系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科建模與聯(lián)合仿真

1、系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科建模與聯(lián)合仿真1.概述1.1.數(shù)字化建模仿真        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(lái)越復(fù)雜，通過(guò)解析的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析的難度逐漸增大。而采用實(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，一方面所需投入較多、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(wú)法滿足要求時(shí)，進(jìn)行更改的成本非常高。即使這些問(wèn)題都能夠解決，實(shí)驗(yàn)方法還要面對(duì)某些工況下實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的危險(xiǎn)和破壞、實(shí)驗(yàn)環(huán)境不一致、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性等諸多問(wèn)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，通過(guò)數(shù)字化建模仿真的方式對(duì)產(chǎn)品的方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，可以顯著縮

2、短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、完善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)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(lái)越緊密。當(dāng)對(duì)產(chǎn)品的一各組成部分獨(dú)立建模時(shí)，需要建立其邊界條件。但由于該部分與其他部分錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合關(guān)系及其他部分外特性的復(fù)雜性，邊界條件難以采用簡(jiǎn)答的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行描述，而是需要詳細(xì)的建模，如此類推，對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)字化分析需要系統(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緊密配合才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)特點(diǎn)也自然地導(dǎo)致了系統(tǒng)級(jí)建模的必要性。        以飛機(jī)機(jī)電

3、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(lái)越緊密。例如在綜合能量管理系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)能量高效利用的目的，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，通過(guò)供-配-用電網(wǎng)絡(luò)，機(jī)電系統(tǒng)之間的聯(lián)系變得更為緊密。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)域部件構(gòu)成的產(chǎn)品越來(lái)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)域研究成果、涉及多個(gè)學(xué)科的產(chǎn)品。 圖2飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng) 

4、       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.聯(lián)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)行仿真驗(yàn)證時(shí)，需要把各部分模型進(jìn)行集成，獲得各部分模型之間的耦合關(guān)系，且需要在仿真過(guò)程中保證各部分模型之間能夠進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交互。所以在系統(tǒng)級(jí)的多學(xué)科數(shù)字化建模之后，還需要進(jìn)行聯(lián)合仿真。 2.實(shí)施方案2.1.Modelica建模語(yǔ)言        Modelica

5、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)初衷就是為了解決涉及多個(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(wú)因果特點(diǎn)大大簡(jiǎn)化了模型開(kāi)發(fā)的難度，且Modelica協(xié)會(huì)提供了針對(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)自己的特殊應(yīng)用，通過(guò)繼承、修改等方式形成具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模型甚至模型庫(kù)。圖3Modelica基礎(chǔ)模型庫(kù)2.2.Dymola建模仿真平臺(tái)        Dymola軟件是法國(guó)達(dá)索公司專業(yè)的多學(xué)

6、科系統(tǒng)仿真工具，基于開(kāi)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等成員公司開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的眾多不同行業(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)用提供了極大的便利性。圖4Dymola商業(yè)庫(kù)及應(yīng)用        基于Dymola的模型庫(kù)，可以搭建完整的飛機(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)        Dymo

7、la提供了多種高效、穩(wěn)定的DAE求解器，具有自適應(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)離散混合系統(tǒng)、帶有高頻、沖擊的系統(tǒng)等，能夠保證包含液壓、電力、多剛體、狀態(tài)機(jī)、控制等多領(lǐng)域方程系統(tǒng)求解的收斂性和穩(wěn)健性。2.3.基于FMI+TISC的聯(lián)合仿真        在多學(xué)科建模工具Dymola中，可以高效地建立各子系統(tǒng)的模型并進(jìn)行聯(lián)合仿真，但鑒于工作習(xí)慣等原因，多數(shù)領(lǐng)域的工程師會(huì)選擇繼續(xù)使用慣用的軟件進(jìn)行建模，不同領(lǐng)域的建模軟件亦不同。如此，在進(jìn)行模型集成和聯(lián)合仿真時(shí)會(huì)遇到數(shù)據(jù)接口的問(wèn)題。如果針對(duì)任意

8、兩個(gè)軟件開(kāi)發(fā)專用的接口，則會(huì)引入巨大的工作量，而對(duì)于使用者也比較混亂。另一個(gè)方面，很多模型都包含了大量的研究成果，出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，有些部門或供應(yīng)商可能不愿意提供白盒模型。        為了解決上述問(wèn)題，歐洲Modelisar協(xié)會(huì)提出了Functional Mock-up Interface（FMI）。FMI是開(kāi)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(kāi)發(fā)接口，將所建立的模型封裝為Functional Mock-up Unit（FMU），實(shí)現(xiàn)與其他軟件所建立模型的交互和聯(lián)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)。

9、0;       目前有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，且難以存儲(chǔ)于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，則需要進(jìn)行分布式的聯(lián)合仿真。為解決上述問(wèn)題，引入分布式聯(lián)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)模型之間的聯(lián)合仿真。   (a)原理                                    

10、;                                                  (b)目前支持的軟件圖 6  分布式聯(lián)合仿真平臺(tái)TISC         該平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)模型之前的數(shù)據(jù)交互，支持多個(gè)領(lǐng)域的多種建模仿真工具，且具有FMU Controller，

11、支持基于FMU的聯(lián)合仿真。        基于FMI+TISC，可以為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模仿真提供完整的解決方案，如圖7所示。圖7基于FMI+TISC的復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)合仿真2.4.模型開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)級(jí)建模仿真        基于Dymola、PROOSIS、Simulink等建模工具，恒潤(rùn)可以提供定制化的建模仿真服務(wù)。圖8基于Dymola建立的環(huán)控系統(tǒng)模型        基于Dymola，可建立基本管路、分叉流管路、匯流、流阻、限流環(huán)、電動(dòng)活門、流量控制活門、混合腔、駕駛艙、客艙、電動(dòng)

12、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、水分離器等模型，搭建整個(gè)環(huán)控系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真（圖8），用于環(huán)控系統(tǒng)方案驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，壓力控制器、溫度控制器控制策略的驗(yàn)證和優(yōu)化。圖9基于Dymola建立的燃油系統(tǒng)模型        基于Dymola，建立飛行環(huán)境、燃油、流體邊界、流阻、管道、定量泵、引射泵、活門、開(kāi)口油箱、閉口油箱、燃油換熱器、傳感器等元件模型，搭建完整的燃油系統(tǒng)模型（圖9），結(jié)合控制器模型，考慮熱管理，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)的工作狀況，并對(duì)油溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 圖10基于PROO

13、SIS建立的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型圖11PROOSIS發(fā)動(dòng)機(jī)模型與Simulink聯(lián)合仿真        基于PROOSIS航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件建立某渦扇發(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)性能的聯(lián)合仿真（圖11）。圖12虛擬鐵鳥(niǎo)        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)，通過(guò)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)，通過(guò)FMI/FMU接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Dymola、PROOSIS、AMESim、

14、Simulink等多學(xué)科模型之間的聯(lián)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(wèn)題（圖12）。 3.優(yōu)勢(shì) Modelica語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)如下：（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罂醋鳛橛糜谔幚韽?fù)雜大系統(tǒng)描述的一種模型組織概念，強(qiáng)調(diào)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)，支持采用分層機(jī)制、組件連接機(jī)制和繼承機(jī)制構(gòu)建 Modelica 模型。（2）非因果建模：Modelica采用了數(shù)學(xué)方程而非賦值語(yǔ)句來(lái)定義類。因?yàn)榉匠瘫旧砭哂嘘愂鍪椒且蚬匦?，所以聲明方程中未限定方程的求解方向，這樣的好處在于可以根據(jù)需要

15、選擇求解不同的變量，這使得基于Modelica的模型具有很強(qiáng)的重用性，同時(shí)也減輕了編程人員的工作量。因此Modelica語(yǔ)言建立的模型可直接用于正向或逆向分析，只需要設(shè)置不同的邊界條件，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根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織構(gòu)建仿真模型，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。采用這種方式構(gòu)建的物理系統(tǒng)的 Modelica 模型有著與實(shí)際系統(tǒng)類似的層次結(jié)構(gòu)（4）連續(xù)混合系統(tǒng)建模： Modelica 使用DAE 來(lái)描述

16、連續(xù)時(shí)變系統(tǒng)，采用有限自動(dòng)機(jī)、Petr i網(wǎng)、狀態(tài)表、分段函數(shù)表、DEVS和差分方程對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行描述，。Modelica語(yǔ)言允許混合使用微分、代數(shù)方程和離散方程對(duì)對(duì)象的行為進(jìn)行描述。（5）多領(lǐng)域統(tǒng)一建模：基于物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)表示的內(nèi)在一致性，并通過(guò)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)模型中包含來(lái)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實(shí)現(xiàn)連接，而不同領(lǐng)域的組件之間的交互則通過(guò)特定的領(lǐng)域連接轉(zhuǎn)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建模仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)如下：（1）Dymola中的模型基于開(kāi)源的面向物理對(duì)象的Mod

17、elica語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，繼承Modelica語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，可以直接查看每個(gè)元件的源代碼以檢查模型建立所涉及的理論，并且可以根據(jù)用戶自身的特殊需求通過(guò)繼承、修改源代碼形成具有自主知識(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)發(fā)布的最新版本保持同步，為客戶提供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)域的最新研究成果。（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，為客戶提供具有國(guó)際領(lǐng)先水平、經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的專業(yè)模型庫(kù)，涵蓋空調(diào)系統(tǒng)、蒸

18、汽循環(huán)系統(tǒng)、換熱器、液冷系統(tǒng)、電力系統(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)提供全面、有力的支撐。（4）Dymola提供了模型標(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)的建模和驗(yàn)證更為便捷。基于優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，可以對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)掃描分析、參數(shù)攝動(dòng)分析、蒙特卡洛分析等操作。（5）Dymola具備Simulink接口，可以方便地進(jìn)行與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。且完美支持FMI技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)Model Exchange和Co-Simulation兩種方式的FMU導(dǎo)入和導(dǎo)出，以實(shí)現(xiàn)不

19、同建模工具之間、不同機(jī)電分系統(tǒng)間的聯(lián)合仿真。（6）Dymola支持模型替換、版本管理等功能，可以有效地處理系統(tǒng)構(gòu)架相關(guān)的工作，支持狀態(tài)機(jī)與物理系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。（7）Dymola與Catia V6平臺(tái)完全兼容，Catia建立的模型，可以直接導(dǎo)入Dymola進(jìn)行多體動(dòng)力分析，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)。通過(guò)Dymola，使得Catia v6能夠支持機(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)聯(lián)，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(guò)程。（8）Dymola提供C代碼輸出功能，Dymola所建立的模型，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可用于硬件在環(huán)仿真

20、，支持A&D、NI、DSpace、xPC Target、HiGale等多種類型的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。（9）Dymola針對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，提供了高效而穩(wěn)健的算法，以確保針對(duì)非線性系統(tǒng)、剛性系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)求解的收斂性和穩(wěn)健性。（10）Dymola求解時(shí)首先進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算，平臺(tái)自動(dòng)對(duì)方程進(jìn)行縮減，產(chǎn)生高效的程序代碼，并提高求解的穩(wěn)定性。這一技術(shù)與特殊的數(shù)值求解器相配合可以確保模型的實(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。并能夠在聯(lián)合仿真中對(duì)仿真時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)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)如下：（1）獨(dú)立于軟件的第三方標(biāo)準(zhǔn)接口，是一個(gè)開(kāi)放的、免費(fèi)

21、的標(biāo)準(zhǔn)，任何軟件都可以基于協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所建立的模型進(jìn)行封裝，并能夠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)模型中包含的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。（4）FMU中動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的生成只與模型本身有關(guān)，而不需要考慮其求解器。（5）FMU中沒(méi)有宏定義，代碼簡(jiǎn)單，軟件支持比較容易進(jìn)行。TISC的優(yōu)勢(shì)如下：（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)微的修改，即可實(shí)現(xiàn)多工具的聯(lián)合仿真，各降低集成難度，充分利用現(xiàn)有的模型。（2）通過(guò)客戶端-服務(wù)器的模式實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，可在服務(wù)器端對(duì)整個(gè)聯(lián)合仿真過(guò)程進(jìn)行配置和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)聯(lián)合仿真過(guò)程的控制。（3）采用這種機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)分布式的聯(lián)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，也可以有效的進(jìn)行知識(shí)