董政+丁建完

摘要： 針對(duì)Simulink模型重用到更高階的Modelica平臺(tái)上的需求，分析Simulink模型的數(shù)學(xué)本質(zhì)和代碼表達(dá)，以及Modelica對(duì)外部函數(shù)和外部類(lèi)的支持，重用Simulink模型轉(zhuǎn)換生成的S-function目標(biāo)C代碼，實(shí)現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型轉(zhuǎn)換.

關(guān)鍵詞： Simulink； S-function； Modelica； 模型轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

隨著數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來(lái)涌現(xiàn)出許多成熟的建模仿真分析工具，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、控制等領(lǐng)域中，使得對(duì)集機(jī)械、電子、液壓、控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜產(chǎn)品的整體系統(tǒng)進(jìn)行分析成為可能.多年以來(lái)，Simulink以其基本模塊的易用性和通用性，被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)的建模.同時(shí)，為滿(mǎn)足物理系統(tǒng)建模，MATLAB官方和第三方均提供多種擴(kuò)展工具模塊，但是實(shí)際使用時(shí)，擴(kuò)展工具模塊往往難以滿(mǎn)足使用需求.越來(lái)越多的使用者發(fā)現(xiàn)針對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)，Simulink存在著建模難度大并且耗費(fèi)時(shí)間多的問(wèn)題.歐洲學(xué)者針對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模，提出多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言——Modelica語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品整體統(tǒng)一建模分析，并使之成為復(fù)雜系統(tǒng)建模領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn).目前，Modelica語(yǔ)言已有較大的發(fā)展，針對(duì)其開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)更是迅猛增長(zhǎng)，已覆蓋機(jī)械、液壓、氣壓、電控、熱力和電磁等多個(gè)領(lǐng)域，并在歐美汽車(chē)、能源、動(dòng)力、機(jī)電、航空和航天等各行業(yè)獲得成功應(yīng)用.[1]

雖然Modelica的應(yīng)用已推進(jìn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模和仿真發(fā)展，但是控制系統(tǒng)工程師依然習(xí)慣利用Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)的建模和仿真，而其他設(shè)計(jì)工程師使用Modelica建立物理系統(tǒng)模型.長(zhǎng)期以來(lái)，大量的知識(shí)已經(jīng)以Simulink模型的方式累積下來(lái)，如果把這些模型用Modelica重寫(xiě)，十分耗費(fèi)時(shí)間和精力.基于Modelica語(yǔ)言在多領(lǐng)域建模和仿真中的廣泛應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，可以考慮將控制系統(tǒng)Simulink模型轉(zhuǎn)換成Modelica模型，使系統(tǒng)模型在統(tǒng)一的Modelica平臺(tái)下進(jìn)行仿真.有學(xué)者提出一種“模塊映射”方案，通過(guò)在Modelica平臺(tái)中建立與Simulink基本模塊對(duì)應(yīng)的模型庫(kù)元件，并按照Simulink模型模塊和連接關(guān)系，用Modelica元件代替Simulink模塊并復(fù)現(xiàn)連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換.[2-3]這種方案依賴(lài)于專(zhuān)門(mén)定制的Modelica模型庫(kù)元件.然而，部分Simulink基本模塊，如積分模塊等，有多種變形模式，要設(shè)計(jì)一種Modelica元件與其對(duì)應(yīng)的難度很大.對(duì)此，本文提出一種基于Simulink模型代碼生成和Modelica外部類(lèi)和函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型轉(zhuǎn)換的新方案.

1 模型轉(zhuǎn)換原理

1.1 Simulink模型描述

Simulink模型中包含時(shí)間

Simulink通常用模塊和連接關(guān)系表達(dá)模型.通過(guò)MATLAB提供的代碼生成工具RTW（Real-Time Workshop）把模型轉(zhuǎn)換成S-Function目標(biāo)C代碼后，Simulink模型中的數(shù)學(xué)描述就變成代碼描述.Simulink模型轉(zhuǎn)換成C代碼后，Simulink模型原有的所有變量信息都保存在SimStruct實(shí)例中，SimStruct是S-Function目標(biāo)C代碼中定義的類(lèi)，代碼中還定義用于對(duì)SimStruct操作的接口函數(shù).

Simulink求解器通過(guò)對(duì)接口函數(shù)的調(diào)用，對(duì)用C代碼描述的Simulink模型進(jìn)行仿真，仿真流程見(jiàn)圖1，仿真主要包含初始化和循環(huán)求解2個(gè)階段.

初始化階段由mdlInitializeSizes，mdlStart和mdlInitializeSampleTimes函數(shù)實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)間、狀態(tài)向

量、輸入向量的初始化.在循環(huán)求解階段中，

modelOutputs函數(shù)用C代碼的方式描述關(guān)系式

1.4 Modelica外部類(lèi)

類(lèi)是Modelica語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)元素，是構(gòu)成Modelica模型的基本單元，類(lèi)可以包含3種類(lèi)型：變量、方程和成員類(lèi).變量表示類(lèi)的屬性，通常代表某個(gè)物理量；方程指定類(lèi)的行為，表達(dá)變量之間的數(shù)值約束關(guān)系.[1]通常，類(lèi)定義在Modelica內(nèi)部，類(lèi)的變量、方程和成員類(lèi)均以Modelica語(yǔ)言描述，對(duì)內(nèi)是可見(jiàn)的.

Modelica同時(shí)支持外部類(lèi).外部類(lèi)一般由C語(yǔ)言定義，對(duì)于Modelica相當(dāng)于一個(gè)“黑箱”，只暴露其操作的接口，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全封閉.外部函數(shù)協(xié)作完成某一任務(wù)時(shí)，這些外部函數(shù)之間需要傳遞一些信息的內(nèi)部存儲(chǔ)，外部類(lèi)的實(shí)例就可以表示這種內(nèi)部存儲(chǔ).在Modelica語(yǔ)言中，外部類(lèi)同樣以class作為關(guān)鍵字，但加上extends ExternalObject關(guān)鍵字修飾，表明從ExternalObject派生，并且僅有3個(gè)函數(shù)constructor和destructor，分別用于構(gòu)造和銷(xiāo)毀外部實(shí)例.外部類(lèi)實(shí)例通常為一個(gè)指向某類(lèi)實(shí)例的指針，見(jiàn)圖3.定義SimStructPrt外部類(lèi)并且定義類(lèi)構(gòu)造函數(shù).構(gòu)造函數(shù)由外部函數(shù)實(shí)現(xiàn)，SimStructPrt實(shí)例即為指向SimStruct實(shí)例的指針.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)S-function目標(biāo)C代碼分析和對(duì)

Modelica外部類(lèi)及外部函數(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)Simulink模型到Modelica模型的轉(zhuǎn)換，使得Simulink模型可以在Modelica平臺(tái)下進(jìn)行仿真.模型轉(zhuǎn)換重用Simulink模型，可以將多年來(lái)累積在Simulink模型中的知識(shí)重用到更高階的Modelica平臺(tái)上，提高工作效率.由于無(wú)須依賴(lài)定制的模型庫(kù)，實(shí)施起來(lái)方便高效，并且由Simulink自帶的代碼生成工具生成C代碼，代碼穩(wěn)定可靠，魯棒性高.

參考文獻(xiàn)：

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