LMS多学科仿真管理平台建议书文档格式.docx

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该平台能实现伺服控制系统开发的现代V流程设计，形成一系列软件及硬件设计、仿真、验证的集成方案，可满足不断提高的机载设备机、电动力学联合仿真和优化设计的要求。

1.2承担的任务

多学科协同仿真管理平台能够承担的任务和功能主要包括：

1.机载设备设计、验证与优化。

控制系统的设计和优化能够贯穿于产品研发的各个阶段。

▪在设计早期控制器功能设计阶段，通过机电一体化仿真技术，将控制器、机电作动系统和被控对象的仿真模型集成起来进行闭环联合仿真，从而尽早地确定和优化控制律与控制参数；

▪在控制器代码植入阶段，通过软件在环仿真将控制器的控制代码和被控对象的虚拟仿真模型结合起来测试和验证控制代码。

有两种方法：

一种在计算机仿真软件中进行；

一种是在实时仿真平台中进行；

▪在控制器物理成型阶段，通过硬件在环将已经物理成型的真实控制器和被控对象的虚拟模型结合起来测试和标定真实的控制器。

此时需要用到真实的物理控制器和被控对象的实时仿真模型。

2精确建立机载设备被控对象动力学模型；

▪创建机载设备刚柔耦合多体动力学被控对象模型。

作为机载设备伺服系统的被控对象和负载，机载设备机械系统动力学模型的精确建立对整个伺服闭环系统具有重要作用，它将影响到最终的伺服控制系统的验证效果和设计方案。

同时，考虑到伺服控制系统对执行机构弹性变形的高灵敏度，为了更精确的对机载设备机电伺服系统进行验证和标定，有必要对关键构件进行柔性化，即考虑构件变形对系统的影响，例如关键构件的弹性变形等。

即需要进行刚柔耦合多体动力学分析。

▪创建机载设备机电一体化被控对象模型。

对于机载设备的控制器来说，真实的被控对象包括机电作动以及机械执行机构，是机电一体化的系统。

为了更精确地对控制系统进行验证和标定，需要建立机电一体化的被控对象模型。

系统仿真软件进行控制系统建模，同时运用专业的动力学仿真进行被控对象和执行机构传递精确建模，并将两者联合，得到更细致、精确的模型，基于此可以考虑更多的影响因素，实现在设计中早期，在物理原型没有制造出来之前，通过模型在环或者硬件在环的方式，验证控制器策略，对控制器进行初标定。

3实现更精确的机载设备控制器的验证和标定

▪当前，对控制算法的验证方法包括完全虚拟化的离线方法，也称模型在环（ModelintheLoop）方法，即控制算法和被控对象等闭环系统的各部分完全都基于仿真软件实现；

以及基于半实物仿真的在线方法，也称硬件在环（HardwareintheLoop）方法，即闭环控制系统的一部分基于仿真软件实现，另一部分基于硬件实现。

▪基于刚柔耦合多体动力学模型或机电一体化模型，实现多自由度复杂模型的模型在环分析MIL。

▪基于刚柔耦合多体动力学模型或机电一体化模型，实现多自由度复杂模型的硬件在环分析HIL。

4.机载设备的性能优化

▪机载设备中机电作动系统模型优化

▪机载设备中机构动力学模型优化

▪机载设备机电一体化模型优化

▪机载设备控制器设计优化

▪机载设备结构优化

☝二次开发定制

▪将控制、系统仿真、多体仿真、优化等平台融合

▪基于企业开发进行流程化定制

1.3主要技术需求

根据多学科协同仿真管理平台的建设目标及其承担的主要任务，平台的主要技术需求包括：

☝机载设备控制伺服系统建模和仿真；

需要专门的系统仿真工具对机载设备机电伺服系统进行建模和仿真。

☝机载设备机械系统多体动力学建模和仿真；

需要专门的多体动力学仿真工具对机载设备机械系统进行建模和仿真。

☝机电一体化仿真技术；

在机载设备的方案和功能设计阶段，需要通过机电一体化闭环仿真验证控制器的控制律，同时预测机载设备在控制作用下的动力学特性。

一方面需要对控制系统和机电作动系统进行建模，另一方面需要对被控对象，即机械系统进行建模。

由于控制和机电系统以及机械系统通常采用的建模方式不同，因此需要将这些系统模型集成起来，实现闭环仿真。

在过去，机载设备的控制系统与机械系统通常是相对独立设计的，在控制系统功能设计阶段，被控对象往往简化为线性系统，辅助设计控制律。

通过机电一体化仿真技术，从一开始就能够将控制器与被控对象集成起来，通过真实的被控对象动力学模型，充分验证和优化控制器的控制效果。

☝硬件在环仿真技术；

在机载设备控制系统的物理成型阶段，在物理试验之前，通过硬件在环仿真，能够对控制器硬件进行验证和标定。

硬件在环仿真在各行业的控制器开发中应用越来越广泛。

硬件在环仿真需要机电系统和被控系统的模型能够转化为实时代码，这需要仿真软件相应的功能支持。

☝机载设备优化

在机载设备的设计研发的各个阶段，都需要使用优化工具基于设计目标对系统进行优化。

多学科协同仿真管理平台要求开发者选择适当的软硬件平台，完成组成框图及开发流程所示内容，并且需要进行二次开发，使所选软硬件成为一个整体，以便可以充分发挥机电一体化综合开发的效能，提高机载设备系统性能及开发效率。

1.4必要性与意义

建立多学科协同仿真管理平台，能够从以下几个方面进一步提升现有研发体系和流程：

☝通过机电一体化仿真和硬件在环仿真等方法，能够将控制系统开发和评价提早到方案和功能设计阶段，与被控对象机械系统的开发同步；

☝通过机电一体化仿真、软件在环仿真和硬件在环分析，能够建立完善的贯穿整个研发周期的控制系统开发与评价体系；

☝通过使用刚柔耦合多体动力学模型以及机电一体化模型作为实时被控对象模型，大幅度提高实时被控对象模型的复杂度和精度，从而大大提升控制器验证和标定的精度；

☝通过专业的优化平台，可以将设计优化贯穿到机载设备的整个设计流程，实现最优化设计，提高设计的可靠性和鲁棒性。

☝通过二次开发平台，可以方便地将平台进行综合利用，将系统所需要的软件平台有机串联到一起，软硬件平台不仅能够各自发挥功效，同时能够在大平台更方便有效地进行综合平台分析应用。

通过机电一体化仿真、软件在环仿真和硬件在环仿真，可建立完善的贯穿整个研发周期的控制系统开发与评价体系。

因此，通过实多学科协同仿真管理平台，可以实现机载设备的机械设计、结构设计和机电伺服控制系统设计并行开发，优化设计研发流程，实现最优化设计，提高设计的可靠性和鲁棒性。

2总体方案设计

2.1多学科协同仿真管理平台关键技术

由机载设备的主要构成可见，完整的机载设备是多学科机电闭环耦合系统，同时包含复杂的控制算法。

在仿真建模和分析方面，控制算法一般通过控制建模软件和数学建模方法实现；

机电作动系统一般通过多学科领域系统仿真软件建立模型；

而机械机构则是典型机械系统动力学建模问题，适合采用多体动力学方法建模。

由于构成机载设备的各组成部分在学科特点、建模方法、数值模型和软件工具上存在较大差异，因此机载设备仿真分析的主要技术难点体现在：

一是需要对机载设备的各组成部分采用最合适的方法和软件工具进行精确建模，从而能够描述各组成部分真实的动态特性，包括时域和频域特性；

二是如何将这些异构的软件工具、数值模型进行无缝集成，形成与实际机载设备相一致的闭环耦合系统，从而能够有效的对整个机载设备系统进行验证、评价和优化。

1.机载设备机电一体化联合仿真

机电伺服系统是机载设备等精密的电子信息系统装备的核心组成部分之一，对于此类电子信息大型装备实现精确的控制具有极为重要的作用。

由于机载设备等精密设备的结构和工作环境高度复杂，需要考虑在多种环境下的准确性和抗干扰性，因此要求其机电伺服系统具有极高的可靠性和精确性，其设计方案和性能的优劣直接决定了精密装备的控制能力。

近年来，航空航天、船舶和国防领域对精密探测、精确制导的要求越来越高，加上机电伺服系统本身是技术高度密集、结构组成复杂的高精尖系统，这就要求研究机构和制造厂商能够根据机电系统的特点，综合应用各种技术手段尤其是数字样机和仿真分析等方法，加快机电伺服系统的开发过程，同时不断提高其性能。

✓机构运动学和动力学分析

机载设备上对传动系统、设备翻转运动操纵机构的分析，是机械系统运动学和动力学的研究内容。

机构运动过程中部件之间是否会发生干涉，运动轨迹是否符合包络要求，运动速度有多高，驱动载荷要求多大等等，都是运动学分析的标准结果。

除基本的机构设计和运动学校核外，应对整个机构进行开环和考虑伺服控制器在内闭环动力学分析，考察机电伺服系统的响应速度和控制精度等。

机构动力学建模应为控制系统设计提供真实准确的非线性动力学模型；

此外，机构动力学分析应为动强度分析提供精确的载荷历程信息。

✓刚柔耦合分析

对于具有高精度要求的机载设备机械系统，机构中柔性体的弹性变形往往同刚性体的刚性位移同时发生并相互耦合，对系统的运动和控制精度有明显的影响。

因此，将机构系统分析与结构分析结合进行刚柔耦合分析，是提高仿真精度的有效办法。

✓控制和机电系统分析

机载设备的姿态保持和调整，以及其它任何机械动作，都由复杂的电子控制系统，按照设计的控制律来完成。

控制系统通过液压系统或电机系统对机载设备的机械系统进行操纵。

控制系统设计是机电伺服系统的基础，是保证机电伺服系统控制精度和质量的关键因素。

当前机电伺服系统控制器的设计已经从经典控制理论逐步转换到精度更高的现代控制理论，即在设计中考虑机电系统和被控对象完整的动力学属性，尤其是非线性因素。

这要求在进行控制器设计和仿真分析中，能够纳入更真实的机电系统和被控对象的非线性动力学特性。

因此需要建立控制系统和机电系统的精确模型，分析其动态特性并验证是否能够满足机电系统整体性能的要求。

✓控制-机构闭环分析即机电控多学科分析

机载设备机电系统的控制、液压、电机驱动和机械传动系统高度耦合，构成闭环系统。

因此必须将这几部分和不同学科的模型进行无缝集成，进行多学科联合仿真，才能对机载设备的整体系统级性能进行有效的预测和评估。

在机电伺服系统设计中将控制器和被控对象的模型合二为一综合考虑，是提高控制精度和整个机电伺服系统时域及频域性能的前提，此外，从控制系统设计的开始即将控制器和控制对象进行集成和整体分析，可有效加快机电系统的设计和优化过程，避免设计后期的反复。

由于构成机电伺服系统的各组成部分在学科特点、建模方法、数值模型和软件工具上存在较大差异，因此机载设备机电系统仿真分析的主要技术难点体现在一是需要对机电系统的各组成部分采用最合适的方法和软件工具进行精确建模，从而能够描述各组成部分真实的动态特性，包括时域和频域特性；

二是如何将这些异构的软件工具、数值模型进行无缝集成，形成与实际机电系统相一致的闭环耦合系统，从而能够有效验证、评价和优化系统性能，提高控制精度。

2.控制系统硬件在环仿真

对于机载设备等精密设备，其电子控制系统的设计开发是提高控制精度的关键。

当前，在控制器控制算法开发过程中，除了采用基于软件建立的闭环纯数值模型进行算法验证和参数标定之外，在很多场合亦采用实时仿真技术，也称为半实物仿真技术或硬件在环仿真技术（HardwareintheLoop，即HIL仿真）。

硬件在环仿真是将分别基于硬件和软件实现的控制器模型和被控对象模型进行集成，以此验证控制器的控制效果。

由于硬件在环仿真在控制器验证上的有效性和灵活性，并能够节省全实物物理试验的成本，因此在控制算法开发中受到广泛应用。

3.多学科优化

机电伺服系统的电机控制、机构运动、动强度与疲劳耐久性、结构振动等互相影响，构成强耦合系统，因此从保证分析精度的角度，应当将各个方面综合起来考虑，通过统一的平台式软件解决方案和一体化的分析流程进行分析、验证直至优化。

机电伺服系统的多学科优化则是要在一体化分析流程的基础上，进行多学科目标多参数的整体优化，从而在各性能指标之间达到最佳平衡。

优化参数和优化目标均可能是跨学科的，例如优化参数可以是与动强度和疲劳耐久性相关的材料参数、结构几何和拓扑，与机构运动相关的机构空间布局和拓扑关系，跟控制性能相关的控制系统参数，等等；

而优化目标则也可能是不同学科目标或其组合。

因此，多学科优化应当是基于一体化分析流程的、跨学科的，并且能够选择不同学科的目标和参数。

综上，机电伺服系统开发涉及电机与控制系统、机构动力学、结构强度与疲劳耐久性、振动噪声以及它们的耦合，要解决复杂的多学科耦合问题，提高整体研发能力，优化产品性能品质，需要统一的多学科仿真分析平台的建立。

4.二次开发

2.2LMS实施平台概述

LMS公司的仿真软件包括3D多学科仿真平台Virtual.Lab和多领域系统级仿真平台Imagine.LabAMESim等。

这两个平台的无缝集成可以涵盖从系统级分析到详细部件级分析直至多学科优化的整个流程，结合Optimus优化仿真平台，LMS提供的方案平台可以为本单位机载设备产品的仿真分析和设计优化提供完整的解决方案。

2.3LMS技术方案实施

基于LMS多学科协同仿真管理平台能够进行以下方面的机载设备产品技术研究和开发：

1）机载设备机电伺服系统建模和仿真；

基于LMSImagine.LabAMESim创建机载设备机电伺服系统模型，包括控制系统模型和机电作动系统模型。

并进行系统仿真和分析。

2）机载设备机械系统多体动力学建模和仿真；

基于LMSVirtual.LabMotion创建机载设备机械系统多体动力学模型，通过刚柔耦合技术将关键构件柔性化，进行刚柔耦合分析。

3）机电一体化闭环系统分析

基于Imagine.LabAMESim和Virtual.LabMotion能够分别建立机载设备的控制系统、机电作动系统和被控对象模型，并进行闭环联合仿真。

在控制系统的方案和功能设计阶段，通过闭环联合仿真，以真实的机械系统动力学模型作为被控对象，可以有效的评价并找到最优控制律。

通过Imagine.LabAMESim和Virtual.LabMotion，同时能够有效的设计和分析控制系统、机电作动系统和机载设备机械系统本身的方案和动态性能。

4）控制系统的硬件在环仿真

控制系统对于精密机载设备等高精度装置具有至关重要的作用。

在过去，控制系统与机械系统往往分开设计，到设计后期阶段通过物理试验校验控制系统。

通过硬件在环仿真，可以直接将机电作动系统和被控对象的模型转化为实时代码，从而直接与控制器的物理硬件连接并进行评价。

在机载设备产品开发过程中引进硬件在环仿真，可以大大加速控制系统的开发和验证过程。

LMSImagine.LabAMESim和Virtual.LabMotion都能够很好地支持硬件在环仿真，AMESim和Virtual.LabMotion的模型能够直接生成实时代码。

LMS提供的多学科协同仿真管理平台，其丰富的功能可以贯穿到机载设备产品研制的整个流程中，如下图所示：

图2仿真管理平台在研发流程中的定位

5）机载设备优化

基于NoesisOptimus，可将优化设计贯穿于机载设备的设计研发的各个阶段，包括结构设计，控制器设计，机构设计，机电伺服作动系统设计以及机电一体化系统设计等。

6）二次开发定制

基于Virtual.Lab二次开发平台，方便地将平台进行综合利用，将系统所需要的软件平台有机地串联到一起，软硬件平台不仅能够各自发挥功效，同时能够在大平台更方便有效地进行综合平台分析应用。

3详细方案设计

3.1机载设备机电一体化联合仿真

机电伺服系统是机载设备等电子信息系统装备的核心组成部分之一，对于此类电子信息大型装备实现精确的控制具有极为重要的作用。

由于机载设备等精密设备的结构和工作环境高度复杂，需要考虑在多种环境下的准确性和抗干扰性，因此要求其机电伺服系统具有极高的可靠性和精确性，其设计方案和性能的优劣直接决定了精密装备控制的能力。

对于机载设备等精密设备，其机电伺服系统主要由控制逻辑、机电执行系统和被控对象等几部分组成，如图3所示，这几部分彼此紧密联接和集成，构成闭环耦合系统。

图3机电伺服系统的典型组成

由机电系统的典型组成结构可见，机载设备的姿态和运动控制来自控制系统的复杂运算和操作，其机电系统接受控制系统的反馈控制指令，并进一步通过其执行环节例如电动机等驱动被控对象产生期望的运动，由于机载设备是彼此固结或相互运动的零部件组合的高度复杂体，因此机电系统的被控对象是复杂的机械系统。

综合而言，机载设备等精密设备的机电伺服系统是由机、电、液、控集成的多学科系统，涉及的学科门类众多，并且耦合程度很高，因而要想对机电伺服系统的整体性能进行有效的预测，优化其设计参数，提高控制精度和可靠性，必须从以下几方面进行数字样机建模和仿真分析：

3.1.1机构运动学和动力学分析

下面简要部分举例说明LMSVirtual.LabMotion平台上进行动力学分析应用：

3.1.1.1传动齿轮分析

齿轮传动是传动一种基本应用，目前正向着高速、低噪、轻质、精密的方向发展。

运用LMS协同仿真技术，可进行齿轮传动系统的动力学分析，进一步可进行基于LMS动力学分析的齿轮系统疲劳分析和振动噪声分析。

LMSVirtual.LabMotion中有详细的齿轮的建模，拥有详细的齿轮建模解决方案。

应用特点可归结为：

✓定义

●基于一个统一界面进行齿轮传动系统的定义

●自动创建多体动力学模型（部件、运动副、啮合力）和几何模型

●采用解析齿轮啮合力模型（Cai,ISO）

⏹考虑时变轮齿综合啮合刚度

☝侧隙

☝参与啮合的齿数时变

☝轮齿啮合位置时变

⏹考虑轮齿齿面修形和加工误差（STE）

✓支持的齿轮类型

●直齿轮和斜齿轮

●内啮合和外啮合

●行星齿轮

✓优点

●简单易用

●自动生成齿轮传动几何模型

●求解速度快，精确计算齿轮时变啮合力

●精确预测齿轮传动的载荷和传动精度

●计算的载荷可以进一步用于VLDurability疲劳和VLNVH振动噪声分析

针对机载设备内部不同复杂程度和分析要求，LMSVirtual.LabMotion提供了多种复杂程度的齿轮建模方法，可适用于不同分析精度和计算要求时，进行分程度建模。

▪输入轴和输出轴之间采用运动学约束

通过齿轮运动副进行齿轮建模，这种类型的优点是支持所有类型的齿轮结构，其局限性是只负责传递传动比，属于理想传动，如齿隙、齿轮啮合力、齿轮接触点的移动等是无法考虑的。

这种类型也是目前市面上大多数动力学软件持有的齿轮建模方法。

在齿轮传动系中，如果仅考虑齿轮的传递路径和传动比，那么可以运用齿轮副直接定义，计算快速方便。

▪通过接触力模拟齿间啮合力

由于齿轮传动实际上会影响最终输出精度、效率等，因此，在齿轮传动分析中，往往需要进行齿轮齿间啮合力的计算，以计算齿轮内部载荷，及齿轮系统对整个系统的影响。

基于此，LMSVirtual.LabMotion中拥有非常丰富的力定义单元和接触定义单元，支持用户通过“力”直接定义齿轮啮合特性，也可以同样定义接触来计算齿轮啮合特性。

在此，仅以接触力定义举例。

LMSVirtual.LabMotion可以支持丰富的接触定义来定义两个部件之间的接触。

▪典型：

球－拉伸体

▪刚体－刚体、刚体－柔性体、柔性体－柔性体

通过以上丰富的接触类型进行齿轮齿间啮合力接触的定义，在齿轮系统，我们可以进行以下分析：

▪齿上轴向、切向接触力

▪详细的接触力特性

▪考虑齿隙的影响

▪可以考虑齿轮轴不平行因素，及此因素可能引起的相关问题，例如：

振动

基于此，齿轮传动分析更进一步。

但基于这种类型的齿轮传动分析也有其局限之处，即它无法考虑齿轮啮合刚度的变化，同时计算速度和计算精度偏低。

▪采用齿轮啮合力的解析表达式

鉴于齿轮传动对于系统最终的精度控制等有较大的影响，LMSVirtual.LabMotion提供了我们前述的齿轮啮合力解析表达式的方法。

即LMSVirtual.LabMotion提供了解析的方法（基于CAI，ISO）的齿轮接触计算方法来考虑齿轮间的啮合力，其特点：

▪解析方法（参考:

Cai/ISO/…）

▪考虑接触刚度变化

▪轮齿宽度变化

▪接触轮齿数目变化

▪考虑轮齿齿面修形和加工误差（STE）

▪将啮合力施加在轮齿中心点上

目前，LMSVirtual.LabMotion基于解析的方适用于以下齿轮类型：

▪直齿轮和斜齿轮

▪内啮合和外啮合

▪行星齿轮

基于此方法，我们可以：

▪进行齿轮载荷的精确计算

▪计算精度高

▪计算速度快

通过对齿轮传动的精确计算，我们不仅可以分析齿轮系统本身的载荷、传递效率、传递误差等计算，同时，进一步进行齿轮系统的疲劳、振动、和噪声的分析。

可以结合Virtual.Lab