如何在 Modelica 模型中使用单位属性？

Question

动机

Modelica 确实将测量单位（例如 SI 单位和非 SI 单位）存储为变量的属性。以下是非 SI 单位的示例：

type Time_months = Real( quantity = "Time", unit = "mo", displayUnit = "months" )

因为对于经济学模型来说，以秒为单位给出汇率会很尴尬，我想写一个相当通用的单位转换函数，允许转换时间单位。所以理想情况下，转换为另一个时基的函数应该使用三个输入和一个输出：

input Real timeValue "the value of time to be converted";
input String timeBaseA "the time base for timeValue, e.g. \"mo\" ";
input String timeBaseB "the time base to convert to, e.g. \"yr\" ";
output Real convertedTimeValue "the result of the conversion";

问题

如果我们假设某个时间值的变量已经具有特定的单位属性（例如 "mo"），那么在模型。

问题 1：如何在模型中访问像 unit 这样的元信息？

理想情况下像下面这样的东西会很棒：

String timeBaseA := timeValue.unit;

或

String timeBaseA := getUnit( timeValue ) "some function to read unit information";

问题2：unit这样的元信息如何在函数内赋值？

在示例中，我们当然希望 return output 值具有正确的 unit 时间。所以理想情况下我们希望：

output Real convertedTime( quantity = "Time", unit = strTimeBaseB )

不幸的是，使用 input 会产生错误，因为可变性不同：unit 属性应具有 恒定可变性 但输入变量具有 参数可变性 。（使用函数 - 这会很好 - 也会因同样的原因而失败。）

Answer 1

关于问题 1：

我从未使用过 Wolfram SystemModeler，但 Modelica 语言规范 3.4 在第 4.8 章（预定义类型和类）中说：

The attributes of the predefined variable types (Real, Integer, Boolean, String) ... cannot be accessed using dot notation, and are not constrained by equations and algorithm sections.

关于问题 2：

我认为只有在从文字或最终参数声明时才能定义变量的单位 - 至少这是我在 Dymola 中观察到的。

备选方案 - 使用操作员记录

您可以将操作员记录用于您的任务。这将允许您以秒为单位存储时间，并在使用该值时将其转换为任何需要的时间。

运算符记录允许您定义多个函数来创建它们、比较或添加它们、转换为字符串等。

参见下面的简短示例，其中定义了一个运算符记录时间，它可以用秒或天的两个不同的构造函数创建，并且可以转换为带有天的字符串或秒

operator record Time
  Integer s "Second";

  encapsulated operator 'constructor'
    import Time;

    function from_s
      input Integer s "Seconds";
      output Time t(s=s);
    algorithm 
    end from_s;

    function from_d
      input Integer d "Days";
      output Time t(s=d*24*3600);
    algorithm 
    end from_d;
  end 'constructor';

  encapsulated operator 'String' "Convert Time to string"
    import Time;

    function formated
      input Time t;
      input String format = "s" annotation(choices(choice="s" "seconds", choice="d" "days"));
      output String str;

    algorithm 
      if format == "d" then
        str :=String(t.s/24/3600);
      else
        str :=String(t.s);
      end if;
    end formated;
  end 'String';

  encapsulated operator function '==' "Compare time records"
    import Time;
    input Time t1;
    input Time t2;
    output Boolean result "= t1 == t2";
  algorithm 
    result := t1.s == t2.s;
  end '==';

end Time;

用法：

import Modelica.Utilities.Streams.print

t1 = Time(d=12)  // create record using day constructor
t2 = Time(s=3600*24*2)  // create record using second constructor

print(String(t1, format="s"))  // prints 1036800
print(String(t1, format="d"))  // prints 12
print(String(t2, format="s"))  // prints 172800
print(String(t2, format="d"))  // prints 2

有关详细信息，请参阅 Modelica 规范 3.4 第 14 章“重载运算符”。

注意：这是使用 Dymola 2019 测试的，而不是 Wolfram SystemModeler

Answer 2

在 Modelica 中，通常每个变量都是根据 SI 单位计算的。然后你有 displayUnits 以不同的单位绘制它们（不影响实际计算）。

我不知道 SystemModeler，但在 Dymola 中，unit（计算）和 displayUnit（仅用于绘图）之间的转换由预定义脚本处理（ displayUnit.mos)。它可以由用户扩展以包含自定义显示单元。与时间相关的显示单位代码如下所示。除了预定义的之外，我将它扩展为有一周 (w)。

// Syntax:
// defineUnitConversion(<unit>, <derived unit>, <scale>, <opt. offset>);

// Time
defineUnitConversion("s", "ms", 1000);
defineUnitConversion("s", "min", 1/60);
defineUnitConversion("s", "h", 1/3600);
defineUnitConversion("s", "d", 1/86400);
defineUnitConversion("s", "w", 1/604800);

然后可以在绘图中手动选择或通过 Modelica.SIunits.Time t(displayUnit = "w") = ...;

作为默认“显示单元”

缺点是，此扩展必须在安装目录中的文件中完成。所以在重新安装工具后或使用不同的计算机时，必须再次更改它。

如果有数字原因不能在几秒钟内计算出解决方案（例如，因为值会变大），解决方案将是 nominal 属性，它可以缩放变量。

顺便说一句：我认为月份不是一个很好的时间单位，因为它们可能有 28 到 31 天。这就是我在示例中选择周的原因。

Answer 3

您可以像在 MSL 中那样使用转换，例如具有签名的函数 Modelica.SIunits.Conversions.to_degC：

function to_degC
  input Temperature Kelvin "Kelvin value";
  output NonSIunits.Temperature_degC Celsius "Celsius value";
end to_degC;

这行得通，但是您需要为每个要转换的单位使用一个这样的函数（这就是为什么大多数计算都使用 SI 单位完成的原因）。

如何在 Modelica 模型中使用单位属性？

How to make use of the unit attribute within a model in Modelica?

modelica

systemmodeler

动机

问题

关于问题 1：

关于问题 2：

备选方案 - 使用操作员记录