MapleSim
概述
MapleSim是一個高性能多領域系統建模和仿真工具，建立在符號—數值混合計算技術基礎之上，能夠有效地處理工程系統模型（例如複雜多領域系統建模、虛擬樣機、和控制系統設計等）開發中涉及的各種複雜數學問題。MapleSim提供廣泛的預置建模元件庫和專業工具箱，包括多體機械庫、傳動庫、高級液壓庫、電氣庫、控制設計工具箱等。MapleSim提供強大的基於Modelica語言的開發平台，方便用戶創建和分析模型，用戶也可以利用數學軟體Maple輕鬆將自定義數學模型轉化為仿真模型，幫助用戶快速創建複雜的系統級模型。 通過MapleSim可以實現系統級的建模、分析和仿真，讓設計人員在快速對設計方案進行可行性分析，產品功能測試、最佳化系統參數並進行故障診斷，減少消耗在基於物理樣機試驗帶來的巨大時間和費用。技術特點
· 強大的符號和數值求解器
MapleSim基於數學軟體Maple中強大的數值和符號數學引擎，提供了大量其他工具不具備的功能，例如自動生成符號形式的系統方程和實時仿真代碼。符號計算正在成為最重要的新一代建模技術之一，為開發模型方程提供了極大的靈活性，以及更好地管理模型，得到更快得到計算結果。符號計算的優勢有：
- 自動生成系統模型的底層數學方程
- 模型方程的代數簡化，沒有任何精度損失
- 微分代數方程DAEs符號降階處理，降低數學模型的複雜度，加速計算速度消除代數環
- 高精度剛度求解器，使用精確的、符號形式的Jacobians矩陣，而不是數值疊代計算。
- 常用的多體屬性，例如質量矩陣、約束Jacobians、力函式。
- 高級分析：靈敏度、參數最佳化、逆運動學、逆動力學等。
- 複雜事件的探測和處理代碼生成和高級最佳化
· Modelica平台
MapleSim是一個強大的Modelica平台，MapleSim不僅支持Modelica程式語言，同時提供完整的平台實現建模、仿真和分析。- Modelica是一個開放的、面向對象的系統級建模語言，MapleSim集成Modelica建模語言和符號計算技術，讓建模更容易、功能更強大、以及模型具有更好的擴展性。
- 用戶可以輕鬆將Modelica多領域建模元件無縫集成到MapleSim系統級模型中。
- 模型和建模元件是開放的和可修改的，它們可以很容易被重用、客戶化修改和擴展，滿足具體的項目要求。
- 在MapleSim中通過方程定義的自定義建模元件，將自動轉換為Modelica代碼，用戶可以無需編程知識。
- MapleSim中的許多建模元件來自於Modelica標準庫，意味著這些元件已經得到行業的驗證和認可。作為Modelica平台，在MapleSim中，用戶可以使用不斷增加的Modelica建模元件，這些元件通常來源於行業專家。
· 使用預置的建模創建多領域模型
MapleSim提供超過550個預置建模元件，來自不同的領域。用戶可以在MapleSim無縫組合這些不同領域的元件形成系統級模型。MapleSim系統會自動探測元件的連線方式，阻止不合理的連線。
MapleSim預置的建模元件有：
- 信號庫：包含通用信號模組、布爾、控制器、離散信號模組、信號源、線性信號模組、非線性信號模組、時間離散信號模組、查詢表、信號轉換器、數學運算、關係元件、特殊信號模組，套用案例。
- 電子庫：包含電阻、運算放大器、二極體、步進電機、模擬、數字、電機（同步和異步電機、步進電機等）、多相電氣元件，套用案例
- 熱庫：包含熱容器、熱傳導、熱對流、輻射傳熱，套用案例
- 機械庫：包含一維平動和轉動機械元件、質量、彈簧質量阻尼器、齒輪、離合器、軸承，套用案例
- 多體庫：包含柔性臂、剛體、坐標系、各種鉸、感測器，套用案例
- 電磁庫：包含電磁材料數據、電磁場、永磁體、場形狀、感測器、滲漏、流量和電位源，套用案例
- 熱流體庫：包含邊界條件、約束、熱流、熱傳導、熱感測器，套用案例
- 液壓庫：壓力源、油箱、容積、差動油缸、節流孔、閥體、柱塞缸、泵，套用案例
這些元件庫可以通過添加MapleSim附加產品（建模元件庫和工具箱）、創建和共享自定義建模元件、導入第三方Modelica庫等方式擴展，滿足特定的需求。
· 拖放式物理建模環境
使用MapleSim，用戶無需將設計轉換為數學方程然後用信號流方塊圖表示。用戶僅需要在螢幕上簡單地使用代表物理模型的建模元件重建系統框圖。
- 模型框圖直接映射實際物理系統
- 簡單和直觀的模型創建過程加速建模任務
- 由於模型框圖與實際系統示意圖非常相似，所以模型校驗所需時間較少
- 建模元件使用熟悉的圖示
- 連線自動排列產生更清晰的模型框圖
- 分層模型框圖方便模型導航
- 建模元件上的連線埠僅允許合適的連線
- 收藏夾面板收錄常用的建模元件
· 使用數學方程直接創建自定義建模元件
基於方程的自定義建模元件讓用戶可以快速將方程和理論快速轉換為最終的模型，無需編程知識。用戶可以從基本原理出發直接創建新的建模元件，無需使用複雜的、容易出錯的、並且耗時的編程方式。
- 通過定義對應的數學方程輕鬆創建自定義建模元件。
- 使用標準的數學符號快速輸入，以及驗證方程。
- 使用微分方程、狀態空間、傳遞函式定義元件的屬性。
- 使用點擊式分析工具直觀地分析和驗證建模元件的屬性。
- 使用互動式自定義建模元件模板定義參數、連線埠類型、連線埠位置。
- MapleSim會自動對自定義建模元件進行一致性檢查，防止無效的連線和參數值。
- 創建自定義建模元件庫，可以使用在自己的模型中，或者分享給同事。
· 創新的多體技術
在MapleSim中，創新的多體建模技術無縫集成在多領域建模環境中，在單一的環境中實現系統級的建模和仿真。這個獨特的技術意味著MapleSim為多體模型的開發和套用提供了無與倫比的靈活性和控制。
- MapleSim多體庫基於線性圖論，領先的算法實現多體系統公式，自動生成系統的數學模型。
- 用戶可以查看和操作這些底層控制方程，獲取解析解，用於逆運動學和逆動力學套用。
- 靈活的坐標系選擇工具允許用戶控制底層方程的數量和屬性。
- 通過控制坐標系，MapleSim有效地減少了產生方程的數量和複雜度，戲劇性地提高計算效率。
- 單元的符號表示，例如質量矩陣、約束Jacobians，運動屬性等，為高級多體分析提供了重要模組。
- MapleSim同時提供了2-D框圖和3-D互動式模型構建環境，迎合3-D物理系統建模中的挑戰。3-D模型構建環境可以與模型框圖環境結合使用，讓您在建模時充分利用這兩個建模方式各自的長處。模型構建完成後，MapleSim仿真引擎自動生成模型的3-D虛擬現實動畫，直觀地顯示系統行為。
· 代碼生成
代碼生成工具產生高性能、免費的C代碼，特別適用於反覆最佳化運行和複雜系統的實時仿真，包括硬體在環測試。使用MapleSim，用戶可以同時保證模型的保真度和實時性能，無需選擇其一。
MapleSim使用了世界領先的符號技術，無損失前提下生成高效的系統方程，無需手工簡化模型，從而降低了計算的複雜度。
方程簡化步驟包括DAEs指數的約簡、消除代數環、以及代數方式處理系統產生簡潔、高效的等價方程。
MapleSim代碼生成工具將這些簡化後的方程轉換為原始碼，同時套用符號最佳化技術戲劇性地加速執行時間。最佳化工具提供共同的表達式，然後使用單個變數取代它們，並提前計算它們。通過消除數值疊代求解中的重複計算，MapleSim將原來數千個子表達式計算變為了單個運算，從而戲劇性地降低了計算時間。
自動代碼生成工具適用於所有模型，包括那些包含自定義元件，省去了易出錯的手工編碼。
可直接轉換的代碼生成目標有：
獨立C代碼
Simulink®/Simulink® Coder™
LabVIEW™ and NI VeriStand™
B&R Automation Studio
VI-CarRealTime
DSpace® (DS1104 controller board)
FMI
Maple：用戶可以在Maple環境中允許編譯的MapleSim模型。
通過自動生成系統模型的代碼，MapleSim可以無縫嵌入到您現有的工具鏈中，在項目的下一個階段繼續使用。
仿真求解器和選項
MapleSim領先的求解器生成最快的、高效的仿真代碼，提供大量的選項允許用戶管理和控制仿真。
- 自適應數值求解器：剛度/半剛度/非剛度求解器(Rosenbrock, Cash-Karp, Runge-Kutta-Fehlberg)；固定步長求解器（Euler,Implicit Euler, RK2, RK3, RK4）。
- 對系統方程的無損失符號簡化產生高效、高保真的模型。
- 高階DAEs指數約簡方法
- 代數環的解析解，無需用戶干預
- 模型構建和仿真診斷的詳細錯誤分析
- 編譯運行模式實現快速仿真
- 多體系統的方程快取
- 批處理仿真
- 參數設定管理工具
- 探針管理工具，包括包括加入新的探針，然後利用存儲的仿真數據直接查看結果，無需重新仿真
- 高效的系統模型和最佳化的C代碼生成工具，特別適用於實時套用，包括硬體在環HIL。
- 通過使用附加工具箱，可以快速與主流的工具協同工作，包括MathWorks®, National Instruments™, 和dSPACE®。
· 單位管理
MapleSim內置單位管理工具，排除單位轉換和一致性問題。用戶可以在建模元件參數中附加單位，MapleSim會自動實現模型仿真過程中的單位計算。
- 自動在不同單位制直接轉換（例如國際單位制和英制單位）
- 使用方便，通過下拉框選擇和修改單位
- 可以將信號轉換為工程單位
· 自動生成完全參數化的模型方程
MapleSim提供工具自動生成參數化形式的模型方程，用戶可以獲取這些方程實現高級套用和分析。不再是黑匣子，MapleSim為用戶提供了開放的模型和完全的可見性。
- 可以直接自動將系統框圖轉換為對應的數學方程，避免繁瑣的計算和潛在的計算錯誤。
- 使用無損失的符號技術簡化方程，生成最簡潔的方程組。
- 使用自然的數學符號，方程可以被瀏覽、操作、分析，驗證、分析和交流更方便。
- 模型方程表示為微分方程、傳遞函式、或矩陣形式，也可以根據需求在不同的形式之間轉換。
- 設計參數保持為符號形式，為分析提供更大的靈活性。用戶可以輕鬆地操作和後處理模型方程，包括參數最佳化、靈敏度分析、系統識別、逆運動學等。
· 客戶化分析
MapleSim基於數學軟體Maple，通過互動式的分析環境提供大量功能強大的分析工具，用戶能夠快速定製和擴展這些工具，以滿足項目要求。通過提供可操作的模型方程和強大的Maple數學引擎，MapleSim提供了無限可能的分析功能。
預置的互動式分析模板有：多體分析最佳化；靈敏度分析；模特卡羅模擬；線性系統方程的檢驗和分析；模型線性化；C代碼生成；使用方程創建自定義建模元件；使用Modelica語言創建自定義建模元件；狀態空間描述；提供模型方程（線性和非線性）等
使用按鈕或簡單的命令完成複雜的分析任務，包括符號微分、降階、變數隔離、求模型方程的解析解等。
使用Maple高級程式語言輕鬆修改已有的模板或快速創建自有的模板。
分析模板自動載入模型信息，用戶可以立即開始進一步的分析工作。
MapleSim與Maple緊密連線，因此用戶可以充分使用Maple中的強大數學引擎、可視化工具、程式語言、技術文檔等滿足項目需要。
· 可視化
MapleSim繪圖和可視化工具包括2-D仿真結果和3-D仿真動畫。
- 多體系統的3-D模型構建和仿真動畫。
- 自動產生多體模型的3-D球棍視圖，可使用自定義幾何體（包括彈簧、圓柱體、立方體、力和扭矩箭頭、運動軌跡等），或則導入STL幾何檔案產生逼真的渲染。
- 對3-D可視化和動畫的播放模式和相機控制
- 輸出3-D仿真為.mpeg視頻
- 可自定義的2-D仿真結果繪圖
- 多y軸和相圖
- 對數、半對數、線性軸的縮放比例
- 縮放、平移、點探針、圖形輸出
- 使用滑鼠將一個圖形拖放到另一個圖形
- 完全使用Maple中的繪圖工具
· 完整的項目檔案
用戶可以很方便地將項目所需的信息集成在單個項目檔案中，包括推理過程和結果，充分捕捉每個項目中的工程知識。
- 在單個項目檔案中集成模型、仿真結果、分析、報告、自定義建模元件描述、動畫、數據檔案等，更容易分享項目檔案。
- 記錄分析過程，而不僅僅是結果。用戶可以保留所有分析工作在模型中，因此可以記錄當時為什麼這么做，讓工作更容易理解、重用和修改，方便將來的工作。
- 創建項目技術報告。MapleSim分析模板是一個專業的技術文檔，可以包含計算、圖形和動畫、說明文字、數學、圖片和模型框圖。完成分析的同時形成專業的技術報告。
