基于SLM的伺服系統多學科聯合仿真與設計優化平臺

安林雪，蔣孟龍，黃玉平，朱陽貞，林 晨

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

0 引言

航天伺服系統是涉及控制、電磁、流體、機械、電力電子等多學科的復雜強耦合系統，傳統研制方法仍以串行設計為主，隨著設計指標要求的不斷提高，產品復雜度逐步提升，而給定的生產周期卻不斷壓縮，對航天伺服系統傳統設計方式和設計流程提出了新的挑戰。

國際上針對復雜產品的研制方法一直在不斷發展與改進，從20世紀50年代以單領域為核心的獨立應用階段到20世紀80年代開始以一體化為核心的多領域并行協同應用階段，協同設計、協同仿真、協同優化越來越成為復雜產品設計必不可少的手段[1]。如20世紀80年代在航空航天領域率先提出的MDO(Multidisciplinary Design Optimization)框架，旨在通過集成MDO方法和學科分析模型實現多學科協同優化流程，提升設計優化效率，進而提高設計效率。近年來，Berends等[2]、Vankan等[3]、Daoud等[4]、Hwang等[5]針對MDO框架分別開展了相關研究。但是現有MDO框架主要圍繞多學科優化方法開展，所涉及的分析模型簡單、維度小，而復雜系統研制中所面對的問題卻越來越難以依靠單一維度的模型和單一仿真系統去解決。1996年，美國國防部發布了針對建模仿真領域的通用技術框架，其中包括建模與仿真高層體系結構(High Level Architecture，HLA)，它將具體的仿真功能實現、仿真運行管理和底層通信傳輸相分離，從而使各部分能夠充分利用各自領域的先進技術[6]。Hadj-Amor等[7]、N?gele等[8]針對HLA協議開展了相關研究。

國內在復雜系統研制方法方面也有一些相關研究，但未形成體系化、標準化，如柴旭東等[9]圍繞復雜產品多領域協同、分布式仿真等技術研究開發了復雜產品協同仿真平臺(COSIM)；龍騰等[10]以探究飛行器產品中復雜的耦合關系、縮短設計周期、提高設計效率為目標，基于ModelCenter通用框架提出了模塊化飛行器多學科集成設計平臺；孫建勛等[11]針對復雜產品中耦合關系、信息傳遞、異地異構設計、數據管理等問題，應用Java語言自主開發了飛行器總體多學科集成設計平臺。

綜上所述，通用MDO框架所配置的優化算法缺乏針對性，而基于HLA協議的分布式仿真平臺對接口開發等自主研發要求較高，因此，本文研制了一款基于SLM(Simulation Lifecycle Management)的伺服系統多學科聯合仿真與設計優化平臺。該平臺以通用商業框架為基礎，充分考慮當前航天伺服系統研制現狀，通過集成各維度仿真模型和自主開發的多學科設計優化算法，定制規范化設計流程，將仿真融入到研制流程中，實現從單機設計、系統設計到模型校核、仿真驗證等一系列流程的自動化，提高了航天伺服系統設計效率，縮短研制周期，同時對仿真模型與數據進行集中式統一管理，提高了知識復用率。

1 通用MDO框架選擇

多學科聯合仿真平臺的開發有兩種方案，一種是基于HLA的自主研發，一種是在商業通用MDO框架基礎上定制開發。自主研發模式涉及大量軟件編程工作，平臺的穩定性與可靠性難以保證。而商業通用MDO框架不僅具備成熟穩定的框架結構和功能，而且具備豐富的商業仿真分析軟件集成接口。因此，選擇以商業通用MDO框架為基礎定制開發伺服系統多學科聯合仿真與設計優化平臺(以下簡稱“聯合仿真平臺”)。

目前商業通用MDO框架種類較多。綜合考慮開發成本、兼容性、可擴展性等，選擇SLM平臺作為基本MDO框架基礎。SLM仿真生命周期管理平臺通過對設計和仿真工具的集成，固化產品研制流程和經驗，同時統一管理人員、設計仿真數據、任務及交付物，實現多專業、多部門、多人員協同設計仿真。雖然SLM平臺已具備流程固化、仿真工具集成、多學科多領域協同設計等功能，但還需針對伺服系統，尤其航天伺服的研制特點和任務需求進行特別功能定制開發。

2 系統架構

聯合仿真平臺的系統架構如圖1所示。

圖1 聯合仿真平臺系統架構示意圖Fig.1 Diagram of system architecture of co-simulation framework

聯合仿真平臺以B/S架構為主，實現分布式仿真調度功能；輔以C/S架構，實現模型本地建模與上傳。聯合仿真平臺結構分為四層，分別是表示層、應用層、數據層和資源層。表示層是聯合仿真平臺的支撐框架，提供操作界面；應用層是聯合仿真平臺的核心，通過對設計流程、數據及模型的協調管理為工程研制中單機設計、系統設計提供自動化流程；數據層主要是對設計、仿真、優化等過程中產生的各種數據進行統一存儲與管理，提供數據接口，實現與PDM(Product Data Management)等系統的連接；資源層包括軟件工具庫和硬件資源庫，軟件工具庫是指單機與系統設計過程中涉及的所有軟件工具集合，硬件資源庫包括仿真工作站、磁盤陣列等硬件設施。硬件配置如圖2所示。

圖2 聯合仿真平臺硬件配置示意圖Fig.2 Diagram of hardware configuration of co-simulation framework

聯合仿真平臺將融入仿真與優化的伺服系統設計流程劃分為概念論證、方案設計與詳細設計3個階段。概念論證主要開展需求分析、概念設計與方案論證工作；方案設計主要是根據方案論證結果開展系統初步設計，包括單機初步設計和系統總體設計；詳細設計則是在前一階段初步設計方案基礎上，對系統或單機的非線性環節、系統環境適應性能力等進行進一步改進與完善。

3 應用層開發

應用層是聯合仿真平臺的核心，決定了聯合仿真平臺主要功能的可行性和實用性。設計仿真任務調用流程如圖3所示，任務流程模板是從以現有研制流程為基礎定制開發的符合規范的設計仿真流程模板庫中選取的；而模型是從模型庫中選取的。若模型庫中沒有所需模型，則需首先進行模型上傳操作，即將模型的類型、屬性、輸入輸出參數等信息及模型上傳至模型庫中。此外，仿真開始前需明確模型間數據傳遞關系等。本節將著重對上述幾個環節的實現進行詳細闡述，以說明應用層功能的實現途徑與方法。

圖3 設計仿真任務調用流程圖Fig.3 Diagram of design and simulation task

3.1 設計仿真流程定制

以機電伺服系統為例，將其劃分為電源、控制器、驅動器、電機和傳動機構等5個單機。根據不同任務需求，單機設計方式不盡相同。以某型號研制為例，在方案設計初期，電源、驅動器及傳動機構(滾珠絲杠)的設計主要以選型為主，并利用經驗模型核算關鍵指標；控制算法通常在詳細設計階段才開展具體設計工作；而電機則需根據指標要求進行電磁方案設計，從而確定幾何尺寸等設計參數。此外，電機還需分別進行空載和帶載試驗以確認設計指標的滿足情況。綜上所述，結合現有仿真分析手段，將方案設計階段的設計仿真流程劃分為單機設計仿真、單機性能仿真和系統仿真。

如圖4所示，伺服系統單機設計仿真是針對單機部件開展功能性參數設計等任務時對應的仿真設計流程，在設計仿真流程中，通過仿真分析工具輔助設計師初步確定設計參數，完成單機部件的初步設計方案。如電機設計過程中，根據輸出功率、輸入電壓、控制方式、轉動慣量及空間尺寸等指標，利用電機電磁仿真分析工具獲取電機電磁方案及其初步幾何尺寸。

圖4 方案設計階段設計流程示意圖Fig.4 Process of scheme design stage

伺服系統單機性能仿真是指利用單機部件的功能參數建立仿真模型開展性能仿真分析，當仿真模型足夠準確時，單機部件性能仿真可替代部分性能驗證試驗，即具備了虛擬試驗能力。其中需注意設計參數與仿真參數的區別與轉化。如電機空載虛擬試驗中，電機仿真模型參數包括定子相電阻、dq軸電感、力矩系數、轉動慣量、極對數、摩擦系數等仿真參數，這些參數并非電機設計參數。

伺服系統仿真是對機電伺服系統設計方案的綜合仿真驗證，對應實物系統的控制特性測試試驗。伺服系統仿真中的模型參數主要由單機部件性能仿真參數構成，當模型足夠準確時，系統控制特性仿真可指導系統總體設計。

結合各單機的設計方式，在流程模板庫中分別對各單機與系統建立單機設計仿真流程模板、單機性能仿真流程模板和系統仿真流程模板，如圖5所示。

圖5 聯合仿真平臺中仿真流程模板庫Fig.5 The simulation process template base in co-simulation framework

流程模板的作用是規范設計仿真流程，因此流程模板在定制時應確定該流程中數據的傳遞關系。以系統暫態特性仿真為例，其設計結構矩陣如圖6所示，因此該仿真流程模板中應明確所含8個單機部件模型的名稱和格式、每個模型的輸入輸出參數名稱、各輸入參數的來源模型及參數值、各輸出參數的去向模型及參數接口等。

圖6 系統暫態特性仿真模型設計結構矩陣Fig.6 Design structure matrix of system step simulation model

3.2 模型與數據管理

為保證設計仿真結果的有效性與準確性，需對設計仿真模型和設計仿真數據進行統一管理。根據航天伺服系統在方案設計階段的任務需求，仿真模型多以一維數學模型為主，但對于電機需使用電磁模型，對于殼體類結構設計需使用三維幾何模型。故聯合仿真平臺需定制開發針對一維數學模型、電磁模型、三維幾何模型的集成接口。雖然設計仿真模型的建模工具有很多種，但從模型成熟度考慮，可將設計仿真模型庫劃分為開發庫、受控庫和產品庫3個類別，如圖7所示。其中，開發庫中的模型成熟度最低，屬于驗證校核階段的模型；受控庫中的模型成熟度中等，其基本功能模塊已固定，允許修改部分參數值以匹配不同型號項目的仿真需求或同一型號中不同工況的仿真需求，并進行版本控制；產品庫中的模型具有最高成熟度，其中的任何模塊和參數值都不允許更改，每個模型都與一套參數值相匹配，與某個具體型號任務相關聯。因此，在將模型與設計仿真流程相關聯時，需結合當前設計仿真任務的需求，選取不同成熟度的模型。

圖7 聯合仿真平臺中的模型庫Fig.7 The model base in co-simulation framework

仿真數據包括仿真初始參數數據、仿真過程參數數據、仿真結果數據等，所有數據都基于某次仿真任務產生。在實現設計仿真流程調度功能時，需著重考慮仿真初始參數數據的傳遞方式和仿真結果數據的管理。

為提升設計流程中初始參數信息變更的靈活性，在聯合仿真平臺中引入參數表，即在定制開發時為每個設計仿真流程配置統一格式的參數表，表中按協議約定填寫初始參數相關信息。在應用時，調用該設計仿真流程時，將同時讀取相應參數表中數據，并將數據按一定格式展示在設計仿真任務創建界面上，當后續流程模板中某個模型增加了新的初始參數，則無需更改流程模板，而只要修改參數表即可，參數表格式如圖8所示。

圖8 仿真流程參數表Fig.8 Variable table of simulation process

對于設計仿真流程中產生的仿真數據，聯合仿真平臺在每次新建任務時將開辟一個數據緩存空間，所有產生的數據都將按一定規則存儲于該空間，當仿真結束時，聯合仿真平臺將會在該緩存空間中按約定讀取需要的結果數據，并以一定形式(如曲線圖、列表等)展示在聯合仿真平臺界面中，方便仿真工程師及時看到仿真結果。此外，為方便調試階段觀察參數的更改對仿真結果的影響，聯合仿真平臺對每次設計仿真流程中進行的參數更改都記錄并存儲于數據庫中。在調試控制算法時這個功能尤為重要。

4 應用實例

以方案設計階段的應用為例。在方案設計任務列表中首先創建設計任務文件夾，以型號項目代碼命名，如圖9所示；然后在右側界面選擇“新建方案”，即在該型號項目下建立了一項設計仿真任務。在彈出的任務創建界面上填寫設計仿真名稱，該名稱應能反映此仿真任務的主要目的，如圖10所示。在該界面上選擇仿真模板和所有相關仿真模型，同時確定仿真任務的密級。對于創建者、創建時間等基本信息則會根據當前登陸用戶名和時間自動填寫。當仿真流程模板與模型選定后，點擊“解析”按鈕，聯合仿真平臺自動讀取與仿真流程模板相關聯的參數表，將參數信息展示在當前界面上，其中的參數值可根據需求進行修改。

圖9 方案設計任務列表Fig.9 The task list of scheme design stage

圖10 仿真任務創建界面Fig.10 The interface of simulation task creation

當界面上的所有信息填寫完整后，點擊“執行”按鈕，聯合仿真平臺將自動調用模型開始仿真。仿真結束后，根據不同仿真任務調用不同數據處理算法對仿真數據進行后處理。對于有曲線生成要求的仿真任務，曲線圖將以縮略圖的形式自動顯示在仿真任務列表的右側，如圖9所示，方便仿真工程師即時打開曲線圖初步評估仿真結果。

聯合仿真平臺也具備簡單的指標比對功能，如對系統暫態特性仿真，當得到的超調量高于給定指標值，任務列表中右側結果展示區將用紅色提示數據超標。此外，對于同一個仿真任務，每次修改的仿真參數值都按一定規則保存，便于參數頻繁調整時查看對應結果。當仿真結果滿足指標要求后，在任務列表中點擊“生成報告”，則對應仿真結果將直接以預定規則生成相應結果報告，便于報告的提交與歸檔。

5 結論

圍繞航天伺服系統設計階段設計流程不統一、模型管理分散、協同設計水平有限等問題，以SLM平臺為基礎框架，針對航天伺服系統中各單機部件與系統的實際設計流程，充分考慮設計仿真過程中數據傳遞方式、模型成熟度要求等任務需求，開發了基于SLM的伺服系統多學科聯合仿真與設計優化平臺。該平臺確保了設計仿真數據和模型的有效管理，設計仿真效率明顯提升，協同設計能力也有了一定程度的提高。

2015年國務院發布《中國制造2025》，其中明確指出：兩化深度融合為主線，智能制造為突破口。隨后提出了智慧院所的概念。中航工業集團信息技術中心首席顧問寧振波認為，智慧院所包含3個要素，即“知識重用、知識推動和知識共享”，其核心集成則包括知識工程與管理和數字化研發與信息化管理的集成[12]。基于SLM的伺服系統多學科聯合仿真與設計優化平臺正是數字化研發與信息化管理集成的一個實例，但仍存在較大差距，主要體現在如下3個方面：

1)建立的需求分析模型與需求分析流程還不完善。這主要是因為目前的設計流程仍未真正的由逆向設計轉變到正向設計。

2)部署范圍仍有較大局限性，導致設計仿真流程的應用范圍只限于個別仿真工程師，未能真正融入型號項目的研制生產中。

3)設計階段的數據未能與生產階段的數據相連通。三維模型不能直接應用于生產制造，設計與生產兩條線，產品狀況無法追溯。

綜上，今后將針對航天伺服系統建立較完善的需求分析流程，將需求分析模型與其他階段模型相關聯，實現基于模型的設計；將聯合仿真平臺與特定PDM系統相連接，實現更廣范圍的部署與應用；同時打通設計與生產的數據通路，實現基于模型的制造，推動航天智能制造的不斷發展。