多领域物理统一建模语言与MWORKS实践 课件全套 01-现代复杂工程系统的数字化研制模式- 7-Modelica与Sysplorer建模仿真总结

现代复杂工业（程）系统的数字化研制模式工业系统建模与仿真工业系统建模与仿真本章要点1、系统2、现代复杂工程系统研制模式3、系统建模与仿真方法4、工程物理系统多领域统一建模技术

Part01系统1系统太阳系北斗卫星导航系统空间站太阳能热水系统工程系统发动机系统各种系统：机器人车辆其他各种人造系统：这些系统典型特征，融合了多学科现代技术。包括机械、电气、液压、传热、控制、计算机、通信、力学等自然系统，天体和各种作用力以及能量的传输。1系统以飞机系统为例功能：飞机每一次飞行都会执行特定的任务。如空中运输、空中作战、探测检测、科学试验等，是人类探索航空领域的手段及其成果的应用构成：飞机系统由飞行控制系统、燃油系统、液压系统、电气系统、航电系统等通过一定的方式组合而构成，各系统相互关联并进行数据交互与协调，且各系统又可细分为各级子系统运行环境：飞机系统一般在地面指挥中心的指挥下，在大气层内执行飞行任务，其与所在环境进行包括物质流、能量流、信息流的交互物质流则是指自然界和人类社会中物质运动的过程，包括水、空气、食品等各种物质。能量流则是指自然界中能量转移和转化的过程，包括光能、热能、电能等。信息流的狭义定义是从现代信息技术研究、发展、应用的角度看，指的是信息处理过程中信息在计算机系统和通信网络中的流动。1系统系统：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。什么是系统？系统的特性集合性：两个以上要素构成相关性：各要素之间相互关联层次性：系统可分解为若干子系统整体性：要素间的协调与综合功能性：系统的特定作用和效能环境适应性：系统存在于一定的物质环境中，且与其交互1系统按自然属性的系统分类系统自然系统人工系统工业系统复合系统工业系统：工程中为实现规定功能由相互关联的若干要素以一定结构形式构成的装置。工业系统特点：规模庞大；结构复杂；多领域集成与耦合；连续行为与离散特征混合；…

Part02现代复杂工业系统研制模式2.1现代复杂工程系统典型复杂工业系统航天航空能源船舶车辆制造系统高复杂性高成本性高可靠性多系统交联多层次结构多学科耦合多团队协作大量先进材料大量试验维护研制周期长制造费用高运行环境多样安全性可靠性设计难度大规范性要求高一个复杂工业系统一般会包含几十、几百个分系统和子系统。形成产业链，包括总装（总成）和各类部件供应商和研制单位2.1现代复杂工程系统十大系统、大量分系统、数百万个零件，结构、力学、流体、动力、通信、软件、电子多专业协同，成千上万工程师协作，数千供应商配合波音公司员工总数超过17万，超过14万人拥有大学以上学历中航工业集团下辖100余家成员单位、24家上市公司，员工逾45万人波音积累了上万款自研软件几十米长的结构件加工精度达到微米级上千℃高温、数十吨、千倍大气压载荷下高超音速飞行CAD、CAE、CAM等各类工业软件最早都源于航空、航天产业甚至有报道，洛克希德马丁是全世界写代码最多的公司任务论证详细设计测试试验运行维护概念设计如此复杂的工程系统如何研制？软件工程：组件化、模块化；高内聚、低耦合工程系统：个部件、分系统，物理特征不一样？2.2数字化建设需求多领域耦合更强技术难度更大任务周期更长运营维护更难协同挑战更多我国首批大科学工程培育项目已经正式发布国际合作指南更为复杂、体量更大的工业系统如何研制？系统子系统组部件零件理想的研发周期实际的研发周期运维周期例行试验鉴定试验维护优化专项试验验收试验计算机仿真和虚拟验证技术提升系统研发能力数字化分析数字化设计数字化试验数字化运维2.2数字化建设需求复杂工业系统研制周期信息化第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命电气化机械化网络化数字化智能化2.2数字化建设需求美国、德国“工业4.0”，我国提出了“中国制造2025”，均围绕数字化与智能化。而数字化是智能化的基础，数字化将是重塑创新和运营方式的关键。8工业数字化的本质是连接人与物理系统、信息系统，通过计算和通信实现对工业产品更高效、更精准、更可靠的研制控制工业软件传感器网络2.2数字化建设需求通过3C技术可以获得大量物理系统的数据，通对过数据-信息-知识利用，采用软件技术设计和研制更为先进的物理系统2.3数字化技术发展1——信息化时代工业软件类别典型工业软件说明CAD二维CADAutoCAD、CAXA、中望二维CAD绘图三维CADCATIA、UG、ProE、SolidWorks三维CAD结构设计场分析CAE结构ANSYS、NASTRAN、ABAQUS结构强度仿真分析流场FLUENT、CFX三维流场仿真分析电磁ANSYS、ANSOFT电磁场仿真分析专业仿真机械ADAMS、Motion、Simpack、RecurDyn运动学和动力学仿真控制Matlab/Simulink、EASY5控制系统设计仿真一维流体AMESim、Flowmaster一维流体仿真电气Saber、Simplorer、E3电气系统仿真电子EDASynopsys、Cadence、MentorIC设计测试仿真面向零部件和专业设计仿真的传统CAD、CAE软件CAD/CAE为详细设计提供了数字化手段，但没有改变以物理样机为中心的“方案设计-物理试验”的传统研制模式理想的模式是建立数字样机，以验证后的数字样机代替物理样机进行试验，整个“设计-验证”在数字空间完成162.3数字化技术发展1——信息化时代工业软件面向零部件和专业设计仿真的传统CAD、CAE软件17像加工这种包含包含复杂曲面的零部件，CNC程序必须由CAM软件来完成。在数控机床（CNC）没有诞生之前，汽车的每一个零部件都要工人师傅们在普通机床上手工完成。但是随着汽车零部件的逐步精密化，有些零部件在普通机床上根本根本加工不出来。除了汽车行业，在航天航空、精密电子等领域更是如此，这个时候数控机床就诞生了。2.3数字化技术发展1——信息化时代工业软件国产化-解决卡脖子：科学计算与系统建模仿真工业软件航天、汽车、芯片、核能、机器人等广泛应用182.3数字化技术发展2

——Modelica与系统建模仿真ANSYS：TwinBuilder

=Simplorer(Modelica)+IOT+CAESIMENS：

Simcenter=AMESim(Modelica)+CAEDassault：3DExperience=NoMagic(SysML)+Dymola(Modelica)+CATIA+CAE+PLMAltair：CAE+Activate(Modelica)[采用MapleSim内核]ESI：CAE+SimulationX(Modelica)Ricardo：汽车设计仿真+Ignite(Modelica)[采用同元MWorks内核OEM授权]Mathworks：Matlab=IDE+Simulink+Simscape(仿Modelica)Maplesoft：Maple+MapleSim(Modelica)Wolfram：Mathmatica+SystemModeler(Modelica)同元软控：Sysplorer(Modelica)+Sysbuilder(SysML)+Syslink=>MWorks2.3数字化技术发展2

——Modelica与系统建模仿真多领域统一建模仿真技术与Modelica连续系统仿真语言CSSL1967年框图Block1976

Easy51986

SystemBuild/MATRIXx

1991

MATLAB/SIMULINK控制框图ODE键合图BondGraph1961年势流变量ODE多领域统一建模语言Modelica1997年势流变量DAE20ODE“常微分方程”偏微分方程PDE、微分代数方程DAE、常微分方程ODE2.3数字化技术发展2

——Modelica与系统建模仿真Modelica技术已经成为世界公认的MBSE和CPS的核心关键支撑技术：多领域系统统一建模仿真。面向对象建模非因果陈述式建模（基于方程或图形而不基于赋值语句）多领域统一建模连续-离散混合建模简单电路Modelica组件模型简单电路Simulink框图模型多领域统一建模仿真技术与Modelica若控制系统中各部分的信号都是连续的（即是时间的连续函数），称这类控制系统为连续系统。在控制系统中，只要有一处信号是不连续信号，则称其为离散系统。Modelica具有面向对象语言特征：类、泛型(C++模板)、子类型，允许组件复用和模型进化。Modelica提供良好的软组件模型，通过组件(接口)相互连接，快速搭建复杂物理系统。方程不管哪个变量是输入(已知)、哪个变量是输出(未知)；对于赋值语句，赋值符号左边总是输出，右边总数输入。基于方程的模型其因果特性是不明确的，只有在方程系统求解时才确定变量的因果关系（自变量-因变量）。非因果建模适于表达复杂系统的物理结构，基于方程的Modelica模型也比传统包含赋值语句的模型具有更强的复用性。Modelica能够描述电气、机械、热力学、液压、生物、控制等多领域模型或组件，已有大量可复用的领域库。可建模仿真变量值只在某个时间点发生变化(电源开/关)、变量的变化不连续的(离合器分离/结合)等。21欧美系统设计仿真发展模式—政、企、工、研共建生态持续时间项目名称内容成果2007-2010ITEA2EUROSYSLIB强化欧洲在嵌入式系统建模仿真领导地位投资1600万欧元，5个国家19个单位参与形成MLS3.2、13个开源库和18个商业库2008-2011ITEA2MODELISAR显著改进车辆系统研发和嵌入式软件的设计投资2800万欧元，30个单位参与推出了功能样机接口规范FMI2009-2012ITEA2OPENPROD产品研发、建模仿真集成环境投资1100万欧元，28个单位参与2012-2016ITEA2MODRIO模型驱动物理系统操作，提高安全性可靠性投资2100万欧元，38个单位参与基于开放标准进行系统设计、操作和诊断2015-2018ITEA3ACOSAR在线和离线系统高级仿真接口及方法论投资800万欧元，16个单位参与2017-2020ITEA3EMPHYSIS开发嵌入式系统FMI投资1400万欧元，5个国家19个单位参与2.3数字化技术发展2

——欧盟ITEAModelica项目实施22FMI(FunctionalMockupInterface)接口标准是欧州发展信息技术计划(ITEA2)在MODELISAR项目中提出来的，目标是为了改善不同仿真软件拥有各自的标准接口而带来的联合仿真问题，最早应用在汽车行业，取得良好的效果，后逐渐形成国际标准并在其它行业推广应用，目前已发展到2.0。基于FMI接口标准封装的仿真模型单元叫FMU，一个FMU能独立完成某个设计工作。系统建模仿真让知识与工具分离，知识模型库成为数字化核心Modelica协会（MA）Modelica语言Modelica标准库Modelica规范

Modelica模型库航天模型库能源模型库……模型库

建模编译求解Modelica仿真环境

航天系统航空系统能源系统车辆系统……工程产品系统设计与验证（基于多领域统一建模与仿真）工具开发商

用户模型库开发商

面向对象、多领域统一的工业知识模型库支持层次化复用与数字化交付：基础模型库、专业模型库、行业模型库系统建模仿真工具+知识模型库可以支持机械、电气、流体、控制等专业及航天、航空、能源、车辆等行业的建模与仿真系统建模仿真成为数字系统模型的核心支撑，为数字化交付、全系统仿真验证、全流程模型贯通提供支撑2.4工业系统研发过程—知识模型库232012美国DARPA通过系统设计与仿真实现“构造即正确”美国国防部高级研究计划局DARPA：AVM(AdaptiveVehicleMake)项目，通过在系统层引入架构设计与多物理仿真，实现系统数字化，变革复杂防务系统的设计和生产流程，实现设计阶段“构造即正确”，使效率提高五倍2012,ComponentModelLibraryforDARPAAdaptiveVehicleMake2.4工业系统研发过程—知识模型库242010201520202025新兴MBSE标准分布式、安全的多领域模型库成熟的MBSE方法、指标、集成系统/HW/SW模型仿真、分析和可视化的集成架构模型定义MBSE理论、主体、形式跨专业、成熟的统一模型工业化的MBSE/完整的基于模型的需求获取良好定义的MBSE/传统的MB混合的需求获取特定MBSE/基于文档-传统的需求获取理解大图——全领域集成建模的能力相近领域建模的认知单一领域的建模实践基于模型工程/商业实践成熟度MBSE能力成熟度2.4工业系统研发过程——基于模型的系统工程（MBSE）25复杂装备的研制挑战催生国外数字工程转型，美国国防部、SpaceX公司、波音、洛马、空客等在装备研发中实施了数字工程转型。国内装备需求与挑战推动装备数字工程应用，以航天航空为代表的科研单位和企业也开展了MBSE应用研究，并取得了显著进展，包括航天科技集团一院、五院、六院、八院等，中航工业成都所、一飞院、直升机所、自控所、上电所、计算所等。2.4工业系统研发过程——基于模型的系统工程（MBSE）物理空间数字世界模型虚拟设计交付系统需求研制要求初步设计详细设计产品实现系统集成产品测试产品验证交付确认服务维护虚拟确认虚拟维护虚拟运行虚拟集成虚拟验证需求建模虚拟实现设计建模架构建模仿真建模数字主线设计物理需求工程系统设计验证MBSE数字孪生26装备数字化特征与要素分层级数字化模型交付全系统数字化仿真验证全流程数字化模型贯通装备数字化特征装备数字化要素工业软件系统模型产品数据专业软件系统软件模型体系通用模型库数字系统模型全流程数据数据智能机理-数据混合2.4工业系统研发过程——MBSE支持的装备数字化272.4工业系统研发过程——MBSE支持的装备数字化工业软件CADModelica面向仿真的统一建模系统设计与仿真软件设计SysML面向设计的统一建模系统设计系统仿真集成系统级部件级机械多体动力学一维流体动态仿真电气动态仿真控制系统仿真专业仿真结构强度分析电磁场分析三维流场分析热分析场分析CAEPLMPDM管理模型化SysLM......装备数字化数字孪生环境数字系统模型数字主线管理

物理与数字的融合（虚实融合与数字孪生）电传感库热传感库磁传感库分布式联合仿真协议（DCP）传感器设备接口标准化封装实时工业以太网络/共享内存集成耦合物理实体数字模型接口封装协议封装声传感库…通信模型库数据转码库数字孪生体以物理实体为对象，以数字模型为驱动，通过数字-物理动态实时交互映射实现虚-实互动互控，其关键是虚实通信同步、实时及一致2.5工业系统研发过程——虚实融合与数字孪生29数字孪生五级成熟度（LM）1.0：虚拟数字孪生高保真或基于物理的原型建模与仿真：配置数据与主数据谨慎任务结构性能MBSE需求与系统干涉车辆系统，飞行控制与软件任务系统与软件运行分析生产/制造/供应链运行维护负担能力/成本/资本需求2.0：孪生-实物同步人工操作的虚拟与现实同步：代表物理实物的设计与性能促进设计权衡与配置优化针对设计与需求变更进行手动更新基于最新的测试数据进行手动更新比1.0更好的支持实物性能与配置基线无需通过重大变更来解决数字孪生体未识别的性能与需求问题集成设计环境嵌入3.0：孪生-实物验证持续自主的虚拟与现实同步，通过实物验证数字孪生体：周期性或自主与最新的配置基线同步预测物理实物行为通过自动更新来代表最新的测试/分析数据预测实物性能、设计、需求等方面待纠正的问题避免在实物试验/鉴定中发现未预见的问题提供可视化能力4.0：孪生-物理一体化企业集成产品数字孪生：驱动硬件在环基于运行数据进行模块监测及预测支撑运行分析、螺旋式开发，以及运行维护通过实物验证优化数字孪生开发工具，为下一开发周期铺垫准确预测运行环境中的实物性能表现取代部分甚至大部分传统的物理测试与试验验证5.0：数字孪生运行生态系统数字孪生通用操作仿真生态系统：在通用仿真环境中与其它数字孪生产品以及产品实物进行集成交互在全领域联合行动环境中充分预测实际性能表现为客户提供基于仿真的性能验证而无需后续物理演示基通过开发与测试升级数字孪生工具和流程达到将数字孪生应用效果作为客户的认证标准模拟/虚拟原型实物孪生体实物孪生体实物孪生体数据数据数据2.5工业系统研发过程——虚实融合与数字孪生数字孪生应用场景监控评估预测优化控制虚拟测试模拟虚拟验证过程规划操作预演故障排查…运行监控状态监控故障诊断状态故障排查…状态评估性能预测故障预测寿命预测行为预测质量预测…性能评估设计优化性能优化性能优化运行控制协同控制远程控制……2.5工业系统研发过程——虚实融合与数字孪生装备数字孪生技术框架物理空间虚拟空间数据反馈数据采集数据传输数据集成数据清洗数据处理模型驱动高保真机理建模数据驱动机器学习统计分析可视化虚拟现实增强现实调整调度优化数据存储IOT传感器控制器动态调整连接云计算安全自我学习在线/离线数字孪生体2.5工业系统研发过程——虚实融合与数字孪生装备数字孪生技术框架数字孪生模型2.5工业系统研发过程——虚实融合与数字孪生机理模型是基于对系统运行原理的理解和建模，通过建立数学方程来描述系统的行为和规律。这种模型通常包括物理规律、化学反应、经济理论等等。机理模型的优点是能够提供对系统行为的深入理解和解释，但也面临着参数难以确定、计算复杂等问题。数据驱动模型则是基于大量的实际观测数据，通过统计和机器学习等方法来分析数据之间的关系和规律。这种模型的优点是能够从数据中自动学习特征，可以处理复杂的非线性关系，但也面临着过拟合、数据质量不佳等问题。机理和数据的融合旨在克服各自模型的局限性，提高预测和决策的准确性和可解释性。融合的方法有很多种：其中一种常见的方法是将机理模型作为数据驱动模型的先验知识，辅助模型的学习和推断。通过将机理模型的参数纳入到数据驱动模型的优化过程中，可以使模型更好地拟合数据，并提高预测的准确性。另一种融合的方法是将数据驱动模型的结果作为机理模型的输入或修正。通过将数据驱动模型的预测结果与机理模型的输出进行比较，可以发现模型的偏差或不足，并对机理模型进行修正和改进。这种方法可以提高机理模型的可靠性和适用性。进气压缩燃烧增压排气燃料供给油门控制空气预热矢量控制反推控制辅助动力装置

2.6工业系统研发过程—以发动机为例2.6工业系统研发过程—以发动机为例92.6工业系统研发过程—以发动机为例进气压缩燃烧增压排气燃料供给油门控制空气预热矢量控制反推控制辅助动力装置组成复杂：大量分系统、多专业结构复杂：大量异形件、先进材料原理复杂：机、电、液、磁、控、热环境复杂：高转速、高温、高载荷工艺复杂：三坐标、高精度、多工序系统组成、接口如何分解、分配、检查？复杂结构如何设计、验证、集成？发动机各层级性能如何保证、验证？环境适应性如何测试、确认？复杂结构如何完成加工、测试、装配？2.6工业系统研发过程—以发动机为例早期的产品结构设计主要采用手工绘图的方式，按分系统、组件之间的组成和接口关系，分配任务一张复杂图纸可能需要数月的时间才能完成，完全采用纸质保存，检查、确认不变，错误纠正成本巨大2.6工业系统研发过程—以发动机为例1971年，计算机科学家帕特里克·汉德瑞博士在通用汽车研究实验室，推出了cad软件，称为自动绘图机械（Automateddraftingandmachinery）或Adam二维CAD制图，提升了效率，解决了纸质文件过于庞杂的问题，但是依然没有解决接口、尺寸一致性等装配检查问题2.6工业系统研发过程—以发动机为例1970年，CATIA实现了在特定计算机上的三维CAD，1982年，约翰·沃克创立了Autodesk，同年推出了第一个重要的计算机辅助设计程序Autocad，后续诞生了大量的CAD平台软件，扩展出大量的辅助功能在结构设计类软件之外，还需要电气、液压、散热等其他专业设计，涉及到大量复杂的性能计算分析干涉检查运动模拟装配约束参数建模重心计算转动惯量材料参数公差定义表单生成2.6工业系统研发过程—以发动机为例法国达索公司CATIA是全球领先的工程和设计软件，可实现卓越的产品3DCAD设计。它适用于所有制造组织，包括从OEM到其供应链，甚至是小型独立制造商。计算机效率的提高，促进了有限元、有限体积法等数值计算方法的发展计算机技术、数值计算技术以及各种专业技术结合，诞生了有限元、计算流体力学、计算电磁学等数值计算工具，支撑各种详细计算（CAE工具等）解决了局部强度、温度、电气等专业分析难题2.6工业系统研发过程—以发动机为例组成复杂：大量分系统、多专业结构复杂：大量异形件、先进材料原理复杂：机、电、液、磁、控、热环境复杂：高转速、高温、高载荷工艺复杂：三坐标、高精度、多工序系统组成、接口如何分解、分配、检查？复杂结构如何设计、验证、集成？发动机各层级性能如何保证、验证？环境适应性如何测试、确认？复杂结构如何完成加工、测试、装配？2.6工业系统研发过程—以发动机为例自动化技术与制造技术结合形成数控加工技术，实现了复杂结构零件的自动加工CAD软件功能延申到制造环节，形成CAM技术，通过CAD模型自动生成数控加工程序，可以自动分析刀具路径、加工效率、加工误差，驱动数控机床自动完成加工过程（CAM技术）结合机器人、自动化产线、数字工厂等技术，能够支持大规模复杂装备与批量交付2.6工业系统研发过程—以发动机为例组成复杂：大量分系统、多专业结构复杂：大量异形件、先进材料原理复杂：机、电、液、磁、控、热环境复杂：高转速、高温、高载荷工艺复杂：三坐标、高精度、多工序系统组成、接口如何分解、分配、检查？复杂结构如何设计、验证、集成？发动机各层级性能如何保证、验证？环境适应性如何测试、确认？复杂结构如何完成加工、测试、装配？2.6工业系统研发过程—以发动机为例矩阵代数微分方程变分法复变函数……结构力学工程热力学流体力学电磁学运动学控制原理……2.6工业系统研发过程—以发动机为例发动机滑油系统燃油系统空气系统控制系统短舱CycledeckC/C++FortranSimulinkFlowmasterSimulinkFlowNetSimulinkC/C++SimulinkAMESimC/C++DLL对于各种系统级的整体性能如何验证？通过各种专业的建模仿真工具得以解决通过Modelica、MATLAB/Simulink等语言工具能够实现飞机、火箭、卫星、发动机等系统级的建模与仿真2.6工业系统研发过程—以发动机为例2.6工业系统研发过程—以发动机为例机械原理电气原理流体传动传热学控制原理……….工程物理系统原理Modelica多领域物理统一建模语言机械模型电气模型流体传动模型传热模型控制模型……….多领域物理系统模型系统数学描述自动映射计算程序的自动生成知识自动化技术

Modelica统一建模语言（文本、图形）是以组件端口连接多部件，端口作用机理可归纳为（能量流、物质流、信息流），“三流合一”是工程物理系统的基本原理，对多学科融合的集成系统，可以建立基于模型的数学自动演绎体系，以端到端的模式实现系统数学体系的自动建立。工业软件计算技术工业技术系统模型CAD设计有限元流体仿真电磁仿真控制设计电气设计可靠性设计动力学仿真CAM试验EDA设计计算机图形学矩阵计算微分方程数值解优化算法信号处理统计分析并行计算计算几何编译原理数据库操作系统网络技术结构力学工程热力学流体力学电磁学运动学控制原理动力学液压原理气动原理振动噪声通信系统气动原理振动噪声飞机卫星舰船探测系统液压回路发动机控制系统电气回路通信链路可视化模型物理模型逻辑算法2.6工业系统研发过程—以发动机为例技术研究产业应用软件开发模型积累2.6工业系统研发过程—以发动机为例

Part03系统建模与仿真方法什么是系统仿真？分析对象在整个系统表现出来的宏观属性；基于宏观的物理参数（集总参数）和物理元器件的数学方程描述宏观物理属性和现象；多学科多层次的建模方法，与FEA（有限元）、MBS（基于模型的系统工程）、CFD（计算流体动力学）等基于3D模型的分析方法不同；系统模型由组成该系统的物理元件模型组成，通过元件数学方程和代码的组装，可以自动构成整个系统的方程；分析类型和计算结果主要是稳态、动态时域或频率响应等时域响应是系统在施加一定形式的输入信号后，研究系统的输出量随时间的变化规律。控制系统的时域响应由动态过程和稳态过程两部分组成，其中动态过程是指系统从初始状态经历了一段时间的变化，达到最终状态的响应过程；稳态响应过程是指动态过程结束后系统的稳定输出状态。频率响应为系统对正弦输入信号的稳态响应。系统、模型、仿真的关系系统建模系统仿真物理系统知识、经验指导系统设计校验系统建模与仿真是系统仿真手段的两个重要概念通过系统建模的手段得到系统模型，系统模型是物理系统所包含领域知识的载体，是对知识和经验积累的一种表现形式；系统仿真是基于系统模型的一种动态应用，其基础是系统建模。3系统建模与仿真方法系统建模：指在对实际系统分析的基础上，通过必要的简化与抽象，建立能描述或模拟系统结构或行为过程且具有一定逻辑关系或数量关系的系统模型。模型的主要性质等效性（普遍性）：同一个模型可以从各个角度反映系统不同方面；相对精确性：模型粒度过粗或过细均有局限性，合适的模型能满足系统的研究目标，具有考虑诸多因素折衷下适合的精确性；可信性：模型必须经过检验和确认，能够对真实系统进行有效的模拟，即模型应该具备良好的置信度；异构性：同一系统模型可以具有不同的结构与形式，研究中将选择最方便、合理的。3.1系统建模系统建模一般流程：实际系统抽象简化确定研究目标确定系统主要特征必要的假设适当的简化系统建模种类机理建模（演绎建模）数据建模（归纳建模）复合建模（机理+数据）系统模型实现面向方程的非因果模型实现面向对象（非因果）的模型实现面向对象的多领域系统模型实现机理建模（演绎建模）：以各学科专业知识为基础，分析系统变量之间的关系和规律，获得系统的解析型数学模型；数据建模（归纳建模）：基于大量的试验数据，分析数据的统计规律而得到的系统模型；复合建模（机理+数据）：机理确定模型结构、数据确定模型参数。模型实现方式面向方程的非因果建模：基于数学方程，通过图形或文本形式构建系统内部的数据流，从而实现模型；面向对象（非因果）的物理建模：建立参数化的物理元器件模型，并通过一定的拓扑结构形式描述真实系统的物理行为特性。面向对象的多领域系统建模。3.1系统建模1、面向方程的非因果建模实际系统的分析方法大致类似，但对于实际系统的模型实现方式则有多种：R-L-C电路

分析基尔霍夫定律行为描述基于框图（因果建模）进行系统模型实现的软件很多，如Simulink、AMESim（控制领域）等特点：框图模型完全基于方程系统；模型具有明确的数据流向；对领域知识、建模能力要求较高3.1系统建模系统仿真的基础是系统建模，系统建模一般包括物理建模和数学建模两个步骤，相应的模型称为物理模型和数学模型。物理建模是由参数化的理想物理元件以一定拓扑结构形式描述真实系统的物理行为特性。数学建模是通过变量与方程的关系以数学或逻辑形式描述物理模型的物理行为和拓扑结构。确定的集总式动态系统的数学模型可以用微分方程、代数方程或差分方程表示；分布式参数系统的数学模型通常用偏微分方程表示。2、面向对象（非因果）的物理建模R-L-C电路电阻电容电感电源系统分解通信、接口定义各组件均传递电压、电流，接口定义为电学接口v，i

组件建模系统建模特点：非因果陈述式建模模型与系统拓扑结构一致；模型复用性好；模型易于修改3.1系统建模系统仿真的基础是系统建模，系统建模一般包括物理建模和数学建模两个步骤，相应的模型称为物理模型和数学模型。物理建模是由参数化的理想物理元件以一定拓扑结构形式描述真实系统的物理行为特性。数学建模是通过变量与方程的关系以数学或逻辑形式描述物理模型的物理行为和拓扑结构。确定的集总式动态系统的数学模型可以用微分方程、代数方程或差分方程表示；分布式参数系统的数学模型通常用偏微分方程表示。RLC串联交流电路3、面向对象的多领域系统建模单个领域的建模已有很多成熟的实现方式，但传统的工具由于区分领域，导致多领域系统被人为的分割，致使系统级建模存在较大的局限性，因此，多领域系统同一平台建模是未来的发展趋势。功能分析：电机的速度可以通过一些类型的调整器控制，即在负载变化的情况下，电机要维持给定的转速。系统分解：该系统可以分解为旋转进行部件（电机、载荷）、电子电路子系统、控制子系统DC直流电机伺服系统3.1系统建模部件及子系统建模控制子系统建模电路子系统建模旋转机械子系统建模3.1系统建模多领域系统建模特点：多领域系统同一平台建模；模型与系统物理拓扑结构一致；面向对象基于组件的建模，提高了模型复用性；模型易于修改3.1系统建模定义1：仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，其包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或系统在若干周期内的特征。（雷诺，1966年）系统仿真，顾名思义，是指对真实系统的模拟系统仿真定义定义2：系统仿真就是在计算机上或（/和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的、或数字-物理效应混合的模型），并在模型上进行系统实验。（中国学者）系统仿真目的通过研究模型来揭示实际系统的形态特征和本质，从而达到认识实际系统、预测系统行为的目的系统仿真的性质基于模型：仿真是一种基于模型的活动。（Ören，1984）置信度：仿真是基于模型对真实系统的模拟，置信度是其本质、绝对的属性，且其很大程度取决于模型对真实系统描述的完备程度。预测性：仿真通过揭示系统的规律，达到对系统行为进行预测的目的。3.2系统仿真系统仿真的基础是系统建模，系统建模一般包括物理建模和数学建模两个步骤，相应的模型称为物理模型和数学模型。物理建模是由参数化的理想物理元件以一定拓扑结构形式描述真实系统的物理行为特性。数学建模是通过变量与方程的关系以数学或逻辑形式描述物理模型的物理行为和拓扑结构。确定的集总式动态系统的数学模型可以用微分方程、代数方程或差分方程表示；分布式参数系统的数学模型通常用偏微分方程表示。系统仿真指在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程且具有一定逻辑关系或数量关系的系统模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真物理仿真全物理模型半物理仿真快速控制原型（RCP）虚拟控制器+实际对象硬件在环（HIL）实际控制器+虚拟对象数学仿真虚拟控制器+虚拟对象按实现方法和手段分类物理仿真：基于系统物理模型（装置）基础上进行的仿真试验。其中物理模型利用几何相似性或物理类比方法建立（区分物理试验），如飞机风动试验、水坝水流试验等半物理仿真：将系统数学模型、物理模型（装置）与系统的实际设备联系在一起运转，组成的仿真回路。数学仿真：完全基于系统虚拟模型（数学、计算机）的仿真试验。3.2系统仿真系统数学仿真模型耦合求解器耦合进程耦合机械ADAMS控制Simulink电气Saber液压AMESim联合仿真Co-Simulation……多领域统一仿真机械MWorks/Mechanical液压MWorks/Hydraulic……控制MWorks/Blocks电气MWorks/Electrical联合仿真多领域统一仿真方式同一平台统一模型统一求解方式3.2系统仿真思考：多领域统一仿真需要的前提条件？两个软件如何联合仿真？速度不一样，节拍如何控制？数据如何交换？系统数学仿真一般流程：确定系统仿真目标系统模型仿真设置模型设置模型参数设置工况设置边界条件设置工况参数设置模型求解模型编译词法、语法分析模型平坦化求解设置算法、时间、精度模型分析方程系统分析方程系统优化仿真代码生成模型求解结果分析参数分析参数灵敏度分析参数扰动……求解结果可视化曲线可视化运动可视化……模型优化蒙特卡洛分析iSight优化……模型调整系统仿真3.2系统仿真灵敏度分析研究与分析一个系统的状态或输出变化对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法以某型号飞机升降舵作动系统性能仿真为例，阐述联合仿真与多领域统一仿真的差别目标：通过仿真分析升降舵作动系统在正弦激励信号下的舵面运动响应。输入控制系统液压系统作动器机构舵面负载信号反馈系统原理图系统分解作动器液压系统作动器机械系统作动器控制系统3.2系统仿真正弦信号是频率成分最为单一的一种信号，因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。正弦信号在实际中作为典型信号或测试信号而获得广泛应用。1、基于联合仿真的系统分析Simulink：控制系统模型AMESim：液压系统模型3.2系统仿真输入控制系统液压系统作动器机构舵面负载信号反馈作动器液压系统作动器机械系统作动器控制系统两个软件如何联合仿真？速度不一样，节拍如何控制？数据如何交换？基于联合仿真的结果分析不同领域的仿真结果，在不同的软件中显示。带来的问题是什么？Simulink（控制）AMESim（液压）ADAMS（动力学）联合仿真特点：系统模型分布于各个平台中不同领域模型通过软件接口连接求解精度、效率相对较低3.2系统仿真输入控制系统液压系统作动器机构舵面负载信号反馈2、基于多领域统一仿真的系统分析基于Modelica的多领域系统统一仿真3.2系统仿真作动器控制器液压系统多领域系统统一仿真的结果分析模型的仿真结果可以在同一平台下展现多领域统一仿真特点：系统模型集中统一接口求解精度、效率相对联合仿真高3.2系统仿真

Part04工程物理系统多领域统一建模技术4.1产品研制过程中的应用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、任务预测、可靠性分析。自1995年开始，洛克希德·马丁公司为美空军研发空中作战指挥控制系统，最典型的就是战区战役管理核心系统（TBMCS）在内的空中任务指挥能力现代化。作为“空中作战中心的引擎”，TBMCS能够指挥所有机载武器，包括战斗机，轰炸机，加油机，无人机，直升机和巡航导弹。2015年，洛克希德马丁获得空军合同，升级“空中任务指挥管理系统”(ATOMS)，更新超过250个空中任务要求4.2产品研制过程中的价值产品的高度数字化研制以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，提升物理实体的研制效率、性能，增加或扩展新的能力。数字孪生充分利用模型、数据、智能并集成多学科技术，面向产品全生命周期提供虚实融合服务。物理空间虚拟空间测量数据信息、指令4.2产品研制过程中的价值现代复杂工程系统的数字化研制模式电传感库热传感库磁传感库分布式联合仿真协议（DCP）传感器设备接口标准化封装实时工业以太网络/共享内存集成耦合物理实体数字模型接口封装协议封装声传感库…通信模型库数据转码库软件通信可视化应用4.2产品研制过程中的价值现代复杂工程系统的数字化研制模式分布式联合仿真协议DCP指定数据模型、有限状态机、协议数据单元集和通信协议。它旨在用于实时和非实时系统的集成，具有主从原理。数字孪生（DigitalTwin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。物理空间虚拟空间测量数据信息、指令4.2产品研制过程中的价值现代复杂工程系统的数字化研制模式4.2产品研制过程中的价值4.2产品研制过程中的价值十大系统、大量分系统、数百万个零件，结构、力学、流体、动力、通信、软件、电子多专业协同，上万工程师，数千供应商。波音公司员工总数超过17万，超过14万人拥有大学以上学历中航工业集团下辖100余家成员单位、24家上市公司，员工逾45万人波音积累了上万款自研软件几十米长的结构件加工精度达到微米级上千℃高温、数十吨、千倍大气压载荷下高超音速飞行CAD、CAE、CAM等各类工业软件最早都源于航空、航天产业甚至有报道，洛克希德马丁是全世界写代码最多的公司现代复杂工程系统的数字化研制模式故障失效模式集成模型虚拟验证与半实物模型多专业跨平台模型分系统多源异构模型系统多领域模型系统架构模型系统架构设计类工具全生命周期模型数据管理运行维护类工具系统论证详细设计测试试验试飞取证运行维护设计仿真类工具概念设计初步设计数字孪生伴飞模型试验优化类工具4.2产品研制过程中的价值设计仿真类工具与其他技术和工具如：物联网、通信、云计算、大数据、人工智能等进行融合，可极大提升测试验证和运维的能力。现代复杂工程系统的数字化研制模式MWorks平台概念研究立项论证方案设计产品验证任务实施总体动力电气信息控制并行协同论证架构设计统一建模与仿真多系统联合仿真半物理仿真故障仿真数字孪生模型数据管理模型校核与验证设计优化架构设计飞行方案设计指标分解综合验证…发动机设计贮箱设计增压输送设计动力控制设计…能量平衡分析太阳帆板仿真蓄电池仿真功率调节与配电分析信息网络设计信息平衡仿真信息接口设计总线协议仿真…控制算法设计执行机构设计敏感器设计动力学分析…应用场景支撑能力阶段专业4.3多领域建模仿真案例——航天全场景应用78现代复杂工程系统的数字化研制模式需求分析系统定义系统确认系统验证系统架构师系统设计师组件设计师需求获取需求分析方案选择指标分解阀门论证性能评估静态特性稳定性故障预示过渡过程仿真推力室论证涡轮泵论证多方案优选系统配置设计可靠性设计产品6性设计评审评审评审评审采用Modelica语言和MWorks基础架构，完成了发动机功能模型库的开发，构建了系统与组件协同、综合优化的设计平台，在系统设计的每一个环节作出最佳决策，并通过仿真进行验证，已达到系统方案的优选、指标的合理分配，性能的整体优化。

2011-2021年，从液体火箭发动机建模仿真到一次系统试验成功：构建了液体火箭发动机模型库和方案设计验证平台，支持发动机静态计算、动态仿真、方案设计、系统验证。2021年基于数字系统模型仿真成功实现某型号发动机一次点火试验成功。4.3多领域建模仿真案例——液体动力系统建模仿真现代复杂工程系统的数字化研制模式纵向无级缩放分系统设备组件线缆能源系统数字伴飞：供配电系统数字大图(嫦娥五号)4.3多领域建模仿真案例——能源系统建模仿真80供配电专业模型库电路级分析能量平衡仿真功率流分析太阳能电池阵仿真蓄电池组仿真功率调节与配电设计仿真故障模式仿真一次电源接口电路仿真设备级仿真分析仿真模型框架生成模型库映射仿真模型生成系统级仿真分析能源流动态可视化层次化供配电大图供配电链路物理仿真模型能源系统数字伴飞：供配电系统多层次仿真分析(嫦娥五号)支持提取供配电系统架构数据，结合供配电仿真模型库，生成供配电系统仿真模型，从而开展系统级、设备级和电路级仿真分析。4.3多领域建模仿真案例——能源系统建模仿真能源系统数字伴飞(嫦娥五号)遥测数据服务指令注入运行状态监控及判读供配电系统关键参数状态预示飞行器实物辅助故障分析、排查和故障预案制定嫦娥五号数字验证构建了嫦娥五号供配电系统全级次模型，首次实现航天器在轨运行数字模型实时伴飞，实现了实时自动数据判读、运行状态评估与预测、故障预案推演等功能，为我国首次月面无人自动采样返回保驾护航。4.3多领域建模仿真案例——能源系统系统建模仿真82建立了空间站三舱的动力学与控制、能源、环热控、推进、信息、数管、测控七个分系统模型，集成形成了空间站单舱、两舱一字型、三舱T字形全系统综合模型，对交会对接、转位等场景进行分析验证，实现了空间站系统级、全边界、全工况的分析验证。4.3多领域建模仿真案例——中国空间站系统数字孪生4.3多领域建模仿真案例——核反应堆统一建模仿真平台基于同元MWorks.Sysplorer平台，联合核动力院二所，在多专业统一建模框架下支持复杂两流体建模求解，实现机电控与热工水力统一建模，解决了核动力系统MBSE系统建模仿真核心关键技术，达到国际领先水平。84基于MWorks.Sysplorer平台，联合核动力院二所，在多专业统一建模框架下支持复杂两流体建模求解，实现机电控与热工水力统一建模，解决了核动力系统MBSE系统建模仿真核心关键技术，达到国际领先水平。4.3多领域建模仿真案例——核反应堆统一建模仿真平台854.3多领域建模仿真案例——民用大飞机建模与仿真864.3多领域建模仿真案例——航空发动机建模与仿真87车辆模型库4.3多领域建模仿真案例——智能汽车系统仿真模型库转向系统(对标AMESim/Simulink)转向系统电机模型（对标Simulink）验收目标：相对误差<1%实际误差：相对误差<0.6%验收目标：相对误差<1%实际误差：相对误差<0.4%悬架模型（对标ADAMS）无衬套情况下，与ADAMS结果最大相对误差<0.1%输出扭矩齿轮间隙整车精度验证（对标Carmaker/ADAMS）Carmaker对标蛇形工况验收目标：相对误差<5%实际误差：相对误差<1%ADAMS对标阶跃工况验收目标：无要求实际误差：相对误差<5%红色：Carmaker蓝色：MWorks红色：MWorks蓝色：ADAMS将子系统模型进行集成生成不同自由度的整车模型，并与专业分析软件进行对标验证，如Carmaker、ADAMS。当前状态：完成模型库架构设计,并输出标准规范完成大部分子系统模型建模工作，并确保所有子部件模型对标商业软件误差<1%4.3多领域建模仿真案例——HW智能汽车仿真软件替代多专业与全系统建模仿真能力覆盖结构、流热、电气、软件多专业支持多物理场耦合仿真支持多目标优化与稳健设计提供系统建模仿真与数字孪生支持面向行业数字化的解决方案提供电气行业设计、仿真完整工具链提供增材制造设计、验证与优化工具提供半导体行业多物理分析工具集提供嵌入式软件需求分析、架构设计、代码生成一体化工具提供汽车行业整体方案，支持多专业整体应用面向系统数字化的解决方案面向MBSE、数字孪生的平台软件面向数据管理与协同的集成工具通过收购SCADE、ModelCenter等软件及打造TwinBuilder平台，为MBSE、数字孪生提供全系统、多层次、全流程数字化平台全系统：系统建模仿真与数字孪生；多层次：系统层、专业层；全流程：系统设计、专业设计、虚实验证4.4多领域建模仿真——数字孪生平台（美ANSYS）ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件；能与多数计算机辅助设计（CAD，computerAideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。TWINBUILDER是ANSYS公司近几年推出的跨学科多领域系统建模仿真与数字孪生平台支持系统建模、仿真、验证、优化、预测与维护，与IoT物联网平台集成，数字孪生体部署与运行多物理域多语言建模与仿真支持Modelica、VHDL-AMS、SPICE、C/C++等多种建模语言与模型库支持通过标准开放接口FMI/FMU与第三方工具进行系统集成具备结构、流体、电磁、热等3D有限元模型降阶功能，建立降阶模型，用于与1D模型进行快速联合仿真系统验证与优化具有参数化、灵敏度、统计和调谐等分析功能，以及基于遗传算法、单纯形法等算法的优化设计功能，从而深入权衡和优选设计参数，并优化设计方案数字孪生生成与部署可对已搭建的系统模型进行分层次的调参验证，生成、导出数字孪生体，并部署在IoT平台、半实物仿真机等边缘设备、公司内部的数据服务器上，进而访问测试数据和实时数据4.4多领域建模仿真——数字孪生平台（美ANSYS）西门子提出系统驱动的产品开发（SystemDrivenProductDevelopment，SDPD）是其实施MBSE的落地方案SDPD：应用建模与仿真技术来支持系统需求、设计、分析、验证与确认---为跨领域协同的产品开发、制造和使用提供支持，来预测/验证横跨全系统性能（包括机械、电气、软件和控制等）的产品和流程4.4多领域建模仿真——数字孪生平台（欧洲德国

西门子）92Simcenter

AMESim作为一款系统仿真软件，为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案Simcenter可将系统仿真、3DCAE和测试集于一身，可在早期和整个产品生命周期内预测所有关键属性的性能关键特性：1、多物理领域系统的仿真2、稳态和瞬态分析3、线性和非线性系统4、输入/输出分析5、参数敏感性分析6、振动和阶次分析7、时域和频域分析8、具有MIL/SIL/HIL和实时功能的测试系统9、与CAE软件工具集成（计算机辅助工程）4.4多领域建模仿真——数字孪生平台（欧洲德国

西门子）需求管理和闭环追溯电子电气应用架构系统架构和功能设计智能互联多系统架构和服务(SOS架构设计)软件&硬件开发协同功能安全&FMEA虚拟仿真&集成验证管理需求开发整车系统架构功能架构&架构权衡分析多参数系统优化AutoSAR软件架构设计硬件架构设计网络设计逻辑与线束原理FTA/FMEA分析功能安全分析嵌入式软件开发AutoSAR硬件ECAD协同需求管理闭环追溯需求仿真功能逻辑仿真软件控制仿真(AutoSAR)网络仿真自动驾驶虚拟仿真MiL/SiL/HiL

仿真仿真平台和测试验证管理达索全力打造的云化MBSE平台，涵盖需求管理、系统设计、领域开发、仿真和集成验证等全流程3DExperience通过虚拟探索、优化和验证复杂的现实世界行为，通过多尺度（如：1D、3D）、多学科模拟确保产品和工艺的性能、可靠性和安全性，减少对物理原型的需求4.4多领域建模仿真——数字孪生平台（法国

达索3DE）同元数字化平台

业务框架体系工程系统工程专业工程需求管理需求条目化管理需求追踪需求变更控制需求验证系统设计需求分析需求追踪功能分析逻辑设计接口设计系统仿真接口数据管理系统试验运行统一建模与仿真模型校核验证逻辑仿真分布式联合仿真通用质量特性设计可靠性维修性测试性保障性安全性环境适应性故障仿真半实物试验虚拟试验试验管理试验设计快速原型技术状态管理系统模型数据协同管理一二维融合建模与仿真设计-仿真集成试验分析评估试验结果管理专业设计与仿真机械电气流体控制通信仪控系统-专业集成需求模型设计模型仿真模型仿真模型数字交付硬件在环功率硬件在环数采测控虚拟操作模拟快速状态预示实时同步监控健康状态评估运行性能优化实物运行控制孪生战场体系结构设计孪生训练数字交付数字交付体系结构仿真需求模型需求管理需求管理设计模型仿真模型模型或模拟器4.4多领域建模仿真——中国苏州同元MWorks信息物理系统建模仿真与数字孪生平台MWORKS.Syslab科学计算环境高效的科学与工程计算系统建模仿真环境基于模型的设计与仿真物理建模Modelica系统建模语言框图建模MWORK.Sysplorer编程图形Julia科学计算语言代码互操作工作空间共享符号数学库曲线拟合库机器学习库......模型库MWORKS.Library标准库同元专业库传动、液压、电机、…同元行业库车辆、能源、……MWORKS.Toolbox状态图建模数学开放API体系MWORKS.SDK（C/C++/Python/Julia）函数库MWORKS.FuncMWORKS.Syslink多人协同建模模型生命周期管理云端建模仿真安全保密管理协同设计仿真环境工具箱MWORKS.Sysbuilder需求分析功能设计架构定义行为分析系统架构设计环境DSP工具箱通信系统频率估算实时代码生成嵌入式代码生成信号处理信号处理与通信控制SysML导入FMI导入导出验证与确认灵敏度分析模型参数标定试验设计模型优化故障仿真分布式联合仿真机械多体CAD导入刚柔耦合模型工程电气ICD导入电气大图行业系统工程平台航天、核能、船舶、...体系数字工程平台卫星互联网、低轨星座、孪生网络、孪生战场专业设计仿真软件机械多体、一维流体、控制设计、电气仿真、...模型互联网平台Mohub4.4多领域建模仿真——中国苏州同元MWorks基于MWORKS的数字孪生支撑架构机理模型开发高保真度行为类模型开发虚实融合运行1D-3D机理模型融合机理-数据模型融合数据模型开发模型训练特征分析模型评估模型部署虚实同步求解运行引擎虚实模型数据管理环境高保真度结构类模型开发系统高保真度演示类模型开发系统模型库算法库数据库三维结构一维仿真三维仿真三维演示设计数据仿真数据实验数据运维数据数据分析机器学习预测分析诊断分析数字化工具软件「软」数据采集传输系统「硬」数据传输数据采集硬件通信传感器数字虚体物理实体虚实融合以虚控实MWorks.SysplorerMWorks.SyslabMWorks.SysplorerCAECAD编程语言数字孪生应用服务环境监控评估预测优化控制4.4多领域建模仿真——中国苏州同元MWorks97装备数字化框架建立全体系、全流程的模型数据接口规范建设数字化工程关键内核与通用工具体系构建全谱系、全阶段、全要素的模型与数据库建设任务创新协同机制与数字化工程协同生态现代复杂工程系统的数字化研制模式谢谢！工业系统建模与仿真MWORKS.Sysplorer基础功能与应用目录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;