Modelica语言导论——技术物理系统建模与仿真 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书主要围绕技术物理系统建模与仿真，介绍工业界应用广泛的多领域物理建模语言Modelica，覆盖建模与仿真基本概念以及面向对象和基于组件的建模基础。本书目标如下：成为关于建模和仿真导论课程的实用教材；让先前不具备建模、仿真和面向对象背景的读者容易学习；对物理建模、面向对象建模和基于组件建模进行基本介绍；演示一些精选的应用领域的建模实例。本书是Modelica语言奠基者之一的PETER FRITZSON教授撰写的建模仿真与Modelica入门基础教程。

第1章 概论1

1.1 系统和试验2

1.1.1 自然系统和人工系统3

1.1.2 试验5

1.2 模型的概念6

1.3 仿真7

1.3.1 仿真的必要性8

1.3.2 仿真的不足9

1.4 创建模型10

1.5 分析模型11

1.5.1 敏感度分析11

1.5.2 基于模型的诊断12

1.5.3 模型验证与确认12

1.6 数学模型分类13

1.6.1 方程分类14

1.6.2 动态模型VS静态模型14

1.6.3 连续时间模型VS离散时间模型16

1.6.4 定量模型VS定性模型17

1.7 产品设计运用建模和仿真18

1.8 系统模型实例20

1.9 总结25

1.10 参考文献25

第2章 Modelica简介26

2.1 Modelica入门27

2.1.1 变量和预定义类型32

2.1.2 注释34

2.1.3 常量35

2.1.4 可变性36

2.1.5 默认初始值36

2.2 面向对象的数学建模37

2.3 类和实例38

2.3.1 创建实例39

2.3.2 初始化41

2.3.3 特化类42

2.3.4 基于变型的类重用43

2.3.5 内置类型和属性44

2.4 继承45

2.5 泛型类46

2.5.1 以实例作为类参数46

2.5.2 以类型作为类参数48

2.6 方程49

2.6.1 重复的方程结构51

2.6.2 偏微分方程52

2.7 非因果物理建模53

2.7.1 物理建模VS面向框图建模53

2.8 Modelica组件化模型55

2.8.1 组件56

2.8.2 连接图56

2.8.3 连接器和连接器类58

2.8.4 连接59

2.8.5 Inner和Outer定义隐式连接60

2.8.6 可扩展连接器与信息总线61

2.8.7 对流连接器62

2.9 抽象类63

2.9.1 抽象类重用64

2.10 组件库设计和应用66

2.11 示例：电子组件库66

2.11.1 电阻66

2.11.2 电容66

2.11.3 电感67

2.11.4 电压源68

2.11.5 接地69

2.12 简单电路模型69

2.13 数组71

2.14 算法结构74

2.14.1 算法区和赋值语句74

2.14.2 语句75

2.14.3 函数76

2.14.4 运算符重载和复数78

2.14.5 外部函数81

2.14.6 函数化的算法82

2.15 离散事件和混合建模83

2.16 包87

2.17 注解89

2.18 命名规范90

2.19 Modelica标准库91

2.20 Modelica实现和执行93

2.20.1 手工编译简单电路模型95

2.20.2 状态空间转化97

2.20.3 求解方法99

2.21 发展历程102

2.22 总结106

2.23 文献106

2.24 练习108

第3章 类和继承112

3.1 类设计者和用户之间的约定112

3.2 类示例113

3.3 变量114

3.3.1 变量名重复115

3.3.2 变量名和类型名重复115

3.3.3 变量初始化116

3.4 方程即行为116

3.5 访问控制118

3.6 登陆月球示例仿真119

3.7 继承122

3.7.1 方程继承123

3.7.2 多重继承124

3.7.3 声明元素处理和用前声明126

3.7.4 extends语句声明顺序127

3.7.5 MoonLanding继承示例127

3.8 总结129

3.9 文献129

第4章 系统建模方法130

4.1 创建系统模型130

4.1.1 演绎建模法VS归纳建模法131

4.1.2 传统方法132

4.1.3 面向对象-基于组件方法133

4.1.4 自上而下VS自下而上建模134

4.1.5 模型简化135

4.2 容器系统建模136

4.2.1 应用传统方法136

4.2.2 应用面向对象-基于组件方法138

4.2.3 连续PI控制容器系统139

4.2.4 连续PID控制容器系统143

4.2.5 串联容器系统146

4.3 基于预定义组件的直流电机TOP-Down建模147

4.3.1 系统定义147

4.3.2 系统分解和通信初步设计148

4.3.3 子系统建模148

4.3.4 子系统组件建模150

4.3.5 接口和连接定义151

4.4 接口设计-连接器类152

4.5 总结153

4.6 文献153

第5章 Modelica标准库155

5.1 总结162

5.2 文献162

附录A 术语表163

附录B OpenModelica和OMNotebook命令171

B.1 交互式电子书OMNotebook171

B.2 常用命令和示例174

B.3 完整命令列表175

B.4 OMSHELL和DYMOLA184

B4.1 OMShell184

B4.2 Dymola 脚本185

文献185

附录C OMNotebook和DrModelica的文本建模187

C.1 HELLOWORLD练习188

C.2 用VanDerPol和DAEExample模型运行DRMODELICA189

C.3 简单方程系统189

C.4 BouncingBall混合建模190

C.5 采样混合建模190

C.6 方程和算法区域190

C.7 在电路中添加可连接组件191

C.8 电路的详细建模192

C.8.1 方程192

C.8.2 模型实现193

C.8.3 搭建电路模型196

C.8.4 电路仿真196

附录D 图形建模练习197

D.1 简单直流电机197

D.2 具有弹簧和惯量的直流电机198

D.3 具有控制器的直流电机198

D.4 直流电机作为发电机199

参考文献200

Peter Fritzson is Professor since 1995 and research director of the Programming Environment Laboratory (PELAB), at Link？ping University. He is also director of the Open Source Modelica Consortium (OSMC), director of the MODPROD center for model-based product development, and vice chairman of the Modelica Association, organizations he helped to establish. During 1999-2007 he served as chairman of the Scandinavian Simulation Society, and secretary of the European simulation organization, EuroSim. He received his M.Sc. in engineering 1975 and PhD 1984 in computer science from Link？ping University. He was project leader at Sun MicroSystems, California, 1985-86, and visiting professor at University of Queensland, Australia, 2007-2008. Prof. Fritzson's current research interests is in software engineering, especially programming languages, high level specification and modeling languages, programming and debugging tools and environments, parallel and multi-core computing, compilers and compiler generators (e.g. RML). During recent years he has put special emphasis on tools and languages for object-oriented modeling and simulation, and is one of the founding fathers of the Modelica language. He is currently leading the OpenModelica open source effort. 

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4.3.3 子系统建模

然后进一步分解并建立子系统模型。首先创建控制器的模型，可以在标准Modelica库中找到反馈节点和PI控制器。再添加一个阶跃函数块作为控制信号。所有的组件如图4.12所示。

图4.12 控制器建模

第二个要分解的主要组件是直流电机的电路部分（见图4.13）。在这里我们已经将直流电机分解为标准部件，包括一个由信号控制的电压源、一个电路的接地组件、一个电阻、一个代表电机线圈的电感和一个将电能转换为旋转运动的电动力转换器(emf)。

图4.13 电路建模

第三个子系统（见图4.14）包含三个具有惯量的机械旋转负载、一个理想的齿轮、一个转动弹簧和一个给控制提供数据的转速传感器。

图4.14 带有速度传感器的机械子系统建模

4.3.4 子系统组件建模

我们设法在Modelica模型库中找到所有组件对应的预定义模型。如果某些组件找不到，那就需要为这些组件定义合适的模型类以及方程，如图4.15所示的控制子系统的部件，如图4.16所示的电气子系统的部件，如图4.17所示的旋转机械子系统的部件。

图4.15 控制子系统中的基本方程与组件

图4.16 电气子系统中的基本方程与组件

图4.17 机械子系统中的基本方程与组件

图4.16中电气子系统包含的电气组件，如电阻、电感、信号电压源 

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编辑推荐

Modelica语言已经成为多领域系统建模标准语言，是复杂系统“智能设计”时代系统建模的支撑标准，已经广泛应用于航天、航空、车辆、能源、船舶、兵器等工业领域，国内工程界也已经广泛接受Modelica标准。国外已经出版了几本Modelica专著，原书作者PETER FRITZSON是Modelica语言奠基者之一，本书是介绍Modelica入门最为经典的著作，由于Modelica在国内已经广泛推广，对于本书有着广泛的需求。译者团队是国内从事Modelica研究、工具开发及工程应用实力最强、影响*的团队。 

媒体评论

Modelica是一种全新的面向对象的软硬件建模语言，提供了通用的高级计算建模和仿真方法，在世界范围内被广泛运用。Modelica语言为机械、电气、控制、热动力学等应用领域提供了通用的语法符号、强大的模型抽象和有效的仿真实现能力。本书采用Modelica语言及相关技术，介绍了基于组件的面向对象建模方法，帮助读者快速掌握基于方程和面向对象的数学建模与仿真技术。

 本书借助Modelica阐述建模仿真的各个方面，同时，也通过建模仿真示例解释Modelica语言的关键概念。本书：

 解释系统、模型、仿真等基本概念；

 借助循序渐进的仿真示例，引导读者学习Modelica语言；

 介绍Modelica类的概念及其在图文建模中的应用；

 探讨连续、离散和混合系统的建模方法论；

 概述Modelica标准库与重要的模型库。

本书涉及大量独立或组合应用领域仿真的模型示例，所有示例和练习都包含在DrModelica中。DrModelica自学程序在以下网址获取：

http://omwebbook.openmodelica.org/DrModelica

本书由开源Modelica联盟负责人编写，目标读者是对计算机辅助设计、建模、仿真以及技术与自然系统分析感兴趣的工程师和学生。本书是学习建模、仿真与面向对象技术的理想教材。

前言

原书的前言

Preface

本书讲解建模和仿真的基本概念，为熟悉基本编程概念的读者介绍Modelica语言。同时针对初学者，对建模和仿真的概念以及面向对象和基于组件的建模基础做基本介绍。本书有四个目标：

成为建模与仿真导论课程的实用教材。

适合建模、仿真、面向对象的初学者。

对物理建模、面向对象建模和基于组件建模进行基本介绍。

演示精心选择的应用领域建模实例。

本书包含各种应用领域的建模实例，也包含跨越多领域的建模实例。书中的全部实例和练习都能在电子自学材料DrModelica中找到 。DrModelica的内容基于本书以及内容更丰富的《Principles of Object-Oriented Modeling of Simulation with Modelica 2.1》（Fritzson，2004）。DrModelica指导读者逐步从易到难地进行实例的学习和练习。部分DrModelica教学材料的内容可以免费从网站www.openmodelica.org下载，网站上还有本书的其他资料。

Peter Fritzson

译者序：

1997年Modelica规范1.0发布，是数字化技术发展史上的里程碑事件，标志着建模仿真从专业级、部件级进入了跨学科、多领域的系统级，为多领域物理系统建模奠定了统一的形式表达。历经20多年发展，Modelica已经广泛应用于航空、航天、车辆、能源、教育等各行各业，成为系统级仿真的事实国际标准，法国达索、德国西门子、美国ANSYS、美国ALTAIR、法国ESI等知名国际工业软件公司纷纷通过支持Modelica从单专业、零部件仿真走向全领域、全系统仿真。

早期Modelica规范只有一百多页，但它是面向对象多领域物理统一建模技术几十年的浓缩。好的规范就是时代技术的浓缩，Modelica跟IC规范VHDL一样是这样的典型。Modelica的发展最早追溯到1967年推出的连续系统仿真语言CSSL，1978年Hilding Elmqvist在其博士论文中提出了面向对象的物理建模语言雏形Dymola，这是Modelica的核心来源之一。从20世纪70年代到90年代，欧洲出现了十多种物理建模语言，1997年欧洲仿真界综合多种物理建模语言推出了多领域统一建模语言Modelica。Modelica现已成为国际物理建模事实标准。

Modelica归纳了机、电、液、控、热等各学科的工程物理统一原理，使得不同学科可以采用统一的数学表达、统一的模型描述、统一的建模模式来实现统一建模与仿真。Modelica综合了先前多种建模语言的优点，支持面向对象建模、非因果陈述式建模、多领域统一建模及连续-离散混合建模，以微分方程、代数方程和离散方程为数学表示形式。

Modelica的内涵非常丰富，要全面了解和掌握Modelica，需要从外延和内涵两个角度把握。从外延讲，需要了解系统、建模、仿真的基本概念，了解建模与仿真在产品研制中是怎么应用的；从内涵讲，要了解系统建模的方法，熟悉Modelica语言的基本语法语义和应用规则。本书从外延和内涵这两个角度对于Modelica进行了非常好的介绍，特别适宜于作为Modelica的入门教材。

作者Peter Fritzson教授是Modelica技术的奠基人之一，长期担任Modelica协会副主席，是Modelica规范3.0版本的主要撰稿人，创立了开源Modelica联盟，主持开发了OpenModelica系列软件，近二十多年来一直致力于Modelica技术的发展与推广。本书是作者另一本Modelica百科全书式专著《Principles of Object-Oriented Modeling of Simulation with Modelica 3.3》的入门版，针对初学者系统阐述了建模仿真的基本概念、应用场景和Modelica基本知识及应用案例。

本人自2001年起一直致力于Modelica技术研究、产品开发及工程应用，是国内modelica研究第一批拓荒者。新世纪初初识Modelica，即认为Modelica为工程世界构筑了一个模型表达与互联的基础，是中国工业系统设计软件创新发展的历史机遇，前景广阔。拥有自主的Modelica编译器、分析器和求解器是中国发展自主可控的Modelica技术体系的前提，为此作为中国Modelica技术研究团队主要成员，自2001年起开展了7年技术研究，并于2008年作为主要创始人之一发起成立了苏州同元软控信息技术有限公司，2009年同元软控推出完全自主的系统建模仿真软件MWorks，并先后应用于大飞机、航空发动机、空间站、嫦娥工程、火星探测、大型运载火箭、核能动力等重大型号工程。目前MWorks已成为国际六大Modelica技术平台之一，中国籍此实现了Modelica技术的自主可控。

本书英文原版出版较早，当时Modelica规范主要版本为3.2，目前Modelica规范*版本为3.4，本书主要介绍Modelica基础知识，Modelica规范从3.2到3.4，这些基础知识没有变化，所以本书仍是Modelica入门的合适教材。读者如果想要更深入学习Modelica，可以直接阅读Modelica规范3.4（Modelica官网可下载）或参阅Peter Fritzson教授另一专著《Principles of Object-Oriented Modeling of Simulation with Modelica 3.3》。

本书示例使用的Modelica工具环境是OpenModelica和OMNotebook，所有示例都可在上面运行，同时也可以下载苏州同元软控信息技术有限公司出品的系统建模仿真软件MWorks.Sysplorer，作为本书案例的实操环境。

本书翻译是多人合作努力的成果，周凡利负责全书翻译统筹策划，早期刘炜提供了本书的初译稿，黄堃进行了初次校对，其后组织苏州同元软控信息技术有限公司周斌、刘志会、张彤晖、周王睿彬、杨勇杰等同仁和中国运载火箭技术研究院唐俊杰博士对全稿进行了重译再校，其中前言、致谢和第1章由周斌负责，第2章由唐俊杰和刘志会负责，第3章由刘志会负责，第4章由唐俊杰负责，第5章由张彤晖负责，附录A由周凡利负责，附录B、C由周王睿彬负责，附录D由杨勇杰负责，全书图表由唐俊杰负责，唐俊杰和周凡利对全书进行了精校。在此对参与本书翻译和校对的所有人员表示衷心感谢。特别感谢华中科技大学出版社编辑对于本书翻译出版的精心指导。

Modelica被誉为工程师的JAVA，作为与CC FORTRANJAVAVHDL-AMSVerilog并存的完备语言，是基于模型的系统工程、数字孪生及数字工程生态重要的使能技术对于当下中国工业的数字化转型与工业软件的发展具有特别意义。Modelica先进技术方法与中国庞大的工程需求相结合，必将推动中国工业系统软件及生态的发展壮大。，

最后敬请各位专家、同仁、读者不吝指正。

周凡利 博士 

书籍介绍

Modelica语言已经成为多领域系统建模标准语言，是复杂系统“智能设计”时代系统建模的支撑标准，已经广泛应用于航天、航空、车辆、能源、船舶、兵器等工业领域，国内工程界也已经广泛接受Modelica标准。国外已经出版了几本Modelica专著，原书作者PETER FRITZSON是Modelica语言奠基者之一，本书是介绍Modelica入门为经典的著作，由于Modelica在国内已经广泛推广，对于本书有着广泛的需求。译者团队是国内从事Modelica研究、工具开发及工程应用实力强、影响大的团队。

本书主要围绕技术物理系统建模与仿真，介绍工业界应用广泛的多领域物理建模语言Modelica，覆盖建模与仿真基本概念以及面向对象和基于组件的建模基础。本书目标如下：成为关于建模和仿真导论课程的实用教材；让先前不具备建模、仿真和面向对象背景的读者容易学习；对物理建模、面向对象建模和基于组件建模进行基本介绍；演示一些精选的应用领域的建模实例。本书是Modelica语言奠基者之一的PETER FRITZSON教授撰写的建模仿真与Modelica入门基础教程。