CN113962061A - 一种机电系统知识组件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电系统知识组件设计方法，包括如下步骤：步骤1、根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分；步骤2、根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模；步骤3、根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证。本发明可对一类具有相同功能模块和连接关系的机电系统，在统一的物理架构下，开展对各功能模块不同颗粒度、不同维度的模型开发与仿真活动，并依据物理架构的组织关系对仿真模型或称知识组件进行分层管理，规定了模型通用接口和参数识别规范，实现机电系统建模仿真工作的系统性、规范性、可追溯性。

Description

一种机电系统知识组件设计方法

技术领域

本发明涉及机电系统领域，特别涉及一种机电系统知识组件设计方法。

背景技术

航空机电系统设计是一项复杂的系统工程，包括机械、固体、流体和电路等多个学科。因此，基于Amesim、Simulink的多学科系统仿真已经成为机电系统设计过程中不可或缺的设计手段。在以往的系统仿真工作中，模型建立、仿真分析和模型交换等工作主要由仿真部件的设计人员单独完成，建模仿真的结果以数表和报告的形式上报给上一级部件设计人员或专业总师。这样的建模仿真工作模式存在如下三个缺陷：

1、建模过程缺陷

系统建模工作没有整体布局，建模过程没有统一的规范，各部件建模存在随意性，体现在各部件模型接口不统一，颗粒度不一致，导致各部件模型的集成仿真失去系统仿真的目的性或是计算效率低下。

2、模型传递缺陷

机载系统各研发人员为提高系统的设计效率和质量，都期望能在设计早期对需求进行验证和确认，但在引入仿真技术解决问题的同时，部件设计人员与系统设计人员的模型如何传递，如何集成，成为需要解决的急迫问题。

3、仿真缺陷

由于缺乏试验数据以及部分试验数据没有针对性，很多模型的建立和验证无法进行，导致模型建立和验证的工作效率比较低，造成模型使用的效果差，精确度低。因此急需将相关试验数据和模型进行统一管理，方便后期模型的复用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明梳理了知识组件的建模方法、原则，接口关系(交互关系)等，提出一种机电系统知识组件设计方法。

本发明的技术方案为：一种机电系统知识组件设计方法，包括如下步骤：

步骤1、根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分；

步骤2、根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模；

步骤3、根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证。

进一步的，所述步骤1根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分，具体包括：

一级组件为系统层模型，用于概念设计阶段，以快速验证方案和权衡多种设计方案为目标，基于系统需求以及其物理架构，搭建其系统层模型；

二级组件为子系统层模型，用于初步设计阶段，以全面、多角度、细致的模型表征系统或产品的动态行为，基于系统需求和物理架构，接口关系保持一致，参考系统层模型和关键参数的确定展开子系统层设计，以进一步确定系统的详细参数；

三级组件为部件模型，四级模型为零件级模型，两者均用于详细设计阶段；详细设计阶段主要是进行结构设计和具体参数设计，设计完成后，要绘出系统各个部件及各系统的总图、装配图、零件图和详细的重量计算及强度计算报告。

基于同一物理架构，作动系统模型统一系统模块划分与物理接口，因此每一个模块都成为了相对独立的部分，只要满足接口要求，可以建立多种不同颗粒度的仿真模型。

进一步的，所述步骤2根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模，具体包括：

搭建物理架构模型，根据多学科协同仿真平台的要求，分析仿真对象产品所包括的子系统、功能模块，然后搭建各子系统、功能模块简化功能模型；

进行物理模型功能拆分，确定各模块间的接口变量的类型、数量，进行具体的组件设计，并下发各模块性能指标需求，系统部门根据仿真结果以及产品研发的实际需求，剥离出需要下发的模块，然后确定需要下发模块所需要实现的功能和满足的性能指标，并形成固定的文档类型和格式；

建立各模块知识组件，各子系统部门基于前面确定好的物理架构模型，根据产品或方法各个功能要求，搭建属于各自的子系统知识组件。

进一步的，所述步骤3根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证，具体包括：

此阶段利用步骤2搭建好的AMESim或Simulink组件模型，赋予组件参数，进而对组件进行仿真测试，形成仿真结果；通过对比仿真结果和仿真对象产品提出的性能指标要求，对模型参数进行不断迭代优化，最终算出最优的模型参数，若不满足性能指标，分析原因，返回重新对组件进行修改，直到测试结果满足要求为止；同时各部门需要针对各自完成后的知识组件进行组件说明的编写，主要包括：模型原理、模型接口、测试用例和测试结果。

有益效果：

本发明的设计方法可对一类具有相同功能模块和连接关系的机电系统，在统一的物理架构下，开展对各功能模块不同颗粒度、不同维度的模型开发与仿真活动，并依据物理架构的组织关系对仿真模型(或称知识组件)进行分层管理，规定了模型通用接口和参数识别规范，实现机电系统建模仿真工作的系统性、规范性、可追溯性。

附图说明

图1本发明的方法总体流程图；

图2分层建模流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种机电系统知识组件设计方法，参见图1，包括如下步骤：

步骤1、根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分；

步骤2、根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模；

步骤3、根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证。

具体的，所述步骤1根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分；具体如下：

系统层级的划分一般由系统总体室人员来完成，具体实施过程中需要参考需求、功能、结构等因素来划分系统模型。

对于单纯的机械系统模型，一般依据系统结构组成进行不同颗粒度层级模型的划分，例如对于针对不同专业学科，复杂物理系统层级划分的形式虽然有所不同，但本质上都是相同的。在本发明中，采用一种通用的模型层级分解方法，它将复杂物理系统自顶向下分为四个层级：系统级、子系统级、部件级和单一物理问题，表示了整个系统的分解层次和深度。例如针对机械结构类系统最下层直接命名为零件级模型。

一级组件为系统层模型，通常用于概念设计阶段。以快速验证方案和权衡多种设计方案为目标，通常为满足初步分析需求的等效功能/性能模型，如使用曲线/曲面、传递函数、等效模型等，即颗粒度较粗的模型，基于系统需求以及其物理架构，搭建其系统层模型。

二级组件为子系统层模型，通常用于初步设计阶段。以全面、多角度、细致的模型表征系统或产品的动态行为。基于系统需求和物理架构(接口关系保持一致)，参考系统层模型和关键参数的确定展开子系统层设计，以进一步确定系统的详细参数。

三级组件为部件模型，四级模型为零件级模型，两者均用于详细设计阶段。详细设计阶段主要是进行结构设计和具体参数设计。设计完成后，要绘出系统各个部件及各系统的总图、装配图、零件图和详细的重量计算及强度计算报告。此阶段的工作量很大，而且还要进行许多试验。

基于同一物理架构，作动系统模型统一系统模块划分与物理接口，因此每一个模块都成为了相对独立的部分，只要满足接口要求，可以建立多种不同颗粒度的仿真模型。

作动系统产品设计需求非常繁多，主要分为：一般特性需求、性能需求、阻尼需求、耐久和疲劳需求、耐压和爆破压力需求、液压需求、电气需求、主要分组件需求、环境要求、维修性要求、可靠性要求等。在这些需求中，系统仿真方法能够验证只有一部分，主要包括性能需求、阻尼需求、液压需求和部分分组件需求。即便如此，希望通过建立一套作动系统模型来验证这些需求的做法也是不合理的。首先，不同的性能指标可能需要给出不同的环境测试条件才能获得，比如作动系统频带和阶跃响应的输入指令类型不同；其次，能够获得全部性能指标的仿真模型往往颗粒度过细，严重时造成仿真计算时间是仿真模拟时间的百倍以上。例如，系统中包含交流电仿真模型时，以永磁电机为例，即使永磁电机在定转速下工作，整个系统的仿真步长依然很小，以正确描述交流电的正弦信号。因此为一套作动系统建立多种颗粒度模型是产品仿真的必要工作。

本发明方法按照以下基本原则对仿真模型进行层级划分。

表1知识组件层级划分原则

层级	分层指南	参数识别原则
			一级	作动系统级	力均衡、系统频响、稳定裕度、阻抗等
二级	作动器级	作动器死区、速度、输出力等
			三级	部件级	组件功能，如流量、压力
四级	零件级	产品结构验证(如射流盘动态过程)

需要注意的是：1、作动系统模型分为四个层级并不等于系统中每个模块都需要建立四个层级的模型，实际工作中，应按照各系统层级仿真目的，以最小工作量和最简模型的原则进行建模；2、同一模块同一层级可以有多种不同的仿真模型，通常是外部环境元件为了提供不同的仿真测试环境而建立的模型。这样的模型如果数量较多，需要进行模型版本管理，这将是未来的工作方向之一。

具体的，所述步骤2根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模；如图2所示，具体包括：

物理架构模型是根据多学科协同仿真平台产品或方法的需要，分析产品或方法所包括的子系统、功能模块，然后采用LMS Imagine.Lab System Synthesis搭建各子系统、功能模块简化功能模型，最后进行各模块集成，完成仿真验证，满足功能要求后，确定各模块间的接口变量数量、类型和名称。

以某型方向舵作动系统为例，物理架构模型包括物理实体和物理接口，定义物理架构模型的第一步往往是选定一个支持异构模型集成技术FMI的仿真平台，如LMSImagine.Lab System Synthesis、ITI SimulationX等。选定构建系统物理架构的平台后，通过系统逻辑架构模型确定物理实体；参考系统逻辑架构模型各子系统之间的连接关系，(系统逻辑架构模型通常在Rhapsody平台中建立，由于Rhapsody平台对系统逻辑控制部分的建模往往比较有优势；而类似作动系统这种对逻辑控制要求不高的系统可以采用Visio等工具建立系统的逻辑架构模型。)结合系统各组成部分之间接口关系的N2图，定义各子系统之间的接口关系。

系统部门搭建AMESim或Simulink模型测试系统，依据多学科协同仿真平台产品或方法提出的性能指标，迭代算出最优的模型参数。若不满足性能指标，分析原因，返回上面环节进行修改，直到测试结果满足要求为止。

系统部门根据仿真结果以及产品研发的实际需求，剥离出需要下发的模块，然后确定需要下发模块所需要实现的功能和满足的性能指标，并形成固定的文档类型和格式。

各子系统部门基于前面确定好的物理架构模型，根据产品或方法各个功能要求，搭建属于各自的子系统知识组件；

组件的接口将各个模块连接在一起，作动系统物理接口包括各个零件之间的所有接口关系，包括液压、机械、电气等等。为实现各颗粒度模型能够被同一个物理架构兼容，作动系统物理接口应该尽量与真实的产品接口保持一致。

作动系统中可能出现的接口类型如下：

电气接口：传递电信号或电能的接口，通常用电压、电流等变量表示，对应于电气接插件或电线，通常应将每根电线或接插件插针定义为一个物理接口。机械接口：传递机械能的接口，可分为平动或转动，通常用力、位移、速度、加速度或扭矩、角位移、角速度、角加速度等变量表示，对应于机械杆、传动轴等。

信号接口：信号接口并不是一种真实的物理接口，由于指令元件属于作动系统外部环境，无需对其进行详细建模，仅以输入信号的形式体现，因此指令元件与比较原件之间无法按照真实产品接口进行建模，以信号接口代替。

系统物理接口一般通过各子系统之间的N2图进行定义，包括信号、机械、液压等形式。

具体的，步骤3、根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证，具体如下：

对搭建好的组件进行仿真验证，确认是否满足系统部门提出的性能指标要求，由于子系统知识组件可能只涉及部分的子系统要求，但实际系统部门下发给自己的要求会比能够验证的多更多，因此需要子系统部门将不满足要求的指标继续下发给相应分部件部门，各分部件部门搭建相应知识组件并进行验证，然后将无法满足的性能要求再进一步下发给相应零件部门，一直到满足系统所有的性能要求。各部门分别搭建AMESim或Simulink组件模型进行测试，依据多学科协同仿真平台产品或方法提出的性能指标，迭代算出最优的模型参数。若不满足性能指标，分析原因，返回上面环节进行修改，直到测试结果满足要求为止。

同时各部门需要针对各自完成后的知识组件进行组件说明的编写，形成某固定的文档类型，主要包括：模型原理、模型接口、测试用例和测试结果等。

针对不同设计目的有不同的建模目的，不同的建模目的就需要开发不同颗粒度的知识组件(模型)，为避免知识组件的混乱、分散和复用性差等问题，本发明基于统一的架构实现不同颗粒度级别知识组件的开发，基于架构即在不同的层级均保持接口关系的一致性，以实现设计连续性，使设计流程规范、清晰，有效地支撑基于模型的设计过程。同时，如若系统在后续需要改进或扩展某子系统，如作动筒，可直接复用现有的不同层级伺服阀知识组件和其他相关子系统的知识组件，有效提高知识组件库的复用性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种机电系统知识组件设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分；

步骤2、根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模；

步骤3、根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证。

2.根据权利要求1所述的一种机电系统知识组件设计方法，其特征在于，所述步骤1根据设计需求和系统结构组成，进行不同颗粒度层级模型的划分，具体包括：

一级组件为系统层模型，用于概念设计阶段，以快速验证方案和权衡多种设计方案为目标，基于系统需求以及其物理架构，搭建其系统层模型；

二级组件为子系统层模型，用于初步设计阶段，以全面、多角度、细致的模型表征系统或产品的动态行为，基于系统需求和物理架构，接口关系保持一致，参考系统层模型和关键参数的确定展开子系统层设计，以进一步确定系统的详细参数；

三级组件为部件模型，四级模型为零件级模型，两者均用于详细设计阶段；详细设计阶段主要是进行结构设计和具体参数设计，设计完成后，要绘出系统各个部件及各系统的总图、装配图、零件图和详细的重量计算及强度计算报告；

基于同一物理架构，作动系统模型统一系统模块划分与物理接口，因此每一个模块都成为了相对独立的部分，只要满足接口要求，可以建立多种不同颗粒度的仿真模型。

3.根据权利要求1所述的一种机电系统知识组件设计方法，其特征在于，所述步骤2根据各层级模型的功能作用和建模规范，进行物理建模，具体包括：

搭建物理架构模型，根据多学科协同仿真平台的要求，分析仿真对象产品所包括的子系统、功能模块，然后搭建各子系统、功能模块简化功能模型；

进行物理模型功能拆分，确定各模块间的接口变量的类型、数量，进行具体的组件设计，并下发各模块性能指标需求，系统部门根据仿真结果以及产品研发的实际需求，剥离出需要下发的模块，然后确定需要下发模块所需要实现的功能和满足的性能指标，并形成固定的文档类型和格式；

建立各模块知识组件，各子系统部门基于前面确定好的物理架构模型，根据产品或方法各个功能要求，搭建属于各自的子系统知识组件。

4.根据权利要求1所述的一种机电系统知识组件设计方法，其特征在于，所述步骤3根据产品性能指标，对建模后的模型进行仿真验证，具体包括：

此阶段利用步骤2搭建好的AMESim或Simulink组件模型，赋予组件参数，进而对组件进行仿真测试，形成仿真结果；通过对比仿真结果和仿真对象产品提出的性能指标要求，对模型参数进行不断迭代优化，最终算出最优的模型参数，若不满足性能指标，分析原因，返回重新对组件进行修改，直到测试结果满足要求为止；同时各部门需要针对各自完成后的知识组件进行组件说明的编写，主要包括：模型原理、模型接口、测试用例和测试结果。

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