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FMI在基于模型系統(tǒng)工程中的應用

發(fā)布時間: 2020.05.15 點擊：5120 次

引言

傳統(tǒng)系統(tǒng)工程過程中，各專業(yè)學科獨立利用不同粒度模型和仿真工具對系統(tǒng)總體設(shè)計方案進行驗證。但是對系統(tǒng)工程整體而言，對系統(tǒng)運行邏輯、狀態(tài)的描述主要采用文本描述方式，無法早期對系統(tǒng)整體方案進行驗證。系統(tǒng)整體驗證主要依賴系統(tǒng)集成驗證階段的半實物/實物驗證，驗證迭代周期長。采用MBSE方式，可以早期持續(xù)的對需求和設(shè)計進行驗證，早期發(fā)現(xiàn)需求的缺失/不一致以及設(shè)計的缺陷。通過對系統(tǒng)架構(gòu)方案的設(shè)計、權(quán)衡分析與驗證，得到最優(yōu)系統(tǒng)架構(gòu)方案，交付軟硬件進行開發(fā)。

通過SysML語言中需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等4類模型之間元素的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建起動態(tài)可執(zhí)行的任務(wù)場景模型。對系統(tǒng)在具體任務(wù)中的運行情況進行驗證，通過集成系統(tǒng)模型與專業(yè)模型以增強模型運算能力。國際系統(tǒng)工程學會與美國國家科學基金會合作開展“曙光探測者號”立方體衛(wèi)星的論證、設(shè)計與研制，集成了部分軌道設(shè)計模型(STK)以及專業(yè)計算模型(Simulink)，通過調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)與任務(wù)參數(shù)直接觀察系統(tǒng)整體運行情況，極大提高了系統(tǒng)先期驗證能力。

▲ 圖 1. CubeSat Mission Simulation

在缺乏系統(tǒng)模型的情況下，機電熱液控等學科采用不同仿真工具和數(shù)據(jù)模型，各學科之間的集成和耦合非常有限，多學科協(xié)同設(shè)計難以開展。使用SysML創(chuàng)建的系統(tǒng)模型能夠描述系統(tǒng)頂層整體的結(jié)構(gòu)、行為、需求和約束信息，并且從技術(shù)角度以數(shù)據(jù)交互、模型轉(zhuǎn)換與封裝手段集成多學科的專業(yè)模型，從而能夠充當系統(tǒng)工程過程中多學科設(shè)計的集線器，通過系統(tǒng)模型實現(xiàn)多學科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。本文結(jié)合DS的Cameo Systems Modeler?介紹FMI（Functional Mock-up Interface）在基于模型系統(tǒng)工程的多學科集成仿真驗證中的應用。

▲ 圖 2. 系統(tǒng)模型集成

案例分享

案例從挖掘機的用戶需求出發(fā)，設(shè)計整體系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)該架構(gòu)的定義，在設(shè)計的早期把物理系統(tǒng)的模型和控制系統(tǒng)的模型耦合起來建立機電一體化系統(tǒng)的模型，在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上對整體方案進行分析和優(yōu)化，完成各個子系統(tǒng)的性能指標設(shè)定。隨后在子系統(tǒng)開發(fā)階段中，通過建立子系統(tǒng)進一步細化的模型，一方面審核子系統(tǒng)的性能是否滿足系統(tǒng)設(shè)計階段定義的性能指標；另一方面該子系統(tǒng)模型可以替代系統(tǒng)模型中的功能模型，從而可以在整個系統(tǒng)環(huán)境中對子系統(tǒng)進行優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)定義的物理架構(gòu)和需求，進行物理部件的3D幾何設(shè)計，在設(shè)計的早期對物理部件的性能進行仿真驗證。本文僅關(guān)注FMI在多學科聯(lián)合仿真中的應用場景，見下圖。

▲ 圖 3. 多學科聯(lián)合仿真

在Cameo Systems Modeler?中創(chuàng)建了挖掘機的整體模型，從需求、結(jié)構(gòu)、行為、和參數(shù)等方面圖形化描述了挖掘機系統(tǒng)。在Matlab Simulink中創(chuàng)建了ECU模型用于模擬仿真ECU控制模型的特性，同時在AMESIM中創(chuàng)建液壓子系統(tǒng)1物理模型用于模擬仿真液壓子系統(tǒng)的物理行為特性。通過FMI的Co-Simulation方法連接挖掘機系統(tǒng)模型、ECU模型和液壓系統(tǒng)模型，利用CSM自帶的Cameo Simulation Toolkit，對系統(tǒng)的功能架構(gòu)和性能指標進行聯(lián)合仿真驗證。

通過對挖掘機工況的分析，仿真驗證ECU和液壓子系統(tǒng)設(shè)計方案是否滿足所有工況下對系統(tǒng)的功能和性能指標要求。圖4是挖掘作業(yè)下的ECU的控制輸出，通過對HMI的人工控制輸入信號的處理轉(zhuǎn)換，傳輸給液壓系統(tǒng)，作為液壓系統(tǒng)的控制輸入。圖5是挖掘作業(yè)下，液壓系統(tǒng)中Boom、Dipper、Bucket液壓缸的壓力變化。

▲ 圖 4. ECU的控制輸出

▲ 圖 5. 液壓缸壓力

通過比對最大工作壓力同系統(tǒng)工作下液壓缸壓力，早期仿真驗證液壓系統(tǒng)設(shè)計方案是否滿足液壓系統(tǒng)最大壓力需求。通過FMI方法連接挖掘機系統(tǒng)模型、ECU模型和液壓系統(tǒng)模型進行液壓系統(tǒng)壓力、流量和能耗等系統(tǒng)需求的仿真驗證，早期對液壓系統(tǒng)設(shè)計方案進行驗證(選取的液壓缸，液壓馬達等系統(tǒng)元件規(guī)格是否能夠滿足液壓系統(tǒng)要求)。

▲圖 6. 液壓系統(tǒng)工作壓力驗證

展望

本文重點關(guān)注案例中通過FMI Co-Simulation方法連接挖掘機系統(tǒng)模型、ECU模型和液壓系統(tǒng)模型，聯(lián)合仿真驗證子系統(tǒng)的功能架構(gòu)和性能指標。FMI是應對工具碎片化、模型重用和知識產(chǎn)權(quán)保護問題的一種好的解決方案。但是FMI有它的局限性，F(xiàn)MI側(cè)重于電子、機械和軟件模型之間的高效協(xié)同仿真接口，主要目標是模擬和分析模型，無法用于集成需求和3D幾何(CAD)模型數(shù)據(jù)?；?DE平臺的MBSE解決方案，在一個開放和協(xié)作的業(yè)務(wù)平臺上，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)需求管理、需求分析、架構(gòu)設(shè)計、物理設(shè)計、仿真驗證和全生命周期的需求追溯，實現(xiàn)需求驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)，使企業(yè)可以從整體上把握價值鏈的上下游系統(tǒng)，幫助避免因需求與物理實現(xiàn)不符所導致的成本昂貴的后期系統(tǒng)集成問題。

關(guān)于上海江達
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供稿來源：技術(shù)部

關(guān)鍵詞：基于模型系統(tǒng)工程、仿真驗證、達索系統(tǒng)

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