Introduction to Physical Modeling with Modelica pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Tiller, Michael 编

出品人:

页数:367

译者:

出版时间:2001-5

价格:$ 140.12

装帧:

isbn号码:9780792373674

丛书系列:

图书标签:

• Modelica
• 物理建模
• 系统仿真
• 动力学
• 热力学
• 控制系统
• 数学建模
• 工程仿真
• 科学计算
• 建模语言

复杂系统建模与仿真：深入解析物理过程与多领域交互 本书旨在为读者提供一套系统、前沿的复杂系统建模与仿真方法论。我们聚焦于如何将现实世界中错综复杂的物理现象、工程系统乃至生物过程，转化为严谨的数学模型，并通过先进的仿真工具进行高效、准确的预测与分析。本书的叙事逻辑围绕“从现象到数学，从数学到代码，从代码到洞察”的转化链条展开，强调建模思维的构建而非特定软件语法的罗列。 第一部分：建模基础与数学内核 本部分将奠定读者理解复杂系统建模所需的理论基石。我们首先探讨系统科学的基本原理，包括系统的边界定义、状态变量的选取、因果关系分析以及反馈回路的识别。我们将深入剖析微分代数方程（DAE）作为描述动态系统的核心数学工具的内在结构和优势，并与常微分方程（ODE）进行对比分析，阐明DAE在处理约束、守恒律以及多物理场耦合场景下的不可替代性。 理论层面，我们将详细阐述拉格朗日力学在构建机械系统和电磁系统方程中的应用。这不是简单地复述经典力学，而是侧重于如何利用能量方法（如动能、势能和耗散函数）系统地推导出系统的运动方程，即使在非保守力和复杂约束存在的情况下。我们将引入图论方法在网络化系统（如电路、流体管道网络）建模中的应用，展示如何通过拓扑结构快速建立系统的关联性方程。 此外，针对非线性和不确定性问题，本书将介绍线性化技术（如泰勒展开、雅可比矩阵）在系统分析初期的重要性，并讨论如何通过状态空间表示法来标准化模型结构，为后续的控制设计和稳定性分析做准备。 第二部分：多物理场建模的集成方法 现代工程系统很少是单一物理领域的。本部分的核心在于教授读者如何有效地将来自不同物理领域的方程组进行统一描述和集成。我们将详细介绍面向对象的建模范式，强调将物理组件（如电阻器、弹簧、阀门）抽象为可重用、自包含的对象，这些对象内部封装了其物理定律的数学表达。 我们重点探讨跨领域耦合的关键技术。例如，在机电耦合系统中，我们将分析电磁力如何影响机械运动，反之电磁场如何被机械位移调制。这需要对麦克斯韦方程组（在特定简化下，如准静态近似）与牛顿第二定律进行精确的数学映射和边界条件的协调。在热-力耦合场景下，我们讨论如何将傅里叶热传导定律的解与材料的弹性力学响应（如热应力、形变）进行耦合计算。 为处理分布式参数系统（如长输管道、结构的热变形），本书将引入偏微分方程（PDE）的数值求解策略，并展示如何将其转化为高阶常微分方程组，以便在时间域内进行仿真。我们将分析有限元法（FEM）和有限差分法（FDM）在处理空间离散化时的适用性及局限性。 第三部分：系统仿真、验证与不确定性管理 建立了精确的数学模型后，高效的仿真和严格的验证是获取可靠工程结论的保障。本部分将聚焦于仿真引擎的内部机制和高级应用技巧。 我们将深入剖析数值积分器的原理，对比显式欧拉法、龙格-库塔法（RK4）以及隐式求解器（如BDF）的收敛性、稳定性和计算效率。特别地，对于包含代数约束和快速动态的混合系统，我们将详细讲解微分代数方程（DAE）求解器如何处理代数约束的奇异性问题，以及如何选择合适的稀疏矩阵技术来加速大规模系统的求解过程。 模型的验证与确认（V&V）是本部分的重要主题。我们将介绍如何通过对比实验数据和仿真结果来进行模型确认，并探讨参数敏感性分析和校准技术。读者将学习如何利用不确定性量化（UQ）方法，例如蒙特卡洛模拟或响应面法，来评估模型输入参数波动对输出结果的影响，从而为工程决策提供稳健的置信区间。 最后，本书将触及模型降阶技术。面对由高维PDEs或复杂组件构成的庞大模型，我们介绍诸如模态分析和Pade逼近等方法，旨在创建计算成本更低但精度可接受的“等效低阶模型”，以满足实时仿真或大规模批处理仿真的需求。 全书强调通过案例研究来巩固理论：从经典的热力学循环分析，到复杂的航空航天机构运动仿真，再到分布式电力电子系统的动态响应分析，旨在培养读者从抽象概念到具体工程实现的全面建模能力。

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坦白说，这本书的深度和广度超出了我最初的预期，它不仅仅是Modelica语言的入门手册，更像是一套完整的系统建模思维的训练营。作者在引入基础概念时，并没有采取那种过于简化的说教方式，而是直接将读者置于实际工程问题的背景之中，通过解决实际案例来自然地引出所需的建模工具和语法。这种“问题驱动”的学习路径，极大地激发了我的学习兴趣。比如，在介绍面向对象建模的章节，作者没有停留在类和继承的抽象层面，而是通过构建一个多自由度机械臂的层次化模型，将这些概念的实际应用展现得淋漓尽致。我印象深刻的是，书中对于不同物理领域（如电气、机械、流体）的耦合建模处理得极其细致，特别是处理能量守恒和不同域之间的接口时，提供的解决方案兼具理论的严谨性和工程实践的可操作性，这让我对如何构建复杂的、多领域耦合系统建立了扎实的信心。

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这本书的语言风格非常独特，它成功地在学术的严谨性与工程师的实用主义之间找到了一个绝佳的平衡点。行文流畅，逻辑推进极为自然，读起来几乎没有那种“啃大部头”的枯燥感。作者的叙述方式充满了洞察力，尤其是在解释一些建模陷阱和常见错误时，那种“过来人”的经验分享非常宝贵。例如，书中对“状态变量的选取”这一核心问题的讨论，就非常深刻，它不仅仅告诉我们“应该选什么”，更重要的是阐述了“为什么这样选是最佳的”，并分析了不同选择可能导致的数值积分问题。此外，书中对Modelica标准库（Standard Library）的讲解也做到了精妙，没有陷入冗长地罗列所有模块的泥潭，而是挑选了最核心、最常用、最具代表性的组件进行深入剖析，并通过穿插的小练习，确保读者能够立即上手实践。这种深入浅出的讲解方式，让原本看起来有些高深的建模理论变得触手可及。

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从教学法的角度来看，这本书的课程设计结构体现了极高的专业素养。它似乎是为自学者量身定做的，因为每一个新的建模概念引入时，都紧跟着一个或多个精心构造的、逐步递增复杂度的实践案例。这种迭代式的学习设计，有效地强化了知识的吸收和应用能力。我特别欣赏作者对于“模型重用”这一理念的强调，全书贯穿着如何通过组件化和封装来构建可维护、可扩展的仿真模型。这种自上而下的结构化思维训练，远远超越了单纯学习一门编程语言的范畴，它教会我如何像一个真正的系统工程师那样去思考和设计。如果将这本书与市面上其他偏重于语言语法的教材进行比较，你会发现它更侧重于培养“建模者的直觉”和“系统分析的能力”，而这正是高级仿真工程师必备的核心素养。因此，对于任何希望从零基础跨越到能够独立完成复杂工业系统仿真的读者来说，这本书无疑是极具价值的投资。

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这本书的包装设计真是引人注目，封面采用了深邃的蓝色调，搭配着一些抽象的物理模型图示，立刻给人一种严谨而又充满探索欲的感觉。刚拿到手的时候，我就被它厚实的质感和精美的印刷吸引住了。内页纸张的质量也非常出色，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到疲劳。排版布局上，作者显然花了不少心思，代码块和图表的间距处理得恰到好处，使得复杂的物理方程和仿真结果都显得井井有条，清晰易读。我特别喜欢它在章节开始时设置的“知识点预览”部分，它像一张地图，能让你在深入学习前对本章内容有一个宏观的把握，这对于初学者来说是极大的帮助，能有效避免在细节中迷失方向。书中的插图质量极高，很多示意图不仅美观，而且对理解抽象概念起到了画龙点睛的作用，比如在解释热力学过程时，那些动态的流程图比纯文字描述要直观太多了。整体来看，这本书在视觉传达和用户体验方面做得非常到位，让人有种爱不释手的感觉，这在技术类书籍中是相当难得的。

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作为一本技术参考书，索引和附录的设计是衡量其实用价值的关键指标。这本书在这方面做得非常出色，几乎达到了教科书级别的严谨标准。页眉清晰地标注了当前章节和子章节的标题，这在需要频繁跳转查阅特定语法或函数定义时，显得尤为方便。最让我惊喜的是附录部分，它不仅仅是内容的简单堆砌，而是精心策划的资源导航。例如，有一个专门的章节梳理了Modelica语言的最新发展趋势以及社区资源链接，这对于希望保持知识更新的读者来说，提供了非常及时的导向。另外，书后附带的“调试与优化技巧”章节，简直是实战宝典，里面列举了数十条在仿真过程中可能遇到的性能瓶颈和求解器收敛问题，并提供了针对性的解决方案，这些内容在其他入门教材中是极少被详述的。总而言之，这本书不仅是学习工具，更是一本可以长期置于案头的、高价值的案头参考手册。

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