CN112612219A - 一种基于模型开发中的联合仿真方法 - Google Patents

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张春
朱理化
秦增辉
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Abstract

本发明公开了一种基于模型开发中的联合仿真方法，包括：进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证，形成系统原型，配置仿真参数，生成DLL；对生成的DLL进行导入和封装，形成封装模型；将封装模型与其他软件设计模型进行集成；将充分验证后的SCADE软件设计模型封装成FMU模型；在INCHRON仿真平台中，导入生成的SCADE对应的FMU模型，将该FMU模型在INCHRON中与其他子系统FMU模型进行模型集成，开展联合仿真，分析整个系统设计的合理性。本发明通过不同开发阶段、不同开发平台之间的模型交互和信息融合，通过将SCADE软件设计模型反馈至INCHRON综合仿真环境中开展系统级的模型综合和联合仿真，形成更为完整的MBSE解决方案，提升复杂系统的研发质量和效率。

Description

一种基于模型开发中的联合仿真方法
技术领域
本发明属于航发发动机数控系统和控制软件开发技术领域，涉及基于模型开发和验证技术，具体涉及一种基于模型开发中的联合仿真方法。
背景技术
近年来，基于模型的系统工程(MBSE，Model-Based System Engineering)在航空、航天和轨道交通等复杂系统研制中得到越来越多的应用。MBSE主张以模型的形式支撑并持续贯穿系统研制的全过程，以数字模型逐渐替代文档成为信息的载体，仿真等虚拟验证方法逐渐替代实物试验手段。MBSE中用计算机语言代替自然语言传递工程信息，核心思想是确保大型复杂系统的研制中，设计过程和测试过程都能够始终围绕着稳定的、唯一的需求来进行；区别与传统基于文档的系统工程，是一套以模型分析系统、传递需求的方法论。以需求和模型为核心，通过各个阶段对需求和模型的确认和验证，减少系统研制风险。MBSE的三大特点：1)基于使用场景建模与分析正向捕获需求，做到“知其然，知其所以然”，引领需求创新。2)从基于文档转变为基于模型的研发，模型“驱动”开发过程，动态且无歧义。3)基于模型的多物理(机、电、液、热、磁)联合仿真，在虚拟世界通过建模与仿真进行不同学科性能的“事前”验证、设计迭代和综合优化，尽可能保证物理实现一次成功，做到“运筹虚拟世界、决胜物理世界”。
目前，国际上还没有一个基于模型的系统工程的标准框架和解决方案，系统、子系统分析设计分别用Rhapsody、MATLAB、SCADE等工具，复杂系统分析、设计到子系统详细设计的过程中，仅依赖于工程师的经验和离散的建模仿真工具，建模仿真多注重于功能的评估，缺乏对复杂系统架构、动态行为和功能进行虚拟综合的途径、平台和方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于模型开发中的联合仿真方法，通过不同开发阶段、不同开发平台之间的模型交互和信息融合，既能继承MATLAB在系统设计阶段的模型成果，又能发挥SCADE作为安全关键软件开发的建模仿真平台的优势，通过将SCADE软件设计模型反馈至INCHRON综合仿真环境中开展系统级的模型综合和联合仿真，充分发挥MBSE的建模仿真和早期验证优势，形成更为完整的MBSE解决方案，提升复杂系统的研发质量和效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于模型开发中的联合仿真方法，包括如下步骤：
S1：进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证，形成系统原型，配置仿真参数，使用Simulink模型代码生成技术生成DLL；
S2：对步骤S1生成的DLL进行导入和封装，形成SCADE可用的封装模型；
S3：在SCADE完成其他软件模型的设计后，将步骤S2形成的封装模型与其他软件设计模型进行集成，并在SCADE中进行软件设计模型仿真；
S4：结合SCADE和INCHRON的模型交换需要，根据仿真目标在SCADE中设置相关参数，基于FMI协议标准，将充分验证后的SCADE软件设计模型封装成FMU模型；
S5：在INCHRON仿真平台中，导入步骤S4生成的SCADE对应的FMU模型，将该FMU模型在INCHRON中与其他子系统FMU模型进行模型集成，开展联合仿真，分析整个系统设计的合理性。
进一步地，所述步骤S1中通过MATLAB/SIMULINK进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证。
进一步地，所述步骤S1中系统原型包括发动机模型和控制算法模型。
进一步地，所述步骤S2中使用SCADE的导入操作符对DLL进行导入和封装。
进一步地，所述步骤S4中设置的相关参数包括仿真步长和接口。
本发明在航空发动机控制系统和软件研制中，综合使用建模仿真、自动代码生成、动态链接库(DLL，Dynamic Link Library)技术和功能模型接口标准(FMI，FunctionalMock-up Interface)等技术和标准，推动不同开发阶段和不同开发平台之间的信息交换和联合仿真。
基于上述内容，对本发明方案进行归纳总结，具体为：
首先，在系统原型设计和算法设计阶段，基于MATLAB/SIMULINK进行系统原型开发、发动机建模、控制算法设计和算法验证，充分发挥MATLAB/SIMULINK数学运算能力和建模仿真优势。
其次，在SCADE中进行软件设计，SCADE专注于安全关键软件开发，提供了一整套基于模型的软件开发解决方案和经过适航认证的工具箱，使用SCADE进行航空发动机A类控制软件的开发能够减少开发成本、风险和软件适航认证时间。在SCADE软件模型设计阶段，采用代码生成和封装技术，把MATLAB/SIMULINK系统设计阶段的成熟模型导入到SCADE模型中，实现对系统设计成果的继承。
最后，基于FMI标准，将SCADE的软件设计模型封装成FMU模型，将FMU模型导入NCHRON综合仿真环境中，在INCHRON中与其他子系统的FMU模型进行模型集成，构建复杂系统的虚拟仿真环境，并开展联合仿真，进行系统的功能、时序和性能等方面分析。
本发明将系统建模的成果融入到传统的设计产出(软件需求规格、软件设计、产品论证报告等)当中，将子系统的设计模型进行多学科持续综合集成和系统级联合仿真，显著提高这些设计产出的质量，既是提高设计能力的有效途径，也是MBSE方法应用推广的客观要求。
有益效果：本发明与现有技术相比，打通了系统原型和算法设计、软件开发和多学科联合仿真的信息交换，实现了软件开发与系统设计和系统集成的有效信息传递和成果继承，实现了软件子系统设计模型与其他子系统模型的模型综合和联合仿真，能够更充分地发挥MBSE的建模仿真和早期验证优势，提高复杂系统研制的正确性和产品的可靠性。
附图说明
图1为本发明方法中多模型信息交换和联合仿真示意图；
图2为对MATLAB模型封装后SCADE模型的示意图；
图3为SCADE中的模型集成图；
图4为基于FMI标准的联合仿真示意图；
图5为INCHRON中的联合仿真模型示意图；
图6为联合仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于模型开发中的联合仿真方法，如图1所示，包括如下步骤：
第一步：在MATLAB/SIMULINK进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证，形成系统原型。识别需要传递到软件设计阶段的经过验证的系统原型模型(主要有发动机模型、控制算法模型等用于软件设计和闭环仿真用的模型)。
第二步：结合MATLAB/SIMULINK和SCADE的模型交换需要，在MATLAB/SIMULINK配置仿真参数，使用Simulink模型代码生成技术生成DLL。
第三步：在SCADE中通过模型接口类型重定义，接口适配等，使用SCADE的导入操作符(imported operator)，对第二步生成的DLL进行导入和封装，形成SCADE可用的封装模型；在SCADE完成其他软件模型的设计后，将封装模型与其他软件设计模型进行集成，并在SCADE中进行软件设计模型仿真。
本实施例中对MATLAB模型封装后SCADE模型如图2所示，SCADE中的模型集如图3所示。
第四步：结合SCADE和INCHRON的模型交换需要，根据仿真目标在SCADE中设置仿真步长、接口等参数，基于FMI协议标准，将充分验证后的SCADE软件设计模型封装成FMU模型，具体可参照图4。
第五步：在INCHRON仿真平台中，导入第四步生成的FMU模型，将该FMU模型在INCHRON中与其他子系统FMU模型进行模型集成，开展联合仿真，分析整个系统设计的合理性，具体可参照图5。
本实施例中经过上述联合仿真后得到如图6所示的联合仿真结果，从而证明了本发明方案的有效性。

Claims (5)

1.一种基于模型开发中的联合仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证，形成系统原型，配置仿真参数，使用Simulink模型代码生成技术生成DLL；
S2：对步骤S1生成的DLL进行导入和封装，形成SCADE可用的封装模型；
S3：在SCADE完成其他软件模型的设计后，将步骤S2形成的封装模型与其他软件设计模型进行集成，并在SCADE中进行软件设计模型仿真；
S4：结合SCADE和INCHRON的模型交换需要，根据仿真目标在SCADE中设置相关参数，基于FMI协议标准，将充分验证后的SCADE软件设计模型封装成FMU模型；
S5：在INCHRON仿真平台中，导入步骤S4生成的SCADE对应的FMU模型，将该FMU模型在INCHRON中与其他子系统FMU模型进行模型集成，开展联合仿真，分析整个系统设计的合理性。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型开发中的联合仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中通过MATLAB/SIMULINK进行系统原型开发、控制算法设计、航空发动机建模和算法验证。
3.根据权利要求1所述的一种基于模型开发中的联合仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中系统原型包括发动机模型和控制算法模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于模型开发中的联合仿真方法，其特征在于：所述步骤S2中使用SCADE的导入操作符对DLL进行导入和封装。
5.根据权利要求1所述的一种基于模型开发中的联合仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中设置的相关参数包括仿真步长和接口。
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