了得網計算機/網絡_工程物理繫統建模理論與方法

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內容簡介

本書以知識自動化為宗旨，以機電液控一體化裝備繫統為對像，從工程物理繫統原理入手，全面介紹基於工業知識的表達規範Modelica的知識自動化體繫及實現方法；通過在航天、航空、汽車等領域的工程實踐，介紹Modelica知識自動化技術體繫在物理繫統仿真分析、繫統方案設計與優化、半實物仿真等方面應用實現。為了便於，本書將配備相關軟件繫統-Modelica開發環境MWorks，便於讀者全面掌握、體驗知識自動化方法。

作者簡介

陳立平博士，教授，於1998年開始對基於多領域統一建模的研究，作為負責人及主要研究者先後承擔了多項國家重大科技項目，如國家973項目、自然基金項目、863重大目標產品攻關以及科技轉化等項目，在理論創新、技術實現、科技轉化方面均取得成績，於2009年受到了國家863重點項目“機械繫統動力學CAE平臺”支持，歷經12年的潛心研發，研發團隊圍繞機械繫統動力學CAE平臺的關鍵技術攻關及工程示範應用，研究、掌握、推廣Modelica建模技術，建立了基於Modelica的機電液控耦合繫統模型、機械零部件結構分析與優化模型的統一表達規範，成功攻克了模型表達、模型編譯、分析求解等平臺關鍵技術難題，於2012年率先在國內乃至亞太地區推出了新一代產品數字化研發平臺MWorks。重點針對工程機械行業和民用航空行業形成了示範應用，在此基礎上進行行業推廣，並實現了產品化與產業化，被評為十一五期間亮點項目。
陳立平博士及其團隊的主要創新成果產品綜合設計與仿真驗證平臺軟件MWorks是國內乃至亞洲的多領域統一建模軟件，該軟件成果填補了我國工業制造領域產品繫統設計與仿真工業支撐軟件的技術和產品空白。目前MWorks商用版本已經推

第1章緒論00
2.4面向對像的統一物理建模語言Modelica0
第3章陳述式仿真模型的相容性分析0
第4章陳述式仿真模型的約簡策略研究0
4.3.3歸並策略0
4.4強耦合方程子集約簡策略0
附錄AModelica繫統仿真平臺
MWORKS.Sysplorer
附錄BModelica語法概述
B.5函數
B.5.1函數聲明
B.5.2函數調用
B.5.3內置函數
B.5.4記錄構造函數

第1章緒論00

1.1數字化設計概述00

1.2計算機科學技術的發展對設計技術的影響00

1.3人工智能與數字化設計技術創新00

1.4功能建模技術綜述00

1.5工程物理繫統數字化設計的創新發展00

1.5.1工程物理繫統多領域統一建模方法00

1.5.2Modelica語言的發展、工程應用與相關工具0

1.5.3多領域統一模型的編譯映射技術0

1.5.4多領域物理繫統仿真求解技術0

1.6研究意義0

第2章工程物理繫統多領域統一建模與Modelica0

2.1概述0

2.2工程繫統物理建模0

2.2.1物理組件的行為與結構0

2.2.2面向對像建模0

2.2.3多領域統一建模0

2.2.4陳述式非因果建模0

2.2.5連續離散混合建模0

2.3物理繫統多領域統一建模原理0

2.3.1鍵合圖與線性圖0

2.3.2多領域統一建模原理0

2.3.3多領域建模語言與工具0

2.4面向對像的統一物理建模語言Modelica0

2.4.1面向對像建模支持0

2.4.2多領域統一建模支持0

2.4.3陳述式非因果建模支持0

2.4.4連續離散混合建模支持0

2.5Modelica模型的編譯與求解0

2.6小結0

第3章陳述式仿真模型的相容性分析0

3.1引言0

3.2方程繫統表示圖及相關概念0

3.2.1圖論基本概念0

3.2.2結構關聯矩陣0

3.2.3結構關聯矩陣的二部圖表示0

3.3仿真模型的相容性判定0

3.4奇異組件的識別0

3.5過約束問題分析策略0

3.5.1過約束度為1的過約束問題0

3.5.2過約束度大於1的過約束問題0

3.6欠約束問題分析策略0

3.6.1剔除變量0

3.6.2補充方程0

3.7復合組件引起的奇異問題0

3.8小結0

第4章陳述式仿真模型的約簡策略研究0

4.1引言0

4.2方程表達式的規範轉換0

4.2.1轉換規則0

4.2.2方程的二叉樹表示0

4.2.3規範轉換過程0

4.3方程繫統的規模分解0

4.3.1剝離策略0

4.3.2凝聚策略0

4.3.3歸並策略0

4.3.4拓撲排序0

4.4強耦合方程子集約簡策略0

4.4.1剝離代數變量0

4.4.2撕裂代數環0

4.5內嵌積分0

4.5.1內嵌積分的基本思想0

4.5.2DAE繫統的離散化策略0

4.5.3DAE繫統的內嵌積分0

4.6小結0

第5章DAE模型的指標分析與相容初始化0

5.1引言0

5.2高指標問題及相關概念0

5.2.1高指標問題0

5.2.2結構奇異方程子集0

5.2.3指標約簡0

5.3現有指標約簡方法0

5.3.1Gear方法0

5.3.2Pantelides方法0

5.3.3啞導方法0

5.3.4現有方法的不足0

5.4基於加權二部圖的指標約簡0

5.4.1廣義ODE繫統0

5.4.2加權二部圖及其特性0

5.4.3基於加權二部圖的指標約簡0

5.4.4指標約簡實例

5.4.5基於二叉樹的符號微分

5.4.6啞導的選取

5.4.7與現有指標約簡方法的比較

5.5復雜DAE繫統的指標分析

5.6Modelica模型的相容初始化

5.7小結

第6章基於Modelica的多體繫統建模方法

6.1概述

6.2基於廣義基爾霍夫定律的多體動力學

6.2.1多體動力學基本概念

6.2.2位置、姿態與坐標變換

6.2.3空間自由剛體牛頓歐拉運動方程

6.2.4基於廣義基爾霍夫定律的多體動力學

6.3Modelica標準多體庫

6.3.1標準多體庫概述

6.3.2端口標架與姿態表示

6.3.3多體庫結構素

6.4相容性冗餘約束與超定連接機制

6.4.1多體繫統冗餘約束

6.4.2虛擬連接圖

6.4.3基於虛擬連接圖的冗餘約束分析

6.5多體繫統運動的閉環結構

6.5.1閉環結構中自由度重復限制冗餘約束

6.5.2閉環結構中非線性代數方程的處理

6.6Modelica多體繫統模型編譯與求解

6.6.1基於標準庫的多體建模

6.6.2多體繫統模型語義分析與編譯

6.6.3多體繫統模型求解

6.7小結

第7章信息物理繫統統一建模與仿真

7.1概述

7.2研究對像分析

7.2.1CPS繫統建模與仿真分析需求

7.2.2基於Modelica的CPS繫統建模仿真可行性分析

7.2.3同步語言的啟發

7.3CPS繫統統一建模

7.3.1Modelica核心成分

7.3.2時鐘與時鐘變量

7.3.3時鐘推演

7.3.4時鐘傳播與時鐘檢查

7.3.5時鐘與時間繫統的語義融合

7.3.6統一建模示例

7.4面向CPS的繫統仿真規劃擴展的數據流同步原則

7.4.1擴展的數據流同步原則

7.4.2CPS方程繫統規劃分解

7.4.3CPS方程繫統二次規劃分解

7.5面向CPS的繫統統一仿真求解

7.5.1事件與狀態方程

7.5.2CPS模型的數學本質

7.5.3面向CPS的統一求解策略

7.6小結

附錄AModelica繫統仿真平臺
MWORKS.Sysplorer

A.1MWORKS.Sysplorer簡介

A.2MWORKS.Sysplorer基礎功能

A.2.1建模操作

A.2.2翻譯仿真

A.2.3結果查看

A.3MWORKS.Sysplorer工具箱

A.3.1頻率估算工具箱

A.3.2模型試驗工具箱

A.3.3模型標定

A.3.4模型參數優化

附錄BModelica語法概述

B.1類與內置類型

B.1.1類的基本類型

B.1.2基礎數據類型及其屬性

B.1.3數據的前綴用法

B.2數組

B.2.1數組聲明

B.2.2數組構造

B.2.3數組連接

B.2.4數組索引與切片

B.2.5數組運算

B.3模型行為描述

B.3.1方程

B.3.2算法

B.4連接與連接器

B.4.1因果連接器

B.4.2非因果連接器

B.4.3可擴展連接器

B.4.4隱式連接器

B.5函數

B.5.1函數聲明

B.5.2函數調用

B.5.3內置函數

B.5.4記錄構造函數

B.5.5函數微分注解聲明

B.5.6外部函數調用

B.6注解

B.6.1參數框設計

B.6.2圖標設計

B.6.3幫助文檔設計

B.6.4動態顯示設計

B.6.5文本其他注解

B.7事件

B.7.1事件概念

B.7.2事件觸發語句及函數

B.7.3事件相關函數

B.7.4事件處理函數

B.8模型重用

B.8.1繼承重用

B.8.2實例化重用

B.8.3重聲明重用

附錄CModelica工程應用

C.1機械繫統建模仿真應用

C.2熱力繫統建模仿真應用

C.3通信繫統建模仿真應用

C.4控制繫統建模仿真應用

C.5電氣繫統建模仿真應用

C.6流體繫統建模仿真應用

C.7車輛繫統仿真應用

C.7.1車輛電池模型庫

C.7.2車輛發動機模型庫

C.7.3車輛電子模型庫

C.7.4車輛熱管理繫統模型庫

C.7.5車輛動力性經濟性模型庫

C.7.6車輛動力學模型庫

C.8半物理仿真應用

參考文獻

前言

2001年正式啟動多領域物理統一建模技術研究，從一個概念願景到基本完整的理論算法體繫，從理論算法到技術原型，從技術原型走向應用迭代，在國家重大創新工程的應用迭代中實現技術的產品化、產業化，繫統智能設計與綜合仿真繫統
MWORKS歷經20年守望終於迎來了中國創新的時代。
設計是約束滿足問題，約束滿足問題是人工智能的重要命題，因此，設計學研究是人工智能應用研究的重要範疇。
本書提出的工程物理繫統原理包括機電液控等多學科原理，圍繞能量流、物質流和信息流的鏈接機制、一類數學方程的融合以及統一求解的計算框架，全面介紹了國際多領域物理統一建模語言規範Modelica的編譯、數學映射、指標約簡、繫統分治、計算程序自動生成與求解等關鍵技術，建立了基於統一表達、統一求解的知識自動化技術體繫，以“畫出繫統構型、生成計算軟件、體驗繫統性能”的方式實現了以知識（模型）為中心的一類工業軟件自動創成的新範式，對於在中國創新時代發展新一代工業基礎軟件及應用生態有重要啟迪意義。
信息技術有限公司的

2001年正式啟動多領域物理統一建模技術研究，從一個概念願景到基本完整的理論算法體繫，從理論算法到技術原型，從技術原型走向應用迭代，在國家重大創新工程的應用迭代中實現技術的產品化、產業化，繫統智能設計與綜合仿真繫統
MWORKS歷經20年守望終於迎來了中國創新的時代。

作為先進設計技術的研發者，一直想梳理一下本領域的技術演進，但設計技術作為基礎性綜合學科，博大精深，若無全面、深厚的理論底蘊和工程實踐積澱難以勝任，因此退而求其次，希望通過MWORKS的研究、開發與應用實踐，闡明我們對設計學、設計技術的幾點認知。
設計是約束滿足問題，約束滿足問題是人工智能的重要命題，因此，設計學研究是人工智能應用研究的重要範疇。

在計算技術高度發達的時代，設計學研究不能流於方法學，必須走向技術和工具創新。數字化設計技術是現代設計學的使能技術，是設計學、應用數學和信息科學多學科交叉融合的產物，承載著現代設計學的理念、方法，通過數學過程，以軟件為存在形式，面向廣泛應用提升設計的自動化、集成化和智能化的能力與水平。需求創新不斷豐富現代設計學的內涵，信息技術的快速發展同時推動現代設計技術的創新與發展，但是建模、分析（仿真）、優化以及協同管理是不斷發展的數字化設計技術的永恆不變的主題，智能設計是數字化設計發展的方向。

復雜產品是多學科綜合集成繫統，在機理上可抽像為能量流、物質流和信息流的融合。然而近40年來，以多個單領域建模分析工具的信息集成解決多學科融合問題的方法在理論上缺乏完備性、有瑕疵，發展不盡如人意，需要理論創新。
本書提出的工程物理繫統原理包括機電液控等多學科原理，圍繞能量流、物質流和信息流的鏈接機制、一類數學方程的融合以及統一求解的計算框架，全面介紹了國際多領域物理統一建模語言規範Modelica的編譯、數學映射、指標約簡、繫統分治、計算程序自動生成與求解等關鍵技術，建立了基於統一表達、統一求解的知識自動化技術體繫，以“畫出繫統構型、生成計算軟件、體驗繫統性能”的方式實現了以知識（模型）為中心的一類工業軟件自動創成的新範式，對於在中國創新時代發展新一代工業基礎軟件及應用生態有重要啟迪意義。

後借本書完成之際，感謝軟控
信息技術有限公司的
技術團隊對本課題潛心20載的卓越貢獻；感謝中國航天
科技集團有限公司
為本課題提供了大量工程應用迭代，讓基礎研究終走入工程應用；感謝江蘇省、蘇州市及蘇州工業園區為技術產品化、產業化提供了長期的政策、環境、人纔及資金支持；特別感謝國家科技部“863”計劃、重點研發計劃對於本課題給予長期支持。
陳立平2021年11月30日於蘇州獨墅湖

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