Modelica語言的介紹

侯寒冰+席可+韓思凡

摘 要：在20世紀(jì)70年代到90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域有了深入的應(yīng)用，一批應(yīng)用廣泛的單領(lǐng)域建模仿真工具由此誕生，如電氣領(lǐng)域的Saber、機(jī)械領(lǐng)域的ADAMS、控制領(lǐng)域的Simulink等。與此同時(shí)，物理建模語言開始出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Modelica；建模

1 Modelica語言的發(fā)展

工程物理系統(tǒng)多領(lǐng)域的建模方式有三種，分別是基于接口聯(lián)合仿真的多領(lǐng)域建模、基于圖的多領(lǐng)域建模和基于物理語言的多領(lǐng)域建模。作為基于物理語言的多領(lǐng)域建模語言，Modelica支持面向?qū)ο蟆⒎且蚬ｊ愂鍪?、多領(lǐng)域統(tǒng)一及連續(xù)離散混合建模，并提供了兼容框圖、鍵合圖及線形圖的表示方式，Modelica 還提供了覆蓋電子、機(jī)械、電磁、流體、控制、熱等領(lǐng)域的強(qiáng)大的、開放的標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域模型庫，目前為止，除標(biāo)準(zhǔn)庫以外已經(jīng)存在大量可用的免費(fèi)庫與商業(yè)庫。但是Modelica不支持偏微分方程的求解。最近這些年，隨著對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模仿真的需求愈加明顯，Modelica模型庫和Modelica語言規(guī)范都有了很大的發(fā)展，初步形成了以Modelica 為代表的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模規(guī)范語言。

2 Modelica語言的介紹

多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica共有六個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，分別是：基于方程；面向?qū)ο蟮奈锢斫＃环且蚬P(guān)系建模；多領(lǐng)域統(tǒng)一建模；連續(xù)離散混合建模；提出并支持通用仿真接口FMI?；贛odelica語言的六個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，可以總結(jié)出Modelica的一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先，在方程的建模方式、多領(lǐng)域物理建模方面，基于Modelica語言能夠更方便地建立模型；其次，Modelica模型具有良好的擴(kuò)展性、重用性，實(shí)現(xiàn)知識(shí)積累，并可完全掌握模型的數(shù)學(xué)原理；而且Modelica模型代碼是完全開放的，模型具有良好的交互性；最后，Modelica模型支持FMI仿真接口，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域異構(gòu)模型的集成。

3 Modelica建模的基本步驟

使用Modelica語言進(jìn)行多領(lǐng)域統(tǒng)一建模時(shí)要用到支持Modelica語言的仿真軟件平臺(tái)。雖然支持的軟件平臺(tái)各不相同，但它們?cè)谑褂肕odelica語言進(jìn)行建模仿真時(shí)的基本步驟相同，即必須經(jīng)過編輯器、編譯器和后處理三個(gè)部分。Modelica語言的主要建模流程如圖1所示。

參考圖1，在運(yùn)用Modelica語言進(jìn)行建模仿真時(shí)，首先我們需要在編輯器中對(duì)模型文件進(jìn)行編輯，可以通過編寫代碼的方式來進(jìn)行純文本編輯，也可以通過鼠標(biāo)從編輯器中拖拽模型圖標(biāo)。在編輯器中，我們可以將外部數(shù)據(jù)，如Modelica庫、模型參數(shù)、自定義模型、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)和外部圖形等輸入到模型文件中來構(gòu)建模型。編輯好模型文件后，接下來要將其交給編譯器進(jìn)行編譯并求解。求解無誤后，再將模型文件的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。

Modelica編譯仿真流程圖如圖2所示，首先將Modelica模型的源代碼在編譯器中編譯為平坦化方程系統(tǒng)；接著來將平坦化的方程系統(tǒng)用分析器轉(zhuǎn)化為有序方程序列；然后通過優(yōu)化器將有序方程序列優(yōu)化，由此得到優(yōu)化的有序方程序列；再由代碼生成器將優(yōu)化的有序方程序列轉(zhuǎn)化成C代碼；最后將C代碼用C語言編譯器編譯成可執(zhí)行代碼，完成仿真運(yùn)算。

Modelica模型方程的求解可歸結(jié)為求解不同性質(zhì)的耦合子集，該子集包括五種方程，分別是常微分方程、微分-代數(shù)方程、線性代數(shù)方程、非線性代數(shù)方程及賦值方程。其中前四種方程用經(jīng)典算法來求解，賦值方程直接計(jì)算求解，求解的具體過程不在本文的研究范圍內(nèi)，不再贅述。

基于Modelica語言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的建模仿真的實(shí)現(xiàn)，需要有相應(yīng)的可提供建模、編譯求解和后處理等功能的平臺(tái)軟件。目前已有許多建模仿真平臺(tái)工具可以很好地支持基于Modelica語言的建模與仿真，比較經(jīng)典的有以下幾個(gè)：第一個(gè)支持Modelica語言的建模仿真軟件Dymola、華中科技大學(xué)CAD中心開發(fā)的Mworks、德國ITI公司開發(fā)的SimulationX、瑞典Link?Ping大學(xué)PELAB實(shí)驗(yàn)室卡發(fā)的MathModelica和OpenModelica等。

4 展望

從我國建國至今，我國一直都在提倡改革，在環(huán)境保護(hù)方面，我國堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，通過幾十年的改革開放，我國也取得了長足的發(fā)展?，F(xiàn)如今，我國的環(huán)境問題仍然是不樂觀的，為了解決這個(gè)全世界都面臨的難題，我國仍需堅(jiān)持改革，堅(jiān)持創(chuàng)新，發(fā)展新技術(shù)，電動(dòng)客車作為一種新型的技術(shù)，在各個(gè)方面都有很多優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)客車是有能力擔(dān)起未來公共交通中的重?fù)?dān)的，電動(dòng)客車必將在將來的生活中扮演重要的角色。

參考文獻(xiàn)

[1]楊俊杰. 基于Modelica的純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真研究[D].鄭州大學(xué)，2016.

[2]趙建軍，丁建完，周凡利，陳立平. Modelica語言及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機(jī)理[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，（S2）：570-573.

[3]王志福，張承寧. 電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.