多领域统一建模

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基于Modelica的多领域统一建模系统开发

第３期（第１０期）总６２１００年６月
机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＥＲＩＮＥＮＧ＆ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ
Ｎｏ．３
Ｊｎｕ．
文章编号：６２６１（０００—０００１７ —４３２１）３０２— ３
计算和后处理，处理繁琐，建模工作量大。而且要求用户具备专业的知识背景和一定的工程经验，在一定程度上限制了ＣＡＥ的普及。随着计算机计算能力的提高以及面向对象等思想的出现，进了多领域统一建模标准语言Ｍｏｅｉ促ｄｌａ的ｃ产生。它采用了统一的规范对模型进行描述，保证了模型的一致性和可靠性。其模型直观，易于理解，建模工作量少，具有面向对象建模、非因果建模、陈述式物理建模、多领域统一建模和连续离散混合建模等
基于Ｍｏｅｉａ的多领域统一建模系统开发ｄｌｃ
谷志才
（京航空航天大学机械２程及自动化学院，北京１０９）北ｒ＿０１１摘要：给出了基于Ｍｏｅｃｄｌａ的多领域统一建模系统的体系结构，包括显示层、功能层和处理层。详细讨论了ｉ
特点。 ¨ 目前，于Ｍｏｅｉ语言的具有代表性的多领域基ｄｌａｃ
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补充1-1 统一建模语言UML

34
2.对象图(Object diagram)
35
3.包图(Package diagram)

包图: 一种组合机制，由关系密切的一组模型元素构成，还可以由其他包嵌套构成。即主要由包或类组成，主要表示包与包、包与类之间的关系。作用：主要用来描述系统的分层结构；引入包是为了降低系统的复杂性，包是维护和控制系统总体结构的重要建模工具。
2.2 UML系统模型与建模
2.2.1 用例模型及组成成分 2.2.2 静态模型与系统体系结构建模 2.2.3 动态模型与行为控制流建模
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2.2 UML系统模型与建模
UML分析和设计模型由3大类10种图表示。
用例模型图：由用例图组成。静态模型图：由类图、对象图、包图、构件图和配臵图组成。动态模型图：由活动图、顺序图、状态图和合作图组成。
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2.1.2 UML的特点和作用
二. UML的主要作用
2. 为软件系统建立构件 UML不是面向对象的编程语言，但它的模型可以直接对应到各种各样的编程语言。例如：它可以使用代码生成器工具将UML模型转换为多种程序设计语言代码，如：可生成C++、XML DTD、JAVA、Visual Basic等语言的代码，或使用反向生成器工具将程序源代码转换为UML；甚至还可以生成关系数据库中的表。
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2.1.1 UML的诞生与发展
UML的简要发展历程如图所示：
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2.1.2 UML的特点和主要作用
一. UML的特点

统一标准：UML统一了Booch、OMT和OOSE等方法中的
基本概念，已成为OMG的正式标准，提供了标准的面向对象的模型元素的定义和表示。

统一建模语言

统一建模语言统一建模语言（UML）是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。

它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。

它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。

1．UML的结构UML的结构包括基本构造块、支配这些构造块如何放在一起的规则（体系架构）和一些运用于整个UML的机制。

（1）构造块。

UML有三种基本的构造块，分别是事物（thing）、关系（relationship）和图（diagram）。

事物是UML中重要的组成部分，关系把事物紧密联系在一起，图是很多有相互相关的事物的组。

（2）公共机制。

公共机制是指达到特定目标的公共UML方法，主要包括规格说明（详细说明）、修饰、公共分类（通用划分）和扩展机制四种。

●规格说明：规格说明是事物语义的文本描述，它是模型真正的核心。

●修饰：UML为每一个事物设置了一个简单的记号，还可以通过修饰来表达更多的信息。

●公共分类：包括类元与对象（类表示概念，而对象表示具体的实体）、接口和实现（接口用来定义契约，而实现就是具体的内容）两组公共分类。

●扩展机制：包括约束（添加新规则来扩展事物的语义）、构造型（用于定义新的事物）、标记值（添加新的特殊信息来扩展事物的规格说明）。

（3）规则。

UML用于描述事物的语义规则分别是为事物、关系和图命名。

给一个名字以特定含义的语境，即范围；怎样使用或看见名字，即可见性；事物如何正确、一致地相互联系，即完整性；运行或模拟动态模型的含义是什么，即执行。

UML对系统架构的定义是系统的组织结构，包括系统分解的组成部分、它们的关联性、交互、机制和指导原则等这些提供系统设计的信息。

而具体来说，就是指5个系统视图，分别是逻辑视图、进程视图、实现视图、部署视图和用例视图。

●逻辑视图：以问题域的语汇组成的类和对象集合。

●进程视图：可执行线程和进程作为活动类的建模，它是逻辑视图的一次执行实例，描绘了所设计的并发与同步结构。

UML与领域建模的应用实践指南

UML与领域建模的应用实践指南在软件开发领域，UML（统一建模语言）和领域建模是两个重要的概念。

它们被广泛应用于软件系统的设计和开发过程中，有助于提高系统的可理解性和可维护性。

本文将探讨UML和领域建模的应用实践指南，帮助读者更好地理解和应用这两个概念。

一、UML的概述UML是一种用于软件开发的建模语言，它提供了一套标准的符号和语法，用于描述系统的结构、行为和交互。

UML包括了多种图形表示方法，如用例图、类图、时序图等，每种图形都有特定的用途和表达能力。

通过使用UML，开发人员可以更好地理解和沟通系统的设计和实现。

在实践中，UML可以应用于多个阶段的软件开发过程，包括需求分析、系统设计、编码和测试等。

它可以帮助开发人员明确系统需求，定义系统的结构和行为，以及识别系统中的潜在问题。

因此，熟练掌握UML的使用方法对于开发高质量的软件系统至关重要。

二、领域建模的概述领域建模是一种用于描述和分析特定领域的建模方法。

它通过抽象和概括领域中的实体、关系和行为，帮助开发人员更好地理解和应对领域中的问题。

领域建模通常包括实体建模、关系建模和行为建模等方面，它们共同构成了一个完整的领域模型。

在实践中，领域建模可以帮助开发人员深入了解特定领域的需求和约束，从而更好地设计和实现相应的软件系统。

通过领域建模，开发人员可以识别领域中的核心概念和关键问题，为系统的设计和开发提供有力的指导。

三、UML与领域建模的结合应用UML和领域建模可以结合应用，相互增强，提高软件开发的效率和质量。

在实践中，可以通过以下几个步骤来实现UML与领域建模的结合应用。

首先，进行领域分析，了解特定领域的需求和约束。

通过与领域专家的交流和调研，收集和整理领域相关的信息和知识。

这一步骤可以帮助开发人员建立起对领域的整体认识，为后续的建模工作打下基础。

其次，使用UML进行领域建模。

根据领域分析的结果，使用UML的各种图形表示方法，如用例图、类图、时序图等，来描述和表达领域中的实体、关系和行为。

基于Modelica的多领域建模与联合仿真

基于Modelica的多领域建模与联合仿真作者：赵建军,吴紫俊来源：《计算机辅助工程》2011年第01期摘要：为实现多领域建模仿真环境与其他仿真环境的联合仿真，提出基于Modelica多领域建模的联合仿真方案.该方案基于Modelica多领域模型的连接机制，通过Modelica模型与Simulink模块的转换机理，实现在S-Function联合仿真框架下的联合仿真.基于Modelica的多领域物理系统建模仿真工具MWorks与AMESim的联合仿真实例表明：该方法可扩大Modelica模型的应用范围，实现多领域建模仿真平台与其他仿真软件的协同.关键词：多领域建模；联合仿真； Modelica； Simulink中图分类号：TP391.9 文献标志码：Multi-domain modeling and co-simulation based on ModelicaZHAO Jianjun, WU Zijun（National CAD Support Software Engineering Research Center, Huazhong Universityof Science and Technology,Wuhan 430074, China）Abstract： To achieve the co-simulation of multi-domain modeling and simulation environment with other simulation environment, a co-simulation solution based on multi-domain modeling with Modelica is proposed. Based on the connection mechanism of multi-domain Modelica models, the co-simulation under S-Function co-simulation framework is implemented using the converting principle between Modelica models and Simulink modules. A co-simulation example between MWorks which is a multi-domain physical system modeling and simulation tool based on Modelica and AMESim indicates that the method can extend the application of Modelica models and achieve the collaborative work between multi-domain modeling and simulation tools and other simulation software.Key words： multi-domain modeling; co-simulation; Modelica; Simulink0 引言随着仿真技术在一些大规模、多领域问题中的深入应用，人们对仿真精度和规模的要求日益提高，仿真过程的复杂度急剧上升.单领域仿真环境支持大规模仿真已成为仿真的瓶颈，而采用多领域物理统一建模仿真和联合仿真技术［1］成为解决该问题的有效方法.多领域建模仿真技术是基于统一建模语言、被广泛接受的一种建模仿真方法.Modelica是目前盛行的多领域物理系统建模语言，主要基于方程的陈述式建模语言，采用数学方程描述物理规律和现象，通过微分代数方程系统实现仿真运行，具备模型重用性高、建模简单方便以及模型贴近实际物理系统等优点.［2］同样，联合仿真技术也可实现多领域复杂模型的仿真.将复杂物理模型按学科领域划分为多个单领域的模型，利用单学科的专业软件建立相应的单领域模型，通过单领域软件间的交互接口等方式实现数据交换和调用，完成复杂物理模型的仿真.目前，国际上已有基于Modelica的建模仿真工具，这些工具的基本单元是Modelica组件［3］，即各领域系统的基本元件.同时，联合仿真技术也被广泛研究和应用.(1）基于软件已有接口的联合仿真.现有仿真软件可通过其提供的接口导出仿真结果或者将模型转换为其他软件可读取的格式，在某个运行环境中实现不同仿真软件模型的联合仿真.该方式成本较低，已被广泛运用于工程中.(2）基于HLA/RTI框架的联合仿真［4］.该方式通过接口标准HLA(High Level Architecture)所规定的模型描述规范和接口规范，通过运行时间支撑(Run Time Infrastructure，RTI)系统，实现联邦成员间的通信.其核心是仿真管理服务，包括仿真联邦管理和TTI联邦管理.该框架是联合仿真的高层软件体系框架，现已被运用于模拟军事演习系统中.基于Modelica统一建模仿真技术可实现多领域间的无缝集成，实现多领域在同一平台下的建模仿真，该技术以其统一协同的理念已开始应用于工程中.单领域的仿真软件尽管在其领域范围内被广泛认同，且有深厚的积累，但只限于该专业领域内；而联合仿真技术可将Modelica技术与单领域仿真软件的优势进行集成，实现优势互补.本文围绕联合仿真技术，以基于Modelica的多领域物理系统建模仿真工具和液压专业优势软件AMESim的联合仿真为例，说明利用Modelica工具的多领域优势和AMESim的液压领域优势进行建模和仿真的方法，探讨利用多领域物理建模软件和专业优势软件进行联合仿真的方法，详细分析基于软件接口的建模软件的联合仿真方法，为基于Modelica技术的多领域仿真系统与其他仿真系统的联合建模和仿真提供技术框架.1 联合仿真接口Modelica模型采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统的拓扑结构，基于语言内在的组件联接机制，实现模型构成和多领域集成［5］，即Modelica模型是面向对象的数学模型，其基于物理系统数学表示的内在一致性，支持在一个模型中包含多个领域的模型组件，实现多领域建模.模型主要依赖其连接器进行联合仿真.［6］连接器是Modelica中约束类connector的实例，通常作为模型组件的类成员充当模型组件与外界的接口或端口.图1中的Pin是Modelica中电气组件的连接器类,其Modelica代码为只能在组件之间的同类连接器之间建立连接，通过方程实现，说明Modelica支持非因果连接.图2是3个Pin实例的连接及Modelica代码与等效方程.模型或组件之间借助连接器连接，实现不同模型或组件之间的数据交换.在Modelica模型的联合仿真过程中，Modelica模型也可使用连接器实现与其他模型的通信.图3表明Modelica 模型与连接器的关系，可使用Modelica模型的连接器定义模型的输入和输出，通过连接器通信实现Modelica模型与其他模型的数据交换.图 3 Modelica模型与连接器的关系Fig.3 Relationship between Modelica modeland its connectorAMESim提供与Excel，Matlab，Simulink和MSC Adams等软件的接口，这些接口均可将AMESim模型转换为对应仿真平台可读取的格式，使模型能在其他平台中求解.在仿真求解前，模型均需编译.在编译模型时，会生成该模型的C代码，其中包含模型的相关信息，可被仿真平台读取.为使该模型可被其他仿真平台使用，实现与其他仿真环境模型的联合仿真，可将该模型的C代码转换为其他仿真平台可读取的格式，或直接在该模型编译时控制编译的生成结果，直接生成能被其他平台读取的格式.AMESim本身提供与Simulink的接口，可将其自身模型转换为S-Function块；而Modelica 模型也可在编译时控制其生成该模型的S-Function块，从而实现Modelica多领域模型与其他仿真环境模型的联合仿真.2 联合仿真环境AMESim 模型经过编译和参数设置等生成供Simulink 使用的S-Function后, 在Simulink 环境中，利用AMESim的接口将建好的包含其他Simulink 模块的AMESim模型当作一个普通的S 函数添加到系统的Simulink 模型中，实现AMESim 与Simulink 的联合建模和仿真.AMESim可将模型转换为Simulink的模块.只需将Modelica多领域模型转换为Simulink模块，即可实现AMESim模型与Modelica模型的数据交换，从而在Simulink环境中实现Modelica工具与AMESim的联合仿真.联合仿真方案见图4.转换后，模型均为S-Function，在Simulink中的仿真流程见图5.在进行Modelica多领域模型转换时，采用Simulink的C代码S-function机制，将Modelica模型转换为Simulink块，转换后的Modelica模型必须符合Simulink块的数学模型定义，即满足如图6所示的数学关系.在Simulink中，将创建的Modelica多领域模型作为自定义块加入到“Simulink Library Browser”中，通过设置该自定义块的Mask和回调函数，实现块的参数设置和块仿真时状态的控制图 5 仿真流程Fig.5 Simulation process3 联合仿真实例液压机械模型是由液压、机械及控制等3部分组成的复杂系统.建模时，将系统拆分为机械和液压部分2个子模型，在MWorks中建立机械部分子模型，在AMESim中建立液压部分子模型，将建好的模型放到统一的运行环境中进行联合仿真.通过使用不同软件建立系统子模型的方法，验证多领域软件与其他软件联合仿真的可行性.根据所需的机械模型，在MWorks中直接拖拉Modelica模型库中的组件，合理设置各个组件参数，然后使用连接工具连接各个组件的连接器，组成完整的多领域模型系统.在建模过程中，为实现Modelica模型与其他软件模型的联合仿真，即实现Modelica模型与其他软件建立的模型之间的数据交换，需对Modelica模型进行数据接口的定义，见图7.在Modelica模型中定义1个输入接口、4个输出接口，见表1.输入接口接收外部数据，输出接口将Modelica模型中计算的数据输出到其他软件模型中，采用MWorks机械转动库中角速度传感器采集的4个转子的角速度数据，在联合仿真时通过这些接口与其他模型交换数据.如果在Modelica中没有定义数据交换接口，则在联合仿真时不能与其他模型进行数据交换，即不能进行联合仿真.因此，在建模过程中应根据系统模型的需要定义完整的Modelica模型数据交换接口.Modelica多领域模型完成后，需建立联合仿真系统的液压模型.在AMESim中直接调用各种液压元件模块，合理设置各元件的参数，也可利用HCD 库中的模型搭建所需的元件，然后将各元件连接成完整的液压回路.［7］建模时按实际系统在模型库中选取元件并进行油路连接，然后设置模型参数.一般可选择CoSim接口实现联合仿真，图8为联合仿真的AMESim 液压模型.在联合仿真的液压模型中需设计合理的数据交换接口，实现液压模型数据的输入输出.表2为液压模型联合仿真的接口.由图8可知，模型输出液压马达的转角数据，同时需其他模型输入对其输入阀的控制信号.在进行联合仿真前，需对AMESim模型进行编译.此时，可将定义完整的数据交换接口的液压与机械模型转化为S-Function模块，在Simulink环境中实现联合仿真.将MWorks的Modelica机械模型和AMESim的液压模型导入到Simulink中，并将液压模型的iname接口与机械模型的m_in接口连接，根据需要还可使用Simulink中的信号模块对联合仿真模型提供信号的输入.其MWorks的Modelica多领域模型与AMESim液压模型的联合仿真模型见图9.液压模型输出的马达转角为Modelica模型的转角输入.在此联合仿真模型中，可使用Simulink中的工具对AMESim模型进行反馈控制.在仿真时，AMESim模型与MWorks模型分别使用各自的求解器求解，仅通过接口交换数据.图 8 联合仿真的AMESim液压模型上述联合仿真模型包含2部分：AMESim液压模型与MWorks的Modelica多领域模型，还包含有Simulink的电源和示波器模块.联合仿真模型的输入是Simulink中的正弦波信号，同时该信号也是液压模型输入信号，控制液压模型的电磁换向阀.联合仿真模型输出机械模型4个转子的转角速度.在联合仿真模型中，液压模型的输出（即液压马达的转角速度）是机械模型的输入.在仿真时，联合仿真模型按相同的步长调用各自的求解器进行仿真.在每个步长中，液压模型的输出均输出给机械模型进行数据交换，在开始仿真时，随着液压模型输入正弦信号的增强，换向阀P-B的油路开口逐渐变大，进而流量增大，使得液压马达反向转速逐渐增大，见图10；当输入的正弦信号减小时，P-B油路开口减小，马达的转速减小，逐渐趋于0.当输入的正弦信号小于0时，马达正向加速旋转，此时当正弦信号趋于0时，马达正向减速旋转.机械模型接收到液压模型的输入时，其左边2个转轴(J1和J2)立即开始转动，而第2个转轴(J2)前有正弦刹车信号，则给转轴的角速度从0开始增大.后2个转轴(J3和J4)的刹车信号为阶跃信号，其阶跃信号的触发时间为1 s和2 s，则这2个转轴在和2 s时开始转动，见图11.因此，MWorks与AMESim的联合仿真可行，进而表明基于Simulink的S-Function机制的Modelica多领域模型与其他仿真环境模型的联合仿真可行.4 结束语针对多领域仿真软件和专业优势仿真软件各自的优势，分别介绍Modelica模型和AMESim模型与Simulink的接口技术，着重研究Modelica工具与AMESim间的联合策略.在此基础上，提出基于-的Modelica模型与其他仿真软件模型的联合建模仿真技术框架，同时进行验证.这种联合仿真建模技术框架充分发挥多领域统一建模技术和联合仿真技术的优势，适合多领域模型与其他单领域模型复杂系统的联合仿真.参考文献：［1］-A unified object-oriented language for system modeling and simulation［C］// ERIC H Proc 12th European Conf on Object-oriented Programming, Brussels: Springer-Verlag, 1998: 67-90.［2］袁平鹏陈青茶, 圹坪, 等. 基于网格的联合仿真平台［J］. 华中科技大学学报:自然科学版, 2007, 35(S2): 1-3.simulation platform［J］. J Huazhong Univ of Sci & Technol: Nat Sci, 2007, 35(S2)： 1-3.［3］吴义忠刘敏, 陈立平. 多领域物理系统混合建模平台开发［J］. 计算机辅助设计与图形学学报, 2006, 18(1): 120-124.multi-domain physical system［J］. J Computer-Aided Des & Comput Graphics, 2006, 18(1): 120-124.［4］曹琦何中市, 余磊, 等. 基于 HLA/RTI 的联合仿真建模技术框架［J］. 系统仿真学报-2924.simulation based on HLA/RTI［J］-2924.［5］赵建军丁建完, 周凡利, 等. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理［J］. 系统仿真学报, 2006, 18(2): 570-573.multi-domain unified modeling and simulation［J］. J Syst Simulation, 2006, 18(2): 570-573.［6］丁建完陈立平, 周凡利, 等. 复杂陈述式仿真模型的相容性分析［J］. 软件学报, 2005, 16(11): 1869-1875.declarative simulation models［J］. J Software, 2005, 16(11): 1869-1875.［7］in MWorks: a platform for modeling and simulation of multi-domain physical systems based on Modelica［C］ // The Modelica Association. Proc 5th Int Modelica Conf, Vienna, Austria, 2006:733-740.(编辑于杰。

多领域建模语言Modelica类型解析研究与实现

，当今计算机技术的发展产生了很对
２Ｍｏｅｃｄｌａ语言规范ｉ
Ｍｏｅｉｄｌａ是欧洲仿真界在统一和归纳先前多种物理建模ｃ语言的基础上，为解决复杂多领域物理系统的统一建模与仿真问题，出的一种面向对象的、于方程的、述式建模语言。提基陈该语言采用了非因果的建模思想，更加自然的语法和语义来用表述模型，常适合于物理系统的建模。非
吴民峰吴义忠周凡利陈立平（中科技大学国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心，汉４０７）华武３０４
摘要类型解析是编译器开发的一项重要工作，也是语义分析的一个最重要组成部分。基于Ｍｏｅｉｄｌａ建模语言。究ｃ研
Ａｂｔａｔｙｅｐｒｉｇｉｌｉｏｔｎｒｕｉｇｃｍｐｌｒｄｖｌｐｎｎｎｆｔｅｍｏｔｉｏａｔｃｍｐｓｔｎｆｓｒｃ：Ｔｐａｓｎｓｌｍｐｒｔｗｏｋｄｒｏｉｅｅｏｉｇａｄｏｅｏｈｓｍｐｒｎｏｏｉｏｓｏａａｎｅｔｉ
大影响。先后出现了Ｌｓ、ｌｃｌＯｊｃ、ａｃｌＣ＋ＪｖｉＣａａ、ｂｅｔＰｓａ、＋、ａａ等ｐｓ
多种面向对象的语言．其中以Ｃ＋Ｊｖ＋和ａａ对技术的推广和应用影响最为重大。向对象语言在仿真界，３面近０年里也产生了许多通用仿真工具，如ＡＳ、ａｙ、ｙｔｕｌ及专用的ＣＬＥｓ５ＳｓｍＢｉｅｄ以

多领域统一建模技术在管路分析中的应用与发展

第３４卷第７期
２２年７月０１
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ．４．ＮＯ７１３．
ＳＩＣＩＨＰＳＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊ１ｕ．，２２０１
多领域统一建模技术在管路分析中的应用与发展
董仁义，吴崇健，张京伟，彭文波
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Ａｐｐｉａｉｎａｄｄｖｌｐｍｅｆｔｕｔ－ｏａｎｕｆｅｏｅｉｇａｐｌｄｉｉｅａｌｓｓｌｃｔｏｎｅｅｏｎｔｏｈｅｍｌｉｄｍｉｎｉｄｍｄｌｎｐｉｎｐｐｎａｙｉｉｅ
界负载对系统动态特性影响，最终得到压力流量脉
进程问通信等方法进行信息交换，然后独立利用各自的求解器进行求解，最终实现整个系统的仿真。
．ＤＯＮＧＲｅ —ｉｎｙ，ＷＵＣｏｇｊｎ，Ｚｈｎ —ａｉＨＡＮｉｇｗｅ，Ｐ … ＿ｎｂ汕ＧＪｎ — ｉＥＮ罟ｍｏＧＷｅ —
（ｈｎｈｐＤｅｅｏｍｅｔａｄＤｅｉｎＣｎｅ，Ｗｕａ３０４，ＣｉａＣｉａＳｉｖｌｐｎｎｓｇｅｔｒｈｎ４０６ｈｎ）
本文首先对基于Ｍｏｅｃ语言的多领域统一建模技术进行简述，点综述了基于Ｍｏｅｃ语言的多领域统一建模技ｄｌａｉ重ｄｌａｉ术在管路分析中的应用概况，此基础上给出了管路分析的未来发展趋势。在

多领域建模理论与方法

XXX理工大学CHANGSHA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY&TECHNOLGY题目：多领域建模理论与方法学院： XXX学生： XXX学号: XXX指导教师： XXX2015年7月2日多领域建模理论和方法The theories and methods of Multi-domain ModelingStudent:XXX Teacher:XXX摘要建模理论和方法是推动仿真技术进步和发展的重要因素，也是系统仿真可持续发展的基础[1]文中综述了多领域建模主要采用的四种方法，并重点对基于云制造的多领域建模和仿真进行了叙述，并对其发展进行了展望。

关键词：多领域建模仿真；云制造；展望Abstract：The theory and method of system model building is not only the key factor to stimulate the development and improvement of simulation technique but also the base of system simulation. This paper analysis four prevails way in Multi-domain Modeling, especially to the Multi-domain Modeling and Simulation in cloud manufacturing environment. We give a detail on its development and future.Keywords: Multi-domain Modeling and simulation; Cloud manufacturing; Future development一引言随着科学技术的发展进步和产品的升级需求，对产品提出了更高的要求，使得建模对象的组成更加复杂，涉及到各个学科、进程的复杂性以及设计方法的多元化。

MWorks多领域建模与仿真系统

MWorks仿真窗口 MWorks仿真窗口
• 灵活性
–支持多领域建模且模型修改方便支持多领域建模且模型修改方便
• 面向对象建模 • 非因果建模
–使用方程而非赋值方式表示物理系统行为使用方程而非赋值方式表示物理系统行为
MWorks系统简介 MWorks系统简介
• • • • MWorks体系结构 MWorks体系结构系统主要功能操作界面例子：例子：
用户自定义库
编辑器
CAD模型 CAD模型光栅图
建模
Modelica库 Modelica库
MWorks
编译器
MATLAB Simulink
仿真
求解结果
求解器
曲线显示
模型调试/ 模型调试/实验优化/ /优化/求解记录
分析
命令行& 命令行&脚本
信息输出
MWorks建模窗口 MWorks建模窗口
MWorks仿真窗口 MWorks仿真窗口
组件或Connect 组件或位置标记
高级模型试验功能
多方案比较
多变量显示
变量过滤与变量比较
MWorks界面小结 MWorks界面小结
• 多文档（对应不同的mo文件） • 两个主界面：建模窗口与仿真窗口。
– 系统模型库/当前模型/属性栏/输出信息栏 – 文本/图标/部件/说明/仿真 – 变量树/曲线/部件/变量过滤/变量比较
主要用户场景
• 仿真一个模型实例 • 利用模型库构建新的模型然后进行仿真
仿真模型实例
• 系统模型树用于浏览和查找模型。 • 从当前模型查看模型组件层次。 • 建模子窗口：
– – – – 文本图标部件说明
切换建模子窗口

数控机床多领域建模与设计优化的研究及发展

数控讥床罗领域建稹，与设计优化研究及发展串
口姚小群口姚锡凡口张洁
！．东莞理工学院机械工程学院２．华南理工大学机械工程学院广东东莞５２３８０８
广州５１０６４０
摘
要：分析了国内外多领域协同建模与仿真技术、多学科设计优化的研究现状及发展动态，介绍了３种多领域建模
ｄｏｍａｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ（Ｍｏｄｅｌｉｃａ），ｓｔａｎｄａｒｄｏｆｒｔｈｅｅｘｃｈａｎｇｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔ（ＳＴＥＰ），ｈｉｓｈｌｅｖｅｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（ＨＬＡ）ａｎｄｔｈｅｔａｒｇｅｔ
自从１９５２年美国研制出第一台数控系统以来，给
机械制造业带来了革命性的变化，以数控机床为代表的数字化制造装备，已成为现代化工业的关键技术装备。作为数控机床中枢的数控系统，已从最初的硬件数控系统发展为计算机数控系统（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｉｃｒａｌ
仿真方法．及最近发展起来的一种多学科设计优化方法— — 目标级联法。指出数控机床多学科设计发展趋势是将统一多
领域建模语言（Ｍｏｄｅｌｉｃａ）、产品数据交换标准（ＳＴＥＰ）、高层体系结构（ＨＬＡ）以及目标级联分析法（ＡＴＣ）等应用于数控机床

unified model的意思

统一模型（Unified Model）是指一种将不同领域或学科中的模型、理论或观点整合统一的理论或模型。

这种统一模型通常通过整合不同领域中的知识和理论来解释各种现象，从而建立一个更加完整、准确和综合的模型。

统一模型的意义首先在于整合不同学科领域的知识。

传统上，各个学科领域往往是独立发展的，各自拥有自己的理论和模型。

然而，在实际现实中，许多现象往往是综合性的，需要从多个学科领域的角度来解释和理解。

通过建立统一模型，可以将不同领域的知识整合在一起，建立一个更加全面、准确和综合的模型，从而更好地理解和解释复杂的现实现象。

统一模型还可以帮助人们更好地理解自然规律和现象。

由于自然界的复杂性和多样性，往往需要不同学科领域的知识来解释和理解自然规律和现象。

通过建立统一模型，可以将不同学科领域的知识整合在一起，从而建立一个更加全面、准确和综合的模型，帮助人们更好地理解自然界的规律和现象。

统一模型还可以促进不同学科领域之间的交流和合作。

在建立统一模型的过程中，需要整合不同学科领域的知识和理论，因此需要不同学科领域之间的交流和合作。

通过建立统一模型，可以促进不同学科领域之间的交流和合作，从而推动跨学科研究的发展。

统一模型是指一种将不同领域或学科中的模型、理论或观点整合统一的理论或模型。

统一模型的意义在于整合不同学科领域的知识，帮助人们更好地理解自然规律和现象，促进不同学科领域之间的交流和合作。

建立统一模型有助于建立更加全面、准确和综合的模型，从而更好地理解和解释复杂的现实现象。

统一模型的构建是一个综合性的过程，需要整合不同学科领域的知识和理论，以建立一个更加完整、准确和综合的模型。

在实践中，统一模型的构建涉及到多个方面的工作，包括整合不同学科领域的知识、建立交叉学科的桥梁、促进学科间的合作与交流等。

本文将从构建统一模型的方法和技巧、统一模型在科学研究中的应用、以及未来统一模型的发展趋势等方面进行探讨。

1. 构建统一模型的方法和技巧构建统一模型需要整合不同学科领域的知识和理论，以建立一个更加完整、准确和综合的模型。

Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理1

１．２组件连接机制
Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言提供了功能强大的软件组件模型，其具有与硬件组件系统同等的灵活性和重用性。Ｍｏｄｅｌｉｃａ的软件组件模型主要包含三个概念：组件、连接机制和组件构架。组件通过连接机制进行交互连接。组件构架实现组件和连接，确保由连接维持的约束和通讯工作稳定可靠。
在Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言中，组件的接口称作连接器，建立在组件连接器上的耦合关系称作连接。如果连接表达的是因果耦合关系，则称其为因果连接。如果连接表达的是非因果耦合关系，则称其为非因果连接。
引言
耦合关系。基于统一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件
随着建模技术和数值技术的发展，数学建模与仿真在产
采用统一方式进行描述，彻底实现了不同领域模型之间的无
品设计中的作用越来越重要，已经成为测试和分析产品技术
缝集成和数据交换。Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言［２－５１是目前盛行的一种多
性能的一项重要手段。然而，随着产品复杂度的不断提高，
ｃｏｎｎｅｃｔｏｒＰｉｎＲｅａｌｖ；ｆｌｏｗＲｅａｌｆ；ｅｎｄＰｉｎ；
Ｍｏｄｅｌｉｃａ连接必须建立在相同类型的两个连接器之上，表达组件之间的耦合关系。这种耦合关系在语义上通过方程实现。故Ｍｏｄｅｌｉｃａ连接在模型编译时会转化为方程。具体来说，流变量之间的耦合关系由“和零”形式的方程表示，即连接交汇点的流变量之和为零。势变量之间的耦合关系由 “等值”形式的方程表示，即连接交汇点的势变量值相等。
第１８卷增刊２２００６年８月
系统仿真学报＠ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｖ０１．１８Ｓｕｐｐｌ．２Ａｕｇ．，２００６
Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言及其多领域统一建模与仿真机理
赵建军，丁建完，周凡利，陈立平

系统级多学科建模与联合仿真

系统级多学科建模与联合仿真1.概述1.1.数字化建模仿真在技术的发展和市场的驱动下，产品功能越来越复杂，通过解析的方法对产品进行分析的难度逐渐增大。

而采用实验的方法对产品进行研究则需要物理样机，对于这种方法，一方面所需投入较多、时间周期较长，另一方面，当发现样机在某些功能和性能层面无法满足要求时，进行更改的成本非常高。

即使这些问题都能够解决，实验方法还要面对某些工况下实验带来的危险和破坏、实验环境不一致、实验结果的离散性等诸多问题。

此种情况下，基于计算机技术，借助于专业的软件，通过数字化建模仿真的方式对产品的方案进行验证和优化，可以显著缩短研发周期、降低研发成本、完善产品质量，提高产品的市场竞争力。

1.2.系统级建模随着产品组成、功能的复杂化，部件各部分之间的耦合关系越来越紧密。

当对产品的一各组成部分独立建模时，需要建立其边界条件。

但由于该部分与其他部分错综复杂的耦合关系及其他部分外特性的复杂性，边界条件难以采用简答的函数关系进行描述，而是需要详细的建模，如此类推，对于产品的数字化分析需要系统级的建模。

另一个方面，当前产品的多数功能都需要各部分之间紧密配合才能实现，这个特点也自然地导致了系统级建模的必要性。

以飞机机电系统的机电综合为例，在机电综合的背景下，在功能、能量、控制和物理的层面，燃油、环控、液压、电气系统之间的管理越来越紧密。

例如在综合能量管理系统中，为实现能量高效利用的目的，环控、燃油、滑油、液压、电气、发动机等系统协调工作，如图1所示。

在多电飞机架构中，通过供-配-用电网络，机电系统之间的联系变得更为紧密。

图1飞机综合能量管理系统1.3.多学科建模随着机-电-液-控一体化的高速发展，由单一领域部件构成的产品越来越少，取而代之的是综合利用机械、电、磁、液压和控制等诸多领域研究成果、涉及多个学科的产品。

图2飞机机电系统飞机机电系统所涉及的学科如图2所示，每个机电子系统都涉及多个学科，这种特点使得系统级建模必然涉及多个学科。

面向复杂系统工程的多学科统一建模与联合仿真技术研究与应用实践

面向复杂系统工程的多学科统一建模与联合仿真技术研究与应用实践作者：暂无来源：《智能制造》 2017年第5期航空工业信息技术中心（金航数码）郄永军多学科联合仿真技术应用工程背景航空产品是涉及机械、电子、电气、控制、液压及软件等多学科, 可靠性、维修性和保障性等多专业工程要求的复杂系统，其开发模式正经历从基于文档向基于模型的范式转移。

建立以基于模型的系统工程方法论为指导、以功能/性能样机为载体，贯穿需求、功能、逻辑与物理构建模型在环、软件在环、硬件在环及人员在环的数字化综合仿真环境，开展多学科统一建模与联合仿真，实现功能/ 性能需求在开发早期阶段的验证与确认，基于数学模型（虚拟样机）开展复杂系统架构与方案的设计、权衡与分析优化，缩短设计迭代周期，提升开发质量，已成为国际航空航天和防务领域复杂系统开发的主流趋势。

当前，基于Modelica 语言的系统仿真技术已在达索航空、德宇航和空客得以工程应用，通过构建由功能样机、性能样机和几何样机组成的数字样机，可实现在虚拟空间下开展虚拟试验/ 试飞，极大的降低物理试验/ 试飞的周期与成本。

多学科联合仿真技术演进历程系统级多学科联合仿真主要应用于系统架构与方案权衡、功能分配、接口定义、子系统参数优化、功能/ 性能早期验证和确认等领域，涉及多学科的系统仿真技术主要经历了如下发展历程。

（1）基于接口的多学科建模与仿真技术：该方法是由各学科相应的商用仿真软件提供或开发相应的接口。

其完全依赖商用软件之间的一对一接口，这些接口往往为某些商业公司所私有，不具有标准性和开放性。

（2）基于高层体系结构（HLA）：该方法克服了基于接口的诸多缺陷，较好地实现了多学科建模与仿真，但要求建模人员必须先熟悉HLA/RTI 的各种服务协议，再编制相应的程序代码，并且需要人为的割裂不同学科子系统之间的耦合关系，实质上是一种子系统层次上的集成方法。

（3）基于统一建模语言的多学科系统仿真技术：该方法具有与学科无关的通用模型描述能力，任何学科均可实现统一建模。

统一建模语言

UML统一建模语言（UML是Unified Modeling Language的缩写）是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。

UML为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化、和编制文档的一种标准语言。

目录1 简要介绍2 语言出现3 语言内容4 主要特点5 应用领域统一建模语言(UML)是非专利的第三代建模和规约语言。

UML是在开发阶段，说明，可视化，构建和书写一个面向对象软件密集系统的制品的开放方法。

UML展现了一系列最佳工程实践，这些最佳实践在对大规模，复杂系统进行建模方面,特别是在软件架构层次已经被验证有效UMLUML可以贯穿软件开发周期中的每一个阶段。

被OMG采纳作为业界的标准。

UML最适于数据建模，业务建模，对象建模，组件建模。

UML作为一种模型语言，它使开发人员专注于建立产品的模型和结构，而不是选用什么程序语言和算法实现。

当模型建立之后，模型可以被UML工具转化成指定的程序语言代码。

回顾20世纪晚期--准确地说是1997年，OMG组织（Object Management Group对象管理组织）发布了统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）。

UML的目标之一就是为开发团队提供标准通用的设计语言来开发和构建计算机应用。

UML提出了一套IT专业人员期待多年的统一的标准建模符号。

通过使用UML，这些人员能够阅读和交流系统架构和设计规划--就像建筑工人多年来所使用的建筑设计图一样。

到了21世纪--准确地说是2003年，UML已经获得了业界的认同。

在所见过的专业人员的简历中，75%都声称具备UML的知识。

然而，在同绝大多数求职人员面谈之后，可以明显地看出他们并不真正了解UML。

通常地，他们将UML用作一个术语，或对UML一知半解。

大家对UML缺乏理解的这种状况，促进我撰写这篇关于UML 1.4的快速入门文章。

当阅读完本文时，您还不具备足够的知识可以在简历上声称自己掌握了UML，但是您已具有了进一步钻研该语言的良好起点。

三轴稳定航天器多领域统一建模与仿真平台

三轴稳定航天器多领域统一建模与仿真平台徐文福;梁斌;李成【摘要】In order to reflect the control characteristics of a spacecraft under the interaction between many disciplines,a multi-domain modeling and simulation platform,dealing with mechanics,electricity,control,software,et al.is developed.This platform is composed of the following modules： the attitude control software,the flywheel system（including motor and its driver,bearing friction,the mechanism of the flywheel etal.）,magnetotorquers,attitude sensors,attitude dynamic,orbital dynamic and environment torques,and so on.All the modules are realized using Modelica language,and integrated into an organic whole.The simulation of two typical attitude control modes—attitude established and attitude manoeuvre shows that,this simulation platform is not only used to analyze the control performance of the closed-loop system,but also to evaluate the effect of each domain＇s devices.Sufficient application of this platform during all the phases（project proposal,subsystem,system,et al.） can attain the purpose of Multidisciplinary Design Optimization.%为反映航天器系统涉及的多学科交互作用下的控制特性,开发了包含机械、电气、控制、软件等的多领域统一建模与仿真平台.该平台包含姿控软件、飞轮系统（电机及其驱动器、轴承摩擦、飞轮机构等）、磁力矩器、姿态敏感器、姿态动力学、轨道动力学、环境力矩等不同领域的模块,各模块由Modelica语言实现,有机集成一体.对两种典型的姿态控制模式——姿态建立及姿态机动的仿真表明,利用该仿真平台不但可分析整个系统的闭环控制性能,还可评估各领域部件对整体性能的影响.在航天器研制的各个阶段（方案、子系统、系统等）充分使用该平台,可实现多学科设计优化的目标.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2011(043)009【总页数】7页(P74-80)【关键词】航天器;多领域建模;仿真;三轴稳定;姿态控制【作者】徐文福;梁斌;李成【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳518055;深圳航天东方红海特卫星有限公司,深圳518057;哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TP24航天器系统涉及的学科领域很多，包括机械、电气、轨道动力学、姿态动力学、自动控制、计算机(含软件和硬件)等等.以往的研究中，各领域部件间的交互作用往往被粗略的近似.设计性能良好的控制器，必须将机械、电气及控制系统纳入统一框架内［1］，开展多领域建模与仿真研究，以实现多学科优化设计(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)的目标［2］.多领域建模与仿真方法主要有3种:基于接口的方法，基于高层体系结构(High Level Architecture，HLA)的方法［3］，以及基于统一建模语言的方法［4］.基于统一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描述，彻底实现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换［5］.本文借鉴最新的多领域统一建模思想，开发了基于Modelica语言(开发环境为Dymola)的三轴稳定航天器系统的多领域统一建模与仿真平台，将姿态控制系统(AOCS)、飞轮系统、磁力矩器、轨道动力学模型、姿态动力学、环境模型(地磁场、重力梯度等)、敏感器模型等集成一体，可实现飞轮零动量、偏置动量等模式下的三轴姿态机动的建模与仿真，以验证关键的算法.该建模与仿真系统包含了机械、电气、磁场、控制等多个领域的模型，在统一的环境下即可进行闭环的仿真，效率、准确性大大提高.为实现航天器系统在轨任务的控制仿真，所建立的模型需包含如下功能模块:1)航天器姿态及轨道控制系统(AOCS).由星载处理器(硬件)及运行在其上的软件组成，其中软件用于实现工作模式管理、姿态确定、姿态控制、卸载逻辑等算法.其输入为所采集的各敏感器数据，输出为执行机构的控制指令.对于推力器，控制指令为开/关时间;对于飞轮，控制指令为电机的驱动电流;对于磁力矩器，控制指令为控制电压.一些先进的智能控制方法如文献［6－8］可在此模块中实现.2)执行机构.根据AOCS输出的控制指令执行相应的动作，以产生对航天器的作用力/力矩.常用的执行机构包括推力器(因为需要消耗宝贵的燃料，长寿命卫星的姿态控制慎用)、飞轮组以及磁力矩器.3)航天器姿态动力学.反映航天器系统的姿态运动规律，输入为控制力矩，输出为航天器姿态角(采用欧拉角或四元数表示)及姿态角速度.4)敏感器模型.提供姿态控制所需要的测量信息，包括速率陀螺、地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等.对于需要执行对目标飞行器的跟踪接近、交会对接等任务的航天器，一般还装有加速度计.5)轨道环境模型.建立航天器所处轨道的环境条件，包括地球磁场、地球引力场、太阳光照、大气模型等，据此可计算环境干扰力和力矩;对于多个航天器的跟踪、接近等的建模和仿真，可采用文献［9］的方法建立相对轨道动力学模型.(6)环境干扰力和力矩模型.根据轨道环境条件，计算航天器在轨所受的各种干扰力、力矩，包括剩磁力矩、重力梯度力矩、太阳光压、气动力/力矩等.(7)轨道动力学及时间系统.计算给定时刻航天器质心的惯性位置和速度，并可换算出轨道坐标系相对于地心惯性系的位置和姿态.该模块的输出作为环境模型的输入. 不失一般性，假设所研究的航天器系统为对地观测卫星，执行任务时需要保持对地的三轴稳定姿态.该航天器以4个飞轮(3正交+1斜装)和三轴磁力矩器作为执行机构，以三轴速率陀螺、红外地球敏感器、太阳敏感器及星敏感器作为姿态测量部件. 所建立的航天器系统的多领域统一建模与仿真平台如图1所示，包括飞行任务管理模块(Mission)、航天器姿轨控系统(AOCS，实现模式管理、姿态确定、姿态控制等算法)、飞轮组(Flywheels，含电机及其驱动器、轴承、摩擦力矩、旋转体等)、磁力矩器(Magnetorquer，用于飞轮卸载)、轨道动力学及环境干扰(OrbitDynAndDis，实现轨道动力学、轨道环境、干扰力/力矩计算等)、姿态动力学模块(SatThreeAxis)等.任务管理模块用于根据具体的飞行任务产生期望的姿态角AAttD、角速度Wd;AOCS模块还接受姿态敏感器模块Sensors测量值——本体姿态四元数 Qbo、姿态角速度Wbo(本体系相对于轨道系)和Wbi(本体系相对于惯性系)，飞轮模块输出的角速度Wf以及轨道动力学模块OrbitDynAndDis输出的磁场强度Bb(用于飞轮卸载)，采用相应的姿态、轨道控制算法，产生执行机构控制指令——4个飞轮的控制电流ux、uy、uz、us，以及磁力矩器的控制电压um;飞轮模块Flywheels、磁力矩器根据控制指令，产生相应的作用力矩，作用于卫星本体SatThreeAxis;姿态动力学模块SatThreeAxis根据执行机构的控制力矩，及OrbitDynAndDis模块输出的环境干扰力矩，计算本体姿态的变化情况，输出当前姿态角Qbi、角速度Wbi;轨道动力学及环境干扰模块OrbitDynAndDis根据卫星所处的姿态Qbi、角速度、轨道位置(模块内部迭代计算)，计算卫星本体系相对于轨道坐标系的姿态角、角速度、磁场强度、环境干扰力矩Td等;敏感器模块Sensors根据Sat－ThreeAxis和模块OrbitDynAndDis输出的姿态四元数、姿态角速度理论值，叠加测量噪声后，输出姿态测量值.在Dymola环境中，利用其自身的MultiBody库可以方便地建立航天器的姿态动力学模型.具体步骤如下:1)建立世界坐标系.世界坐标系是姿态动力学方程的参考系，也是三维显示时的全局参考系(观测点).对于姿态动力学的建模，以轨道惯性系(原点为航天器质心，指向与惯性系一致，其中，惯性系为J2000坐标系)为参考系.将MultiBody库中的 World图标(路径为MultiBody.World)拖到当前模型编辑窗中，双击该图标可对相关参数进行设置，将重力加速度g赋值为 0，即g=0. 2)建立航天器本体及其运动副.简单起见，假设航天器本体为一刚体(柔性体或带挠性附件的情况将后续给出)，通过定义其质量、惯量、质心位置、运动副，可完整反映其运动状态.首先创建1个 BodyShape(路径 MultiBody.Parts.Body－Shape)，更名为B0，并根据实际的数据给B0的相关参数赋值.双击该图标，弹出的对话框中，“General”界面定义质量特性，“Animation”界面定义几何外形.航天器的姿态运动具有3个转动自由度，因此通过定义球运动副可描述姿态的运动情况.3)航天器理论姿态、角速度的输出.航天器理论姿态、角速度是各种姿态敏感器模型的输入.RelativeSensor(MultiBody.Sensors.RelativeSensor)可直接给出两坐标系之间的相对位置、线速度、线加速度;相对姿态、角速度以及角加速度.由于姿态动力学仅描述航天器姿态的变化过程，因此仅需输出姿态及角速度，其余不需要输出的状态通过设置其标志为“false”而禁止其输出.最后，将航天器的质心坐标系(CM)引出，以便与执行机构、环境干扰的参考坐标系连接;同时将理论姿态四元数、角速度，以及世界坐标系(World)引出.2.3.1 飞轮组的建模飞轮实质上是1个带有大转动惯量的力矩马达，由驱动电路、电机及轮体组成.其多领域模型如图2所示.飞轮有2种工作模式:力矩(电流)模式，动量(电压或转速)模式.本文所研究的航天器系统的飞轮采用力矩模式，其模型由驱动电流(输入端)、电机及其驱动电路(Motor1～Motor4)、轴承摩擦(bearingFriction1～bearingFriction4)、转动关节 (Jx，Jy，Jz，Js)、轮体(Bx，By，Bz，Bs)，以及坐标转换关系(T1～T4)．其中，T1～T4分别建立了各飞轮安装坐标系相对于航天器系统质心坐标系的位置和姿态(frame－a1与系统质心坐标系CM直接连接，见图1)，而旋转关节定义了各轮体与航天器之间的旋转关系，电机及其轴承的输出轴与关节的驱动轴相连，同时，模型中将各个飞轮转动速度组成数组，通过输出端Spd输出.1)电机及其驱动器的建模.电机模型中包含了电枢电阻Ra、电枢电感La、反电动势emf、电机轴Jmotor等环节，驱动器部分由电阻(R)、电容(C)、运算放大器(Op)、电压源(Vs)及接地(g)等组成，除 Jmotor外(路径为Modelica.Mechanics.Rotational.Inertia)，其它部分可在Modelica.Electrical.Analog.Basic中选取.所选用飞轮的电机及其驱动器相关参数及模型如图3所示.2)轴承摩擦的建模.飞轮阻力矩包括轴承摩擦、风阻和电机损耗力矩3部分.飞轮壳体密封抽空，风阻很小;采用定子无铁心电机后，电机内部的电磁损耗力矩已不存在，因此，轴承摩擦是最主要的阻力矩.实验结果表明，阻力矩与飞轮转速之间有良好的线性关系，如下所示:其中，n为飞轮转速;Tf0为电机启动时(0+速)需要克服的阻力矩(本质为滑动摩擦，比静止摩擦略小);Kf为摩擦系数．在Dymola环境中，利用元件BearingFriction(路径为Modelica.Mechanics.Rotational.Bearing－Friction)可以很方便的建立如式(1)的轴承摩擦模型.将相关参数转为BearingFriction定义的格式(同时注意转速的单位需统一为 rad/s)，如下所示:另外，通过定义参数Mpeak(默认值为1)，可区分静止摩擦Tfs与Tf0，即静止摩擦Tfs=Mpeak·Tf0．3)转动关节及轮体的建模.转动关节定义了轮体与航天器本体之间的运动约束关系，同时该关节的旋转可由电机驱动，故用"ActuatedRevolute"(路径为MultiBody.Joints.ActuatedRevolute)进行定义.4个飞轮轮体(Bx、By、Bz、Bs)分别通过关节(Jx、Jy、Jz、Js)与航天器本体相连，各关节的旋转轴矢量分别为x、y、z轴和．轮体通过BodyShape(路径 MultiBody.Parts.BodyShape)来定义，其质量、惯量、几何尺寸按实际参数进行赋值即可.2.3.2 磁力矩器的建模磁力矩器利用自身的磁性线圈产生磁偶极子矩，与地球磁场相互作用而产生作用于卫星的控制力矩，可用于补偿小干扰力矩引起的姿态偏移和对动量交换装置进行卸载.本文所建三轴磁力矩器的模型，输入为三轴磁力矩器的控制电压，该控制电压与磁矩电压系数KBu(与KuB互为倒数)相乘并经过限幅(限制在最大、最小磁矩之间)后得到磁力矩器的磁矩，与地磁场强度在本体坐标系下的矢量为Bb进行叉乘即得到作用于本体的力矩．2.4.1 轨道动力学采用二体开普勒万有引力模型作为轨道动力学模型.星体轨道参数在J2000.0的直角坐标系下描述，忽略地球岁差、章动和极移的影响.中心天体和飞行器均作为质点对待，分别记作M和m，讨论飞行器m相对天体M的运动，相应的运动方程为其中=r/r是M到m方向的单位矢量，μ为中心体引力常数(对于地球，μ=3.986 004 418e14)，G为万有引力常数，f为除中心体万有引力外的外力．利用Modelica语言实现上式，不再赘述(下同).2.4.2 地球磁场与地磁力矩地磁场按其起源可分为内源场和外源场.在1 000 km以下的高度范围内，平静时的外源场的强度不到内源场的千分之一，强扰动时的外源场也在内源场的百分之一以下.略去外部磁场的影响，在地理坐标系下卫星三轴的地磁场强度为［10］式中:Re=6 378.137 km(地球赤道平均半径)为地球半径;r为航天器的地心矩;θ为地心余纬;λ为格林尼治算起的东经;gmn、hmn为基本磁场的高斯系数;Pmn(cos θ)为n次m阶的关联勒让德函数．本文中采用IGRF2000(国际基准地磁场)的6×6阶系数.由式(2)计算得到的地磁场强度为在地理坐标系中的分量，利用地理坐标系与轨道坐标系的转换公式，可求得卫星所在处的地磁矢量B在轨道坐标系的分量(Bxo，Byo，Bzo)，然后借助姿态方向余弦矩阵给出B在卫星本体坐标系中的分量(Bxb，BybBzb)，记为 Bb= ［Bxb Byb Bzb］T．假定卫星体内的等效磁矩Mb=［Mxb Myb Mzb］T，则作用于星体上的磁力矩为Tm=Mb×Bb．2.4.3 重力梯度力矩重力梯度力矩对航天器的姿态运动的影响十分重要．在与距离平方成反比的引力场内作轨道运动的任何物体，只要其质量分布是非对称的，都将受重力梯度力矩的作用．力矩的大小按下式计算:2.4.4 大气环境模型按下述公式计算气动力和气动力矩:式中:ρV2R/2为动压头;CD为阻尼系数，取值范围为2.2～2.6;Ap为迎流面面积;Cp为卫星质心至压心的矢径;v为来流方向的单位矢量．2.4.5 太阳辐射力矩辐射力矩主要由太阳光压造成，地球反照及大气红外辐射是次要的辐射源．太阳辐射力矩基本上与高度无关，近似为常数．辐射力矩的物理机制是辐射粒子与卫星表面的动量交换．在工程实用中，辐射力矩为式中:Fe为太阳辐射通量(=1 358 W/m2);c为光速;N为受晒面个数;Ai为第i个受晒面面积;θi为第i个受晒面入射角;ni为第i个受晒面内法向单位矢量;lpi为整星质心到第i个受晒面的辐射压力中心的矢径．如上所述，所研究的航天器装配了速率陀螺、地球敏感器、太阳敏感器及星敏感器等测量设备.现有文献中对于各种敏感器的建模已有大量论述，本文利用Modelica 语言进行编写，以实现各种敏感器的功能，主要依据为文献［11］和［12］.姿态及轨道控制分系统具备如下功能:消初偏;姿态确定;姿态稳定与控制;姿态机动;安全管理.为实现如上功能，AOCS由如下几个软件模块组成:工作模式管理、姿态确定、姿态控制、卸载逻辑组成.航天器的主执行机构为三轴正交安装+一等倾角斜装，标称状态下各轮按偏置动量运动，但整星在标称状态下处于零动量.采用PID+前馈补偿的策略，控制律如下: 式中:Kp、KI、Kd分别为控制器的比例、积分、微分控制参数;qe为姿态四元数误差;ωd为期望的姿态角速度;ωb为实际(通过姿态敏感器测出)角速度;TB为补偿力矩;Tc为期望的作用于航天器的控制力矩．磁力矩器用于对飞轮进行卸载.根据飞轮所需卸载的角动量，按下式产生控制力矩: 其中:M为磁矩矢量;B为地磁场强度矢量(B为B的模);KB为磁控参数;ΔHe为所需要卸载的角动量．因此，磁力矩器的控制电压为UB=KuBTu，其中KuB为磁力矩器的电压磁矩系数．建立了航天器的多领域模型后，可对航天器的各种姿态控制模式进行仿真.限于篇幅，本文给出2种典型模式下的姿态控制仿真:入轨后三轴对地稳定姿态建立，以及三轴姿态大角度机动.轨道为太阳同步轨道圆轨道，轨道高度600 km，轨道倾角97.764°，轨道周期96.54 min，降交点地方时为6:30 AM.航天器系统质量1 000 kg，主体尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m，质心在其本体坐标系下坐标rcm=［0.6 0 0］T．航天器系统相对于其质心坐标系的转动惯量矩阵为飞轮电机力矩常数k=1.161 6，时间常数w=4 590，阻尼常数 D=0. 6，电机惯量J=0.001 3 kg·m2;轴承摩擦参数Tf0=0.01 N·m，Kf=5.7e－ 5，Mpeak=1.2;单个飞轮最大角动量Mmax=15 N·m·s，最大转速nmax=5 000 r/min，转动惯量Jw=0.86×10－2kg·m2;正交飞轮的偏置角动量为7 N·m·s，斜装飞轮的偏置角动量为;每个磁力矩器最大磁矩50 Am2，控制电压±5 V，整星剩磁［3 3 3］TAm2. 0假设航天器入轨后的三轴姿态偏差及稳定度分别为(姿态角和角速度单位分别为(°)和(°)/s)其中:ψ、θ、γ分别为偏航角、俯仰角及滚转角偏差;ωbo为航天器本体系相对于轨道系的旋转角速度在本体系下的投影．利用上面建立的多领域模型对航天器建立三轴对地姿态的过程进行仿真(仿真了1000 s).仿真结果如图4～5所示.其中，图4～5分别为三轴姿态和角速度变化曲线，仿真结果表明，在60 s时，三轴姿态精度已经达到［－0.071°0.042°－0.043°］T，姿态角速度达到［0.010(°)/s －0.007(°)/s －0.005(°)/s］T，而长期对地姿态精度和角速度达到了［－2.0×10－3 3.4×10－3 －4.5 ×10－4］T(单位:(°))和［1.75 ×10－5 2.36 ×10－6 －3.86 ×10－6］T(单位:(°)/s).姿态机动也是航天器的常用模式之一，在此利用所建的多领域模型对其过程进行仿真.假设卫星初始处于三轴对地姿态，现要求各轴进行三轴姿态机动，每个轴分别偏转10°、－10°、15°.即初始时刻航天器姿态角、角速度近似为 0，即Ψ0≈ω0≈ 0，而机动后的姿态角Ψf=［10° －10° 15°］T，角速度ωf≈ 0，机动时间tf=100．图6为姿态机动过程中期望姿态和实际姿态的变化曲线(需要指出的是，仿真中给出了0～200 s的数据，其中100 s内为机动时间，100 s后为姿态保持，即姿态期望值不变).仿真结果表明，姿态机动结束后，姿态稳定(200 s时刻)时姿态角和角速度为多学科设计优化技术的兴起，使得多领域统一建模成为大势所趋.航天器系统的建模涉及到机械、电气、控制、软件等多个领域，为真实反映系统的状态，本文建立了包括姿轨控分系统(软件)、飞轮控制器(控制)、飞行机构(电机及其驱动器)、磁力矩器、姿态动力学、轨道动力学等的多领域模型.模型中的各模块具有可重用性，用户根据需要可方便的建立各种对象的多领域模型，实现各种姿态控制模式的仿真.开发航天器系统的多领域统一建模与仿真平台，对于未来的型号研制具有极其重要的意义.未来的工作将继续完善各种敏感器、执行机构的建模，以及编写多种控制算法，并实现航天器跟踪、接近过程的建模和仿真.【相关文献】［1］SAMIN J C，BRÜLS O，COLLARD J F，et al．Multiphysics modelingand optimization ofmechatronic multibody systems［J］.Multibody System Dynamic. 2007，18(3):345 －373.［2］SOBIESZCZANSKI J，HAFTKA R T.Multidisciplinary aerospace design optimization:Survey of recent developments［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization， 1997，14(1):1 －23.［3］宋其江，宋敏强，王日新.基于MAS的航天器故障诊断系统模型［J］.吉林大学学报(工学版)，2009，39(2):546－550.［4］XU W F，LIU Y，LIANG B，et al．Unified multi－domain modeling and simulation of space robot for capturing a moving target［J］.Multibody System Dynamics. 2010，23(3):293－331.［5］LOVERA M.Control－oriented modelling and simulation of spacecraft attitude and orbit dynamics［J］.Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems. 2006，12(1):73－88.［6］SONG B，MA G F，LI C J.Adaptive variable structure control based on backstepping for spacecraft with reacti on wheels during attitude maneuver［J］.Journal of HarbinInstitute of Technology(New Series)， 2009，16(1):138－144.［7］野姜，胡庆雷，马广富.挠性航天器姿态机动智能变结构输出反馈控制［J］.哈尔滨工业大学学报， 2009，41(3):1－5.［8］SANYAL A，FOSBURY A，CHATURVEDI N，et al．Inertia－free spacecraft attitude tracking with disturbance rejection and almost global stabilization［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics， 2009，32(4):1167－1178.［9］YOON H，AGRAWAL B N.Novel expressions of equations of relative motion and control in keplerian orbits［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics. 2009，32(2):664－669.［10］李太玉，张育林.利用地磁场给飞轮卸载的新方法［J］.中国空间科学技术，2001(6):56－61.［11］刘良栋.卫星控制系统仿真技术［M］.北京:宇航出版社，2003.［12］屠善澄.卫星姿态动力学与控制［M］.北京:宇航出版社，2002.。

软件设计过程中的统一建模语言UML

软件设计过程中的统一建模语言UML一、UML的概念和发展统一建模语言，英文缩写UML，是软件开发中常用的一种建模语言。

自1997年推出以来，UML 以其简明的表达和强大的组织能力逐渐成为软件开发领域的标准和事实上的应用范式。

UML 的前身是Booch方法、OOSE方法和OMT方法。

在20世纪80年代中期，这些方法都有自己独特的建模方式和框架，难以让不同方法之间进行有效的交互。

为了解决这个问题，OMG开始了一个称为“UML”（即“共同建模语言”）的倡议。

UML 的实现促使OMG摒弃自己之前的建模语言DA（即“OMT、Booch和OOSE的综合”）。

在几次重大的更新中，UML 以一种形式化规范形式定义了一组符号和图形，以实现在开发、文档化和维护软件时进行可视化建模的目标。

二、UML的优点及特点UML是具有很强的建模性和逻辑性的，为软件开发工程师和设计师提供了简单、规范、美观的可视化构图方式。

在具体应用中，UML的优点主要体现在以下几个方面。

1. 统一的建模语言：UML可以作为一种通用的建模语言，为不同的软件开发者提供了的一种共同基础，从而促进了软件开发的有效性和互操作性。

2. 开放性和标准性：UML是由OMG组织推广的一种标准化建模语言，开放式的接口和标准的语法形式使得UML应用于许多事实应用的实现中。

3. 图形表达力：UML是一种具有较高可视化操作性的可视化建模语言，通过其精美实用的图形，开发人员可以快速理解系统结构和动作流程的设计，为软件开发的快速实现提供了便利条件。

4. 易于扩展性和可维护性：UML是有流程性、属性性和行为性三个方面构成的、具有极高扩展性的建模语言，因而可以方便的与其他开发工具及软件结合，也预示着其易于维护的特性。

5. 面向对象的特点：UML以对象的视角来看待系统，这使得建模结果具有面向对象的特点，更贴近于实际的软件开发实践。

三、UML的主要元素1. 用例图：是一个描述系统功能的图形化工具，可以显示对象、行为和组织结构组成。

多领域多尺度融合建模

多领域多尺度融合建模
“多领域多尺度融合建模”是指在建模过程中融合多个领域和多个尺度的数据和知识，以更全面、准确地描述所研究对象的特性和行为。

这种建模方法在科学研究和工程实践中有着重要的应用，能够提高模型的预测能力和解释能力，为复杂系统的分析和优化提供有力的支持。

在过去的研究中，建模往往局限于单一领域或单一尺度的数据和知识，这导致模型的描述能力有限，很难对复杂系统进行全面的分析。

例如，对于气候系统的模拟，传统的气候模型往往只考虑大气层的物理过程，而忽略了海洋、陆地和冰雪等其他领域的影响，导致模拟结果的准确性受到了很大的限制。

而“多领域多尺度融合建模”则能够克服这些局限，通过整合不同领域和尺度的数据和知识，构建更为全面和精细的模型。

这种建模方法可以利用地球系统模型，将大气圈、海洋圈、陆地圈和冰雪圈等不同领域的过程耦合起来，形成一个统一的系统，从而更加准确地描述气候系统的特性和演变。

此外，对于复杂系统的建模往往需要考虑多个尺度的因素。

例如，在材料科学中，对于材料的力学性能研究，需要同时考虑材料的微观结构和宏观特性。

传统的力学模型往往只考虑了材料的宏观行为，而忽略了材料的微观结构对其力学性能的影响。

而“多领域多尺度融合建模”则可以将不同尺度的模型相互耦合，从而更加全面地描述材料的力学性能。

综上所述，“多领域多尺度融合建模”是一种能够提高模型描述能力的重要方法，能够应用于各种复杂系统的分析和优化。

通过整合不同领域和尺度的数据和知识，构建更为全面和精细的模型，我们可以更好地理解和预测复杂系统的行为，为科学研究和工程实践提供更为可靠的支持。

多领域统一建模仿真下压缩机测试系统的PI参数整定

多领域统一建模仿真下压缩机测试系统的PI参数整定焦玉龙;殷翔;王驿凯;曹锋【摘要】为了解决压缩机测试系统惯性大、纯滞后、耦合性强、各种扰动并存使得工况不能快速稳定的问题,采用多领域统一建模语言Modelica构造了压缩机测试系统的数学模型,将齐格勒-尼科尔斯方法应用于Dymola仿真软件来确定合理的比例积分(PI)参数,其实现过程包括在保证其他元件参数不变的情况下给气路膨胀阀以阶跃激励,再断开阶跃激励给系统添加PI控制器,由此总结出了各个PI参数对排气压力、吸气过热度、吸气压力和过冷度的影响规律.结果显示:排气压力或吸气过热度超调时适当增大比例增益或减小积分增益的设定值、振荡时适当减小积分增益设定值、吸气压力超调时适当减小比例增益设定值、稳定时间过长时增大比例增益或减小积分增益设定值、过冷时适当减小比例增益和积分增益,都将有利于系统的PI控制.该结果可为工程中的PI参数整定提供参考.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)008【总页数】6页(P137-142)【关键词】压缩机测试系统;PI参数整定;Modelica语言;Dymola仿真软件【作者】焦玉龙;殷翔;王驿凯;曹锋【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TB69压缩机测试系统用于测量额定工况下(确定的冷凝压力、过冷温度、吸气压力、吸气温度)的压缩机制冷量。

测试系统的运行过程实质上是一个动态的调节过程,如何实现目标工况以及系统响应时间的稳定性问题一直是压缩机测试系统的瓶颈问题[1]。

在变频空调的自动控制系统中,PI控制器是最为常见的一种控制算法[2]。

通过工程经验获得的PI参数能够满足压缩机测试系统实际运行的需求,但这些PI 参数的获得需要花费设备工程师大量的调试时间,显著加长施工工期并带来更多工程费用的消耗。