机电一体化系统开发的物理建模解决方案

作者：Jim Tung

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 机电一体化系统开发及其挑战 “机电一体化”这个概念的提出至今约40 年了，通常说它是指机械技术、电子技术、传感器测试技术、接口技术、信息技术、计算机技术、自动控制技术等相结合的一种综合性技术。机电一体化系统是指具有机电一体化技术的一种新型的机电系统。我们将机电一体化系统分为四个部分：机械部分、电子部分、控制部分、软件部分。机电一体化系统体现整体性，是一个由相互区别和相互作用的各个部分有机地联结在一起，为同一目的完成某种功能的集合体。它并不是这些技术的简单组合或拼凑。基于概念不同，工业界对这个定义有不同的说法。 机电一体化系统开发要面临很多挑战。第一，管理不同领域的复杂性问题;第二，任何一个系统开发都是基于子系统以及更多子系统，而这些子系统都是这四个领域的集合;第三，传统的做法是在四个方向将样机做出来，然后进行集成，最后看看它是否可以工作。这种处理方法的缺陷是显而易见。如果在我们集成后才发现错误再做前期修理，那么会造成成本极大浪费，因此需要尽可能在早期设计流程中发现设计缺陷;第四，设计流程的优化问题。很可能我们在任何一个局部区域就可以得到一个优化或者一个更好的设计方案，但是整合起来后发现它的整体性能并不能优化。所以最重要的挑战就是我们要在整个设计流程中先把它画出来，同时考虑各个子系统灵活性以及成本的有效性。我们可以通过选择性手段重复利用已经设计好或已经验证过的模型，然后加上不同的约束，从而在新的领域再加以应用。 机电一体化系统开发解决方案 The MathWorksTM 提供了两个解决平台，一是基于科学计算的工业标准语言MATLAB. 平台，MATLAB 于1984 年首次发布，迄今已有25 年的历史了，它为算法开发人员提供一个开放性的集分析、可视化和高级编程于一体的交互环境，基于MATLAB 和相关应用的工具箱，可帮助工程师来完成数据获取(从各种软件、硬件和数据库)、信息挖掘(分析和可视化)、系统算法开发及结果共享(报告和发布)等不同行业领域的科研工作。第二个核心产品开发平台就是Simulink.，于1990 年首次发布，它是建立在MATLAB 平台上，增加了基于模型设计、系统级仿真和嵌入式系统实现的功能。Simulink 为建模、仿真和复杂系统(尤其是控制系统、DSP 和通信系统)实现了一个模块化的设计环境。当MATLAB 和Simulink 结合在一起，就实现了基于模型设计理念的机电一体化系统的设计开发到仿真实现的全流程。 在该平台上实现算法开发时，我们对研究对象的物理建模，以及这些被研究对象在各种环境下的仿真都是基于模型的开发，我们可以把模型环境以及算法联合在一起进行仿真，从而对设计提出指导性的意见。当验证完之后，我们可以把算法直接下载到芯片级和硬件级上，例如，我们可以把算法自动生成嵌入式C 代码生成放在DSP 上。对于有电子工程背景的人来说可能更关心VHDL 代码的生成。C 代码生成是15 年以前成熟的产品了，这两年，我们的算法已可以直接生成VHDL 代码了。在整个开发流程中不同级别的验证是非常重要的，而并非在后期才进行评估。从前期模型开始到生成嵌入式级别代码，我们都需要有进行确认与验证的工具。 如何在这个平台下进行机电一体化系统的开发?以往的做法是先研究系统，得到它的属性或者动力学响应后，再将其物理方程提取出来。这需要我们用手动方法将方程提出。这种方程的推导非常困难，但我们可以这样做，在新的平台上我们就可以这么做。这个做法的应用案例就是Agfa 公司控制打印机出纸的流量，通过这种方式做一个控制上的开发。远程控制技术就是在Simulink 平台上完成模型和方程的推导建模，然后做一个仿真，最后生成代码。这实际上已在15年前就能实现了。 机电一体化系统如何将不同领域之间结合起来? Simulink 尤其是物理建模产品， 从1990 年开始就提供了联合仿真的解决方法。TheMathWorks 与很多专业工具厂商无论是机械领域市场还电子领域市场都有很好合作，例如CAD方向的软件和EDA 方向的软件。由于这些工具是需要各个系统相互嵌入集成，我们支持这种联合仿真。这些联合仿真的解决方法，一部分链接产品是由The MathWorks 提供，还有一些是由第三方软件商来提供的。联合仿真的意思就是在一个平台上，控制器开发用The MathWorks自己的产品，被控对象比如说是飞机，来自于其它产品。这个被控对象更细节的设计或者构造就是来自于第三方专业软件完成，而The MathWorks 只是提供了一些附件和接口来完成参数的转递。这种解决方案好处就是可以重复利用现有的模型，而且可以支持设计和验证工作。这个解决方案的一个缺陷在于，我们需要工程师了解不同公司的不同产品，甚至可能需要了解不同产品相互之间的相互依靠关系。实际上，在工业应用中，这种联合仿真的效率是非常低的。无论是控制算法开发，还是嵌入式软件生成，从我们的平台直接生成嵌入式代码，在航空、航天、汽车及火车等方面都有很多实际应用。 物理建模解决方案及Simscape TM 语言 The MathWorks 可以提供更好的方法——物理建模解决方案。 The MathWorks 在物理建模利用PhysicalModeling 技术已有十多年了，物理建模产品在各个领域都有相应的工具。其中SimscapeTM 是近两年出现的非常重要的技术，它是这些多域物理建模的底层平台，最大的好处在于它可以使用户避免推导方程这样繁琐的工作。Simscape 提供了一些基本的基础库来完成机械、电子、液压、热等领域的建模，我们只需要把库串联在一块就可以完成一个多域的建模。当把多域物理模型集成时，可以自动产生后台中的方程来求解这些模型。为什么我们要用这些多域建模解决方案呢?举个例子：我们知道在Simulink 平台上做一些系统开发，如控制系统模块搭建，他们之间的连接线我们叫信号线，信号线箭头方向代表信号流指示的方向。这是非常传统或者非常经典的应用。尤其是在控 制领域和信号处理方向，它的流向或者模块搭建就代表数据流和信息流的方向。但在其它领域有一些应用并不是这么简单，例如一个振动台设计，因为是一个多自由度链接，我们很难用数据流指示描述出来，所以需要新的工具来描述这种物理建模。在物理建模产品中，我们用不同模块搭建起来，中间信号线没有方向，而只是数据的相互交互。所以做系统仿真的时候我们会面临两种问题，第一类是因果关系描述，第二类是非因果关系描述。Simulink 以及Simscape 平台上开发出产品，就是来解决这类混合问题，从而使和某些问题在它合适的解决环境中解决，这样可以提高开发效率。其最主要的好处在于，在单一平台上我们做多域物理仿真时，可以在真正硬件造出来之前就发现解决问题。 今天我们推出的Simscape 语言是一种新的程序编写功能，可以在Simulink 环境中编写物理建模的组件、域和函数库。新语言包含在Simscape 内，它利用物理网络或非因果建模方法将在Simulink 系统扩展到机电一体化系统及其它多域物理系统的建模和仿真。工程师可以用它开发可重复利用的组件模型和系统，促进技术迅速发展，比如，燃料电池、风力发电系统以及混合电动车。利用这一新功能，终端用户和合作者可以扩展Simscape，创建及共享可重复利用的模型，从而提高团队效率并加强沟通。具备这些共享的物理模型，设计团队可以更准确地仿真系统行为，开发更具鲁棒性的控制策略，做出设计权衡，并在开发过程中及早发现系统性能存在的问题。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/20/2009)