Maple是目前应用非常广泛的科学计算软件之一，具有强大的符号计算和数值计算功能。MapleSim 是一个系统级的多领域物理建模和仿真工具，支持Windows/Linux/Mac操作系统，提供图形化的设计环境，设计人员可以快速地完成各种系统的建模、分析和仿真，对设计方案进行可行性分析和系统参数优化。



        本书共8章，包括MapleSim使用环境、Maple基础、创建模型、创建自定义建模元件、模型仿真和可视化、Maple API和模型分析、MapleSim建模实践和MapleSim代码生成等内容。



        本书适合工程技术领域从事工程设计、计算机仿真的专业技术人员使用，也可供高等院校理工科专业的本科生、研究生和工程技术人员参考。

        Maple具有世界领先的计算引擎，提供广泛的高性能算法，能够帮助用户解决各种数学问题，是目前最流行和先进的符号和数值计算软件以及工程师必备的科学计算软件之一。Maple系统能够适应各种不同的操作系统。Maple标准版提供超过5 000个计算命令，100多个不同领域的算法程序包，覆盖几乎所有的数学领域；Maple提供符号、数值、混合计算算法；Maple通过菜单、命令、交互式助手等多种方式实现二维、三维图形可视化和动画显示。此外，可以通过外部连接与MATLAB、Simulink、CAD和Excel等多种计算工具和软件连接，可以通过OpenMaple API在外部程序中（如C/Java/VB）使用 Maple 作为计算引擎，可以通过External calling在Maple中使用外部程序，如C/C#/Java/Fortran。Maple使得数学计算更快、更容易编程。

MapleSim作为系统级的多领域建模和仿真工具，支持包括多体机械、信号、电子、液压、热、电气、电磁等广泛物理领域的建模、分析和仿真。MapleSim支持Windows/Linux/Mac操作系统，为用户提供图形化的设计环境。MapleSim与Maple紧密集成形成独特的符号－数值混合求解器和计算技术，并提供强大的工具用于系统分析和模型优化，包括使用内置工具浏览、操作、分析系统方程，以及使用编程语言等。MapleSim对多体机械系统使用了最先进的算法，能自动生成优化后的系统方程。此外，MapleSim强大的代码生成工具，突破现有数值建模工具的限制，让更多的物理系统可用于实时仿真和硬件在环仿真。



        MapleSim可以用于汽车和轨道（磁浮）交通领域的车辆动力学、噪声、振动与平顺性（NVH）、动力总成、混合动力和电动汽车（HEV/EV）研究，航空航天领域的无人驾驶飞行器（UAV）、空间机器人、飞机动力学、导航和控制研究，一般机械制造领域的机器设计和分析、机器人、精密机械研究，以及能源（包括风能和核能）和电子领域的技术研究，是机电一体化、控制的科研和教学工具。 



        本书共8章：第1章MapleSim使用环境，介绍MapleSim使用和物理建模基础；第2章Maple基础，主要介绍Maple的基本功能，包括数值和符号计算计算、求解方程、微积分计算、向量及矩阵计算、微分方程求解等；第3～8章分别重点介绍如何利用MapleSim模型库创建模型、创建自定义建模元件、模型仿真和可视化、API和模型分析、建模实践和MapleSim代码生成等。



        我们在编写过程中，力求反映MapleSoft公司MapleSim和Maple最新版本的知识和特点，做到层次清晰、循序渐进、重点突出，特别注重MapleSim软件的使用和建模仿真实践。对Maple的详细使用可以参考相关软件说明。限于编者的水平，书中不妥和错误之处在所难免，恳请读者提出批评和建议。



        最后，向在本书编写过程中提供帮助的同济大学研究生唐辰和张宝安、上海大学研究生王少娜等表示感谢！


 编  者

2012年7月

第1章  MapleSim使用环境 1

1.1  MapleSim物理系统建模 1

1.1.1  MapleSim的功能 1

1.1.2  因果和非因果建模 2

1.2  MapleSim窗口 4

1.3  基础教程：RLC电路和直流电机的建模仿真 5

1.3.1  构建一个RLC电路模型 5

1.3.2  定义元件的属性 7

1.3.3  添加探针（Probe） 7

1.3.4  RLC电路模型仿真 7

1.3.5  创建一个简单的直流电机模型 8

1.3.6  直流电机模型仿真 9

第2章  Maple基础 10

2.1  与Maple对话 10

2.1.1  Maple环境 10

2.1.2  准备工作 11

2.1.3  输入数学 14

2.1.4  鼠标单击和键盘命令 16

2.1.5  帮助系统 20

2.1.6  Maple使用快速参考表 21

2.2  使用命令和函数包 24

2.2.1  使用顶层Maple命令 25

2.2.2  使用Maple函数包中的命令 26

2.3  微积分 28

2.3.1  极限 28

2.3.2  微分 29

2.3.3  级数 30

2.3.4  积分 30

2.4  线性代数 31

2.4.1  创建矩阵和向量 31

2.4.2  访问矩阵和向量中的元素 33

2.4.3  矩阵和向量计算 34

2.4.4  大型矩阵和向量的数值计算 36

2.5  微分方程 36

2.5.1  常微分方程 36

2.5.2  偏微分方程 39

2.5.3  微分代数方程 41

2.6  优化 43

2.6.1  局部优化 44

2.6.2  全局优化 45

2.7  动态系统 48

2.7.1  创建系统对象 48

2.7.2  动态系统绘图 51

2.7.3  系统分析 52

2.8  基础编程知识 52

2.8.1  Maple的系统结构 52

2.8.2  数据结构 53

2.8.3  语句 55

2.8.4  过程（Procedure） 59

2.8.5  模块（Modules） 62

2.8.6  中断计算 63

2.8.7  调试 63

2.8.8  代码生成（CodeGeneration） 66

2.9  Maple使用中常犯的错误 67

第3章  创建模型 70

3.1  MapleSim元件库 70

3.2  模型导航 71

3.3  定义元件之间如何相互作用 72

3.4  定义建模元件属性 73

3.4.1  定义参数单位 73

3.4.2  定义初始条件 74

3.5  创建和管理子系统 74

3.5.1  示例：创建子系统 75

3.5.2  子系统导航 75

3.5.3  添加一个子系统的多个拷贝（copy）到模型中 76

3.5.4  编辑子系统定义和共享子系统 77

3.5.5  使用独立子系统建模 80

3.6  全局和子系统参数 81

3.6.1  全局参数 81

3.6.2  子系统参数 83

3.6.3  创建参数块 84

3.7  附加文件到模型中 86

3.8  创建和管理自定义库 87

3.9  为模型添加注释 88

3.10  输入2-D数学符号 89

3.11  创建一个用于插值表元件的数据集 90

3.12  练习：建立一个模型 91

第4章  创建自定义建模元件 95

4.1  概述 95

4.2  自定义建模元件模板使用介绍 96

4.2.1  建模元件描述区域 96

4.2.2  模型方程区域 96

4.2.3  定义端口区域 97

4.2.4  生成MapleSim自定义建模元件区域 98

4.3  创建一个简单的自定义建模元件 98

4.4  创建具有信号流行为的自定义建模元件 99

4.4.1  创建一个简单的信号流自定义建模元件 99

4.4.2  使用微分方程创建自定义建模元件 101

4.5  创建具有物理连接的自定义建模元件 101

4.6  示例1：非线性弹簧阻尼器元件 103

4.6.1  打开自定义建模元件模板 103

4.6.2  定义建模元件名和方程 103

4.6.3  定义建模元件端口 104

4.6.4  生成自定义建模元件 105

4.7  示例2：磁性球悬浮系统 105

4.7.1  创建子系统 106

4.7.2  参数化建模 107

4.7.3  反馈控制 107

4.7.4  结果显示 108

第5章  模型仿真和可视化 109

5.1  MapleSim如何进行模型仿真 109

5.2  对模型运行仿真 110

5.2.1  仿真和高级仿真设置 111

5.2.2  编辑探针的值 113

5.2.3  存储参数集和对比仿真结果 113

5.3  仿真过程信息 114

5.4  管理仿真结果 114

5.5  自定义仿真结果图形 114

5.6  仿真结果窗口工具栏和菜单 117

5.7  多体模型的可视化 117

5.7.1  三维可视化设置 117

5.7.2  三维工作空间 118

5.7.3  查看和导航三维模型 119

5.7.4  添加三维形状图到三维模型 120

5.7.5  在三维工作空间内建立模型 122

5.7.6  示例：在三维工作空间内建立一个双摆模型 125

5.8  练习：仿真和可视化模型 129

第6章  Maple API和模型分析 130

6.1  概述 130

6.2  提取方程和符号分析 132

6.2.1  使用Equations模板 132

6.2.2  示例：自动生成模型的数学方程 132

6.3  分析线性系统 138

6.4  参数优化 139

6.4.1  使用Optimization模板 139

6.4.2  示例：使用调谐质量阻尼器控制地板的振动 140

6.5  信号处理与振动分析 143

6.5.1  离散傅里叶变换 143

6.5.2  传动系统的固有频率 145

6.6  控制设计工具箱的使用 148

6.6.1  使用MapleSim控制设计模板 148

6.6.2  示例：直流电机 149

第7章  MapleSim建模实践 151

7.1  添加一个变速箱到直流电机模型 151

7.2  缆索牵力控制器建模 155

7.3  非线性阻尼器建模 158

7.4  多体机械系统建模 162

7.4.1  三维建模工作区 162

7.4.2  常用多体建模元件介绍 163

7.4.3  平面曲柄滑块机构建模 166

7.5  使用自定义建模元件模板 170

7.5.1  使用自定义建模元件模板：创建一个热敏电阻 170

7.5.2 在自定义建模元件模板中使用Maple函数 173

7.6  高级建模练习：受控机械臂建模 176

7.6.1  多体机构建模 176

7.6.2  创建一个自定义元件 178

7.6.3  完成模型和构建一个控制器 180

7.6.4  创建自定义仿真结果图 182

7.6.5  使用Maple模板分析MapleSim模型 183

7.7  高级建模练习：简单的EV电动汽车建模 185

第8章  MapleSim代码生成 189

8.1  MapleSim模型输出为独立的C代码，集成到VC++项目中 189

8.1.1  MapleSim模型 189

8.1.2  使用MapleSim内置的code generation template输出C代码 190

8.1.3  在VC++中创建一个新的项目 193

8.1.4  添加MapleSim生成的C代码到项目中 194

8.1.5  运行VC++项目 197

8.2  MapleSim模型输出到Simulink 197

8.2.1  Simulink概述 197

8.2.2  建立Maple与MATLAB/Simulink之间的连接 198

8.2.3  使用 Simulink Block Generation模板 198

8.2.4  打开MapleSim Connector预置的示例 202

8.2.5  输出MapleSim模型 202

8.3  MapleSim模型输出到LabView和NI VerStand 208

8.3.1  概述 208

8.3.2  使用LabVIEW Component Block Generation模板 208

8.3.3  使用LabVIEW Block Generation模板 213

8.3.4  输出MapleSim模型为LabVIEW EMI Block 213

8.4  MapleSim模型输出到dSPACE 216

8.4.1  dSPACE概述 216

8.4.2  使用入门 217

8.4.3  输出子系统到dSPACE 219

参考文献 232

无