Simulink模型到Modelica模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

董政+丁建完

摘要： 針對Simulink模型重用到更高階的Modelica平臺上的需求，分析Simulink模型的數(shù)學本質(zhì)和代碼表達，以及Modelica對外部函數(shù)和外部類的支持，重用Simulink模型轉(zhuǎn)換生成的S-function目標C代碼，實現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型轉(zhuǎn)換.

關(guān)鍵詞： Simulink； S-function； Modelica； 模型轉(zhuǎn)換

中圖分類號： TP391.9 文獻標志碼： B

0 引 言

隨著數(shù)字化功能樣機技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來涌現(xiàn)出許多成熟的建模仿真分析工具，并廣泛應用于機械、電子、控制等領域中，使得對集機械、電子、液壓、控制等多個學科領域子系統(tǒng)于一體的復雜產(chǎn)品的整體系統(tǒng)進行分析成為可能.多年以來，Simulink以其基本模塊的易用性和通用性，被廣泛應用于控制系統(tǒng)的建模.同時，為滿足物理系統(tǒng)建模，MATLAB官方和第三方均提供多種擴展工具模塊，但是實際使用時，擴展工具模塊往往難以滿足使用需求.越來越多的使用者發(fā)現(xiàn)針對復雜物理系統(tǒng)，Simulink存在著建模難度大并且耗費時間多的問題.歐洲學者針對復雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模，提出多領域統(tǒng)一建模語言——Modelica語言，實現(xiàn)對復雜產(chǎn)品整體統(tǒng)一建模分析，并使之成為復雜系統(tǒng)建模領域的標準.目前，Modelica語言已有較大的發(fā)展，針對其開發(fā)的標準模型庫更是迅猛增長，已覆蓋機械、液壓、氣壓、電控、熱力和電磁等多個領域，并在歐美汽車、能源、動力、機電、航空和航天等各行業(yè)獲得成功應用.[1]

雖然Modelica的應用已推進復雜物理系統(tǒng)的建模和仿真發(fā)展，但是控制系統(tǒng)工程師依然習慣利用Simulink進行控制系統(tǒng)的建模和仿真，而其他設計工程師使用Modelica建立物理系統(tǒng)模型.長期以來，大量的知識已經(jīng)以Simulink模型的方式累積下來，如果把這些模型用Modelica重寫，十分耗費時間和精力.基于Modelica語言在多領域建模和仿真中的廣泛應用以及未來發(fā)展趨勢，可以考慮將控制系統(tǒng)Simulink模型轉(zhuǎn)換成Modelica模型，使系統(tǒng)模型在統(tǒng)一的Modelica平臺下進行仿真.有學者提出一種“模塊映射”方案，通過在Modelica平臺中建立與Simulink基本模塊對應的模型庫元件，并按照Simulink模型模塊和連接關(guān)系，用Modelica元件代替Simulink模塊并復現(xiàn)連接關(guān)系，實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換.[2-3]這種方案依賴于專門定制的Modelica模型庫元件.然而，部分Simulink基本模塊，如積分模塊等，有多種變形模式，要設計一種Modelica元件與其對應的難度很大.對此，本文提出一種基于Simulink模型代碼生成和Modelica外部類和函數(shù)接口實現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型轉(zhuǎn)換的新方案.

1 模型轉(zhuǎn)換原理

1.1 Simulink模型描述

Simulink模型中包含時間

Simulink通常用模塊和連接關(guān)系表達模型.通過MATLAB提供的代碼生成工具RTW（Real-Time Workshop）把模型轉(zhuǎn)換成S-Function目標C代碼后，Simulink模型中的數(shù)學描述就變成代碼描述.Simulink模型轉(zhuǎn)換成C代碼后，Simulink模型原有的所有變量信息都保存在SimStruct實例中，SimStruct是S-Function目標C代碼中定義的類，代碼中還定義用于對SimStruct操作的接口函數(shù).

Simulink求解器通過對接口函數(shù)的調(diào)用，對用C代碼描述的Simulink模型進行仿真，仿真流程見圖1，仿真主要包含初始化和循環(huán)求解2個階段.

初始化階段由mdlInitializeSizes，mdlStart和mdlInitializeSampleTimes函數(shù)實現(xiàn)采樣時間、狀態(tài)向

量、輸入向量的初始化.在循環(huán)求解階段中，

modelOutputs函數(shù)用C代碼的方式描述關(guān)系式

1.4 Modelica外部類

類是Modelica語言的基本結(jié)構(gòu)元素，是構(gòu)成Modelica模型的基本單元，類可以包含3種類型：變量、方程和成員類.變量表示類的屬性，通常代表某個物理量；方程指定類的行為，表達變量之間的數(shù)值約束關(guān)系.[1]通常，類定義在Modelica內(nèi)部，類的變量、方程和成員類均以Modelica語言描述，對內(nèi)是可見的.

Modelica同時支持外部類.外部類一般由C語言定義，對于Modelica相當于一個“黑箱”，只暴露其操作的接口，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全封閉.外部函數(shù)協(xié)作完成某一任務時，這些外部函數(shù)之間需要傳遞一些信息的內(nèi)部存儲，外部類的實例就可以表示這種內(nèi)部存儲.在Modelica語言中，外部類同樣以class作為關(guān)鍵字，但加上extends ExternalObject關(guān)鍵字修飾，表明從ExternalObject派生，并且僅有3個函數(shù)constructor和destructor，分別用于構(gòu)造和銷毀外部實例.外部類實例通常為一個指向某類實例的指針，見圖3.定義SimStructPrt外部類并且定義類構(gòu)造函數(shù).構(gòu)造函數(shù)由外部函數(shù)實現(xiàn)，SimStructPrt實例即為指向SimStruct實例的指針.

3 結(jié) 論

通過對S-function目標C代碼分析和對

Modelica外部類及外部函數(shù)的研究，實現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型的轉(zhuǎn)換，使得Simulink模型可以在Modelica平臺下進行仿真.模型轉(zhuǎn)換重用Simulink模型，可以將多年來累積在Simulink模型中的知識重用到更高階的Modelica平臺上，提高工作效率.由于無須依賴定制的模型庫，實施起來方便高效，并且由Simulink自帶的代碼生成工具生成C代碼，代碼穩(wěn)定可靠，魯棒性高.

參考文獻：

[1]

趙建軍， 丁建完， 周凡利， 等. Modelica語言及其多領域統(tǒng)一建模與仿真機理[J]. 系統(tǒng)仿真學報， 2006， 18（S2）： 570-573. DOI： 10.3969/j.issn.1004-731X.2006.z2.162.

ZHAO J J， DING J W， ZHOU F L， et al. Modelica and its mechanism of multi-domain unified modeling and simulation[J]. Journal of System Simulation， 2006， 18（S2）： 570-573. DOI： 10.3969/j.issn.1004-731X.2006.z2.162.

[2] DEMPSEY M. Automatic translation of Simulink models into Modelica using Simelica and the AdvancedBlocks library[C]//Proceedings of the 3rd International Modelica Conference. Linkping， 2003.

[3] 王岳. 多領域建模仿真平臺MWorks的外接工具集成研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2009.

[4] van SCHIJNDEL A W M. A review of the application of SimuLink S-functions to multi domain modelling and building simulation[J]. Journal of Building Performance Simulation， 2014， 7（3）： 165-178. DOI： 10.1080/19401493.2013.804122.