董壯壯，王兆強，孫令濤，陸陽鈞

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

目前，國內外仿真軟件種類越來越多，仿真技術已經廣泛地應用于汽車制造［1-4］、工程機械［5］、航空航天［6-7］等領域。每種仿真軟件都有其擅長的功能，也有各自的不足，單一軟件已經不能滿足各行各業(yè)的仿真需求，聯合仿真技術正在不斷發(fā)展［8］。例如，針對基于接口的多物理域仿真效率低、應用范圍小的問題，歐盟Modelisar 項目研發(fā)出體積小、結構簡單且使用方便的FMI（Functional Mockup Interface）標準化接口［9-10］；德國亞琛工業(yè)大學對液壓仿真軟件DSHplus 與多體動力學仿真軟件ADAMS 進行了聯合仿真研究［11］；派克公司聯合EASY5 和ADAMS 仿真軟件建立虛擬樣機［12］；國一兵等［13］在仿真過程中設計了參數注入功能，并應用于FMI 聯合仿真系統(tǒng)中；李偉林等［14］在多點飛機用電設備多物理域中實現了基于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++聯合仿真的機電液系統(tǒng)控制方法，但沒有將MATLAB/Simulink 與AMESim 有效結合起來進行聯合仿真，亦沒有構建虛擬仿真平臺來簡化聯合仿真步驟；郭一楠等［16］基于LabVIEW與MATLAB 的過程控制進行了研究；許靈駿等［17］基于Simulink、LabVIEW 與混合編程進行了電機系統(tǒng)仿真平臺設計。然而，現有多軟件聯合仿真系統(tǒng)缺乏集成化輸入輸出數據管理的功能，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，聯合AMESim、MATLAB/Simulink 與LabVIEW 軟件開發(fā)一種基于FMI 接口的人機交互集成化多物理域聯合虛擬仿真平臺，以期為機電液系統(tǒng)聯合仿真提供便利。

1 多物理域系統(tǒng)及控制系統(tǒng)建模

AMESim 是一種可以進行多物理域復雜系統(tǒng)建模的仿真平臺，其元件庫主要包含機械庫、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，可用于建立單領域和多領域的系統(tǒng)模型。本文采用AMESim 軟件構建了EHA 系統(tǒng)，并以此為例進行技術介紹。

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

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（Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM）控制系統(tǒng)，主要對EHA 作動系統(tǒng)進行控制。未建立聯合仿真模型前，將輸入轉矩設置為常量，進行聯合仿真模型建立時與FMU（Functional Mock-up Unit）模型進行連接。

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

2 FMI接口

2.1 FMI標準

FMI 標準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 標準是一個不依賴于工具的標準，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合仿真［19］。FMI 標準有效解決了不同建模與仿真軟件之間文件格式和數據存儲方式不統(tǒng)一而導致的數據交互困難問題?；贔MI標準，不同仿真工具可以將建立的仿真模型通過FMI 接口標準導出為FMU 文件，也可稱為FMU 模型。該模型包含描述模型信息和數據的“.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］。導出的FMU 模型可以導入到支持FMI 標準的其他仿真建模軟件中，仿真軟件通過自動解析FMU 模型中的文件可達到聯合仿真的目的。

2.2 AMESim導出FMU模型

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

2.2.1 創(chuàng)建聯合仿真接口

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

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

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留的接口進行連接，保證FMU 單元的輸出、輸入參數與組件一一對應，形成完整的多物理域聯合仿真模型。

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

2.2.3 導出FMU模型

模型連接完成后進入PARAMETER 界面，對系統(tǒng)中各元件進行進一步的參數設置，完成參數設置后即可導出FMU 模型文件。進入Simulation 界面后，點擊Interfaces ＞FMU Export Assistant 開始進行FMU 導出設置。在Export settings 界面設置FMU type and version 為Co-simulation2.0；Visibility level：exposed elements 設置的是所生成FMU 單元的參數可見等級，可根據需求進行等級選擇。需要注意的是，參數可視化等級不同，導出的FMU 模型在Simulink 中能夠設置的AMESim 元件參數也不同?？梢暬燃壴礁?，可設置的參數越多，并且可以將參數以變量的形式進行賦值，便于在程序中對仿真模型參數進行更改與設置。Output directory 用于設置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行研究。設置完成后即可導出FMU 單元，在輸出目錄中可得到FMU 文件。

2.2.4 MATLAB/Simulink導入FMU模型

啟動MATLAB/Simulink 后，在構建好的控制系統(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使用FMI Kit for Simulink 工具包對FMU 模型進行激活和導入，2016b 之后版本的MATLAB/Simulink 軟件自身具有FMU 模型導入模塊，可以直接使用。本研究使用的是MATLAB/Simulink2014a 版本，需要FMI Kit for Simulink 工具包進行FMU 模型導入，FMI 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)模型導出的FMU 模型導入PMSM 控制系統(tǒng)，以實現聯合仿真功能。

Fig.5 FMU models are imported into MATLAB/Simulink圖5 FMU模型導入MATLAB/Simulink

3 人機交互界面開發(fā)

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

3.1 前臺用戶界面設計

聯合仿真過程中，同一仿真模型通常具有多種仿真需求，在開發(fā)過程中對參數進行規(guī)范化管理，可實現不同功能的仿真。圖6 為設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功能的用戶界面。使用復選框組件構建功能選擇模塊，進而選擇所需仿真功能，用戶可對單獨功能、部分功能或全部功能進行仿真。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的輸入與仿真結果的輸出。在通用參數模塊中，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。在布爾模塊設置開始和退出按鈕，控制仿真的開始和結束。前處理模塊可保存仿真數據，并對歷史仿真數據進行記錄和讀取，便于不同仿真結果之間進行比較。工作日志模塊可以記錄每次仿真結果的保存時間和路徑，便于核對操作記錄。通過當前進度可查看仿真功能進度，通過總進度條可查看所有功能仿真的總進度。前臺不同功能界面的設計簡化了用戶對不同仿真功能參數設置的繁瑣操作，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 數據交互

后臺程序設計決定著前臺用戶界面的功能能否實現，而程序設計中最關鍵的問題就是數據交互接口。AMESim與Simulink 的數據交互通過FMU 模型實現；在LabVIEW中，通過ActiveX 技術，使用MATLAB script 模塊調用MATLAB 軟件腳本服務器執(zhí)行使用MATLAB 語言所編寫的腳本。根據所需設置的仿真參數，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、彈簧勁度系數等，輸出變量包括示波器數據、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 單元中對應的參數變量名稱一致。圖7 為聯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置模型名稱、輸入信號頻率、幅值等參數的輸入變量，右邊為仿真數據的輸出變量。在MATLAB script 中編寫腳本語句，以實現仿真已得出數據的賦值和提取。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行數據處理并輸出，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，仿真結果會因仿真功能的多元化而變得復雜，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)了相應的顯示界面，提前設置好Word 仿真報告空白模板，以書簽的形式對不同功能的仿真結果數據和圖片輸入位置進行標記，有效提高了仿真結果的可視化效果。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入設置好的報告模板，利用For 循環(huán)、添加報表文本和設置報表字體模塊實現報表數據交互、字體設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，以點擊生成報告按鈕的時間對仿真報告進行命名，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置工作日志顯示框，可以查看歷史仿真記錄，通過數據讀取程序可以在平臺復現歷史數據以及該次仿真對應的參數設置，以便研究人員針對不同仿真結果進行比較，從而獲得最佳仿真參數。

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

4 作動器速度聯合仿真結果

將輸入信號設置為頻率0.2 Hz、幅值10 V 的方波信號，仿真時間為1 s，其余參數均為默認值，進行仿真驗證。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?，在1 s 內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據進行處理后的可視化作動筒速度曲線，通過與圖10 進行比較可知，二者峰值與趨勢完全一致，驗證了本文聯合仿真虛擬平臺的可行性和準確性。

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 為虛擬平臺對預先制定好的待填報告模板所進行的參數設置。用戶登錄系統(tǒng)后可在人機交互界面的主菜單內輸入報告參數，仿真完成后通過打印報告功能即可將該處輸入的參數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 中對應的參數在輸出報告中的相應位置得到了填充，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 結語

本文基于FMI 接口技術實現了AMESim 和MATLAB/Simulink 兩種工具的聯合仿真，在此基礎上基于LabVIEW開發(fā)了一種聯合虛擬仿真平臺，用于對仿真參數進行規(guī)范化和簡捷化設置，實現仿真結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用價值。然而目前聯合仿真功能僅能夠實現支持FMI 標準的仿真軟件之間的聯合仿真，后續(xù)擬通過加入其他接口形式的聯合仿真支持技術，在系統(tǒng)使用性和可操作性方面進一步優(yōu)化。