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Junruoyu-Zheng / Ligral

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Junruoyu-Zheng authored 2021-01-05 15:04 . mod: update year to 2021

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“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”如果您刚刚开始了解这个项目,还没有看过快速开始的话,建议您先按照快速开始安装 ligral 并试着运行。Ligral 的语法和常见语言(C 和从 C 衍生出来语言,包括 Java、python 等等,函数式语言,SQL 语言,modelica 语言等等)的语法均不同,需要实操才能理解和熟悉。

正式开始熟悉 ligral 的用法之前,先了解 ligral 的目标似乎很有必要。您可能需要知道 ligral 是用来解决什么问题的,它具体做的是什么事。接着,如果您先前已经在使用另一款工具做着相同的事,您可能还感兴趣 ligral 提出了什么新思路,解决了什么痛点,具备哪些优势,而又可能带来哪些劣势。

Ligral 的目标

Ligral 这个概念同时指代 ligral 语言及其解释器/编译器(目前仅实现了解释器)。

对于 ligral 语言,它的目标是简洁高效地描述仿真模型。如果您用 C 语言来描述模型,您可能关注的是算法;如果您用 modelica 语言来描述模型,您可能关注的是公式;而如果您用 ligral 语言来描述模型,您可能关注的是结构,正如您使用 Simulink 来描述仿真模型时一样。

我们不得不承认,在描述仿真模型时,对比 C 语言甚至 modelica 语言,Simulink 是更加高效的。一方面,Simulink 之间描述了模块之间的连接关系,而不是背后的逻辑关系。另一方面,图形化界面也让这种关系更加直观。而 ligral 语言描述的也正是模块之间的连接关系,同时,它也通过文本的形式尽可能地还原图形界面的直观。

所以 ligral 语言所做的事就是:

  • 定义、声明、描述模块;
  • 描述模块之间的连接关系;从而
  • 描述整个仿真模型。

最终,ligral 语言所能提供的就是两个函数:

\dot{x}=f(x,u,t)\\
y=g(x,u,t)

有了这两个函数,求解器自己维护一个状态列表,就可以根据输入计算输出,从而完成仿真。

而 ligral 解释器/编译器所实现的,除了解析 ligral 语言之外,更重要的就是提供了一系列的求解器(目前仅有定步长欧拉求解器),能求解 ligral 语言所描述的仿真问题。与此同时,ligral 还提供了一系列工具箱,用以处理输入输出的数据传输。

Ligral 的优势

Ligral 区别于市面上常见的仿真工具,最大的不同就在于它本身是一个文本语言,但是又具备图形语言的直观性。表示模块之间的连接时,ligral 并不像 modelica 那样使用一个connect函数(modelica 这么做是为了让语言更强大,能表示更多的逻辑),而是用->符号模拟图形语言中的箭头,从而让用户很直观地看出模块之间的关系。

Ligral 在可读性和简洁性的设计上进行了一番革新。除了上面说的箭头符号之外,ligral 还引入了“声明 - 引用”系统,作为一个内建的功能,而非像 Simulink 中一样用模块来实现。这让模块的声明和引用变得十分简单高效。允许模块先声明后引用,也极大程度地保证了连接图部分的简洁与清晰。此外,Ligral 传参的语法参考了 JSON,这让传参变得简单。

文本语言经过长年的发展,语法高亮、智能语法提示(尚待开发)等技术以及大大降低文本语言的门槛,在编码速度和效率上以及能比肩甚至超越图形语言。没有 GUI 这个负担,ligral 语言甚至可以在直接下位机开发、编写,在本地编译、部署,免去了从上位机下载的麻烦。

Ligral 的另一项重大革新则是引入了面向对象的思想,包括类和对象、接口和继承等等。当您定义了一些模块及其相互连接关系,您实际上定义的是一个部件或者一个系统,这些部件或系统有可能在更大的工程里充当一个节点。这些功能可能是需要复用的,而且可能随着一些参数的改变而略有不同。因此,ligral 提供了“路由”这一概念,这对等于 C++ 等面向对象的语言中的类。类似地,您可以从这些“类”(也就是路由)声明他们的实例,并传入参数。Simulink 中虽然也有 Reference Model 等可以复用逻辑的功能,但是最常用的 Subsystem 并没有类的概念,您改动一个(复制粘贴得到的)副本之后其他副本并不会改动。

而接口的思想更是 ligral 所独有的。在仿真中,您可能发现有一些部件经常需要更换,比如您设计了一系列控制器,想要应用到同样的模型上,或者有很多被控对象,需要检验控制器的鲁棒性,被控对象和控制器之间的接口可能是固定的。如对控制器而言,系统状态作为输入,控制信号作为输出,被控对象则相反。那么,您可以针对这些输入输出设计接口,让控制器和被控对象分别继承各自的接口,这样它们之间的相互替换就是安全的。Ligral 提供了“签名”这一概念,这对等于 C#、Java 等面向对象的语言中的接口,也和函数的签名有共通之处。之所以区别于“接口”,是因为在 C#、Java 中,一个类能继承多个接口;而在 ligral 中,一个路由只能有一个签名,签名声明了该路由的所有接口。

在设计更大的仿真对象时,接口的概念尤为重要。比如您在设计汽车整车模型时,您可能会为发动机、悬架、离合器等等大的部件设计接口,通过这些接口把整车级和系统级的逻辑分离,从而降低代码的耦合性,让仿真模型变得清晰明了,避免了混乱和隐蔽的错误。后期进行技术升级时,就可以通过接口用新的部件替换旧的部件。

综上所述,ligral 作为仿真语言中的新生力量,具备了许多传统语言不可比拟的优势。当然,ligral 目前肯定还存在不少劣势,比如开发不完全,生态不足等等。但我们坚信 ligral 会有一个光明的未来。为何不从现在开始了解它呢?

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