MSC.Software机构控制一体化仿真整体解决方案
一．前言
在传统的产品研发流程中，虽然已经引入了各种工程辅助软件，如三维CAD软件、有限元分析软件、机构动力学分析软件和控制系统分析软件，但彼此之间仍独立作业，缺乏整体协同作业规划。机械工程师与控制工程师虽然共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立一个模型，对机械系统和控制系统进行独立设计和测试，然后进行集成。这样的开发方式，一方面，由于在设计阶段机械工程师与控制工程师缺乏互动，机械系统与控制系统独立设计，因而无法确切的检验所设计的控制律是否有效合理，也无法检验控制品质的高低，如果控制对象如液压系统中作动筒的载荷工况等信息无法完全确切的计算和把握，而只能通过估计的方式得到，自然会影响设计效果；另一方面，由于后期产品测试和验证经常与原始设计不符，一旦出现问题，必须回到各自的模型中重新进行修改机械系统和控制系统，造成巨大的人力、物力浪费。
图1 传统机电系统研发流程
如果能够让机构和控制设计两个单位一开始就共享模型信息，把两边考虑的机构控制问题同时包含在分析程序中，直接建立完整的机电系统，这样，一方面可以使得控制工程师可以获得与实际工况相符的机构运动规律，另一方面可以利用整合的虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和测试。显然，利用机构控制一体化虚拟样机技术对机电系统进行整体设计、调试和试验的方法，同传统的设计方法相比具有明显的优势，可以大大提高设计效率，缩短开发周期，降低产品开发成本，获得优化的机电系统整体性能。
图2 现代整体式研发流程
二．MSC.Software机构控制一体化仿真整体解决方案
1．MSC.ADAMS与MSC.EASY5简介
MSC.ADAMS是目前全世界各行业应用最为广泛的机构动力学与虚拟样机分析软件。MSC.ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。MSC.ADAMS软件的仿真结果可以预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及有限元的输入载荷等。
MSC.ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为各行业用户进行特定类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。MSC.ADAMS软件由基本模块、扩展模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
MSC.EASY5是面向多学科动态系统和控制系统的仿真软件，用于在产品的概念和系统级设计阶段快速地建立完整、可靠的功能虚拟样机。MSC.EASY5提供了独一无二的多学科动态系统仿真和控制系统分析的能力：预定义的多学科系统部件库、与CAE软件的集成、强大的线性和非线性分析工具、控制系统仿真及设计选项、实时代码生成等。MSC.EASY5拥有简单易用的图形化用户界面，基于可执行代码程序进行仿真运算并提供了强大的专业应用库支持。
MSC.EASY5的模型元件既包括基本的数学和控制环节，比如加法器、除法器、积分器和超前－滞后校正装置等等，也包括来自专业应用库的系统级部件，比如阀、作动器、热交换器、齿轮副、离合器、发动机、电机、气体力学、飞行动力学等等。每一个系统级部件都代表一组方程，用以描述一个物理元件（如四通液压阀）或是一个物理现象（如润滑油粘度变化）。此外，用户还可以通过加入FORTRAN或C代码建立用户部件，以定制特殊元件或部件。这样的模型元件结构，使得MSC.EASY5具有良好的适用性，可以满足不同层次的建模和仿真需求，用户完全可以根据需求选择建模方式，即选择通过基本数学和控制环节建模还是通过实际的物理元件建模，建模方式非常灵活。
MSC.EASY5是目前全球元件库（模型库）最为全面的多学科系统和控制仿真软件，是市场上历史最长、最完整的控制系统仿真软件之一，在控制与多学科系统仿真领域处于领先地位。它的任何一个专业库都包含了该专业领域常用物理元件的数学模型，这些物理元件与具体的工程需求完全一致，用户可以根据具体需求选择相应的物理元件。每一库元件对应一段高级语言代码子程序（可以理解为一个函数子程序），使用者仅需在元件的参数菜单中填入实际元件的参数，即可迅速建立该元件的计算模型。这些库元件代码全部由从事该领域工作的专家编写并经历了波音公司及其他软件包用户的实践检验，有很强的工程实用性和易用性。
MSC.EASY5的典型应用领域包括：控制系统、气动系统、热力系统、液压系统、燃料系统、环境控制系统、机械系统、电力驱动系统、多相流系统、发动机、传动系统、飞行器动力学及控制、燃料电池等等。
图3 MSC.EASY5部分元件
2．MSC.Software机构控制一体化仿真整体解决方案
完整的机电控制系统虚拟样机开发和仿真分析可以分为控制系统和执行机构两个部分。其具体的仿真需求包括三个层次：
- 控制策略和控制律的设计，机电控制系统模型构建与分析，液压气动等多学科系统设计和仿真
--此部分主要是设计驱动执行机构的控制系统 - 多体机构动态（动力学和运动学）仿真--此部分主要是设计执行机构
- 包含机构运动和控制系统的完整虚拟样机的一体化仿真，保证其正确的运行和以及较高的可靠性
MSC.EASY5 与MSC.ADAMS可以无缝地结合，实现效果最佳的联合仿真（同时求解＋实时双向数据传递）或者模型调用。借助MSC.EASY5和MSC.ADAMS强大的集成仿真能力，可以实现包含控制系统和机构运动的完整系统的一体化仿真，构建真正的机电控制系统虚拟样机开发平台。
MSC.EASY5控制系统结合MSC.ADAMS机构运动仿真是目前最为成熟的机电系统整体解决方案。利用MSC.EASY5在控制与多学科系统和MSC.ADAMS在多体动力学领域的强大能力和权威地位，发挥各自的优势和特长，可以将机电系统的联合仿真分析能力发挥到极致，这两者的联合应用是MSC公司产品久经时间考验的能力证明。MSC.EASY5同时具备与MSC.ADAMS/Insight的接口，可以进行鲁棒分析、试验设计、"What if"分析和优化设计。
MSC.EASY5作为独特的多学科系统和控制系统仿真软件，主要用来进行气动、液压、电气和控制系统的仿真。MSC.ADAMS作为权威的多体机构动力学和运动学仿真软件，负责系统执行机构运动部分的仿真。MSC.EASY5和MSC.ADAMS可以无缝地结合，实现效果最佳的联合仿真或者模型调用。这种结合，一方面可以真正实现复杂的机、控、电、气动液压一体化系统的完整动态模拟；另一方面，可以实现针对系统不同的部分，使用各自最专业的仿真工具（MSC.EASY5的控制、气动、液压和电气等多学科仿真＋MSC.ADAMS的机构运动仿真）。
图4 MSC.ADAMS与MSC.EASY5各取所长
图5 MSC.ADAMS与MSC.EASY5典型联合应用解决方案
MSC.EASY5与MSC.ADAMS有三种集成仿真方式：
- 联合仿真
－由MSC.EASY5和MSC.ADAMS求解器求解各自的模型
－在设定时间步进行数据通信 - 函数评价模式
－将MSC.ADAMS所建立的多体机械模型导入MSC.EASY5
－MSC.ADAMS模型作为一套ODE方程加入到MSC.EASY5
－MSC.EASY5求解器积分计算所有的模型
－对于控制系统设计，MSC.ADAMS模型可以反复使用，典型用户为控制工程师
图6 函数评价模式集成仿真 - 控制导入模式
－将MSC.EASY5所建立的控制与多学科系统导入MSC.ADAMS
－MSC.EASY5模型作为一套GSE方程加入到MSC.ADAMS（dll动态链接库形式引入）
－MSC.ADAMS求解器积分计算所有的模型
－在MSC.ADAMS中对控制系统性能进行评估，采用此种方式，可以在控制系统预置参数的情况下研究整个模型的性能，典型用户为机械或系统工程师
图7 控制导入模式集成仿真
3．应用例子
（1）复杂工程机械
图8 重型工程机械应用例子
（2）汽车ABS系统
图9 汽车ABS系统应用例子
三．总结
MSC.ADAMS结合MSC.EASY5集成仿真是完整的机构控制一体化仿真分析解决方案。这种结合，一方面可以真正实现复杂的机、控、电、气动液压一体化系统的完整动态模拟；另一方面，可以实现针对系统不同的部分，使用各自最专业的仿真工具，发挥各自的专长，从而极大的扩充了软件的应用范围和能力。利用MSC.ADAMS结合MSC.EASY5的机构控制一体化虚拟样机技术对机电系统进行整体设计、调试和试验的方法，同传统的设计方法相比具有明显的优势，可以大大提高设计效率，缩短开发周期，降低产品开发成本，获得优化的机电系统整体性能。
