多领域物理统一建模语言与MWORKS实践 课件 03-MWORKS.Sysplorer软件基础功能与应用-2023b（1.5学时）

工业系统建模与仿真MWORKS.Sysplorer基础功能与应用曲明成计算学部工业软件中心/哈工大重庆研究院无人装备中心qumingcheng@目录1.

Sysplorer软件架构与执行流程2.模型库加载3.图形化建模(单摆)4.仿真求解设置(单摆)5.结果后处理分析(单摆)1.MWOKRS.Sysplorer软件界面快速访问工具栏功能区右侧菜单栏模型浏览器组件浏览器建模视图组件参数组件变量命令窗口文档浏览器输出窗口仿真浏览器二维动画窗口三维动画窗口曲线窗口表格窗口帮助与反馈窗口1.1

MWORKS产品体系|业务定位小回路设计验证闭环

支持系统设计与系统仿真验证闭环大回路设计验证闭环

总体专业与分系统专业闭环，多专业联合仿真，多学科设计优化虚实融合闭环

数字功能样机与物理样机孪生闭环，虚拟试验、故障仿真、可靠性分析系统设计仿真开放平台

提供基于标准的数字化系统工程开放框架，支持上下游工具软件集成，支持可视化应用开发MWORKS产品定位：复杂工程系统设计仿真验证1.1

MWORKS产品体系|功能组成完整的CPS技术底座1.2

MWORKS.Sysplorer平台框架MWORKS.Sysplorer基于国际多领域统一建模规范Modelica，支持工业设计知识的模型化表达和模块化封装，能够实现基于物理拓扑的快速系统模型集成与仿真验证。Standard标准版Studio建模环境Compiler编译模块Analyzer分析模块CodeGenerator代码生成模块Solver求解模块PostProcessor后处理模块Toolkits工具箱ModelPublisher模型加密发布DynamicDiagram组件动态显示PythonScriptingPython脚本扩展3DAnimation三维动画显示DesignofExperiment试验设计工具FrequencyAnalysis频域分析工具Interface

接口SimulinkInterfaceSimulink接口C/C++InterfaceC/C++语言接口FortranInterfaceFortran语言接口FMIConnectorFMI功能样机接口KineTrans三维CAD软件接口ANSYSInterfaceANSYS软件接口Modelica模型库ModelicaStandardLibrary标准模型库Tongyuan

CommercialLibraries同元商业模型库ThirdPartyLibraries第三方模型库1.3运行流程ModelicaCode词法语法语义分析平坦化ModelicaCode方程系统分析优化过程式CodeC代码生成与编译CCode与时序推进系统仿真结果仿真编译词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解modelModelTest

Modelica.Electrical.Analog.Sources.SineVoltagesineVoltage;

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Groundground;

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistorr1(R=10);

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistorr2(R=10);

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Capacitorc(C=0.01);

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Inductorl(L=0.1);equation

connect(sineVoltage.n,ground.p);

connect(l.n,ground.p);

connect(sineVoltage.p,r1.p);

connect(r2.p,r1.p);

connect(r2.n,l.p);

connect(r1.n,c.p);

connect(c.n,ground.p);endModelTest;modelInductor"Ideallinearelectricalinductor"PositivePinp"Positiveelectricalpin";

NegativePinn"Negativeelectricalpin“;

SI.Voltagev"Voltagedropofthetwopins(=p.v-n.v)";

SI.Currenti(start=0)"Currentflowingfrompinptopinn";

parameter

SI.InductanceL(start=1)"Inductance";equation

L*der(i)=v;

0=p.i+n.i;i=p.i;v=p.v-n.v;endInductor;modelModelTest

Modelica.Electrical.Analog.Sources.SineVoltagesineVoltage;

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Groundground;

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistorr1(R=10);

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistorr2(R=10);

Modelica.Electrical.Analog.Basic.Capacitorc(C=0.01);PositivePin'l.p';

NegativePin'l.n';

SI.Voltage'l.v';

SI.Current'l.i'(start=0);

parameter

SI.Inductance'l.L'(start=1);equation

'l.L'*der('l.i')='l.v';

0='l.p.i'+'l.n.i';

'l.i'='l.p.i';

'l.v'='l.p.v'-'l.n.v';

connect(sineVoltage.n,ground.p);connect(l.n,ground.p);

连接方程的本质：两端势变量相等，流变量相加为0->'l.n.v'=ground.p.v;'l.n.i'+ground.p.i=0;

connect(sineVoltage.p,r1.p);

connect(r2.p,r1.p);connect(r2.n,l.p);->r2.n.v='l.p.v’;r2.n.i+'l.p.i'=0;

connect(r1.n,c.p);

connect(c.n,ground.p);endModelTest;电感l的平坦化，将其参数与方程提取到顶层模型。以此类推，将所有组件平坦化。平坦化1.3运行流程平坦化方法通过分析模型的词法和语法结构，将带层次结构的原模型变为平坦化的模型，生成的平坦化模型中所有的组件类型都是Modelica的内置类型，所以该平坦化模型可在任意支持Modelica语言的平台上仿真，而不依赖于其它模型库。解除模型对于其所用到的模型库的依赖关系，大大简化模型后续的使用和管理，同时又能解决模型中各模块所依赖的模型库不兼容的问题，便于模型的后续构建。词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解modelModelTest'l.L'*der('l.i')='l.v';

0='l.p.i'+'l.n.i';

'l.i'='l.p.i';

'l.v'='l.p.v'-'l.n.v';

connect(sineVoltage.n,ground.p);connect(l.n,ground.p);

连接方程的本质：两端势变量相等，流变量相加为0->'l.n.v'=ground.p.v;'l.n.i'+ground.p.i=0;

connect(sineVoltage.p,r1.p);

connect(r2.p,r1.p);connect(r2.n,l.p);->r2.n.v='l.p.v’;r2.n.i+'l.p.i'=0;

connect(r1.n,c.p);

connect(c.n,ground.p);endModelTest;模型分析模型实例化，得到待求解方程组按照依赖关系对原有方程排序方程排序方程改编改编成因果性的计算过程1.3运行流程词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解方程和算法的执行算法算法的编译主要注意以下两点：算法节中的内容要按照算法原本的顺序执行；当执行算法节时，所有在赋值符号“:=”左边的变量都被初始化；其中，离散变量初始化为上一步的值，连续变量初始化为start值。equationa=b;②b=time;①algorithma:=b;①b:=time;②方程方程系统需要根据依赖关系排序。1.3运行流程词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解经过分析后的模型，已经可以转换为具有逻辑性与因果性的方程组，此时，可以将Modelica语言翻译成C语言，并将C语言编译成一个具有时序推进系统的可执行程序——求解器。1.3运行流程词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解根据方程可以看到，该系统存在两个微分方程，被微分的变量一般作为系统的状态变量。带有微分方程的系统的求解需要积分器的参与。根据微分的定义可知Der(C.v)=(C.v(k)–C.v(k-1))/△time根据方程可得(C.v(k)–C.v(k-1))/△time=R.i/C.c我们在Modelica建模时给出了C.v的初值，因此可通过数学和归纳法求出Der(C.v)值从开始时间到任意时刻的定积分，即C.v当前时刻的值。

积分算法包括定步长积分算法与变步长积分算法，可以通过Sysplorer界面设置。微分方程求解——积分器时序推进系统按照最终的逻辑范式的方程组，可以将每个方程写成未知量y=f(time)的形式其中，有的值与时间无关，例如G.Vp=0，则G.Vp为固定量；有的值与时间有直接函数关系，如AC.Vp=AC.VA*sin(2*PI*AC.freq*time)+G.Vp，有的值与时间有间接函数关系，如R1.v=AC.Vp–R1.Vn，则AC.Vp与R1.v都是时变变量。

在求解器中，存在一个时序推进系统，按照积分步长迭代，每一次循环，将当前步的time带入所有函数，求出当前步所有变量的值。1.3运行流程积分区间[a,b]等分为n段，积分步长h＝(b-a)/n词法语法语义分析方程系统分析优化C代码生成与编译仿真求解事件机制一般连续系统可以通过时序计算与积分器完成求解，然而，实际的应用场景中，处处存在非连续事件。如，电路的开关、脉冲信号的上升和下降等等。在事件触发时，该时刻的许多变量不可微分，因此，无法使用积分器正常推导该时刻的变量值脉冲信号事件回退实际仿真过程原仿真过程1.3运行流程目录1.软件架构与执行流程2.模型库加载3.图形化建模(单摆)4.仿真求解设置5.结果后处理分析2.模型库加载这是因为：没有加载配套的模型库有哪些方式可以加载模型库？2.模型库加载预加载模型库每次打开软件自动打开预加载模型库模型库不可修改打开模型库临时打开内置模型库模型库不可修改打开模型库临时打开自定义模型库模型库可修改or三种方式：目录1.软件架构与执行流程2.模型库加载3.图形化建模(单摆)4.仿真求解设置(单摆)5.结果后处理分析(单摆)3.图形化建模(单摆)模型构建模型仿真结果查看新建模型、文本建模、拖拽组件、连接组件、设置参数、绘制图标、编辑文档模型检查、模型翻译、仿真设置、运行仿真曲线查看、后处理、三维动画模型分析需求分析、机理查找、系统分解、组件分析3.图形化建模(单摆)物理对象分析：根据单摆物理结构和原理，自顶向下进行系统分解，分析系统的组成机构固定副转动副杆件边界条件重力摩擦力自顶向下系统分解摆杆受重力的影响，绕固定点进行左右摆动，由于受摩擦力影响，摆杆逐渐在竖直方向停止。所有组件在Modelica标准库中均已有。3.图形化建模(单摆)模型构建模型仿真结果查看模型检查、模型翻译、仿真设置、运行仿真曲线查看、后处理、三维动画模型分析需求分析、机理查找、系统分解、组件分析新建模型、文本建模、拖拽组件、连接组件、设置参数、绘制图标、编辑文档文本建模见《文本建模(电阻)》课程新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档点击“文件>新建>model…”，弹出“新建模型”对话框填写模型名为“Pendulum”，描述为“单摆”点击确定，即可完成模型创建3.图形化建模(单摆)操作步骤：选中Modelica标准库模型Modelica.Mechanics.MultiBody.World左键长按拖拽至右侧图形视图中3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档操作步骤：同"World"模型，拖入单摆模型所需要的其他组件，并根据物理拓扑关系适当排布。组件路径如下：3.图形化建模(单摆)Modelica.Mechanics.Rotational.Components.DamperModelica.Mechanics.MultiBody.Parts.BodyModelica.Mechanics.MultiBody.Parts.FixedModelica.Mechanics.MultiBody.Joints.Revolute新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档操作步骤：机构固定副转动副杆件边界条件重力摩擦力选择接口，拖拽连接组件。3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档智能连接操作步骤：操作步骤：拖拽连接组件.mp4智能连接组件.mp4注：需要在“选项”中“图形视图”里打开“移动端口时自动连接”“点击端口时自动连接”：依次选择两个接口，即可完成两个接口连接按照上述方法依次连接组件的各个端口3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档注意：只有相同类型的接口才能连接(接口中变量一致)操作步骤：相同类型接口连接组件.mp4错误×：不同类型接口连接组件.mp43.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档新增删除组件，可保留连线。删除组件保留连线.mp4鼠标滚轮可对模型进行上下移动键盘Ctrl+滚轮进行放大和缩小双击鼠标左键和快捷键空格键可适应窗口操作和鼠标中键可对模型进行左右移动适应窗口操作.mp4根据单摆的系统属性，设置模型参数。如：转动副具有摩擦系数为0.1Nm/(rad/s)的摩擦力,选中组件damper，在组件参数面板中选中参数“d”的值，修改为0.1，需注意单位。3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档操作步骤：3.图形化建模(单摆)参考组件“damper”的参数“d”

的修改方法，修改其余组件参数组件参数参数值量纲revphi.start(初始角度)50degrevuseAxisFlange(是否使用外置接口)True/bodyr_cm(质心位置){0.5,0,0}mbodym(质量)1.0kgdamperd(阻尼)0.1N.m.s/rad新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档最终呈现：操作步骤：模型构造完成之后，通过图标绘制可以让模型更加直观3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档选择图标界面使用“建模”或“编辑”的基本图元进行绘制在图形属性中，为图形添加填充颜色及样式给模型穿上“漂亮的衣服”操作步骤：在模型对应的文档浏览器中进入编辑模式。在文档浏览器中插入文字。在文档浏览器中插入链接。在文档浏览器中插入图片。3.图形化建模(单摆)新建模型拖拽组件连接组件设置参数绘制图标编辑文档模型构造完成之后，通过编辑文档可以让模型更加易用操作步骤：文档浏览器编辑.mp4目录1.软件架构与执行流程2.模型库加载3.图形化建模(单摆)4.仿真求解设置(单摆)5.结果后处理分析(单摆)4.仿真求解设置(单摆)模型构建模型仿真结果查看模型检查、模型翻译、仿真设置、运行仿真曲线查看、后处理、三维动画模型分析需求分析、机理查找、系统分解、组件分析新建模型、文本建模、拖拽组件、连接组件、设置参数、绘制图标、编辑文档4.仿真求解设置(单摆)模型检查模型翻译仿真设置运行仿真通过模型检查，分析模型是否存在错误检查模型是否可以仿真条件：判断模型中是否存在语法或其他错误，错误信息必须修改，警告仅起提示作用，可不修改。检查模型是否完备(变量数和方程数一定要相等)，只有模型完备才有可能进行仿真。操作步骤：点击建模菜单的“检查”检查-输出页面4.仿真求解设置(单摆)模型检查模型翻译仿真设置运行仿真通过模型编译，分析模型是否并转化为可执行文件操作步骤：点击建模（仿真）菜单的“翻译”注意：模型存在错误信息无法翻译！翻译信息：模型内变量数=方程数常量参量变量微分变量方程……翻译-输出页面存在错误翻译-输出页面4.仿真求解设置(单摆)模型检查模型翻译仿真设置运行仿真仿真区间：仿真开始/停止的时间，此处设置为0~5s。步长：仿真输出点之间的间隔长度，此处设置步长为0.01。步数：仿真生成的输出间隔的数目。算法：MWORKS提供23种不同的积分算法进行选择，并且提供自定义算法，此处使用Dassl算法。精度：指定每个仿真步长的局部精度。积分步长：选择变步长算法时为初始积分步长，选择定步长算法时为固定积分步长。确定：对于可修改的模型，可以将仿真设置中的常规设置保存到本次模型中。确定并保存到模型：对于可修改的模型，可以将仿真设置中的常规设置保存到模型中。仿真设置-根据分析需求选择仿真时长、积分算法等操作步骤：点击建模（仿真）菜单的“仿真设置”仿真设置页面积分区间[a,b]等分为n段，积分步长h＝(b-a)/n4.仿真求解设置(单摆)模型检查模型翻译仿真设置运行仿真根据仿真设置系统调用模型翻译生成的求解器，计算模型中所有变量随时间变化的数据操作步骤：点击建模（仿真）菜单的“仿真”仿真浏览器可查看模型仿真进度仿真结束后可查看模型输出信息目录1.软件架构与执行流程2.模型库加载3.图形化建模(单摆)4.仿真求解设置(单摆)5.结果后处理分析(单摆)5.结果后处理分析(单摆)模型构建模型仿真结果查看测例搭建、模型翻译、仿真设置、运行仿真曲线查看、曲线后处理、三维动画模型分析需求分析、机理查找、系统分解、组件分析新建模型、文本建模、拖拽组件、连接组件、设置参数、绘制图标、编辑文档鼠标左键点击图形界面的组件，仿真浏览器自动定位该组件变量。5.结果后处理分析(单摆)曲线查看曲线后处理三维动画显示操作步骤：通过模型的图形界面，快速定位目标变量，便于变量查找变量定位y(t)曲线窗口-以时间(time)作为横坐标，查看模型中变量与仿真时间的关系5.结果后处理分析(单摆)曲线查看曲线后处理三维动画显示操作步骤：方式1：在仿真界面点击相关变量前面的空格或定位的相关变量拖拽至空白区域方式2：在图表界面定位的相关变量拖拽y(t)曲线窗口中或点击相关变量空格y（t）曲线绘制结果表格查看-以时间(time)作为横坐标，查看模型中变量与仿真时间的关系5.结果后处理分析(单摆)曲线查看曲线后处理三维动画显示操作步骤：新建表格窗口，勾选或直接拖入变量结果表格窗口注：表格中的数据可直接复制至Excel或其他表格中结果数据导出：可以一键导出全部仿真数据和窗口数据5.结果后处理分析(单摆)曲线查看曲线后处理三维动画显示操作步骤：选择导出数据方式结果导出结果导出选项y(x)曲线窗口-以第一次拖入的变量作为横坐标，查看模型中变量与变量之间的关系5.结果后处理分析(单摆)曲线查看曲线后处理三维动画显示操作步骤：方式1：按住shift，在仿真界面定位的相关变量拖拽至空白区域方式2：在图表界面定位的相关变量拖拽y(x)曲线窗口中或点击相关变量勾选框y（x）曲线绘制保持：保持当前变量曲线不变重绘：基于新实例重新绘制变量曲线对比：保留当前变量曲线，并基于新实例再次绘制变量曲线（不支持