系統(tǒng)級多學科建模與聯(lián)合仿真

1、系統(tǒng)級多學科建模與聯(lián)合仿真1.概述1.1.數(shù)字化建模仿真        在技術(shù)的發(fā)展和市場的驅(qū)動下，產(chǎn)品功能越來越復雜，通過解析的方法對產(chǎn)品進行分析的難度逐漸增大。而采用實驗的方法對產(chǎn)品進行研究則需要物理樣機，對于這種方法，一方面所需投入較多、時間周期較長，另一方面，當發(fā)現(xiàn)樣機在某些功能和性能層面無法滿足要求時，進行更改的成本非常高。即使這些問題都能夠解決，實驗方法還要面對某些工況下實驗帶來的危險和破壞、實驗環(huán)境不一致、實驗結(jié)果的離散性等諸多問題。此種情況下，基于計算機技術(shù)，借助于專業(yè)的軟件，通過數(shù)字化建模仿真的方式對產(chǎn)品的方案進行驗證和優(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)品的市場競爭力。1.2.系統(tǒng)級建模        隨著產(chǎn)品組成、功能的復雜化，部件各部分之間的耦合關(guān)系越來越緊密。當對產(chǎn)品的一各組成部分獨立建模時，需要建立其邊界條件。但由于該部分與其他部分錯綜復雜的耦合關(guān)系及其他部分外特性的復雜性，邊界條件難以采用簡答的函數(shù)關(guān)系進行描述，而是需要詳細的建模，如此類推，對于產(chǎn)品的數(shù)字化分析需要系統(tǒng)級的建模。另一個方面，當前產(chǎn)品的多數(shù)功能都需要各部分之間緊密配合才能實現(xiàn)，這個特點也自然地導致了系統(tǒng)級建模的必要性。        以飛機機電

3、系統(tǒng)的機電綜合為例，在機電綜合的背景下，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)之間的管理越來越緊密。例如在綜合能量管理系統(tǒng)中，為實現(xiàn)能量高效利用的目的，環(huán)控、燃油、滑油、液壓、電氣、發(fā)動機等系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，如圖1所示。在多電飛機架構(gòu)中，通過供-配-用電網(wǎng)絡，機電系統(tǒng)之間的聯(lián)系變得更為緊密。圖1飛機綜合能量管理系統(tǒng)1.3.多學科建模        隨著機-電-液-控一體化的高速發(fā)展，由單一領域部件構(gòu)成的產(chǎn)品越來越少，取而代之的是綜合利用機械、電、磁、液壓和控制等諸多領域研究成果、涉及多個學科的產(chǎn)品。 圖2飛機機電系統(tǒng) 

4、       飛機機電系統(tǒng)所涉及的學科如圖2所示，每個機電子系統(tǒng)都涉及多個學科，這種特點使得系統(tǒng)級建模必然涉及多個學科。1.4.聯(lián)合仿真        多數(shù)情況下，產(chǎn)品的研發(fā)需要多個部門配合工作，而當需要對產(chǎn)品功能進行仿真驗證時，需要把各部分模型進行集成，獲得各部分模型之間的耦合關(guān)系，且需要在仿真過程中保證各部分模型之間能夠進行高效的數(shù)據(jù)交互。所以在系統(tǒng)級的多學科數(shù)字化建模之后，還需要進行聯(lián)合仿真。 2.實施方案2.1.Modelica建模語言        Modelica

5、語言是一種面向?qū)ο蟮亩鄬W科建模語言，其設計初衷就是為了解決涉及多個學科領域的、復雜系統(tǒng)建模，是一種面向工程應用的建模語言。Modelica語言基于方程的建模方式和無因果特點大大簡化了模型開發(fā)的難度，且Modelica協(xié)會提供了針對機械、流體、控制、電磁、電氣等多個工程領域的免費模型庫（圖3）。使用者可方便地基于這些模型庫中的已有元器件模型，搭建自己的系統(tǒng)模型，且可以針對自己的特殊應用，通過繼承、修改等方式形成具有知識產(chǎn)權(quán)的模型甚至模型庫。圖3Modelica基礎模型庫2.2.Dymola建模仿真平臺        Dymola軟件是法國達索公司專業(yè)的多學

6、科系統(tǒng)仿真工具，基于開源的Modelica語言進行建模，支持最新版本的Modelica基礎模型庫，且擁有由DLR（德國宇航局）、Modelon、Claytex、ATI等成員公司開發(fā)并經(jīng)過工業(yè)驗證的眾多不同行業(yè)的專業(yè)庫，如電機、多體動力學、電氣、熱力學、液壓、氣動和控制等專業(yè)元件庫，為機械、電氣、液壓等多領域的應用提供了極大的便利性。圖4Dymola商業(yè)庫及應用        基于Dymola的模型庫，可以搭建完整的飛機機電系統(tǒng)模型，如圖5所示。 圖5基于Dymola搭建飛機機電系統(tǒng)        Dymo

7、la提供了多種高效、穩(wěn)定的DAE求解器，具有自適應步長、自動調(diào)整求解器階數(shù)等特點，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、控制等多領域方程系統(tǒng)求解的收斂性和穩(wěn)健性。2.3.基于FMI+TISC的聯(lián)合仿真        在多學科建模工具Dymola中，可以高效地建立各子系統(tǒng)的模型并進行聯(lián)合仿真，但鑒于工作習慣等原因，多數(shù)領域的工程師會選擇繼續(xù)使用慣用的軟件進行建模，不同領域的建模軟件亦不同。如此，在進行模型集成和聯(lián)合仿真時會遇到數(shù)據(jù)接口的問題。如果針對任意

8、兩個軟件開發(fā)專用的接口，則會引入巨大的工作量，而對于使用者也比較混亂。另一個方面，很多模型都包含了大量的研究成果，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護，有些部門或供應商可能不愿意提供白盒模型。        為了解決上述問題，歐洲Modelisar協(xié)會提出了Functional Mock-up Interface（FMI）。FMI是開放的第三方標準接口協(xié)議，任何軟件均可以基于該協(xié)議開發(fā)接口，將所建立的模型封裝為Functional Mock-up Unit（FMU），實現(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，有助于保護模型所有者的知識產(chǎn)權(quán)。

9、0;       目前有52個工程領域常用的商業(yè)軟件支持FMI協(xié)議，但仍有部分軟件未能支持。另一方面，有時模型分布在各個研究室，且難以存儲于同一臺計算機，則需要進行分布式的聯(lián)合仿真。為解決上述問題，引入分布式聯(lián)合仿真平臺TISC，該軟件同時支持同一臺計算機中的多個模型之間的聯(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TISC         該平臺通過以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)模型之前的數(shù)據(jù)交互，支持多個領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，可以為復雜機電系統(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的復雜系統(tǒng)聯(lián)合仿真2.4.模型開發(fā)與系統(tǒng)級建模仿真        基于Dymola、PROOSIS、Simulink等建模工具，恒潤可以提供定制化的建模仿真服務。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)、電動活門、流量控制活門、混合腔、駕駛艙、客艙、電動

12、風扇、渦輪、壓氣機、風扇、電加熱器、空-空熱交換器、空-液熱交換器、水分離器等模型，搭建整個環(huán)控系統(tǒng)的模型并進行仿真（圖8），用于環(huán)控系統(tǒng)方案驗證和參數(shù)優(yōu)化，壓力控制器、溫度控制器控制策略的驗證和優(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，對供油和輸油的工況進行仿真，模擬各種工況下，燃油系統(tǒng)的工作狀況，并對油溫進行監(jiān)測。 圖10基于PROO

13、SIS建立的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機模型圖11PROOSIS發(fā)動機模型與Simulink聯(lián)合仿真        基于PROOSIS航空發(fā)動機性能仿真軟件建立某渦扇發(fā)動機的性能仿真模型（圖10），并下載到Simulink中實現(xiàn)了發(fā)動機性能的聯(lián)合仿真（圖11）。圖12虛擬鐵鳥        基于Dymola搭建環(huán)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、二動力系統(tǒng)，通過AMESim搭建液壓系統(tǒng)，基于PROOSIS搭建發(fā)動機模型，并基于Simulink搭建控制系統(tǒng)，通過FMI/FMU接口技術(shù)，實現(xiàn)Dymola、PROOSIS、AMESim、

14、Simulink等多學科模型之間的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)飛機機電綜合性能模擬，并用于研究機電綜合下各個子系統(tǒng)之間的交聯(lián)問題（圖12）。 3.優(yōu)勢 Modelica語言的優(yōu)勢如下：（1）面向?qū)ο螅篗odelica是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，它將面向?qū)ο罂醋鳛橛糜谔幚韽碗s大系統(tǒng)描述的一種模型組織概念，強調(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)，支持采用分層機制、組件連接機制和繼承機制構(gòu)建 Modelica 模型。（2）非因果建模：Modelica采用了數(shù)學方程而非賦值語句來定義類。因為方程本身具有陳述式非因果特性，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的模型具有很強的重用性，同時也減輕了編程人員的工作量。因此Modelica語言建立的模型可直接用于正向或逆向分析，只需要設置不同的邊界條件，從而大大提高了模型的復用性；（3）陳述式物理建模：Modelica 語言采納了陳述式設計思想，其軟件組件模型支持根據(jù)實際系統(tǒng)的物理拓撲結(jié)構(gòu)組織構(gòu)建仿真模型，即陳述式物理建模。物理元件對應模型的一個組件，物理元件之間的真實的物理連接對應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 來描述

16、連續(xù)時變系統(tǒng)，采用有限自動機、Petr i網(wǎng)、狀態(tài)表、分段函數(shù)表、DEVS和差分方程對離散系統(tǒng)進行描述，。Modelica語言允許混合使用微分、代數(shù)方程和離散方程對對象的行為進行描述。（5）多領域統(tǒng)一建模：基于物理系統(tǒng)數(shù)學表示的內(nèi)在一致性，并通過包括流變量和勢變量的標準接口定義和連接器定義，Modelica 支持在一個模型中包含來自多個領域的模型組件，實現(xiàn)多領域建模。相同領域組件之間的通訊借助連接器實現(xiàn)連接，而不同領域的組件之間的交互則通過特定的領域連接轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。適用于涉及多個學科的、復雜系統(tǒng)的描述。Dymola建模仿真平臺的優(yōu)勢如下：（1）Dymola中的模型基于開源的面向物理對象的Mod

17、elica語言開發(fā)而成，繼承Modelica語言優(yōu)勢的同時，可以直接查看每個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繼承、修改源代碼形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模型和模型庫。 （2）Dymola中的Modelica基礎庫與Modelica協(xié)會發(fā)布的最新版本保持同步，為客戶提供Modelcia協(xié)會在機械、流體、電子電氣、電磁、控制、傳熱等多個工程領域的最新研究成果。（3）專業(yè)庫方面，Dymola與全球范圍內(nèi)各領域的領軍企業(yè)和研究所合作，包括Modelon、DLR、AIT、Claytex等，為客戶提供具有國際領先水平、經(jīng)過工業(yè)驗證的專業(yè)模型庫，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)、氣動系統(tǒng)、智能電機驅(qū)動系統(tǒng)、發(fā)動機、傳動系、車輛動力學、柔性體、飛機燃油及環(huán)控、飛控系統(tǒng)、燃料電池、火電、水電等領域，為產(chǎn)品研發(fā)提供全面、有力的支撐。（4）Dymola提供了模型標定、模型管理、優(yōu)化設計等功能模塊，使模型版本管理、加密，基于實驗數(shù)據(jù)的建模和驗證更為便捷?；趦?yōu)化設計模塊，可以對模型進行參數(shù)掃描分析、參數(shù)攝動分析、蒙特卡洛分析等操作。（5）Dymola具備Simulink接口，可以方便地進行與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。且完美支持FMI技術(shù)，可實現(xiàn)Model Exchange和Co-Simulation兩種方式的FMU導入和導出，以實現(xiàn)不

19、同建模工具之間、不同機電分系統(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)機與物理系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。（7）Dymola與Catia V6平臺完全兼容，Catia建立的模型，可以直接導入Dymola進行多體動力分析，而Dymola模型參數(shù)的變化又可以直接驅(qū)動Catia的三維數(shù)字模型設計。通過Dymola，使得Catia v6能夠支持機電液一體化建模和仿真，同時可用于與3D結(jié)構(gòu)設計進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從需求設計，到方案設計，到詳細設計的參數(shù)化驅(qū)動設計的過程。（8）Dymola提供C代碼輸出功能，Dymola所建立的模型，經(jīng)過簡化可用于硬件在環(huán)仿真

20、，支持A&D、NI、DSpace、xPC Target、HiGale等多種類型的實時仿真系統(tǒng)。（9）Dymola針對復雜的系統(tǒng)，提供了高效而穩(wěn)健的算法，以確保針對非線性系統(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求解時首先進行符號運算，平臺自動對方程進行縮減，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時性。（11）Dymola支持并行計算，使大系統(tǒng)的求解更加高效。并能夠在聯(lián)合仿真中對仿真時間步長進行調(diào)整、對全局誤差進行有效的控制。FMI/FMU的優(yōu)勢如下：（1）獨立于軟件的第三方標準接口，是一個開放的、免費

21、的標準，任何軟件都可以基于協(xié)議標準對所建立的模型進行封裝，并能夠讀入其他軟件基于該協(xié)議生成的模型，并進行仿真。（2）FMU可用于產(chǎn)品設計的MIL、SIL和HIL階段。（3）FMU是黑盒模型，可以有效地保護模型中包含的知識產(chǎn)權(quán)。（4）FMU中動態(tài)鏈接庫的生成只與模型本身有關(guān)，而不需要考慮其求解器。（5）FMU中沒有宏定義，代碼簡單，軟件支持比較容易進行。TISC的優(yōu)勢如下：（1）以模塊化的方式，實現(xiàn)客戶端的集成，可以在原有模型的基礎上，進行細微的修改，即可實現(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）通過客戶端-服務器的模式實現(xiàn)聯(lián)合仿真，可在服務器端對整個聯(lián)合仿真過程進行配置和監(jiān)控，實現(xiàn)對整個聯(lián)合仿真過程的控制。（3）采用這種機制，可實現(xiàn)分布式的聯(lián)合仿真，各仿真模型可運算在自己的機器上，不用提交到他人手上，既可充分利用計算資源，也可以有效的進行知識