什么是Modelica

1. Modelica技术背景

自从人类第一次提出方程的概念，建模仿真的思想就正式诞生了，并贯穿于人类科技发展的各个阶段，在科学技术飞速发展的今天，人们对建模技术提出了更高的要求，其中多领域统一建模就是一个重要的发展趋势。

统一建模语言具有领域无关的通用模型描述能力，采用该语言进行建模能够实现复杂系统不同领域模型间的无缝集成。

随着面向对象建模语言研究的不断深入，逐渐出现了多种建模语言并存导致模型定义与转换混乱的问题，为此，欧洲仿真协会EUROSIM于1996年组织瑞典等6个国家建模与仿真领域的14位专家，针对多领域物理统一建模技术展开研究，提出通过国际合作的形式，研究设计下一代多领域统一建模语言Modelica，并于2000年成立非盈利的国际仿真组织——Modelica协会。该协会每隔一年半组织一次Modelica学术会议，交流和探讨Modelica相关理论和应用的研究进展，并基于Modelica开展领域知识模型库建设与维护。

2. Modelica语言介绍

Modelica是基于微分代数方程计算的动态性能仿真模型二次开发语言，支持连续和离散系统建模与仿真计算，可跨越不同领域，方便地实现大型、复杂、多种学科组成的物理系统的建模。Modelica与其他面线对象的语言如C++，JAVA等不同，后者主要用于软件开发领域，不适用于工程数学建模，而Modelica语言则为工程领域建模工程师提供一种方便的，简单的，可用于仿真模型二次开发的语言和技术。

Modelica语言由位于瑞典Link?ping的非赢利组织Modelica协会开发和维护，其适合于多领域建模，例如航空产品中的机械、电子、液压、控制等领域建模。Modelica模型用微分、代数和离散方程描述，无需人工求解特定的变量，支撑Modelica的 工具 可以自动求解（已有专门的算法可对超过10万个方程的大型模型进行处理）。Modelica适合并已用于半实物仿真和嵌入式控制系统。在http://www.modelica.org/有更多的信息。

3. Modelica特点

（1）基于方程的陈述式建模

Modelica模型的数学描述是微分、代数和离散方程（组），相关的Modelica工具能够决定如何自动求解方程变量，无需手工处理。Modelica语言能够使开发者集中精力于建立对象的数学模型，而不必过分关心模型求解和编程实现的过程，Modelica语言能够提高建模的效率以及模型的可重用性。下图为采用Modelica语言进行建模的示例，Modelica语言不必关心求解与编程细节，而是聚焦数学公式建模。

图 1基于Modelica语言的建模示例

（2）多领域统一建模和非因果建模

多数通用仿真软件（例如Simulink）采用的信号框图建模，图形与实际设备的物理连接关系差异大，下图为采用Simulink建立的简单电机驱动模型。Simulink建模过程中要求用户熟悉物理系统的数学模型细节及框图信号传递的前后因果关系，Simulink模型的重用性差，物理结构中的一个小的变化，可能会导致系统模型发生大的更改。

图 2基于信号框图的电机驱动模型

Modelica采用直观的连接图和方块图混合建模的方式，能够清晰的体现物理系统的实际拓扑结构，下图为采用Modelica建立的与上图相同的电机驱动模型。Modelica模型特点：结构化、面向对象、直观反映物理系统、易于维护、易于模型重用。

图 3 Modelica的电机驱动模型

（3）统一标准、开放源代码

Modelica既是一种建模语言，也是一种模型交换规则。基于Modelica语言可以统一物理建模标准，开展自主模型开发，形成具有自主知识产权的模型库。

4. Modelica应用

基于Modelica的多领域统一建模方法为复杂机电产品设计、分析与优化奠定了基础，目前在欧洲、美国、加拿大、中国、日本等国家和地区研究发展迅猛，市场上已有成熟的软件工具，其代表有Dymola和SimulationX。基于Modelica语言的建模仿真技术已在航空航天、汽车、电力等领域的仿真中得到了广泛应用，德国航空航天中心、福特、丰田、宝马等均已开始采用Modelica语言进行多领域系统的工程化仿真应用。

下面展示一些Modelica在不同工业领域内的应用案例：

图 4工业机器人

图 5汽车变速箱的半物理仿真

图 6汽车变速箱液压操纵系统

图 7基于Modelica模型的飞行模拟器

图 8发电及电力传输