系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科建模聯(lián)合仿真

1、系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科建模與結(jié)合仿真1.歸納1.1.數(shù)字化建模擬真在技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)品功能越來越復(fù)雜，經(jīng)過解析的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行解析的難度逐漸增大。而采納實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研究則需要物理樣機(jī)，對(duì)于這種方法，一方面所需投入很多、時(shí)間周期較長(zhǎng)，另一方面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)樣機(jī)在某些功能和性能層面無法滿足要求時(shí)，進(jìn)行更正的成本特別高。即使這些問題都可以解決，實(shí)驗(yàn)方法還要面對(duì)某些工況下實(shí)驗(yàn)帶來的危險(xiǎn)和破壞、實(shí)驗(yàn)環(huán)境不一致、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失散性等諸多問題。此種情況下，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，借助于專業(yè)的軟件，經(jīng)過數(shù)字化建模擬真的方式對(duì)產(chǎn)品的方案進(jìn)行考據(jù)和優(yōu)化，可以顯然縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、完滿產(chǎn)質(zhì)量量，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)

2、爭(zhēng)力。1.2.系統(tǒng)級(jí)建模隨著產(chǎn)品組成、功能的復(fù)雜化，部件各部分之間的耦合關(guān)系越來越親密。當(dāng)對(duì)產(chǎn)品的一各組成部分獨(dú)立建模時(shí)，需要成立其界線條件。但由于該部分與其他部分千頭萬(wàn)緒的耦合關(guān)系及其他部分外特點(diǎn)的復(fù)雜性，界線條件難以采納簡(jiǎn)答的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行描述，而是需要詳細(xì)的建模，這樣類推，對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)字化解析需要系統(tǒng)級(jí)的建模。另一個(gè)方面，當(dāng)前產(chǎn)品的多數(shù)功能都需要各部分之間親密配合才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)特點(diǎn)也自然地以致了系統(tǒng)級(jí)建模的必要性。以飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)電綜合為例，在機(jī)電綜合的背景下，在功能、能量、控制和物理的層面，燃油、環(huán)控、液壓、電氣系統(tǒng)之間的管理越來越親密。比方在綜合能量管理系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)能量高效利用的目

3、的，環(huán)控、燃油、滑油、液壓、電氣、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，如圖1所示。在多電飛機(jī)架構(gòu)中，經(jīng)過供-配-用電網(wǎng)絡(luò)，機(jī)電系統(tǒng)之間的聯(lián)系變得更加親密。精選文庫(kù)圖1飛機(jī)綜合能量管理系統(tǒng)1.3.多學(xué)科建模隨著機(jī)-電-液-控一體化的高速發(fā)展，由單一領(lǐng)域部件組成的產(chǎn)品越來越少，取而代之的是綜合利用機(jī)械、電、磁、液壓和控制等諸多領(lǐng)域研究成就、涉及多個(gè)學(xué)科的產(chǎn)品。圖2飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)所涉及的學(xué)科如圖2所示，每個(gè)機(jī)電子系統(tǒng)都涉及多個(gè)學(xué)科，這種特點(diǎn)使得系統(tǒng)級(jí)建模必然涉及多個(gè)學(xué)科。1.4.結(jié)合仿真多數(shù)情況下，產(chǎn)品的研發(fā)需要多個(gè)部門配合工作，而當(dāng)需要對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行仿真考據(jù)時(shí)，需要把各部分模型進(jìn)行集成，獲得各部分模型

4、之間的耦合關(guān)系，且需要在仿真過程中保證各部分模型之間可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交互。因此在系統(tǒng)級(jí)的多學(xué)科數(shù)字化建模此后，還需要進(jìn)行結(jié)合仿真。-2精選文庫(kù)2.推行方案建模語(yǔ)言Modelica語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮亩鄬W(xué)科建模語(yǔ)言，其設(shè)計(jì)初衷就是為認(rèn)識(shí)決涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的、復(fù)雜系統(tǒng)建模，是一種面向工程應(yīng)用的建模語(yǔ)言。Modelica語(yǔ)言基于方程的建模方式和無因果特點(diǎn)大大簡(jiǎn)化了模型開發(fā)的難度，且Modelica協(xié)會(huì)供應(yīng)了針對(duì)機(jī)械、流體、控制、電磁、電氣等多個(gè)工程領(lǐng)域的免費(fèi)模型庫(kù)（圖3）。使用者可方便地基于這些模型庫(kù)中的已有元器件模型，搭建自己的系統(tǒng)模型，且可以針對(duì)自己的特別應(yīng)用，經(jīng)過繼承、更正等方式形成擁有知識(shí)

5、產(chǎn)權(quán)的模型甚至模型庫(kù)。圖3Modelica基礎(chǔ)模型庫(kù)建模擬真平臺(tái)Dymola軟件是法國(guó)達(dá)索企業(yè)專業(yè)的多學(xué)科系統(tǒng)仿真工具，基于開源的Modelica語(yǔ)言進(jìn)行建模，支持最新版本的Modelica基礎(chǔ)模型庫(kù)，且擁有由DLR（德國(guó)宇航局）、Modelon、Claytex、ATI等成員企業(yè)開發(fā)并經(jīng)過工業(yè)考據(jù)的眾多不相同行業(yè)的專業(yè)庫(kù)，如電機(jī)、多體動(dòng)力學(xué)、電氣、熱力學(xué)、液壓、氣動(dòng)和控制等專業(yè)元件庫(kù)，為機(jī)械、電氣、液壓等多領(lǐng)域的應(yīng)用供應(yīng)了極大的便利性。-3精選文庫(kù)圖4Dymola商業(yè)庫(kù)及應(yīng)用基于Dymola的模型庫(kù)，可以搭建完滿的飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)模型，如圖5所示。圖5基于Dymola搭建飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)Dymola供

6、應(yīng)了多種高效、牢固的DAE求解器，擁有自適應(yīng)步長(zhǎng)、自動(dòng)調(diào)整求解器階數(shù)等特點(diǎn)，適用于涉及多種方程種類的系統(tǒng)求解，包括非線性系統(tǒng)、剛性系統(tǒng)、連續(xù)失散混雜系統(tǒng)、帶有高頻、沖擊的系統(tǒng)等，可以保證包括液壓、電力、多剛體、狀態(tài)機(jī)、控制等多領(lǐng)域方程系統(tǒng)求解的收斂性和莊重性。2.3.基于FMI+TISC的結(jié)合仿真-4精選文庫(kù)在多學(xué)科建模工具Dymola中，可以高效地成立各子系統(tǒng)的模型并進(jìn)行結(jié)合仿真，但基于工作習(xí)慣等原因，多數(shù)領(lǐng)域的工程師會(huì)選擇連續(xù)使用慣用的軟件進(jìn)行建模，不相同領(lǐng)域的建模軟件亦不相同。這樣，在進(jìn)行模型集成和結(jié)合仿真時(shí)會(huì)遇到數(shù)據(jù)接口的問題。若是針對(duì)任意兩個(gè)軟件開發(fā)專用的接口，則會(huì)引入巨大的工作量，

7、而對(duì)于使用者也比較凌亂。另一個(gè)方面，很多模型都包括了大量的研究成就，出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，有些部門或供應(yīng)商可能不愿意供應(yīng)白盒模型。為認(rèn)識(shí)決上述問題，歐洲Modelisar協(xié)會(huì)提出了FunctionalMock-upInterface（FMI）。FMI是開放的第三方標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，任何軟件均可以基于該協(xié)議開發(fā)接口，將所成立的模型封裝為FunctionalMock-upUnit（FMU），實(shí)現(xiàn)與其他軟件所成立模型的交互和結(jié)合仿真。而且FMU是黑盒模型，有助于保護(hù)模型所有者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。當(dāng)前有52個(gè)工程領(lǐng)域常用的商業(yè)軟件支持FMI協(xié)議，但仍有部分軟件未能支持。另一方面，有時(shí)模型分布在各個(gè)研究室，且難以儲(chǔ)

8、藏于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，則需要進(jìn)行分布式的結(jié)合仿真。為解決上述問題，引入分布式結(jié)合仿真平臺(tái)TISC，該軟件同時(shí)支持同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的多個(gè)模型之間的結(jié)合仿真。(a)原理(b)當(dāng)前支持的軟件圖6分布式結(jié)合仿真平臺(tái)TISC該平臺(tái)經(jīng)過以太網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)模型從前的數(shù)據(jù)交互，支持多個(gè)領(lǐng)域的多種建模擬真工具，且擁有FMUController，支持基于FMU的結(jié)合仿真?；贔MI+TISC，可以為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模擬真供應(yīng)完滿的解決方案，如圖7所示。-5精選文庫(kù)圖7基于FMI+TISC的復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)合仿真2.4.模型開發(fā)與系統(tǒng)級(jí)建模擬真基于Dymola、PROOSIS、Simulink等建模工具，恒潤(rùn)可以供應(yīng)定制化的建模

9、擬真服務(wù)。圖8基于Dymola成立的環(huán)控系統(tǒng)模型基于Dymola，可成立基本管路、分叉流管路、匯流、流阻、限流環(huán)、電動(dòng)活門、流量控制活門、混雜腔、駕駛艙、客艙、電動(dòng)風(fēng)扇、渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇、電加熱器、空-空熱交換器、空-液熱交換器、水分別器等模型，搭建整個(gè)環(huán)-6精選文庫(kù)控系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真（圖8），用于環(huán)控系統(tǒng)方案考據(jù)和參數(shù)優(yōu)化，壓力控制器、溫度控制器控制策略的考據(jù)和優(yōu)化。圖9基于Dymola成立的燃油系統(tǒng)模型基于Dymola，成立翱翔環(huán)境、燃油、流體界線、流阻、管道、定量泵、引射泵、活門、張口油箱、閉口油箱、燃油換熱器、傳感器等元件模型，搭建完滿的燃油系統(tǒng)模型（圖9），結(jié)合控制器模型，考慮

10、熱管理，對(duì)供油和輸油的工況進(jìn)行仿真，模擬各種工況下，燃油系統(tǒng)的工作情況，并對(duì)油溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖10基于PROOSIS成立的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型-7精選文庫(kù)圖11PROOSIS發(fā)動(dòng)機(jī)模型與Simulink結(jié)合仿真基于PROOSIS航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件成立某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能仿真模型（圖10），并下載到Simulink中實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的結(jié)合仿真（圖11）。圖12虛假鐵鳥基于Dymola搭建環(huán)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、二動(dòng)力系統(tǒng)，經(jīng)過AMESim搭建液壓系統(tǒng)，基于PROOSIS搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型，并基于Simulink搭建控制系統(tǒng)，經(jīng)過FMI/FMU接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Dymola、PROOSIS、AME

11、Sim、-8精選文庫(kù)Simulink等多學(xué)科模型之間的結(jié)合仿真，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)電綜合性能模擬，并用于研究機(jī)電綜合下各個(gè)子系統(tǒng)之間的交聯(lián)問題（圖12）。3.優(yōu)勢(shì)Modelica語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)以下：1）面向?qū)ο螅篗odelica是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言，它將面向?qū)ο罂醋鳛橛糜谵k理復(fù)雜大系統(tǒng)描述的一種模型組織看法，重申陳述式描述和模型的重用。它以類為中心組織和封裝數(shù)據(jù)，支持采納分層體系、組件連接體系和繼承體系成立Modelica模型。2）非因果建模：Modelica采納了數(shù)學(xué)方程而非賦值語(yǔ)句來定義類。由于方程自己擁有陳述式非因果特點(diǎn)，因此聲明方程中未限制方程的求解方向，這樣的好處在于可以依照需要選擇求解不相

12、同的變量，這使得基于Modelica的模型擁有很強(qiáng)的重用性，同時(shí)也減少了編程人員的工作量。因此Modelica語(yǔ)言成立的模型可直接用于正向或逆向解析，只需要設(shè)置不相同的界線條件，從而大大提高了模型的復(fù)用性；3）陳述式物理建模：Modelica語(yǔ)言采納了陳述式設(shè)計(jì)思想，其軟件組件模型支持依照實(shí)質(zhì)系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織成立仿真模型，即陳述式物理建模。物理元件對(duì)應(yīng)模型的一個(gè)組件，物理元件之間的真實(shí)的物理連接對(duì)應(yīng)于組件連接圖中模型組件之間的邏輯連接。采納這種方式成立的物理系統(tǒng)的Modelica模型有著與實(shí)質(zhì)系統(tǒng)近似的層次結(jié)構(gòu)4）連續(xù)混雜系統(tǒng)建模：Modelica使用DAE來描述連續(xù)時(shí)變系統(tǒng)，采納有限自

13、動(dòng)機(jī)、Petri網(wǎng)、狀態(tài)表、分段函數(shù)表、DEVS和差分方程對(duì)失散系統(tǒng)進(jìn)行描述，。Modelica語(yǔ)言贊同混雜使用微分、代數(shù)方程和失散方程對(duì)對(duì)象的行為進(jìn)行描述。5）多領(lǐng)域一致建模：基于物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)表示的內(nèi)在一致性，并經(jīng)過包括流變量和勢(shì)變量的標(biāo)準(zhǔn)接口定義和連接器定義，Modelica支持在一個(gè)模型中包括來自多個(gè)領(lǐng)域的模型組件，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模。相同領(lǐng)域組件之間的通訊借助連接器-9精選文庫(kù)實(shí)現(xiàn)連接，而不相同領(lǐng)域的組件之間的交互則經(jīng)過特定的領(lǐng)域連接變換器實(shí)現(xiàn)。適用于涉及多個(gè)學(xué)科的、復(fù)雜系統(tǒng)的描述。Dymola建模擬真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)以下：1）Dymola中的模型基于開源的面向物理對(duì)象的Modelica語(yǔ)言開發(fā)

14、而成，繼承Modelica語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，可以直接查察每個(gè)元件的源代碼以檢查模型成立所涉及的理論，而且可以依照用戶自己的特別需求經(jīng)過繼承、更正源代碼形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模型和模型庫(kù)。2）Dymola中的Modelica基礎(chǔ)庫(kù)與Modelica協(xié)會(huì)宣布的最新版本保持同步，為客戶供應(yīng)Modelcia協(xié)會(huì)在機(jī)械、流體、電子電氣、電磁、控制、傳熱等多個(gè)工程領(lǐng)域的最新研究成就。3）專業(yè)庫(kù)方面，Dymola與全球范圍內(nèi)各領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)和研究所合作，包括Modelon、DLR、AIT、Claytex等，為客戶供應(yīng)擁有國(guó)際當(dāng)先水平、經(jīng)過工業(yè)考據(jù)的專業(yè)模型庫(kù)，涵蓋空調(diào)系統(tǒng)、蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、換熱器、液冷系統(tǒng)、電力

15、系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、車輛動(dòng)力學(xué)、柔性體、飛機(jī)燃油及環(huán)控、飛控系統(tǒng)、燃料電池、火電、水電等領(lǐng)域，為產(chǎn)品研發(fā)供應(yīng)全面、有力的支撐。4）Dymola供應(yīng)了模型標(biāo)定、模型管理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能模塊，使模型版本管理、加密，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模和考據(jù)更加便利。基于優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，可以對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)掃描解析、參數(shù)攝動(dòng)解析、蒙特卡洛解析等操作。5）Dymola具備Simulink接口，可以方便地進(jìn)行與控制系統(tǒng)的結(jié)合仿真。且圓滿支持FMI技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)ModelExchange和Co-Simulation兩種方式的FMU導(dǎo)入和導(dǎo)出，以實(shí)現(xiàn)不相同建模工具之間、不相同機(jī)電分系統(tǒng)間的結(jié)

16、合仿真。（6）Dymola支持模型代替、版本管理等功能，可以有效地辦理系統(tǒng)構(gòu)架相關(guān)的工作，支持狀態(tài)機(jī)與物理系統(tǒng)的結(jié)合仿真。7）Dymola與CatiaV6平臺(tái)完滿兼容，Catia成立的模型，可以直接導(dǎo)入Dymola進(jìn)行多體動(dòng)力解析，而Dymola模型參數(shù)的變化又可以直接驅(qū)動(dòng)Catia的三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)。經(jīng)過Dymola，使得Catiav6可以支持機(jī)電液一體化建模和仿真，同時(shí)可用于與3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從需求設(shè)計(jì)，到方案設(shè)計(jì)，到詳細(xì)設(shè)計(jì)的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的過程。-10精選文庫(kù)8）Dymola供應(yīng)C代碼輸出功能，Dymola所成立的模型，經(jīng)過簡(jiǎn)化可用于硬件在環(huán)仿真，支持A&D、NI、DSpac

17、e、xPCTarget、HiGale等多各種類的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。9）Dymola針對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，供應(yīng)了高效而莊重的算法，以保證針對(duì)非線性系統(tǒng)、剛性系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)求解的收斂性和莊重性。10）Dymola求解時(shí)第一進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算，平臺(tái)自動(dòng)對(duì)方程進(jìn)行減少，產(chǎn)生高效的程序代碼，并提高求解的牢固性。這一技術(shù)與特其他數(shù)值求解器相當(dāng)合可以保證模型的實(shí)時(shí)性。11）Dymola支持并行計(jì)算，使大系統(tǒng)的求解更加高效。并可以在結(jié)合仿真中對(duì)仿真時(shí)間步進(jìn)步行調(diào)整、對(duì)全局誤差進(jìn)行有效的控制。FMI/FMU的優(yōu)勢(shì)以下：1）獨(dú)立于軟件的第三方標(biāo)準(zhǔn)接口，是一個(gè)開放的、免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)，任何軟件都可以基于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所成立的模型

18、進(jìn)行封裝，并可以讀入其他軟件基于該協(xié)議生成的模型，并進(jìn)行仿真。2）FMU可用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的MIL、SIL和HIL階段。3）FMU是黑盒模型，可以有效地保護(hù)模型中包括的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。4）FMU中動(dòng)向鏈接庫(kù)的生成只與模型自己相關(guān)，而不需要考慮其求解器。5）FMU中沒有宏定義，代碼簡(jiǎn)單，軟件支持比較簡(jiǎn)單進(jìn)行。TISC的優(yōu)勢(shì)以下：1）以模塊化的方式，實(shí)現(xiàn)客戶端的集成，可以在原有模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行細(xì)微的更正，即可實(shí)現(xiàn)多工具的結(jié)合仿真，各降低集成難度，充分利用現(xiàn)有的模型。2）經(jīng)過客戶端-服務(wù)器的模式實(shí)現(xiàn)結(jié)合仿真，可在服務(wù)器端對(duì)整個(gè)結(jié)合仿真過程進(jìn)行配置和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)合仿真過程的控制。3）采納這種體系，可實(shí)現(xiàn)分布式的結(jié)合仿真，各仿真模型可運(yùn)算在自己的機(jī)器上，不用提交到他人手上，既可充分利用計(jì)算資源