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。

1.4.联合仿真

多数情况下，产品的研发需要多个部门配合工作，而当需要对产品功能进行仿真验证时，需要把各部分模型进行集成，获得各部分模型之间的耦合关系，且需要在仿真过程中保证各部分模型之间能够进行高效的数据交互。所以在系统级的多学科数字化建模之后，还需要进行联合仿真。

2.实施方案

2.1.Modelica建模语言

Modelica语言是一种面向对象的多学科建模语言，其设计初衷就是为了解决涉及多个学科领域的、复杂系统建模，是一种面向工程应用的建模语言。Modelica语言基于方程的建模方式和无因果特点大大简化了模型开发的难度，且Modelica协会提供了针对机械、流体、控制、电磁、电气等多个工程领域的免费模型库（图3）。使用者可方便地基于这些模型库中的已有元器件模型，搭建自己的系统模型，且可以针对自己的特殊应用，通过继承、修改等方式形成具有知识产权的模型甚至模型库。

图3Modelica基础模型库

2.2.Dymola建模仿真平台

Dymola软件是法国达索公司专业的多学科系统仿真工具，基于开源的Modelica语言进行建模，支持最新版本的Modelica基础模型库，且拥有由DLR（德国宇航局）、Modelon、Claytex、ATI等成员公司开发并经过工业验证的众多不同行业的专业库，如电机、多体动力学、电气、热力学、液压、气动和控制等专业元件库，为机械、电气、液压等多领域的应用提供了极大的便利性。

图4Dymola商业库及应用

基于Dymola的模型库，可以搭建完整的飞机机电系统模型，如图5所示。

图5基于Dymola搭建飞机机电系统

Dymola提供了多种高效、稳定的DAE求解器，具有自适应步长、自动调整求解器阶数等特点，适用于涉及多种方程种类的系统求解，包括非线性系统、刚性系统、连续离散混合系统、带有高频、冲击的系统等，能够保证包含液压、电力、多刚体、状态机、控制等多领域方程系统求解的收敛性和稳健性。

2.3.基于FMI+TISC的联合仿真

在多学科建模工具Dymola中，可以高效地建立各子系统的模型并进行联合仿真，但鉴于工作习惯等原因，多数领域的工程师会选择继续使用惯用的软件进行建模，不同领域的建模软件亦不同。如此，在进行模型集成和联合仿真时会遇到数据接口的问题。如果针对任意两个软件开发专用的接口，则会引入巨大的工作量，而对于使用者也比较混乱。另一个方面，很多模型都包含了大量的研究成果，出于对知识产权的保护，有些部门或供应商可能不愿意提供白盒模型。

为了解决上述问题，欧洲Modelisar协会提出了Functional

Mock-up Interface（FMI）。FMI是开放的第三方标准接口协议，任何软件均可以基于该协议开发接口，将所建立的模型封装为Functional Mock-up Unit（FMU），实现与其他软件所建立模型的交互和联合仿真。而且FMU是黑盒模型，有助于保护模型所有者的知识产权。

目前有52个工程领域常用的商业软件支持FMI协议，但仍有部分软件未能支持。另一方面，有时模型分布在各个研究室，且难以存储于同一台计算机，则需要进行分布式的联合仿真。为解决上述问题，引入分布式联合仿真平台TISC，该软件同时支持同一台计算机中的多个模型之间的联合仿真。

(a)原

理

(b)目前

支持的软件

图 6 分布式联合仿真平台TISC

该平台通过以太网通信，实现模型之前的数据交互，支持多个领域的多种建模仿真工具，且具有FMU Controller，支持基于FMU的联合仿真。

基于FMI+TISC，可以为复杂机电系统的建模仿真提供完整的解决

方案，如图7所示。

图7基于FMI+TISC的复杂系统联合仿真

2.4.模型开发与系统级建模仿真

基于Dymola、PROOSIS、Simulink等建模工具，恒润可以提供定制化的建模仿真服务。

图8基于Dymola建立的环控系统模型

基于Dymola，可建立基本管路、分叉流管路、汇流、流阻、限流环、电动活门、流量控制活门、混合腔、驾驶舱、客舱、电动风扇、涡轮、压气机、风扇、电加热器、空-空热交换器、空-液热交换器、水分离器等模型，搭建