工程物理系统建模理论与方法（智能制造系列丛书）

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是国内乃至亚洲唯一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

从

2001年正式启动多领域物理统一建模技术研究，从一个概念愿景到基本完整的理论算法体系，从理论算法到技术原型，从技术原型走向应用迭代，在国家重大创新工程的应用迭代中实现技术的产品化、产业化，系统智能设计与综合仿真系统

MWORKS历经20年守望终于迎来了中国创新的时代。

作为先进设计技术的研发者，一直想梳理一下本领域的技术演进，但设计技术作为基础性综合学科，博大精深，若无全面、深厚的理论底蕴和工程实践积淀难以胜任，因此退而求其次，希望通过MWORKS的研究、开发与应用实践，阐明我们对设计学、设计技术的几点认知。

设计是约束满足问题，约束满足问题是人工智能的重要命题，因此，设计学研究是人工智能应用研究的重要范畴。

在计算技术高度发达的时代，设计学研究不能流于方法学，必须走向技术和工具创新。数字化设计技术是现代设计学的使能技术，是设计学、应用数学和信息科学多学科交叉融合的产物，承载着现代设计学的理念、方法，通过数学过程，以软件为存在形式，面向广泛应用提升设计的自动化、集成化和智能化的能力与水平。需求创新不断丰富现代设计学的内涵，信息技术的快速发展同时推动现代设计技术的创新与发展，但是建模、分析（仿真）、优化以及协同管理是不断发展的数字化设计技术的永恒不变的主题，智能设计是数字化设计发展的方向。

复杂产品是多学科综合集成系统，在机理上可抽象为能量流、物质流和信息流的融合。然而近40年来，以多个单领域建模分析工具的信息集成解决多学科融合问题的方法在理论上缺乏完备性、有瑕疵，发展不尽如人意，需要理论创新。

本书提出的工程物理系统原理包括机电液控等多学科原理，围绕能量流、物质流和信息流的链接机制、一类数学方程的融合以及统一求解的计算框架，全面介绍了国际多领域物理统一建模语言规范Modelica的编译、数学映射、指标约简、系统分治、计算程序自动生成与求解等关键技术，建立了基于统一表达、统一求解的知识自动化技术体系，以“画出系统构型、生成计算软件、体验系统性能”的方式实现了以知识（模型）为中心的一类工业软件自动创成的新范式，对于在中国创新时代发展新一代工业基础软件及应用生态有重要启迪意义。

最后借本书完成之际，感谢苏州同元软控

信息技术有限公司的

技术团队对本课题潜心20载的卓越贡献； 感谢中国航天

科技集团有限公司

为本课题提供了大量工程应用迭代，让基础研究最终走入工程应用； 感谢江苏省、苏州市及苏州工业园区为技术产品化、产业化提供了长期的政策、环境、人才及资金支持； 特别感谢国家科技部“863”计划、重点研发计划对于本课题给予长期支持。

陈立平2021年11月30日于苏州独墅湖

第1章绪论00

1.1数字化设计概述00

1.2计算机科学技术的发展对设计技术的影响00

1.3人工智能与数字化设计技术创新00

1.4功能建模技术综述00

1.5工程物理系统数字化设计的创新发展00

1.5.1工程物理系统多领域统一建模方法00

1.5.2Modelica语言的发展、工程应用与相关工具0

1.5.3多领域统一模型的编译映射技术0

1.5.4多领域物理系统仿真求解技术0

1.6研究意义0

第2章工程物理系统多领域统一建模与Modelica0

2.1概述0

2.2工程系统物理建模0

2.2.1物理组件的行为与结构0

2.2.2面向对象建模0

2.2.3多领域统一建模0

2.2.4陈述式非因果建模0

2.2.5连续离散混合建模0

2.3物理系统多领域统一建模原理0

2.3.1键合图与线性图0

2.3.2多领域统一建模原理0

2.3.3多领域建模语言与工具0

2.4面向对象的统一物理建模语言Modelica0

2.4.1面向对象建模支持0

2.4.2多领域统一建模支持0

2.4.3陈述式非因果建模支持0

2.4.4连续离散混合建模支持0

2.5Modelica模型的编译与求解0

2.6小结0

第3章陈述式仿真模型的相容性分析0

3.1引言0

3.2方程系统表示图及相关概念0

3.2.1图论基本概念0

3.2.2结构关联矩阵0

3.2.3结构关联矩阵的二部图表示0

3.3仿真模型的相容性判定0

3.4奇异组件的识别0

3.5过约束问题分析策略0

3.5.1过约束度为1的过约束问题0

3.5.2过约束度大于1的过约束问题0

3.6欠约束问题分析策略0

3.6.1剔除变量0

3.6.2补充方程0

3.7复合组件引起的奇异问题0

3.8小结0

第4章陈述式仿真模型的约简策略研究0

4.1引言0

4.2方程表达式的规范转换0

4.2.1转换规则0

4.2.2方程的二叉树表示0

4.2.3规范转换过程0

4.3方程系统的规模分解0

4.3.1剥离策略0

4.3.2凝聚策略0

4.3.3归并策略0

4.3.4拓扑排序0

4.4强耦合方程子集约简策略0

4.4.1剥离代数变量0

4.4.2撕裂代数环0

4.5内嵌积分0

4.5.1内嵌积分的基本思想0

4.5.2DAE系统的离散化策略0

4.5.3DAE系统的内嵌积分0

4.6小结0

第5章DAE模型的指标分析与相容初始化0

5.1引言0

5.2高指标问题及相关概念0

5.2.1高指标问题0

5.2.2结构奇异方程子集0

5.2.3指标约简0

5.3现有指标约简方法0

5.3.1Gear方法0

5.3.2Pantelides方法0

5.3.3哑导方法0

5.3.4现有方法的不足0

5.4基于加权二部图的指标约简0

5.4.1广义ODE系统0

5.4.2加权二部图及其特性0

5.4.3基于加权二部图的指标约简0

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

5.6Modelica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

6.3Modelica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限制冗余约束

6.5.2闭环结构中非线性代数方程的处理

6.6Modelica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

7.2.1CPS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

7.3CPS系统统一建模

7.3.1Modelica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

7.4.2CPS方程系统规划分解

7.4.3CPS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

7.5.2CPS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AModelica系统仿真平台

MWORKS.Sysplorer

A.1MWORKS.Sysplorer简介

A.2MWORKS.Sysplorer基础功能

A.2.1建模操作

A.2.2翻译仿真

A.2.3结果查看

A.3MWORKS.Sysplorer工具箱

A.3.1频率估算工具箱

A.3.2模型试验工具箱

A.3.3模型标定

A.3.4模型参数优化

附录BModelica语法概述

B.1类与内置类型

B.1.1类的基本类型

B.1.2基础数据类型及其属性

B.1.3数据的前缀用法

B.2数组

B.2.1数组声明

B.2.2数组构造

B.2.3数组连接

B.2.4数组索引与切片

B.2.5数组运算

B.3模型行为描述

B.3.1方程

B.3.2算法

B.4连接与连接器

B.4.1因果连接器

B.4.2非因果连接器

B.4.3可扩展连接器

B.4.4隐式连接器

B.5函数

B.5.1函数声明

B.5.2函数调用

B.5.3内置函数

B.5.4记录构造函数

B.5.5函数微分注解声明

B.5.6外部函数调用

B.6注解

B.6.1参数框设计

B.6.2图标设计

B.6.3帮助文档设计

B.6.4动态显示设计

B.6.5文本其他注解

B.7事件

B.7.1事件概念

B.7.2事件触发语句及函数

B.7.3事件相关函数

B.7.4事件处理函数

B.8模型重用

B.8.1继承重用

B.8.2实例化重用

B.8.3重声明重用

附录CModelica工程应用

C.1机械系统建模仿真应用

C.2热力系统建模仿真应用

C.3通信系统建模仿真应用

C.4控制系统建模仿真应用

C.5电气系统建模仿真应用

C.6流体系统建模仿真应用

C.7车辆系统仿真应用

C.7.1车辆电池模型库

C.7.2车辆发动机模型库

C.7.3车辆电子模型库

C.7.4车辆热管理系统模型库

C.7.5车辆动力性经济性模型库

C.7.6车辆动力学模型库

C.8半物理仿真应用

参考文献