多领域物理统一建模语言MODELICA与MWORKS系统建模(精)/信息物理融合系统建模与仿真

21世纪以来，工业软件成为制造业数字化、网络化、智能化的基石，是新一轮工业革命的核心要素。由陈立平、周凡利、丁建完、郭俊峰等领衔编著的《多领域物理统一建模语言Modelica与MWorks系统建模》从多个方面阐述了工业软件不同于普通软件，它是工业创新知识长期积累、沉淀并在应用中迭代进化的工具化产物。 工业软件是典型的软装备，是高端工业装备的“魂魄”和“大脑”，而目前工业软件，特别是研发设计类的工业软件有95%是被国外所垄断的，没有工业软件，所有高端装备将“丧魂失魄”。工业软件是中国制造实现“数字化、网络化、智能化”的基础，没有自主的工业软件，中国制造将是无根之木、无源之水。 陈立平、周凡利、丁建完、郭俊峰等人秉承以为“中国智造”提供自主可控核心工业软件为企业使命，以中国装备制造业的产品创新研制为源头需求，坚守初心，历时18年，自主研发，不断完善并掌握新一代数字化设计核心技术——多领域物理统一建模和系统仿真技术，希望进一步为中国工业提供国*领先、自主可控的新一代工业智能化设计平台及应用服务。MWorks由工业需求驱动，从单纯的系统仿真软件发展成为兼具设计与仿真能力的平台——同元系统智能设计与仿真验证平台MWorks。 相信这本书对中国工业软件的发展及多领域物理统一建模语言Modelica的推广具有积极的指导意义。

本书概括了系统建模仿真的发展历史，浅显易懂地介绍了Modelica语言的基础知识和高级特性，并对MWorks建模仿真平台的功能做了详尽的讲解。 本书汇聚了MWorks开发团队十多年的研发经验，对Modelica和多领域建模知识有着全面且深刻的解释，内容涵盖了模型、变量、方程、算法、函数等语言基础知识，结合示例讲解了初始条件设置、模型重用和事件等高级特性。在建模仿真方面，本书全面讲解了MWorks基础环境、高级特性、工具箱和接口的使用方法，有些高级特性是开发健壮模型的关键知识点，比如“外部资源的使用”，对工程建模人员掌握建模知识起到很好的帮助作用。 本书力求严谨全面，并强调实践操作，可作为Modelica语言和MWorks系统建模仿真平台的教学参考书，也可供相关高校师生或科研工程人员参考。

陈立平 华中科技大学机械学院 教授/博士生导师，华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心（武汉）（CAD中心）主任，浙江大学CAD&CG国家重点实验室学术委员，民用飞机模拟飞行国家重点实验室学术委员，获2004教育部新世纪优秀人才计划资助。近十年来主持多层次科研项目 ？ 二十余年来，在几何约束求解、多体系统动力学、多领域建模分析等数字化设计支撑技术方面进行研究，承担了国家自然基金、863及企业合作等多层次项目。研发的几何约束求解引擎及计算机绘图系统InteCAD得到广泛应用。 ？ 十余年来，密切关注复杂机电系统建模分析与优化技术发展，在多领域物理建模理论方面进行了深入研究，提出多领域约束融合理论，获2006年自然基金资助，在国内率先研究了多领域物理建模规范语言modelica,承担2006年863目标导向项目2006AA04Z162《基于多领域物理建模的复杂产品协同仿真平台》并组织研发多领域物理建模与仿真系统MWorks v1.6（获知识产权）。2009主持《机械系统动力学CAE平台》获得国家863重点项目资助（2009AA044501）。作为亚太地区第一个基于modelica的建模分析平台，Mworks在维也纳MODELICA 2006大会上受到国际同行关注和肯定。十年来，在计算机学报、软件学报、CAD及AMT、Computer&Struct.及Structural&Multidisplinary Optimization等国内外重要学刊上发表论文90余篇。 ？ 经过十多年的深入研究，目前已开发出亚洲唯*的多领域物理统一建模平台Modelica/MWorks3.0，在国内航空、航天、汽车、工程机械行业得到应用。

第1章 绪论 1.1 什么是系统 1.2 什么是系统建模 1.2.1 面向对象建模 1.2.2 多领域统一建模 1.2.3 陈述式非因果建模 1.2.4 连续离散混合建模 1.3 系统建模发展概述 1.3.1 工程物理系统多领域建模与仿真 1.3.2 基于图的多领域统一建模方法 1.3.3 基于物理建模语言的多领域统一建模方法 1.4 系统建模与仿真语言Modelica 1.4.1 Modelica发展历程 1.4.2 Modelica主要特点 1.4.3 Modelica模型库 1.4.4 Modelica程应用 1.5 系统建模仿真平台MWorks.Sysplorer 1.5.1 MWorks.Sysplorer简介 1.5.2 MWorks.Sysplorer功能与特征 1.5.3 MWorks.Sysplorer应用领域 第2章 Modelica语言基础 2.1 模型要素 2.1.1 变量 2.1.2 方程与算法 2.1.3 连接 2.1.4 类与类型 2.2 建模功能 2.2.1 面向对象建模 2.2.2 陈述式建模 2.2.3 连续离散混合建模 2.2.4 多领域统一建模 2.3 方程 2.3.1 声明方程 2.3.2 变型方程 2.3.3 等式方程 2.3.4 for方程 2.3.5 连接方程 2.3.6 条件方程 2.3.7 其他方程 2.4 算法 2.4.1 赋值语句 2.4.2 for循环语句 2.4.3 while循环语句 2.4.4 if语句 2.4.5 when语句 2.4.6 其他语句 2.5 数组 2.5.1 数组声明 2.5.2 数组构造 2.5.3 数组连接 2.5.4 数组索引与切片 2.5.5 数组运算 2.6 函数 2.6.1 函数定义 2.6.2 函数调用 2.6.3 内置函数 2.6.4 记录构造函数 2.6.5 函数向量化调用 2.6.6 导函数 2.6.7 外部函数 2.6.8 外部对象 2.7 模型初始条件 2.7.1 设置初始条件 2.7.2 确定初始条件个数 2.8 模型重用 2.8.1 抽象与继承 2.8.2 参数变型 2.8.3 重声明 第3章 MWorks.Sysplorer入门 第4章 MWorks.Sysplorer基础环境 第5章 MWorks.Sysplorer高级特性 第6章 MWorks.Sysplorer工具箱 第7章 MWorks.Sysplorer接口 第8章 MWorks.Sysplorer安装配置 参考文献

21世纪以来，以德国工业4.0为代表的技术力量掀起了新一轮工业革命。德国工业4.0采用全新的语境：工业、系统、软件、模型、标准，强调软件是工业的未来，并指出未来的工业软件必须采用基于模型的理论、方法和工具，为此必须创新发展新一代数字化设计技术。基于统一模型规范Modelica的全系统建模、分析、仿真优化及软件自动生成技术已成为国际智能系统与产品设计研发技术的重要创新方向，是新一轮工业革命的设计技术制高点，欧美发达国家正籍此构筑新的技术壁垒，对此，我们必须有所为。 2018年以来，由于众所周知的事件，引发了国人对自主核心技术的广泛焦虑和深入思考，“缺芯少魂”是制约我国工业安全可靠、创新发展的“卡脖子问题”。Modelica是国际工业系统应用软件标准、规范、技术和生态的创新发展方向，目前国外有大量的Modelica建模仿真工具以及Modelica资料，但国内相关的工具和资料寥寥无几。本书的面世在一定程度上解决了这个问题，通过对本书的学习，读者可以提高对Modelica认识和使用，并利用国内团队自主研发的建模仿真平台MWorks.Sysplorer搭建Modelcia模型解决实际工程问题。 本书从系统仿真、Modelica规范和MWorks应用等三个层面，循序渐进地介绍了Modelica和MWorks的理论方法和实践步骤。全书共分为八章，内容如下： 第1章主要讲述了系统建模的发展历程，从中引出了系统建模与仿真语言Modelica和系统建模仿真平台MWorks.Sysplorer。 第2章结合示例对Modelica语言的语法进行详细的讲解。初学者读完本章内容就能用Modelica语言进行建模。 第3章至第7章为MWorks.Sysplorer功能的详细介绍。 第3章通过三个简单案例帮助读者快速了解MWorks.Sysplorer从建模、仿真到结果分析的运行过程。 第4章详细介绍了MWorks.Sysplorer操作面板与上下文菜单中的功能含义及其使用方法。 第5章为第4章的进阶篇，介绍了MWorks.Sysplorer中较为高级的特性，如单位检查与推导、外部资源使用说明、外部资源函数调试指南、仿真数据文件等，这些特性的使用方法较为复杂，能够满足系统建模与仿真过程中的一些高级需求。 第6章介绍了模型发布、二维动画、三维动画、频率估算、模型标定、参数分析、模型优化、分布式显示和3D模型外部文件格式转换等工具箱的用途以及使用方法。 第7章介绍了平台的命令接口和FMI、S-Function、Veristand以及多体导入等导入/导出接口。 第8章介绍了MWorks.Sysplorer的安装配置过程，对配置时常见问题给出解决方法。 本书是苏州同元软控信息技术有限公司十多年来MWorks研发和工程实践的经验积累和技术结晶。苏州同元软控信息技术有限公司自创立以来，在国家科技部863计划先进制造领域的支持下，牢记使命、不忘初心，坚持“基础创新、源头把握、高端切入、国际比肩、共赢未来”，潜心耕耘，砥砺探索，自主研发，从最初自研的Modelica编译求解内核MWorks，发展出MWorks.Sysplorer、MWorks.Sysbuilder和MWorks.Syslink等系列平台工具，在多个航空、航天、核动力等重大工程中得到了考验和进化。希望本书的出版，能够进一步推动Modelica语言和国产自主研发软件MWorks在工业界的应用，吸引更多有识之士加入国产自主软件的开发大潮中，为“制造大国”向“智造大国”的转型贡献绵薄之力。 本书总结、归纳MWorks研发、工程团队大量技术和应用素材，由陈立平教授总体策划，由周凡利、丁建完和郭俊峰并主笔完成。衷心感谢同事杨涛对全书做了细心的勘误校对，感谢华中科技大学出版社周芬娜编辑对出版工作提供了专业细致的指导。由于本书篇幅大、内容多，书中错误和不妥之处在所难免，敬请专家、同仁及读者批评指正。 十年磨利剑，最后向2008年以来矢志不渝打造MWorks的诸位同事一并表示由衷敬意和衷心感谢。 作者 2019年9月