CN113076622B - Fmu仿真模型规范性分析与校验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法，包括如下步骤：步骤1：制定Modelica建模规范；步骤2：整理模型规范性分析与校验的内容；步骤3：开发模型规范性与校验分析软件。可以直接用于检查交付模型的质量，能够有效避免隐藏建模不规范及缺陷，通过标准输入输出数据测试和精度对比，能够定量分析模型精度是否符合要求，从而大大减少模型在供需双方之间的往返修改，提高设计效率，缩短设计验证周期。

Description

FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及仿真模型规范性分析与校验技术领域，具体涉及一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法，尤其涉及一种针对航空航天领域的FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法。

背景技术

航空指飞行器在地球大气层内的航行活动，航天指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。航空航天大大改变了交通运输的结构。迄今为止，航空航天领域的设计开发工作面临着巨大的挑战，其中包括航程限制，由热约束引起飞机包线受限、日益增长的电力需求以及功率兼容性等问题。不同于过去，目前这些问题过于复杂，不能仅仅依靠组件层级解决。因此，研究子系统，又或者整机系统是解决这些问题的必经之路。在航空航天领域，其中的一个解决途径，就是通过建模、仿真、分析以及测试。当前，存在很多建模方法，但是不同方法缺乏统一的模型规范、建模方法与模板、模型接口定义等约束，因此模型开发人员与系统集成商的模型无法有效的整合集成。同时，行业内没有统一的模型质量检验方法和模型验收标准，对模型的评价缺少统一标准，导致工程人员不能有效地在工程型号中应用基于模型的分析结果，仿真研究只能停留在预研课题上。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法，可以直接用于检查交付模型的质量，能够有效避免隐藏建模不规范及缺陷，通过标准输入输出数据测试和精度对比 ，能够定量分析模型精度是否符合要求，从而大大减少模型在供方和x需方之间的往返修改，提高设计效率，缩短设计验证周期。

为了克服现有技术中的不足，本发明实施例给予了一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统及方法的解决方案，具体如下：

一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：制定Modelica建模规范；

步骤2：整理模型规范性分析与校验的内容；

步骤3：开发模型规范性与校验分析软件。

进一步的，所述制定Modelica建模规范的方法，包括：

对产品研发各阶段所提供的模型整理研究，建立通用的系统建模规范，该通用的系统建模规范包含了模型颗粒度划分、信号符号/方向约定、模型命名规则、参数命名规则、模型版本管理以及知识产权保护这样的内容。

进一步的，所述整理模型规范性分析与校验的内容的方法，包括：

梳理交付模型验收信息，进行检查命名规范、仿真参数、模型参数、FMU兼容性和模型测试结果这样的5项检查内容。

进一步的，所述开发模型规范性与校验分析软件的方法，包括：

根据所述整理模型规范性分析与校验的内容所得的5项检查内容，整理和创建了针对每一项检查内容所需要的标准输入数据和模板，并在此基础上开发了分析校验软件，实现对供方提供的FMU模型进行分析校验和生成报告。

一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统，包括：

制定模块，用于制定Modelica建模规范；

整理模块，用于整理模型规范性分析与校验的内容；

开发模块，用于开发模型规范性与校验分析软件。

本发明实施例的有益效果为：

本发明实现了建模规范的从无到有，可作为供需双方之间的规范建模和交付验收的指导文件；根据规范提炼的分析校验方法开发的软件，可直接用于检查交付模型质量，能够有效避免隐藏建模不规范及缺陷，通过标准输入输出数据测试和精度对比 ，能够定量分析模型精度是否符合要求，从而大大减少模型在供需双方之间的往返修改，提高设计效率，缩短设计验证周期。

附图说明

图1为本发明的FMU仿真模型规范性分析与校验系统的原理图。

图2为本发明的所述步骤3-1的界面示意图。

图3为本发明的所述步骤3-3的界面示意图。

图4为本发明的所述操作一的界面图。

图5为本发明的所述操作二的界面图。

图6为本发明的所述操作三的界面图。

图7为本发明的所述操作四的界面图。

具体实施方式

Modelica目前是工业界备受瞩目的建模语言，是一种统一的、面向对象的、开源的、非因果、用于多物理领域的建模语言。Modelica语言适用于大规模、复杂的、异构物理系统建模，可以满足机械、电气、热、液压、气动、流体等多物理领域建模仿真需求。能够多层次多颗粒度建模，模型重用性高，非常适合航空航天系统建模仿真，是目前航空航天领域通用的系统建模语言。

Functional Mock-Up Interface(FMI)是一种开放式标准，在不依赖于工具的情况下交换和集成不同工具供方提供的被控对象模型。因此FMI让用户能够更轻松地使用最佳工具完成特定建模任务，并且众多公司部门可在不同的开发阶段中重复使用模型。有两种基本类型：模型交换(Model Exchange)和联合仿真(Co-Simulation) ，有两个子标准：用于模型交换的FMI和用于联合仿真的FMI。基于该接口规范的模型的压缩文件称为FMU(Functional Mockup Unit)。FMU有助于保护模型所有者的知识产权，接收方无法获得模型的原理等核心信息，适合于供需双方之间的模型传递与交互。

下面将结合附图和实施例对本发明实施例做进一步地说明。

如图1-图7所示，FMU仿真模型规范性分析与校验系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：制定Modelica建模规范；步骤2：整理模型规范性分析与校验的内容；

步骤3：开发模型规范性与校验分析软件。

所述制定Modelica建模规范的方法，包括：

对产品研发各阶段所提供的模型整理研究，提高供需双方模型交互的可读性、规范性、重用性等，建立通用的系统建模规范，该通用的系统建模规范包含了模型颗粒度划分、信号符号/方向约定、模型命名规则、参数命名规则、模型版本管理以及知识产权保护这样的内容。

具体而言，所述制定Modelica建模规范的方法，包括：

模型颗粒度划分，所述模型颗粒度划分的方法，包括：

根据各阶段对模型保真程度要求的不同，将模型分为的模型包括架构级模型、功能级模型、行为级模型和组件级模型；

架构级模型一般用于建立完整的系统架构，用于研究系统稳态分析，通常不包含复杂的动态行为。功能级模型可以描述系统的功能性行为，对于复杂的动态行为通常采取平均等效处理，可以分析低频特性。行为级模型可以描述系统的详细动态行为，包含瞬态变化及非线性现象，可以分析预测高频特性。组件级模型主要应用于模型的仿真验证和单个组件的深入研究。

所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：

信号符号/方向约定；所述信号符号/方向约定的方法，包括：

信号包括但不限于电流、功率流、旋转位置/速度/扭矩和热流量。然而，如果使用其他变量没有指定符号约定，则模型开发人员应当向模型集成人员提供清晰的标签和/或指令，以便避免符号错误。

符号/方向约定示例如下：

信号流整体应从左到右，从上到下，反馈信号除外；

反馈信号流应紧邻的正向信号流下方完成；

电流：进入设备为正值(机器的电流在发电模式下为负，在电动机模式下为正)。

所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：

模型命名规则，所述模型命名规则的方法，包括：为了方便模型的传递与集成，本申请对模型的名称进行统一定义。命名要求简洁直观，可以简要描述模型的物理含义。

广义上的Modelica模型包括Model，Connect，Record ，Block，Function，Type，Package七种，其中Model，Connect，Record，Block四种模型可以通过拖拽的方式建模。这里，英文标识部分含义为：组件模型Model；连接器Connect；块Block；表格Record；建立新的模型时，在包层次中，模型名称的首字母需大写，指向一个定义，体现包的层次结构；在实例结构层次中，模型名称的首字母需小写，指向一个组件，体现被实例化的组件层次结构。

组件模型的命名规则包括：

M o d e l 的 名 称 ( 建 立 该 模 型 时 的 命 名 ) 应 表 示 其 物 理功 能 ，如EthyleneGlycolWater20，20％乙二醇水溶液。

连接器的命名规则如下：

对于接口，命名规则如下：

控制接口：包含数据类型，即Real，Boolean，Integer，e .g .u

(输入)，y(输出)；

电接口：pin，pin_P(正极)，pin_N(负极)；

磁接口：port，port_P(+)，port_N(-)；

机械接口：三维多体，frame；一维平动/转动，flange；

流体接口：port；

热接口：port；

热流体接：port；

系统的命名规则如下：

建模层级：

Functional—功能级模型；

Behavioral—行为级模型；

版本编号：

每个交付模型，版本编号必须是递增的，即便从n到n+1的变化很小。这样才能有效区分模型并跟进模型的开发。

命名：项目名称_供方_系统/设备_模型层级_版本

XXX_Partner_System/Equipment_Modelinglevel_Versionx，如XXX_GM_System_Fuctional_V1 .0。

所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：

参数命名规则，所述参数命名规则的方法，包括：

通常，对于模型而言，不希望数字直接出现在方程中，此时使用参数来表示数字，可以使模型更易理解和重用。

参数名称要尽可能简短，但以希腊字母表示的物理量则应特别注意不造成混淆，如omega与w。应以“parameter参数名称_补充标记＝参数缺省值“详细说明”；”的形式进行参数定义，在建模时，程序界面上同一类参数应放置在一起；如：

parameter Modelica .SIunits .Area A1＝0 .01

"Heat transfer area"

所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：

模型版本管理，所述模型版本管理的方法，包括：

通过作为模型版本管理的版本控制跟踪模型开发是很重要的。因此，需要模型开发人员使用的版本控制过程。

版本控制系统需要满足的要求如下：

每一个正式交付给系统集成商的模型，都需要具有固定的版本号；版本号需要固定并保持不变，当产生任何更新的模型都是一个新版本；

当生成正式模型发布时(即，当模型“离开”版本控制系统时) ，可以将其存储或者放置到命名中包含版本控制软件生成的正式版本号的文件夹中；确保模型官方发布版本可以追溯到版本控制软件中的原始版本。

所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：

知识产权保护，所述知识产权保护的方法，包括：

当涉及IP保护问题，供方模型不便于以Modelica模型交付时，可以FMU形式进行交付。为了避免在同一或不同仿真环境下，开发的模型的接口不对应或模型集成后不能仿真等问题，有必要对FMU文件交付规则加以限定。在大型工程项目中，由同一个机构完成所有建模工作往往是不可行的，且单一的建模环境很难覆盖所有的仿真需求。因此需要将不同来源的仿真模型(或代码)进行集成整合，在其他平台上进行仿真。此时多个机构为了IP保护或者集成，可以需要选择一个普适的方法—基于FMI(Functional Mock-up Interface)仿真。

FMI为实现组合仿真任务定义了一个开源和免费的标准。有两种基本类型：模型交换(Model Exchange)和联合仿真(Co-Simulation) ，有两个子标准：用于模型交换的FMI和用于联合仿真的FMI。基于该接口规范的模型的压缩文件称为FMU(FunctionalMockupUnit)。

模型交换FMI(Model Exchange)

目的是建模环境可以生成动态系统模型的C代码，可供其他建模仿真环境使用。模型由微分，代数和离散方程描述的时间、状态和时序。适用于大型系统，可用于离线或在线仿真，也可以用于微处理器的嵌入式控制系统。可以使用单个模型的多个实例，并将模型按层次结构连接在一起。模型与目标仿真器无关，需要使用仿真器特定的求解器。

联合仿真FMI(Co-simulation)

目的是提供一个接口标准，以在同一个联合仿真环境中耦合两个或更多的模拟工具。异构模型间的数据交互仅限于离散通信点。在两个通信点之间的时间内，模型使用各自的求解器进行计算。主算法控制子系统之间的数据交换和所有从仿真求解器的同步。通过一个从属于模型的特定的XML文件，提供所有模型信息和与联合仿真环境相关的通信设置信息。特别地，还包括一组功能信息，用于描述从属模型所支持的高级主算法，例如可变通信步长、高阶信号外推或其他方法的使用。

在上述两种类型模型中，原始代码都包含在FMU中。仿真器会调用FMI相关函数，创建一个或多个FMU实例，也称为模型，支持与其他模型一起运行。

大量的工具支持FMI，其中有的部分支持，有的完全支持。具体请参考：https://fmi-standard .org/tools/。

仿真环境:

基于Modelica并带有FMU接口；

商业工具：

Dymola：完全支持FMI，包括ME、CS的导入/导出；

SimulationX：较好的支持FMI；

开源工具：

OpenModelica：部分支持FMI；

所述整理模型规范性分析与校验的内容的方法，包括：

梳理交付模型验收信息，进行检查命名规范、仿真参数、模型参数、FMU兼容性和模型测试结果这样的5项检查内容；

具体如下：

通过研究供方提供的模型，问题较为集中的存在以下各方面，各家供方提供的模型命名不规范，仿真参数、模型参数设置没有统一的标准，FMU模型兼容性较低以及模型计算误差不能稳定的控制在可接受的精度范围内等，因此在本申请中选取了上述5项内容作为分析校验软件的工作范围。创建了针对每一项检查内容所需要的标准输入数据和模板。

命名规范检查：

标准输入：.mo模型文件

模板：naming_db .xls按照项目名称-供方-设备-模型层级-内容等5级来定义命名检查的合法范围。

仿真参数检查：

标准输入：dsin .txt文件

模板：simulationParameter .xls包含StarTime、StopTime、Increment、nIterval、Tolerance、MaxFixedStep、Algorithm等仿真计算设置参数

模型参数检查：

标准输入：dsin .txt文件

模板：modelParameter .xls包含Parameters、Inputs、Outputs三类模型中定义的参数。

FMU模型兼容性检查：

标准输入：fmu模型

模板：fmu .xls包含模型版本、类型(model-exchage或co-simulation)、变量总数、错误和警告等各检查项。

模型结果检查：

标准输入: .mat结果文件

模板：result .csv文件包含了需要对比的各变量时间历程列表，用于与从 .mat提取的仿真结果进行对比。

所述开发模型规范性与校验分析软件的方法，包括：

根据所述整理模型规范性分析与校验的内容所得的5项检查内容，为此整理和创建了针对每一项检查内容所需要的标准输入数据和模板，并在此基础上开发了分析校验软件，能够实现对供方提供的FMU模型进行分析校验和生成报告；

具体如下：

自定义yaml格式检查规则文件

示例如下：

自定义Json格式项目文件

示例如下：

一种FMU仿真模型规范性分析与校验系统，包括：

制定模块，用于制定Modelica建模规范；

整理模块，用于整理模型规范性分析与校验的内容；

开发模块，用于开发模型规范性与校验分析软件。

下面以直流电机系统为例，进一步的说明一下FMU仿真模型规范性分析与校验系统的方法：

步骤1：根据梳理的通用建模规范，梳理直流电机系统的Modelica模型，根据绝对最佳值对电流控制器进行参数设置。在时间为0 .1s时，将施加高度＝标称电枢电流的参考电流阶跃，从而导致直流电机启动并加速惯性。通过与速度相关的二次方转矩加载机器。模拟2秒钟并绘制(相对于时间)：

dcpm .ia：电枢电流

dcpm .wMechanical：电动机的速度

dcpm .tauElectrical：电动机的转矩

使用模型DC_PermanentMagnet的默认机器参数。

在OpenModelica中创建如下模型，点击Export-FMU导出为DCMotor .fmu模型文件。

步骤2：根据命名规范、仿真参数、模型参数、FMU兼容性、模型测试结果等5项检查内容，整理模型规范性分析与校验内容。准备模型计算结果对比csv文件及待检查的参数表，确认命名内容。

根据检查项，整理如下的标准输入：

DCMotor .mo

DCMotor .fmu

Dsin .txt

DCMotor .mat

准备检查需要的模板：

Naming_db .xls

SimulationParameter .xls

ModelParameter .xls

Fmu .xls

Result .csv

步骤3：利用模型规范性与校验分析软件，完成模型的分析校验流程；

该步骤3具体包括：

3-1，启动分析软件，创建系统和设备节点，指定设备对应的模型和数据所在的文件夹，对应的操作一见图4所示；

3-2，选择检查项，点击执行，即可进行检查并将结果以颜色和文字显示出来，对应的操作二见图5所示；可对仿真结果数据和预期数据进行对比绘图，显示误差范围，对应的操作三见图6所示；

3-3，点击生成报告按钮，可以将检查结果以报告的形式输出，对应的操作四见图7所示。

上述模型和数据由供方提供，检查项依据建模规范制定，规则已内化在模板中，因此对于模型使用方，不需要了解模型具体创建的细节以及其对应的设备原理，也不需要手动检查命名是否符合规范，仿真参数是否设置合理、模型是否具备了规定的输入、输出参数，以及模型计算结果是否符合精度要求，只需要启动软件、读入数据和运行检查，即可得到模型是否合规的结论，可有效降低校验难度，提高校验效率。

以上以用实施例说明的过程对本发明实施例作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明实施例的范围的状况下，能够做出每种变动、改变和替换。

Claims (1)

1.一种FMU仿真模型规范性分析与校验的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制定Modelica建模规范；包括：对产品研发各阶段提供的模型整理研究，建立通用的系统建模规范，该通用的系统建模规范包含了模型颗粒度划分、信号符号/方向约定、模型命名规则、参数命名规则、模型版本管理以及知识产权保护这样的内容；所述模型颗粒度划分的方法，包括：根据各阶段对模型保真程度要求的不同，将模型分为的模型包括架构级模型、功能级模型、行为级模型和组件级模型；所述制定Modelica建模规范的方法，还包括：信号符号/方向约定；所述信号符号/方向约定的方法，包括：信号包括但不限于电流、功率流、旋转位置/速度/扭矩和热流量；然而，如果使用其他变量没有指定符号约定，则模型开发人员应当向模型集成人员提供清晰的标签和/或指令，以便避免符号错误；

步骤2：整理模型规范性分析与校验的内容；包括：梳理交付模型验收信息，进行检查命名规范、仿真参数、模型参数、FMU兼容性和模型测试结果这样的5项检查内容；

步骤3：开发模型规范性与校验分析软件；包括：根据所述整理模型规范性分析与校验的内容所得的5项检查内容，整理和创建了针对每一项检查内容所需要的标准输入数据和模板，并在此基础上开发了分析校验软件，实现对供方提供的FMU模型进行分析校验和生成报告。