分布式集成仿真環(huán)境-模型總線（ModelBus）

產(chǎn)品定位

分布式集成仿真環(huán)境-模型總線是面向工業(yè)企業(yè)的自主研發(fā)軟件，主要用于跨學(xué)科、跨領(lǐng)域大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的集成仿真。本軟件致力于輔助自主創(chuàng)新以提高企業(yè)設(shè)計(jì)、研發(fā)效率，助力工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。主要服務(wù)于航空、航天、兵器、汽車、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。

產(chǎn)品簡介

模型總線（Model Bus）是一款自主研發(fā)、支撐垮學(xué)科、跨領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協(xié)議和FMI協(xié)議為基礎(chǔ)，通過C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多客戶端系統(tǒng)仿真軟件分布式集成，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)的多仿真工具統(tǒng)一調(diào)度與并行求解。有效地解決了不同仿真工具（含商業(yè)和自研）之間的連接接口問題，操作便捷，能顯著提高仿真效率。模型總線是經(jīng)過復(fù)雜工程應(yīng)用測試驗(yàn)證、并在國內(nèi)航空和航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)得到實(shí)際應(yīng)用的專業(yè)軟件。

產(chǎn)品價(jià)值

復(fù)雜產(chǎn)品及系統(tǒng)存在著多學(xué)科信息間的交叉，實(shí)物產(chǎn)品制造和試驗(yàn)的周期長、成本高，有必要在研制早期利用多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)對復(fù)雜產(chǎn)品及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行分析，目的是降低周期和成本。隨著產(chǎn)品復(fù)雜度和系統(tǒng)耦合度的不斷增加，單一學(xué)科仿真逐漸不能滿足工程應(yīng)用的需要，多學(xué)科聯(lián)合仿真需求越來越迫切。

模型總線利用分布式交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的仿真工具的集成和仿真數(shù)據(jù)的交互、同步，進(jìn)而完成復(fù)雜模型的高效運(yùn)行求解，為多源、異構(gòu)模型集成提供了解決方案。模型總線是連接物理系統(tǒng)的仿真工具，支持在各自的仿真工具中便捷地使用、修改現(xiàn)有模型，避免由于接口問題重復(fù)建模，使得知識和經(jīng)驗(yàn)以模型的形式保存并運(yùn)行在最恰當(dāng)?shù)姆抡婀ぞ咧小?br>

應(yīng)用案例

1.    飛機(jī)機(jī)電綜合系統(tǒng)集成及求解效率驗(yàn)證

l  問題描述

飛機(jī)電綜合系統(tǒng)包括環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度與綜合化程度的提髙，飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程呈現(xiàn)出需求多樣化、功能交互高度復(fù)雜、各領(lǐng)域物理系統(tǒng)交聯(lián)耦合強(qiáng)、系統(tǒng)綜合化程度高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的、單一節(jié)點(diǎn)的仿真系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足機(jī)電綜合系統(tǒng)仿真的需求。使用分布式聯(lián)合仿真與傳統(tǒng)聯(lián)合仿真方法對復(fù)雜系統(tǒng)異構(gòu)集成及仿真效率進(jìn)行比較。

l  解決方案

采用主流的仿真軟件（Simcenter AMESim、MATLAB/Simulink）建立供電、液壓、燃油、環(huán)控、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，對傳統(tǒng)聯(lián)合仿真方法和分布式架構(gòu)下的聯(lián)合仿真方法進(jìn)行仿真效率的驗(yàn)證。機(jī)電綜合系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系如圖 1所示。

圖 1 機(jī)電綜合系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系

（1）供電系統(tǒng)

飛機(jī)供電系統(tǒng)的主要功能是將飛機(jī)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能以不同的線制、不同的配電方式傳輸?shù)絽R流條，再通過匯流條到用電設(shè)備。供電系統(tǒng)模型采用AMESim建立，如圖 2主要建立270V直流供電系統(tǒng)為飛機(jī)電動(dòng)液壓泵提供功率。

圖 2 供電系統(tǒng)

（2）液壓系統(tǒng)

飛機(jī)液壓系統(tǒng)是指飛機(jī)上以油液為工作介質(zhì)，靠油壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定操縱動(dòng)作的整套裝置。為了保證供壓的安全可靠，現(xiàn)代飛機(jī)上一般都有幾個(gè)獨(dú)立的液壓源系統(tǒng)。如圖 3液壓統(tǒng)模型采用AMESim建立，主要建立飛機(jī)單側(cè)兩個(gè)主液壓源和一個(gè)應(yīng)急液壓源。主液壓源由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輸出功率；應(yīng)急液壓源為一個(gè)電動(dòng)液壓泵，其功率輸入由270V直流電源提供；飛機(jī)各部分負(fù)載通過節(jié)流閥來等效。

圖 3 飛機(jī)液壓系統(tǒng)

（3）燃油系統(tǒng)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)的功用是儲存燃油，并保證在規(guī)定的任何狀態(tài)(如各種飛行高度、飛行姿態(tài))下，均能按發(fā)動(dòng)機(jī)所要求壓力和流量向發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)不間斷地供油，此外，燃油系統(tǒng)還可以完成冷卻機(jī)上其它系統(tǒng)、平衡飛機(jī)、保持飛機(jī)重心于規(guī)定的范圍內(nèi)等附加功能。如圖 4燃油系統(tǒng)采用AMESim建立，主要為飛機(jī)單側(cè)一個(gè)油箱為發(fā)動(dòng)機(jī)供油。

圖 4 燃油系統(tǒng)模型

（4）環(huán)控系統(tǒng)

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)是保證飛機(jī)座艙和設(shè)備艙內(nèi)具有乘員和設(shè)備正常工作所需的適當(dāng)環(huán)境條件的整套裝置。飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)包括座艙供氣和空氣分配、座艙壓力控制 、溫度控制、濕度控制等。如圖 5燃油系統(tǒng)采用AMESim建立，包括主散熱系統(tǒng)、與燃油系統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)。

圖 5 環(huán)控系統(tǒng)

l  驗(yàn)證方式

（1）單一軟件集成仿真（半集成仿真）

供電、液壓、燃油、環(huán)控系統(tǒng)在單一AMESim軟件中建模集成，統(tǒng)計(jì)仿真耗時(shí)。在AMESim中建立如圖 6所示的供電、液壓、燃油、環(huán)控系統(tǒng)模型，并通過系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系連接各系統(tǒng)元件，設(shè)置仿真時(shí)間為2000秒，采樣步長為0.01秒，統(tǒng)計(jì)實(shí)際仿真耗時(shí)為3000小時(shí)。

圖 6 AMESim集成模型

（2）軟件接口聯(lián)合仿真（全集成仿真）

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在Simulink中建模，并與方法（1）中模型通過軟件聯(lián)合仿真接口調(diào)試實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，統(tǒng)計(jì)仿真耗時(shí)；在simulink中建立如圖 7所示的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，與單一軟件集成仿真模型（如圖 6）通過兩款軟件自帶的聯(lián)合仿真接口進(jìn)行集成，設(shè)置仿真時(shí)間為2000秒，采樣步長為0.01秒，統(tǒng)計(jì)實(shí)際仿真耗時(shí)為5000小時(shí)。

圖 7 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖 8 燃油接口

（3）分布式聯(lián)合仿真（全分布式仿真）

供電、液壓、燃油、環(huán)控、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通過分布式仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，統(tǒng)計(jì)仿真耗時(shí)。按圖 9所示的分布式仿真交聯(lián)關(guān)系建立分布式仿真模型，設(shè)置各模型中FMU控件參數(shù)，包括端口號、IP地址、通信時(shí)間、接口名稱，設(shè)置模型總線參數(shù)（仿真時(shí)間、通信時(shí)間、端口號），仿真時(shí)間為2000秒，統(tǒng)計(jì)實(shí)際仿真耗時(shí)為330小時(shí)。

圖 9 分布式仿真交聯(lián)關(guān)系

l  分析結(jié)論

圖 10為三種聯(lián)合仿真方式的實(shí)際仿真耗時(shí)，由圖中可以看出分布式聯(lián)合仿真技術(shù)在提高復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)合仿真效率方面有明顯的優(yōu)勢，全分布式對比全集成聯(lián)合仿真（AMESim與simulink聯(lián)合仿真）效率提升了15倍以上。

圖 10 仿真耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

通過模型總線性能統(tǒng)計(jì)功能發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)和供電系統(tǒng)在計(jì)算過程中耗時(shí)較長，尤其是液壓系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間為其他系統(tǒng)200倍以上，拖慢了整體模型的求解速度，因此需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試或者拆分以提高求解效率。

圖 11 性能統(tǒng)計(jì)

通過機(jī)電系統(tǒng)分布式聯(lián)合仿真驗(yàn)證，模型總線技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）解決了多學(xué)科模型異構(gòu)集成問題

模型總線基于FMI接口協(xié)議設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了支持FMI接口協(xié)議仿真軟件的連接，可以作為一種通用工具便捷的實(shí)現(xiàn)仿真模型異構(gòu)集成。

（2）提高了復(fù)雜系統(tǒng)模型仿真效率

通過機(jī)電綜合系統(tǒng)模型驗(yàn)證表明分布式聯(lián)合仿真技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)仿真效率提升方面有很大的幫助，尤其模型拆分之后模型求解效率提升至少15倍以上。

（3）通過“性能統(tǒng)計(jì)”的二次求解效率提升

通過模型總線性能統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)模型在求解過程中耗時(shí)來發(fā)現(xiàn)求解最慢的模型（求解速度慢主要是大剛性或高頻模型造成），對此模型進(jìn)行優(yōu)化或者拆分可以二次提高求解效率。

2.    低壓發(fā)電機(jī)2D磁場仿真

l  問題描述

飛機(jī)28V的低壓直流發(fā)電系統(tǒng)是集控制、電路和發(fā)電機(jī)本體的一體化系統(tǒng)。對這類發(fā)電機(jī)的分析不僅僅需要對其瞬態(tài)磁場進(jìn)行計(jì)算，還要對控制電路進(jìn)行考慮。

l  解決方案

以ANSYS/Twin Builder為平臺，在simplorer中建立28V直流發(fā)電機(jī)電路模型，在Maxwell中建立2D磁場模型來對發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁場仿真分析。

模型由4部分組成，各部分交互關(guān)系如圖 12所示。電機(jī)模型為永磁同步發(fā)電機(jī)，模型是用maxwell的2D電磁場有限元模型，如圖 13所示?？刂齐娐肥怯胹implorer建立，如圖 14所示，控制方式為典型的DC-DC的buck電路；控制原理為：將永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出交流電經(jīng)過整流電路整流后，變成直流電，輸出的直流電在經(jīng)過buck電路，通過調(diào)節(jié)buck電路中開關(guān)的控制信號調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的輸出電壓維持在28V。永磁電路buck電路的開關(guān)的控制模塊在Simulink平臺下建模，如圖 15所示。控制原理為：檢測負(fù)載的輸出電壓，當(dāng)負(fù)載輸出電壓大于28V時(shí)，開關(guān)的控制信號輸出為0，buck電路開關(guān)斷開，負(fù)載電壓下降；當(dāng)負(fù)載輸出電壓小于28V時(shí)，開關(guān)的控制信號輸出為1，buck電路開關(guān)斷開，負(fù)載電壓上升。通過調(diào)節(jié)控制模塊的輸出信號調(diào)節(jié)buck電路輸入信號的占空比，保證電機(jī)輸出28V。永磁電機(jī)的負(fù)載通過Simulation X進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，如圖 16所示。模型考慮了永磁同步電機(jī)繞阻的熱功率，通過i2R將電機(jī)繞組損耗傳遞至AMESim模型進(jìn)行散熱，如圖 17所示。

圖 12 交互關(guān)系

圖 13 Maxwell磁場模型

圖 14 simplorer模型

圖 15 simulink穩(wěn)壓控制模型

圖 16 SimulationX電阻負(fù)載模型

圖 17 AMESim熱交換模型

l  分析結(jié)論

利用Maxwell建立的永磁式發(fā)電機(jī)電磁場二維有限元仿真模型，采用瞬態(tài)場對發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行了仿真研究，發(fā)電機(jī)輸出28V直流電壓如圖 18所示，發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電磁場云圖如圖 19所示。

通過模型總線，完成SimulationX、Amesim、Matlab/Simulink、Simplorer及Maxwell工具的異構(gòu)模型集成，形成了系統(tǒng)仿真與場仿真相結(jié)合的解決方案。

圖 18 發(fā)電機(jī)輸出電壓

圖 19 發(fā)電機(jī)瞬態(tài)磁場云圖

3.    MBSE應(yīng)用案例

l  問題描述

以飛機(jī)方向舵“伺服液壓系統(tǒng)”為例，展示MBSE在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)用于接收遠(yuǎn)程電子單元的控制指令，控制飛機(jī)方向舵的舵面偏轉(zhuǎn)，由傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及一系列閥組成。

此案例是用來分析和細(xì)化利益攸關(guān)者需要，通過SysML模型元素進(jìn)行系統(tǒng)表達(dá)，針對系統(tǒng)要解決的問題得到一個(gè)清晰且一致的描述。該案例實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證過程。

l  解決方案

伺服液壓系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景為：在通電通壓的情況下，接收REU的控制指令，實(shí)現(xiàn)對方向舵的控制，同時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到飛控系統(tǒng)。因此，案例可劃分為1個(gè)主用例（控制舵面）和2個(gè)子用例（控制偏轉(zhuǎn)、檢測狀態(tài)）。

針對“控制舵面”用例，可通過帶泳道的活動(dòng)圖對應(yīng)用場景做進(jìn)一步細(xì)化描述，可細(xì)化外部系統(tǒng)與伺服液壓系統(tǒng)的具體接口信息和交互邏輯，梳理系統(tǒng)的運(yùn)行分析過程，和明確系統(tǒng)所承擔(dān)的具體功能。

圖 20 控制過程

通過狀態(tài)圖可分析系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)的完整動(dòng)態(tài)行為，包括定義系統(tǒng)的狀態(tài)模型、激勵(lì)模型（如外部信號，變更事件）、行為模型、UI模型。然后，執(zhí)行狀態(tài)機(jī)來檢驗(yàn)所構(gòu)建的模型是否符合利益攸關(guān)者期望，進(jìn)而在產(chǎn)品研制的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)需求偏差與缺失。

圖 21 狀態(tài)機(jī)圖

各模型之間的聯(lián)合仿真接口數(shù)據(jù)交互關(guān)系主要為：狀態(tài)機(jī)提供伺服指令和鎖信號給模型總線，收到模型總線返回的活塞位移和液壓壓力指標(biāo)。

圖 22 模型間接口關(guān)系

（1）構(gòu)建多學(xué)科模型

在民機(jī)飛控系統(tǒng)中，每架飛機(jī)方向舵舵面配備3臺方向舵作動(dòng)器，每臺作動(dòng)器配備一個(gè)REU伺服控制模塊，3套伺服系統(tǒng)工作原理相同，以提供必須的系統(tǒng)余度，保證飛行可靠性和安全性。

該方向舵作動(dòng)器具有兩個(gè)工作模態(tài)：

主動(dòng)模態(tài)：電液伺服閥接收REU控制輸入電流指令分配負(fù)載流量，從而對作動(dòng)筒的位置和速度來進(jìn)行控制。主動(dòng)模式要求電磁閥上電并要求液壓系統(tǒng)壓力高于一定的門限。

阻尼模態(tài)：在阻尼模態(tài)下，由于液壓系統(tǒng)壓力或REU指令信號的喪失，單線圈常閉電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥將處于阻尼工作位置。當(dāng)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥處于阻尼工作位置時(shí)，模態(tài)轉(zhuǎn)化閥將作動(dòng)筒與伺服閥油液控制隔離。

根據(jù)方向舵作動(dòng)器系統(tǒng)工作原理圖，建立AMESim液壓系統(tǒng)模型。

圖 23 伺服舵機(jī)液壓系統(tǒng)模型

建立REU伺服控制模塊的Simulink模型，描述作動(dòng)器位置閉環(huán)控制的PID調(diào)節(jié)。

圖 24 伺服舵機(jī)控制系統(tǒng)模型

（2）貫通邏輯模型和物理模型

構(gòu)建仿真場景，實(shí)現(xiàn)將邏輯模型與物理模型的聯(lián)通。仿真場景圖的作用體現(xiàn)如下：

?  導(dǎo)入伺服液壓系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型；

?  導(dǎo)入通過模型總線綁定的多學(xué)科模型（AMESim液壓系統(tǒng)模型和REU伺服控制模塊Simulink模型）；

?  導(dǎo)入用于展現(xiàn)人機(jī)交互的UI模型；

?  通過連線關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)邏輯模型與物理模型的參數(shù)綁定。

（3）包含離散信號和連續(xù)參數(shù)的聯(lián)合仿真

在聯(lián)合仿真過程中，首先通過UI模型提供外部激勵(lì)給狀態(tài)機(jī)模型（通電、開鎖），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)及信號發(fā)送。

同時(shí)，AMESim液壓系統(tǒng)模型中的電磁閥接收狀態(tài)機(jī)指令（對應(yīng)解鎖信號為0或1）控制模態(tài)選擇閥換向，伺服閥控制方向舵作動(dòng)器按REU給定的PID控制指令動(dòng)作。在此過程中，液壓系統(tǒng)模型上傳到模型總線的數(shù)據(jù)為作動(dòng)器位移和液壓系統(tǒng)壓力，從模型總線接收的數(shù)據(jù)為伺服閥的PID控制信號和電磁閥的鎖信號。

狀態(tài)機(jī)發(fā)出伸出、收回的指令信號（對應(yīng)控制信號為0或1），由作動(dòng)器輸出的位移通過負(fù)反饋由PID控制作動(dòng)器按位移100mm伸出、收回。在此過程中，Simulink控制系統(tǒng)模型上傳到模型總線的數(shù)據(jù)為PID參數(shù)，從模型總線接收的參數(shù)為作動(dòng)器位移和作動(dòng)器伸出、收回的指令信號。

l  分析結(jié)論

（1）通過問題域、方案域和實(shí)現(xiàn)域的逐層分析，形成了一套規(guī)范、可實(shí)施的設(shè)計(jì)方法；

（2）在仿真時(shí)除了應(yīng)用狀態(tài)機(jī)中的離散信號外，引入了機(jī)、電、液、控、軟等多學(xué)科模型，使仿真更貼近于實(shí)際；

（3）實(shí)現(xiàn)了需求工程到仿真工程的局部貫通，數(shù)據(jù)貫通、工具貫通、業(yè)務(wù)貫通，促進(jìn)MBSE進(jìn)一步落地應(yīng)用。