基于SysML的多域复杂机电产品系统层建模与仿真集成研究

摘要

随着机电系统复杂性的日益增加，系统层设计已成为复杂机电系统开发过程中不可缺少的环节。基于模型的系统工程(MBSE)及其标准建模语言SysML为系统层设计提供了一定的支持。然而，由于复杂机电系统自身的特点，使得SysML这一通用建模语言无法直接应用于其系统建模中。本文从复杂机电系统设计的需求出发，为其系统层建模与仿真提供了一套较完整的解决思路。
　　 本文首先分析了复杂机电系统建模的需求，即混合行为建模、多领域建模以及模型的自动验证。讨论了当前基于SysML的建模方法存在的不足，并提出本文的研究思路。
　　 在建模方面，复杂机电系统的行为包含时间连续行为、基于事件的离散行为以及混合行为三种类型，并且涉及控制、机械等多领域子系统的互连。本文针对复杂机电系统多领域、多行为的特点，对SysML语言进行扩展，提出了统一行为建模语言UBML。该语言提出有序参数图(SPD)并基于混合状态机理论为混合行为建模提供支持；在此基础上，分别基于IEC61499标准以及动力学理论对控制子系统和广义机械子系统的行为提供了具体的建模支持。基于该语言，建立了层次化、多视图的统一行为模型。
　　 由于系统设计模型的复杂性，很难基于静态的模型验证设计的正确性。为支持设计模型的动态验证，本文采用基于Triple Graph Grammar(TGG)的模型转换方法，在UBML与仿真建模语言之间建立了双向转换关系，使基于UBML的行为模型可以自动转换生成仿真模型，为设计模型的自动仿真提供支持。
　　 在上述工作的基础上，本文创建了UBML建模元素包以及UBML-Simulink模型转换工具。在这些工具的支持下，以倒摆系统为例，实现了复杂机电系统建模和仿真过程。

目录

文摘

英文文摘

图目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 基于模型的系统工程(MBSE)

1.2.1 MBSE简介

1.2.2 系统建模语言

1.3 复杂机电系统建模

1.3.1 机电一体化系统简介

1.3.2 复杂机电系统建模的特点

1.4 相关工作及存在的问题

1.4.1 混合行为建模

1.4.2 基于UML/SysML的控制系统建模

1.4.3 基于UML/SysML的物理系统建模

1.4.4 设计与仿真集成

1.5 本文研究目标及主要研究内容

第2章 基于SysML的统一行为建模

2.1 引言

2.2 统一行为建模语言(UBML)概述

2.3 混合行为建模

2.3.1 SPD profile

2.3.2 Hybrid Behavior Modeling profile

2.4 多域统一建模

2.4.1 Control profile

2.4.2 Physical profile

2.4.3 Connection profile

2.5 本章小结

第3章 基于TGG的仿真模型自动生成

3.1 引言

3.2 方法概述

3.2.1 模型转换简介

3.2.2 SysML-Simulink模型转换方法概述

3.3 基于SysML的仿真建模

3.3.1 Simulink简介

3.3.2 仿真补充模型

3.4 Simulink元模型建模

3.4.1 公共元素

3.4.2 Stateflow元模型

3.4.3 Simscape元模型

3.4.4 Simulation元模型

3.5 基于TGG的模型转换

3.5.1 对应图的表示

3.5.2 TGG模式

3.5.3 TGG规则

3.6 本章小结

第4章 方法实现及倒摆系统实例

4.1 引言

4.2 建模及模型转换环境的构建

4.2.1 UBML模型元素的创建

4.2.2 UBML-Simulink模型转换工具的创建

4.3 倒摆系统建模与仿真

4.3.1 倒摆系统简介

4.3.2 基于UBML的倒摆系统建模

4.3.3 基于SysML的仿真建模

4.3.4 模型转换

4.3.5 Simulink仿真模型及仿真结果

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢