CN111414695A - 一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法，首先在各建模软件中建立子系统模型，可以使用多种不同的建模软件和语言，如在Visual Studio建立C语言模型、在Simulink中建立Simulink模型、AMESim中建立AMESim模型、Visual Studio建立Fortran语言模型等；然后将各子系统模型编译生成动态链接库，动态链接库中应该包含模型仿真接口、模型求解器；再利用Modelica的外部函数机制将各个子计算模型封装为子系统Modelica模型；最后用Modelica语言编写主控模型，定义各子系统模块的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统的进行调度，实现系统的数据同步。本技术可支持多建模软件、多语言建模，并且将系统仿真划分为系统调度和子系统计算，将各子系统都放在单独的进程中进行求解，提高系统的求解速度。
Description
技术领域
本申请涉及建模仿真技术领域，具体而言，涉及一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法。
背景技术
随着科学技术的发展，工程系统涉及的学科领域也不断扩大，如机械、电子控制、液压、电气、计算机网络等。建模及仿真技术目前已经成为支撑工程系统开发的有效工具，而不同学科领域通常有其独特的建模及仿真分析软件。目前随着多领域统一建模语言Modelica的发展，将不同领域的模型用同一种建模语言描述已成为可能。但是由于历史原因、使用习惯、经验积累、知识产权及不同领域建模的特点等，各异构模型之间不能和谐联合仿真，在短期内实现模型描述及求解的统一并开放是不现实的，不同领域建模工具必然长期存在。
除此之外，还存在下述问题：
系统仿真复杂而综合，各个子系统之间耦合度高，导致大系统构建复杂；
因上述技术问题的存在，同时也会导致系统的求解速度。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法，以解决目前的问题。
本申请技术采用本申请技术提出的基于Modelica的联合仿真系统，可支持多建模软件、多语言建模，并且将系统仿真划分为系统调度和子系统计算，将各子系统都放在单独的进程中进行求解，提高系统的求解速度。
本发明提供一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法，实现各异构模型的联合仿真。首先在各建模软件中建立子系统模型，可以使用多种不同的建模软件和语言，如在Visual Studio建立C语言模型、在Simulink中建立Simulink模型、AMESim中建立AMESim模型、Visual Studio建立Fortran语言模型等；然后将各子系统模型编译生成动态链接库，动态链接库中应该包含模型仿真接口、模型求解器；再利用Modelica的外部函数机制将各个子计算模型封装为子系统Modelica模型；最后用Modelica语言编写主控模型，定义各子系统模块的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统的进行调度，实现系统的数据同步。
为了实现上述目的，本申请提供了如下技术：
一种基于Modelica的联合仿真系统，包括：
子系统建模软件，其目的在于用于搭建各子系统模型，同时提供编译导出功能，将子系统模型导出动态链接库；
动态链接库，其目的在于将子系统模型导出为动态链接库；
子系统Modelica模型，其内部设有Modelica的外部函数机制，子系统Modelica模型的目的在于将导出的动态链接库用Modelica的外部函数封装的Modelica模型；
主控模型，其目的在于负责对各个子系统Modelica模型的时序控制、仿真调度，其采用Modelica语言编写；
主控端仿真软件，其目的在于用来运行产生的主控模型。
进一步地，上述所述子系统模型，其包括子系统的物理方程和模型的输入输出接口，其中，输入输出为跟其他子系统需要交换的变量。
进一步地，动态链接库包括模型仿真接口，其目的在于提供包括初始化、执行一步、仿真结束、设置输入、获取输出等接口。
进一步地，动态链接库还包括模型求解器，其目的在于为仿真计算逻辑，在给定输入的情况可以求解出输出。
进一步地，子系统Modelica模型内设有模型的输入输出端以及封装调用端口，其中，输入输出端在于对接动态链接库和主控模型，封装调用端口对动态链接库进行封装调用。
一种基于Modelica的联合仿真构建方法，包括如下步骤：
步骤一，利用子系统建模软件建立子系统模型，并定义子系统的输入输出接口变量；
步骤二，在建模软件中将子系统模型编译生成动态库；
步骤三，利用Modelica的外部函数机制将产生的动态库封装成Modelica模型；
步骤四，利用多领域统一建模工具MWorks，建立主控模型，主控模型中包含子系统的连接关系、子系统的时序控制，并配置各子系统的参数；
步骤五，使用主控端仿真软件求解主控模型，其中主控端仿真软件采用建模工具MWorks，从而实现各子系统之间的数据交换。
进一步地，导出的动态链接库必须带求解器，主控模型中，采用定步长算法求解。
进一步地，步骤四中配置各子系统的参数包括仿真开始时间和采样间隔。
进一步地，利用主控模型定义各子系统Modelica模型的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统Modelica模型进行调度，实现系统的数据同步。
进一步地，各子系统的采样间隔必须为主控模型求解步长的整数倍。
与现有技术相比较，本申请能够带来如下技术效果：
1、采用本申请技术提出的基于Modelica的联合仿真系统，可支持多建模软件、多语言建模，并且将系统仿真划分为系统调度和子系统计算，降低了子系统之间的耦合，简化了大系统构建复杂度，增加了系统可扩展性；
2、本申请联合仿真技术将各子系统都放在单独的进程中进行求解，提高系统的求解速度，实现了各子系统的并发求解；
3、基于子系统建模的提出，并进一步输出简化，使得原仿真系统的复杂度大大降低，提高联合仿真的效率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明控制模型的总控制模型示意图；
图2是本发明子系统模型的流程示意图；
图3是本发明主控模型的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本申请技术采用本申请技术提出的基于Modelica的联合仿真系统，可支持多建模软件、多语言建模，并且将系统仿真划分为系统调度和子系统计算，将各子系统都放在单独的进程中进行求解，提高系统的求解速度。
本发明提供一种基于Modelica的联合仿真系统及其构建方法，实现各异构模型的联合仿真。首先在各建模软件中建立子系统模型，可以使用多种不同的建模软件和语言，如在Visual Studio建立C语言模型、在Simulink中建立Simulink模型、AMESim中建立AMESim模型、Visual Studio建立Fortran语言模型等；然后将各子系统模型编译生成动态链接库，动态链接库中应该包含模型仿真接口、模型求解器；再利用Modelica的外部函数机制将各个子计算模型封装为子系统Modelica模型；最后用Modelica语言编写主控模型，定义各子系统模块的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统的进行调度，实现系统的数据同步。具体的，
如附图2和3所示，一种基于Modelica的联合仿真系统，包括：
子系统建模软件，其目的在于用于搭建各子系统模型，同时提供编译导出功能，将子系统模型导出动态链接库；
动态链接库，其目的在于将子系统模型导出为动态链接库；
子系统Modelica模型，其内部设有Modelica的外部函数机制，子系统Modelica模型的目的在于将导出的动态链接库用Modelica的外部函数封装的Modelica模型；
主控模型，其目的在于负责对各个子系统Modelica模型的时序控制、仿真调度，其采用Modelica语言编写；
主控端仿真软件，其目的在于用来运行产生的主控模型。
如附图1所示，本实施例，设有三个子系统建模窗口，对应的主控模型同步设有三个，实现三个独立的联合仿真协同路径；因此，类推下去，在建模软件环境允许的情形下，并不止于建模窗口数量的限制。
进一步地，上述所述子系统模型，其包括子系统的物理方程和模型的输入输出接口，其中，输入输出为跟其他子系统需要交换的变量。
进一步地，动态链接库包括模型仿真接口，其目的在于提供包括初始化、执行一步、仿真结束、设置输入、获取输出等接口。
进一步地，动态链接库还包括模型求解器，其目的在于为仿真计算逻辑，在给定输入的情况可以求解出输出。
进一步地，子系统Modelica模型内设有模型的输入输出端以及封装调用端口，其中，输入输出端在于对接动态链接库和主控模型，封装调用端口对动态链接库进行封装调用。
一种基于Modelica的联合仿真构建方法，包括如下步骤：
步骤一，利用子系统建模软件建立子系统模型，并定义子系统的输入输出接口变量；
步骤二，在建模软件中将子系统模型编译生成动态库；
步骤三，利用Modelica的外部函数机制将产生的动态库封装成Modelica模型；
步骤四，利用多领域统一建模工具MWorks，建立主控模型，主控模型中包含子系统的连接关系、子系统的时序控制，并配置各子系统的参数；
步骤五，使用主控端仿真软件求解主控模型，其中主控端仿真软件采用建模工具MWorks，从而实现各子系统之间的数据交换。
进一步地，导出的动态链接库必须带求解器，主控模型中，采用定步长算法求解。
进一步地，步骤四中配置各子系统的参数包括仿真开始时间和采样间隔。
进一步地，利用主控模型定义各子系统Modelica模型的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统Modelica模型进行调度，实现系统的数据同步。
进一步地，各子系统的采样间隔必须为主控模型求解步长的整数倍。
采用本申请技术提出的基于Modelica的联合仿真系统，可支持多建模软件、多语言建模，并且将系统仿真划分为系统调度和子系统计算，降低了子系统之间的耦合，简化了大系统构建复杂度，增加了系统可扩展性
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Modelica的联合仿真系统，其特征在于，包括：
子系统建模软件，其目的在于用于搭建各子系统模型，同时提供编译导出功能，将子系统模型导出动态链接库；
动态链接库，其目的在于将子系统模型导出为动态链接库；
子系统Modelica模型，其内部设有Model ica的外部函数机制，子系统Modelica模型的目的在于将导出的动态链接库用Model ica的外部函数封装的Modelica模型；
主控模型，其目的在于负责对各个子系统Modelica模型的时序控制、仿真调度，其采用Modelica语言编写；
主控端仿真软件，其目的在于用来运行产生的主控模型。
2.如权利要求1所述的一种基于Modelica的联合仿真系统，其特征在于，上述所述子系统模型，其包括子系统的物理方程和模型的输入输出接口，其中，输入输出为跟其他子系统需要交换的变量。
3.如权利要求1所述的一种基于Modelica的联合仿真系统，其特征在于，动态链接库包括模型仿真接口，其目的在于提供包括初始化、执行一步、仿真结束、设置输入、获取输出等接口。
4.如权利要求3所述的一种基于Modelica的联合仿真系统，其特征在于，动态链接库还包括模型求解器，其目的在于为仿真计算逻辑，在给定输入的情况可以求解出输出。
5.如权利要求1所述的一种基于Modelica的联合仿真系统，其特征在于，子系统Modelica模型内设有模型的输入输出端以及封装调用端口，其中，输入输出端在于对接动态链接库和主控模型，封装调用端口对动态链接库进行封装调用。
6.一种基于Modelica的联合仿真构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，利用子系统建模软件建立子系统模型，并定义子系统的输入输出接口变量；
步骤二，在建模软件中将子系统模型编译生成动态库；
步骤三，利用Modelica的外部函数机制将产生的动态库封装成Modelica模型；
步骤四，利用多领域统一建模工具MWorks，建立主控模型，主控模型中包含子系统的连接关系、子系统的时序控制，并配置各子系统的参数；
步骤五，使用主控端仿真软件求解主控模型，其中主控端仿真软件采用建模工具MWorks，从而实现各子系统之间的数据交换。
7.如权利要求6所述的一种基于Modelica的联合仿真构建方法，其特征在于，导出的动态链接库必须带求解器，主控模型中，采用定步长算法求解。
8.如权利要求6所述的一种基于Modelica的联合仿真构建方法，其特征在于，步骤四中配置各子系统的参数包括仿真开始时间和采样间隔。
9.如权利要求6所述的一种基于Modelica的联合仿真构建方法，其特征在于，利用主控模型定义各子系统Modelica模型的采样步长，利用主控端的求解器对各子系统Modelica模型进行调度，实现系统的数据同步。
10.如权利要求9所述的一种基于Modelica的联合仿真构建方法，其特征在于，各子系统的采样间隔必须为主控模型求解步长的整数倍。
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