基于SysML和Modelica的多领域设计和仿真建模集成

摘要

随着计算机技术的成熟，基于模型的系统工程(MBSE)方法在系统设计和仿真建模领域均得到了广泛应用，基于模型的方法具有可重用、无歧义、易理解、易复制传播等诸多优点，因此逐渐替代了传统的基于文本的系统工程方法。随着机电系统功能需求日益复杂，它往往涉及机械、电子、电力、液压、热和控制等诸多领域和学科，使得系统的规模日益庞大，结构和行为日益复杂，多领域系统设计和仿真建模变得越来越重要。系统建模语言(SysML)源于统一建模语言(UML)，它的出现统一了系统工程设计领域使用的建模语言。Modelica语言吸收了诸多面向对象和基于方程的其它单领域仿真语言，成为了仿真领域的多领域统一建模语言。SysML和Modelica的出现，使得复杂机电系统设计中的设计阶段和仿真阶段分别有了可靠的统一表达标准。在机电系统研制过程中，设计指导仿真，仿真反馈设计，设计和仿真相辅相成。因此，如何将设计建模和仿真建模统一起来成为一个重要的课题。
　　本研究基于SysML和Modelica，通过吸收和综合现有的设计和仿真集成方案，提出了一套独特的多领域设计和仿真建模集成的方法。首先介绍和分析了元对象机制(MOF)。接着，本文分别提取SysML和Modelica的元模型，并对两者进行了比较。然后以Modelica元模型为基准，分析和构造了面向SysML和Modelica集成的SysML扩展——M-Design。最后依据扩展的SysML和Modelica元模型，通过抽象模型映射的转换方程，构造了平台无关的设计和仿真模型映射规则。在已有的SysML建模平台上创建了M-Design扩展包，以及基于M-Design和AMESim的SysML-Modelica模型转换工具。在上述工具支持下，本文以储水池系统为例，实现了复杂机电系统的设计和仿真建模集成。