CN106354924A - 基于fmi的装备协同仿真系统及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FMI的装备协同仿真系统及其构建方法，包括FMU模型生成模块、FMU模型加载模块和数据交换定义模块。FMU模型生成模块包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元和自定义数学模型的FMU生成单元；FMU模型加载模块包含DLL模型调用单元与模型属性提取单元；数据交换定义模块包含同步步长设置单元、I/O数据连接单元和仿真数据提取单元。任意选择一个仿真软件作为主控制程序，使用FMI/FMU接口将其它不同类型仿真模型进行转换即可供主控制程序使用，减少了仿真模型转换的工作量，提高了FMU模型的重用性和可靠性；无需复杂的调控程序和连接通讯协议，可操作性强，从而减少了各个学科仿真模型构建过程复杂程度；提高了仿真系统的仿真效率。
Description
技术领域
本发明属于系统仿真领域，具体涉及一种基于FMI的装备协同仿真系统及其构建方法。
背景技术
随着科技进步和工程实际需要，工程师不再满足传统的单学科的仿真计算结果，这种结果没有考虑各个学科间的交叉耦合作用，准确性无法得到进一步提高，同时，会忽略工程实际问题，因此多学科的协同仿真势在必行。在大规模多领域仿真系统的构建过程中，通常需要将多个软件平台构建的仿真模型连接起来。
然而，现有的将多个平台构建的仿真模型的方式主要包含如下：第一、利用各个平台提供的数据通讯接口，通过某种连接协议(如HLA)模式连接；该方式考虑了分布式计算的需求，但模型的可重用性较低。第二、针对各个专业软件开展二次开发设计，实现两两软件平台间的串联；这种方式需要开发的组合数量为工作量巨大，并且随着版本升级又需要重新开发。第三、利用面向对象的物理系统建模语言Modelica建立各个学科的仿真模型，实现多学科的串联；这种方式屏蔽了各学科间的差异，而且摒弃了由各专业软件建立的大量成熟的仿真模型，目前它的可信度稍差。
因此，现有多个平台软件构建的协同仿真系统模型转化量大，通用性不高，构建过程复杂且仿真效率不高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于FMI的装备协同仿真系统及其构建方法，用于解决现有技术各个学科仿真模型构建过程复杂且仿真效率低下的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于FMI的装备协同仿真系统，包括FMU模型生成模块、FMU模型加载模块和数据交换定义模块，所述FMU模型生成模块包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元和自定义数学模型的FMU生成单元；所述FMU模型加载模块包含DLL模型调用单元与模型属性提取单元；所述数据交换定义模块包含同步步长设置单元、I/O数据连接单元和仿真数据提取单元；
所述FMU生成单元用于以通用模型接口为基准，将各种不同仿真模型连接组成建模的功能模型单元；
所述DLL模型调用单元采用dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
所述模型属性提取单元用于提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
所述I/O数据连接单元用于梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
所述同步步长设置单元用于同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
所述仿真数据提取单元用于提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
本发明的另一目的在于提供一种基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法，包括：
步骤1，采用通用模型接口将各种不同仿真模型生成相应的FMU生成单元；
步骤2，选择任意一个仿真模型为主控程序，加载各个FMU生成单元；
步骤3，在主控程序内，以dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
步骤4，提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
步骤5，梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
步骤6，同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
步骤7，提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
如上所述，本发明的基于FMI的装备协同仿真系统及其构建方法，具有以下有益效果：
协同仿真系统由FMU模型生成模块、FMU模型加载模块和数据交换模块组成，通过FMU模型生成模块能够将不同类型的仿真模型生成对应FMU单元，依靠FMI接口连接组建装备系统的仿真系统；同时，FMU模型生成模块是可扩展的，能够支持其它FMI接口的专业仿真软件，具有较好的系统扩展性；组建的装备系统的仿真系统任意选择一个仿真软件作为主控制程序，使用FMI/FMU接口将其它不同类型仿真模型进行转换即可供主控制程序使用，极大减少了仿真模型转换的工作量，提高了FMU模型的重用性和可靠性；无需复杂的调控程序和连接通讯协议，可操作性强，从而减少了各个学科仿真模型构建过程复杂程度；提高了仿真系统的仿真效率。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种基于FMI的装备协同仿真系统的结构框图；
图2显示为本发明提供的一种基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法流程图。
元件标号说明：
1 FMU模型生成模块
2 FMU模型加载模块
3 数据交换定义模块
101 ADAMS-to-FMU生成单元
102 Abaqus-to-FMU生成单元
103 Matlab-to-FMU生成单元
104 Matlab-to-FMU生成单元
105 Ansys-to-FMU生成单元
106 Fluent-to-FMU生成单元
107 自定义数学模型的FMU生成单元
201 DLL模型调用单元
202 模型属性提取单元
301 同步步长设置单元
302 I/O数据连接模块
303 仿真数据提取单元
S1～S7 步骤1至步骤7
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种基于FMI的装备协同仿真系统结构框图；包括FMU模型生成模块1、FMU模型加载模块2和数据交换定义模块3，所述FMU模型生成模块1包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元和自定义数学模型的FMU生成单元；所述FMU模型加载模块2包含DLL模型调用单元201与模型属性提取单元202；所述数据交换定义模块3包含同步步长设置单元301、I/O数据连接单元302和仿真数据提取单元303；
所述FMU生成单元用于以通用模型接口为基准，将各种不同仿真模型连接组成建模的功能模型单元；
具体地，FMI，The Functional Mockup Interface，功能模型接口(通用模型接口标准)，用于将不同设备供应商提供的各种不同的行为模型设备与标准控制器的软件/硬件/模型进行半实物实时仿真测试。
FMI标准包括基于C语言的标准函数接口和模型变量属性描述文件两个部分，建模工具根据FMI标准生成FMU(The Functional Mockup Unit)模型。FMU包含：内部包含FMI标准接口函数的模型文件，描述模型变量属性的模型描述文件(.xml)，即基于FMI协议封装后的模型为FMU。
所述DLL模型调用单元201采用dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
具体地，FMU生成单元对应的仿真模型为图1中显示各种不同仿真模型。
所述模型属性提取单元202用于提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
具体地，I/O数据属性主要为数值类型，因果关系，量纲属性等，协同仿真类型属性为协同仿真和数据交换两种类型。
所述I/O数据连接单元302用于梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
所述同步步长设置单元301用于同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
具体地，以主控制程序(即任一选择的仿真模型)为准，按该仿真模型的计算步长进行同步。
所述仿真数据提取单元303用于提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
其中，FMU模型生成模块包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元和自定义数学模型的FMU生成单元107，即FMU生成单元；具体地，所述自定义数学模型的FMU生成单元107采用C/C++语言，根据输出量与输入量以及状态量之间的求导积分和事件响应机制编写所定义的数学物理模型。
所述多个学科领域仿真软件的FMU生成单元至少为机械领域的ADAMS-to-FMU生成单元101、有限元领域的Abaqus-to-FMU生成单元102、控制领域的Matlab-to-FMU生成单元103、液压领域的AMESim-to-FMU生成单元104、有限元领域的Ansys-to-FMU生成单元105或者流体领域的Fluent-to-FMU生成单元106一种或几种；或者所述FMU单元由自定义数学模型的FMU生成单元107根据某些自定义物理模型而生成。
请参阅图2，为本发明提供的一种基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法流程图，包括：
步骤1，采用通用模型接口将各种不同仿真模型生成相应的FMU生成单元；
步骤2，选择任意一个仿真模型为主控程序，加载各个FMU生成单元；
步骤3，在主控程序内，以dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
步骤4，提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
步骤5，梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
步骤6，同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
步骤7，提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
在本实施例中，以钢铁工业中的连铸轻压下装备的系统仿真为例，进行说明：
连铸轻压下装备通过四个受到伺服控制的液压压下缸带动上下辊系，轻度压向液固态板坯。涉及的学科包括机械、热固、液压、控制等仿真模型。采用Abaqus作为主控程序建立机械和热力板坯的有限元模型，采用AMESim或者SimHydraulics建立液压从动模型，采用Simulink建立位移伺服控制从动模型。所有的模型在Abaqus完成协同仿真工作，提取输出各I/O点随时间的数据集合，详细步骤如下：
第一步，采用AMESim-to-FMU生成单元104或者Matlab-to-FMU生成单元103将AMESim或者SimHydraulics建立的液压模型生成为液压FMU模型；采用Matlab-to-FMU生成单元103将Simulink建立位移伺服控制模型生成控制FMU模型；在Abaqus中建立机械和热力板坯的有限元模型；
第二步，选择Abaqus作为主控程序，采用FMU模型加载模块2依次加载液压FMU模型和控制FMU模型；
具体地，在Abaqus的主控程序内，以dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的液压FMU模型和控制FMU模型；
提取液压FMU模型和控制FMU模型内的I/O数据属性和协同仿真类型属性。
第三步，采用I/O数据连接单元302完成机械&热力板坯有限元模型、液压FMU模型和控制FMU模型间的I/O数据点的连接映射，使I/O数据点(如：液压缸位移、速度、液压缸输出力)一一映射至对应FMU模型。
其中，液压缸位移、速度、液压缸输出力一一映射与液压FMU模型。
第五步，采用同步步长设置单元301将主控程序中的仿真模型和两个FMU模型单元的计算步长进行同步设置；
第六步，开展仿真计算，仿真数据提取单元303同步输出各个模型的随时间变化的I/O数据点。
综上所述，本发明的协同仿真系统由FMU模型生成模块、FMU模型加载模块和数据交换模块组成，通过FMU模型生成模块能够将不同类型的仿真模型生成对应FMU单元，依靠FMI接口连接组建装备系统的仿真系统；同时，FMU模型生成模块是可扩展的，能够支持其它FMI接口的专业仿真软件，具有较好的系统扩展性；组建的装备系统的仿真系统任意选择一个仿真软件作为主控制程序，使用FMI/FMU接口将其它不同类型仿真模型进行转换即可供主控制程序使用，极大减少了仿真模型转换的工作量，提高了FMU模型的重用性和可靠性；无需复杂的调控程序和连接通讯协议，可操作性强，从而减少了各个学科仿真模型构建过程复杂程度；提高了仿真系统的仿真效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种基于FMI的装备协同仿真系统，其特征在于，包括FMU模型生成模块、FMU模型加载模块和数据交换定义模块，所述FMU模型生成模块包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元和自定义数学模型的FMU生成单元；所述FMU模型加载模块包含DLL模型调用单元与模型属性提取单元；所述数据交换定义模块包含同步步长设置单元、I/O数据连接单元和仿真数据提取单元；
所述FMU生成单元用于以通用模型接口为基准，将各种不同仿真模型连接组成建模的功能模型单元；
所述DLL模型调用单元采用dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
所述模型属性提取单元用于提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
所述I/O数据连接单元用于梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
所述同步步长设置单元用于同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
所述仿真数据提取单元用于提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
2.根据权利要求1所述的基于FMI的装备协同仿真系统，其特征在于，所述自定义数学模型的FMU生成单元采用C/C++语言，根据输出量与输入量以及状态量之间的求导积分和事件响应机制编写所定义的数学物理模型。
3.根据权利要求1所述的基于FMI的装备协同仿真系统，其特征在于，所述多个学科领域仿真软件的FMU生成单元至少为机械领域的ADAMS-to-FMU生成单元、有限元领域的Abaqus-to-FMU生成单元、控制领域的Matlab-to-FMU生成单元、液压领域的AMESim-to-FMU生成单元、有限元领域的Ansys-to-FMU生成单元或者流体领域的Fluent-to-FMU生成单元一种或几种；或者所述FMU生成单元由自定义数学模型的FMU生成单元根据某些自定义物理模型而生成。
4.一种采用权利要求1至3所述的基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法，其特征在于，包括：
步骤1，采用通用模型接口将各种不同仿真模型生成相应的FMU生成单元；
步骤2，选择任意一个仿真模型为主控程序，加载各个FMU生成单元；
步骤3，在主控程序内，以dll文件为载体调用所述FMU生成单元对应的仿真模型；
步骤4，提取FMU生成单元对应仿真模型的I/O数据属性和协同仿真类型属性；
步骤5，梳理FMU生成单元的I/O数据点，并使所述I/O数据点一一连接映射至对应的FMU生成单元；
步骤6，同步设置各个FMU生成单元的计算步长；
步骤7，提取并显示FMU生成单元在同步时间点所对应的I/O数据点的当前值和历史值。
5.根据权利要求4所述的基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法，其特征在于，所述FMU生成单元包含自定义数学模型的FMU生成单元，其采用C/C++语言，根据输出量与输入量以及状态量之间的求导积分和事件响应机制编写所定义的数学物理模型。
6.根据权利要求4所述的基于FMI的装备协同仿真系统的构建方法，其特征在于，所述FMU生成单元包含多个学科领域仿真软件的FMU生成单元，其至少为机械领域的ADAMS-to-FMU生成单元、有限元领域的Abaqus-to-FMU生成单元、控制领域的Matlab-to-FMU生成单元、液压领域的AMESim-to-FMU生成单元、有限元领域的Ansys-to-FMU生成单元或者流体领域的Fluent-to-FMU生成单元一种或几种；或者所述FMU生成单元由自定义数学模型的FMU生成单元根据某些自定义物理模型而生成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170125 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |