安林雪，蔣孟龍，黃玉平，朱陽貞，林 晨

(北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

航天伺服系統(tǒng)是涉及控制、電磁、流體、機械、電力電子等多學(xué)科的復(fù)雜強耦合系統(tǒng)，傳統(tǒng)研制方法仍以串行設(shè)計為主，隨著設(shè)計指標要求的不斷提高，產(chǎn)品復(fù)雜度逐步提升，而給定的生產(chǎn)周期卻不斷壓縮，對航天伺服系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計方式和設(shè)計流程提出了新的挑戰(zhàn)。

國際上針對復(fù)雜產(chǎn)品的研制方法一直在不斷發(fā)展與改進，從20世紀50年代以單領(lǐng)域為核心的獨立應(yīng)用階段到20世紀80年代開始以一體化為核心的多領(lǐng)域并行協(xié)同應(yīng)用階段，協(xié)同設(shè)計、協(xié)同仿真、協(xié)同優(yōu)化越來越成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計必不可少的手段[1]。如20世紀80年代在航空航天領(lǐng)域率先提出的MDO(Multidisciplinary Design Optimization)框架，旨在通過集成MDO方法和學(xué)科分析模型實現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化流程，提升設(shè)計優(yōu)化效率，進而提高設(shè)計效率。近年來，Berends等[2]、Vankan等[3]、Daoud等[4]、Hwang等[5]針對MDO框架分別開展了相關(guān)研究。但是現(xiàn)有MDO框架主要圍繞多學(xué)科優(yōu)化方法開展，所涉及的分析模型簡單、維度小，而復(fù)雜系統(tǒng)研制中所面對的問題卻越來越難以依靠單一維度的模型和單一仿真系統(tǒng)去解決。1996年，美國國防部發(fā)布了針對建模仿真領(lǐng)域的通用技術(shù)框架，其中包括建模與仿真高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)，它將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運行管理和底層通信傳輸相分離，從而使各部分能夠充分利用各自領(lǐng)域的先進技術(shù)[6]。Hadj-Amor等[7]、N?gele等[8]針對HLA協(xié)議開展了相關(guān)研究。

國內(nèi)在復(fù)雜系統(tǒng)研制方法方面也有一些相關(guān)研究，但未形成體系化、標準化，如柴旭東等[9]圍繞復(fù)雜產(chǎn)品多領(lǐng)域協(xié)同、分布式仿真等技術(shù)研究開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同仿真平臺(COSIM)；龍騰等[10]以探究飛行器產(chǎn)品中復(fù)雜的耦合關(guān)系、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率為目標，基于ModelCenter通用框架提出了模塊化飛行器多學(xué)科集成設(shè)計平臺；孫建勛等[11]針對復(fù)雜產(chǎn)品中耦合關(guān)系、信息傳遞、異地異構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)管理等問題，應(yīng)用Java語言自主開發(fā)了飛行器總體多學(xué)科集成設(shè)計平臺。

綜上所述，通用MDO框架所配置的優(yōu)化算法缺乏針對性，而基于HLA協(xié)議的分布式仿真平臺對接口開發(fā)等自主研發(fā)要求較高，因此，本文研制了一款基于SLM(Simulation Lifecycle Management)的伺服系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化平臺。該平臺以通用商業(yè)框架為基礎(chǔ)，充分考慮當前航天伺服系統(tǒng)研制現(xiàn)狀，通過集成各維度仿真模型和自主開發(fā)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化算法，定制規(guī)范化設(shè)計流程，將仿真融入到研制流程中，實現(xiàn)從單機設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計到模型校核、仿真驗證等一系列流程的自動化，提高了航天伺服系統(tǒng)設(shè)計效率，縮短研制周期，同時對仿真模型與數(shù)據(jù)進行集中式統(tǒng)一管理，提高了知識復(fù)用率。

1 通用MDO框架選擇

多學(xué)科聯(lián)合仿真平臺的開發(fā)有兩種方案，一種是基于HLA的自主研發(fā)，一種是在商業(yè)通用MDO框架基礎(chǔ)上定制開發(fā)。自主研發(fā)模式涉及大量軟件編程工作，平臺的穩(wěn)定性與可靠性難以保證。而商業(yè)通用MDO框架不僅具備成熟穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)和功能，而且具備豐富的商業(yè)仿真分析軟件集成接口。因此，選擇以商業(yè)通用MDO框架為基礎(chǔ)定制開發(fā)伺服系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化平臺(以下簡稱“聯(lián)合仿真平臺”)。

目前商業(yè)通用MDO框架種類較多。綜合考慮開發(fā)成本、兼容性、可擴展性等，選擇SLM平臺作為基本MDO框架基礎(chǔ)。SLM仿真生命周期管理平臺通過對設(shè)計和仿真工具的集成，固化產(chǎn)品研制流程和經(jīng)驗，同時統(tǒng)一管理人員、設(shè)計仿真數(shù)據(jù)、任務(wù)及交付物，實現(xiàn)多專業(yè)、多部門、多人員協(xié)同設(shè)計仿真。雖然SLM平臺已具備流程固化、仿真工具集成、多學(xué)科多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計等功能，但還需針對伺服系統(tǒng)，尤其航天伺服的研制特點和任務(wù)需求進行特別功能定制開發(fā)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

聯(lián)合仿真平臺的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of system architecture of co-simulation framework

聯(lián)合仿真平臺以B/S架構(gòu)為主，實現(xiàn)分布式仿真調(diào)度功能；輔以C/S架構(gòu)，實現(xiàn)模型本地建模與上傳。聯(lián)合仿真平臺結(jié)構(gòu)分為四層，分別是表示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和資源層。表示層是聯(lián)合仿真平臺的支撐框架，提供操作界面；應(yīng)用層是聯(lián)合仿真平臺的核心，通過對設(shè)計流程、數(shù)據(jù)及模型的協(xié)調(diào)管理為工程研制中單機設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計提供自動化流程；數(shù)據(jù)層主要是對設(shè)計、仿真、優(yōu)化等過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲與管理，提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)與PDM(Product Data Management)等系統(tǒng)的連接；資源層包括軟件工具庫和硬件資源庫，軟件工具庫是指單機與系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及的所有軟件工具集合，硬件資源庫包括仿真工作站、磁盤陣列等硬件設(shè)施。硬件配置如圖2所示。

圖2 聯(lián)合仿真平臺硬件配置示意圖Fig.2 Diagram of hardware configuration of co-simulation framework

聯(lián)合仿真平臺將融入仿真與優(yōu)化的伺服系統(tǒng)設(shè)計流程劃分為概念論證、方案設(shè)計與詳細設(shè)計3個階段。概念論證主要開展需求分析、概念設(shè)計與方案論證工作；方案設(shè)計主要是根據(jù)方案論證結(jié)果開展系統(tǒng)初步設(shè)計，包括單機初步設(shè)計和系統(tǒng)總體設(shè)計；詳細設(shè)計則是在前一階段初步設(shè)計方案基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)或單機的非線性環(huán)節(jié)、系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性能力等進行進一步改進與完善。

3 應(yīng)用層開發(fā)

應(yīng)用層是聯(lián)合仿真平臺的核心，決定了聯(lián)合仿真平臺主要功能的可行性和實用性。設(shè)計仿真任務(wù)調(diào)用流程如圖3所示，任務(wù)流程模板是從以現(xiàn)有研制流程為基礎(chǔ)定制開發(fā)的符合規(guī)范的設(shè)計仿真流程模板庫中選取的；而模型是從模型庫中選取的。若模型庫中沒有所需模型，則需首先進行模型上傳操作，即將模型的類型、屬性、輸入輸出參數(shù)等信息及模型上傳至模型庫中。此外，仿真開始前需明確模型間數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系等。本節(jié)將著重對上述幾個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)進行詳細闡述，以說明應(yīng)用層功能的實現(xiàn)途徑與方法。

圖3 設(shè)計仿真任務(wù)調(diào)用流程圖Fig.3 Diagram of design and simulation task

3.1 設(shè)計仿真流程定制

以機電伺服系統(tǒng)為例，將其劃分為電源、控制器、驅(qū)動器、電機和傳動機構(gòu)等5個單機。根據(jù)不同任務(wù)需求，單機設(shè)計方式不盡相同。以某型號研制為例，在方案設(shè)計初期，電源、驅(qū)動器及傳動機構(gòu)(滾珠絲杠)的設(shè)計主要以選型為主，并利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃怂汴P(guān)鍵指標；控制算法通常在詳細設(shè)計階段才開展具體設(shè)計工作；而電機則需根據(jù)指標要求進行電磁方案設(shè)計，從而確定幾何尺寸等設(shè)計參數(shù)。此外，電機還需分別進行空載和帶載試驗以確認設(shè)計指標的滿足情況。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)有仿真分析手段，將方案設(shè)計階段的設(shè)計仿真流程劃分為單機設(shè)計仿真、單機性能仿真和系統(tǒng)仿真。

如圖4所示，伺服系統(tǒng)單機設(shè)計仿真是針對單機部件開展功能性參數(shù)設(shè)計等任務(wù)時對應(yīng)的仿真設(shè)計流程，在設(shè)計仿真流程中，通過仿真分析工具輔助設(shè)計師初步確定設(shè)計參數(shù)，完成單機部件的初步設(shè)計方案。如電機設(shè)計過程中，根據(jù)輸出功率、輸入電壓、控制方式、轉(zhuǎn)動慣量及空間尺寸等指標，利用電機電磁仿真分析工具獲取電機電磁方案及其初步幾何尺寸。

圖4 方案設(shè)計階段設(shè)計流程示意圖Fig.4 Process of scheme design stage

伺服系統(tǒng)單機性能仿真是指利用單機部件的功能參數(shù)建立仿真模型開展性能仿真分析，當仿真模型足夠準確時，單機部件性能仿真可替代部分性能驗證試驗，即具備了虛擬試驗?zāi)芰?。其中需注意設(shè)計參數(shù)與仿真參數(shù)的區(qū)別與轉(zhuǎn)化。如電機空載虛擬試驗中，電機仿真模型參數(shù)包括定子相電阻、dq軸電感、力矩系數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、極對數(shù)、摩擦系數(shù)等仿真參數(shù)，這些參數(shù)并非電機設(shè)計參數(shù)。

伺服系統(tǒng)仿真是對機電伺服系統(tǒng)設(shè)計方案的綜合仿真驗證，對應(yīng)實物系統(tǒng)的控制特性測試試驗。伺服系統(tǒng)仿真中的模型參數(shù)主要由單機部件性能仿真參數(shù)構(gòu)成，當模型足夠準確時，系統(tǒng)控制特性仿真可指導(dǎo)系統(tǒng)總體設(shè)計。

結(jié)合各單機的設(shè)計方式，在流程模板庫中分別對各單機與系統(tǒng)建立單機設(shè)計仿真流程模板、單機性能仿真流程模板和系統(tǒng)仿真流程模板，如圖5所示。

圖5 聯(lián)合仿真平臺中仿真流程模板庫Fig.5 The simulation process template base in co-simulation framework

流程模板的作用是規(guī)范設(shè)計仿真流程，因此流程模板在定制時應(yīng)確定該流程中數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系。以系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真為例，其設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣如圖6所示，因此該仿真流程模板中應(yīng)明確所含8個單機部件模型的名稱和格式、每個模型的輸入輸出參數(shù)名稱、各輸入?yún)?shù)的來源模型及參數(shù)值、各輸出參數(shù)的去向模型及參數(shù)接口等。

圖6 系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真模型設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣Fig.6 Design structure matrix of system step simulation model

3.2 模型與數(shù)據(jù)管理

為保證設(shè)計仿真結(jié)果的有效性與準確性，需對設(shè)計仿真模型和設(shè)計仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。根據(jù)航天伺服系統(tǒng)在方案設(shè)計階段的任務(wù)需求，仿真模型多以一維數(shù)學(xué)模型為主，但對于電機需使用電磁模型，對于殼體類結(jié)構(gòu)設(shè)計需使用三維幾何模型。故聯(lián)合仿真平臺需定制開發(fā)針對一維數(shù)學(xué)模型、電磁模型、三維幾何模型的集成接口。雖然設(shè)計仿真模型的建模工具有很多種，但從模型成熟度考慮，可將設(shè)計仿真模型庫劃分為開發(fā)庫、受控庫和產(chǎn)品庫3個類別，如圖7所示。其中，開發(fā)庫中的模型成熟度最低，屬于驗證校核階段的模型；受控庫中的模型成熟度中等，其基本功能模塊已固定，允許修改部分參數(shù)值以匹配不同型號項目的仿真需求或同一型號中不同工況的仿真需求，并進行版本控制；產(chǎn)品庫中的模型具有最高成熟度，其中的任何模塊和參數(shù)值都不允許更改，每個模型都與一套參數(shù)值相匹配，與某個具體型號任務(wù)相關(guān)聯(lián)。因此，在將模型與設(shè)計仿真流程相關(guān)聯(lián)時，需結(jié)合當前設(shè)計仿真任務(wù)的需求，選取不同成熟度的模型。

圖7 聯(lián)合仿真平臺中的模型庫Fig.7 The model base in co-simulation framework

仿真數(shù)據(jù)包括仿真初始參數(shù)數(shù)據(jù)、仿真過程參數(shù)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)等，所有數(shù)據(jù)都基于某次仿真任務(wù)產(chǎn)生。在實現(xiàn)設(shè)計仿真流程調(diào)度功能時，需著重考慮仿真初始參數(shù)數(shù)據(jù)的傳遞方式和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的管理。

為提升設(shè)計流程中初始參數(shù)信息變更的靈活性，在聯(lián)合仿真平臺中引入?yún)?shù)表，即在定制開發(fā)時為每個設(shè)計仿真流程配置統(tǒng)一格式的參數(shù)表，表中按協(xié)議約定填寫初始參數(shù)相關(guān)信息。在應(yīng)用時，調(diào)用該設(shè)計仿真流程時，將同時讀取相應(yīng)參數(shù)表中數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按一定格式展示在設(shè)計仿真任務(wù)創(chuàng)建界面上，當后續(xù)流程模板中某個模型增加了新的初始參數(shù)，則無需更改流程模板，而只要修改參數(shù)表即可，參數(shù)表格式如圖8所示。

圖8 仿真流程參數(shù)表Fig.8 Variable table of simulation process

對于設(shè)計仿真流程中產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，聯(lián)合仿真平臺在每次新建任務(wù)時將開辟一個數(shù)據(jù)緩存空間，所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都將按一定規(guī)則存儲于該空間，當仿真結(jié)束時，聯(lián)合仿真平臺將會在該緩存空間中按約定讀取需要的結(jié)果數(shù)據(jù)，并以一定形式(如曲線圖、列表等)展示在聯(lián)合仿真平臺界面中，方便仿真工程師及時看到仿真結(jié)果。此外，為方便調(diào)試階段觀察參數(shù)的更改對仿真結(jié)果的影響，聯(lián)合仿真平臺對每次設(shè)計仿真流程中進行的參數(shù)更改都記錄并存儲于數(shù)據(jù)庫中。在調(diào)試控制算法時這個功能尤為重要。

4 應(yīng)用實例

以方案設(shè)計階段的應(yīng)用為例。在方案設(shè)計任務(wù)列表中首先創(chuàng)建設(shè)計任務(wù)文件夾，以型號項目代碼命名，如圖9所示；然后在右側(cè)界面選擇“新建方案”，即在該型號項目下建立了一項設(shè)計仿真任務(wù)。在彈出的任務(wù)創(chuàng)建界面上填寫設(shè)計仿真名稱，該名稱應(yīng)能反映此仿真任務(wù)的主要目的，如圖10所示。在該界面上選擇仿真模板和所有相關(guān)仿真模型，同時確定仿真任務(wù)的密級。對于創(chuàng)建者、創(chuàng)建時間等基本信息則會根據(jù)當前登陸用戶名和時間自動填寫。當仿真流程模板與模型選定后，點擊“解析”按鈕，聯(lián)合仿真平臺自動讀取與仿真流程模板相關(guān)聯(lián)的參數(shù)表，將參數(shù)信息展示在當前界面上，其中的參數(shù)值可根據(jù)需求進行修改。

圖9 方案設(shè)計任務(wù)列表Fig.9 The task list of scheme design stage

圖10 仿真任務(wù)創(chuàng)建界面Fig.10 The interface of simulation task creation

當界面上的所有信息填寫完整后，點擊“執(zhí)行”按鈕，聯(lián)合仿真平臺將自動調(diào)用模型開始仿真。仿真結(jié)束后，根據(jù)不同仿真任務(wù)調(diào)用不同數(shù)據(jù)處理算法對仿真數(shù)據(jù)進行后處理。對于有曲線生成要求的仿真任務(wù)，曲線圖將以縮略圖的形式自動顯示在仿真任務(wù)列表的右側(cè)，如圖9所示，方便仿真工程師即時打開曲線圖初步評估仿真結(jié)果。

聯(lián)合仿真平臺也具備簡單的指標比對功能，如對系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真，當?shù)玫降某{(diào)量高于給定指標值，任務(wù)列表中右側(cè)結(jié)果展示區(qū)將用紅色提示數(shù)據(jù)超標。此外，對于同一個仿真任務(wù)，每次修改的仿真參數(shù)值都按一定規(guī)則保存，便于參數(shù)頻繁調(diào)整時查看對應(yīng)結(jié)果。當仿真結(jié)果滿足指標要求后，在任務(wù)列表中點擊“生成報告”，則對應(yīng)仿真結(jié)果將直接以預(yù)定規(guī)則生成相應(yīng)結(jié)果報告，便于報告的提交與歸檔。

5 結(jié)論

圍繞航天伺服系統(tǒng)設(shè)計階段設(shè)計流程不統(tǒng)一、模型管理分散、協(xié)同設(shè)計水平有限等問題，以SLM平臺為基礎(chǔ)框架，針對航天伺服系統(tǒng)中各單機部件與系統(tǒng)的實際設(shè)計流程，充分考慮設(shè)計仿真過程中數(shù)據(jù)傳遞方式、模型成熟度要求等任務(wù)需求，開發(fā)了基于SLM的伺服系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化平臺。該平臺確保了設(shè)計仿真數(shù)據(jù)和模型的有效管理，設(shè)計仿真效率明顯提升，協(xié)同設(shè)計能力也有了一定程度的提高。

2015年國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》，其中明確指出：兩化深度融合為主線，智能制造為突破口。隨后提出了智慧院所的概念。中航工業(yè)集團信息技術(shù)中心首席顧問寧振波認為，智慧院所包含3個要素，即“知識重用、知識推動和知識共享”，其核心集成則包括知識工程與管理和數(shù)字化研發(fā)與信息化管理的集成[12]?；赟LM的伺服系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真與設(shè)計優(yōu)化平臺正是數(shù)字化研發(fā)與信息化管理集成的一個實例，但仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在如下3個方面：

1)建立的需求分析模型與需求分析流程還不完善。這主要是因為目前的設(shè)計流程仍未真正的由逆向設(shè)計轉(zhuǎn)變到正向設(shè)計。

2)部署范圍仍有較大局限性，導(dǎo)致設(shè)計仿真流程的應(yīng)用范圍只限于個別仿真工程師，未能真正融入型號項目的研制生產(chǎn)中。

3)設(shè)計階段的數(shù)據(jù)未能與生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)相連通。三維模型不能直接應(yīng)用于生產(chǎn)制造，設(shè)計與生產(chǎn)兩條線，產(chǎn)品狀況無法追溯。

綜上，今后將針對航天伺服系統(tǒng)建立較完善的需求分析流程，將需求分析模型與其他階段模型相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于模型的設(shè)計；將聯(lián)合仿真平臺與特定PDM系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)更廣范圍的部署與應(yīng)用；同時打通設(shè)計與生產(chǎn)的數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)基于模型的制造，推動航天智能制造的不斷發(fā)展。