一體化仿真整體解決方案

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　　一.前言 　　在傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)流程中，雖然已經(jīng)引入了各種工程輔助軟件，如三維CAD軟件、有限元分析軟件、機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析軟件和控制系統(tǒng)分析軟件，但彼此之間仍獨(dú)立作業(yè)，缺乏整體協(xié)同作業(yè)規(guī)劃。機(jī)械工程師與控制工程師雖然共同設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，但是他們各自都需要建立一個(gè)模型，對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和測試，然后進(jìn)行集成。這樣的開發(fā)方式，一方面，由于在設(shè)計(jì)階段機(jī)械工程師與控制工程師缺乏互動，機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，因而無法確切的檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制律是否有效合理，也無法檢驗(yàn)控制品質(zhì)的高低，如果控制對象如液壓系統(tǒng)中作動筒的載荷工況等信息無法完全確切的計(jì)算和把握，而只能通過估計(jì)的方式得到，自然會影響設(shè)計(jì)效果；另一方面，由于后期產(chǎn)品測試和驗(yàn)證經(jīng)常與原始設(shè)計(jì)不符，一旦出現(xiàn)問題，必須回到各自的模型中重新進(jìn)行修改機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，造成巨大的人力、物力浪費(fèi)。 　　如果能夠讓機(jī)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)兩個(gè)單位一開始就共享模型信息，把兩邊考慮的機(jī)構(gòu)控制問題同時(shí)包含在分析程序中，直接建立完整的機(jī)電系統(tǒng)，這樣，一方面可以使得控制工程師可以獲得與實(shí)際工況相符的機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律，另一方面可以利用整合的虛擬樣機(jī)對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)效果，然后進(jìn)行物理樣機(jī)的建造和測試。顯然，利用機(jī)構(gòu)控制一體化虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、調(diào)試和試驗(yàn)的方法，同傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比具有明顯的優(yōu)勢，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，獲得優(yōu)化的機(jī)電系統(tǒng)整體性能。 　　二.MSC.Software機(jī)構(gòu)控制一體化仿真整體解決方案 　　1.MSC.ADAMS與MSC.EASY5簡介 　　MSC.ADAMS是目前全世界各行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的機(jī)構(gòu)動力學(xué)與虛擬樣機(jī)分析軟件。MSC.ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。MSC.ADAMS軟件的仿真結(jié)果可以預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及有限元的輸入載荷等。 　　MSC.ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析；另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為各行業(yè)用戶進(jìn)行特定類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。MSC.ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。 　　MSC.EASY5是面向多學(xué)科動態(tài)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真軟件，用于在產(chǎn)品的概念和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)階段快速地建立完整、可靠的功能虛擬樣機(jī)。MSC.EASY5提供了獨(dú)一無二的多學(xué)科動態(tài)系統(tǒng)仿真和控制系統(tǒng)分析的能力：預(yù)定義的多學(xué)科系統(tǒng)部件庫、與CAE軟件的集成、強(qiáng)大的線性和非線性分析工具、控制系統(tǒng)仿真及設(shè)計(jì)選項(xiàng)、實(shí)時(shí)代碼生成等。MSC.EASY5擁有簡單易用的圖形化用戶界面，基于可執(zhí)行代碼程序進(jìn)行仿真運(yùn)算并提供了強(qiáng)大的專業(yè)應(yīng)用庫支持。 　　MSC.EASY5的模型元件既包括基本的數(shù)學(xué)和控制環(huán)節(jié)，比如加法器、除法器、積分器和超前-滯后校正裝置等等，也包括來自專業(yè)應(yīng)用庫的系統(tǒng)級部件，比如閥、作動器、熱交換器、齒輪副、離合器、發(fā)動機(jī)、電機(jī)、氣體力學(xué)、飛行動力學(xué)等等。每一個(gè)系統(tǒng)級部件都代表一組方程，用以描述一個(gè)物理元件(如四通液壓閥)或是一個(gè)物理現(xiàn)象(如潤滑油粘度變化)。此外，用戶還可以通過加入FORTRAN或C代碼建立用戶部件，以定制特殊元件或部件。這樣的模型元件結(jié)構(gòu)，使得MSC.EASY5具有良好的適用性，可以滿足不同層次的建模和仿真需求，用戶完全可以根據(jù)需求選擇建模方式，即選擇通過基本數(shù)學(xué)和控制環(huán)節(jié)建模還是通過實(shí)際的物理元件建模，建模方式非常靈活。 　　MSC.EASY5是目前全球元件庫(模型庫)最為全面的多學(xué)科系統(tǒng)和控制仿真軟件，是市場上歷史最長、最完整的控制系統(tǒng)仿真軟件之一，在控制與多學(xué)科系統(tǒng)仿真領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。它的任何一個(gè)專業(yè)庫都包含了該專業(yè)領(lǐng)域常用物理元件的數(shù)學(xué)模型，這些物理元件與具體的工程需求完全一致，用戶可以根據(jù)具體需求選擇相應(yīng)的物理元件。每一庫元件對應(yīng)一段高級語言代碼子程序(可以理解為一個(gè)函數(shù)子程序)，使用者僅需在元件的參數(shù)菜單中填入實(shí)際元件的參數(shù)，即可迅速建立該元件的計(jì)算模型。這些庫元件代碼全部由從事該領(lǐng)域工作的專家編寫并經(jīng)歷了波音公司及其他軟件包用戶的實(shí)踐檢驗(yàn)，有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和易用性。 　　MSC.EASY5的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括：控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)、多相流系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、飛行器動力學(xué)及控制、燃料電池等等。 　　2.MSC.Software機(jī)構(gòu)控制一體化仿真整體解決方案 　　完整的機(jī)電控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開發(fā)和仿真分析可以分為控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。其具體的仿真需求包括三個(gè)層次： 　　控制策略和控制律的設(shè)計(jì)，機(jī)電控制系統(tǒng)模型構(gòu)建與分析，液壓氣動等多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真 ——此部分主要是設(shè)計(jì)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng) 　　多體機(jī)構(gòu)動態(tài)(動力學(xué)和運(yùn)動學(xué))仿真——此部分主要是設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 　　包含機(jī)構(gòu)運(yùn)動和控制系統(tǒng)的完整虛擬樣機(jī)的一體化仿真，保證其正確的運(yùn)行和以及較高的可靠性 　　MSC.EASY5 與MSC.ADAMS可以無縫地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)效果最佳的聯(lián)合仿真(同時(shí)求解+實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳遞)或者模型調(diào)用。借助MSC.EASY5和MSC.ADAMS強(qiáng)大的集成仿真能力，可以實(shí)現(xiàn)包含控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動的完整系統(tǒng)的一體化仿真，構(gòu)建真正的機(jī)電控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)開發(fā)平臺。 　　MSC.EASY5控制系統(tǒng)結(jié)合MSC.ADAMS機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真是目前最為成熟的機(jī)電系統(tǒng)整體解決方案。利用MSC.EASY5在控制與多學(xué)科系統(tǒng)和MSC.ADAMS在多體動力學(xué)領(lǐng)域的強(qiáng)大能力和權(quán)威地位，發(fā)揮各自的優(yōu)勢和特長，可以將機(jī)電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析能力發(fā)揮到極致，這兩者的聯(lián)合應(yīng)用是MSC公司產(chǎn)品久經(jīng)時(shí)間考驗(yàn)的能力證明。MSC.EASY5同時(shí)具備與MSC.ADAMS/Insight的接口，可以進(jìn)行魯棒分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、“What if”分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 　　MSC.EASY5作為獨(dú)特的多學(xué)科系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真軟件，主要用來進(jìn)行氣動、液壓、電氣和控制系統(tǒng)的仿真。MSC.ADAMS作為權(quán)威的多體機(jī)構(gòu)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真軟件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動部分的仿真。MSC.EASY5和MSC.ADAMS可以無縫地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)效果最佳的聯(lián)合仿真或者模型調(diào)用。這種結(jié)合，一方面可以真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)、控、電、氣動液壓一體化系統(tǒng)的完整動態(tài)模擬；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)針對系統(tǒng)不同的部分，使用各自最專業(yè)的仿真工具(MSC.EASY5的控制、氣動、液壓和電氣等多學(xué)科仿真+MSC.ADAMS的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真)。 　　MSC.EASY5與MSC.ADAMS有三種集成仿真方式： 　　聯(lián)合仿真 　　-由MSC.EASY