标题：maplesim
MapleSim
概述
MapleSim是一个高性能多领域系统建模和仿真工具，建立在符号—数值混合计算技术基础之上，能够有效地处理工程系统模型（例如复杂多领域系统建模、虚拟样机、和控制系统设计等）开发中涉及的各种复杂数学问题。MapleSim提供广泛的预置建模元件库和专业工具箱，包括多体机械库、传动库、高级液压库、电气库、控制设计工具箱等。MapleSim提供强大的基于Modelica语言的开发平台，方便用户创建和分析模型，用户也可以利用数学软件Maple轻松将自定义数学模型转化为仿真模型，帮助用户快速创建复杂的系统级模型。 通过MapleSim可以实现系统级的建模、分析和仿真，让设计人员在快速对设计方案进行可行性分析，产品功能测试、优化系统参数并进行故障诊断，减少消耗在基于物理样机试验带来的巨大时间和费用。[1]
  MapleSim示意图
技术特点
· 强大的符号和数值求解器MapleSim基于数学软件Maple中强大的数值和符号数学引擎，提供了大量其他工具不具备的功能，例如自动生成符号形式的系统方程和实时仿真代码。符号计算正在成为最重要的新一代建模技术之一，为开发模型方程提供了极大的灵活性，以及更好地管理模型，得到更快得到计算结果。
符号计算的优势有：
- 自动生成系统模型的底层数学方程
- 模型方程的代数简化，没有任何精度损失
- 微分代数方程DAEs符号降阶处理，降低数学模型的复杂度，加速计算速度消除代数环
- 高精度刚度求解器，使用精确的、符号形式的Jacobians矩阵，而不是数值迭代计算。
- 常用的多体属性，例如质量矩阵、约束Jacobians、力函数。
- 高级分析：灵敏度、参数优化、逆运动学、逆动力学等。
- 复杂事件的探测和处理代码生成和高级优化
· Modelica平台MapleSim是一个强大的Modelica平台，MapleSim不仅支持Modelica编程语言，同时提供完整的平台实现建模、仿真和分析。
- Modelica是一个开放的、面向对象的系统级建模语言，MapleSim集成Modelica建模语言和符号计算技术，让建模更容易、功能更强大、以及模型具有更好的扩展性。
- 用户可以轻松将Modelica多领域建模元件无缝集成到MapleSim系统级模型中。
- 模型和建模元件是开放的和可修改的，它们可以很容易被重用、客户化修改和扩展，满足具体的项目要求。
- 在MapleSim中通过方程定义的自定义建模元件，将自动转换为Modelica代码，用户可以无需编程知识。
- MapleSim中的许多建模元件来自于Modelica标准库，意味着这些元件已经得到行业的验证和认可。作为Modelica平台，在MapleSim中，用户可以使用不断增加的Modelica建模元件，这些元件通常来源于行业专家。
· 使用预置的建模创建多领域模型
MapleSim提供超过550个预置建模元件，来自不同的领域。用户可以在MapleSim无缝组合这些不同领域的元件形成系统级模型。MapleSim系统会自动探测元件的连接方式，阻止不合理的连接。
MapleSim预置的建模元件有：
- 信号库：包含通用信号模块、布尔、控制器、离散信号模块、信号源、线性信号模块、非线性信号模块、时间离散信号模块、查询表、信号转换器、数学运算、关系元件、特殊信号模块，应用案例。
- 电子库：包含电阻、运算放大器、二极管、步进电机、模拟、数字、电机（同步和异步电机、步进电机等）、多相电气元件，应用案例
- 热库：包含热容器、热传导、热对流、辐射传热，应用案例
- 机械库：包含一维平动和转动机械元件、质量、弹簧质量阻尼器、齿轮、离合器、轴承，应用案例
- 多体库：包含柔性臂、刚体、坐标系、各种铰、传感器，应用案例
- 电磁库：包含电磁材料数据、电磁场、永磁体、场形状、传感器、渗漏、流量和电位源，应用案例
- 热流体库：包含边界条件、约束、热流、热传导、热传感器，应用案例
- 液压库：压力源、油箱、容积、差动油缸、节流孔、阀体、柱塞缸、泵，应用案例 
这些元件库可以通过添加MapleSim附加产品（建模元件库和工具箱）、创建和共享自定义建模元件、导入第三方Modelica库等方式扩展，满足特定的需求。
· 拖放式物理建模环境
使用MapleSim，用户无需将设计转换为数学方程然后用信号流方块图表示。用户仅需要在屏幕上简单地使用代表物理模型的建模元件重建系统框图。
- 模型框图直接映射实际物理系统
- 简单和直观的模型创建过程加速建模任务
- 由于模型框图与实际系统示意图非常相似，所以模型校验所需时间较少
- 建模元件使用熟悉的图标
- 连线自动排列产生更清晰的模型框图
- 分层模型框图方便模型导航
- 建模元件上的端口仅允许合适的连接
- 收藏夹面板收录常用的建模元件
· 使用数学方程直接创建自定义建模元件
基于方程的自定义建模元件让用户可以快速将方程和理论快速转换为最终的模型，无需编程知识。用户可以从基本原理出发直接创建新的建模元件，无需使用复杂的、容易出错的、并且耗时的编程方式。
- 通过定义对应的数学方程轻松创建自定义建模元件。
- 使用标准的数学符号快速输入，以及验证方程。
- 使用微分方程、状态空间、传递函数定义元件的属性。
- 使用点击式分析工具直观地分析和验证建模元件的属性。
- 使用交互式自定义建模元件模板定义参数、端口类型、端口位置。
- MapleSim会自动对自定义建模元件进行一致性检查，防止无效的连接和参数值。
- 创建自定义建模元件库，可以使用在自己的模型中，或者分享给同事。
· 创新的多体技术
在MapleSim中，创新的多体建模技术无缝集成在多领域建模环境中，在单一的环境中实现系统级的建模和仿真。这个独特的技术意味着MapleSim为多体模型的开发和应用提供了无与伦比的灵活性和控制。
- MapleSim多体库基于线性图论，领先的算法实现多体系统公式，自动生成系统的数学模型。
- 用户可以查看和操作这些底层控制方程，获取解析解，用于逆运动学和逆动力学应用。
- 灵活的坐标系选择工具允许用户控制底层方程的数量和属性。
- 通过控制坐标系，MapleSim有效地减少了产生方程的数量和复杂度，戏剧性地提高计算效率。
- 单元的符号表示，例如质量矩阵、约束Jacobians，运动属性等，为高级多体分析提供了重要模块。
- MapleSim同时提供了2-D框图和3-D交互式模型构建环境，迎合3-D物理系统建模中的挑战。3-D模型构建环境可以与模型框图环境结合使用，让您在建模时充分利用这两个建模方式各自的长处。模型构建完成后，MapleSim仿真引擎自动生成模型的3-D虚拟现实动画，直观地显示系统行为。
· 代码生成
代码生成工具产生高性能、免费的C代码，特别适用于反复优化运行和复杂系统的实时仿真，包括硬件在环测试。使用MapleSim，用户可以同时保证模型的保真度和实时性能，无需选择其一。
MapleSim使用了世界领先的符号技术，无损失前提下生成高效的系统方程，无需手工简化模型，从而降低了计算的复杂度。
方程简化步骤包括DAEs指数的约简、消除代数环、以及代数方式处理系统产生简洁、高效的等价方程。
MapleSim代码生成工具将这些简化后的方程转换为源代码，同时应用符号优化技术戏剧性地加速执行时间。优化工具提供共同的表达式，然后使用单个变量取代它们，并提前计算它们。通过消除数值迭代求解中的重复计算，MapleSim将原来数千个子表达式计算变为了单个运算，从而戏剧性地降低了计算时间。
自动代码生成工具适用于所有模型，包括那些包含自定义元件，省去了易出错的手工编码。
可直接转换的代码生成目标有：
独立C代码
Simulink®/Simulink® Coder™ 
LabVIEW™ and NI VeriStand™ 
B&R Automation Studio
VI-CarRealTime
dSPACE® (DS1104 controller board) 
FMI
Maple：用户可以在Maple环境中允许编译的MapleSim模型。
通过自动生成系统模型的代码，MapleSim可以无缝嵌入到您现有的工具链中，在项目的下一个阶段继续使用。
仿真求解器和选项
MapleSim领先的求解器生成最快的、高效的仿真代码，提供大量的选项允许用户管理和控制仿真。
- 自适应数值求解器：刚度/半刚度/非刚度求解器(Rosenbrock, Cash-Karp, Runge-Kutta-Fehlberg)；固定步长求解器（Euler,Implicit Euler, RK2, RK3, RK4）。
- 对系统方程的无损失符号简化产生高效、高保真的模型。
- 高阶DAEs指数约简方法
- 代数环的解析解，无需用户干预
- 模型构建和仿真诊断的详细错误分析
- 编译运行模式实现快速仿真
- 多体系统的方程缓存
- 批处理仿真
- 参数设置管理工具
- 探针管理工具，包括包括加入新的探针，然后利用存储的仿真数据直接查看结果，无需重新仿真
- 高效的系统模型和优化的C代码生成工具，特别适用于实时应用，包括硬件在环HIL。
- 通过使用附加工具箱，可以快速与主流的工具协同工作，包括MathWorks®, National Instruments™, 和dSPACE®。
· 单位管理
MapleSim内置单位管理工具，排除单位转换和一致性问题。用户可以在建模元件参数中附加单位，MapleSim会自动实现模型仿真过程中的单位计算。
- 自动在不同单位制直接转换（例如国际单位制和英制单位）
- 使用方便，通过下拉框选择和修改单位
- 可以将信号转换为工程单位
· 自动生成完全参数化的模型方程
MapleSim提供工具自动生成参数化形式的模型方程，用户可以获取这些方程实现高级应用和分析。不再是黑匣子，MapleSim为用户提供了开放的模型和完全的可见性。
- 可以直接自动将系统框图转换为对应的数学方程，避免繁琐的计算和潜在的计算错误。
- 使用无损失的符号技术简化方程，生成最简洁的方程组。
- 使用自然的数学符号，方程可以被浏览、操作、分析，验证、分析和交流更方便。
- 模型方程表示为微分方程、传递函数、或矩阵形式，也可以根据需求在不同的形式之间转换。
- 设计参数保持为符号形式，为分析提供更大的灵活性。用户可以轻松地操作和后处理模型方程，包括参数优化、灵敏度分析、系统识别、逆运动学等。
· 客户化分析
MapleSim基于数学软件Maple，通过交互式的分析环境提供大量功能强大的分析工具，用户能够快速定制和扩展这些工具，以满足项目要求。通过提供可操作的模型方程和强大的Maple数学引擎，MapleSim提供了无限可能的分析功能。
预置的交互式分析模板有：多体分析优化；灵敏度分析；模特卡罗模拟；线性系统方程的检验和分析；模型线性化；C代码生成；使用方程创建自定义建模元件；使用Modelica语言创建自定义建模元件；状态空间描述；提供模型方程（线性和非线性）等
使用按钮或简单的命令完成复杂的分析任务，包括符号微分、降阶、变量隔离、求模型方程的解析解等。
使用Maple高级编程语言轻松修改已有的模板或快速创建自有的模板。
分析模板自动加载模型信息，用户可以立即开始进一步的分析工作。
MapleSim与Maple紧密连接，因此用户可以充分使用Maple中的强大数学引擎、可视化工具、编程语言、技术文档等满足项目需要。
· 可视化
MapleSim绘图和可视化工具包括2-D仿真结果和3-D仿真动画。
- 多体系统的3-D模型构建和仿真动画。
- 自动产生多体模型的3-D球棍视图，可使用自定义几何体（包括弹簧、圆柱体、立方体、力和扭矩箭头、运动轨迹等），或则导入STL几何文件产生逼真的渲染。
- 对3-D可视化和动画的播放模式和相机控制
- 输出3-D仿真为.mpeg视频
- 可自定义的2-D仿真结果绘图
- 多y轴和相图
- 对数、半对数、线性轴的缩放比例
- 缩放、平移、点探针、图形输出
- 使用鼠标将一个图形拖放到另一个图形
- 完全使用Maple中的绘图工具
· 完整的项目文件
用户可以很方便地将项目所需的信息集成在单个项目文件中，包括推理过程和结果，充分捕捉每个项目中的工程知识。
- 在单个项目文件中集成模型、仿真结果、分析、报告、自定义建模元件描述、动画、数据文件等，更容易分享项目文件。
- 记录分析过程，而不仅仅是结果。用户可以保留所有分析工作在模型中，因此可以记录当时为什么这么做，让工作更容易理解、重用和修改，方便将来的工作。
- 创建项目技术报告。MapleSim分析模板是一个专业的技术文档，可以包含计算、图形和动画、说明文字、数学、图片和模型框图。完成分析的同时形成专业的技术报告。