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从离线仿真到实时仿真的连续平台

作者：世冠工程（北京）有限公司

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AMESim（Advanced Modeling Enviroment for performing Simulation of engineering systems）作为多学科领域复杂系统建模和仿真解决方案，提供了一个系统工程设计的完整平台。目前，AMESim软件在全球获得了巨大的成功，被广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、能源、轨道交通、石油、机械、车辆、重工等各大领域。

一．前言

在工程设计中，传统的方法是通过反复的计算迭代，利用样品试制（物理成型）和试验结果来分析系统是否达到设计要求，结果造成大量的人力和物力投入在样品试制和试验中。随着系统仿真理论及计算机技术的不断发展，系统仿真技术在不断提高。现代的工程设计方法采用系统仿真技术，有效地缩短了研发周期、降低了产品研发成本及风险、促进了各个不同领域的融合。可以说系统仿真技术已经成为工程设计中必不可少的核心技术手段。

然而，在现代产品设计研发过程中，经常会遇到的一个问题，就是负责物理系统详细设计的工程师和负责控制系统设计的工程师之间常缺乏有效的连接，导致控制器与被控对象/执行机构集成后的整个系统控制品质下降，甚至在控制器与被控对象/执行机构均达到设计指标的情况下，整个系统的控制特性指标无法达到设计要求。那么在硬件物理成型之前如何来验证控制系统呢？答案就是建立一个物理系统的实时仿真环境并将控制系统的硬件和软件集成到该仿真环境中来。通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。

针对实时仿真问题，AMESim提供了将高可靠性的物理模型直接转换成经过验证的实时仿真模型的功能。该功能将用户从编写实时代码的繁琐工作中解放出来，用户只需要专注在AMESim平台上，利用AMESim的各种高级功能，来建立高可靠性的物理系统的模型。在该模型基础上，根据实时仿真平台的硬件配置，经过适当的简化和实时计算验证后，通过AMESim实时代码生成功能，就可以生成用户指定实时平台所需要的实时代码。因此用户构建的高可靠性模型，既可以用于离线的全数字仿真，又可以用于在线的实时仿真，从而大大地提高了实时仿真的精度和效率。AMESim提供了三个主要工具来支持实时仿真的实现：模型简化工具，合适的积分算法，以及为实时仿真平台产生实时代码的工具。采用AMESim的实时仿真功能，可以大量减少开发过程中由于设计过程集成的延迟造成的不确定性，使得在开发周期中尽可能早的阶段实现集成，降低项目延迟和成本增加的风险，大大地提高产品的质量和可靠性,如图1所示。

图1 AMESim实时仿真示意图

二．主要工具

AMESim为模型简化提供了一组工具：状态统计、活性指数、特征值分析以及模态分析，可以实现不同复杂程度模型的选择。其中状态统计器用来观察哪些状态变量减慢了仿真速度，“活性指数”确定大部分能量惰性元件，特征值求解和模态分析用于分析线性化系统的内在特性。采用设计分析工具进行参数识别。利用AMESim模型简化工具，降低了模型的复杂程度，而且降低后的系统仍有足够的精度来仿真被研究对象，大大减少了仿真运行的时间。

AMESim提供显性定步长积分算法用于测试数字稳定性和精确性，包括了Euler法，Runge-Kutta法和Adams—Bashforth法。支持现行实时仿真平台对定步长积分算法的要求。

AMESim的实时代码生成功能，可以直接将经过数字算法测试的高可靠性模型，生成用户指定的实时仿真平台所需要的代码。将用户从编写实时代码的繁琐工作中解放出来，下图是AMESim支持的实时仿真平台列表，如图2所示。

图2 AMESim支持的实时仿真平台列表

三．AMESim实时仿真工作流程：

我们用一个简单的例子来说明AMESim实时仿真的实现过程。在该例子中，在AMESim中建立并生成1/4车悬架实时模型作为被控对象，控制器部分可以是在实时仿真平台上构建的控制器虚拟样机或者控制器的物理样机。在AMESim中的过程可以简要地概括为，首先在AMESim中建立一个模型并使用定步长积分算法验证，然后在AMESim系统中加入接口模块并将模型输出到Simulink中，在Simulink中验证完整模型（包括控制对象和控制器）的实时性，在AMESim中产生所需要的实时仿真平台所需要的代码，通过RTW上载到实时仿真平台中，最后在实时仿真平台上运行仿真。AMESim实时仿真工作流程图，如图3所示。

图3 AMESim实时仿真流程图

1 在AMESim中建模

首先在AMESim中建立一个如下图所示1/4车悬架系统的模型，并利用AMESim中的定步长积分算法检验该模型。建立的模型，如图4所示。

图4 AMESim中建立的1/4车模型

2.将AMESim中的模型输出到Simulink

在AMESim里用Simulink接口方块取代控制器部分，而这个控制器部分的模型随后在simulink中来建立。在该接口中，共有4个变量（分别是车身的速度和位移，轮胎的速度和位移）需要从AMESim的模型输出到控制器模型中，有1个变量（阻尼力）需要从控制器模型中输入到AMESim模型中。具体连接如图5所示。接口的创建是在AMESim的Interface菜单中通过“创建接口图标”按钮实现。

图5 添加了接口模块的AMESim模型

在Simulink的sketch中添加S函数，如图6所示。

图6 添加S函数

在将AMESim的S函数输出到Simulink中后，重要的是确认完整的AMESim/Simulink 系统在使用定步长积分算法时能够运行并能得出正确的结果，这种算法能够保证在实时仿真平台上模型能够正常运行。对于当前的系统我们将使用步长为1毫秒的ode2算法。很少会用到比ode4算法更复杂的算法。通常情况下，如果要在计算速度和计算精度折衷时，通常euler算法是最有效的。

上图中左边方块就是AMESim中建立的被控对象的模型，右边方块（绿色）就是控制器模型。也就是说控制器模型需要AMESim的模型提供4个量：Bspeed，Wspeed，Bdispl，Wdispl 经过控制器运算后，控制器发出控制信号Force输入到AMESim的模型从而实现信息的交换。

3.为实时仿真平台生成实时代码

在Simulink中如果模型采用定步长积分算法能够正常运行，就可以继续下一步——为实时仿真平台生成实时代码。在AMESim中会自动将物理系统模型直接转换成经验证的实时仿真模型，通过Simulink/RTW上载到实时仿真平台中。

在AMESim中的操作过程如下：

（1）在Interface菜单中选择“Generate files for real-time”按钮，如图7所示。

图7 为实时仿真平台生成实时代码

（2）在列表中选择需要的实时仿真平台后，点击Generate按钮。此时所有在AMESim中的工作都已经准备完成。

（3）在Simulink的仿真对话框中设置RTW的参数

在Simulink中进行设置，如图8所示。其中ame_xpc_vc.tmf以及ame_rti1005.tmf是专门针对包含AMESim模型的Simulink模型而定制的Make模板文件。同时需要生成命令还需要能够访问到AMESim系统模型名字，这是在Make command中AMESIMMODEL=quartercar中设定的。完成了所有的设置后，就可以点击Build按钮将代码上传到目标平台。

图8 设置RTW的参数

4.在实时仿真平台上运行仿真

最后，在实时仿真平台上完成实时仿真。AMESIM可支持多种实时仿真平台，如RT-Lab、dESPACE、xPC等。

四．AMESim实时仿真成功案例

美国通用汽车公司通过采用AMESim和RT-Lab成功地对其动力传动系统进行实时仿真。通用公司利用AMESim液压库、液压元件设计库和动力传动库，建立了自动变速器包含机械部分和液压部分的完整模型，见下图。通过AMESim的实时仿真功能生成了RT-Lab实时仿真平台所需要的实时代码，并与自动变速器的物理控制器成功连接完成了实时仿真。

图9 通用实施案例

(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/20/2007)


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