支持Modelica模型的半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

陳昌雄等

摘要： 針對當(dāng)前基于MATLAB/SIMULINK的半物理仿真（HardwareinLoop Simulation，HILS）系統(tǒng)中不支持多領(lǐng)域建模、聯(lián)合仿真模型轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜且存在誤差等問題，提出基于Modelica和建模仿真軟件MWorks進(jìn)行HILS的方法，分析其所涉及的建模方法、實(shí)時(shí)仿真接口和代碼生成等關(guān)鍵技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建支持Modelica模型的HILS.以前起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和起落架收放系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，建立HILS平臺，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明該方法可行，結(jié)果可信度高.

關(guān)鍵詞：

半物理仿真； 多領(lǐng)域建模； Modelica模型； 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)； MWorks

中圖分類號： TP271.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

半物理仿真（HardwareinLoop Simulation， HILS）是將被研究系統(tǒng)的一部分實(shí)物設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連，其余實(shí)物部分（或假想部分）以數(shù)學(xué)模型的形式轉(zhuǎn)換為運(yùn)行于計(jì)算機(jī)的計(jì)算模型，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)物理仿真與數(shù)字仿真的聯(lián)合仿真.與純物理（實(shí)物）仿真和數(shù)字仿真相比，HILS比物理仿真投資少效率高，并且能系統(tǒng)揭示被研究對象的本質(zhì)特性，又比數(shù)字仿真更接近實(shí)際，其兼有數(shù)字仿真的柔性和物理仿真的精確性，是較理想的試驗(yàn)研究手段，在航空航天、船舶和汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

通常，HILS系統(tǒng)主要由仿真模型、仿真目標(biāo)機(jī)和硬件實(shí)物等構(gòu)成.仿真模型的構(gòu)建是HILS的首要任務(wù)，當(dāng)前其開發(fā)方式可分為2類：直接建模方式和聯(lián)合建模方式.前者的數(shù)字模型多是基于LabVIEW或MATLAB/SIMULINK建立；后者是先用建模軟件（如Modelica/Dymola）建立數(shù)學(xué)模型，然后再轉(zhuǎn)換成MATLAB/SIMULINK能運(yùn)行的模型，從而實(shí)現(xiàn)HILS計(jì)算.MATLAB/SIMULINK和LabVIEW僅適用于單一領(lǐng)域建模，且建模過程復(fù)雜，模型結(jié)構(gòu)混亂.Dymola與MATLAB/SIMULINK進(jìn)行聯(lián)合建模時(shí)，模型間的轉(zhuǎn)換過程操作復(fù)雜，還需要具備特定的轉(zhuǎn)換接口，并且由于不同軟件模型的表達(dá)方式不同，在轉(zhuǎn)換過程中可能會影響準(zhǔn)確性，以致影響仿真精度，甚至有的模型很難轉(zhuǎn)換為主軟件要求的形式.為克服上述HILS建模存在的問題，采用多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模仿真軟件（如運(yùn)用仿真環(huán)境MWorks軟件），直接生成目標(biāo)機(jī)可識別的代碼程序成為解決該問題的有效方法.

1.1HILS系統(tǒng)性能分析

為開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的試驗(yàn)研究平臺，所設(shè)計(jì)的HILS系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾個(gè)主要方面的仿真性能要求.

1）仿真系統(tǒng)重現(xiàn)性要求.在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，能再現(xiàn)不同參數(shù)條件下的實(shí)際工況響應(yīng).

2）仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求.仿真系統(tǒng)既要能對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，同時(shí)要能在良好接口技術(shù)的支持下在仿真計(jì)算機(jī)與實(shí)物部分之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、同步控制等操作.

3）人機(jī)交互要求.要求仿真系統(tǒng)應(yīng)具有友好的人機(jī)交互界面，能在允許的范圍內(nèi)能設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，對仿真結(jié)果實(shí)時(shí)顯示和記錄，對仿真試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或再現(xiàn)等操作.

1.2HILS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HILS系統(tǒng)由實(shí)物設(shè)備和數(shù)學(xué)模型組成.通過分析原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合HILS系統(tǒng)的性能需求分析，將原系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分，保留部分實(shí)物接入仿真系統(tǒng)，將剩余實(shí)物部分建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究，從而規(guī)劃HILS系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu).

一般情況，HILS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)由以下幾部分組成：1）仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（數(shù)字仿真軟件），用于建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，能實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)HILS模型生成（或轉(zhuǎn)化為）指定目標(biāo)機(jī)的代碼程序；2）仿真目標(biāo)機(jī)，用于運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)仿真計(jì)算目標(biāo)機(jī)模型代碼，是HILS系統(tǒng)的核心；3）綜合管理系統(tǒng)，用于HILS過程的統(tǒng)一管理，在該管理系統(tǒng)中進(jìn)行代碼自動下載、仿真運(yùn)行控制、變量監(jiān)控、實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整、仿真數(shù)據(jù)存儲和結(jié)果回放等操作；4）實(shí)物設(shè)備（傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）.系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意見圖1.

1.3HILS系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)所規(guī)劃的HILS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)和硬件系統(tǒng)的搭建.

HILS系統(tǒng)的軟件主要有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和數(shù)字仿真軟件.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如VxWorks）是一種用于對仿真過程進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理的計(jì)算機(jī)底層實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對任務(wù)或事件做出及時(shí)響應(yīng).數(shù)字仿真軟件（如Modelica/MWorks，MATLAB/SIMULINK等）通常包括被仿真系統(tǒng)對象數(shù)字模型、仿真算法和系統(tǒng)運(yùn)行流程等幾個(gè)部分.

HILS系統(tǒng)的硬件主要有仿真計(jì)算機(jī)、仿真目標(biāo)機(jī)、接口設(shè)備、系統(tǒng)測試設(shè)備和數(shù)據(jù)采集與記錄設(shè)備等.仿真目標(biāo)機(jī)主要用于計(jì)算系統(tǒng)模型、實(shí)時(shí)采集仿真數(shù)據(jù)以及與仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信等任務(wù)，應(yīng)具有良好的仿真試驗(yàn)實(shí)時(shí)性、適當(dāng)?shù)姆抡嬖囼?yàn)精度以及高速的I/O吞吐能力等基本性能.

2HILS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)的基本框架及其組成部分與普通的HILS系統(tǒng)一致，為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)必須解決建模方法、代碼生成技術(shù)和實(shí)時(shí)仿真接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)等3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù).

2.1建模方法

數(shù)學(xué)模型與仿真目的密切相關(guān)，不同的仿真分析目的，對模型精度要求不同，建模側(cè)重點(diǎn)也不同.當(dāng)前，基于過程式語言軟件（如SIMULINK）所建的模型用于系統(tǒng)性能分析精度要求較高的模型，在轉(zhuǎn)換為目標(biāo)機(jī)代碼程序時(shí)，會加重仿真目標(biāo)機(jī)的運(yùn)算成本，影響HILS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，并且對同類型的模型難于進(jìn)行仿真優(yōu)化.

HILS主要采用反映被研究對象客觀特性和行為的機(jī)理建模法，主要有3種形式：連續(xù)系統(tǒng)建模、離散事件系統(tǒng)建模和混合系統(tǒng)建模.現(xiàn)有的主流數(shù)字仿真軟件（如SIMULINK）是離散域或連續(xù)域的分散建模，而基于Modelica語言的建模是連續(xù)/離散混合建模，可避免模型轉(zhuǎn)換造成的精度丟失.

隨著原系統(tǒng)模型日益復(fù)雜和多樣化，人為將其割裂為不同領(lǐng)域模型后采用單一領(lǐng)域建模軟件的建模過程日趨困難.為克服這些問題，基于統(tǒng)一建模語言Modelica的多領(lǐng)域仿真技術(shù)得以廣泛應(yīng)用.基于Modelica的建模是在數(shù)學(xué)方程層面上，以微分代數(shù)方程形式對各領(lǐng)域模型在同一軟件中進(jìn)行統(tǒng)一描述，依據(jù)原系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一建模仿真，避免在不同建模軟件之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換的失真問題.另外，Modelica支持非因果建模，即模型的仿真計(jì)算不以因果賦值形式來確定方程的求解方向，這極大地提高軟件的模塊化和模型的可重用性，簡化系統(tǒng)建模方式，為HILS系統(tǒng)平臺系統(tǒng)揭示被研究對象的整體性能特性提供幫助.

2.2代碼生成技術(shù)

HILS系統(tǒng)中從仿真模型建立到目標(biāo)代碼的產(chǎn)生，一般會經(jīng)過2個(gè)階段：首先，由各主流建模仿真軟件所附帶工具將模型轉(zhuǎn)化為SIMULINK中的SFunction表達(dá)形式的C代碼；然后，利用SIMULINK的RTW自動生成VxWorks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能識別的快速原型目標(biāo)代碼.因此，只要仿真軟件能生成SFunction形式的C代碼或直接生成VxWorks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能識別的目標(biāo)代碼，都可以實(shí)現(xiàn)HILS系統(tǒng)的代碼生成.然而，在將仿真模型轉(zhuǎn)換為MATLAB/SIMULINK能識別的代碼過程中，存在軟件兼容性問題，在一定程度上影響仿真精度.為克服上述問題，有必要研究在多領(lǐng)域統(tǒng)一建模環(huán)境Modelica/MWorks中，由圖形化的多領(lǐng)域模型直接生成特定仿真目標(biāo)機(jī)所能執(zhí)行的代碼程序.

基于Modelica模型的代碼生成技術(shù)主要研究內(nèi)容包括：由Modelica模型代碼轉(zhuǎn)換成方程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換技術(shù)和方法；構(gòu)建通用Modelica模型代碼框架的技術(shù)分析和研究.具體表現(xiàn)為：首先需要將Modelica陳述式模型轉(zhuǎn)換為可順序求解的過程式表達(dá)形式，即將Modelica模型進(jìn)行編譯處理，包括詞法分析、語法分析、語義分析和平坦化處理等；然后進(jìn)行相容性分析、模型分析和指標(biāo)約減分析，以確保平坦化的方程為恰約束系統(tǒng)（即方程變量數(shù)相等），從而生成過程式方程子集序列.

配合所構(gòu)建的通用模型代碼框架對方程子集序列進(jìn)行分析，并為方程配置相應(yīng)的數(shù)值求解器，求解器依據(jù)實(shí)時(shí)代碼框架，將方程轉(zhuǎn)換為具有系統(tǒng)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)C代碼.對于目標(biāo)機(jī)，只需對該C代碼進(jìn)行相應(yīng)的程序編譯，生成與目標(biāo)機(jī)操作系統(tǒng)環(huán)境相對應(yīng)的可執(zhí)行程序.代碼轉(zhuǎn)換流程見圖2.

2.3實(shí)時(shí)仿真接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)

HILS系統(tǒng)需要有良好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和同步控制功能，這對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真接口技術(shù)要求很高.

在支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)中，設(shè)備接口模塊集成于建模環(huán)境中，并且可與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行連接交互（邏輯關(guān)系見圖3）.Modelica語言規(guī)范對設(shè)備接口模塊提供與數(shù)學(xué)模型相同的模型表達(dá)規(guī)范，用于向數(shù)學(xué)模型中添加目標(biāo)機(jī)板卡接口的控制程序，以支持模型對硬件的操控，實(shí)現(xiàn)物理信號的輸入/輸出.例如，可以在Modelica/MWorks環(huán)境中增加人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過sample和hold等函數(shù)將其傳遞給硬件的驅(qū)動程序，從而實(shí)現(xiàn)對Modelica中硬件的控制.

總之，對于支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)的仿真接口技術(shù)，主要關(guān)注仿真目標(biāo)機(jī)中被研究對象數(shù)學(xué)模型與實(shí)物設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，所涉及的具體研究內(nèi)容如下.

1）設(shè)備接口的統(tǒng)一表達(dá)機(jī)制.由于設(shè)備接口種類繁多且可重用性高，所以可采用Modelica語言規(guī)范實(shí)現(xiàn)設(shè)備接口的統(tǒng)一表達(dá)機(jī)制，從而降低仿真系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)與多領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型的無縫連接.

2）設(shè)備接口實(shí)時(shí)運(yùn)行屬性的配置技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法.為簡化HILS建模操作，同時(shí)減少對真實(shí)硬件板卡知識的依賴，有必要建立設(shè)備接口模型的屬性配置框架規(guī)范，以便更簡捷地配置設(shè)備的屬性.

3）驅(qū)動程序代碼與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)驅(qū)動接口之間的映射關(guān)系.在與設(shè)備接口程序綁定的C語言文件中，加入調(diào)用驅(qū)動程序的API，以實(shí)現(xiàn)二者之間的對應(yīng)關(guān)系.

4）設(shè)備應(yīng)用（模型）接口與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)驅(qū)動接口的映射關(guān)系.在Modelica/MWorks中，制定通用的設(shè)備驅(qū)動接口規(guī)范建立驅(qū)動程序接口庫，以實(shí)現(xiàn)二者之間的關(guān)聯(lián).

3支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為檢驗(yàn)上述支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，以起落架為研究對象構(gòu)建HILS系統(tǒng)平臺并進(jìn)行仿真運(yùn)算.

3.1支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

依據(jù)HILS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的一般形式，支持飛機(jī)起落架Modelica模型的HILS系統(tǒng)主要由數(shù)字仿真系統(tǒng)（Modelica/MWorks）、綜合管理系統(tǒng)、仿真目標(biāo)機(jī)和被控實(shí)物組成，其組成框架示意見圖4.

3.1.1數(shù)字仿真系統(tǒng)MWorks

Modelica/MWorks是對被研究實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模并進(jìn)行仿真分析的工具.依據(jù)HILS技術(shù)特性，仿真目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)除具有一般建模仿真軟件的基本功能，還應(yīng)增加2項(xiàng)功能：1）添加特定仿真目標(biāo)機(jī)板卡的RTI（RealTime Interface）接口模塊；2）由

HILS數(shù)字模型直接生成目標(biāo)機(jī)能識別的代碼程序，即自動生成目標(biāo)機(jī)代碼功能.

3.1.2綜合管理系統(tǒng)和仿真目標(biāo)機(jī)

綜合管理系統(tǒng)（如SimTarget）主要用于對HILS過程進(jìn)行統(tǒng)一管理.仿真目標(biāo)機(jī)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、運(yùn)行仿真模型的目標(biāo)代碼程序等功能.

3.2支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)模型

支持Modelica模型的起落架HILS系統(tǒng)模型見圖5，其中間部分為基于Modelica/MWorks的起落架的液壓與機(jī)械統(tǒng)一模型，其左端連接控制器的輸入信號，右端通過板卡與控制器連接，形成回路.

3.3仿真分析結(jié)果曲線

支持Modelica/MWorks模型的起落架HILS系統(tǒng)中，對前起落架轉(zhuǎn)彎和收放等子系統(tǒng)進(jìn)行HILS驗(yàn)證.部分結(jié)果曲線見圖6～9.

4結(jié)束語

HILS系統(tǒng)兼具數(shù)字仿真的靈活性和物理（實(shí)物）仿真的精確性，是理想的仿真試驗(yàn)研究工具，在眾多研究領(lǐng)域中越來越受到重視.根據(jù)HILS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，探討其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，提出用多領(lǐng)域建模軟件Modelica/MWorks直接生成目標(biāo)機(jī)代碼的思路，并通過起落架HILS系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證支持Modelica模型的HILS系統(tǒng)的可行性，仿真結(jié)果可信.

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（編輯武曉英）