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                FMI在基於模型系統工程中的應用
                發布時間: 2020.05.15  點擊:963 次
                引言
                傳統系統工程過程中,各專業學科獨立利用不同ω粒度模型和仿真工具對系統總體設計 這個秘密方案進行驗證。但是對系統工程整體而言,對系統運行①邏輯、狀態的描述主要采用文本描述方式,無法早期對系沒錯統整體方案進行驗證。系統整體驗證主拿著這塊土靈石要依賴系統集成驗證階段☉的半實物/實物驗證,驗證叠代周期長。采用MBSE方式,可以早期持續◣的對需求和設計進行驗證,早期發現需求的缺失/不一致以及設計的缺陷。通過對系↑統架構方案的設計、權衡分析與驗證,得到最優系統架構方案,交付軟硬臉色凝重件進行開發。

                通過SysML語言中需求〖、行為、結構、參數等4類模型之間元素的關聯『,構建起動態可執行的任務場景模〓型。對系統在祥云具體任務中的運行情況進行驗證,通過集成系統模型與專業模型以增強模型運算∑ 能力。國際系統工程學會與美國國家科學基金會合作開展“曙光探測☆者號”立方體衛星的論證、設計與▼研制,集成了部分軌道設計模型(STK)以及專業計算模型(Simulink),通過調整〗系統設計參數與任務參數直接觀察系統整體運行情況,極大提高了系統先期驗證能力。


                ▲ 圖 1. CubeSat Mission Simulation

                在缺乏系統模型的情況下,機電熱液控等學科采用不同仿♀真工具和數據模型,各學科之◥間的集成和耦合非常有限,多學科協同設計難以開展。使用SysML創建的系統抓出了他們模型能夠描述系統頂層整體的結ぷ構、行為、需求和約束信息,並且從技術角度以數據交互、模型轉換與封裝手段集成多學科仙帝五個的專業模型,從而能夠充當系統】工程過程中多學科設計的集線∩器,通過系統模型實現多學科協同優化設計。本文結合DS的Cameo Systems Modeler?介紹FMI(Functional Mock-up Interface)在基於模型系統工程的多學科集成仿真驗證中的應用。


                ▲ 圖 2. 系統》模型集成

                案例分享
                案例從挖掘機的用戶需求出發,設計整體系統架構,根據■該架構的定義,在設計的早期把物理系統的模型和控制系統的模型◣耦合起來建立機電一體化系統的模型,在系統模型的基礎上對整體方案進行分析和優化,完成︻各個子系統的性能指標設定。隨後在子系統開發階段中,通過建立子系統進一步細化的模型,一方面審核子系統的性能□ 是否滿足系統設計階段定義的性能指標;另一方面該子系統模型可以△替代系統模型中的功能模型,從而可以在整個系統環境中對子系統進行優●化。根據系統定義的物理架構和需求,進行物理部件的3D幾何設計,在設計的早期對物憑借你一個人就想對付我們兩個人理部件的性能進行仿¤真驗證。本文僅@關註FMI在多學科聯合仿真中的應用場景,見下圖。


                ▲ 圖 3. 多學科聯合仿真

                在Cameo Systems Modeler?中創建了挖掘機的整體模型,從需求、結構、行為、和參數等方◥面圖形化描述了挖掘機系統。在Matlab Simulink中創建了ECU模型用於模擬仿真ECU控制模型的特性,同時在AMESIM中創袁一剛剛想發起新建液壓子系統▓1物理模型用於模擬仿真液壓子系統的◥物理行為特性。通過FMI的Co-Simulation方法連接挖掘機系統模型、ECU模型和液壓系統模型,利用CSM自帶的Cameo Simulation Toolkit,對系統的功能架構和性能指標進行聯合仿真≡驗證。

                通過對挖掘機工況的分析,仿真驗證ECU和液壓子系統設計方案是否滿足所有工況下對系統的功㊣能和性能指標要求。圖4是挖掘作業下的ECU的控制輸》出,通過對HMI的人工控制輸入信號的處理轉換,傳輸給液壓系統,作為液壓№系統的控制輸入。圖5是挖掘作業下,液壓系統中Boom、Dipper、Bucket液壓缸的壓力變化。


                ▲ 圖 4. ECU的控╳制輸出


                ▲  圖 5. 液壓ξ缸壓力

                通過比對最大工作壓力同系統工作下液壓缸壓力,早期仿真驗證液壓系統設計方案是否滿足液壓系統最大壓力需♂求。通過FMI方法連接挖掘機系統模型、ECU模型和液壓系統模型進行液壓系統壓力、流量和能耗等系統★需求的仿真驗證,早期對液壓系統設計方案進行驗證(選取的液壓『缸,液壓馬達等系統元件規格是否能夠滿足液壓系統要求)。
                圖 6. 液壓系統工作壓力驗證

                展望
                本文重⊙點關註案例中通過FMI Co-Simulation方法連接挖掘機系統模型、ECU模型和液壓系統模型,聯合仿∑真驗證子系統的功能架構和性能指標。FMI是應對工具碎片化、模型重用和知識產〓權保護問題的一種好的解決方案。但是FMI有它的局限性,FMI側←重於電子、機械和殺無赦軟件模型之間的高效協同仿真接口,主要目標是模擬和分析威脅模型,無法用咻於集成需求和3D幾何(CAD)模型數據。基於3DE平臺的MBSE解決方案,在一個開放和協作的業務●平臺上,統一數據╲源,實現需求管理、需求分析、架構設計、物理設計、仿真驗證和全生命周期的需求追溯,實現需求驅動的產品開發,使企業可以從整體上把握〒價值鏈的上下遊系k統,幫助避免因需求與物理實現不符所導致的成本昂ξ 貴的後期系統集成問題。

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                供稿來源:技術部

                關鍵詞:基於模型系統工程、仿真驗證、達索系統
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