MWORKS系统建模与仿真：汽车系统设计与验证最新章节_杨世春著

第2章
MWORKS平台介绍

2.1 平台设计理念

当前，新一轮科技革命快速发展，系统建模仿真、基于模型的系统工程（MBSE）、信息物理融合系统（CPS）、数字孪生、数字化工程等新型技术不断涌现，以美国和中国装备数字化工程的发布为标志，装备研制从信息化时代步入数字化时代，并呈现数字化与智能化相融合的新时代特点。一切装备都是信息物理融合系统，由信号、通信、控制、计算等信息域与机械、流体、电气、热等物理域组成，信息物理融合系统建模仿真是装备数字化的核心。MWORKS正是面向数字化与智能化融合推出的新一代、自主可控的科学计算与系统建模仿真平台，全面支持信息物理融合系统的设计、仿真、验证及运维。

MWORKS是行业装备数字化工程支撑平台。MWORKS支持基于模型的需求分析、系统设计、仿真验证、虚拟试验、运行维护及全流程模型管理；通过多领域物理融合、信息与物理融合、系统与专业融合、体系与系统融合、机理与数据融合以及虚实融合，支持数字化交付、全系统仿真验证及全流程模型贯通；MWORKS提供算法、模型、工具箱、App等规范的扩展开发手段，支持专业工具箱以及行业数字化工程平台的扩展开发。

MWORKS是开放、标准、先进的计算仿真云平台。MWORKS基于规范的开放架构提供了包括科学计算环境、系统建模仿真环境以及工具箱的云平台，面向教育、工业和开发者提供了开放、标准、先进的在线计算仿真云环境，支持构建基于国际开放规范的工业知识模型互联平台及开放社区。

MWORKS是全面提供MATLAB/Simulink同类功能并大力创新的新一代科学计算与系统建模仿真平台。通过采用新一代高性能计算语言Julia，提供科学计算环境Syslab，支持基于Julia的集成开发调试并兼容Python、C/C++、M等语言；MWORKS通过采用多领域统一建模语言Modelica，全面自主开发了系统建模仿真环境Sysplorer，支持框图、状态机、物理建模等多种开发范式，并且提供了丰富的数学、AI、图形、信号、通信、控制等工具箱以及机械、电气、流体、热等物理模型库，实现MATLAB/Simulink从基础平台到工具箱的整体功能覆盖与创新发展。

MWORKS平台采用基于模型的方法全面支撑系统研制，通过不同层次、不同类型的仿真实现系统设计的验证。围绕系统研制的方案论证、系统设计验证、测试运维阶段，MWORKS分别提供小回路设计验证闭环、大回路设计验证闭环和数字孪生虚拟闭环等三个设计验证闭环。

基于MBSE三回环的MWORKS产品总图如图2-1所示。

图2-1 基于MBSE三回环的MWORKS产品总图

1.小回路设计验证闭环

在传统研制流程中，70%的设计错误在系统设计阶段被引入。在论证阶段引入小回路设计验证闭环，可以实现系统方案的早期验证，提前暴露系统设计缺陷与错误。

基于模型的系统设计以用户需求为输入，能够快速构建系统初步方案，然后进行计算和多方案比较，得到论证结果，在设计早期就实现多领域系统综合仿真验证，以确保系统架构设计和系统指标分解的合理性。

2.大回路设计验证闭环

在传统研制流程中，80%的问题在实物集成测试阶段被发现。引入大回路设计验证闭环，通过多学科统一建模仿真、联合仿真，可以实现设计方案的数字化验证，利用虚拟试验对实物试验进行补充和拓展。

在系统初步方案基础上开展细化设计，以系统架构为设计约束，各专业开展专业设计、仿真，最后回归到总体，开展多学科联合仿真，验证详细设计方案的有效性与合理性，并开展多学科设计优化，实现设计即正确。

3.数字孪生虚拟闭环

在测试和运维阶段，构建基于Modelica+的数字孪生模型，实现对系统的模拟、监控、评估、预测、优化、控制，对传统的基于实物试验的测试验证与基于测量数据的运行维护进行补充和拓展。

利用系统仿真工具建立产品数字功能样机，通过半物理工具实现与物理产品的同步映射与交互，形成数字孪生虚拟闭环，为产品测试、运维阶段提供虚实融合的研制分析支撑。

2.2 平台构成

MWORKS平台由三大系统级产品及系列扩展工具箱和模型库组成。系统级产品包括：

（1）系统建模仿真环境MWORKS.Sysplorer：提供物理系统建模、编译分析、仿真求解、后处理功能以及丰富的扩展接口，支持用户开展产品多领域物理模型开发、虚拟集成、多层级方案仿真验证、方案分析优化，并进一步为产品数字孪生模型的构建与应用提供关键支撑。

（2）控制策略建模环境MWORKS.Sysblock：提供可视化的控制算法建模、状态机建模、二者图元构成模型的基于浮点的因果仿真功能和嵌入式代码生成功能，支持用户开展控制策略算法设计、电控产品的设计验证、Software Component（SWC）的开发和测试，为国产自主电子控制器产业（尤其以汽车电子行业为主）全面赋能。

（3）科学计算环境MWORKS.Syslab：提供科学计算编程、编译、调试和绘图功能，内置矩阵等数学运算、符号数学、曲线拟合、优化及绘图函数库，支持用户开展科学计算、数据分析、算法设计，并进一步支持信息物理融合系统的计算与仿真。

除以上系统级平台外，MWORKS平台还提供了函数库、模型库和应用工具三类工具箱。

（1）函数库MWORKS.Function：提供基础数学和绘图等基础功能函数，内置曲线拟合、符号数学、优化与全局优化等高质优选函数库，支持用户自行扩展；支持教育、科研、通信、芯片、控制等行业用户开展教学科研、数据分析、算法设计和产品分析。

（2）模型库MWORKS.Library：涵盖传动、液压、电机、热流等多个典型专业，覆盖航天、航空、汽车、能源、船舶等多个重点行业，支持用户自行扩展；提供的基础模型可大幅降低复杂产品模型开发门槛与模型开发人员的学习成本。

（3）应用工具MWORKS App：提供AI与数据科学、信号处理与通信、控制系统、机械多体、代码生成、校核与验证及确认、模型集成与联合仿真、接口等多个类别的工具箱，满足多样化的数字化设计、分析、仿真及优化需求。

2.3 行业应用

MWORKS平台支持复杂装备系统全生命周期研发活动（系统设计、仿真验证、虚拟试验、运行维护等），为大飞机、航空发动机、嫦娥工程、空间站、火星探测、核能系统、船舶动力等重大工程提供了完全自主的系统级数字化设计与仿真平台和技术支撑。

平台的发展根植于中国工业和中国创新，基于普适理论开发且经过了中国航天、航空、车辆等行业中的大批量、大规模、高标准的工业应用验证和考验。下面将根据MWORKS平台在不同行业的应用一一进行介绍。

2.3.1 航天领域——航天器多领域模型开发及综合集成虚拟试验

针对规模庞大的空间站系统，基于Modelica建模语言在MWORKS平台中建立了空间站核心舱、试验舱Ⅰ和试验舱Ⅱ的动力学与控制系统模型，以及能源、环热控、推进、信息、数管、测控和GNC（制导、导航、控制）七个分系统模型，覆盖总体、分系统、关键单机设备，分别对分系统典型工况进行仿真分析，并集成了空间站单舱、两舱一字形、三舱T字形全系统综合模型，对交会对接、转位等场景进行分析验证，实现了空间站系统级、全边界、全工况的分析验证。

航天器多领域模型如图2-2所示。

图2-2 航天器多领域模型

2.3.2 航空领域——飞机环控系统设计仿真与验证

现代飞机均采用环控系统控制舱室的压力、温度、湿度等条件。环控系统的控制要求和动态特性，既要满足最优的系统性能，又要保证飞机全剖面下复杂、极端工况的安全稳定，实现环控系统故障快速定位和排除。

环控系统库组成复杂，包括气源系统、空调系统、防冰除雨系统、舱室加热系统、氧气系统等。以某机型舱室空调系统模型库为例，按实际机理拓扑结构，分为左右机舷两侧，包含压缩机、换热器、压气机、涡轮、风扇、舱室、阀类、管道等多种设备模型，并且分为温度控制回路和压力控制回路两类回路，共有8种温控增压模式，可快速实现飞机全剖面下设备冷却、货舱加热、座舱温度/压力调节等工况的动态模拟，能够满足全剖面下多种环境参数的仿真控制要求。

可利用MWORKS.Sysplorer软件，采用多领域统一建模语言Modelica，以某机型舱室环控系统为对象，构建一套飞机环控系统的功能模型组件库，搭建相应的环控系统模板，并利用参数标定、设计参数插值等手段提高模型仿真精度，通过故障注入方式实现故障模拟，为后续飞机环控系统设计与验证提供有力支撑。

某机型舱室环控系统模型如图2-3所示。