提高复杂机电系统的研发效率—多学科建模与联合仿真-凯发官方首页

        在技术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，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。另外，产品部件之间的耦合关系越来越紧密，多数功能需要各部分紧密配合才能实现，因此系统级建模尤为重要。

        机-电-液-控一体化的高速发展使得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，而多数情况下，产品的研发又需要多个部门配合工作，当对产品功能进行仿真验证时，把各部分模型进行集成，获得各部分模型之间的耦合关系，且保证仿真过程中各部分模型之间能够进行高效的数据交互。所以，在系统级多学科建模之后，还需要进行联合仿真。

        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。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。

飞机综合能量管理系统

        飞机机电系统涉及电、磁、热、机械、液压、流体、控制等多个学科，且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的联合仿真。

飞机机电系统

        多学科建模语言modelica语言的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，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。

modelica基础模型库

        法国达索公司专业的多学科系统仿真工具dymola软件，可以基于开源的modelica语言进行建模，支持新版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。

dymola商业库及应用

       dymola提供了多种高效、稳定的求解器，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。

        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。这种特点使fmu可以作为主机厂与供应商之间模型交互的工具，主机厂定义系统架构，并结合供应商提供的部件级、子系统级fmu模型，在产品研发的早期进行系统功能仿真，进行方案验证优化及部件选型。

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

基于dymola+fmu的虚拟铁鸟

        以飞机虚拟铁鸟为例，基于dymola搭建环控系统、燃油系统、供配电系统、二动力系统，通过amesim搭建液压系统，基于proosis搭建发动机模型，并基于simulink搭建控制系统，通过fmi/fmu接口技术，实现dymola、proosis、amesim、simulink等多学科模型之间的联合仿真，实现飞机机电综合性能模拟，并用于研究机电综合下各个子系统之间的交联问题。