基于FMI的飛行器分系統多源異構模型一體化仿真

陸冠華，郝明瑞，胡 松，水尊師

(復雜系統控制與智能協同技術重點實驗室，北京 100074)

0 引言

在飛行器設計過程中，控制專業依賴于設計經驗與大量的仿真試驗來優化控制系統設計。系統仿真通常分為全物理仿真、半物理仿真和計算機數學仿真，具體取決于所使用的模型。而在飛行器研制和控制系統設計初期，使用實物仿真和半實物仿真的效費比極低。因此，飛行器的控制設計過程非常依賴于計算機模擬。各研究機構對研究技術的投入逐年增加，希望獲得更加高效便捷的模擬方法。

飛行器是復雜交聯的大系統，其飛行仿真系統建模涉及大氣專業、氣動專業、發動機專業、舵系統專業[1]、雷達專業、慣導專業[2]、計算機專業等分系統專業。目前，飛行器系統的仿真設計主要基于獨立建模和獨立驗證。這些模型的生成工具和構造形式均不同，稱為多源異構模型。在模型設計驗證過程期間，使用物理對象開始協同仿真到半物理仿真階段。在此之前的大部分時間，控制專業的設計工作無法考慮多專業因素，只能在同一軟件環境(一般為 C/ C++編譯軟件)下，基于各分系統專業提供的信息構造簡化模型進行飛行仿真。其模型準確度低，動態特性與實物相去甚遠，加上仿真程序中飛行器和環境模型的內部耦合性非常高，控制專業自仿真設計的最優控制律不適合實際系統，仿真結果與實驗數據有很大差異。不得不在使用時間資源緊張的半實物仿真中，消耗大量精力對控制律進行修改，增加了科研人員的工作負擔。因此，需要一種多學科的聯合仿真方法，結合理論建模技術和仿真分析技術，以及各種專業設計方法，分階段實施多專業聯合設計仿真分析，從而有效地提高飛行器系統的控制設計效率，縮短產品的迭代周期。

多域系統建模和協同仿真是為了實現復雜系統的協同仿真而出現的建模和仿真技術，目標是將來自不同學科的模型集成到一個系統中進行系統設計、模擬和分析。為實現這個需求，國際上制定了通用模型接口標準( Functional Mockup Interface，FMI)，每個專業人員使用不同的建模工具設計的仿真模型具有統一的模型描述格式和數據存儲方法。這些多源異構模型可以在相同的軟件模擬環境中進行通信和運行，從而提高了模型的多功能性;同一模型也可用于不同的軟件模擬環境，以提高模型的可重用性。

本文開發了基于FMI接口的C++語言建模與打包技術，以及多源異構模型的集成仿真平臺。在應用層中，使用動態鏈接庫的方法，以模塊的形式直接調用，從而避免了與用戶自開發軟件的耦合。它解決了共享各種專業建模軟件模型的難題，提高了集成仿真平臺的可擴展性，驗證了多源異構模型集成仿真系統，具有較高的工程應用價值[3,4]。

1 FMI接口與模型

1.1 FMI的發展與應用

多源異構模型一體化仿真的需求最早出現于汽車設計與制造領域。由于汽車建模涉及流體、電氣、動力等系統的多源建模，給分布式仿真帶來不便。結合其他工業領域提出的類似問題，歐洲發展信息技術計劃[5-7]提出了Modelisar項目。該項目制定了FMI，對模型描述、數據結構和接口格式都進行了標準化，解決了不同的建模、仿真軟件難以同步聯合仿真的問題，且提升了通信方面的設計效率，進而提升了仿真速度。近年來該標準已廣泛應用于飛行試驗、船舶、能源、電力電子、樓宇自動化、起落架設計等領域[8-16]。2014年該標準升級至 FMI2.0，具有仿真運行期間可變參數功能、增強的初始化行為以及實施環境集成和處理模擬器等，改善了可用性和兼容性。

1.2 FMI標準接口

與FMI對應的模型稱為功能模擬單元(Functional Mock-up Unit,FMU)，包含兩部分：模型描述文件(.XML文件)和模擬器動態鏈接庫文件(.DLL文件)。模型描述文件記錄模型的基本信息，包括名稱、輸入和輸出參數等。仿真平臺根據標準中規定的調用方法為FMU提供求解器。

仿真軟件調用FMU模型仿真模式，如圖2所示。當FMU輸入集成仿真軟件時，軟件首先解析模型的描述文件，讀取模型的屬性信息和模型的輸入輸出信息，并將每個FMU的輸入和輸出關聯起來。仿真進行時，仿真軟件對模型文件執行調度，采用分組方式進行單線程順序或多線程仿真。

1.3 FMI模型描述格式

模型描述文件記錄FMU的基本信息和變量信息。

1.3.1 模型屬性信息

集成仿真平臺通過讀取描述文件掌握FMU的基本信息，內容包含兩部分：必需信息和可選信息。必需信息是模擬平臺調用FMU所需的關鍵信息，不能省略。可選信息一般供仿真軟件使用者完成項目管理相關記錄工作。FMU模型屬性信息如圖3所示。

1.3.2 仿真執行信息描述

該部分描述主要服務于仿真過程，供仿真平臺在開始初始化時對存儲空間的分配、模型運行的起止時間、同步異步運行以及規定步長、輸出導數階數等進行具體設定，為仿真過程順利執行提供重要依據。模型描述信息如圖4所示。

1.4 FMI接口

FMI還規定了模擬控制器的運行方式和調用模塊。控制器代碼包含諸多負責監控仿真過程的功能函數，通過調用這些函數獲得返回值，仿真平臺可以獲取仿真狀態、分析仿真出現的問題以及判斷是否需要介入停止。FMI中仿真函數分為三類：控制器功能、子系統執行功能和子系統狀態功能。其構成如圖5所示。

2 基于FMI的建模仿真設計流程

根據多領域協同仿真集成仿真平臺的要求，提出了仿真設計過程方案。基本上可以分為3個階段：模型建立、模型的FMU封裝、模型的調度關聯。

2.1 模型建立

首先各分系統專業需對輸入輸出接口，包括接口數量、名稱等進行協調與約定，之后由各設計專業根據自身需求，使用各自慣用的建模軟件進行詳細化建模。

2.2 FMU封裝

目前，一些廠商的建模工具支持模型直接導出成FMU，如AMESim、Mworks、SimulationX以及MatlabR2017以后版本等。對于VS2010環境下的C++模型，由于VS2010本身不支持將程序封裝成FMU，故只能根據FMI，編寫預留輸入輸出接口的C++程序，編譯生成動態鏈接庫;編寫程序生成相應的XML描述文件，然后使用自研軟件將其打包成FMU。本文開發了相應工具進行封裝，具有如下特點：

1)使用統一的格式結構統一全局接口頭文件中的數據接口；

2)簡化FMI映射，在C++代碼中規定格式函數，包含實例化、初始化、單步運行、重置和釋放函數；

3)使用系統API生成動態鏈接庫，以提高通用性和兼容性；

4)具有模型合規性檢查功能。

2.3 一體化仿真平臺與FMU的調度鏈接

GCAir仿真平臺軟件能夠進行圖形化系統架構設計，數字化定義模型的接口，導出分系統模型模板，提供模型轉換工具鏈，加載來自于不同模型軟件的 FMU，并提供強大而友好的用戶操作接口和功能完備的數據顯示和分析測試工具，從而準確高效地解決多種模型的聯合仿真問題，為模型的可復用性提供支持。本文使用該平臺對各專業提供的FMU模型進行校驗和運行仿真。

仿真平臺加載全部所需的FMU后，可通過解析 XML文件獲取模型輸入輸出信息，采取根據變量名稱的自動關聯和手動關聯兩種輸入輸出關聯方式，并用顏色區分提示用戶已關聯和尚未關聯的變量。

2.4 仿真運行

仿真過程即仿真平臺調用FMU及其信息流的運算過程。FMU實例的模擬執行時間內的所有相關活動可以分為4個部分：實例化、初始化、單步計算和終止。

2.4.1 實例化階段

一個FMU可以被認為是一個仿真模塊的類。仿真平臺根據類具體化出實際運行的模塊，按照模型描述文件和接口關聯關系對接口進行配置，調用狀態監測函數對實例化狀態進行檢查，無報錯后為其分配內存。

2.4.2 初始化階段

實例化完成后，仿真平臺將通過查詢開始時間和結束時間信息來檢驗模型的有效性，并為該模塊的輸出分配內存空間。建立平臺與各仿真模塊核心程序的地址通信，完成仿真準備[17]

2.4.3 仿真階段

仿真循環中，平臺循環調用各模塊進行單步運行。每個模塊使用前一個模擬周期中每個模塊的輸出。在仿真運行期間，仿真平臺調用監控功能來監控計算過程的正常狀態。

2.4.4 終止階段

仿真結束標志被觸發的原因可能是某子系統因程序設定判據觸發仿真結束，或被用戶手動終止，或是仿真控制器檢測到錯誤而終止仿真。此時仿真平臺調用析構實例函數，釋放被聯合仿真模型實例以及變量所占用的內存空間。

3 應用實例與分析

本節以某型無人飛行器的聯合仿真為例，具體介紹了基于FMI的多源異構模型一體化仿真平臺的建設及仿真設計流程。該項目驗證了一體化仿真平臺的可用性，凸顯了其對于構建不同專業仿真模型交互的重要價值。

3.1 模型構建

一般的無人飛行器仿真模型由導引頭、發動機、舵機、綜控機等設備模型，環境傳感器、慣導傳感器等傳感器模型以及環境模型、動力學解算、運動學解算、目標運動模型、彈目運動解算等外部環境模型構成。其信息交互關系如圖7所示。

原先控制專業完全依據其他專業提供的簡化模型，再基于C++語言的平臺進行控制律設計。一體化仿真平臺的出現，使得控制專業可以在初步設計的基礎上，依據各專業詳細建模后的一體化仿真，對比模型差異，及時便捷高效地修正控制系統設計。

3.2 模型封裝

使用C++語言建模的模塊，將在VS2010環境下創建工程編譯，生成DLL文件，編寫.c文件供仿真平臺調用、獲取輸入輸出關系和數據文件調用。最終使用自研程序將程序代碼封裝為FMU模塊。其他建模平臺可進行相應的輸出配置，輸出合規的FMU模塊。

3.3 模型加載

將FMU加載到仿真平臺中，并實例化模塊，關聯各模塊實例的輸入輸出，如圖8所示。

3.4 執行仿真與結果輸出

配置好全部模塊實例的接口關聯后，即可進行實時或超實時仿真。在仿真進行時和結束后，可以在平臺建立結果輸出顯示框，實時或最后查看各模塊輸入或輸出情況。如果需要查看非接口數據，可在配置時將該數據輸出，并將接口懸空即可。

仿真的成功運行，驗證了多源FMU模塊的通用性和一體化仿真的兼容性和擴展性。

4 結論

本文基于FMI，面向飛行器設計領域多學科同源異構模型聯合仿真的問題，對模型封裝和仿真流程設計進行了研究。并結合一體化仿真軟件，在實際項目背景下進行了驗證，為控制專業的設計工作提供了新的平臺，為開展更高效的設計工作提供了新思路和可能性，解決了總體與各分系統研發單位之間模型級交流的困難與障礙。

多源異構模型一體化仿真系統的實現，是構建復雜產品虛擬樣機的重要一步。以此為基礎，可進一步開發和集成已有的計算機技術、制造技術，將平臺向前期產品構想規劃和后期產品性能多角度評估2個方向進行擴展，繼續在以下方面進行研究開發：

1)研究可用于產品全生命周期、支持異地協同開發的，具有完備的信息描述、標準化規范化產品定義的虛擬樣機支撐平臺。

2)開發產品全方位測試、分析與評估功能。支持不同專業人員從各自特有角度對產品進行測試、分析和評估。