工程物理系统建模理论与方法

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本书以知识自动化为宗旨，以机电液控一体化装备系统为对象，从工程物理系统原理入手，全面介绍基于工业知识的表达规范Modelica的知识自动化体系及实现方法；通过在航天、航空、汽车等领域的工程实践，介绍Modelica知识自动化技术体系在物理系统仿真分析、系统方案设计与优化、半实物仿真等方面应用实现。为了便于，本书将配备相关软件系统—Modelica开发环境MWorks，便于读者全面掌握、体验知识自动化方法。

"陈立平博士，教授，于1998年开始对基于多领域统一建模的研究，作为负责人及主要研究者先后承担了多项国家重大科技项目，如国家973项目、自然基金项目、863重大目标产品攻关以及科技转化等项目，在理论创新、技术实现、科技转化方面均取得成绩，于2009年受到了国家863重点项目“机械系统动力学CAE平台”支持，历经12年的潜心研发，研发团队围绕机械系统动力学CAE平台的关键技术攻关及工程示范应用，研究、掌握、推广Modelica建模技术，建立了基于Modelica的机电液控耦合系统模型、机械零部件结构分析与优化模型的统一表达规范，成功攻克了模型表达、模型编译、分析求解等平台关键技术难题，于2012年率先在国内乃至亚太地区推出了新一代产品数字化研发平台MWorks。重点针对工程机械行业和民用航空行业形成了示范应用，在此基础上进行行业推广，并实现了产品化与产业化，被评为十一五期间亮点项目。 陈立平博士及其团队的主要创新成果产品综合设计与仿真验证平台软件MWorks是国内乃至亚洲专享的多领域统一建模软件，该软件成果填补了我国工业制造领域产品系统设计与仿真工业支撑软件的技术和产品空白。目前MWorks商用版本已经推"

第1章 绪论
1.1 数字化设计概述
1.2 计算机科学技术的发展对设计技术的影响
1.3 人工智能与数字化设计技术创新
1.4 功能建模技术综述
1.5 工程物理系统数字化设计的创新发展
1.5.1 工程物理系统多领域统一建模方法
1.5.2 Modelica语言的发展、工程应用与相关工具
1.5.3 多领域统一模型的编译映射技术
1.5.4 多领域物理系统仿真求解技术
1.6 研究意义
第2章 工程物理系统多领域统一建模与Modelica
2.1 概述
2.2 工程系统物理建模
2.2.1 物理组件的行为与结构
2.2.2 面向对象建模
2.2.3 多领域统一建模
2.2.4 陈述式非因果建模
2.2.5 连续-离散混合建模
2.3 物理系统多领域统一建模原理
2.3.1 键合图与线性图
2.3.2 多领域统一建模原理
2.3.3 多领域建模语言与工具
2.4 面向对象的统一物理建模语言Modelica
2.4.1 面向对象建模支持
2.4.2 多领域统一建模支持
2.4.3 陈述式非因果建模支持
2.4.4 连续-离散混合建模支持
2.5 Modelica模型的编译与求解
2.6 小结
第3章 陈述式仿真模型的相容性分析
3.1 引言
3.2 方程系统表示图及相关概念
3.2.1 图论基本概念
3.2.2 结构关联矩阵
3.2.3 结构关联矩阵的二部图表示
3.3 仿真模型的相容性判定
3.4 奇异组件的识别
3.5 过约束问题分析策略
3.5.1 过约束度为1的过约束问题
3.5.2 过约束度大于1的过约束问题
3.6 欠约束问题分析策略
3.6.1 剔除变量
3.6.2 补充方程
3.7 复合组件引起的奇异问题
3.8 小结
第4章 陈述式仿真模型的约简策略研究
4.1 引言
4.2 方程表达式的规范转换
4.2.1 转换规则
4.2.2 方程的二叉树表示
4.2.3 规范转换过程
4.3 方程系统的规模分解
4.3.1 剥离策略
4.3.2 凝聚策略
4.3.3 归并策略
4.3.4 拓扑排序
4.4 强耦合方程子集约简策略
4.4.1 剥离代数变量
4.4.2 撕裂代数环
4.5 内嵌积分
4.5.1 内嵌积分的基本思想
4.5.2 DAE系统的离散化策略
4.5.3 DAE系统的内嵌积分
4.6 小结
第5章 DAE模型的指标分析与相容初始化
5.1 引言
5.2 高指标问题及相关概念
5.2.1 高指标问题
5.2.2 结构奇异方程子集
5.2.3 指标约简
5.3 现有指标约简方法
5.3.1 Gear方法
5.3.2 Pantelides方法
5.3.3 哑导方法
5.3.4 现有方法的不足
5.4 基于加权二部图的指标约简
5.4.1 广义ODE系统
5.4.2 加权二部图及其特性
5.4.3 基于加权二部图的指标约简
5.4.4 指标约简实例
5.4.5 基于二叉树的符号微分
5.4.6 哑导的选取
5.4.7 与现有指标约简方法的比较
5.5 复杂DAE系统的指标分析
5.6 Modelica模型的相容初始化
5.7 小结
第6章 基于Modelica的多体系统建模方法
6.1 概述
6.2 基于广义基尔霍夫定律的多体动力学
6.2.1 多体动力学基本概念
6.2.2 位置、姿态与坐标变换
6.2.3 空间自由刚体牛顿-欧拉运动方程
6.2.4 基于广义基尔霍夫定律的多体动力学
6.3 Modelica标准多体库
6.3.1 标准多体库概述
6.3.2 端口标架与姿态表示
6.3.3 多体库结构与主要元素
6.4 相容性冗余约束与超定连接机制
6.4.1 多体系统冗余约束
6.4.2 虚拟连接图
6.4.3 基于虚拟连接图的冗余约束分析
6.5 多体系统运动的闭环结构
6.5.1 闭环结构中自由度重复冗余约束
6.5.2 闭环结构中非线性代数方程的处理
6.6 Modelica多体系统模型编译与求解
6.6.1 基于标准库的多体建模
6.6.2 多体系统模型语义分析与编译
6.6.3 多体系统模型求解
6.7 小结
第7章 信息物理系统统一建模与仿真
7.1 概述
7.2 研究对象分析
7.2.1 CPS系统建模与仿真分析需求
7.2.2 基于Modelica的CPS系统建模仿真可行性分析
7.2.3 同步语言的启发
7.3 CPS系统统一建模
7.3.1 Modelica核心成分
7.3.2 时钟与时钟变量
7.3.3 时钟推演
7.3.4 时钟传播与时钟检查
7.3.5 时钟与时间系统的语义融合
7.3.6 统一建模示例
7.4 面向CPS的系统仿真规划扩展的数据流同步原则
7.4.1 扩展的数据流同步原则
7.4.2 CPS方程系统规划分解
7.4.3 CPS方程系统二次规划分解
7.5 面向CPS的系统统一仿真求解
7.5.1 事件与状态方程
7.5.2 CPS模型的数学本质
7.5.3 面向CPS的统一求解策略
7.6 小结
附录A Modelica系统仿真平台MWORKS.Sysplorer
A.1 MWORKS.Sysplorer简介
A.2 MWORKS.Sysplorer基础功能
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