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大规模复杂系统集成仿真应用案例:利用联合仿真开展机电综合分析
 
作者:尚永权
 
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2022-6-27
 
编辑推荐:
本文介绍了基于 “模型总线”,以TCP/IP通信协议和FMI接口协议为基础,通过C/S(服务器/客户端)架构实现飞机机电系统多系统仿真软件分布式集成,解决不同仿真工具之间的接口集成和仿真效率问题。
本文来自于系统工程 ,由Linda编辑、推荐。

01 机电综合仿真的“困境”

飞机机电系统有两个特点“大”和“杂”,“大”是指系统规模大,“杂”是指系统跨学科、跨领域复杂。对于产品设计人员来说,通过仿真的手段来进行系统设计是常用的方法。

机电系统主要包括供电、液压、燃油、环控等系统,规模大、涉及专业广、系统复杂是其典型特点。随着飞机设计需求的复杂化,机电系统目前正在向综合化、多电化和智能化方向发展,多学科交叉耦合问题日益突出,通过机电系统多学科联合仿真进行系统敏捷设计及快速验证是目前飞机产品研发的主流方法。

由于机电系统涉及多学科跨领域、专业科室及附件供应商繁多,因此在系统集成验证的过程中面临的最大挑战是模型碎片化、缺乏统一的集成平台或工具,且模型复杂计算效率低下。

02解决方案

目前用到最多的联合仿真方法有三种:1.通过工业软件联合仿真接口实现。2.基于FMI标准协议集成FMU。3.工业软件接口的二次开发。然而,这几种技术路径分别存在着一些不足:

1. 软件联合仿真接口受限,完全取决于软件供应商的商业利益;

2. FMU是黑盒模型,而且只要修改就要重新导出FMU,很不方便;

3. 软件接口二次开发成本高、耗时长,且与软件版本强相关,一旦升级很容易出错。

在上述三种技术路径之外,“模型总线”实现了第四种技术路径- 以TCP/IP通信协议和FMI接口协议为基础,通过C/S(服务器/客户端)架构实现了多系统仿真软件分布式集成,有效地解决了不同仿真工具之间的接口集成问題,显著提高仿真效率。

03飞机机电系统联合仿真

通过建立供电、液压、燃油、环控、发动机等系统仿真模型,分别对传统联合仿真方法和分布式架构下的联合仿真方法进行仿真效率的验证。采用主流的仿真软件Simcenter AMESim、MATLAB\Simulink对几大系统进行建模。

飞机供电系统的主要功能是将飞机发电机产生的电能以不同的线制、不同的配电方式传输到汇流条,再通过汇流条传到用电设备。供电系统模型采用AMESim建立,主要是建立270V直流供电系统为飞机应急液压源ACMP提供功率。

飞机液压系统是指飞机上以油液为工作介质,靠油压驱动执行机构完成特定操纵动作的整套装置。液压系统模型采用AMESim建立,主要建立飞机单侧两个主液压源EDP和一个应急液压源ACMP。主液压源由发动机带动输出功率;应急液压源为一个电动液压泵,其功率输入由270V直流电源提供;飞机各部分负载通过节流阀来等效。

燃油系统采用AMESim建立如下图所示,飞机单侧一个油箱为发动机供油,并与液压系统环控系统进行热交换。

环控系统包括座舱供气和空气分配、座舱压力控制 、温度控制、湿度控制等。环控系统采用AMESim建立如下图所示,包括主散热系统、与燃油系统的热交换系统。

此外,在MATLAB\Simulink中建立航空发动机的稳态模型,主要通过燃油系统供油计算发动机转速和推力。

04联合仿真的对比验证

模型总线对机电系统模型集成以及求解效率的提升验证方法分为四种:

(1)子系统模型求解:分别在各自软件中求解单一子系统模型

在AMESim与Simulink中分别求解单一子系统模型,设置仿真时间为2000秒,采样步长为0.01秒,统计实际仿真耗时最长的为液压子系统1.2小时。

(2)单一软件集成求解:供电、液压、燃油、环控系统在单一AMESim软件中建模集成

在AMESim中将已经建立的供电、液压、燃油、环控系统模型按交互关系集成如下图所示,设置仿真时间为2000秒,采样步长为0.01秒,统计实际仿真耗时为38小时[1]。

(3)软件接口联合仿真求解:发动机模型(Simulink)与机电系统(AMESim)联合仿真,利用两款商业工具自带的联合仿真接口。

AMESim模型燃油系统流量通过联合仿真接口在MATLAB\Simulink发动机模型中输出,计算发动机推力和转速,设置仿真时间为2000秒,采样步长为0.01秒,统计实际仿真耗时为62小时。

(4)分布式联合仿真求解:供电、液压、燃油、环控、发动机系统通过“模型总线”进行分布式仿真。

利用“模型总线”开展分布式联合仿真,设置各模型中客户端参数( FMU控件参数),包括端口号、IP地址、通信步长(0.01s)、接口名称。设置模型总线参数(仿真时间、通信步长),仿真时间为2000秒,统计实际仿真耗时为7.5小时。

05联合仿真的对比验证

根据计算结果可以看出,分布式联合仿真技术在提高复杂系统联合仿真效率方面有明显的优势,全分布式对比全集成联合仿真(AMESim与MATLAB\Simulink联合仿真)效率提升了8倍以上。

该案例已经在航空工业某主机所的机电综合项目中得到验证,并取得一定的应用效果。

06总结

通过机电系统分布式联合仿真对比验证,模型总线技术优势主要表现在以下几个方面:

(1)解决了多学科模型异构集成的问题,可以作为一种通用工具便捷的实现仿真模型异构集成;

(2)提高了复杂系统模型仿真效率,通过机电综合系统模型验证表明模型求解效率提升至少8倍以上;

(3)“模型总线”中的“性能统计”功能能够量化给出所有模型的求解时间,进而指出优化方向,可以二次提高求解效率。

[1]由于仿真时间太长,此处为根据已运行耗时外插得到的估计耗时,后续同理,不再赘述。

   
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