复杂机电系统.docx

1、复杂机电系统3.2课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利授权情况复杂机电系统是国民经济和国家安全的重要基础，同时，复杂机电系统的设计和制造时间长、耗资巨大，使用和维护费用高，因此世界各主要工业国家都非常重视发展复杂机电系统的集成开发环境。近年来，对复杂机电系统多学科集成设计优化的研究受到极大重视。3.2.1 国外研究现状在复杂产品先进制造技术与系统的信息化和数字化方面，波音777的成功研制是这一领域发展的里程碑。在波音777新机的研制过程中，采用了并行工程，组成238个协同工作团队，全面应用了无纸、无样机的三维数字化新技术，对全部零部件进行了的三维数字化定义、数字化

2、预装配仿真，取消了主要的实物样机，修正了2500处设计干涉问题，使设计更改和返工率减少了50%以上，装配时出现的问题减少了50%-80%，不仅使具有300万个零部件的777飞机于1994年4月提前一年上天，而且整个工程仅用了五年时间。在研制过程中，有分布在世界多个地点的230个设计/制造小组、8家航空公司及545个分供应商参与。复杂产品先进制造技术与系统涉及众多学科的交叉融合，其发展中有很多新的理论与技术问题有待解决，如复杂产品系统建模与仿真、复杂系统的概念创新、多学科虚拟样机一体化设计、多自主系统的协同设计与仿真、复杂系统的可靠性设计与分析、多学科领域知识的表达与知识库管理、复杂产品的制造过

3、程与工程实现、复杂产品的验证和试验、复杂产品的全生命周期管理以及复杂产品全生命周期支撑环境等，都是亟待研究和探索的前沿领域。近年来，对复杂产品多学科设计优化的研究受到极大重视。美国航空航天学会AIAA和美国航空航天局NASA都成立了专门的多学科设计优化技术（MDO）研究机构。在后来的美国国防部DARPA计划中， 在应用SPM的协同工程中增加了多学科设计优化技术，进一步提高了复杂产品的设计质量。NASA Langley研究中心开展了一系列多学科协同设计优化理论与方法研究，并提出CSSO、CO等MDO方法，应用研究主要集中在高速民用运输机（HSCT）和可重用发射运载器（RLV），显示了MDO具有强

4、大的潜力和应用前景。美国GE公司已采用多学科设计优化技术解决了GE 90 涡轮发动机整机的设计优化方案问题。由于复杂机电系统的设计是难度很大的问题求解过程，其本身就是创新，其中概念设计是决定性的阶段。因此，复杂机电系统创新概念设计的理论与技术的研究日益受到重视。德国是产品设计理论研究的发源地，研究成果具有权威性。70年代欧洲设计研究组织成立，定期组织国际工程设计会议ICED。80年代美国提出设计理论、方法学及技术手段的研究，并推动计算机辅助设计技术的发展。美国NSF建立设计理论及方法学计划办公室，资助研究和组织设计理论（DTM）国际会议。事实已证明每种先进机电系统或技术的背后都有坚实的理论研究

5、做支持。复杂机电系统的建模与仿真技术是复杂机电系统数字化设计、生产和试验中重要的共性基础技术。在解决复杂机电系统模型表示与建模方法方面，已建立了诸如IGES、STEP 、SPM和HLA等建模标准。为解决复杂机电系统开发过程建模，KBSI公司在美国空军的ICAM工程中建立了一系列集成化计算辅助制造定义方法IDEF，分别用于进行系统的功能模型、数据模型、仿真模型和过程模型等的设计。3.2.2 国内研究现状近年来在国家自然学科基金和863计划等国家科学技术研究计划的支持下，我国在复杂机电系统相关领域开展了多方面的探索与研究工作，并得到了较大发展。如国家863计划CIMS主题及总装和国防科工委所支持的

6、多个重大攻关及应用示范项目等。但总的来说，我国在复杂机电系统集成设计与功能仿真的支撑环境、复杂机电系统的建模与仿真、设计、试验及其集成技术等方面的研究和应用与国际先进水平比较有较大的差距（510年），必须采用创新和跨越的方式加速发展。在建模与仿真技术方面，我国已开展了多年的研究。“九五”和“十五”期间，北航和国内多家单位在863CIMS工程和总装国防预研项目“多武器平台仿真示范系统”、“武器装备虚拟样机支撑环境研究”、“武器装备虚拟样机演示系统”等项目中，对基于HLA/RTI、CORBA等网络中间件的分布式高层建模/仿真支撑环境在复杂产品虚拟样机开发、性能评估中进行了研究与应用。现在已经开展基

7、于SBA的复杂产品全生命周期建模仿真研究并对仿真网格技术及其在建模/仿真中的应用进行了深入研究并取得重大进展。与国外比较，国内在研究方向、关键技术攻关等方面与国外相比较差距不大，但在系统集成、研究成果工程化、产品化方面差距很大。在复杂产品多学科设计优化方面，国内北航、国防科大等对飞机、卫星、航空发动机以及火箭发动机的MDO进行了部分探索，但MDO技术还没有系统地研究和发展。国防科技大学以多学科优化集成设计框架软件iSIGHT为核心研究了“飞行器总体多学科设计优化的平台”技术；在国防科工委的大力支持下，北京航空航天大学承担了“型号产品设计多专业综合优化平台”研究项目，开展了理论和技术研究工作。针

8、对复杂产品创新概念设计的理论与技术，我国从80年代开始推动这方面研究并做了大量有益的工作，但在研究的深度、广度以及研究成果的延续性和应用上均存在较大差距。此外，航天二院、北航、清华大学等在复杂产品多学科设计优化支撑平台的研究与开发方面已取得较大进展，但在研究成果工程化、产品化方面还存在相当的差距。3.3课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础3.3.1研究内容1. 1. 复杂机电系统统一模型理论研究从复杂机电系统方法论（SoS）出发，研究设计仿真过程的集成方法论与复杂机电系统的功能、信息、设计流程、多学科建模技术；建立复杂机电系统统一模型；开发动态、智能化、可视化、基于In

9、ternet的建模工具；研究面向机电一体化设计的多学科PDM系统。2. 2. 智能数字化设计的基础理论与方法研究开发面向系统的知识向导设计引擎，构建工程知识库与数据库管理系统；建立机电系统知识设计模版和系统化的知识推演设计算法，实现复杂机电系统的概念设计、详细设计、仿真分析与虚拟试验验证等一体化框架。3. 3. 复杂系统产品建模-数字样机技术研究面向分层递阶系统的多学科设计优化技术，以解决多层次、多学科系统的优化问题；开发系统自动建模平台和仿真算法，构建动态系统专业模型库与实验建模处理算法库。4. 4. 建立支持分布协同设计仿真的数据总线与公共信息处理机制在中间件技术的基础上，采用基于组件的软

10、件设计方法，通过定义标准的组件接口，实现软件零部件的快速装配；通过定义标准化、层次化的网络接口，实现具有不同时间粒度要求、接口信号形式要求的分系统设计环境与运行环境的集成，实现复杂产品多学科协同设计与仿真。5. 5. 建立数字仿真与物理仿真的联合平台研究半实物仿真时间管理和实时网络系统，建立物理仿真与数字仿真之间的接口规范和综合评价方法，特别是针对航空航天复杂机电系统的半实物仿真技术研究，对建模/仿真模型和算法进行验证。6. 6. 复杂机电系统的集成设计与仿真的应用研究针对飞机机载系统（飞控系统、液压系统、前轮操纵系统、刹车系统、环控系统、燃油系统等）和导弹机电系统（舵机系统、飞控系统、推力矢

11、量系统等）进行综合底层设计、并分解到子系统进行详细设计与耦合解析；建立联合仿真平台，实现仿真模型和算法的综合验证。3.3.2 本课题拟解决的技术难点和主要创新点 基于功能、信息流、能量流建立机电系统统一模型，为复杂机电系统的顶层设计奠定基础； 探索有效的满足智能化设计的进化模式与算法，建立实用的复杂机电系统设计和开发的概念设计方法和评价标准； 研究机电系统集成设计与功能仿真系统的支撑环境和功能结构；规范协同设计网络接口标准；建立支持分布协同设计和仿真的数据总线与公共信息处理机制； 对多学科领域知识元素与规则实现有效的管理，构建多学科PDM系统； 复杂机电系统半实物仿真系统的时间管理和综合评价体

12、系； 典型机载机电系统的应用案例与验证。3.3.3 现有研究基础以长江学者、博士生导师焦宗夏教授为学术带头人的本课题组主要研究人员均全面参与了教育部985二期“航空航天复杂产品先进制造系统”平台的开发（平台经费3100万，主任为李伯虎院士）。独立承担了航空航天复杂产品多学科一体化设计与虚拟样机子平台的设计与开发，购置了UG、Pro/E、MSC-EASY5、Adams、DSHplus、Ansys、iSight、Matlab、PDM、ACIS、Ansoft等设计/仿真软件/有限元分析软件，为多学科优化设计、专业设计/仿真奠定了基础。课题组所形成的团队联合申请了国防科工委的“十一五” “复杂产品设计

13、/生产/试验一体化技术”和“飞行品质评估与虚拟试验验证技术”等重大攻关项目，经费总计3000多万。逐渐形成了以下研究方向： 复杂产品综合实现的系统理论与集成技术 复杂产品智能化设计与仿真技术研究 复杂产品生产过程集成及其信息化技术研究 复杂产品试验与验证技术研究 复杂产品综合管理技术研究近5年来，课题组承担了多项主持的与本课题有关的科研项目： 复杂产品设计/制造/实验一体化系统开发，国防科工委基础科研 飞机飞行品质虚拟仿真系统，国防科工委基础科研 导弹发射车起竖调平系统多学科设计与故障诊断， 二炮预研局 嵌入式复杂机电系统控制与并行仿真研究， 教育部 机载机电系统综合管理数字仿真平台系统, 航

14、空609所 多学虚拟样机优化设计技术, 国防重点实验室基金 跨大气层飞行器液压系统空间环境热设计与试验研究, 总装863-706 飞机液压系统仿真软件开发, 航空601所3.4课题预期达到的目标、主要技术指标，可获得专利等知识产权及人才培养情况3.4.1 预期目标 形成复杂机电系统统一建模理论与方法； 开发出机电系统的计算机辅助集成设计与仿真分析软件平台系统； 突破复杂机电系统的集成创新设计方法、系统的分解途径和综合过程、复杂系统的耦合与解耦思路、多学科协同仿真核心算法、不同专业知识的表达与综合知识库管理、面向知识工程的复杂机电系统的分解与集成的推演过程等关键技术3.4.2 主要经济技术指标

15、具有复杂产品正向设计与跨领域全过程的数据管理功能；面向结构数据、仿真数据、试验数据的综合PDM 技术与软件； 具有概念创新设计、协同仿真、虚拟试验与半实物仿真验证等功能； 应用于我国未来新型战机和导弹的设计中，不少于两种，五类参数模版。3.4.3 科研成果 获得国家或省部级科技奖励2项； 在国内外核心期刊上发表文章不少于30篇；3.4.4 知识产权申请软件登记和申请发明专利不少于10件；3.4.5 人才培养 建立一支教育部的“制造信息化”创新团队； 培养博士、硕士20名左右。3.5课题拟采取的研究方法，课题技术路线（或实施方案）及其可行性分析（如有协作单位，请说明课题的任务分工）3.5.1 拟

16、采取的研究方法本项目主要采用理论分析、软件开发与实验验证相结合的研究方法。从航空航天复杂机电系统的功能和结构出发，提炼出典型机载/弹载复杂机电系统的多学科模型库、数据库和知识库。运用基于能量流和信息流的创新设计方法，对机载/弹载各功能子系统进行概论设计，通过知识向导和人机交互，在各分系统专业仿真工具的支撑下，完成分系统详细设计和分系统集成。在综合控制平台的统一管理和调度下，实现机载/弹载全系统的协同仿真功能。某复杂机载机电系统集成设计与功能仿真平台的体系结构如图1所示。图1 复杂机电系统集成设计与功能仿真平台体系结构3.5.2 技术路线1）基于功率流的统一建模理论研究物理系统按其能量类型分为机

17、械、液压、气动、电、磁等系统。物理系统包含若干元件，系统在工作过程中，有的元件消耗能量，有的使能量从一种形式转变成另一种形式，有的则仅传递能量。在不同能量范畴的系统中，可按功能将元件分为若干类，将这些元件有机地结合起来，就可描述这些物理系统，这就是基于功率流的统一建模的基本思想。以传递能量为主体是机电系统的特征和共性，因此，以兼顾“势”和“流”两个变量的能量流来描述机电系统，比仅凭借单一的主变量的信息流描述方法符合实际。复杂机电系统结构因素的影响，体现在阻、容、感三类集中参数上。两个变量和三个参量间的内在联系和相互制约的客观规律能完整地反映动力系统的物理本质，并有明确的数学模型描述。借助它们就

18、能建立整个系统的数学模型。机、电、液动力系统间的相似原理就是建立在两个变量和三个参量分别对应相似的基础上，三种系统的各参量都有等效替换规律。这就提供了机电液一体化系统建模的统一理论基础，并为机电系统通用统一建模仿真提供了可能。2）智能数字化设计的基础理论与方法研究为全面研究航空航天复杂机电系统的工作性能，将机电系统功能分解成不同的功能子系统。功能是指某一系统具有能量、物料、信息或其它物理量转化的特性，是其输入量和输出量之间的关系。图2对功能的属性进行了定性描述。图2 功能描述图功能分解是将复杂机电系统的总功能分解成容易解决的子功能。对于机载机电系统来说，可以将其分解成飞控、液压、前轮操纵、刹车

19、、燃油子、环境控制等功能子系统。这样一方面可以充分分析分系统对机电系统的功能影响，暴露设计初期阶段出现的缺陷；另一方面可以从整体上对各分系统进行多学科优化，提高机电系统的综合性能。具体实施时，借鉴当前TRIZ理论等概念设计方法，以设计需求和设计约束为系统输入，依据模块化的设计思想，研究基于能量流和信息流的机电系统概念设计模型及设计方案的推理与生成机制；开发基于用户界面组件、知识引擎组件、设计向导组件、设计评估等组件，与约束求解算法、系统集成技术、参数化三维建模技术相结合，抽象出机电系统各分系统主要的核心构件；基于知识库与设计规则，通过信息流和能量流构建机电系统的设计方案，使概念设计过程成为一个

20、智能化的人机协同过程，实现机电系统自动建模与功能仿真分析。3）复杂系统产品建模-数字样机技术研究面向分层递阶系统的多学科设计优化技术，以解决多层次、多学科系统的优化问题。机电系统的概念设计、详细设计及需求设计阶段均面临着设计参数的匹配、多学科耦合与设计优化、系统的整体性能优化等问题。多学科设计优化(MDO)是一种探索多学科之间相互影响，协调不同学科设计之间耦合和可能冲突的综合方法。实施多学科优化方法使机电系统设计从孤立的、串行的过程成为并行的、协同的过程，把产品设计的焦点从单独的部件级转移到系统级整体性能优化，可以显著提高系统设计的效率。图3描述了某典型机电系统的耦合关系。图3 典型复杂机电多

21、学科领域的耦合优化原理针对复杂系统建模和虚拟样机技术，开发自动建模平台和虚拟样机仿真算法，构建复杂系统产品的动态系统专业模型库以虚拟样机实验建模处理算法库。模型库能够提供一种结构化方法，从而有效的存取、集成、管理和控制机电产品的模型，更好的支持异地协同设计。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于虚拟现实技术、建模技术、计算机仿真技术、网络技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)以及计算机支持的协同工作(CSCW)等多种先进技术在制造领域的综合应用。开发复杂机电系统虚拟样机环境，将多个不同运行规律的模型集成起来，通过仿真测试来指导设计人员将设计思路转化为原型， 并

22、通过子系统的优化、集成和仿真测试得到关于机电系统样机的性能描述， 能够提高样机模型开发的消费比、缩短新产品的研制周期。4) 建立支持分布协同设计仿真的数据总线与公共信息处理机制复杂机电系统开发是机械、电子、控制等多学科交叉和协作的系统工程。在复杂机电系统的多学科协作开发过程中，需要解决相关领域设计工具之间的并行问题，进行多领域的协同设计与仿真。复杂机电系统的设计与仿真涉及多学科的知识，多学科领域的设计人员使用不同专业领域的设计与仿真工具在分布式环境下分工合作，设计人员之间的任务之间存在各种依赖关系，为了使设计和仿真任务能够协调进行，需要消除设计过程中的信息“孤岛”，保证设计过程中多学科设计和仿

23、真信息的交换与共享，提高不同领域设计工具之间的互操作性。在机电系统多学科设计与仿真系统中，不同工具的信息模型是专有的，缺乏公共、统一的数据模型；各个工具访问信息的机制也是专有的，缺乏标准的数据接口规范，这成为实现多学科设计和仿真信息交换与共享的最大障碍。为了满足复杂机电系统集成设计与功能仿真的要求，同时保证系统的开放性和可扩展性，建立支持分布协同设计仿真的信息集成采用抽象的信息模型和组件接口。主要进行以下两个方面的研究： 定义统一的机电系统多学科设计与仿真的公共信息模型：公共信息模型描述机电系统多学科设计与仿真中所涉及到的主要对象，提供一种用对象类和属性及它们之间的关系来表示机电系统多学科设计

24、与仿真资源的方法，便于多学科工具间的信息共享和交互。 采用组件机制集成机电系统多学科设计与仿真工具，如图4所示，定义标准的抽象应用组件接口：使用组件技术是分布计算系统设计的趋势，有利于实现上层设计与仿真工具在集成框架中的“即插即用”，统一的应用组件接口能够以一种标准方式和其他的组件（或应用程序）交换信息和访问数据。图4 采用组件的系统集成框架应用示例图5) 数字仿真与物理仿真的集成平台的研究半实物仿真一般是把数学模型实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真系统。而在对此系统进行仿真时，因有实物介入仿真回路，要求仿真是实时进行的，仿真机必须在与真实系统同步的条件下，获取动态的输入信号

25、，并实时地产生动态的输出响应。实时性是进行半实物仿真的前提。而在半实物仿真系统中，接口装置也是系统重要的组成部分，要满足系统的实时性和精确性的要求。集成仿真平台的目的主要是对控制器本身及其元部件进行故障分析，研究控制机理，改进控制算法，探索尝试一种新的仿真理念和仿真方法。在机电系统开发初期，通过半实物仿真集成平台，工程师将系统仿真软件框图与实际控制对象相连，并对控制对象进行多次在线的试验来验证控制系统软、硬件方案的可行性，从而可避免软件仿真中对实际控制对象建模不精确而导致仿真结果不准，同时也实现了控制算法更高效、精确的验证。在控制器设计完成后必须对其进行详细的测试，如果按传统的测试方法，用真实

26、的对象或环境进行测试，无论是人员、设备还是资金都需要较大的投入，而且周期长，不能进行极限条件下的测试，试验的可重复性差，所得测试结果可记录性及可分析性都较差。通过半实物仿真平台，采用真实的控制器，被控对象或者系统运行环境部分采用实际的物体、部分采用实时数字模型来 模拟，进行整个系统的仿真测试，可以任意模拟控制对象运行及故障状态，以便进行实时控制软 件错误排查、系统极限及失效测试，从而得到整个机电系统的完整性能预测与分析。6) 复杂机电系统的集成设计与功能仿真的应用研究复杂机电系统集成设计与功能仿真平台用来为复杂机电系统的设计提供一个友好的设计/仿真/可视化环境。对于复杂飞机机载系统和导弹机电系

27、统，根据系统功能和结构特点，分别将其分解成飞控子系统、液压子系统、前轮操纵子系统、刹车子系统、燃油子系统、环境控制子系统等6大子系统和舵机系统、飞控系统、推力矢量系统等3大子系统。在复杂机电系统知识库和数据库的支撑下，面向分系统创新设计工具完成各分系统的概念设计和详细设计。对应于各分系统，分别采用专业领域仿真工具建立分系统仿真模型，如DSHplus（液压子系统）、Adams（机械动力学子系统）、Matlab（控制子系统）。通过智能装配模块，将各分系统的仿真模型装配成复杂机电系统仿真模型，在中间件CORBA支撑下，实现机电系统的协同仿真功能。复杂机电系统集成设计与功能仿真流程如下图5所示。图5

28、复杂机电系统集成设计与功能仿真分析流程图3.5.3 可行性分析尽管目前国内外均没有可实用的复杂机电系统集成设计与功能仿真一体化平台，但本课题组多年来不仅积累了丰富的工程设计经验，开发了具有自主产权的机电系统多学科协同仿真支撑平台系统软件，承担了多项复杂机电系统多学科优化设计及虚拟样机的研究。本课题组长期以来一直致力于机电系统设计方法学与建模理论方面的研究，近年来更是将机电系统的设计方法学以及系统建模与仿真作为主要的研究方向之一，发表了多篇高水平学术论文，具备开展该课题研究的各项条件。次外，国内外复杂系统协同设计及其仿真方面的大量研究成果可以为本课题的研究工作奠定基础，同航天科工集团第二研究院北

29、京仿真中心长期良好的协作关系也可以保证合课题的实验用验证。结合研究方法、技术路线及实际对象，该研究项目有足够的理论与技术保障，完全可行。3.6课题预期研究成果对相关技术发展的影响和应用转化前景的预测（包括国内外应用或市场现状、潜在用户、市场前景，经济效益和社会作用等）本课题的研究成果对复杂机电系统的设计、优化与功能分析具有重要的理论指导与工程应用意义。开发的机电系统计算机辅助设计软件原型系统将为机电系统的快速开发提供有利工具。建立的复杂机电系统的半实物仿真平台可以实现机电系统的快速设计。所以本课题研究成果的应用会提高企业的产品创新能力和水平，降低产品的开发成本，缩短产品的开发周期，提高产品的质量，增强企业的竞争力。同时自行开发的软件原型系统具有自主的知识产权，有利于进一步进行研究和开发。复杂机电系统集成设计与仿真技术在航空、航天、汽车、船舶等领域具有广泛的应用前景，不但可以完成系统的顶层设计，还具有有效的设计管理功能。该项开发的完成将形成一个有效的通用开发工具，可以快速完成典型复杂机电系统集成设计框架原型。市场应用前景极其广阔。航空一集团601所、611所、609所，014中心，航空二集团603所、602所，航天二院、三院等单位对此有迫切需求。