虚拟样机建模与仿真方法研究

《虚拟样机建模与仿真方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、虚拟样机建模与仿真方法研究韩祥兰吴慧中张卫（南京理工大学计算机系603教研室，南京210094）摘要：虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型将不同的工程领域的开发模型结合在一起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，由此，对产品建模提出了更高的要求。就是支持1）既能够描述几何等静态信息，又能够描述动态行为信息；2）模型重用；3）模型互操作等。本文详细综述并分析了当前的各种建模模式和建模语言，并从可重用性和互操作性角度，对虚拟样机仿真模型的进行了研究，详细描述了一种基于DEVS的组件化仿真建模方式。基于DEVS模型，采用UML进行系统顶层建模，虚拟样机

2、仿真系统既可自顶向下逐步细化形成，也可至下向上综合构造设计。最后论文对虚拟样机建模的趋势进行了展望。关键词:虚拟样机技术，虚拟样机，产品建模，DEVS，UML，仿真组件1引言当前全球经济环境下，由于竞争的加剧，成功的企业必须能够对市场的变化趋势做出迅速的反映。例如，对新产品的需求可以促进新技术的引进、客户需求的变化，或是商品成本的波动。为了驾驭市场中的这种不平衡现象，企业必须能够快速地、低成本地构思、设计和制造新产品。由于设计过程占去了大部分开发时间，短设计周期就有着无可比拟地竞争优势。设计周期的缩短可以通过虚拟样机技术来实现。虚拟样机使得设计人员通过仿真而不是物理实验在早期就对

3、设计是否满足要求进行了测试。应用虚拟样机技术，不仅设计验证更快设计成本更低，而且设计人员能够迅速地获取对设计决策的反馈。这就保证了最终的设计方案是最好的最全面的。虚拟样机技术是面向复杂系统全生命周期设计的一种基于仿真的设计（SBD,SimulationBasedDesign）途径，为了充分利用虚拟样机的优势，必须精确而容易地创建产品模型。这就对产品建模提出了更高的要求。就是1）产品模型既描述几何、结构等静态信息，又描述动态行为信息；2）模型具有可重用性；3）模型具有互操作性等。产品建模技术，虽然经历了二维几何建模、三维几何建模、特征建模、集成建模和智能建模等阶段，但还主要集中在产

4、品的几何信息描述上，对虚拟样机这类复杂系统，模型类型与种类被大大拓宽了，包含了许多非几何信息，尤其是系统的动态行为信息[1]。这样，虚拟样机模型应该既描述几何、结构配置等静态信息，又描述动态行为信息。如何将几何模型、配置模型与行为模型有效地结合起来，在设计阶段被并行地、协同地创建，共同支持产品从概念设计到详细设计全过程是虚拟样机建模努力的方向。本文主要是从可重用性和互操作性角度，对虚拟样机模型进行了探索，详细描述了一种基于DEVS（DiscreteEventSystemSpecification）的组件化仿真建模方式。基于DEVS模型，采用UML进行系统顶层建模，虚拟样机仿真系统

5、既可自顶向下逐步细化形成，也可至下向上综合构造设计。2建模与仿真方法回顾目前，存在着很多建模方式和商业化的仿真软件包，还有很多学者在进行虚拟样机方面的建模技术研究，这里尽量全面地对它们进行阐述和分析。基于图的建模方式中，键合图应用最为广泛[2－5]。键合图是对动态系统内部的能量转换、存储以及损耗的一种统一的图形化描述。它运用能量守恒定律，并将不同的能量域中的能量变量归纳为势变量和流变量。复杂的系统可以通过运用大量键合图基本元素很容易地描述出来，例如，单端口元素、双端口元素，连接元素以及N端口元素等。键合图建模方法具有域独立及基于能量流的优点，但对于三维机构或连续－离散混合系统运用

6、键合图法比较困难，而且对于初学者而言，键合图拓扑结构与对应的物理系统的拓扑结构差异非常之大，不直观。线性图模型能够直接地反映系统的拓扑结构，也是域独立的，而且很容易对其扩展以满足对三维机构或混合系统的建模[6-7]。目前被欧洲汽车工业界作为建模与仿真支撑语言的VHDL-AMS即是建立在线性图建模的概念之上的[8]。然而，大多数的建模方式不是基于图的，而是基于语言的。表1在领域相关性、支持特征建模、支持几何与行为描述、支持设计与仿真过程以及支持虚拟实体等方面对几种典型的建模语言进行了比较[9]。另外，杨强等人[9]提出了一种虚拟原型建模语言VPML（VirtualPrototype

7、ModelingLanguage），VPML是一种独立于领域与过程的面向机电产品概念设计的虚拟原型描述语言，具有较强的几何和行为建模能力，为多领域系统在概念设计阶段的协同设计、并行设计及联合仿真过程提供一致的模型描述。表一典型建模语言比较语言领域特征几何行为设计仿真虚拟无关建模描述描述支持支持实体VRMLK@KK@KKEXPRESSKKK@K@@VHDL@@@KKK@Ptlang@@@KKK@ModelicaK@@KKK@DymolaK@@KKK@张玲[10]等人提出基于产品定义