全新推出 SystemModeler 5:集符号式参数模拟、模块化可重构性和200个全新内置部件于一体

█ 本文译自 Wolfram 研发总监 Roger Germundsson,Wolfram MathCore CEO Jan Brugård 和

Wolfram MathCore 应用工程师 Patrik Ekenberg 联合发表的博客文章。

SystemModeler 旨在利用 Wolfram 技术堆栈,在系统描述的 Modelica 标准基础上,为建模、仿真和分析提供最先进的工作环境。

SystemModeler 被各大工程机构广泛用于世界上最复杂的工程系统,以及生命科学和社会科学等诸多领域。今天的 SystemModeler,凝聚了我们团队15年来的智慧结晶,其系统功能不断完善和提升。今天,我们很高兴地宣布它的最新进展:SystemModeler 5。

在版本4.1、4.2和4.3的发布序列中,我们逐步实现了 SystemModeler 核心计算内核的重建和现代化。崭新问世的 SystemModeler 5,在这个非常强大的框架基础上增加了各种新功能。

一些重大突破包括:

  • 使用最新的 Modelica 库,支持液体和气体等连续介质
  • 新增近200个 Modelica 部件,包括 Media,PowerConverters 和 Noise 库
  • 近6000个图标的完整视觉翻新,提高了一致性和可读性
  • 支持针对不同级别的开发和演示而优化的新GUI工作空间
  • 近500个内置示例模型,便于探索和学习
  • 模块化可重构性,允许不同模型部件的轻松切换和修改
  • 符号参数模拟:创建表示模型参数变化的完全可计算对象
  • 导入和导出FMI 2模型,用于广泛的模型交换和系统集成

最新的 Modelica 库

如果有一个相应主题的库,建模项目则将大大简化。库实质上为该域提供了由部件、传感器、信号源和接口组成的建模语言。使用这些元素,构建模型通常只需将部件、传感器和信号源拖到模型空间,然后连接其接口,如下面这个视频所示:

视频内容

SystemModeler 本身自带大量不同领域的库,例如电气(模拟、数字、电源),机械(1或3维),热(热传递,热流体流动)等。 SystemModeler Library Store 还有许多免费和付费的库供选择。

通过 SystemModeler 5,可以享用我们与业界和学术合作伙伴共同开发的最新版本的 Modelica标准库(3.2.2),添加有近200个新部件。一些新库包括Media、PowerConverters 和 Noise,以及其他几个子库和实用程序。

Media 库技术上非常先进,需要对 SystemModeler 内核进行主要更新,包含常见气体和液体行为的模型。其范围从理想的单组分气体到具有相变和非线性效应的多组分介质应有尽有。

我们来看一个基本的例子:你有没有注意过,当使用压缩空气除尘器时,罐体温度下降好像非常迅速?以下是一个在75 psi(磅力每平方英寸)和室温下容量为1升的罐体模型,上部喷嘴限制罐内气体在大气压下从罐中流出到周围环境。

上述三个罐体部件的温度取决于其内部的介质。在分析罐体行为时,如果内部气体改变,则需要改变所有单个部件以反映这一变化。而使用 SystemModeler 5,一切变得轻而易举,只需设置一个值就可以一次性切换所有部件, 从而重新配置整个模型。

这里显示了两种具有相同起始温度和压力的不同气体。如果将装普通空气的罐与装氦气的罐进行比较,可以看到装有密度较大的空气的罐温度更恒定。

模拟由罐中膨胀气体引起的应力的一个相似示例,请见此链接:http://www.wolfram.com/system-modeler/examples/more/industrial-manufacturing/evaluating-stresses-caused-from-expanding-gases

新图标和工作空间

使用 Drag-Drop-Connect 范式构建模型时,生成的模型图是一种有效的沟通和理解模型的方法,无论是用于演示文稿和报告,还是交互式探索和学习模型,这都是一项很棒的功能。

由于重新设计了近6000个图标以提高一致性和可读性,SystemModeler 的视觉通信功能比以往更加强劲。简要概述请参见此视频:

视频内容

此外,我们还设计了GUI工作空间,针对从演示者到开发人员的不同应用场景分别进行了优化,其主要区别在于随时可用的工具和信息面板的数量。比方说,当演示或探索时,用于高级开发的基本工具是最多的。

可重新配置的模型

如果要重新配置复杂模型的多个方面,提供单一接口通常是非常方便的。这样可以轻松提供一些主要的模型场景。SystemModeler 5 完全支持可重新配置的模型,包括配置管理的交互式支持, 这在行业内稳居第一。

让我们以汽车轮胎为例:比方说我们想测试不同轮胎在一个光滑表面上急转弯的性能。不用改变每个轮胎模型配件,我们只需从下拉菜单选择所需的模型配置。

我们已经了解了从 Bambi 到 Formula 1 的性能。如要理解不同运行轨迹,请观看这则视频:

视频内容

打开官网,下载范例,自己来试试:

http://www.wolfram.com/system-modeler/examples/more/mechanical-engineering/sliding-car

如果给真正的车换轮胎有这么快该多好!

参数模拟

构建模型时,我们通常希望模型有几个能够调整或拟合的参数。在 SystemModeler 5 中,通过函数 WSMParametricSimulateValue,我们可以立即探索不同的参数值,并有效地进行优化。

例如,在这个例子中,我们研究了中世纪重力投石机的绳长和释放时间。使用优化函数,我们可以得到使这个古老战争机器势力范围最大化的最优参数值。该系统的"值"是整个轨迹,部分轨迹如下图所示。注意,如果在错误时间投射石头,轨迹实际上会走到错误方向(下图用红色标出)。

使用函数 WSMParametricSimulateValue,我们还可以对参数空间进行高效地交互式探索。 让我们继续刚才的例子。比方说我们想进一步分析转弯的汽车,并查看参数的更多详细信息,让我们来看一下车速和路况(如摩擦力和转弯半径)如何影响汽车按照希望轨道行驶的能力。

参数模拟函数可以在 Manipulate 中使用。

通过 FMI 进行模型交换

FMI(函数式仿制接口)标准是在模拟和系统集成工具之间进行模型交换的一个广泛的工业标准。该标准由 Daimler 首先提出,并由众多工业和学术合作伙伴(包括我们)在几年的时间里继续完善和发展。典型的使用情形包括:

  • 不同工具之间导入和导出模型,允许不同团队和公司的松散合作
  • 将模型打包,以保护知识产权,无论它们是否依赖不同工具
  • 将模型打包以便系统集成,并执行半物理仿真

SystemModeler 5 现在完全支持用于模型导入导出的 FMI 1.0 和 FMI 2.0,并有大约100种工具支持或计划支持该标准,这是迄今为止在不同工具、团队和公司之间集成工作流程的最简单方式。

重新回到汽车范例,很明显它在光滑路面上很费力。你可以试试是否可以通过在模型中添加防抱死刹车系统(ABS)来改善转弯性能。但你可能无法获得这种系统的开源代码,因为它们可能是专有的。然而,我们可以导入 ABS 系统的FMU(函数式仿制单元),即FMI标准中交换的实际对象。

通过导入 ABS 控制器的FMU,它可以像任何其他部件一样连接。在下面的模拟中,驾驶员试图在猛踩刹车的同时右转。没有 ABS,车轮很快锁住而汽车继续向前直行。而ABS则将采用点刹,防止车轮锁住并允许汽车转向右边。

深度探索

通过官网范例了解全部最新功能:

http://www.wolfram.com/system-modeler/what-is-new/

深度了解 SystemModeler 的建模、仿真和分析环境,请见:

http://www.wolfram.com/system-modeler/features/

http://www.wolfram.com/system-modeler/examples/

立即试用,请访问网址:

http://www.wolfram.com/system-modeler/trial/

如果您是 SystemModeler 新手,就从这些视频开始吧:

http://www.wolfram.com/wolfram-u/catalog/product-training/system-modeler/

原文发布于微信公众号 - WOLFRAM(WolframChina)

原文发表时间:2017-08-25

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