多领域建模方法与技术

姓名：蒋鹏

学号：132********

专业：载运工具运用工程

?1：多领域建模综述

?2：多领域建模方法

?3：多领域建模的技术路线

?4：基于modelica语言的多领域建模仿真

? 1.1 多领域建模(multi一domainmodeling)是将机械、控制、电子、液压、气动、软件等不同学科领域的模型“组装”成为一个更大的仿真模型，以用于仿真运行多领域统一建模，它的发展经历了从单一领域独立建模到多领域统一建模、连续域或离散域分散建模到连续离散混合建模、面向过程建模到面向对象建模的发展阶段。

? 1.2 现在该技术已经开始在汽车、航空航天、机器人等领域得到了应用，主要是研究这些复杂系统的综合特性，建立复杂产品的整体耦合模型进行协同仿真能有效的描述和分析复杂产品的行为特性。

?目前多领域建模方法主要有三种，分别为：?（1）基于接口的建模方法

?（2）基于高层体系结构的建模方法

?（3）基于统一语言的建模方法

? 2.1 基于接口的建模方法：

?基于接口的建模仿真方法实现多领域的途径是通过不同商用仿真软件建立各子系统的独立模型，然后在通过这些仿真软件间已有的或者自己编写的接口进行数据的传递，以此来实现不同学科间的耦合分析，整个仿真过程就是不同软件之间的数据传递以及各自软件的独立仿真。具体过程如下图所示：

基于接口的协同仿真

?基于接口的分析方法的准确性及稳定性主要在于接口间数据传递的实时性与稳定性，而不同软件一般是不同公司的产品，虽然具有支持其他软件的接口但并不完美，在实际的运用中也发现了这种方法的诸多缺点。如：

?缺点1 仿真分析的前提是不同仿真软件间存在可用接口，只有相互间存在接口的软件才能实现仿真分析；

?缺点2 虽然软件间存在接口，但毕竟软件是不同公司开发的，接口间结合并不完美，无法实现数据的无缝传递，同时由于软件间的接口不具备开放性与标准性，扩充困难。

? 2.2 基于高层体系结构(HLA)的多领域建模仿真方法?HLA(High Level of Architecture)多领域建模方法是美国国防建模与仿真办公室在1995 年为实现通用性仿真技术框架的建模与仿真时作为这种框架的核心高层体系结构而提出的，这种方法的提出是为了保证各种仿真软件应用间的互操作性和通用性。

?此方法采用的是利用HLA 方法将模型A 的输出变量映射给模型B 的输入变量，如下图所示：

?基于HLA 的建模方法相对于基于接口的方法有很多优点，克服了基于接口的方法依赖于软件接口的缺点，同时也不可避免的产生了一些新的问题：

?问题1 与基于接口的建模一样，不同领域的组件模型需要在各自的仿真软件中建立；

?问题2 各学科间的耦合关系被人为的隔开，增加了系统集成的难度；

?问题3 不同仿真软件需要编写特定的代码以实现其应用配置，这给多个求解器的步长协调工作带来了不便，将问题复杂化了，甚至造成无法实现协调的后果。

? 2.3 基于统一建模语言的多领域建模方法

?基于统一建模语言的多领域建模方法很好的克服了前面两种方法的缺点，是一种与领域无关的建模方法，不需要不同软件间的接口，它能方便的实现随意领域间的统一建模。所有的模型通过一种语言建立，所以所有领域的模型描述形式都不一样的，形式的一致性可以实现领域间耦合的无缝性。

?其中以modelica多领域统一建模语言最具代表。?Modelica语言采用的是面向对象和组件的建模方法，通过将一个系统分成若干相互联系的对象来实现复杂模型的简洁化，基于模型简单化组件化的思想，每个需要建立的复杂模型都可有若干基本组件相互间的连接而组合起来，为了实现建模的快速性，modelica开发者建立了一系列

的可重用标准库，如机械、电气、液压、传热等领域的基本元件所组成的领域标准库。用户在建立相关模型时就可直接调用标准库中的元件，极大的加快的建模的速度和模型的通用性。

?与基于接口和HLA 的建模方法的比较分析，基于Modelica 语言的多领域建模方法主要有如下优点：

? 1 建模方便。Modelica 语言的面向建模方法支持陈述式建模、非因果建模、面向对象建模和连续混合建模，用户可任意的拖放系统自带的标准库中的基本模型来实现自己复杂模型的建立，并且建立好的模型。由于标准库的可重用性使得在模型出现小的修改时显得十分容易；

? 2 模型可重用性高。非因果建模表述方程关系简单易读，通过分析模型间的相似性可通过调用或者局部修改来完成相似模型的建立，或者是新建模型中有用到原模型中的某个领域块时可直接拖拽过来使用，无需重新建立，大大缩减了建模时间；

? 3 无需符号处理。与以往的多领域建模方法相比，基于modelica 的非因果建模无需用户对模型进行方程推导，陈述式建模使方程更具可读性，模型更有效；

4 建模与仿真相互独立。用户在建立模型时只需考虑用方

程描述仿真模型的行为的方法，而不需关心模型的具体详细实现过程以及仿真是怎样运行的。

? 5 不同领域间的模型实现无缝连接。由于所有模型的建立都是采用的一种统一语言，所以建立的模型间的耦合更容易，可以方便的实现无缝耦合。

3 多领域建模的技术路线

大部分的复杂建模仿真模型主要由机械动力学模型、液压系统模型和控制系统模型三大部分构成。其中，机械系统模型采用多体动力学仿真软件ADAMS 进行多体动力学建模；液压系统模型采用高级工程系统仿真建模环境AMESim；控制系统仿真模型采用MATLAB/ Simulink 进行建模；通过三者提供的接口进行协同仿真。整个系统建模和仿真示意图如下：

? 3.1 机械动力学模型

?Pro/Engineer 是一个优秀的三维建模软件，ANSYS 的特点在于有限元分析，而ADAMS 是权威的动力学分

析软件。综合利用三者的优点，直接利用Pro/Engineer 建模得到的机械CAD 实体模型，一方面通过它提供的和ADAMS 的无缝接口，将模型导入到ADAMS；另一方面，通过ANSYS-Pro/E接口，将需要作为柔性体处理的刚体模型导入ANSYS，进行模态分析，得到模态中性文件；

最后，通过ADAMS 与ANSYS 的接口，将得到的柔性体替换相应的刚体，即得到ADAMS 的柔体动力学机械模型。? 3.2 液压系统模型

?使用AMESim 建立液压系统模型，可以按照实际的物理系统构建仿真模型，只需要将对应的模块图标复制到工作区，而不需要去推导复杂的数学模型；其次，与其它仿真软件相比较，AMESim 采用复合接口，即一个接口

传递多个变量，简化了模型的规模，而且使得不同领域模块之

?多个变量，简化了模型的规模，而且使得不同领域模块之间的物理连接成为可能。AMESim 内置有与其它仿真软

件如Matlab/Simulink、ADAMS 等的接口。

? 3.3 控制系统模型

?控制系统采用公认的科学语言Matlab/Simulink 建模。?Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续、离散及两者混合的线性、非线性系统，为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，包括了众多线性和非线性等环节，并可方便地扩展，使得系统的构建容易，适合于液压系统中普遍存在的非线性问题的求解。与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

4 基于modelica语言的多领域建模仿真?基于Modelica 的多领域物理系统建模仿真工具和液压专业优势软件AMESim的联合仿真为例，用Modelica 工具的多领域优势和AMESim的液压领域优势进行多领域的建模和仿真。

?modelica模型主要依赖其连接器进行联合仿真。下图是3个pin实例的连接及modelica代码与等效方程。

?在Modelica模型的联合仿真过程中，Modelica 模型也可使用连接器实现与其他模型的通信。下图表明

Modelica 模型与连接器的关系，可使用Modelica模型的连接器定义模型的输入和输出，通过连接器通信实现

Modelica模型与其他模型的数据交换。

? 4.1 联合建模仿真环境

?AMESim可将模型转换为Simulink的模块。只需将Modelica多领域模型转换为Simulink模块，即可实现AMESim 模型与Modelica模型的数据交换，从而在

Simulink 环境中实现Modelica工具与AMESim的联合仿真。联合仿真方案见下图：

?液压机械模型是由液压、机械及控制等3部分组成的复杂系统。建模时，将系统拆分为机械和液压部分, 2个子模型，在Mworks中建立机械部分子模型，在

AMESim中建立液压部分子模型，将建好的模型放到统一的运行环境中进行联合仿真。

?在建模过程中，为实现Modelica模型与其他软件模型的联合仿真，即实现Modelica模型与其他软件建立的模型之间的数据交换，需对Modelica模型进行数据接口的定义，如下图：

?在Modelica模型中定义1个输入接口4个输出接口，输入接口接收外部数据，输出接口将Modelica模型中计算的数据输出到其他软件模型中，采用Mworks机械转动库中角速度传感器采集的4个转子的角速度数据，在联合仿真时通过这些接口与其他模型交换数据。

?Modelica模型的接口：

?联合仿真的AMESim液压模型