董壯壯，王兆強(qiáng)，孫令濤，陸陽鈞

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

目前，國內(nèi)外仿真軟件種類越來越多，仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于汽車制造［1-4］、工程機(jī)械［5］、航空航天［6-7］等領(lǐng)域。每種仿真軟件都有其擅長的功能，也有各自的不足，單一軟件已經(jīng)不能滿足各行各業(yè)的仿真需求，聯(lián)合仿真技術(shù)正在不斷發(fā)展［8］。例如，針對基于接口的多物理域仿真效率低、應(yīng)用范圍小的問題，歐盟Modelisar 項目研發(fā)出體積小、結(jié)構(gòu)簡單且使用方便的FMI（Functional Mockup Interface）標(biāo)準(zhǔn)化接口［9-10］；德國亞琛工業(yè)大學(xué)對液壓仿真軟件DSHplus 與多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS 進(jìn)行了聯(lián)合仿真研究［11］；派克公司聯(lián)合EASY5 和ADAMS 仿真軟件建立虛擬樣機(jī)［12］；國一兵等［13］在仿真過程中設(shè)計了參數(shù)注入功能，并應(yīng)用于FMI 聯(lián)合仿真系統(tǒng)中；李偉林等［14］在多點飛機(jī)用電設(shè)備多物理域中實現(xiàn)了基于MATLAB/Simulink 平臺與Dymola 平臺的輸入輸出功能模型單元；齊海濤等［15］研究了基于AMESim、LabVIEW 與VC++聯(lián)合仿真的機(jī)電液系統(tǒng)控制方法，但沒有將MATLAB/Simulink 與AMESim 有效結(jié)合起來進(jìn)行聯(lián)合仿真，亦沒有構(gòu)建虛擬仿真平臺來簡化聯(lián)合仿真步驟；郭一楠等［16］基于LabVIEW與MATLAB 的過程控制進(jìn)行了研究；許靈駿等［17］基于Simulink、LabVIEW 與混合編程進(jìn)行了電機(jī)系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計。然而，現(xiàn)有多軟件聯(lián)合仿真系統(tǒng)缺乏集成化輸入輸出數(shù)據(jù)管理的功能，對使用者的軟件熟悉度要求較高，使得各行業(yè)多軟件聯(lián)合仿真的普及度不高。

為此，本文以電靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）系統(tǒng)為例，聯(lián)合AMESim、MATLAB/Simulink 與LabVIEW 軟件開發(fā)一種基于FMI 接口的人機(jī)交互集成化多物理域聯(lián)合虛擬仿真平臺，以期為機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真提供便利。

1 多物理域系統(tǒng)及控制系統(tǒng)建模

AMESim 是一種可以進(jìn)行多物理域復(fù)雜系統(tǒng)建模的仿真平臺，其元件庫主要包含機(jī)械庫、信號庫、液壓元件庫、氣動庫、熱庫、熱液壓庫、熱氣動庫以及電磁庫等，可用于建立單領(lǐng)域和多領(lǐng)域的系統(tǒng)模型。本文采用AMESim 軟件構(gòu)建了EHA 系統(tǒng)，并以此為例進(jìn)行技術(shù)介紹。

EHA 作動系統(tǒng)主要由伺服控制的雙向調(diào)速電機(jī)、定量柱塞泵、作動筒以及控制單元組成［18］。在AMESim 中構(gòu)建的EHA 系統(tǒng)部分模型如圖1 所示，其中轉(zhuǎn)速ω、轉(zhuǎn)矩T和位移信號χ 為主要傳遞參數(shù)。利用AMESim 搭建的模型與Simulink 搭建的永磁同步電機(jī)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，二者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，EHA 作動系統(tǒng)中作動筒的速度變化、階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)等隨著油液壓力、輸入信號的幅值和頻率、彈簧勁度系數(shù)等參數(shù)變化而隨之變化。

Fig.1 Partial model of the EHA system圖1 EHA系統(tǒng)部分模型

控制系統(tǒng)模型基于MATLAB/Simulink 建立，對多物理域系統(tǒng)模型起到控制作用。圖2 為在Simulink 中建立的永磁同步電機(jī)（Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM）控制系統(tǒng)，主要對EHA 作動系統(tǒng)進(jìn)行控制。未建立聯(lián)合仿真模型前，將輸入轉(zhuǎn)矩設(shè)置為常量，進(jìn)行聯(lián)合仿真模型建立時與FMU（Functional Mock-up Unit）模型進(jìn)行連接。

Fig.2 PMSM control system圖2 PMSM控制系統(tǒng)

2 FMI接口

2.1 FMI標(biāo)準(zhǔn)

FMI 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個全球性的通用軟件接口，其是在歐盟的Modelisar 項目中被開發(fā)出來。FMI 標(biāo)準(zhǔn)是一個不依賴于工具的標(biāo)準(zhǔn)，主要通過“.xml”文件和已編譯的C 代碼組合支持動態(tài)模型的模型交換和聯(lián)合仿真［19］。FMI 標(biāo)準(zhǔn)有效解決了不同建模與仿真軟件之間文件格式和數(shù)據(jù)存儲方式不統(tǒng)一而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)交互困難問題。基于FMI標(biāo)準(zhǔn)，不同仿真工具可以將建立的仿真模型通過FMI 接口標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出為FMU 文件，也可稱為FMU 模型。該模型包含描述模型信息和數(shù)據(jù)的“.xml”文件，還包括用于模型動態(tài)交互的C 文件和DLL（Dynamic Link Library）動態(tài)鏈接庫文件等［20-21］。導(dǎo)出的FMU 模型可以導(dǎo)入到支持FMI 標(biāo)準(zhǔn)的其他仿真建模軟件中，仿真軟件通過自動解析FMU 模型中的文件可達(dá)到聯(lián)合仿真的目的。

2.2 AMESim導(dǎo)出FMU模型

本文以AMESim 中建立的EHA 作動系統(tǒng)為例，介紹從AMESim 中導(dǎo)出FMU 模型的技術(shù)路線，并對相關(guān)設(shè)置進(jìn)行說明。需要注意的是，不同仿真工具的版本兼容性問題應(yīng)參考工具使用手冊。本文使用的是AMESim2019.2 版本，具體導(dǎo)出流程總結(jié)如下。

2.2.1 創(chuàng)建聯(lián)合仿真接口

在AMESim 中將所需交互仿真接口預(yù)留出來，在SKETCH模式下依次點擊Interfaces ＞ Create interface block，在Interface Icon Creation 中設(shè)置仿真接口內(nèi)容。如圖3 所示，首先將接口類型設(shè)置為Functional Mock-up Interface（FMI），然后設(shè)置輸入輸出接口數(shù)量，并為之命名。需要注意的是，此處設(shè)置的輸入輸出接口數(shù)量必須與模型中預(yù)留出的仿真接口數(shù)量一致。設(shè)置完成后即可生成FMU 模型，保存該模型，以便后續(xù)搭建聯(lián)合仿真模型時使用。

Fig.3 Creating a joint simulation interface圖3 創(chuàng)建聯(lián)合仿真接口

2.2.2 連接FMU模型與多物理域模型

如圖4 所示，在SKETCH 模式下，將FMU 模型與多物理域模型預(yù)留的接口進(jìn)行連接，保證FMU 單元的輸出、輸入?yún)?shù)與組件一一對應(yīng)，形成完整的多物理域聯(lián)合仿真模型。

Fig.4 Multi-physics domain co-simulation model圖4 多物理域聯(lián)合仿真模型

2.2.3 導(dǎo)出FMU模型

模型連接完成后進(jìn)入PARAMETER 界面，對系統(tǒng)中各元件進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)設(shè)置，完成參數(shù)設(shè)置后即可導(dǎo)出FMU 模型文件。進(jìn)入Simulation 界面后，點擊Interfaces ＞FMU Export Assistant 開始進(jìn)行FMU 導(dǎo)出設(shè)置。在Export settings 界面設(shè)置FMU type and version 為Co-simulation2.0；Visibility level：exposed elements 設(shè)置的是所生成FMU 單元的參數(shù)可見等級，可根據(jù)需求進(jìn)行等級選擇。需要注意的是，參數(shù)可視化等級不同，導(dǎo)出的FMU 模型在Simulink 中能夠設(shè)置的AMESim 元件參數(shù)也不同?？梢暬燃壴礁撸稍O(shè)置的參數(shù)越多，并且可以將參數(shù)以變量的形式進(jìn)行賦值，便于在程序中對仿真模型參數(shù)進(jìn)行更改與設(shè)置。Output directory 用于設(shè)置FMU 單元文件的輸出目錄，避免生成的文件丟失。在編譯器選擇界面，由于AMESim 和Simulink 均支持GNU GCC 編譯器，本文選擇該編譯器進(jìn)行研究。設(shè)置完成后即可導(dǎo)出FMU 單元，在輸出目錄中可得到FMU 文件。

2.2.4 MATLAB/Simulink導(dǎo)入FMU模型

啟動MATLAB/Simulink 后，在構(gòu)建好的控制系統(tǒng)模型中添加FMU 模型。需要注意的是，MATLAB2016b 之前的版本需要單獨(dú)使用FMI Kit for Simulink 工具包對FMU 模型進(jìn)行激活和導(dǎo)入，2016b 之后版本的MATLAB/Simulink 軟件自身具有FMU 模型導(dǎo)入模塊，可以直接使用。本研究使用的是MATLAB/Simulink2014a 版本，需要FMI Kit for Simulink 工具包進(jìn)行FMU 模型導(dǎo)入，F(xiàn)MI Kit for Simulink 工具包文件和子文件需添加到MATLAB 路徑中。使用時在MATLAB 命令行中輸入FMIKit.initialize（）命令，以激活FMI Kit for Simulink 工具。如圖5 所示，利用FMI Kit for Simulink 工具包將EHA 作動系統(tǒng)模型導(dǎo)出的FMU 模型導(dǎo)入PMSM 控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)聯(lián)合仿真功能。

Fig.5 FMU models are imported into MATLAB/Simulink圖5 FMU模型導(dǎo)入MATLAB/Simulink

3 人機(jī)交互界面開發(fā)

人機(jī)交互界面基于LabVIEW 開發(fā)，主要包括前臺用戶界面設(shè)計和后臺程序開發(fā)。前臺界面的元件與后臺程序的組件是成對出現(xiàn)和使用的，保證了前后臺組件數(shù)據(jù)的一致性。二者相互配合，實現(xiàn)聯(lián)合仿真的簡易化功能。

3.1 前臺用戶界面設(shè)計

聯(lián)合仿真過程中，同一仿真模型通常具有多種仿真需求，在開發(fā)過程中對參數(shù)進(jìn)行規(guī)范化管理，可實現(xiàn)不同功能的仿真。圖6 為設(shè)計的前臺用戶主界面，左上角為不同功能界面的選擇區(qū)域，點擊即可切換到對應(yīng)功能的用戶界面。使用復(fù)選框組件構(gòu)建功能選擇模塊，進(jìn)而選擇所需仿真功能，用戶可對單獨(dú)功能、部分功能或全部功能進(jìn)行仿真。在不同功能界面中，通過輸入控件和輸出控件可完成對仿真參數(shù)的輸入與仿真結(jié)果的輸出。在通用參數(shù)模塊中，文件路徑模塊提供模型選擇功能，用戶可快速找到所需仿真模型。在布爾模塊設(shè)置開始和退出按鈕，控制仿真的開始和結(jié)束。前處理模塊可保存仿真數(shù)據(jù)，并對歷史仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和讀取，便于不同仿真結(jié)果之間進(jìn)行比較。工作日志模塊可以記錄每次仿真結(jié)果的保存時間和路徑，便于核對操作記錄。通過當(dāng)前進(jìn)度可查看仿真功能進(jìn)度，通過總進(jìn)度條可查看所有功能仿真的總進(jìn)度。前臺不同功能界面的設(shè)計簡化了用戶對不同仿真功能參數(shù)設(shè)置的繁瑣操作，提高了仿真效率。

Fig.6 Foreground user main interface圖6 前臺用戶主界面

3.2 后臺程序開發(fā)

3.2.1 數(shù)據(jù)交互

后臺程序設(shè)計決定著前臺用戶界面的功能能否實現(xiàn)，而程序設(shè)計中最關(guān)鍵的問題就是數(shù)據(jù)交互接口。AMESim與Simulink 的數(shù)據(jù)交互通過FMU 模型實現(xiàn)；在LabVIEW中，通過ActiveX 技術(shù)，使用MATLAB script 模塊調(diào)用MATLAB 軟件腳本服務(wù)器執(zhí)行使用MATLAB 語言所編寫的腳本。根據(jù)所需設(shè)置的仿真參數(shù)，在MATLAB script 模塊中添加輸入和輸出變量，其中輸入變量包括幅值、頻率、仿真時間、仿真步長、彈簧勁度系數(shù)等，輸出變量包括示波器數(shù)據(jù)、最大速度值及其時間、最小速度值及其時間。需要注意的是，所添加的輸入變量名稱必須與MATLAB/Simulink元件、求解器及FMU 單元中對應(yīng)的參數(shù)變量名稱一致。圖7 為聯(lián)合仿真實例中作動器最大速度功能的部分程序框圖，其中MATLAB script 模塊左邊添加了可以設(shè)置模型名稱、輸入信號頻率、幅值等參數(shù)的輸入變量，右邊為仿真數(shù)據(jù)的輸出變量。在MATLAB script 中編寫腳本語句，以實現(xiàn)仿真已得出數(shù)據(jù)的賦值和提取。本例主要利用for 循環(huán)和if 語句對仿真得到的作動筒速度曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出，同時將速度曲線、最大速度值及其時間、最小速度值及其時間在前臺用戶界面中顯示處理。

Fig.7 Block diagram of the MATLAB script圖7 MATLAB script程序框圖

3.2.2 仿真報告自動化生成

在實際工程項目中，一個模型往往有多種仿真需求需要實現(xiàn)，仿真結(jié)果會因仿真功能的多元化而變得復(fù)雜，可視化效果不佳。本文建立的虛擬仿真平臺針對不同仿真功能開發(fā)了相應(yīng)的顯示界面，提前設(shè)置好Word 仿真報告空白模板，以書簽的形式對不同功能的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和圖片輸入位置進(jìn)行標(biāo)記，有效提高了仿真結(jié)果的可視化效果。圖8 為仿真報告自動化生成的主要程序框圖，在Lab-VIEW 中使用添加報表模塊提前導(dǎo)入設(shè)置好的報告模板，利用For 循環(huán)、添加報表文本和設(shè)置報表字體模塊實現(xiàn)報表數(shù)據(jù)交互、字體設(shè)置以及仿真曲線圖片在仿真報告中的輸出功能，大大節(jié)省人工整理時間。仿真報告的命名通過獲取日期時間模塊實現(xiàn)，以點擊生成報告按鈕的時間對仿真報告進(jìn)行命名，以保證之前的仿真報告文件不會被覆蓋掉。同時，在虛擬平臺主界面設(shè)置工作日志顯示框，可以查看歷史仿真記錄，通過數(shù)據(jù)讀取程序可以在平臺復(fù)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)以及該次仿真對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以便研究人員針對不同仿真結(jié)果進(jìn)行比較，從而獲得最佳仿真參數(shù)。

Fig.8 Simulation report automation main program圖8 仿真報告自動化主要程序

4 作動器速度聯(lián)合仿真結(jié)果

將輸入信號設(shè)置為頻率0.2 Hz、幅值10 V 的方波信號，仿真時間為1 s，其余參數(shù)均為默認(rèn)值，進(jìn)行仿真驗證。圖9、圖10 分別為Simulink 模型中示波器顯示的作動筒位移曲線和速度曲線?？梢钥闯觯? s 內(nèi)作動筒位移逐漸增大，作動筒速度在啟動階段波動較大，0.2 s 左右開始趨于穩(wěn)定，前0.2 s 位移曲線的斜率產(chǎn)生變化，0.2s 后隨著速度的穩(wěn)定，位移曲線斜率也趨于穩(wěn)定。

Fig.9 Actuator displacement curve圖9 作動筒位移曲線

Fig.10 Actuator velocity curve圖10 作動筒速度曲線

圖11 為虛擬平臺中對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的可視化作動筒速度曲線，通過與圖10 進(jìn)行比較可知，二者峰值與趨勢完全一致，驗證了本文聯(lián)合仿真虛擬平臺的可行性和準(zhǔn)確性。

Fig.11 Speed curve of actuator in the virtual platform圖11 虛擬平臺中的作動筒速度曲線

圖12 為虛擬平臺對預(yù)先制定好的待填報告模板所進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置。用戶登錄系統(tǒng)后可在人機(jī)交互界面的主菜單內(nèi)輸入報告參數(shù)，仿真完成后通過打印報告功能即可將該處輸入的參數(shù)自動添加到待填報告的封面中，輸出報告樣式如圖13 所示。圖12 中對應(yīng)的參數(shù)在輸出報告中的相應(yīng)位置得到了填充，驗證了虛擬平臺中仿真報告自動化輸出的可行性與實用性。

Fig.13 Output report format圖13 輸出報告樣式

5 結(jié)語

本文基于FMI 接口技術(shù)實現(xiàn)了AMESim 和MATLAB/Simulink 兩種工具的聯(lián)合仿真，在此基礎(chǔ)上基于LabVIEW開發(fā)了一種聯(lián)合虛擬仿真平臺，用于對仿真參數(shù)進(jìn)行規(guī)范化和簡捷化設(shè)置，實現(xiàn)仿真結(jié)果的可視化以及仿真報告的自動化輸出。后期在基于FMI 的EHA 作動系統(tǒng)和PMSM控制系統(tǒng)中驗證了該虛擬仿真平臺的應(yīng)用價值。然而目前聯(lián)合仿真功能僅能夠?qū)崿F(xiàn)支持FMI 標(biāo)準(zhǔn)的仿真軟件之間的聯(lián)合仿真，后續(xù)擬通過加入其他接口形式的聯(lián)合仿真支持技術(shù)，在系統(tǒng)使用性和可操作性方面進(jìn)一步優(yōu)化。