多领域物理统一建模语言与MWORKS实践 课程大纲

《工业系统建模与仿真》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：22CS32303课程名称：工业系统建模与仿真课程英文名称：IndustrialSystemModelingandSimulation总学时：32理论学时：32实验学时：0上机学时：0实践学时：0课外辅导学时：0学分：2开课单位：计算学部软件学院授课对象：软件工程专业本科生开课学期：3秋先修课程：数据结构，c++程序设计二、课程目标《工业系统建模与仿真》是计算机相关专业面向特色专业方向系列的核心课程，目的是使学生在掌握现代复杂工程系统数字化研制模式的基础上，掌握工业软件的分类、发展与应用领域、工业软件的价值和一般架构，掌握Modelica语言的基本语法及MWorks.Sysplorer的运用，通过作业和讲练结合方式增强学生对多领域统一建模与仿真知识的理解和运用能力，为学生将来对工业系统的建模与仿真实际应用与二次开发奠定坚实基础。课程具体目标如下：理论课程目标T：掌握工业软件的发展过程、Modelica基本语法与MWorks.Sysplorer的使用。具体而言：T1：掌握系统级建模与仿真思想与方法。T2：掌握工业软件的分类发展及其一般架构与功能划分。T3：掌握Modelica语言的基本语法和建模流程，能够运用图形和文本方式对物理系统建立模型。T4：掌握MWorks.Sysplorer软件的基本功能与工具箱的使用，能够解决一般物理系统的建模与仿真问题。素质目标A：具备良好的工程数字化思维，能将所学的工业系统建模仿真技能较好的融入到工程实践中，实现技术理论创新和工程实践落地的深度结合。三、课程目标与毕业要求对应关系毕业要求毕业要求具体描述课程目标1.工程知识能够运用计算思维，将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决软件应用领域的复杂工程问题。T2.问题分析能具有一定的系统分析能力。能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理以及合适的模型，识别、表达、并通过文献研究分析工业软件、行业应用软件等领域的复杂工程问题，以获得有效结论。T&A3.设计/开发解决方案了解先进的软件架构，具有一定的软件设计能力。能够综合运用所学知识，设计针对软件应用领域的复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的软件系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等工程伦理因素。T&A4.使用现代工具具有较强的动手能力。能够针对软件应用领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程及信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。了解开源软件的开发方法、开发过程和支持技术，能够利用开源软件和参与开源软件开发。T5.终身学习具有自主学习和终身学习的意识以适应软件技术的快速变化。善于独立思考，具有提出问题、分析问题和解决问题的能力，有不断学习和适应发展的能力。能够通过自主学习适应当代经济社会发展的需要，了解软件工程学科的发展现状和趋势。A四、课程目标与课程内容对应关系序号教学内容教学要求学时教学方式对应课程目标0课程目的与意义掌握本课程目的与意义0讲练与研讨相结合课程目标T&A1一、现代复杂工程系统的数字化研制模式1.系统的定义、特点内涵2.现代复杂工程系统研制模式的发展3.现代仿真技术和仿真工业软件发展历史、类别、技术、适用的专业和典型场景4.系统建模与仿真方法5.工程物理系统多领域统一建模技术发展趋势6.多领域统一建模技术在产品研制过程中的应用定位和价值7.工业系统建模与仿真的基本数学基础熟悉系统的概念与内涵，熟悉现代复杂工程系统的研制现状、问题、趋势，熟悉建模技术的发展历程。1.掌握系统的定义与分类2.掌握现代复杂工程系统的特点3.掌握现代典型工业场景中使用的工业软件类型及解决的主要问题4.掌握从基于文档的串行研制模式到基于模型的并行研制模式5.掌握基于模型的可分解复杂系统研制及系统规模/复杂性增加引起基于模型设计方法的变化6.掌握工程物理系统多领域建模与仿真的发展与方法7.掌握多领域统一建模技术在产品研制过程中的应用定位和价值8.掌握工业系统建模与仿真所需要的基础数学构成4讲练与研讨相结合课程目标T&A2二、Modelica语言的发展历程、优势及其应用1.Modelica语言发展历程2.Modelica语言的特点3.Modelica技术优势4.Modelica工具与模型库5.Modelica的工程应用1.熟悉Modelica语言的发展历程2.掌握Modelica的特点与技术优势3.熟悉Modelica的工具、模型库及其在工程中的应用情况2讲练与研讨相结合课程目标T&A3三、MWorks.Sysplorer软件架构、功能与运用1.MWorks.Sysplorer软件架构与运行过程1.1软件架构1.2MWorks编译、分析与求解过程2.MWorks.Sysplorer基本功能3.MWorks.Sysplorer的拖拽式建模、文本建模1.熟悉MWorks.Sysplorer软件架构及其主要运行过程的底层机制2.根据建模仿真流程，掌握MWorks.Sysplorer基本功能的操作；3.通过上机练习熟悉基于模型库的拖拽式建模4.初步熟悉文本建模2讲练与上机操作相结合课程目标T&A4四、Modelica基本语法（一）1.Modelica语法知识点框架体系2.类与内置类型3.数组4.模型行为描述5.连接与连接器1.掌握并掌握Modelica语法点整体框架与各点之间的联系2.掌握Modelica面向对象的建模、类的基本形式及10个特化类的特点与用法、Modelica数据类型3.掌握Modelica数组的分类、掌握数组的各种声明方式、索引与切片、数组的基本运算、各内置函数的使用以及数组的连接4.掌握Modelica模型组件的行为描述，掌握各类方程的描述方式、算法的实现方式及相关的循环与条件语句5.掌握Modelica组件的连接机制、流/势变量的概念，掌握连接器的使用、领域转换器等内容的实际操作与使用8讲练与研讨相结合课程目标T&A5五、实例分析：线性方程组Guass消元法的Modelica实现1.线性方程组的Guass消元法2.基于Modelica的线性方程组Guass消元法实现1.掌握Guass消元法2.通过工业问题，实践Modelica文本建模，涵盖的知识点包括：函数、方程、数组、循环等内容4讲练与上机操作相结合课程目标T&A6六、Modelica基本语法（二）1.注解2.Modelica面向对象的建模2.1继承2.2多态（实例化重用、重声明重用）1.掌握Modelica的注解编写方式，能够熟练利用注解进行组件参数框、图标、动态组件的设计2.掌握Modelica面向对象的建模特点，掌握Modelica的继承和多态建模机制，掌握实例化重用及重声明重用4讲练与研讨相结合课程目标T&A7七、MWorks.Sysplorer工具箱应用1.模型试验工具箱2.频域分析工具箱3.MBD与代码生成的应用4.工具箱二次开发基础1.掌握模型试验工具箱的应用，包括批量仿真、参数扰动分析、参数扫动分析、蒙特卡络分析等2.掌握频域分析工具箱的应用3.掌握基于模型的设计、代码生成的原理与应用4.掌握工具箱二次开发的基本过程和方法。2讲练与研讨相结合课程目标T&A8八、MWorks.Sysplorer外部接口1.C/C++接口2.FMI接口3.S-function接口1.熟悉MWorks.Sysplorer外部接口，完成各项接口的实际操作试验，加深掌握2讲练与研讨相结合课程目标T&A9九、Modelica建模流程及规范1.Modelica模型开发流程2.Modelica建模规范1掌握Modelica的模型开发流程及建模规范2讲练与研讨相结合课程目标T&A10十、永磁直流电机模型开发与调试1.永磁直流电机介绍2.永磁直流电机的模型库组织3.组件实现4.集成调试（包括异构模型集成）5.基于模型的分析1.设计Modelica模型库的组织架构，运用建模流程规范，实现一个简单的系统模型库构建及模型的集成调试。2.利用MWorks.Sysplorer集成接口及工具箱开展模型集成与分析。2讲练与上机操作相结合课程目标T&A五、课程教学方法本课程教学将采用“理论教学+案例讲解”的教学模式。六、课程考核方法理论课程成绩满分100分。由以下部分构成：考核环节所占分值考核与评价细则对应课程目标(1)平时作业完成情况50%平时作业完成的正确性、规范性课程目标T1-T4,A(2)期末考试50%期末考试各类题型知识的得分分析课程目标T1-T4课程最终成绩=（1）+（2）目标达成度=60分以及以上同学数量/所有同学数量七、主要教材和参考书《多领域物理统一建模语言MODELICA与MWORKS系统建模》撰写人：曲明成审核人：陈鄞日期：2023.6附件：毕业要求（摘自工程教育认证通用标准）专业必须有明确、公开的毕业要求，毕业要求应能支撑培养目标的达成。专业应通过评价证明毕业要求的达成。专业制定的毕业要求应完全覆盖以下内容：1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。5.使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。6.工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。7.环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。8.职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实