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摘 要
目前， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬建模技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)建模與仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用越來越重要，已經(jīng)成為測(cè)試和分析產(chǎn)品技術(shù)性能的一項(xiàng)重要手段。然而，現(xiàn)在產(chǎn)品的復(fù)雜程度逐漸提高，往往涉及機(jī)械、控制、電子、和軟件等多學(xué)科領(lǐng)域,其每個(gè)部件、子系統(tǒng)都可能是由各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的零部件組成, 雖然各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都有比較成熟的仿真軟件,但大部分仿真軟件僅適用于本學(xué)科領(lǐng)域,并在模型表述中采用自己專門的格式,而復(fù)雜產(chǎn)品的整體性能需要多個(gè)領(lǐng)域仿真軟件的協(xié)同仿真,需要在多個(gè)仿真軟件間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換,并進(jìn)行系統(tǒng)層面上的建模,單領(lǐng)域仿真建模工具很難滿足要求。因此要設(shè)計(jì)多領(lǐng)域建模與仿真平臺(tái)，以滿足當(dāng)今產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。
在本論文中，通過對(duì)多領(lǐng)域建模語言Modelica在數(shù)字電路中的應(yīng)用以及多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真平臺(tái)Dymola系統(tǒng)的應(yīng)用的介紹，讓我們初步了解了多領(lǐng)域建模與仿真在當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該論文主要包含以下的幾個(gè)主要部分：首先介紹當(dāng)今多領(lǐng)域建模仿真的發(fā)展?fàn)顩r。其次，介紹了有關(guān)電路設(shè)計(jì)和仿真的一些有關(guān)軟件和平臺(tái)，以及Modelica語言和Dymola仿真平臺(tái)。接著，介紹了同步電機(jī)工作原理以及它的數(shù)學(xué)模型。最后，講述如何利用Modelica語言和Dymola仿真平臺(tái)建立同步電機(jī)仿真模型，以及對(duì)它進(jìn)行分析測(cè)試。
本論文對(duì)課題的設(shè)計(jì)方法以及所利用的理論知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)多領(lǐng)域建模語言Modelica以及仿真平臺(tái)Dymola系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵字：同步電機(jī)建模仿真；同步電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；Modelica； Dymola系統(tǒng)。
Abstract
At present, along with the computer technology and the simulation modelling technology development, mathematics modelling and the simulation is more and more important in the product design function,already became the test and an analysis product technical performance important method.However, now the product complex degree gradually enhances, often involves the machinery, the control, the electron, and software and soon the multi-disciplinary domain, its each part, the subsystem all possibly are is composed by each discipline domain spare part. Although each discipline domain has quite mature simulation softwares, however, most simulation softwares applie only to the areas of themselves, used their own special formats to illustrate the models, but complex products require multiple areas of the overall performance of simulation softwares co-simulation, and need a large number of data exchange among a number of simulation softwares,modeling on system level. single field of simulation modeling tools are very difficult to meet the requirements, therefore must design the multi- domains modelling and the simulation platform, meets now the product production needs.
In this paper, through to multi- domains modelling language Modelica in the digital circuit application as well as the multi-domains physical system simulation platform Dymola system application introduction, lets us initially understand the multi- domainsmodelling and the simulation in now the product design application.Below this paper mainly contains several main parts:
First briefs now the multi- domains modelling simulation development condition.Second, introduced the related circuit design and simulation somerelated software and the platform, as well as Modelica language and Dymola simulation platform.After that, introduced work principle of synchronous motor as well as its mathematical model. Finally, how narrates using the Modelica language and Dymola simulation platform establishment parallel synchronous motor the simulation model, as well as carries on the analysis test to them.
The present paper the theory knowledge which as well as used to thetopic design method has carried on the detailed elaboration, and hascarried on the introduction to multi- domains modelling language Modelica as well as the simulation platform Dymola system.
Key words: Synchronous machine modeling and simulation;Synchronous motor dynamic response,;Modelica;The Dymola system..
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1課題來源和研究背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的發(fā)展概況 4
1.2.1硬件描繪語言VHDL 4
1.2.2 Matlab系統(tǒng) 5
1.3 Modelica語言的介紹 6
1.3.1 Modelica發(fā)展的歷史 6
1.3.2 Modelica的主要特征 7
1.3.3 Modelica的主要功能 8
1.4 課題研究的目的與意義 11
1.5 課題主要內(nèi)容 12
2 同步電機(jī)基本原理 12
3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
4 仿真結(jié)果及分析 29
5 總結(jié)與展望 35
5.1 總結(jié) 35
5.2 展望 35
謝 辭 37
參考文獻(xiàn) 38
39
1 緒論
1.1 課題來源和研究背景
該課題來源于桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,課題主要研究面向?qū)ο蟮亩囝I(lǐng)域建模語言Modelica的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)主要是研究Modelica在同步電機(jī)仿真中的方針及應(yīng)用。
隨著時(shí)代和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日益成為各行業(yè)不可缺少的手段和技術(shù)?？v觀系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的歷史可知，仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展密切聯(lián)系的。正是控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為仿真技術(shù)提供了強(qiáng)有力的手段和工具。由于在計(jì)算機(jī)上建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)這個(gè)模型是十分經(jīng)濟(jì)、方便和靈活的，因而計(jì)算機(jī)仿真在仿真中越來越占有重要的地位。
50年代末期到60年代，由于洲際導(dǎo)彈和宇宙飛船的姿態(tài)及軌道控制動(dòng)力學(xué)的研究，促進(jìn)了混合仿真技術(shù)的發(fā)展，1958年第一臺(tái)混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于洲際導(dǎo)彈的仿真。1964年生產(chǎn)出第一臺(tái)商用混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。60年代，阿波羅登月計(jì)劃的成功及核電站的廣泛使用進(jìn)一步促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。70年代開始，仿真技術(shù)被應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等非工程系統(tǒng)的研究，開拓了仿真技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。
仿真技術(shù)現(xiàn)在已成為系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計(jì)及人員訓(xùn)練不可缺少的重要手段，它給工程界及企業(yè)界帶來了巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。使用仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及訓(xùn)練過程中的安全性，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，由于不可能直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真技術(shù)更顯出它的重要性。
現(xiàn)代仿真系統(tǒng)的總體要求如下
(1)減少模型開發(fā)時(shí)間，即從重視編程轉(zhuǎn)向重視建模，包括研究結(jié)構(gòu)化建模的環(huán)境與工具，建立模型庫及模型開發(fā)的專家系統(tǒng)等等。
(2)改進(jìn)精度，包括改進(jìn)模型建立的精度及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的精度，比如研究模型結(jié)構(gòu)特征化的新方法——模式識(shí)別法及人工智能法、連續(xù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值解法、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方法等等。
(3)改進(jìn)通信，包括人與人之間的通信及人與計(jì)算機(jī)之間的通信，比如研究模型的統(tǒng)一描述形式，圖形輸入與動(dòng)畫輸出，仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)、分析等。
仿真實(shí)驗(yàn)要使得模型能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這部分工作要由仿真軟件來完成。仿真軟件是一類面向仿真用途的專用軟件，它的特點(diǎn)是面向問題、面向用戶，其功能可概括為：
(1)模型描述的規(guī)范及處理；
(2)仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行與控制；
(3)數(shù)據(jù)與結(jié)果的分析、顯示及文檔化；
(4)對(duì)模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?shù)據(jù)、圖形或知識(shí)的存儲(chǔ)、檢索與管理。
根據(jù)上述功能的實(shí)現(xiàn)情況，可以將仿真軟件分為程序包[具有(2)、(3)、(4)中一種或兩種功能]、仿真語言〔具有(1)、(2)、(3)功能]和一體化仿真環(huán)境[具有(1)一(4)全部功能的一體化軟件系統(tǒng)]。從目前看，仿真語言仍是仿真軟件的主體。
從軟件發(fā)展的觀點(diǎn)來看，最初出現(xiàn)的是一些功能簡(jiǎn)單的程序包，以后為便于仿真用戶使用，開發(fā)了許多仿真語言，同時(shí)研制成仿真軟件。為了滿足這些要求，提出了以下幾點(diǎn)。
改善建模環(huán)境，改善建模環(huán)境包括下述內(nèi)容。
(1)模塊化、結(jié)構(gòu)他建模技術(shù)
所謂結(jié)構(gòu)化建模技術(shù)是指；根據(jù)不同實(shí)際系統(tǒng)的組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，抽象出它們的基本成分及組合關(guān)系；確定各種基本成分及其連接的描述形式并開發(fā)一種非過程編程語言(模型描述語言)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同建立相應(yīng)的模型庫并使它與模型實(shí)驗(yàn)?zāi)?
塊有機(jī)地結(jié)合起來。采用這種技術(shù)不僅能使仿真軟件直接面向領(lǐng)域工程師，而且能大大縮短建模時(shí)間。
(2)圖形建模技術(shù)
利用鼠標(biāo)器在計(jì)算機(jī)屏幕上將模型庫中已有的系統(tǒng)元件拼合成系統(tǒng)的橫型。
在20世紀(jì)90年代以前，應(yīng)用于特定領(lǐng)域的建模仿真軟件在其取得成功的同時(shí)，伴隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，離復(fù)雜產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)要求之間的差距也越來越大，具體表現(xiàn)在：
（1）對(duì)多領(lǐng)域建模支持不足：ADAMS,SIMPACK、Spice、VHDL-AMS、Flowmaster
等在其特定專業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械、電子或液壓等，功能相當(dāng)完善，但對(duì)于來自其它領(lǐng)域的組件描述能力有限，對(duì)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的支持不足。
（2）通用仿真系統(tǒng)如Simulink、ACSL等，有時(shí)需要對(duì)模型方程作手工推導(dǎo)和分解，然后建立對(duì)應(yīng)的經(jīng)過分解和變型的模型。建立的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)際的物理模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，因而不適合于物理建模(physical modeling)。
（3）和傳統(tǒng)的面向計(jì)算的建模方法不同，第一代面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)建模語言和仿真系統(tǒng)(ObjectMath,Dymola,Omola,NMF,gPROMS,Allan,Smile等)采用了面向?qū)ο蠛突诜匠痰慕７椒ǎ朔艘郧懊嫦蜻^程的建模仿真語言的限制，但諸多語言本身又產(chǎn)生了兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化的問題。
為此，來自不同領(lǐng)域的專家學(xué)者，在歸納和統(tǒng)一以前的多種面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)建模語言基礎(chǔ)上，于1997年提出了一種新的多領(lǐng)域統(tǒng)一物理建模語言Modelica。
目前，國(guó)內(nèi)高校和研究所對(duì)基于Modelica統(tǒng)一建模語言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的研究還主要局限于基于Dymola軟件的應(yīng)用，如上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院借助于Dymola對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、同步電機(jī)和熱機(jī)的分析應(yīng)用，華北工學(xué)院對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)箱的建模分析以及河海大學(xué)常州校區(qū)機(jī)電學(xué)院在柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制上應(yīng)用Modelica語言進(jìn)行的建模分析等等，而對(duì)Modelica統(tǒng)一建模語言本身的研究及其軟件支撐平臺(tái)的開發(fā)幾乎是空白。
一體化仿真環(huán)境是先進(jìn)仿真技術(shù)的主要內(nèi)容，也是這些技術(shù)的綜合實(shí)現(xiàn)。它涉及到許多新的有關(guān)系統(tǒng)仿真的概念，如仿真的基本攝念框架，仿真——基于模型的活動(dòng)，仿真操作系統(tǒng)等。本文從仿真語言及其存在的問題出發(fā)，從而引進(jìn)傷真的基本概念框架
及一體化仿真環(huán)境，最后再從仿真操作系統(tǒng)的角度對(duì)一體化仿真環(huán)境作進(jìn)一步討論。
當(dāng)前的仿真語言還存在一些問題，有鑒于此，針對(duì)多領(lǐng)域耦合的復(fù)雜產(chǎn)品，研究開發(fā)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真通用平臺(tái)MWorks；進(jìn)一步將針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)，基于CAD技術(shù)和多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行拓展，研究開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)的虛擬功能樣機(jī)系統(tǒng)FVPS，在統(tǒng)一環(huán)境下處理由機(jī)械、電子、液壓、控制等多領(lǐng)域構(gòu)件組成的復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析問題；最終形成一套具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成化多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真統(tǒng)一平臺(tái)EMWorks，為企業(yè)提供一套產(chǎn)品創(chuàng)新工具。
隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)模擬仿真在當(dāng)今的產(chǎn)品生產(chǎn)過帶程中的作用也日趨重要，它能夠大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。是否能夠建立模擬仿真模型是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬仿真關(guān)鍵之所在。
Dymola/Modelica具有良好的可擴(kuò)展性,可以建立分級(jí)模塊,再把它們組裝起來成為最終的模型,因而簡(jiǎn)化了程序和步驟。同時(shí),Modelica的non-casual(無須明確輸入輸出關(guān)系)也使得系統(tǒng)模塊的組裝方便簡(jiǎn)捷,不失為一種好的建立模塊化仿真模型的有效工具和方法。充分開發(fā)其特點(diǎn)能進(jìn)一步完善模塊化建模的方法,并拓展該語言的應(yīng)用領(lǐng)域。
由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)存在一系列突出優(yōu)點(diǎn)，近年來這種技術(shù)越來越受到人們的重視，對(duì)它的應(yīng)用和研究遍及計(jì)算機(jī)軟件和硬件的各個(gè)領(lǐng)域。用模塊化、抽象、局部化和模塊獨(dú)立等原理及結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù)指導(dǎo)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，能夠提高軟件的開發(fā)效率，增加軟件的可理解性和可維護(hù)性。當(dāng)功能需求變化時(shí)，無須重新創(chuàng)建工程，只須在原有的基礎(chǔ)上作一些增加、刪除或修改即可。而且如要產(chǎn)生新的功能也可用原有的類派生而成，可繼承原有類中可重用的部分，這樣就可以減少不必要的工作量。
1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的發(fā)展概況
如今，對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)與仿真軟件很多，這里主要介紹硬件描繪語言VHDL，電路圖電路板設(shè)計(jì)軟件PROTEL，以及 MATLAB系統(tǒng)。
1.2.1硬件描繪語言VHDL
在現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域,硬件描述語言(Hardware Description Language ,縮寫為HDL) 因其“代碼復(fù)用”(Code Reuse) 遠(yuǎn)高于圖形化輸入方法的“代碼復(fù)用”,并且解決了用電路原理圖在設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)時(shí)的諸多不便,所以成為了電子工程領(lǐng)域主要的設(shè)計(jì)工具。VHDL語言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語言描述能力強(qiáng), 覆蓋面廣, 抽象能力強(qiáng), 應(yīng)用越來越廣泛。
VHDL的英文全寫是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language.翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語言 。但是，由于它在一定程度上滿足了當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)需求，于是他在1987年成為ANSI/IEEE的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE STD 1076-1987）。1993年更進(jìn)一步修訂，變得更加完備，成為ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多數(shù)的CAD廠商出品的EDA軟件都兼容了這種標(biāo)準(zhǔn)。
VHDL作為IEEE(美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)) 標(biāo)準(zhǔn),近十多年來獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,隨著IEEE 對(duì)VHDL 的修訂與擴(kuò)充,VHDL 已經(jīng)具備描述模擬和數(shù)?；旌想娐方Y(jié)構(gòu)與行為的能力。然而,VHDL 仿真器仍以事件驅(qū)動(dòng)為核心,也就是說,仿真是按事件發(fā)生的順序進(jìn)行的。因此,在應(yīng)用VHDL 對(duì)模擬電路進(jìn)行建模與仿真分析時(shí),還存在著許多限制。
VHDL語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力, 可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級(jí)電路, 其高層次的行為描述可以與低層次的RTL 描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用; 設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)從文本編輯、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時(shí)序仿真到編程下載整個(gè)開發(fā)過程,大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度, 提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量, 減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
用VHDL語言進(jìn)行的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用“自頂向下(top to down) ”的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)的基本步驟如下:
(1) 分析系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行系統(tǒng)劃分,確定各個(gè)模塊的接口和功能;
(2) 編寫程序,輸入VHDL 代碼;
(3) 將其編譯成標(biāo)準(zhǔn)的VHDL 文件;
(4) VHDL 源代碼進(jìn)行綜合優(yōu)化處理;
(5) 配置,即加載設(shè)計(jì)規(guī)定的編程數(shù)據(jù)到指定型號(hào)的芯片中;
(6) 下載,并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
1.2.2 Matlab系統(tǒng)
在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的過程中，往往需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，傳統(tǒng)的紙筆和計(jì)算器已根本不能滿足海量計(jì)算的要求，一些技術(shù)人員嘗試用Basic , Fortran以及C語言編制程序來減輕工作量，但編制程序不僅需要掌握所用語言的語法，還需要對(duì)有關(guān)算法進(jìn)行深入的分析，這對(duì)大多數(shù)科技工作者來說有一定的難度。當(dāng)用C或Fortran語言編寫程序時(shí)，尤其當(dāng)涉及到矩陣運(yùn)算和畫圖時(shí)，編程會(huì)很麻煩，往往一個(gè)簡(jiǎn)單的問題就要編寫很長(zhǎng)的代碼，鍵入和調(diào)試程序都非常困難。
為了滿足用戶對(duì)工程數(shù)學(xué)計(jì)算的要求，一些軟件公司相繼推出了一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，如MATLAB, Xmath Mathernatica Maple等，其中Mathworks公司推出的MATLAB以其強(qiáng)大的功能和易用性受到越來越多的科技工作者的歡迎。
MATLAB起初是作為矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)提供給UNPACK和EISPACK矩陣軟件包的接口(UNPACK是解線性方程的Fortran程序庫，EISPACK是解特征值問題的Fortran程序庫)。80年代初期，Cleve Moler, John Little采用C語言編寫MATLAB的核心，合作開發(fā)了MATLAB第二代專業(yè)版。不久，他們成立了Mathworks公司，并將MATLAB正式推向市場(chǎng)。與Basic Fortran C語言比較，MATLAB的語法規(guī)則更為簡(jiǎn)單，編程特點(diǎn)更貼近人的思維方式，用MATLAB寫程序有如在便箋上列公式和求解，因而MATLAB被稱為“科學(xué)便箋式”的科學(xué)工程計(jì)算語言。
MATLAB 是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語言,主要由MATLAB主開發(fā)環(huán)境、擴(kuò)展MATLAB 功能的工具箱、Simulink仿真環(huán)境和第三方開發(fā)的輔助工具等內(nèi)容組成。 它可靠的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語言、強(qiáng)大的圖形功能以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱是MATLAB 區(qū)別于其它科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。 MATLAB相對(duì)于其他應(yīng)用軟件有以下的優(yōu)勢(shì)：
（1）語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用其豐富的庫面數(shù)避開鉸雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。
（2）運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用c語言編寫的，MATLAB提供了和c語言幾乎—樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。
（3）MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?
（4）語法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。
（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。
（6）MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。而且還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。
Simulink是MATLAB軟件包中最重要的功能模塊之一，是一個(gè)結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和仿真工具。它以MAlUlB的核心數(shù)學(xué)、圖形和語言為基礎(chǔ)，可以讓用戶毫不費(fèi)力地完成從算法開發(fā)、仿真或者模型驗(yàn)證的全過程，而不需要傳遞數(shù)據(jù)、重寫代碼或改變軟件環(huán)境，是交互式，模塊化的建模和仿真的動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)，在電子領(lǐng)域，通常利用 Simulink建立電子裝置的簡(jiǎn)化模型并連接成系統(tǒng)，即可直接進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和仿真。 Simulink對(duì)C語言代碼提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式圖形環(huán)境下，也可以工作在MATLAB指令語言模式的批處理模式下。
使用MATLAB的優(yōu)勢(shì)：其數(shù)據(jù)處理十分有效，精細(xì)，運(yùn)行速度較快；數(shù)據(jù)的格式兼容性非常好便于數(shù)據(jù)的后處理與分析，尤其是控制特性的研究分析。
1.3 Modelica語言的介紹
1.3.1 Modelica發(fā)展的歷史
多領(lǐng)域建模(multi-domain modeling)是將機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動(dòng)、軟件等不同學(xué)科領(lǐng)域的模型“組裝”成為一個(gè)更大的仿真模型，以用于仿真運(yùn)行。多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從單一領(lǐng)域獨(dú)立建模到多領(lǐng)域統(tǒng)一建模、連續(xù)域或離散域分散建模到連續(xù)離散混合建模、面向過程建模到面向?qū)ο蠼５陌l(fā)展階段。
1978年瑞典人Hilding Elmqvist在博士論文中,針對(duì)計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展的趨勢(shì)提出了建立一種新的面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)仿真語言的思想,其后在20世紀(jì)80年代,由于Pantelides解DAE方程法的出現(xiàn)而有了進(jìn)一步的發(fā)展,并最終在20世紀(jì)90年代后半期形成了一種新的仿真語言和軟件——Modelica/Dymola。
Modelica 是歐洲仿真界在統(tǒng)一和歸納先前多種物理建模語言的基礎(chǔ)上, 為解決復(fù)雜多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與仿真問題, 提出的一種面向?qū)ο蟮摹⒒诜匠痰?、陳述式建模語言。 目前基于Modelica的具有從建模到仿真直至后處理完整功能的軟件只有2個(gè)：瑞典Dynasim AB公司的Dymola和瑞典PELAB實(shí)驗(yàn)室的MathModelica。
Dymola由瑞典Dynasim AB公司設(shè)計(jì)開發(fā)，是第一個(gè)支持Modelica語言的建模仿真工具。Dymola提供圖形化建模環(huán)境，支持基于圖標(biāo)的拖放式圖形建模。Dymola也提供文本建模環(huán)境，支持具有Modelica語言的文本建模。Dymol具有功能強(qiáng)大的符號(hào)處理引擎，集成了多個(gè)數(shù)值求解包，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真。目前，基于Modelica語言的建模應(yīng)用大多是采用Dymola實(shí)現(xiàn)的。MathModelica由瑞典Link OPing大學(xué)PELAB實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)，它通過集成Microsoft Visio、Mathmatica和Dymol仿真引擎開發(fā)而成。其中，Microsoft Visio用于實(shí)現(xiàn)圖形建模，Dymola仿真引擎用于模型轉(zhuǎn)化和求解，Mathmatica的notebook用于文本建模和仿真后處理。MathModelica擁有和Dymola一樣的圖形和文本建模能力。與Dymola不同的是，MathModelica的各組成模塊沒有集成在同一個(gè)框架界面中，在建模仿真過程常常需要反復(fù)激活和切換操作界面。國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)國(guó)家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心目前正在研究開發(fā)一個(gè)基于Modelica語言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模與仿真平臺(tái)MWorks，已在核心技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)方面取得了若干成果。
Dymola基本上實(shí)現(xiàn)了Modelica 2.0版，提供了從可視化建模、自動(dòng)求解到曲線和動(dòng)畫后處理的完整功能。
1.3.2 Modelica的主要特征
Modelica作為新一代面向?qū)ο蟮摹⒒诜匠痰?、多領(lǐng)域復(fù)雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模語言，其顯著的四個(gè)特征是：
（1）面向?qū)ο蠼?。采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ悾╟lass）封裝了模型系統(tǒng)的狀態(tài)和行為，模型知識(shí)通過繼承實(shí)現(xiàn)重用和進(jìn)化。
（2）多領(lǐng)域建模。基于實(shí)際物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的內(nèi)在一致性，Modelica能夠?qū)ΠC(jī)、電、液、控等多個(gè)領(lǐng)域組件在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模。
（3）陳述式物理建模。采用方程描述模型及連接方式，實(shí)現(xiàn)非因果建模，可用于物理建模。
（4）離散混合建模。Modelica采用同步的微分、代數(shù)和離散方程描述混合系統(tǒng)。
Modelica采用了無因果的建模思想,用更加自然的語法和語義來表述模型,非常適合于物理系統(tǒng)的建模。它語法簡(jiǎn)單、層次清晰,可以按照系統(tǒng)真實(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來連接各個(gè)組件,而且可處理混雜系統(tǒng)。由于其接口設(shè)計(jì)巧妙,可以用于多領(lǐng)域建模(multi domain) 和多范式建模(multi for2malism) ,真正做到“通用建?！?。Modelica 語言與Java 等通用語言有很多相似之處, 完全由類( class) 組成。
1.3.3 Modelica的主要功能
Dymola(Dynamic Modeling Laboratory)適宜于模擬不同類型的物理對(duì)象。它支持分級(jí)建模,支持模型庫中元件的重復(fù)使用,支持復(fù)雜、任意的連接。Dymola采用一種新的面向?qū)ο蟮?、建立在微分方程基礎(chǔ)上的建模方法。Dymola仿真軟件采用Modelica語言對(duì)其仿真對(duì)象進(jìn)行建模,可以應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域。
根據(jù)Modelica模型文本特點(diǎn)，把握面向用戶進(jìn)行建模的宗旨，把多領(lǐng)域模型建模系統(tǒng)主要分為三大模塊：領(lǐng)域庫模塊、文本建模模塊和圖形建模模塊。領(lǐng)域庫模塊的主要功能是形象化顯示Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫中的模型，方便用戶在圖形建模過程中通過拖放式操作進(jìn)行重用，另外它還能夠顯示當(dāng)前模型的層次化信息，反映模型的部件和繼承結(jié)構(gòu)；文本建模模塊是整個(gè)建模系統(tǒng)的核心，能夠讓用戶對(duì)模型文本信息進(jìn)行方便有效的操作和維護(hù)，這里的文本信息分為當(dāng)前模型的Modelica文本信息和注釋信息；有效的操作和維護(hù)，這里的文本信息分為當(dāng)前模型的Modelica文本信息和注釋信息；圖形建模模塊是用戶進(jìn)行多領(lǐng)域系統(tǒng)建模最直接方便的途徑，能夠以圖形的方式快速準(zhǔn)確的顯示模型的層次化建模信息，并對(duì)圖形信息進(jìn)行各種操作和維護(hù)，而且對(duì)建模環(huán)境的視圖信息進(jìn)行縮放、移動(dòng)等操作，方便用戶在最優(yōu)的方式下進(jìn)行建模工作，圖形建模模塊包括兩個(gè)方面：圖表組件系統(tǒng)和圖標(biāo)組件系統(tǒng)，圖表組件系統(tǒng)顯示模型建前模型功能或者外形信息，不反映組件和繼承信息信息。通過以上分析，整個(gè)基于Modelica模型建模系統(tǒng)具備以下功能：