GCAir与第三方软件联合仿真实现.docx

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1、GCAir与第三方软件联合仿真实现1摘要现代复杂机械产品，无论是机器人、地面车辆、航空航天飞行器还是海洋船舰，乃至工程机械，均在 向智能化方向开展。智能化的机械系统一般包含电子控制、液压与电气驱动、机械机构等组成局部，由电 子控制系统通过电液驱动执行环节完成作业，这些组成局部集成在一起，使其动力学特性极为复杂。这些 系统由于各自的学科特点不同，其建模和仿真分析所采用的方法也不同，并且具有各自不同的数值求解方 法。要分析智能化机械产品复杂的动力学性能，必须能够将电子控制、液压与电气、机械机构等不同局部 的仿真模型集成到一起，从而分析它们之间的交互作用。所以联合仿真是异构系统集成仿真必需的一步，

2、GCAir基于FMI标准，可以配置导出FMU,此FMU可以被第三方仿真软件导入，通过TCP通讯实现GCAir2案例介绍2.1 GCAir 与 Simulink 联合仿真GCAir通过TCP模块与Simulink在实现数据传送与接收，把GCAir中的正弦波、时间数据 传输到Matlab/Simulink中，并在Simulink中显示，观察GCAir仿真时间与Simulink时间的关 系；同时把Simulink中的常数值传输到GCAir中来，并显示。2.1.1 GCAir中建立仿真模型在GCAir中新建工程，并创立子系统，在创立的子系统中使用TCP模块与Var模块。TCP 模块可以设置传输的通道数

3、及输入输出接口，此处设定两个输出与两个输入接口，如下列图所 不。UserVai 2)Var_lVai_3 Vai_2Vai_4 TCP 1图4.联合仿真测试GCAir仿真模型2.1.2 Simulink中建立测试模型GCAir的准备工作已经做好了，接下来进入到Simulink中建立工程，并搭建联合仿真测试 所需的模型。在Simulink模型库一Simulink_Extras中找至iFMUmport模块，FMUmport是导 入用来GCAir中TCP模块所生成的FMU。图5.Simulink导入FMUSimulink中使用FMUmport模块导入FMU后，并搭建测试所需的模型，如下列图所示。旧旧

4、图6.联合仿真测试中Simulink仿真模型2.1.3 联合仿真测试及结果在Simulink求解器中，选择定步长求解0.01s,如下列图所示。此处需要注意，GCAir与 Simulink联合仿真时，两者的仿真步长一定为正数倍的关系，否那么会联合仿真失败。Configuration Parameters: Test/Configuration (Active)Q SearchSolverData Import/ExportMath and Data Types DiagnosticsHardware ImplementationModel ReferencingSimulation Target

5、 Code Generation Coverage HDL Code GenerationSimulation timeStart time: 0.0Solver selectionType: Fixed-stepStop time: 50 Solver: auto (Automatic solver selection) Solver details、 一 步长为GCAir的步长的整数倍Fixed-step size (fundamental sample time): |o.O1Tasking and sample time optionsPeriodic sample time cons

6、traint: UnconstrainedI | Treat each discrete rate as a separate taskI Allow tasks to execute concurrently on target| _ Automatically handle rate transition for data transferHigher priority value indicates higher task priorityOK 一 ancel | | -elp图7. 设置Simulink求解器步长仿真结果如下列图所示:Yt曲线E2增加区域E删减区域0采样用点播布方式O

7、1列 2列4 Scopel Xfile Tools View Simulation Help图& 联合仿真结果2.2 GCAir与FMPy联合仿真基于FMPy开源库和GCAir导出联合仿真FMU功能，实现在python环境中调用的GCAir仿真平台的功能，并在仿真过程中的实现数据交互。2.2.1 FMPy 介绍FMPy是python语言的扩展库，用来对FMU(Functional Mock-up Units)进行仿真。目前 FMPy支持：1) FMI 1.0 和 FMI2.0 标准2)支持Co-Simulation 和Model Exchange模型求解3)可以在Windows、Linux和m

8、acOS系统下运行4)具备有和用户交互界面5)编译C代码FMU并生成CMake工程以进行调试安装 FMPy1) 使用conda 安装：conda install -c conda -forge fmpy2) 使用pip 安装：python -m pip install fmpycomplete例如工程介绍六自由度模型为GCAir平台自带例如工程，该例如工程通过GCAir系统建模工具，将导弹 各部件的仿真模型进行封装，建立了六自由度导弹的模型库，而后在系统页面中进行了比例 导引控制回路仿真系统集成，然后进行仿真。该工程中包含了能够参数化配置的机动目标、 导引头、六自由度弹体、弹载计算机以及简化的

9、舵机模型。该例如的目标是在不同初始条件 及杀伤半径的情况下，对末段追踪的脱靶量控制效果以及杀伤概率进行分析评估。图9,模型架构图本例如在原工程的基础上，改造Target （机动目标）子系统，使得机动目标的位置、速 度由python环境输入，同时将导弹的位置、速度输出到python环境中，方便用户判断是否命 中。fm.田血GCosimFMU r TCPiggX模块名称 TCPIP地址192 - 168 1 1915本地IP端口号11000采样步数1钮变量名称初始值tarx10000outputRealTypetar_y500outputRealTypetarz10001outputRealTyp

10、etarvx0outputRealTypetar_vy0outputRealTypetarvz0outputRealTypemissilex默认值为0inputRealTypemissile_y默认值为0inputRealType-missilez默认值为0inputRealTypemissilevx默认值为0inputRealTypemissilevy默认值为0inputRealTypemissilevz默认值为0inputRealType确定取消图10. TCP配置如下点击上图右上角的fmu图标将tcp导出成FMU,以便被fmpy调用图1L fmu_slaveRVRV_in1VzTCPJi

11、e xX,、miss 1 -21le_ytar_yr 9Simissyrie_ztar_zmisstar vx上一Ie vxmiss口21/、le_vytar_vy tarvzrmissie_vzriZ 、RxRy RzVxVyVz图12,外部连线设置在仿真的过程中fmpy通过SetReal函数将目标的位置、速度传入到GCAir功能中；同时通过GetReal函数拿到导弹的位置；然后对目标位置和导弹位置做出判断，如果导弹接近目标半径10米以内，表示命中目标，仿真停止。while time stop_time:fmu.setReal(tar_x, tar_y, tar_z, tar_vx, tar

12、_vy, tar_vz, 10000 + np.sin(l 7 120 * time), 500 + np.sin(4.5 * time), 10000 + np.sin(4.5 time),1 / 120 *np.cos(l / 120 * time), 4.5 * np.cos(4.5 * time), 4.5 * np.cos(4.5 * time)fmu.doStep(currentCommunicationPoint = time, communicationStepSize = stepsize)tx, ty, tz, tvx, tvy, tvz = fmu.getReal(tar

13、_x, tar_y, tar_z, tar_vx, tar_vy, tar_vz)mx, my, mz, mvx, mvy, mvz = fmu.getReal(missilex, missile_y, missile_z, missile_vx, missile_vy, missile_vz)input_rows.append(time, tx, ty, tz, tvx, tvy, tvz)outputrows.append(time, mx, my, mz, mvx, mvy, mvz)time = time + step_sizeif (abs(tx - mx) 10 and abs(t

14、y - my) 10 and abs(tz -mz) 10):print (M建命声今麻r)”)break图13.仿真数据交互控制仿真结果如下列图所示：00o10UPJSO-JX1m tc ”10000 5000 -0-qnICM X10152025图14.目标及导弹坐标变化曲线3035IPython 7.25.0 - An enhanced Interactive Python.In 1j: runfile(rC:/Users/GC/Desktop/python fmu_sLave/ 导弹命中目标一图15.导弹命中目标仿真停止3应用场景GCAir导出FMU_slave扩展了 GCAir平台的应用场景：可以方便在Simulink、SimulationX中做控制模型、子系统模型的快速开发，与GCAir进行 联合调试。在机器学习方面：数据驱动与模型驱动必须融合，才能各自发挥其优势，基于数据的可 以开掘潜在的规律，而模型将已有的知识形成控制，两者互补，学习到的新规律可以被融入 到机理模型，而机理模型又能够为学习奠定基础。在GCAir中建立机理模型，通过Python环 境的搭建智能算法，借助FMPy可以与GCAir工程进行实时的数据交互，通过不断的仿真对智 能算法进行训练。