Modelica建模语言入门：基础语法与实战案例解析

Modelica建模语言入门：基础语法与实战案例解析

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/xzb5566/article/details/141064063

Modelica是一种面向对象的物理系统建模语言，广泛应用于多领域复杂工程系统的建模仿真。本文将从Modelica的基础概念、语法特点，到具体的建模实例，全面介绍这一重要技术工具。

Modelica简介

Modelica是由Modelica协会维护、免费开放的物理系统面向对象的统一建模语言规范，为机、电、液、控等多领域复杂工程系统提供了统一的物理建模语言规范。

Modelica作为多学科统一建模仿真的国际标准，被仿真界广泛采用,系统多领域统一建模仿真，已成为世界公认的MBSE和CPS的核心关键支持技术。

Modelica 语法、函数、包、连接器、组件、子系统

https://modelica.org/libraries.html 第三方的库
MSL

Modelica 下载安装：

支持Modelica语言的开源软件有
1） OpenModelica,
2） JModelica（新版本不再开源，但是最后的开源版本仍可下载）
3） Scilab项目中的SCICOS 。

可以使用 openmodelica 软件来进行modelica建模，测试 ，openmodelica 的下载安装 Download Windows。 下载对应的版本 :Index of /omc/builds/windows/releases/1.21/0/64bit

典型商业软件主要有 [2] ：

1. 苏州同元的MWorks(中国),
2. 伊萨的SimulationX,
3. 达索的Dymola,
4. 西门子的AMESim（支持Modelica）,
5. MapleSoft（Maple厂家）的MapleSim,
6. Wolfram （Mathemetica厂家）的MathModelica。

Modelica 基础语法：

1） 模型定义
model SomeModelName "An optional description"
// By convention, variables are listed at the start
equation
/* And equations are listed at the end */
end SomeModelName;

2） 继承
model SpecializedModelName "An optional description" extends Model1; // No modifications
extends Model2(n=5); // Including modification // By convention, variables are listed at the start
equation /* And equations are listed at the end */
... ...
end SpecializedModelName;

3） 变量
Real x;
Real x, y;
Real alpha “angular acceleration”;

· 内建类型：
4大类型： Real ， Integer， Boolean， String （4大内置参数类型）

· 参数： parameter 修饰
能够在变量声明前加入parameter（参数）限定词，以表明该变量是先验已知的。我们可以认为这个参数作为模型的“输入数据”，是不随时间变化的常数。

· 常数： constant 修饰
与parameter（参数）限定符关系密切的是constant（常数）限定词。

· 离散变量： discrete

· 派生类型：
type NewTypeName = BaseTypeName(/* attributes to be modified /);
type Temperature = Real(unit="K"); // Could be a temperature difference
type AbsoluteTemperature = Temperature(min=0); // Must be positive
model BaseTypeName
type BaseTypeName1 = Real(unit="m2");
type NewTypeName = BaseTypeName1;// / attributes to be modified */;
type Temperature = Real(unit="K"); // Could be a temperature difference type AbsoluteTemperature = Temperature(min=0); // Must be positiveequation
end BaseTypeName;

· 枚举类型：
type AssertionLevel = enumeration(warning, error);
type StateSelect = enumeration(never, avoid, default, prefer, always);

修改语句：
Real x(start=10);
parameter Real x0=10 "Start value of prey population";
Real x(start=x0) "Prey population";
extends QuiescentModelWithInheritance(gamma=0.3, delta=0.01);
extends QuiescentModelWithInheritance(x(start=5));

Record类型定义
record类型可以有自己的变量，但是不允许包含方程
record Vector
"A vector in 3D space" Real x; Real y; Real z;
end Vector;

record Complex "Representation of a complex number"
Real re "Real component";
Real im "Imaginary component";
end Complex;

parameter Vector v(x=1.0, y=2.0, z=0.0);
parameter Vector v = Vector(x=1.0, y=2.0, z=0.0);

Demo展示：

demo1: 模拟一个乒乓球从1米的高度，掉落到地上，并来回弹起来的效果：

1. 对弹跳球的建模
   model BouncingBall "The 'classic' bouncing ball model"
   type Height = Real(unit = "m");
   type Velocity = Real(unit = "m/s");
   parameter Real e = 0.8 "Coefficient of restitution";
   parameter Height h0 = 1.0 "Initial height";
   Height h;
   Velocity v;
   initial equation
   h = h0;
   equation
   v = der(h);
   der(v) = -9.81;
   when h <= 0 then
   reinit(v, -e*pre(v));
   end when;
   end BouncingBall;

modelica模拟的效果图：、
从上面的模拟图中能发现，当最后球静止的时候，球落在地面以下的位置了。这显然不符合现实世界。我们可以对其改进一番看看。

2. 改进版本：
   model StableBouncingBall
   "The 'classic' bouncing ball model with numerical tolerances"
   type Height=Real(unit="m");
   type Velocity=Real(unit="m/s");
   parameter Real e=0.8 "Coefficient of restitution";
   parameter Height h0=1.0 "Initial height";
   constant Height eps=1e-3 "Small height";
   Boolean done;
   Height h;
   Velocity v;
   initial equation
   h = h0;
   done = false;
   equation
   v = der(h);
   der(v) = if done then 0 else -9.81;
   when {h<0,h<-eps} then
   done = h<-eps;
   reinit(v, -e*(if h<-eps then 0 else pre(v)));
   end when;
   end StableBouncingBall;

modelica模拟的效果图：

demo2: 带滞回的温度控制

model HysteresisControl "A control strategy that doesn't chatter"
type HeatCapacitance=Real(unit="J/K");
type Temperature=Real(unit="K");
type Heat=Real(unit="W");
type Mass=Real(unit="kg");
type HeatTransferCoefficient=Real(unit="W/K");
Boolean heat(start=false) "Indicates whether heater is on";
parameter HeatCapacitance C=1.0;
parameter HeatTransferCoefficient h=2.0;
parameter Heat Qcapacity=25.0;
parameter Temperature Tamb=285;
parameter Temperature Tbar=295;
Temperature T;
Heat Q;
initial equation
T = Tbar+5;
heat = false;
equation
Q = if heat then Qcapacity else 0;
C*der(T) = Q-h*(T-Tamb);
when {T>Tbar+1,T<Tbar-1} then
heat = T<Tbar;
end when;
end HysteresisControl;

modelica模拟的效果图：

demo3: 带抖动的温度控制

model ChatteringControl "A control strategy that will 'chatter'"
type HeatCapacitance=Real(unit="J/K");
type Temperature=Real(unit="K");
type Heat=Real(unit="W");
type Mass=Real(unit="kg");
type HeatTransferCoefficient=Real(unit="W/K");
Boolean heat "Indicates whether heater is on";
parameter HeatCapacitance C=1.0;
parameter HeatTransferCoefficient h=2.0;
parameter Heat Qcapacity=25.0;
parameter Temperature Tamb=285;
parameter Temperature Tbar=295;
Temperature T;
Heat Q;
initial equation
T = Tbar+5;
equation
heat = T<Tbar;
Q = if heat then Qcapacity else 0;
C*der(T) = Q-h*(T-Tamb);
end ChatteringControl;

modelica模拟的效果图：

电子电气相关的模型仿真

仿真效果：