科學(xué)計算語言Julia及MWORKS實踐 課件 1-科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景

一、Julia語言及MWORKS簡介1.1科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景1.2MWORKS平臺簡介1.3MWORKS.Syslab功能簡介1.4MWORKS.Sysplorer功能簡介1.5Julia語言簡介1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——飛機航空產(chǎn)品系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜性變化趨勢早期的飛機可將其歸類為“ComplicatedSystem”，即可以進行分解的復(fù)雜系統(tǒng)；現(xiàn)代的飛機越來越復(fù)雜，飛機系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)部的深度交聯(lián)，航空產(chǎn)品從一個“ComplicatedSystem”逐漸向“ComplexSystem”轉(zhuǎn)變，即由可分解的復(fù)雜系統(tǒng)向不可分解的復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景為實現(xiàn)長期載人可靠飛行并開展有人參與的多領(lǐng)域空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗，中國空間站全系統(tǒng)以“1=1+1+1”

的方式構(gòu)建，即整站功能被系統(tǒng)分解至3個艙段。兩個實驗艙分別位于天和核心艙左右兩側(cè)，共同形成對稱的“T”字構(gòu)型。天和核心艙：負責(zé)空間站平臺的統(tǒng)一管理和控制，并作為目標飛行器支持來訪飛行器交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊。問天實驗艙：可以對天和核心艙平臺功能進行系統(tǒng)級備份，能夠在應(yīng)急情況下“整體接管”空間站。夢天實驗艙：具備平臺重要功能和關(guān)鍵設(shè)備的備份能力，可以為航天員在密封艙內(nèi)工作、開展艙內(nèi)及艙外空間實（試）驗提供保障條件。現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——空間站1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——空間站空間站系統(tǒng)復(fù)雜度高，涉及到能源、環(huán)境、控制、信息、推進等多學(xué)科、多系統(tǒng)。它的復(fù)雜還在于，一個專業(yè)設(shè)計如果發(fā)生了調(diào)整變化，會帶來一系列的對周邊系統(tǒng)的影響。五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔舉了一個簡單的例子：“比如說空間站最終在天上組裝建造完成，有一個很重要的動作就是要轉(zhuǎn)位。整個空間站幾個艙的動力學(xué)模型分別出自不同的單位，我們有負責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計的單位，有負責(zé)大帆板研制的單位。那么轉(zhuǎn)位又要用轉(zhuǎn)位臂進行平面轉(zhuǎn)位的操作。在轉(zhuǎn)位的過程中姿態(tài)變了，帆板受太陽的照射就變了，可能發(fā)電的性能和最后的供電的輸出就全變了?！睆暮教炱鞯恼砉δ芎托阅艹霭l(fā)，需要把握各分系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系，各專業(yè)之間的耦合關(guān)系越來越緊密。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——深空探測10AU火星44次土星5次118次月球金星41次地球成功66次成功率57%深空探測：240余次。月球是太陽系探測的試驗場,是邁向更遠深空的中轉(zhuǎn)站；月球科學(xué)研究對推動空間科學(xué)發(fā)展具有重要作用；月球資源開發(fā)利用對人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。月球作為地球唯一的衛(wèi)星和最近的地外天體，在人類空間探索中的地位獨一無二。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——深空探測ISECG全球探索路線圖(2018)月球火星美國深空之門中國國際月球科研站發(fā)展態(tài)勢：近地軌道

地月空間

火星美、俄、中；歐、日、印、以、英、韓……首要目標：月球探測探測重點：掌握技術(shù)探測模式：單點短期

長期可持續(xù)國際合作：分擔(dān)經(jīng)費與風(fēng)險，共享成果與發(fā)展探測區(qū)域：逐漸聚焦資源富集的月球南極科學(xué)研究、資源開發(fā)俄羅斯歐空局月球村倡議2036-2040年建成月球基地2024年前11次任務(wù)8次2次美國深空之門載人登月月球基地1次2027年前，4次任務(wù)進入新世紀以來，月球正成為航天大國戰(zhàn)略角逐的制高點。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——深空探測探月工程二期落探月工程三期回人機聯(lián)合探測機器人月球探測載人月球探測

-科學(xué)探測-技術(shù)試驗-資源開發(fā)利用-……-載人往返技術(shù)-再生生保技術(shù)-出艙技術(shù)-……-能源保障-通信保障-生命保障-運輸保障-運營保障-……

探月工程四期……我國嫦娥系列任務(wù)五戰(zhàn)五捷，基本具備從跟跑向領(lǐng)跑轉(zhuǎn)變的能力。探月工程一期繞國際月球科研站大科學(xué)工程持續(xù)開展技術(shù)突破1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——深空探測定位：月面基礎(chǔ)設(shè)施和共享平臺。建設(shè)思路：中國牽頭，多國參與。特點：多學(xué)科、多目標、多主體；可擴展、可維護。設(shè)計理念：功能模塊化、接口標準化、設(shè)計數(shù)字化。國際月球科研站(InternationalLunarResearchStation,ILRS)多領(lǐng)域耦合更強技術(shù)難度更大任務(wù)周期更長運營維護更難協(xié)同挑戰(zhàn)更多ILRS已成為我國首批大科學(xué)工程培育項目。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)示例——深空探測多領(lǐng)域耦合更強復(fù)雜程度更高技術(shù)難度更大任務(wù)周期更長協(xié)同挑戰(zhàn)更多中國如何牽頭組織迫切需要解決，大型復(fù)雜系統(tǒng)工程的：

跨領(lǐng)域統(tǒng)一、跨層次集成、跨階段持續(xù)、跨地域協(xié)同。1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)特點全流程統(tǒng)一多領(lǐng)域統(tǒng)一信息物理融合復(fù)雜性高成本高需要高可靠性多系統(tǒng)交聯(lián)多層次結(jié)構(gòu)多學(xué)科耦合多團隊協(xié)作知識密集大量先進材料大量試驗活動大量維護活動研制周期長制造費用高運行環(huán)境多樣安全性與可靠性設(shè)計難度大規(guī)范性要求高適航要求高統(tǒng)一標準體系統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)原理轉(zhuǎn)換傳遞接口互聯(lián)互通多領(lǐng)域耦合跨專業(yè)集成多層次集成求解高效實時虛實交互反饋數(shù)據(jù)融合分析決策迭代優(yōu)化機理數(shù)據(jù)混合系統(tǒng)特點需要做到1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)演變趨勢第一次工業(yè)革命第二次工業(yè)革命第三次工業(yè)革命第四次工業(yè)革命數(shù)字化智能化信息化電氣化網(wǎng)絡(luò)化機械化復(fù)雜裝備數(shù)字研發(fā)、交付和運維1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)研制方法理論分析試制試驗系統(tǒng)理論分析系統(tǒng)仿真物理試驗可操縱性差難以觀測試驗成本高危險性較高試驗要求高......可操縱性強可觀測性經(jīng)濟性好可預(yù)測性擴大試驗范圍......1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)研制方法物理空間數(shù)字世界模型虛擬設(shè)計交付系統(tǒng)需求研制要求初步設(shè)計詳細設(shè)計產(chǎn)品實現(xiàn)系統(tǒng)集成產(chǎn)品測試產(chǎn)品驗證交付確認服務(wù)維護虛擬確認虛擬維護虛擬運行虛擬集成虛擬驗證需求建模虛擬實現(xiàn)設(shè)計建模架構(gòu)建模仿真建模數(shù)字主線設(shè)計物理1.1、科學(xué)計算與系統(tǒng)建模仿真應(yīng)用場景現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)研制方法信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystems，CPS)：由一些能夠相互通訊的計算機設(shè)備組成，這些計算機設(shè)備能夠通過傳感器和作動器與物理世界實現(xiàn)反饋閉環(huán)式交互。信息域物理域網(wǎng)絡(luò)計算軟件物理組件環(huán)境模型機械電氣