CN102915386A - 基于HLA的Adams仿真模型集成平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于HLA的Adams仿真模型集成平台，为解决现有技术中Adams仿真模型难以HLA集成的缺陷而设计。本发明基于HLA的Adams仿真模型集成平台包括仿真模型单元、适配器单元和HLA系统。仿真模型单元包括至少一个Adams仿真模型。适配器单元包括用户自定义模块、共享内存空间模块和主体模块。用户自定义模块包括输入子模块和输出子模块。本发明公开一种基于HLA的Adams仿真模型集成方法。本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法保留了商用仿真软件求解器的优势，在不需要修改仿真模型或只需进行较少配置的前提下实现了Adams模型的封装，极大地提高Adams模型的重用性。

Description

基于HLA的Adams仿真模型集成平台及方法

技术领域

本发明涉及一种基于HLA的Adams仿真模型集成平台及方法。

背景技术

复杂产品的生产过程往往涉及诸多领域，分布式协同仿真能够降低问题求解的复杂性，适用于多学科协同，是进行复杂产品性能仿真的有效途径之一。机械动力学和运动学特性通常是复杂产品性能仿真关注的重点，因此产品的多体动力学CAE模型往往是协同仿真中的重要成员和开发的焦点所在。ADAMS软件是世界上具有权威性的、使用范围很广的机械系统动力学仿真工具。

目前，国际上大多数支持分布式交互仿真的复杂系统框架，普遍是参照高层体系结构HLA来构建的，HLA已经成为分布式仿真领域被广泛认可的标准和规范。HLA标准给出了一系列参与仿真的成员必须遵守的规则和接口规范，要想使Adams模型能够加入HLA架构的分布式协同仿真，就必须对其进行集成，使其成为符合HLA标准的联邦成员。

然而，由于Adams软件的开放性不足，关于Adams模型HLA集成的研究还不是很多，主要的两类方法分别是：第一，基于ADAMS/SDK的模型封装；第二，基于仿真脚本Solver命令单步推进仿真并保存重载系统状态实现模型封装。第一种方法利用ADAMS/SDK函数库中包含的标准应用程序接口API进行二次开发，实现Adams模型封装。第二种方法采用Adams仿真脚本，通过控制Adams软件仿真引擎单步推进仿真，并在每一单步仿真结束后利用Save和Reload命令来保存和重载全部模型状态信息，来实现将Adams模型集成到分布式协同仿真中。

发明人发现，第一种方法的主要缺陷是：由于SDK模块不是Adams套装中的通用组件，因此不适用于一般用户和普通科研机构；第二种方法的主要缺陷是：由于会将模型全部当前状态以sav文件的形式保存在硬盘上，因此仿真过程需要频繁读写硬盘，使得交互过程效率很低，因此无法满足需要频繁数据交互的复杂产品协同仿真对仿真效率的需求。

发明内容

为了克服上述的缺陷，本发明提供一种有效提高精度和效率的基于HLA的Adams仿真模型集成平台。

为达到上述目的，一方面，本发明提供一种基于HLA的Adams仿真模型集成平台，所述平台包括依次连接的仿真模型单元、适配器单元和HLA系统，其中，

仿真模型单元，包括至少一个Adams仿真模型，每个Adams仿真模型为一个联邦成员；

适配器单元，设置在所述仿真模型单元和HLA系统之间，实现Adams仿真模型的HLA集成；所述适配器单元包括用户自定义模块、共享内存空间模块和主体模块，其中，

用户自定义模块，包括输入子模块VARSUB和输出子模块REQSUB；VARSUB用于向Adams仿真模型输入数据以及更改模型参数；REQSUB用于在步长点上输出数据；

共享内存空间模块，用于用户自定义模块和主体模块之间的数据交互；

主体模块，用于适配器单元与HLA系统之间的数据交互，所述数据交互包括配置HLA系统基本功能和使用回调函数；所述HLA系统基本功能至少包括联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分发管理。

特别是，所述用户自定义模块由Fortran语言或C语言编写，将其编译为动态链接库.dll文件后被Adams软件仿真引擎在运行时调用。Adams软件仿真引擎是Adams动力学仿真软件所提供的仿真求解运行程序，可在后台调用。

特别是，共享内存空间模块使用内存映射文件技术来实现数据交互。

另一方面，本发明提供一种基于HLA的Adams仿真模型集成方法，所述集成方法包括下述步骤：

通过添加VARSUB变量修改Adams仿真模型，形成仿真模型在HLA系统交互中的输入；

通过添加REQSUB变量修改Adams仿真模型，形成仿真模型在HLA系统交互中的输出；

根据仿真需求修改用户自定义子程序；

编译用户自定义子程序生成动态链接库；

在Adams仿真模型中加载用户自定义子程序的动态链接库；

导出用于后台求解器调用的.adm模型文件；

生成驱动Adams求解器求解的仿真脚本.acf文件，修改仿真脚本文件设定各项仿真参数；

根据仿真需求修改fed文件；

启动HLA运行支持环境或是RTI服务器；RTI(Run-Time Infrastructure)指HLA标准下进行协同仿真的运行支撑环境，是HLA接口规范的具体实现，是HLA的核心部件，RTI根据体系结构的不同又可以分为集中式、分布式、分层式和分层分布式等多种，对于有中心节点的RTI体系结构实现，将其中心节点程序称为“RTI服务器”。

启动Adams仿真模型HLA集成主程序进程，加入联邦并与其它联邦成员进行仿真交互；

仿真过程结束，得到仿真结果文件。

本发明基于HLA的Adams仿真模型集成平台设置了适配器，实现了Adams仿真模型在HLA系统中的应用，使用方便，效果良好。

本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法是一种基于用户自定义子程序的Adams仿真模型HLA集成方法，利用Adams软件环境提供的用户自定义子程序作为二次开发的内部接口，能够达到对Adams仿真模型更高程度的控制，实现在积分步长点的数据交互，有效地提高了仿真精度。同时结合了内存映射文件技术，实现进程间内存通讯，避免了读写硬盘上的大文件对仿真效率造成的影响。保留商用仿真软件求解器的优势，在不需要修改仿真模型或只需进行较少配置的前提下实现了Adams模型的封装，极大地提高Adams模型的重用性。

附图说明

图1为本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法原理示意图。

图2为基于用户自定义子程序实现Adams仿真模型封装的仿真推进进程。

图3为雷达天线的Adams多体动力学模型优选实施例。

图4为Matlab控制模型示意图。

图5为学科交互模型示意图。

图6为Adams和Matlab基于接口的联合仿真示意图。

图7为基于ADAMS/Controls接口联合仿真的输入力矩随时间变化曲线。

图8为基于ADAMS/Controls接口联合仿真的输出方位角随时间变化曲线。

图9为输入力矩随时间变化的仿真结果数据曲线。

图10为输出方位角随时间变化仿真结果数据曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明基于HLA的Adams仿真模型集成平台包括依次连接的仿真模型单元、适配器单元和HLA系统。仿真模型单元包括至少一个Adams仿真模型，每个Adams仿真模型为一个联邦成员；适配器单元设置在所述仿真模型单元和HLA系统之间，实现Adams仿真模型的HLA集成。

适配器单元包括用户自定义模块、共享内存空间模块和主体模块。

用户自定义模块包括输入子模块VARSUB和输出子模块REQSUB；VARSUB用于向Adams仿真模型输入数据以及更改模型参数；REQSUB用于在步长点上输出数据。

共享内存空间模块用于用户自定义模块和主体模块之间的数据交互。

主体模块用于适配器单元与HLA系统之间的数据交互，该数据交互包括配置HLA系统基本功能和使用回调函数。HLA系统基本功能至少包括联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分发管理。

本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法利用Adams软件提供的运行时用户自定义子程序作为内部接口，实现仿真参数的输入输出；结合基于Solver命令的仿真脚本来驱动和控制Adams软件仿真引擎的后台运行，实现对仿真过程的控制；开发Adams仿真模型HLA集成主程序，完成与RTI交互的功能；主程序与用户自定义子程序之间通过内存映射文件技术，实现进程间内存通讯。

其中，用户自定义子程序选择VARSUB子程序用于向Adams仿真模型输入数据以及更改模型参数。VARSUB子程序会在ADAMS求解器每次请求输入变量值时，通过用户子程序的方式进行函数调用。用户自定义子程序选择REQSUB子程序用于在步长点上输出数据。REQSUB子程序是在输出步长点上由Adams软件仿真引擎自动调用，同时结合用户子程序提供的对内部状态变量的访问函数，就可以实现向外部程序传递输出数据。

在Adams仿真模型HLA集成主程序中，由Adams仿真引擎决定推进步长的大小，驱动外部主控程序推进并实现与RTI的交互。

基于Solver命令的仿真脚本能够控制仿真引擎的启动暂停终止及模型的修改，也支持对步长的设置和单步推进。在仿真脚本中通过修改参数指明需要集成到HLA系统中的Adams仿真模型，实现多个Adams模型在HLA集成方法中的即插即用；在仿真脚本中通过修改参数确定输出仿真结果文件的文件名等信息；在仿真脚本中设定仿真步长、仿真时长，以及选择的Adams求解器算法等各项仿真参数。

由于Adams仿真模型的HLA集成需要通过商用仿真软件软件提供外部接口，使用该外部接口对学科模型进行仿真过程控制和参数输入输出，因此要求所用商用仿真软件的二次开发能力必须支持：(1)仿真软件的启动和仿真模型的初始化；(2)通过外部编程接口控制模型仿真过程的步进；(3)从工作空间中获取仿真模型中各种参数的数值；(4)通过外部编程接口设定仿真模型中各种参数的数值。

对Adams软件仿真引擎的封装需要完成一系列诸如初始化、启动、单步仿真推进、终止等通用化的运行控制操作。出于商业上的种种原因，Adams的对外API接口并不是十分开放，其二次开发方法和可开发程度均受到很大的限制。

在Adams所支持的各二次开发接口中效果好而且方便使用的是基于Solver命令的仿真脚本控制和基于用户自定义子程序的模型扩展。其中，仿真脚本能够控制仿真引擎的启动暂停终止，模型的修改，也支持对步长的设置和单步推进，同时支持单步推进时每次暂停的保存和重载系统状态信息。Adams用户自定义子程序可以分为编译时用户自定义子程序和运行时用户自定义子程序。编译时用户自定义子程序，也称为自定义编译函数，是在建模过程中被view环境调用的，可以实现对原有函数计算功能的扩展，构建数学函数很难表达的复杂函数，主要是对建模过程进行辅助。运行时用户自定义子程序能够实现复杂的仿真运行控制以及积分步上数据内部与外部的通讯，功能最为强大。

因此，本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法主要是利用Adams的用户自定义子程序实现数据的输入输出，同时结合基于Solver命令的仿真脚本来驱动和控制Adams软件仿真引擎的后台运行。

由于Adams没有提供标准的工作空间，Adams软件仿真引擎的内存空间不能直接访问，因此仿真过程中数据的输入输出是基于内部接口的适配器开发需要解决的关键点。外部程序向Adams输入数据有两种方式：第一种是直接修改模型文件，第二种是向共享工作空间中输入数据，由Adams软件仿真引擎来读取。本发明基于HLA的Adams仿真模型集成方法中采用第二种方式。

Adams提供了一系列功能各异的用户子程序，根据需要，我们选择VARSUB子程序用于向Adams模型输入数据以及更改模型参数，选择REQSUB子程序用于在步长点上输出数据。VARSUB子程序会在Adams求解器每次请求输入变量值时，通过用户子程序的方式进行函数调用。REQSUB子程序则是在输出步长点上由Adams软件仿真引擎自动调用，同时结合用户子程序提供的对内部状态变量的访问函数，就可以实现向外部程序传递输出数据。Adams用户自定义子程序可以采用Fortran语言或C语言编写，将子程序编译为动态链接库(.dll)文件后即可被Adams软件仿真引擎在运行时调用。外部程序可以和Adams用户子程序通过共享内存或者外存文件的方式进行数据的传递。频繁读写外存文件会降低仿真效率，因此我们采用Adams_HLA适配器主程序与Adams用户自定义子程序共享内存的方式完成数据的交互，其具体实现中应用了内存映射文件技术。同时，我们采用Adams/Solver命令集脚本实现对仿真过程的控制。

仿真启动后，适配器主程序和用户自定义子程序需要按照进程间通信的方式进行协调，使仿真引擎不断向前推进，几个进程间交互的具体时序过程如图2所示。

Adams的用户自定义子程序是Adams模型仿真过程的内部接口，在上述仿真推进过程中，是由Adams仿真引擎来驱动外部主控程序推进并实现与RTI的交互。这种方法的主要特点是由Adams仿真引擎决定推进步长的大小。由于通过用户自定义子程序中的函数可以获得每次由内部算法产生的积分步，并可以在积分步上根据输入变量调整模型参数，因此子系统间可以在积分步点上进行数据交互，从而在更精确的层次上控制仿真的推进。由于基于用户自定义子程序的封装方法不需要在每个步长点都重新启动仿真引擎，因此无须模型当前状态的保存和重载，也就避免了频繁读写硬盘上的大文件。

优选实施例：雷达天线antenna的Adams模型是多体动力学模型，其马达上施加的力矩由Matlab/Simulink建立的控制模型给出，因此，对雷达天线转动过程的仿真分析是典型的多学科协同仿真。仿真分析的主要指标是雷达天线最终能否转动到要求的角度并停止。雷达天线的Adams多体动力学模型、Matlab控制模型和学科交互模型分别如图3、图4和图5所示。

Antenna是一个用于ADAMS/Controls与MATLAB/Simulink联合仿真的样例模型，在该联合仿真系统中定义了两个Adams输出到Matlab的变量azimuth_position(方位角)、rotor_velocity(马达转速)，以及一个Matlab输出到Adams中的变量control_torque(控制力矩)。

设仿真总时间为0.25s，调度引擎共推进100步，即单步步长为0.005s，Adams和Matlab通过Adams/Control模块直接实现基于接口的联合仿真如图6所示。图7和图8分别给出了基于ADAMS/Controls接口联合仿真得到的控制力矩、方位角的曲线。

采用本发明中提出的基于HLA的adams仿真模型集成方法，需要对模型和用户自定义子程序进行少量改动。具体实施步骤如下：

(1)设定输入，由于要用到VARSUB，因此无论哪种类型的输入，统一为Adams Vaviable的形式。选择变量control torque的定义方式为Unser writtensubroutine用户自定义子程序，初值设定为0。

(2)设定输出，这里用到REQSUB子程序，因此需要在adams模型中定义一个Request作为子程序入口，这个子程序会在输出步长点上自动被调用

选择输出方式为Define Using Subroutine，User Function中可以输入调用该用户自定义子程序时传入的变量，这里我们输入1。

(3)修改REQ用户自定义子程序

(4)编译用户自定义子程序生成动态链接库

要编译链接用户自定义子程序，需要安装Compaq Visual Fortran V6.6b及以上版本，同时需要将adams安装路径中的userPortName.h和utilccallable.h拷贝到工作目录下，将Fortran安装目录中的dformd.lib和dfport.lib拷贝到工作目录下，用adams安装路径下的DFORMD.dll覆盖系统system32目录下的同名文件。

开始-运行-cmd

转到工作目录

>adams05

>cr-u

回车

VForce.c

回车

VForce.dll

这样就在工作目录中生成了VForce.dll动态链接库文件。

(5)在Adams模型中加载用户自定义子程序的动态链接库。

>>adams05 aview ru-u i-n VForce.dll

(6)导出用于后台求解器调用的antenna.adm模型。

(7)生成驱动Adams求解器求解的仿真脚本文件antenna.acf，脚本代码如下：

antenna.adm

antenna

SIMULATE/DYNAMIC，END＝0.25，STEPS＝100

STOP

在脚本文件中指定了仿真的模型为antenna.adm，动态仿真，仿真时长0.25s，步数为100步。

(8)启动RTI服务器，启动Adams_HLA适配器进程，与Matlab/Simulink实现的另一联邦成员协同仿真。

完成上述步骤后，源Adams仿真模型就实现了向HLA协同仿真系统的集成。仿真过程结束后，得到的仿真结果数据曲线如图9和图10所示。

将Adams仿真模型HLA集成后进行HLA分布式协同仿真的仿真结果与前述通过Adams/Control模块进行的集中式仿真的结果进行对比，可以看出本发明提出的基于HLA的Adams模型集成方法，可以较好的实现与基于商用仿真软件接口的联合仿真相同的功能。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于HLA的Adams仿真模型集成平台，其特征在于：所述平台包括依次连接的仿真模型单元、适配器单元和HLA系统，其中，

仿真模型单元，包括至少一个Adams仿真模型，每个Adams仿真模型为一个联邦成员；

适配器单元，设置在所述仿真模型单元和HLA系统之间，实现Adams仿真模型的HLA集成；所述适配器单元包括用户自定义模块、共享内存空间模块和主体模块，其中，

用户自定义模块，包括输入子模块VARSUB和输出子模块REQSUB；VARSUB用于向Adams仿真模型输入数据以及更改模型参数；REQSUB用于在步长点上输出数据；

共享内存空间模块，用于用户自定义模块和主体模块之间的数据交互；

主体模块，用于适配器单元与HLA系统之间的数据交互，所述数据交互包括配置HLA系统基本功能和使用回调函数；所述HLA系统基本功能至少包括联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分发管理。

2.根据权利要求1所述的基于HLA的Adams仿真模型集成平台，其特征在于，所述用户自定义模块由Fortran语言或C语言编写，将其编译为动态链接库.dll文件后被Adams软件仿真引擎在运行时调用。

3.根据权利要求1所述的基于HLA的Adams仿真模型集成方法，其特征在于：共享内存空间模块使用内存映射文件技术来实现数据交互。

4.一种基于HLA的Adams仿真模型集成方法，其特征在于，所述集成方法包括下述步骤：

通过添加VARSUB变量修改Adams仿真模型，形成仿真模型在HLA系统交互中的输入；

通过添加REQSUB变量修改Adams仿真模型，形成仿真模型在HLA系统交互中的输出；

根据仿真需求修改用户自定义子程序；

编译用户自定义子程序生成动态链接库；

在Adams仿真模型中加载用户自定义子程序的动态链接库；

导出用于后台求解器调用的.adm模型文件；

生成驱动Adams求解器求解的仿真脚本.acf文件，修改仿真脚本文件设定各项仿真参数；

根据仿真需求修改fed文件；

启动HLA运行支撑环境服务器；

启动Adams仿真模型HLA集成主程序进程，加入联邦并与其它联邦成员进行仿真交互；

仿真过程结束，得到仿真结果文件。

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