新型工业化.科学计算与系统建模仿真系列4册：基于同元软件MWORKS
科学计算与系统建模仿真系列4册：
（1）基于模型的系统工程MBSE及MWORKS实践
（2）通信系统建模与仿真 基于MWORKS
（3）控制系统建模与仿真
（4）基于MWORKS+MWORKS开发平台架构及二次开发
一.基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践
基于模型的系统工程（MBSE）是复杂系统数字化研发的基本方法，是系统工程方法与数字化设计、数字化技术融合的先进成果。MWORKS是同元软控公司基于国际知识统一表达与互联标准打造的系统智能设计与验证平台，是MBSE方法落地的使能工具。本书介绍基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践，内容括引论，MBSE语言、工具和方法，MWORKS.Sysbuilder系统设计建模功能，设计与一体化的新一代MBSE方法，使命任务定义与需求分析，系统架构定义与可行性论证，运行方案与综合评估，应用案例，可复用模型管理与协同，MBSE未来发展趋势。附录A介绍了SysML图元。
本书结合作者团队多年来在复杂系统领域的MBSE实践经验，面向系统研制的现实需求和发展趋势，向读者介绍基于MWORKS平台的设计与一体化方法，并简明扼要地讲述MBSE方法在不同研制段/流程中的应用。本书对行业前沿理论的描述简明扼要，案例的设计与验证过程清晰，便于读者理解和掌握MBSE语言、工具和方法等内容。
本书适合作为高等学校本科高年级学生、硕士研究生以及工程师的MBSE入门教材。
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作者简介：
聂兰顺，博士，教授，博士生导师，国家示范性软件学院副院长，物联网工程专业（国家级一流本科专业建设点）负责人，中国计算机学会服务计算专委会执行会员，IEEE会员，黑龙江省工商联执委、咨议委委员，美国圣路易斯华盛顿大学访问学者，法国克莱蒙费朗第二大学访问教授，主要研究方向：工业软件，信息物理系统/物联网，实时系统。已主持完成国家级、企业项目多项，成果在 《Proceedings of the IEEE》、ACM Trans等期刊和 AAAI、FPGA、ICCPS 等会议上发表，获省部级科技进步一等奖1项、二等奖3项。主持教育部产学合作协同育人项目多项，获黑龙江省教学成果一等奖2项，获哈尔滨工业大学教学突出奖，编著教材多部。
目录：
第1章 引论 1
1．1 复杂系统的发展趋势 2
1．2 系统工程与基于模型的系统工程（MBSE） 4
1．3 MBSE的概念与内涵 6
1．4 MBSE典型应用场景 8
1．5 MBSE国内外实践情况 10
第2章 MBSE语言、工具和方法 14
2．1 MBSE语言概述 15
2．1．1 SysML 16
2．1．2 Modelica 17
2．2 MBSE工具概述 19
2．2．1 系统设计建模软件 19
2．2．2 系统仿真建模软件 23
2．2．3 MWORKS平台简介 23
2．3 MBSE方法概述 28
2．4 MBSE方法应用实践的关键问题 29
2．4．1 共性问题 29
2．4．2 通用流程与工程行业的结合问题 30
2．4．3 通用语言与专业知识的结合问题 31
2．4．4 通用工具与专业工具的结合问题 31
2．4．5 多阶段与多专业协同的结合问题 32
第3章 MWORKS．Sysbuilder系统设计建模功能 33
3．1 概述 34
3．2 模型组织结构管理 36
3．2．1 包定义 36
3．2．2 包图 37
3．3 模型导入、导出 39
3．4 需求定义 44
3．4．1 需求条目 44
3．4．2 场景分析 44
3．4．3 系统需求分析 48
3．5 系统功能分析 50
3．5．1 序列图 50
3．5．2 活动图 55
3．5．3 状态机图 60
3．6 系统组成设计 65
3．6．1 模块定义 65
3．6．2 模块定义图 66
3．6．3 内部属性定义 66
3．6．4 内部模块图 68
3．7 设计验证 69
3．7．1 约束定义 69
3．7．2 参数图 70
3．7．3 约束设计 72
3．7．4 参数计算 72
3．8 分析评估 73
3．8．1 追溯性分析与需求覆盖 73
3．8．2 架构多方案权衡 74
3．8．3 参数计算 77
3．9 表格视图与关系矩阵 77
3．10 链接Modelica模型 81
3．11 生成Modelica模型 82
3．12 报告生成 84
第4章 设计与仿真一体化的新一代MBSE方法 86
4．1 设计与仿真一体化的MBSE技术体系 87
4．2 新一代MBSE方法的技术特点 89
4．3 MBSE方法的“三阶段六过程” 94
4．3．1 流程模型 94
4．3．2 第一阶段：使命任务定义与需求分析 97
4．3．3 第二阶段：系统架构定义与可行性论证 99
4．3．4 第三阶段：运行方案仿真与综合评估 100
4．4 多领域统一模型体系 102
4．5 设计与仿真一体化的MBSE工具平台 104
4．6 MBSE协同设计论证标准规范体系 105
第5章 使命任务定义与需求分析 107
5．1 概述 108
5．2 使命任务定义 109
5．2．1 使命任务定义的输入和主要活动 109
5．2．2 利益相关方识别与利益相关方期望识别 111
5．2．3 任务场景设计与建模 113
5．2．4 利益相关方需求收集 117
5．3 需求分析 119
5．3．1 功能需求分析 120
5．3．2 功能需求分解与分配 123
5．3．3 资源约束分析 125
第6章 系统架构定义与可行性论证 127
6．1 概述 128
6．2 系统架构定义 128
6．2．1 功能建模 129
6．2．2 架构建模 134
6．2．3 系统接口设计 136
6．3 分系统方案设计 139
6．3．1 分系统方案设计概述 139
6．3．2 分系统专项设计 140
6．3．3 分系统方案评估 142
6．4 可行性论证 143
6．4．1 需求追溯性分析与需求覆盖性分析 143
6．4．2 约束模型验证 144
第7章 运行方案仿真与综合评估 146
7．1 概述 147
7．2 运行方案仿真 147
7．2．1 系统仿真建模 148
7．2．2 SysML与Modelica模型联合仿真 150
7．3 综合评估 151
7．3．1 系统指标分析评估 152
7．3．2 多方案权衡 153
第8章 应用案例 159
8．1 概述 160
8．2 使命任务定义与需求分析 160
8．2．1 使命任务定义 160
8．2．2 需求分析 161
8．3 系统架构定义与可行性论证 163
8．3．1 功能分析 163
8．3．2 系统架构定义 166
8．3．3 功能分配与接口 交互定义 166
8．3．4 分系统方案设计 170
8．3．5 可行性论证 172
8．4 运行方案仿真与综合评估 175
8．4．1 设计模型与仿真模型的转换 175
8．4．2 仿真模型集成验证 177
8．4．3 多方案权衡 178
第9章 可复用模型管理与协同 186
9．1 概述 187
9．2 模型库架构设计 187
9．3 模型评估 189
9．4 模型管理 191
9．5 面向多团队协同的数字化模型交付 193
第10章 MBSE未来发展趋势 194
10．1 概述 195
10．2 新一代系统工程的发展趋势 195
10．3 系统建模语言的能力扩展 197
10．4 MBSE新方法与新应用 198
10．5 MBSE与人工智能的结合 199
附录A SysML图元 201
参考资料 235
二.通信系统建模与仿真 基于MWORKS
本书以MWORKS 2023b为平台，以MWORKS.Syslab与MWORKS.Sysplore通信系统建模工程案例为背景，通过业技术与大量实例相结合的形式，加深读者对通信系统原理的理解。
本书共7章，内容括：绪论、MWORKS科学计算与系统建模基础、通信系统的信源编码、通信系统的信道编码、数字信号基带传输、通信系统的载波调制、通信系统的应用开发实践案例。每章正文之前有内容提要，每章后附有本章小结和习题，以满足教学和自学的需要。
本书可作为高等学校通信、电子信息、计算机等业本科生和研究生的教学用书，也可作为相关业科研人员、工程技术人员的参考用书。
作者介绍：
李伟，院长助理（分管学院人才引育和国际化），预聘教授，博导，*家级人才项目入选者（2021年），黑龙江省B类高层次人才（2022年）。黑龙江省新一代网络技术与信息保障实验室副主任，IEEE/ACM Member，CCF*级会员，CCF信息系统/数据库/人机交互专委执行委员，CCF智慧交通分会执行委员。2021年回国加入哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院。李博士主要研究数据库、图数据管理与挖掘、时空数据挖掘、基于位置的服务计算等。近年来，李博士在上述相关领域发表论文40余篇，主持/参与澳大利亚联邦政府CRC项目、国家重点科技攻关计划、国家自然科学基金项目、黑龙江省自然基金、科技部外事专家项目等。担任哈工程未来学院和联合学院计算机类课程群负责人，获得省教学成果二等奖。担任国际期刊JIHMSP副主编，期刊Applied Sciences客座编辑，担任知名国际会议SMC、DASFAA等的PC Member，国际期刊TKDE、TKDD、TBD、DSEJ等的特邀审稿人，国际会议ICDE、VLDB、DASFAA等的特邀审稿人。
三.控制系统建模与仿真 基于MWORKS
本书是为希望深入了解和掌握控制系统计算机辅助设计与技术的读者心准备的。全书共七章，系统地介绍了控制系统的计算机辅助设计理论、方法以及基于MWORKS平台的具体应用技术，涵盖了从基础理论到高级分析方法，再到实际应用的全过程。
第1章为引言，介绍了计算机辅助设计技术在控制系统设计中的发展、现状及其重要性。第2章深入探讨了控制系统建模的基本理论和方法，以及如何利用技术进行系统分析和设计，为后续章节的深入学习奠定理论基础。第3~6章详细介绍了利用MWORKS平台进行控制系统设计与分析的各个方面，括时域分析、频域分析、系统校正以及状态空间点配置等，每一章配以丰富的实例，在帮助读者掌握基于MWORKS的控制系统设计与技术。第7章展示了一系列选的实际案例，通过具体的实践，将前六章介绍的理论知识和MWORKS平台的应用方法巧妙地结合起来，展现了MWORKS在控制系统设计与中的强大功能和灵活性。
本书面向的读者群体十分广泛，不仅适合于自动控制、电子工程、机械工程等相关业本科生和研究生，也适合于在控制系统设计与领域工作的工程师和技术人员。无论对希望从基础学起的初，还是对寻求深入理解和拓展应用的有经验的业人士，本书是一本不可多得的学习和参考资料。通过阅读本书，读者不仅能够掌握控制系统的基础理论和计算机辅助设计的方法，还能深入了解MWORKS平台的强大功能，从而在实际工作中设计出更高效、更稳定的控制系统。
作者简介：
张超，北京航空大学自动化科学与电气工程学院机电系统健康服役与可靠性实验室研究员，博士生导师， 中国运筹学会可靠性分会 副秘书长，研究方向主要为机电系统建模与可靠性优化设计、故障诊断与健康管理、可靠性理论与可靠性试验、维修理论及维修决策、机器学习在可靠性工程应用。
目录：
目 录
第1章 控制系统计算机辅助设计概述1
1.1 计算机辅助设计技术综述2
1.1.1 控制系统计算机辅助设计技术的发展2
1.1.2 控制系统计算机辅助设计领域方法概述5
1.2 MWORKS简介6
1.2.1 MWORKS.Sysplorer8
1.2.2 Modelica简介9
1.2.3 MWORKS.Syslab16
1.2.4 Julia简介17
本章小结21
习题121
第2章 控制系统建模与仿真理论基础22
2.1 自动控制系统简介23
2.1.1 自动控制系统23
2.1.2 控制系统建模29
2.2 系统稳定性概述32
2.2.1 稳定性描述32
2.2.2 稳定性判据33
2.3 系统传递函数模型38
2.3.1 传递函数的概念38
2.3.2 传递函数的定义39
2.3.3 关于传递函数的几点说明40
2.3.4 典型元器件的传递函数41
2.4 MWORKS控制系统模型的建立44
2.4.1 传递函数模型44
2.4.2 状态空间模型48
2.4.3 零极点增益模型49
本章小结49
习题250
第3章 基于MWORKS的控制系统时域分析51
3.1 时域响应分析52
3.1.1 典型输入信号52
3.1.2 时域性能指标54
3.2 MWORKS时域分析函数55
3.2.1 阶跃响应55
3.2.2 脉冲响应61
3.2.3 斜坡响应63
3.2.4 任意信号的响应64
3.3 线性系统的时域分析67
3.3.1 一阶系统67
3.3.2 二阶系统69
3.4 稳定性分析77
3.4.1 使用闭环特征多项式的根判定稳定性77
3.4.2 使用劳斯判据判定稳定性78
本章小结81
习题381
第4章 基于MWORKS的控制系统频域分析83
4.1 频率特性的基本概念84
4.1.1 频率特性的定义85
4.1.2 使用MWORKS求取频率特性86
4.2 频率特性的曲线表示90
4.2.1 幅频特性、相频特性和幅相特性90
4.2.2 对数频率特性92
4.2.3 典型环节的频率特性94
4.3 系统的开环频率特性100
4.3.1 开环幅相特性曲线100
4.3.2 开环对数频率特性曲线102
4.4 频域稳定性分析103
4.4.1 稳定性判据103
4.4.2 波特图分析106
4.4.3 稳定裕度108
本章小结111
习题4111
第5章 基于MWORKS的控制系统校正分析113
5.1 校正概述114
5.1.1 控制系统性能指标114
5.1.2 校正的基本概念114
5.2 根轨迹法115
5.2.1 根轨迹法串联超前校正117
5.2.2 根轨迹法串联滞后校正120
5.3 频域响应校正法123
5.3.1 基于频域法的超前校正124
5.3.2 基于频域法的滞后超前校正132
5.4 比例积分微分控制140
5.4.1 比例积分微分控制原理140
5.4.2 PID控制的MWORKS实现142
本章小结146
习题5147
第6章 基于MWORKS的状态空间极点配置148
6.1 状态空间反馈基础149
6.1.1 状态空间及状态空间表达式149
6.1.2 状态反馈和输出反馈150
6.2 能控性与能观性152
6.2.1 系统的能控性152
6.2.2 MWORKS分析函数154
6.2.3 反馈对能控性和能观性的影响156
6.3 极点配置与必要条件157
6.3.1 状态反馈157
6.3.2 输出反馈161
6.4 状态观测器应用162
6.4.1 全维状态观测器162
6.4.2 降维状态观测器164
6.4.3 MWORKS仿真算例165
本章小结172
习题6172
第7章 应用实例174
7.1 齿轮副的动力学仿真175
7.1.1 问题描述175
7.1.2 数学模型175
7.1.3 仿真分析177
7.2 四通阀控制液压缸182
7.2.1 问题描述182
7.2.2 数学模型183
7.2.3 仿真分析186
7.3 泵控液压马达189
7.3.1 问题简述189
7.3.2 数学模型190
7.3.3 仿真分析194
7.4 四旋翼飞行器的高度控制197
7.4.1 问题描述197
7.4.2 数学模型198
7.4.3 仿真分析202
本章小结206
四.MWORKS开发平台架构及二次开发
本教材从MWORKS二次开发的角度出发，系统介绍MWORKS开发平台架构及其二次开发原理、流程和案例。全书共6章，第1章简要介绍科学计算与系统建模平台MWORKS，第2章简要介绍MWORKS 平台开放架构与二次开发，在此基础上，第3~5章分别讨论面向科学计算的二次开发、面向系统建模的二次开发和带用户界面的应用开发，第6章是综合应用二次开发实践。
本教材是国内第一本门介绍MWORKS开发平台架构及二次开发的教材，适合作为普通高等院校相关业科学计算与系统建模等课程的教材，也可供从事国产化科学计算软件开发和系统设计与验证平台研发的广大科研人员和科技工作者阅读参考。
作者介绍：
张莉，教授，博士生导师。北京航空航天大学校学术委员会会员，校教学指导委员会副主任、校务委员会委员。2002-2011年曾担任北京航空航天大学计算机学院教学副院长，现为软件学院副院长、计算机学院软件工程研究所所长，软件工程*家级*流专业建设点负责人，*家级教学团队主要成员。曾担任全国软件工程领域专业学位研究生教育协作组组长、教育部理工类计算机基础课程教学指导分委员会委员。现为教育部软件工程专业教学指导委员会委员，全国高等学校计算机教育研究会副理事长。中国工程教育计算机专业认证委员会委员。计算机学会教育专委会副主任、软件工程专委常委。北京市教学名师，北京市“三八”红旗奖章、中创软件人才奖、宝钢全国*秀教师奖获得者。曾入选北京市科技新星计划、教育部"新世纪*秀人才支持计划"等。多次获得国家教学成果、北京市教学成果奖、部级科技步奖等奖励。
