Modelica语言的介绍

侯寒冰+席可+韩思凡

摘 要：在20世纪70年代到90年代，计算机技术在工程领域有了深入的应用，一批应用广泛的单领域建模仿真工具由此诞生，如电气领域的Saber、机械领域的ADAMS、控制领域的Simulink等。与此同时，物理建模语言开始出现。

关键词：Modelica；建模

1 Modelica语言的发展

工程物理系统多领域的建模方式有三种，分别是基于接口联合仿真的多领域建模、基于图的多领域建模和基于物理语言的多领域建模。作为基于物理语言的多领域建模语言，Modelica支持面向对象、非因果建模陈述式、多领域统一及连续离散混合建模，并提供了兼容框图、键合图及线形图的表示方式，Modelica 还提供了覆盖电子、机械、电磁、流体、控制、热等领域的强大的、开放的标准领域模型库，目前为止，除标准库以外已经存在大量可用的免费库与商业库。但是Modelica不支持偏微分方程的求解。最近这些年，随着对复杂工程系统的多领域统一建模仿真的需求愈加明显，Modelica模型库和Modelica语言规范都有了很大的发展，初步形成了以Modelica 为代表的多领域统一建模规范语言。

2 Modelica语言的介绍

多领域统一建模语言Modelica共有六个技术特点，分别是：基于方程；面向对象的物理建模；非因果关系建模；多领域统一建模；连续离散混合建模；提出并支持通用仿真接口FMI。基于Modelica语言的六个技术特点，可以总结出Modelica的一些技术优势。首先，在方程的建模方式、多领域物理建模方面，基于Modelica语言能够更方便地建立模型；其次，Modelica模型具有良好的扩展性、重用性，实现知识积累，并可完全掌握模型的数学原理；而且Modelica模型代码是完全开放的，模型具有良好的交互性；最后，Modelica模型支持FMI仿真接口，可以实现多领域异构模型的集成。

3 Modelica建模的基本步骤

使用Modelica语言进行多领域统一建模时要用到支持Modelica语言的仿真软件平台。虽然支持的软件平台各不相同，但它们在使用Modelica语言进行建模仿真时的基本步骤相同，即必须经过编辑器、编译器和后处理三个部分。Modelica语言的主要建模流程如图1所示。

参考图1，在运用Modelica语言进行建模仿真时，首先我们需要在编辑器中对模型文件进行编辑，可以通过编写代码的方式来进行纯文本编辑，也可以通过鼠标从编辑器中拖拽模型图标。在编辑器中，我们可以将外部数据，如Modelica库、模型参数、自定义模型、经验数据、CAD数据和外部图形等输入到模型文件中来构建模型。编辑好模型文件后，接下来要将其交给编译器进行编译并求解。求解无误后，再将模型文件的仿真数据进行后处理，即对数据进行可视化。

Modelica编译仿真流程图如图2所示，首先将Modelica模型的源代码在编译器中编译为平坦化方程系统；接着来将平坦化的方程系统用分析器转化为有序方程序列；然后通过优化器将有序方程序列优化，由此得到优化的有序方程序列；再由代码生成器将优化的有序方程序列转化成C代码；最后将C代码用C语言编译器编译成可执行代码，完成仿真运算。

Modelica模型方程的求解可归结为求解不同性质的耦合子集，该子集包括五种方程，分别是常微分方程、微分-代数方程、线性代数方程、非线性代数方程及赋值方程。其中前四种方程用经典算法来求解，赋值方程直接计算求解，求解的具体过程不在本文的研究范围内，不再赘述。

基于Modelica语言的多领域物理系统的建模仿真的实现，需要有相应的可提供建模、编译求解和后处理等功能的平台软件。目前已有许多建模仿真平台工具可以很好地支持基于Modelica语言的建模与仿真，比较经典的有以下几个：第一个支持Modelica语言的建模仿真软件Dymola、华中科技大学CAD中心开发的Mworks、德国ITI公司开发的SimulationX、瑞典Link?Ping大学PELAB实验室卡发的MathModelica和OpenModelica等。

4 展望

从我国建国至今，我国一直都在提倡改革，在环境保护方面，我国坚持科学发展观和可持续发展战略，通过几十年的改革开放，我国也取得了长足的发展。现如今，我国的环境问题仍然是不乐观的，为了解决这个全世界都面临的难题，我国仍需坚持改革，坚持创新，发展新技術，电动客车作为一种新型的技术，在各个方面都有很多优点，电动客车是有能力担起未来公共交通中的重担的，电动客车必将在将来的生活中扮演重要的角色。

参考文献

[1]杨俊杰. 基于Modelica的纯电动客车动力系统建模与仿真研究[D].郑州大学，2016.

[2]赵建军，丁建完，周凡利，陈立平. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理[J]. 系统仿真学报，2006，（S2）：570-573.

[3]王志福，张承宁. 电动汽车电驱动理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，2012.