信息物理融合的機電產(chǎn)品數(shù)字化設計關鍵技術研究.pdf

1、當前，機電產(chǎn)品中融入了越來越多的嵌入式技術，系統(tǒng)構成日趨復雜，形成了由機械、電子、液壓、控制等多領域子系統(tǒng)構成的綜合體，并逐漸發(fā)展為一種具有信息化、網(wǎng)絡化和智能化的新型復雜系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical System）。因此，必須研究適應產(chǎn)品新特征的數(shù)字化設計，以提高設計效率、降低開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。本文針對具有“信息”和“物理”融合特征的當前機電產(chǎn)品和未來CPS，結合產(chǎn)品設計流程，研究產(chǎn)品數(shù)字化設計，在

2、國家“863”和自然科學基金項目以及中國商飛相關產(chǎn)品研發(fā)項目的支持下，圍繞數(shù)字化建模與仿真以及半物理仿真技術，對相關關鍵技術進行了深入研究。主要包括以下工作：
　　(1).歸納了機電產(chǎn)品數(shù)字化設計從“瀑布”模型到“V模式”模型、“建模-設計-分析”循環(huán)迭代模型的演變過程，分析了各設計模型的特征與特點。針對CPS特性，提出了覆蓋機電產(chǎn)品方案設計、詳細設計及測試與驗證各階段，以多領域統(tǒng)一建模與仿真為基礎，支持產(chǎn)品數(shù)字建模與仿真分析及半

3、物理仿真驗證的數(shù)字化設計流程框架。
　　(2).針對CPS數(shù)字建模與仿真，采用基于多領域統(tǒng)一建模語言Modelica及工具軟件MWorks，提出了從基礎模型庫、綜合模型庫到系統(tǒng)級多領域統(tǒng)一模型的層次化建模方法。并以飛機液壓起落架系統(tǒng)為應用對象，建立了液壓、機械、控制等綜合模型庫，針對起落架的收放控制、前起轉彎控制、剎車控制和液壓能源綜合管理等具體應用建立了系統(tǒng)級多領域模型，并進行了數(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－實物”的“電信號優(yōu)先分斷”原則，并分析研究了構建半物理仿真系統(tǒng)的三個關鍵技術：針對硬件板卡與軟件模型之間交聯(lián)問題，提出了可以實現(xiàn)從模型到仿真目標機板卡接口無縫連接的RTI接口技術；針對CPS中多控制單元并行運行需求以及層次化物理模型到高效率模型實時代碼之間映射問題，提出了適于多目標機的代碼生成技術；針對不同控制單元的實時代碼到相應目標機的配置管理、協(xié)調(diào)運行及監(jiān)控反饋，提出了適于多目標機的代碼下載技術。

5、
　　(4).提出了由數(shù)字仿真系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)及仿真目標機系統(tǒng)構成的機電產(chǎn)品通用數(shù)字化設計平臺框架：基于Modelica多領域建模語言與MWorks工具軟件構建數(shù)字仿真系統(tǒng)，支持從基礎模型庫、綜合模型庫到系統(tǒng)級嵌入式機電產(chǎn)品的層次化開發(fā)過程。基于RTI接口、支持多目標機代碼生成和代碼下載等半物理仿真關鍵技術，開發(fā)了綜合管理系統(tǒng)，提供模型代碼下載、運行控制、參數(shù)調(diào)整、變量監(jiān)視等功能。采用實時操作系統(tǒng) VxWorks，通過目標機與硬

6、件板卡的配置，開發(fā)了仿真目標機系統(tǒng)，響應控制指令，接收仿真目標代碼，執(zhí)行模型實時運算，返回運行狀態(tài)、監(jiān)控變量等。
　　(5).以液壓起落架系統(tǒng)為工程實例，基于通用數(shù)字化設計平臺框架，建立了液壓起落架數(shù)字化設計平臺，支持起落架的收放控制、前輪轉彎控制、機輪剎車控制、液壓能源綜合控制等子系統(tǒng)的設計與試驗。在系統(tǒng)方案設計階段，為總體設計提供參考依據(jù)并進行匹配優(yōu)化；在詳細設計階段，采用半物理建模與仿真技術，提供軟硬交聯(lián)的可靠驗證；在試驗與