多領域物理統(tǒng)一建模語言與MWORKS實踐 課件 7-Modelica與Sysplorer建模仿真總結（0.5學時）

Modelica與Sysplorer建模仿真總結哈工大計算學部-工業(yè)軟件中心哈工大重慶研究院-無人裝備中心曲明成

博士/副教授

qumingcheng@2025年4月23日數(shù)字化技術發(fā)展——信息化時代工業(yè)軟件類別典型工業(yè)軟件說明CAD二維CADAutoCAD、CAXA、中望二維CAD繪圖三維CADCATIA、UG、ProE、SolidWorks三維CAD結構設計場分析CAE結構ANSYS、NASTRAN、ABAQUS結構強度仿真分析流場FLUENT、CFX三維流場仿真分析電磁ANSYS、ANSOFT電磁場仿真分析專業(yè)仿真機械ADAMS、Motion、Simpack、RecurDyn運動學和動力學仿真控制Matlab/Simulink、EASY5控制系統(tǒng)設計仿真一維流體AMESim、Flowmaster一維流體仿真電氣Saber、Simplorer、E3電氣系統(tǒng)仿真電子EDASynopsys、Cadence、MentorIC設計測試仿真面向零部件和專業(yè)設計仿真的傳統(tǒng)CAD、CAE軟件CAD/CAE為詳細設計提供了數(shù)字化手段，但沒有改變以物理樣機為中心的“方案設計-物理試驗”的傳統(tǒng)研制模式理想的模式是建立數(shù)字樣機，以驗證后的數(shù)字樣機代替物理樣機進行試驗，整個“設計-驗證”在數(shù)字空間完成2數(shù)字化技術發(fā)展——Modelica與系統(tǒng)建模仿真ANSYS：TwinBuilder

=Simplorer(Modelica)+IOT+CAESIMENS：

Simcenter=AMESim(Modelica)+CAEDassault：3DExperience=NoMagic(SysML)+Dymola(Modelica)+CATIA+CAE+PLMAltair：CAE+Activate(Modelica)[采用MapleSim內(nèi)核]ESI：CAE+SimulationX(Modelica)Ricardo：汽車設計仿真+Ignite(Modelica)[采用同元MWorks內(nèi)核OEM授權]Mathworks：Matlab=IDE+Simulink+Simscape(仿Modelica)Maplesoft：Maple+MapleSim(Modelica)Wolfram：Mathmatica+SystemModeler(Modelica)同元軟控：Sysplorer(Modelica)+Sysbuilder(SysML)+Syslink=>MWorks數(shù)字化技術發(fā)展——信息化時代工業(yè)軟件國產(chǎn)化-解決卡脖子：科學計算與系統(tǒng)建模仿真工業(yè)軟件航天、汽車、芯片、核能、機器人等廣泛應用4Modelica技術特點Modelica語言特點⑤：FMI接口標準支持?supplier1supplier2supplier3supplier4supplier5OEMsupplier1tool1supplier2supplier3supplier4supplier5tool2tool3tool4tool5FMIOEM!supplier1supplier2supplier3OEMslidefromNickSuyam,Daimler(adapted)問題/需求部件由供應商開發(fā)系統(tǒng)由原始設備制造商集成涉及多種仿真工具解決方案原始設備制造商可復用供應商模型：DLL（模型導入）工具耦合（聯(lián)合仿真）保護供應商模型知識產(chǎn)權價值早期設計驗證提高效率和質(zhì)量Modelica技術特點Modelica語言特點①：面向?qū)ο蟮姆且蚬ystemsDefinitionSystemsDecompositionModelingofSubsystemsCausalityDerivation（manualderivationofinput/outputrelations）ImplementationSimulationProprietaryCodeBlockDiagramModelica---PeterFritzson,2011.IntroductiontoObject-OrientedModeling,SimulationandControlwithModelica.TutorialforModelicaconference2011ProprietaryCodeBlockDiagramModelica與真實物理拓撲一致，良好的可擴展性Modelica技術特點Modelica語言特點②：主要基于方程描述行為

流量方程力平衡方程Modelica模型接口定義參數(shù)定義變量定義原理方程彈簧復位壓縮缸陳述式建模，無需方程推導模型底層代碼可見Modelica技術特點Modelica語言特點③：面向?qū)ο蟮亩囝I域統(tǒng)一物理建?？刂齐妼W機械機械電學控制…電液作動器原理圖電液作動器模型1#液壓能源系統(tǒng)原理圖1#液壓能源系統(tǒng)模型多領域統(tǒng)一建模直觀、易用重用和擴展模型知識積累2

Modelica技術特點Modelica語言特點④：連續(xù)離散混合建模modelDiode"ldealdiode”

extendsModelica.Electrical.Analog.Interfaces.OnePort;

Reals;

Booleanoff;equationoff=s<0;

ifoffthenv=s;

elsev=0;endif;i=ifoffthen0elses;endDiode;理想二極管理想二極管Modelica模型二極管的特性曲線是分段連續(xù)的彈跳小球隨時間的軌跡modelBouncingBall

parameter

Realg=9.8"重力加速度";

parameter

Realc=0.9"彈性系數(shù)";

Realv(start=0);

Realh(start=10);equation

der(h)=v;

der(v)=-g;

whenh<=0then

reinit(v,-c*v);

endwhen;endBouncingBall;小球在觸地瞬間狀態(tài)發(fā)生變化，是離散的二極管工作原理（正向?qū)щ?，反向不導電）reinit表示重新初始化操作，它只有在球觸地的瞬間生效，用于重新初始化球的速度。假定球的彈性系數(shù)為0.9,即球每次反彈的速度為原來的百分之九十建模仿真過程classFall"自由落體"

Realg=9.81;

Realh(start=10);

Realv;equation

-v=der(h);

der(v)=g;endFall;物理現(xiàn)象數(shù)學原理代碼實現(xiàn)仿真求解結果查看《兩個鐵球同時落地》：伽利略研究了亞里士多德的“物體落下的速度和它的質(zhì)量成正比”這個觀點后產(chǎn)生了質(zhì)疑。讓手中兩個質(zhì)量不等的鐵球同時從比薩斜塔頂垂直自由落下，兩個球同時著地。在自由落體的基礎上，小球在觸地瞬間，重置速度即可class

Ball"彈跳小球"constantModelica.SIunits.Accelerationg=9.8

"重力加速度";

parameter

Realcoef=0.9

"彈性系數(shù)";

parameter

Modelica.SIunits.Heighth0=10

"初始高度";

Modelica.SIunits.Heighth(start=h0)"小球高度";

Modelica.SIunits.Velocityv"小球速度";

Booleanflying"是否運動";equation

flying=not(h<=0

andv<=0);

der(v)=ifflyingthen-gelse

0;v=der(h);

whenh<=0

then

reinit(v,-coef*v);

endwhen;endBall;物理現(xiàn)象數(shù)學原理代碼實現(xiàn)仿真求解結果查看建模仿真過程classname“模型描述”…endname;Modelica文本一般結構-模型的開始與結束類型是對模型基本屬性的描述Modelica語言定義了10種特化類Class類package包record記錄function函數(shù)type類型model模型connector連接器block框圖operatorrecord運算符記錄operator運算符operatorfunction運算符函數(shù)modelExample1“示例1”…end

Example1;connectorExample2“示例2”…end

Example2;其他類型定義…開始模型定義:類型+模型名稱+“模型描述”…結束模型定義:end+模型名稱；Modelica文本一般結構-變量聲明classname“模型描述”

VariableDeclarations…endname;開始模型定義:類型+模型名稱+“模型描述”變量聲明…結束模型定義:end+模型名稱；變量定義一般格式：

(數(shù)據(jù)前綴+)數(shù)據(jù)類型+變量名稱（屬性描述）+“變量描述”例如：Modelica.SIunits.Heighth0（start=10)"初始高度";Modelica語言定義了5種數(shù)據(jù)類型以及多種數(shù)據(jù)屬性關鍵詞class

VariableDeclaration“變量聲明示例”

Real

A(max=1)“A變量描述";Integer

B(min=0)“B變量描述";Boolean

C(start=true)“C變量描述";String

D“D變量描述";type

E=enumeration(e1,e2,...,en)“E變量描述”;

…

endVariableDeclaration;Modelica文本一般結構-變量聲明classname“模型描述”ParameterDeclarations

VariableDeclarations…endname;開始模型定義:類型+模型名稱+“模型描述”參數(shù)聲明變量聲明…結束模型定義:end+模型名稱；參數(shù)聲明也是一種變量聲明，一般格式如下：

數(shù)據(jù)前綴+數(shù)據(jù)類型（單位）=值+“參數(shù)描述”Modelica語言定義了4類8個數(shù)據(jù)前綴class

ParameterDeclaration“參數(shù)聲明示例”

parameter

IntegerA=1“A參量描述";

constantReal

B(unit=“m/s”)=1“B參數(shù)描述";

finalparameterReal

C=1“C參數(shù)描述";

endParameterDeclaration;Modelica文本一般結構-模型行為描述classname“模型描述”ParameterDeclarations

VariableDeclarationsalgorithm…equation…endname;開始模型定義:類型+模型名稱+“模型描述”參數(shù)聲明變量聲明模型行為描述算法模型行為描述方程結束模型定義:end+模型名稱；class

Example“模型行為描述示例”

parameterReala=1;

Realb;

Realc;

equation

a=b+c;

end

Example;Modelica語言支持使用方程或算法對模型行為進行描述，對應的關鍵詞分別為equation與algorithm。完整模型一般結構系統(tǒng)建模仿真讓知識與工具分離，知識模型庫成為數(shù)字化核心Modelica協(xié)會（MA）Modelica語言Modelica標準庫Modelica規(guī)