策的支持和消費者需求的推動。智能化和互聯(lián)網(wǎng)化智能化和互聯(lián)網(wǎng)化是汽車行業(yè)的另一個發(fā)展方向，包括車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、智能交通等。共享經(jīng)濟共享經(jīng)濟的興起也正在影響汽車行業(yè)的發(fā)展，如汽車共享、拼車等，符合年輕一代的消費觀念。車輛安全和環(huán)保車輛安全和環(huán)保問題也越來越受到關注，汽車制造商將不斷提升車輛的安全性能和節(jié)能環(huán)保性能。當前，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷巨大的轉型和變革，主要包括以下幾個方面：1.1.1汽車市場需求1.1汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀針對上述問題，系統(tǒng)建模與仿真技術通過虛擬測試與驗證，可以降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性；可以對設計方案與性能進行優(yōu)化，并支持復雜系統(tǒng)集成，以應對多樣化需求，從而促進智能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。影響或滯緩智能汽車產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展的主要原因有以下四點：1.1.1汽車市場需求01020304用戶體驗帶來的復雜度提升技術進步帶來的復雜度提升競爭帶來的堆料、堆配置、各種選配等模式導致汽車配置多樣性、復雜度快速增長監(jiān)管和法規(guī)帶來的復雜度提升1.2系統(tǒng)仿真軟件1.2.1仿真發(fā)展歷史“仿真”一詞最早出現(xiàn)于20世紀50年代，并與計算機一詞共同使用，當時被稱為計算機仿真。90年代初，美國國防部將“計算機仿真”更新為“建模與仿真”來強調(diào)建模的重要性。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，仿真技術已經(jīng)日漸成熟，并經(jīng)常用于解決各個學科中比較復雜的問題。1234物理仿真階段很久以前—1940年20世紀40—50年代模擬仿真階段數(shù)字仿真階段虛擬仿真階段20世紀60—70年代20世紀70年代—今天1.2系統(tǒng)仿真軟件1.2.2多領域建模語言ModelicaModelica

技術背景1Modelica

介紹2Modelica

特點31.2系統(tǒng)仿真軟件1.2.3基于Modelica

的系統(tǒng)仿真軟件基于Modelica的多領域統(tǒng)一建模方法為復雜機電產(chǎn)品設計、分析與優(yōu)化奠定了基礎，目前在歐洲、美國、加拿大、中國、日本等國家和地區(qū)研究發(fā)展迅猛，市場上已有成熟的軟件工具，國外軟件的代表有Dymola和SimulationX，在中國，最成熟的基于Modelica的系統(tǒng)仿真軟件是MWORKS.Sysplorer。這些軟件已在航空航天、汽車、電力等領域的仿真中得到了廣泛應用，德國航空航天中心、中國航天、商飛、核動力院、福特、豐田、寶馬等均已開始采用Modelica語言進行多領域系統(tǒng)的工程化仿真應用。MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第1篇概述2.MWORKS平臺介紹2.1平臺設計理念小回路設計驗證閉環(huán)1大回路設計驗證閉環(huán)2數(shù)字孿生虛擬閉環(huán)3行業(yè)裝備數(shù)字化工程支撐平臺。開放、標準、先進的計算仿真云平臺。采用基于模型的方法全面支撐系統(tǒng)研制，通過不同層次、不同類型的仿真實現(xiàn)系統(tǒng)設計的驗證。全面提供MATLAB/Simulink同類功能并大力創(chuàng)新的新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺。2.2平臺構成系統(tǒng)級產(chǎn)品MWORKS平臺由三大系統(tǒng)級產(chǎn)品及系列擴展工具箱和模型庫組成系統(tǒng)建模仿真環(huán)境MWORKS.Sysplorer控制策略建模環(huán)境MWORKS.Sysblock科學計算環(huán)境MWORKS.Syslab工具箱函數(shù)庫

MWORKS.Function模型庫

MWORKS.Library應用工具MWORKSAPP2.3行業(yè)應用MWORKS平臺支持復雜裝備系統(tǒng)全生命周期研發(fā)活動（系統(tǒng)設計、仿真驗證、虛擬試驗、運行維護等），為大飛機、航空發(fā)動機、嫦娥工程、空間站、火星探測、核能系統(tǒng)、船舶動力等重大型號工程提供了完全自主的系統(tǒng)級數(shù)字化設計與仿真平臺和技術支撐。平臺的發(fā)展根植于中國工業(yè)和中國創(chuàng)新，基于普適理論開發(fā)且經(jīng)過了中國航天、航空、車輛等行業(yè)中的大批量、大規(guī)模、高標準的工業(yè)應用驗證和考驗。2.3行業(yè)應用2.3.1航天領域——航天器多領域模型開發(fā)及綜合集成虛擬試驗針對規(guī)模龐大的空間站系統(tǒng)，基于Modelica建模語言在MWORKS平臺中建立了空間站核心艙、試驗艙Ⅰ和試驗艙Ⅱ的動力學與控制、能源、環(huán)熱控、推進、信息、數(shù)管、測控七個分系統(tǒng)模型，覆蓋總體、分系統(tǒng)、關鍵單機設備，分別對分系統(tǒng)典型工況進行仿真分析，并集成了空間站單艙、兩艙一字型、三艙T字形全系統(tǒng)綜合模型，對交會對接、轉位等場景進行分析驗證，實現(xiàn)了空間站系統(tǒng)級、全邊界、全工況的分析驗證。2.3行業(yè)應用2.3.2航空領域——起落架機液耦合建模與收放故障影響分析采用MWORKS.Sysplorer建立了某型號飛機的前起落架液壓機械系統(tǒng)耦合模型、艙門氣動載荷模型、迎風阻力模型等關鍵多領域模型，進行起落架等效載荷計算、各載荷敏感性分析、液壓系統(tǒng)結構驗證及參數(shù)標定，完成起落架系統(tǒng)實景仿真、關鍵液壓元件特性仿真分析。2.3行業(yè)應用2.3.3汽車領域——乘用車動力性和燃油經(jīng)濟性分析針對乘用車動力性和燃油經(jīng)濟性分析需求，采用Modelica協(xié)助企業(yè)建立了自主可控的整車動力性和經(jīng)濟性分析模型庫，提供百公里加速、固定擋加速、循環(huán)工況、坡道起步、自定義等多工況分析。MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真3.系統(tǒng)建模仿真環(huán)境MWORKS.Sysplorer3.1系統(tǒng)建模環(huán)境系統(tǒng)建模環(huán)境基于Modelica多領域統(tǒng)一建模標準規(guī)范，具備對系統(tǒng)建模能力，適用于多專業(yè)耦合和連續(xù)離散混合的復雜工程系統(tǒng)建模，提供文本、圖標、組件、說明、引用等視圖，支持不同形式的Modelica建模手段，并提供本地模型（庫）管理功能。基于Modelica語言的系統(tǒng)建模環(huán)境，提供智能文本建模、拖放式建模、向導式建模等多種可視化建模方式，實現(xiàn)可視化模型與Modelica代碼的自動互轉與一致性自動維護，如圖所示，實現(xiàn)建模過程中的圖文交互。3.2模型庫3.2.1Modelica

標準模型庫目前，Modelica標準模型庫最新版本為4.1.0-beta.1，MWORKS.Sysplorer支持該庫4.0及以下的所有版本。Modelica

標準庫是由ModelicaAssociation開發(fā)和維護的一個開源庫，為建模和仿真提供了豐富的工具和組件。該庫涵蓋了多個領域，包括機械、電氣、熱力學、流體力學、控制系統(tǒng)等，并提供了各種模型和函數(shù)，使用戶能夠快速搭建復雜的系統(tǒng)模型。在機械方面，該庫包括一維和三維的機械組件，如彈簧、阻尼器、慣性體等，能夠描述各種機械系統(tǒng)的動態(tài)行為。在電氣方面，該庫提供了模擬和數(shù)字電路元件、電機、發(fā)電機等模型，用于為各種電氣系統(tǒng)建模。磁性組件用于為磁性系統(tǒng)的行為建模。熱力學組件則可以描述熱傳導、傳熱等現(xiàn)象。在流體力學方面，該庫包括各種管道、閥門、泵等組件，用于為液體和氣體的流動建模。此外，控制系統(tǒng)模型和層次狀態(tài)機也是標準庫的一部分，用于描述系統(tǒng)的控制邏輯和狀態(tài)轉移。除了物理組件，Modelica

標準庫還包括許多數(shù)學函數(shù)和工具函數(shù)，用于進行數(shù)值計算、字符串處理、文件操作等。這些函數(shù)為模型提供了更大的靈活性和功能性。3.2模型庫3.2.2MWORKS車輛模型庫MWORKS車輛模型庫提供了一系列豐富的組件和工具，用于建模、仿真和分析車輛的各種行為。這些行為涵蓋了從車輛的基本動力學特性到復雜的控制系統(tǒng)，使得研究人員和工程師能夠深入理解車輛在不同條件下的行駛和操控性能，從而推動車輛工程領域的發(fā)展和創(chuàng)新。車輛模型庫包括車輛動力學模型庫、車輛動力性經(jīng)濟性模型庫、車輛熱管理模型庫、車輛電子模型庫、車輛電機模型庫和車輛電池模型庫。3.3模型仿真3.3.1常規(guī)設置仿真選項，即設置實例的仿真區(qū)間、輸出區(qū)間、積分算法與結果存儲。切換到仿真標簽頁，點擊，彈出仿真設置對話框，設置模型的仿真開始時間、停止時間，輸出步長、步數(shù)，積分算法、精度與積分步長。常規(guī)標簽頁關鍵詞：開始/停止時間1步長2步數(shù)3算法4精度5積分步長63.3模型仿真3.3.2輸出輸出標簽頁關鍵詞：1存儲事件時刻的變量值結果保留數(shù)目2定期備份仿真結果3仿真結果備份4結果文件備份路徑5生成接續(xù)仿真結果文件63.3模型仿真3.3.3模型翻譯關鍵詞：1參數(shù)估值以便優(yōu)化模型（改善仿真效率）記錄所選的連續(xù)時間狀態(tài)變量2記錄所選的缺省初始條件3輸出指標約減時的微分方程信息4輸出非線性迭代變量及其初值5生成平坦化Modelica代碼到.mof文件6模型翻譯標簽頁3.3模型仿真3.3.4編譯關鍵詞：1平臺已選的編譯器路徑2編譯標簽頁3.3模型仿真3.3.5調(diào)試關鍵詞：1正常的警告信息仿真中的事件2動態(tài)狀態(tài)變量選擇3非線性解4非線性迭代5記錄線性奇異6調(diào)試標簽頁錯誤信息中包含函數(shù)調(diào)用環(huán)境73.3模型仿真3.3.6模式關鍵詞：1獨立仿真實時同步仿真2減速比3模式標簽頁3.4后處理3.4.1仿真瀏覽器關鍵詞：1工具欄搜索框2進度條3示例顯示4上下文菜單5仿真瀏覽器默認?？吭谥鞔翱诘淖筮?，可以根據(jù)需要或者使用習慣調(diào)整到其他合適的位置。仿真瀏覽器以樹的形式顯示模型的編譯結果，列出了模型中的組件層次結構。3.4后處理3.4.2曲線窗口及變量添加與操作關鍵詞：1顯示變量曲線刪除變量曲線2過濾變量3查找變量4保存變量數(shù)據(jù)5曲線窗口用于顯示變量曲線。MWORKS.Sysplorer

中曲線窗口分為y(t)曲線窗口和y(x)曲線窗口，y(t)曲線窗口以時間（time）作為橫坐標（也稱為自變量），而y(x)曲線窗口則以第一次拖入的變量作為橫坐標。變量時間點6保存參數(shù)到模型7選擇顯示單位83.4后處理3.4.3動畫1二維動畫窗口三維動畫窗口23.4后處理3.4.4播放控制1二維動畫窗口交互操作三維動畫窗口交互操作23.4后處理3.4.5游標點擊圖表>曲線工具中的曲線游標，可以控制游標的啟動與關閉。打開曲線游標后，在曲線窗口左上角文本框中顯示游標所在處的所有曲線值。文本框可通過鼠標拖拽的方式移動至曲線窗口內(nèi)的任意位置。3.4后處理3.4.6視圖布局關鍵詞：平鋪2層疊3關閉所有文檔4視圖布局1視圖布局菜單自定義布局53.4后處理3.4.7數(shù)字儀表工具針對系統(tǒng)仿真過程中關鍵參數(shù)實時顯示需求，采用數(shù)字儀表工具，將仿真過程中的數(shù)據(jù)，以數(shù)字儀表動態(tài)呈現(xiàn)。3.4后處理3.4.8三維動畫處理三維動畫工具，主要針對三維多體系統(tǒng)，以3D動畫解決仿真結果動畫數(shù)據(jù)的組織、三維模型生成、模型交互、實時動畫顯示等功能。3.5物理模型的代碼生成MWORKS.Sysplorer

可將圖形化的多領域模型轉換為適應特定目標硬件系統(tǒng)的可執(zhí)行仿真代碼，主要功能包括：1標準C代碼生成目標仿真程序生成23.6自動化腳本建模3.6.1基本命令MWORKS.Sysplorer

命令窗口支持Python界面功能命令、編譯器命令等接口。1命令交互輸入腳本執(zhí)行2命令輸出3數(shù)據(jù)類型說明4關鍵詞：1通過Python編輯器運行腳本文件將Python腳本拖拽到MWORKS.Sysplorer

中23.6自動化腳本建模3.6.2使用方法1默認編碼格式外部GUI調(diào)用23.6自動化腳本建模3.6.3Python腳本導入限制MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真4.控制策略建模環(huán)境MWORKS.Sysblock1AutoInput模塊AutoOutput模塊24.1控制算法建模4.1.1常用模塊Mux（向量構造器）3DeMux（向量解構器）4BusCreator（總線構造器）5BusSelector（總線解構器）6Switch（條件輸出器）7BoolSwitch（布爾條件輸出器）8輸入連接器，用戶可以自行選擇接口的數(shù)據(jù)類型（定點、浮點、布爾量）。輸出連接器，用戶可以自行選擇接口的數(shù)據(jù)類型（定點、浮點、布爾量）。向量構造器，用戶能夠自行設置輸入端口的數(shù)量，最終由一根信號輸出，其數(shù)據(jù)類型必須相等（定點、浮點、布爾量）。向量結構器，用戶能夠自行設置輸出端口的數(shù)量，由一根信號輸入，其數(shù)據(jù)類型必須相等（定點、浮點、布爾量）?？偩€構造器，將輸入端口的數(shù)據(jù)合并成總線進行輸出。BusCreator模塊可將一組輸入元素合并成一條總線。總線解構器，將總線數(shù)據(jù)拆分進行輸出。模型中間的輸入接口與自身閾值進行邏輯比較，比較的結果為真時輸出u1的值，否則輸出u2的值。當u為真時輸出u1的值，否則輸出u2的值，中間接口為布爾類型，其余均為浮點類型。1MathOperation族Discrete族24.1控制算法建模4.1.2計算模塊（1/2）MathOperation庫中的模塊為數(shù)學運算相關的模塊，包含加減乘除模塊、取整模塊，三角函數(shù)相關的模塊、特定的數(shù)學運算函數(shù)模塊。DiscreteTransferFunc（離散傳遞函數(shù)模塊）、Di?erence（計算本次輸入值與上一次輸入值的差）、ZeroOrderHold（零階保持器）、pID_P（比例環(huán)節(jié)）、pID_I（積分環(huán)節(jié)）、pID_D（微分環(huán)節(jié)）、pID_I

ReSet（可重置的積分環(huán)節(jié)）、UnitDelay（將輸入信號延遲一個采樣周期后輸出）、UnitDelayReSet（將輸入信號延遲一個采樣周期后輸出）、Delay（將輸入信號延遲指定的采樣周期后輸出）、TappedDelay（緩存器）、DiscreteTimelntegrator（離散時間積分模塊）、DiscreteTimelntegratorreset（可重置的離散時間積分模塊）計算相關的模塊包含取整模塊、數(shù)學函數(shù)運算模塊、三角函數(shù)模塊等。3Discontinuities族LookUpTable族44.1控制算法建模4.1.2計算模塊（2/2）查表模塊目前支持一維查表和二維查表計算相關的模塊包含取整模塊、數(shù)學函數(shù)運算模塊、三角函數(shù)模塊等。RateLimiter（限變化速率模塊）Relay（輸出在兩個指定值之間切換）Quantizer（離散模塊）DeadZone（死區(qū)模塊）SaturationDynamic（動態(tài)限幅）RateLimiterDynamic（動態(tài)限變化速率）

Backlash（對間隙系統(tǒng)行為進行建模）WrapToZero（如果輸入高于閩值，則輸出為零，否則輸出等于輸入。）DeadZoneDynamic（輸入位于死區(qū)時輸出零。超出死區(qū)時，按起始值或結束值對輸入信號進行偏移。）1LogicOperatorComparator24.1控制算法建模4.1.3邏輯與關系比較模塊DetectFallNegative（檢測越過零點的下降沿）DetectFallNonpositive（檢測越過或抵達零點的下降沿）DetectRiseNonnegative（檢測越過或抵達零點的上升沿）DetectRisePositive（檢測越過零點的上升沿）DetectChange（檢測信號值的變化）DetectDecrease（檢測信號值的下降）檢測信號下降LogicalOperator（邏輯運算符）

BitwiseOperator（對輸入執(zhí)行指定的按位運算）比較兩輸入u1、u2之間的關系，下拉框中可以選擇大于號、等于號、小于號、大于等于號、小于等于號、不等號3信號檢測族DetectIncrease（檢測信號值的增長）檢測信號上升

IntervalTest（檢測輸入值是否在指定區(qū)間IntervalTestDynamic（檢測輸入值是否在指定區(qū)間，區(qū)間值由輸入決定）IsInf（檢查信號是否越界）IsNaN（檢測信號是否為非法數(shù)）1狀態(tài)（State）事件（Event）24.2狀態(tài)機建模狀態(tài)機通過定義狀態(tài)、轉移、事件和動作來描述系統(tǒng)的行為，是一種非常有效的行為建模工具。狀態(tài)機有兩大特點，一是離散的，二是有限的，描述事物的有限狀態(tài)機模型的元素由以下部分組成：動作（Action）3轉移（Transition）4表示系統(tǒng)可能處于的狀態(tài)，可以用方塊或圓形表示。觸發(fā)狀態(tài)轉移的事件，可以用標簽表示。狀態(tài)轉移時執(zhí)行的動作，可以用標簽表示。表示狀態(tài)之間的轉換關系，可以用箭頭表示。1新建包含狀態(tài)機的模型4.2.1使用流程4.2狀態(tài)機建模2編輯狀態(tài)機變量3編輯狀態(tài)4編輯轉移線5執(zhí)行仿真4.2.2狀態(tài)機變量管理器4.2狀態(tài)機建模樹型圖區(qū)域變量列表功能區(qū)變量批量操作4.2.3State狀態(tài)模塊4.2狀態(tài)機建模狀態(tài)組件由狀態(tài)名、內(nèi)部動作語句以及代表初始狀態(tài)的圓形圖元組成。4.2.4轉移線4.2狀態(tài)機建模轉移線用于確定狀態(tài)的轉移關系，并通過轉移條件來約束狀態(tài)的轉移成立條件。4.3.2面板功能介紹4.3數(shù)據(jù)字典參數(shù)數(shù)據(jù)字典的數(shù)據(jù)信息主要存放于兩個表格中，分別對應模型中參數(shù)、信號：通常為需要手動設置的某些調(diào)試常量，一般情況下在仿真\運行過程中不變，是可以根據(jù)需要進行標定的數(shù)據(jù)。信號模型根級輸入輸出端口的變量，通常只需要給定初始值和范圍，其值由系統(tǒng)計算得到。4.3.3使用流程4.3數(shù)據(jù)字典新建字典關聯(lián)字典解綁字典導入數(shù)據(jù)導出數(shù)據(jù)4.4.1信號發(fā)生器模塊庫4.4信號源正弦信號發(fā)生器模塊可以算出正弦信號的輸出波形。正弦信號發(fā)生器1常量信號發(fā)生器2斜坡信號發(fā)生器3階躍信號發(fā)生器4采樣累加器5數(shù)據(jù)源周期性輸出模塊6常量信號發(fā)生器模塊可以產(chǎn)生不定類型常量信號。斜坡信號發(fā)生器模塊用于生成從指定時間和值開始，并且以指定速率發(fā)生變化的上升或者下降的信號。階躍信號發(fā)生器模塊用于生成指定時間內(nèi)兩個定義的電平之間的階躍，如果仿真時間小于階躍時間參數(shù)值，則輸出初值；如果仿真時間大于階躍時間初值，則輸出終值。采樣累加器模塊用于在間隔采樣時間內(nèi)輸出值基于指定值逐步累加的過程。數(shù)據(jù)源周期性輸出器模塊主要用來按一定采樣時間間隔，周期性地按順序輸出源數(shù)據(jù)中的元素。CSV導入模塊可以將用戶硬盤上以“.csv”為擴展名的表格數(shù)據(jù)導入到控制策略模型中作為模型的數(shù)據(jù)輸入4.4.2外部信號導入模塊4.4信號源4.5常用控制算法PID閉環(huán)控制系統(tǒng)模型展示了PID反饋系統(tǒng)在并行模式與串行模式下的對比。4.5.1PID閉環(huán)控制算法4.5常用控制算法狀態(tài)轉移算法模型演示了一種轉移判斷條件的建模方法，即將狀態(tài)執(zhí)行的時間（或次數(shù)）作為轉移的判斷條件。模型中state_index在不同狀態(tài)下分別為1、2、3，其值與狀態(tài)名的數(shù)字后綴相對應。4.5.2狀態(tài)轉移算法4.6嵌入式代碼生成控制器模型的代碼生成與物理模型類似。4.6.1控制器模型的代碼生成4.6嵌入式代碼生成當數(shù)據(jù)字典中變量的存儲類型為“ImportedGlobal”或“ImportedExternPointer”時，模型在生成C代碼時將不會生成此變量的定義語句，具體的：如果相應變量的“文件名”中內(nèi)容填寫了合法的文件名，則模型生成的C代碼中會生成包含此頭文件的指令，否則生成相應變量的前置聲明語句。特別的，“ImportedGlobal”類型的變量會生成變量本身的前置聲明語句，而“ImportedExternPointer”則生成變量指針的前置聲明。4.6.2數(shù)據(jù)字典對生成代碼的影響MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真5.科學計算環(huán)境MWORKS.Syslab5.1交互式編程環(huán)境交互式編程環(huán)境是Syslab的基礎交互模塊，通過資源管理器、代碼編輯器、命令行窗口、工作空間、窗口管理等功能，提供功能完備、強大的交互式編程環(huán)境。5.2解釋與調(diào)試通過將開源Julia編譯器、調(diào)試器，與交互式編程環(huán)境進行集成，形成解釋與調(diào)試運行環(huán)境，支持解釋執(zhí)行、單步調(diào)試、斷點調(diào)試、變量監(jiān)視、調(diào)用堆棧等。5.3函數(shù)庫基礎數(shù)學函數(shù)提供基礎數(shù)學函數(shù)庫，支持初等數(shù)學、線性代數(shù)與矩陣論、隨機數(shù)學、插值、優(yōu)化、數(shù)值積分與微分方程、傅里葉變換及濾波、數(shù)論、稀疏矩陣的相關運算與操作等，支持基礎數(shù)學的統(tǒng)計與分析等。5.3.1基礎數(shù)學5.3函數(shù)庫符號數(shù)學工具箱支持符號計算函數(shù)、符號數(shù)學、圖形相關的操作與分析，可實現(xiàn)符號對象的創(chuàng)建及轉化、符號數(shù)學基本運算、符號方程系統(tǒng)求解、符號表達式的推導、化簡、代換，主要功能包括：符號表達式的運算，符號表達式的復合、化簡，符號矩陣的運算，符號微積分、符號函數(shù)畫圖，符號代數(shù)方程求解，符號微分方程求解等。5.3.2符號數(shù)學5.3函數(shù)庫曲線擬合工具用于將曲線、曲面擬合到數(shù)據(jù)的函數(shù)集與界面UI，包含擬合數(shù)據(jù)預處理、曲線擬合、曲面擬合、樣條構造等功能。5.3.3曲線擬合5.3函數(shù)庫優(yōu)化工具箱可用于求解線性、二次、整數(shù)和非線性優(yōu)化問題，提供了多個函數(shù)，這些函數(shù)可在滿足約束的同時求出可最小化或最大化目標的參數(shù)。具備線性優(yōu)化、二次規(guī)劃和錐規(guī)劃、最小二乘法、非線性優(yōu)化等優(yōu)化功能，可實現(xiàn)基于求解器的優(yōu)化問題設置。5.3.4優(yōu)化與全局優(yōu)化5.4圖形可視化圖形可視化模塊提供豐富易用的后處理可視化功能，包括圖形、圖像、地理圖等函數(shù)庫，提供多個繪圖函數(shù)和多種圖形，提供易用的圖形界面交互，方便用戶直觀操作，交互圖形不僅可以靜態(tài)展示，也支持實時動態(tài)刷新和交互，圖像庫支持讀取、寫入、處理、顯示圖像。5.5Sysplorer雙向集成科學計算環(huán)境Syslab與系統(tǒng)建模環(huán)境Sysplorer之間實現(xiàn)了雙向深度融合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合、接口融合，支持數(shù)據(jù)空間共享、接口相互調(diào)用、界面互操作等，形成新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺。MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真6.汽車工具箱6.1信號與通訊設計工具控制器局域網(wǎng)總線（ControllerAreaNetwork，以下簡稱CAN）協(xié)議打包解包工具產(chǎn)品圍繞將實時CAN數(shù)據(jù)導入MWroks的核心功能，開發(fā)了兩款工具，分別是CANTool

和CANDecode。6.1.1車載CAN/CANFD總線通信工具其中CANTool以工具箱的形式集成到MWORKS中，能夠以讀取DBC文件或者手動編輯信號的方式，提供CAN幀的描述文件信息，通過該描述文件信息生成對應的CANDecode模型。CANDecode模型是一個Modelica模型，根據(jù)描述文件信息，對每個信號，都提供了一個函數(shù)獲取信號的物理值。6.1信號與通訊設計工具內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡（LocalInterconnectNetwork，以下簡稱LIN），是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，是對CAN等其它汽車多路網(wǎng)絡的一種補充，適用于對網(wǎng)絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用。6.1.2車載LIN總線通信工具6.2設計檢查工具控制策略建模規(guī)范檢查工具箱（ControlModelingGuideline，以下簡稱CMG）是一個對MWORKS.Sysplorer控制器模型進行規(guī)范檢查的功能插件。CMG可以依據(jù)既定規(guī)則或者添加的自定義規(guī)則自動掃描模型的合規(guī)性，在模型建立過程的早期發(fā)現(xiàn)模型的設計違規(guī)點，以修正和提升模型質(zhì)量。6.2.1控制策略建模規(guī)范檢查工具箱操作流程1導入模型2打開工具箱3規(guī)則選擇4模型檢查5檢查結果6導出CSV6.2設計檢查工具靜態(tài)代碼檢查工具（StaticCodeCheck，后續(xù)簡稱SCC），依據(jù)C和C++編碼規(guī)則自動掃描代碼對相應規(guī)則的違背，可以在早期的開發(fā)過程用于做缺陷檢測，檢查軟件代碼的編程規(guī)范，分析程序的靜態(tài)結構，對軟件的質(zhì)量進行度量。借助于靜態(tài)測試技術，可以使軟件代碼更加規(guī)范，結構更加清晰。6.2.2代碼靜態(tài)檢查工具箱操作流程1打開工具箱2選擇文件3路徑設置4規(guī)則選擇5結果顯示6導出CSV6.3半物理仿真工具根據(jù)HILExport產(chǎn)品在上述應用場景中應該具有的功能，將其總結歸類分配到后端應該具備的功能和前端應該具備的功能。HILExport產(chǎn)品分為兩個層次：6.3.1半物理仿真接口工具HILExport1前端提供界面讓用戶設置目標系統(tǒng)、設置求解算法和步長、是否導入主函數(shù)、設置輸出文件目錄，以及從模型變量樹中勾選輸入/輸出變量及參數(shù)，在用戶配置完上述信息后生成代碼。2后端支持物理模型代碼生成和數(shù)據(jù)接口代碼生成，并根據(jù)用戶配置的目標系統(tǒng)將相應的求解庫及編譯腳本生成到輸出文件目錄。6.3半物理仿真工具MWORKSRealTime工具箱是對汽車物理模型進行實時仿真控制的工具箱。將一臺計算機（目標機）與實際的控制器連接后，在目標機上以實際工作時的速度運行由MWORKSSysplorer所設計的物理模型，此時目標機充當被控對象的角色，以此來驗證物理模型及控制算法的性能。6.3.2實時仿真工具箱RT相比于使用實際物理對象運行來說，這種方法靈活性更高、可以快速的更改設計方案、監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)，進而根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析改進設計，并且可以驗證一些極端情況下的物理對象及控制算法的性能。MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真7.車載控制器應用（北航）7.1汽車行業(yè)車載控制器軟件開發(fā)流程簡—以Matlab為例為了保證軟件（應用層和底層）開發(fā)的質(zhì)量和效率，當前成熟的ECU軟件開發(fā)都會采用V流程形式。所有工程過程（系統(tǒng)工程和軟件工程）都是按照“V”字模型原理進行組織的：左邊的每個過程與右邊的過程正好對應?；谀Ｐ万寗拥姆椒?，開發(fā)統(tǒng)一的復雜汽車電控單元建模方法論。設計研究V流程下模型表達與需求統(tǒng)一的方法，開發(fā)具有層次結構、并行系統(tǒng)、時間算子和事件的狀態(tài)機建模技術，設計不同系統(tǒng)架構下的電控單元開發(fā)模板等。以實現(xiàn)汽車電控單元的系統(tǒng)架構統(tǒng)一化和規(guī)范化。7.1.1模型驅動的復雜汽車電控單元的統(tǒng)一建模方法論7.1汽車行業(yè)車載控制器軟件開發(fā)流程簡—以Matlab為例7.1.2軟件開發(fā)V流程的實施7.1汽車行業(yè)車載控制器軟件開發(fā)流程簡—以Matlab為例1系統(tǒng)需求分析軟件需求分析2軟件架構設計3軟件單元設計和軟件實現(xiàn)4系統(tǒng)需求需要系統(tǒng)工程師完成?；陧椖康恼w需求及軟硬件整體定義，對系統(tǒng)邏輯架構進行整體定義。軟件需求需要系統(tǒng)工程師完成。系統(tǒng)工程師根據(jù)系統(tǒng)相關方需求說明書、軟硬件接口文件、變更通知書等輸入，梳理定義軟件研發(fā)需求說明書。軟件架構需要架構工程師完成。為了建立清晰、結構化的軟件設計，應該統(tǒng)一分配軟件需求，然后完成軟件架構設計。軟件單元設計需要軟件開發(fā)工程師完成。在此階段，需要對每個組件內(nèi)部的算法邏輯進行詳細的內(nèi)部設計。軟件單元測試5軟件單元測試一般需要軟件開發(fā)工程師完成，也可以讓測試工程師完成。當軟件單元測試通過后，會將軟件編譯成ECU可執(zhí)行的文件。軟件集成測試6總線解構器，將總線數(shù)據(jù)拆分進行輸出。軟件系統(tǒng)測試7系統(tǒng)測試軟件需要測試工程師完成。系統(tǒng)測試與系統(tǒng)需求相對應架構包括架構“要素”，可以被進一步分解到各合適層級上的架構子“要素”。軟件“組件”是軟件架構的最低層級的“要素”，以定義最終的詳細設計。一個軟件“組件”可包含一個或多個軟件“單元”。在V模型右邊的“項”對應到左邊的“要素”（如：軟件“項”可以是對象文件、庫或可執(zhí)行形式）。這可以是1:1或m:n的關系，如：一個項可表示超過一個架構“要素”。7.1.3軟件開發(fā)中的術語7.1汽車行業(yè)車載控制器軟件開發(fā)流程簡—以Matlab為例追溯性和一致性在AutomotiveSPICE3.1PAM是通過兩個單獨的基本實踐來提出。追溯性指的是在工作產(chǎn)品之間存在引用或鏈接，由此可以進一步支持覆蓋率、影響分析、需求實施狀態(tài)跟蹤等。相反，一致性關注內(nèi)容和語義。7.1.4軟件開發(fā)中的追溯性和一致性7.1汽車行業(yè)車載控制器軟件開發(fā)流程簡—以Matlab為例SysplorerEmbeddedCoder（SEC）是Sysplorer專門針對嵌入式C代碼生成場景設計的建模仿真工具。它在Sysplorer環(huán)境中啟動獨立界面，為車載控制器軟件設計者提供了一系列功能。SEC內(nèi)部包含基于因果的框圖式建模和狀態(tài)機建模環(huán)境。7.2.1SysplorerEmbeddedCoder概述7.2基于MWORKSembedded的開發(fā)流程?如圖6所示，這些元素能夠支持基于模型的控制策略設計。這種設計方法允許工程師以圖形化的方式描述車載控制器系統(tǒng)組件之間的因果關系，以及系統(tǒng)狀態(tài)及其轉換規(guī)則，從而實現(xiàn)對控制策略的抽象建模。7.2.2基于MWORKSembedded

開發(fā)流程7.2基于MWORKSembedded的開發(fā)流程?車載控制器開發(fā)的初始階段是系統(tǒng)需求的深入理解和全面分析，需要準確定義車載控制器所需的功能。需求分析和規(guī)劃1系統(tǒng)架構設計2軟件開發(fā)3調(diào)試和驗證4集成和部署5優(yōu)化和維護6在車載控制器系統(tǒng)架構設計中，SEC起到了重要作用。在車載控制器開發(fā)過程中，確定系統(tǒng)架構后，緊接著進入嵌入式軟件的開發(fā)階段。在車載控制器軟件開發(fā)的最后階段，系統(tǒng)調(diào)試和驗證必不可少。經(jīng)過模型代碼生成和驗證的迭代過程，SEC提供了一系列關鍵功能，使得生成的代碼可以靈活地用于集成或直接應用于生產(chǎn)環(huán)境。在持續(xù)的系統(tǒng)運營中，性能優(yōu)化和維護變得至關重要。整車控制器的蠕行轉矩控制算法是一種用于電動汽車或混合動力車輛的控制策略，目的是在低速行駛或停車狀態(tài)下實現(xiàn)精確的速度調(diào)節(jié)，同時最小化能量消耗和提高駕駛舒適性。蠕行轉矩控制是通過調(diào)整電機輸出轉矩來實現(xiàn)車輛緩慢行駛的一種技術。7.3.1算法概述7.3整車控制器蠕行轉矩控制整車控制器的蠕行轉矩控制算法是一種用于電動汽車或混合動力車輛的控制策略，目的是在低速行駛或停車狀態(tài)下實現(xiàn)精確的速度調(diào)節(jié)，同時最小化能量消耗和提高駕駛舒適性。蠕行轉矩控制是通過調(diào)整電機輸出轉矩來實現(xiàn)車輛緩慢行駛的一種技術。7.3.1算法概述7.3整車控制器蠕行轉矩控制整車控制器的蠕行轉矩控制算法通常包含多個模塊，這些模塊協(xié)同工作以實現(xiàn)車輛在低速行駛時的平穩(wěn)控制。7.3.2控制模型架構7.3整車控制器蠕行轉矩控制基本模塊1傳感器模塊2車輛狀態(tài)估計模塊3驅動電機控制模塊4能量管理模塊5駕駛員交互模塊6制動系統(tǒng)控制模塊7安全監(jiān)測模塊MWORKS.Sysplorer支持狀態(tài)機模型建模，SysplorerEmbeddedCoder模型庫中提供的狀態(tài)機模塊支持用戶為控制器搭建狀態(tài)轉移模型，搭建狀態(tài)邏輯方式比傳統(tǒng)編程語言中的嵌套條件分支語句更加高效。7.3.3模型搭建7.3整車控制器蠕行轉矩控制狀態(tài)機模型建模卡爾曼濾波算法卡爾曼濾波（KalmanFilter）是一種用于估計系統(tǒng)狀態(tài)的濾波器，它可以通過觀測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)動力學模型之間的融合來提供對系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計。卡爾曼濾波器在控制系統(tǒng)、信號處理和機器人等領域被廣泛應用。7.3.4參數(shù)裝載7.3整車控制器蠕行轉矩控制在車輛控制系統(tǒng)中，參數(shù)裝載是指將控制算法中使用的參數(shù)從外部源加載到系統(tǒng)中，以便在運行時動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的行為。這樣的設計使得系統(tǒng)更加靈活，能夠適應不同的運行環(huán)境和需求。參數(shù)裝載要點參數(shù)裝載方法1參數(shù)定義2參數(shù)配置文件3參數(shù)讀取4參數(shù)應用5參數(shù)更新1配置文件2命令行參數(shù)3環(huán)境變量4遠程配置5實時調(diào)整6存儲數(shù)據(jù)庫7.3.5代碼生成7.3整車控制器蠕行轉矩控制MWORKS.Sysplorer嵌入式代碼生成器產(chǎn)生的代碼具有以下特點代碼生成選項配置自由度高，支持用戶自定義風格生成的代碼可讀性強，用戶能夠輕易識別并集成模型對應的主要函數(shù)生成的代碼運行效率高，不產(chǎn)生冗余的代碼生成的代碼易于集成，用戶不需要修改生成的代碼，可直接用于工程7.3.6集成測試7.3整車控制器蠕行轉矩控制將基于卡爾曼濾波算法所建立的卡爾曼模型進行封裝并作為單獨的模塊，連接到輸入模塊上，輸入特定的參數(shù)進行仿真，通過仿真結果曲線圖可以觀察到該模塊運行的結果，以及相關算法的運行特點。7.4.1MWORKS車輛電池模型庫7.4鋰離子電池SOC估計TABattery

車輛電池模型庫包括電芯模型、電池模組模型、電池包模型等模型，電芯模型分為電學模塊和熱學模塊。用戶可根據(jù)實際需求搭建不同層級模型（如電芯/電池模組/電池包模型），電池模型庫可與整車模型/熱管理系統(tǒng)模型組合，可應用于純電動/混動車型的各類工況或熱管理仿真分析。7.4.2SOC的DEKF（雙拓展卡爾曼濾波）算法7.4鋰離子電池SOC估計等效電路模型一階等效電路模型原理SOC估計、DEKF方法模型驗證MWORKS系統(tǒng)建模與仿真：汽車系統(tǒng)設計與驗證第2篇MWORKS系統(tǒng)建模與仿真8.展望8.1.1信息物理融合建模8.1新一代工業(yè)軟件展望復雜武器裝備越來越呈現(xiàn)信息物理融合（CPS）特征，既在物理域機、電、液、熱等多領域耦合，又呈現(xiàn)信息域軟件占比越來越高的趨勢，迫切需要在機、電、液等物理域統(tǒng)一建模基礎上，增強信息域建模及信息-物理融合建模能力，從系統(tǒng)級角度進行信息物理融合系統(tǒng)虛擬試驗。“三大數(shù)學軟件”（美國MathWorks公司的MATLAB、美國Wolfram公司的Mathematica、加拿大MapleSoft公司的Maple）和蘇州同元的MWORKS紛紛支持信息物理融合建模仿真。8.1.2一三維融合建模8.1新一代工業(yè)軟件展望復雜系統(tǒng)研制各階段會產(chǎn)生不同粒度的模型，設計早期的一維系統(tǒng)模型求解效率比三維模型仿真高，而設計中后期的三維仿真模型求解精度比一維模型仿真高，復雜武器裝備的詳細方案驗證以及數(shù)字孿生應用中需要綜合一維模型的效率優(yōu)勢和三維模型的精度優(yōu)勢。8.1.3機理數(shù)據(jù)融合建模8.1新一代工業(yè)軟件展望復雜系統(tǒng)中部分工作機理往往難以采用顯性數(shù)字公式全面描述，同時系統(tǒng)模型的參數(shù)受生產(chǎn)制造、運行環(huán)境、工作狀態(tài)等多種因素影響，機理模型與數(shù)據(jù)模型的融合可有效提升模型的置信度。8.2工業(yè)軟件輔助技術發(fā)展展望8.2.1工業(yè)云平臺技術工業(yè)云平臺技術以其強大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的集成性，通過工業(yè)云平臺，企業(yè)可以建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，將各個設計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行集中存儲和管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和流通。從單機軟件到云端軟件的轉變，成功解決了長期困擾企業(yè)的軟件孤島問題。將許可統(tǒng)一部署在云端，不僅可以實現(xiàn)軟件許可的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，更可以使軟件許可的自動調(diào)配成為可能，極大地增強了靈活性，有效避免了資源閑置。軟件上云線上協(xié)同從傳統(tǒng)的線下任務分配模式轉型為線上協(xié)同任務分配模式，是解決軟件人員孤島問題、提升團隊協(xié)作效率的關鍵步驟。通過智能化的任務分配系統(tǒng)，團隊可以快速、準確地根據(jù)成員的能力、工作量和項目需求，對任務進行自動或手動分配。系統(tǒng)能夠實時更新任務的狀態(tài)和進度，每個團隊成員都可以隨時查看任務列表，了解當前的工作進度。數(shù)據(jù)上云數(shù)據(jù)管理從本地離線到線上統(tǒng)籌的轉變，已經(jīng)成為解決軟件數(shù)據(jù)孤島問題的關鍵。數(shù)據(jù)統(tǒng)一線上管理，極大地豐富了企業(yè)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。過去，數(shù)據(jù)散落在各個部門、各個團隊的本地存儲中，難以形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖。而現(xiàn)在，所有數(shù)據(jù)都集中存儲在線上平臺，形成寶貴的數(shù)據(jù)財富。8.2工業(yè)軟件輔助技術發(fā)展展望8.2.2軟件云化技術線上協(xié)同軟件云化一般可采用云原生技術、虛擬可視化技術等云計算技術，與AI大模型相結合，建設超大規(guī)模的云計算數(shù)據(jù)中心。軟件云化技術為操作簡單、遠程可視化、輕量化、無感知的云端工業(yè)軟件的軟件服務提供了技術支撐，實現(xiàn)了資源的高效調(diào)度和靈活分配，使企業(yè)可以按需獲取計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源，從而降低運營成本，提高運營效率。超大規(guī)模云計算數(shù)據(jù)中心的建設正日