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动态系统建模软件设计与开发

作　者: 周鹏
导　师: 周树杰
学　校: 北京化工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 混杂系统动态系统平台 Modelica 编译器条件建模边界跨越算法求解器
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

动态系统建模是目前过程系统工程中最重要的研究课题之一。相比于工业自动化水平较高的国家,国内还较少有企业或研究团体进行相关的研究,少有自主开发的建模平台。开发动态系统建模软件原型,为进一步研究动态系统建模的理论和算法奠定基础,目前有着重要和紧迫的意义。通过对当前工业过程建模方法论的研究,利用现有的研究成果,开发出一套混杂系统建模仿真平台的原型。平台采用的模型表述语言为面向对象的建模语言Modelica,它具有语法自然、兼容现有的大部分建模方法论、与领域无关和能处理混杂系统等特点。利用辅助工具Antlr和NET环境下的反射功能,开发了Modelica语言的编译器,将模型信息翻译为微分代数方程组形式。从连续模型出发,采用边界跨越算法,开发出Modelica引擎处理混杂系统的一种简化形式——条件模型。引擎根据模型中的条件语句,将方程分为若干集合,依靠条件语句的真值来动态组合方程集合,描述不同情况下系统的状态。最后,开发了一个高效的面向对象的方程求解器MoSlv,数值求解系统中的微分代数方程、离散方程和条件方程。求解器具有统一的界面和统一的调用接口,用户使用相同的语法就可以使用不同的算法求解不同的问题。通过一个实例,从特定角度展现了软件的正确性和有效性,也分

全文目录

第一章绪论  11-15
  1.1 混杂系统建模与仿真  11-12
  1.2 本论文的出发点  12-13
  1.3 论文研究内容  13-14
  1.4 论文组织结构  14-15
第二章混杂系统建模现状  15-26
  2.1 混杂系统特点  15-16
  2.2 混杂系统建模  16-17
  2.3 混杂系统仿真  17-21
    2.3.1 微分代数方程  18-20
      2.3.1.1 指数  19-20
      2.3.1.2 初始化  20
    2.3.2 不连续情况  20-21
    2.3.3 状态驱动事件  21
    2.3.4 切换多套方程  21
  2.4 混杂系统建模语言  21-23
  2.5 条件模型  23-24
  2.6 建模语言的选择  24-26
第三章面向对象建模语言Modelica  26-36
  3.1 何为Modelica  26-29
    3.1.1 Modelica开发背景  26-28
    3.1.2 Modelica发展历史  28
    3.1.3 Modelica的应用  28-29
  3.2 Modelica的优点  29-36
    3.2.1 类似于自然语言的语法  29-31
    3.2.2 模型与开发平台、实现手段无关  31-32
    3.2.3 使用面向对象建模思想  32-33
    3.2.4 能处理混杂系统  33-34
    3.2.5 支持多领域联合建模  34-35
    3.2.6 支持多范式建模  35
    2.3.7 模型维护与文档化  35-36
第四章动态系统建模仿真环境的系统设计  36-43
  4.1 系统设计  36-38
  4.2 建模环境  38-39
  4.3 仿真环境  39-43
    4.3.1 编译模块  39-40
    4.3.2 混杂系统引擎  40-41
    4.3.3 用户交互模块  41-43
第五章 Modelica编译器的设计与开发  43-56
  5.1 编译过程和编译器组成  43-45
  5.2 编译程序生成器Antlr  45-47
    5.2.1 分析能力强  45
    5.2.2 语法简单  45-46
    5.2.3 生成代码可读  46
    5.2.4 错误处理力强  46
    5.2.5 支持多种面向对象语言  46-47
  5.3 词法分析  47-51
    5.3.1 Modelica词法  47-50
      5.3.1.1 行终结符  47
      5.3.1.2 空白符  47-48
      5.3.1.3 注释  48
      5.3.1.4 记号  48-50
        5.3.1.4.1 标示符  48
        5.3.1.4.2 关键字  48-49
        5.3.1.4.3 文字  49-50
      5.3.1.5 操作符  50
    5.3.2 Modelica词法分析的实现  50-51
  5.4 语法分析  51-52
    5.4.1 语法树的构建  51-52
    5.4.2 语义节点的确定  52
  5.5 核心数据结构  52-56
    5.5.1 主驱动程序  52-53
    5.5.2类型管理模块  53-54
    5.5.3 类型跟踪模块  54
    5.5.4 代码生成模块  54-55
    5.5.5 语句  55
    5.5.6 方程的管理  55-56
第六章混杂系统求解算法  56-64
  6.1 边界跨越算法  56-61
    6.1.1 算法原理  56-58
    6.1.2 边界跨越算法求解  58-61
      6.1.2.1 边界跨越  59-60
      6.1.2.2 关于连续性的假设  60-61
  6.2 边界跨越算法的实现  61-64
第七章微分代数方程求解器的开发  64-72
  7.1 DASSL  64-67
    7.1.1 步长和阶数的选择  66
    7.1.2 收敛性和精度  66-67
  7.2 IRK  67-68
  7.3 微分代数方程求解器MoSlv  68-72
    7.3.1 问题定义  68-69
    7.3.2 算法选择和格式设定  69
    7.3.3 应用实例  69-72
第八章实例验证  72-77
  8.1 撞球的条件模型  72-73
  8.2 撞球的离散模型  73-75
  8.3 带有状态检测的撞球模型  75-77
第九章结论与展望  77-81
  9.1 研究结论  77-79
    9.1.1 Modelica建模语言  78
    9.1.2 Modelica编译器  78
    9.1.3 条件模型管理  78-79
    9.1.4 方程求解系统  79
  9.2 未来的工作  79-81
    9.2.1 Modelica语义的进一步完善  79
    9.2.2 混杂系统算法的完善  79
    9.2.3 数值计算中的符号计算  79-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
攻读学位期间发表的学术论文  85

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