系統級多學科建模與聯合仿真1.概述1.1.數字化建模仿真 在技術的發展和市場的驅動下，產品功能越來越復雜，通過解析的方法對產品進行分析的難度逐漸增大。而采用實驗的方法對產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，當發現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、實驗環境不一致、實驗結果的離散性等諸多問題。此種情況下，基于計算機技術，借助于專業的軟件，通過數字化建模仿真的方式對產品的方案進行驗證和優化，可以顯著縮短研發周期、降低研發成本、完善產品質量，提高產品的市場競爭力。1.2.系統級建模 隨著產品組成、功能的復雜化，部件各部分之間的耦合關系越來越緊密。當對產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關系進行描述，而是需要詳細的建模，如此類推，對于產品的數字化分析需要系統級的建模。另一個方面，當前產品的多數功能都需要各部分之間緊密配合才能實現，這個特點也自然地導致了系統級建模的必要性。 以飛機機電系統的機電綜合為例，在機電綜合的背景下，在功能、能量、控制和物理的層面，燃油、環控、液壓、電氣系統之間的管理越來越緊密。例如在綜合能量管理系統中，為實現能量高效利用的目的，環控、燃油、滑油、液壓、電氣、發動機等系統協調工作，如圖1所示。在多電飛機架構中，通過供-配-用電網絡，機電系統之間的聯系變得更為緊密。圖1飛機綜合能量管理系統1.3.多學科建模 隨著機-電-液-控一體化的高速發展，由單一領域部件構成的產品越來越少，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、涉及多個學科的產品。圖2飛機機電系統 飛機機電系統所涉及的學科如圖2所示，每個機電子系統都涉及多個學科，這種特點使得系統級建模必然涉及多個學科。1.4.聯合仿真 多數情況下，產品的研發需要多個部門配合工作，而當需要對產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據交互。所以在系統級的多學科數字化建模之后，還需要進行聯合仿真。2.實施方案2.1.Modelica建模語言 Modelica語言是一種面向對象的多學科建模語言，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的難度，且Modelica協會提供了針對機械、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權的模型甚至模型庫。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的多學科系統仿真工具，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等成員公司開發并經過工業驗證的眾多不同行業的專業庫，如電機、多體動力學、電氣、熱力學、液壓、氣動和控制等專業元件庫，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商業庫及應用 基于Dymola的模型庫，可以搭建完整的飛機機電系統模型，如圖5所示。圖5基于Dymola搭建飛機機電系統 Dymola提供了多種高效、穩定的DAE求解器，具有自適應步長、自動調整求解器階數等特點，適用于涉及多種方程種類的系統求解，包括非線性系統、剛性系統、連續離散混合系統、帶有高頻、沖擊的系統等，能夠保證包含液壓、電力、多剛體、狀態機、控制等多領域方程系統求解的收斂性和穩健性。2.3.基于FMI+TISC的聯合仿真 在多學科建模工具Dymola中，可以高效地建立各子系統的模型并進行聯合仿真，但鑒于工作習慣等原因，多數領域的工程師會選擇繼續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合仿真時會遇到數據接口的問題。如果針對任意兩個軟件開發專用的接口，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，出于對知識產權的保護，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協會提出了Functional Mock-up Interface（FMI）。FMI是開放的第三方標準接口協議，任何軟件均可以基于該協議開發接口，將所建立的模型封裝為Functional Mock-up Unit（FMU），實現與其他軟件所建立模型的交互和聯合仿真。而且FMU是黑盒模型，有助于保護模型所有者的知識產權。 目前有52個工程領域常用的商業軟件支持FMI協議，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合仿真。為解決上述問題，引入分布式聯合仿真平臺TISC，該軟件同時支持同一臺計算機中的多個模型之間的聯合仿真。 (a)原理 (b)目前支持的軟件圖 6 分布式聯合仿真平臺TISC 該平臺通過以太網通信，實現模型之前的數據交互，支持多個領域的多種建模仿真工具，且具有FMU Controller，支持基于FMU的聯合仿真。 基于FMI+TISC，可以為復雜機電系統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的復雜系統聯合仿真2.4.模型開發與系統級建模仿真 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建立的環控系統模型 基于Dymola，可建立基本管路、分叉流管路、匯流、流阻、限流環、電動活門、流量控制活門、混合腔、駕駛艙、客艙、電動風扇、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，搭建整個環控系統的模型并進行仿真（圖8），用于環控系統方案驗證和參數優化，壓力控制器、溫度控制器控制策略的驗證和優化。圖9基于Dymola建立的燃油系統模型 基于Dymola，建立飛行環境、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模型（圖9），結合控制器模型，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，燃油系統的工作狀況，并對油溫進行監測。圖10基于PROOSIS建立的雙轉子渦扇發動機模型圖11PROOSIS發動機模型與Simulink聯合仿真 基于PROOSIS航空發動機性能仿真軟件建立某渦扇發動機的性能仿真模型（圖10），并下載到Simulink中實現了發動機性能的聯合仿真（圖11）。圖12虛擬鐵鳥 基于Dymola搭建環控系統、燃油系統、供配電系統、二動力系統，通過AMESim搭建液壓系統，基于PROOSIS搭建發動機模型，并基于Simulink搭建控制系統，通過FMI/FMU接口技術，實現Dymola、PROOSIS、AMESim、Simulink等多學科模型之間的聯合仿真，實現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之間的交聯問題（圖12）。3.優勢Modelica語言的優勢如下：（1）面向對象：Modelica是一種面向對象的建模語言，它將面向對象看作為用于處理復雜大系統描述的一種模型組織概念，強調陳述式描述和模型的重用。它以類為中心組織和封裝數據，支持采用分層機制、組件連接機制和繼承機制構建 Modelica 模型。（2）非因果建模：Modelica采用了數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需要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實際系統的物理拓撲結構組織構建仿真模型，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。采用這種方式構建的物理系統的 Modelica 模型有著與實際系統類似的層次結構（4）連續混合系統建模： Modelica 使用DAE 來描述連續時變系統，采用有限自動機、Petr i網、狀態表、分段函數表、DEVS和差分方程對離散系統進行描述，。Modelica語言允許混合使用微分、代數方程和離散方程對對象的行為進行描述。（5）多領域統一建模：基于物理系統數學表示的內在一致性，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，實現多領域建模。相同領域組件之間的通訊借助連接器實現連接，而不同領域的組件之間的交互則通過特定的領域連接轉換器實現。適用于涉及多個學科的、復雜系統的描述。Dymola建模仿真平臺的優勢如下：（1）Dymola中的模型基于開源的面向物理對象的Modelica語言開發而成，繼承Modelica語言優勢的同時，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權的模型和模型庫。（2）Dymola中的Modelica基礎庫與Modelica協會發布的最新版本保持同步，為客戶提供Modelcia協會在機械、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）專業庫方面，Dymola與全球范圍內各領域的領軍企業和研究所合作，包括Modelon、DLR、AIT、Claytex等，為客戶提供具有國際領先水平、經過工業驗證的專業模型庫，涵蓋空調系統、蒸汽循環系統、換熱器、液冷系統、電力系統、液壓系統、氣動系統、智能電機驅動系統、發動機、傳動系、車輛動力學、柔性體、飛機燃油及環控、飛控系統、燃料電池、火電、水電等領域，為產品研發提供全面、有力的支撐。（4）Dymola提供了模型標定、模型管理、優化設計等功能模塊，使模型版本管理、加密，基于實驗數據的建模和驗證更為便捷。基于優化設計模塊，可以對模型進行參數掃描分析、參數攝動分析、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的聯合仿真。且完美支持FMI技術，可實現Model Exchange和Co-Simulation兩種方式的FMU導入和導出，以實現不同建模工具之間、不同機電分系統間的聯合仿真。（6）Dymola支持模型替換、版本管理等功能，可以有效地處理系統構架相關的工作，支持狀態機與物理系統的聯合仿真。（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模型參數的變化又可以直接驅動Catia的三維數字模型設計。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結構設計進行關聯，實現從需求設計，到方案設計，到詳細設計的參數化驅動設計的過程。（8）Dymola提供C代碼輸出功能，Dymola所建立的模型，經過簡化可用于硬件在環仿真，支持A&D、NI、DSpace、xPC Target、HiGale等多種類型的實時仿真系統。（9）Dymola針對復雜的系統，提供了高效而穩健的算法，以確保針對非線性系統、剛性系統、變結構系統、混合系統求解的收斂性和穩健性。（10）Dymola求解時首先進行符號運算，平臺自動對方程進行縮減，產生高效的程序代碼，并提高求解的穩定性。這一技術與特殊的數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，使大系統的求解更加高效。并能夠在聯合仿真中對仿真時間步長進行調整、對全局誤差進行有效的控制。FMI/FMU的優勢如下：（1）獨立于軟件的第三方標準接口，是一個開放的、免費的標準，任何軟件都可以基于協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議生成的模型，并進行仿真。（2）FMU可用于產品設計的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權。（4）FMU中動態鏈接庫的生成只與模型本身有關，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的優勢如下：（1）以模塊化的方式，實現客戶端的集成，可以在原有模型的基礎上，進行細微的修改，即可實現多工具的聯合仿真，各降低集成難度，充分利用現有的模型。（2）通過客戶端-服務器的模式實現聯合仿真，可在服務器端對整個聯合仿真過程進行配置和監控，實現對整個聯合仿真過程的控制。（3）采用這種機制，可實現分布式的聯合仿真，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