信息物理融合的機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，機(jī)電產(chǎn)品中融入了越來(lái)越多的嵌入式技術(shù)，系統(tǒng)構(gòu)成日趨復(fù)雜，形成了由機(jī)械、電子、液壓、控制等多領(lǐng)域子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合體，并逐漸發(fā)展為一種具有信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的新型復(fù)雜系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical System）。因此，必須研究適應(yīng)產(chǎn)品新特征的數(shù)字化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率、降低開(kāi)發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。本文針對(duì)具有“信息”和“物理”融合特征的當(dāng)前機(jī)電產(chǎn)品和未來(lái)CPS，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，研究產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)，在

2、國(guó)家“863”和自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及中國(guó)商飛相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目的支持下，圍繞數(shù)字化建模與仿真以及半物理仿真技術(shù)，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。主要包括以下工作：
　　(1).歸納了機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)從“瀑布”模型到“V模式”模型、“建模-設(shè)計(jì)-分析”循環(huán)迭代模型的演變過(guò)程，分析了各設(shè)計(jì)模型的特征與特點(diǎn)。針對(duì)CPS特性，提出了覆蓋機(jī)電產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及測(cè)試與驗(yàn)證各階段，以多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真為基礎(chǔ)，支持產(chǎn)品數(shù)字建模與仿真分析及半

3、物理仿真驗(yàn)證的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程框架。
　　(2).針對(duì)CPS數(shù)字建模與仿真，采用基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica及工具軟件MWorks，提出了從基礎(chǔ)模型庫(kù)、綜合模型庫(kù)到系統(tǒng)級(jí)多領(lǐng)域統(tǒng)一模型的層次化建模方法。并以飛機(jī)液壓起落架系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，建立了液壓、機(jī)械、控制等綜合模型庫(kù)，針對(duì)起落架的收放控制、前起轉(zhuǎn)彎控制、剎車控制和液壓能源綜合管理等具體應(yīng)用建立了系統(tǒng)級(jí)多領(lǐng)域模型，并進(jìn)行了數(shù)字仿真與分析。
　　(3).提出了半物理仿

4、真系統(tǒng)中界定“模型－模型”或“模型－實(shí)物”的“電信號(hào)優(yōu)先分?jǐn)唷痹瓌t，并分析研究了構(gòu)建半物理仿真系統(tǒng)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：針對(duì)硬件板卡與軟件模型之間交聯(lián)問(wèn)題，提出了可以實(shí)現(xiàn)從模型到仿真目標(biāo)機(jī)板卡接口無(wú)縫連接的RTI接口技術(shù)；針對(duì)CPS中多控制單元并行運(yùn)行需求以及層次化物理模型到高效率模型實(shí)時(shí)代碼之間映射問(wèn)題，提出了適于多目標(biāo)機(jī)的代碼生成技術(shù)；針對(duì)不同控制單元的實(shí)時(shí)代碼到相應(yīng)目標(biāo)機(jī)的配置管理、協(xié)調(diào)運(yùn)行及監(jiān)控反饋，提出了適于多目標(biāo)機(jī)的代碼下載技術(shù)。

5、
　　(4).提出了由數(shù)字仿真系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)及仿真目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)電產(chǎn)品通用數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)框架：基于Modelica多領(lǐng)域建模語(yǔ)言與MWorks工具軟件構(gòu)建數(shù)字仿真系統(tǒng)，支持從基礎(chǔ)模型庫(kù)、綜合模型庫(kù)到系統(tǒng)級(jí)嵌入式機(jī)電產(chǎn)品的層次化開(kāi)發(fā)過(guò)程。基于RTI接口、支持多目標(biāo)機(jī)代碼生成和代碼下載等半物理仿真關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了綜合管理系統(tǒng)，提供模型代碼下載、運(yùn)行控制、參數(shù)調(diào)整、變量監(jiān)視等功能。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks，通過(guò)目標(biāo)機(jī)與硬

6、件板卡的配置，開(kāi)發(fā)了仿真目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，響應(yīng)控制指令，接收仿真目標(biāo)代碼，執(zhí)行模型實(shí)時(shí)運(yùn)算，返回運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)控變量等。
　　(5).以液壓起落架系統(tǒng)為工程實(shí)例，基于通用數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)框架，建立了液壓起落架數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，支持起落架的收放控制、前輪轉(zhuǎn)彎控制、機(jī)輪剎車控制、液壓能源綜合控制等子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段，為總體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)并進(jìn)行匹配優(yōu)化；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，采用半物理建模與仿真技術(shù)，提供軟硬交聯(lián)的可靠驗(yàn)證；在試驗(yàn)與