Современная разработка сложных технических изделий представляет собой последовательность взаимосвязанных этапов, начиная с формирования требований и заканчивая испытаниями готовой системы. На каждом этапе используются различные модели, позволяющие постепенно уточнять конструкцию изделия, проверять принятые технические решения и снижать риски дорогостоящих ошибок.
Системное моделирование занимает центральное место в этом процессе, обеспечивая связь между требованиями, архитектурой изделия, инженерными расчетами и разработкой программного обеспечения.
На рисунке показано место системного (1D) моделирования в общей цепочке проектирования изделия.
Рисунок 1 – Связь системного моделирования с этапами проектирования
Формирование требований
Проектирование любого изделия начинается с определения требований.
На этом этапе формируются:
- требования к изделию в целом;
- требования к отдельным системам;
- требования к компонентам;
- требования к системе управления;
- требования к встроенному программному обеспечению.
Эти требования определяют функциональные характеристики будущего изделия и служат основой для дальнейшего проектирования.
Формирование архитектуры изделия
После определения требований разрабатывается архитектура изделия.
На данном этапе создаются:
- архитектура изделия верхнего уровня;
- архитектура логических систем;
- архитектура физических систем.
Параллельно формируются инженерные данные, необходимые для последующих этапов разработки:
- CAD-модели;
- CAE-модели;
- спецификации покупных компонентов;
- архитектура встроенного программного обеспечения;
- ECAD-модели;
- автоматически сгенерированный программный код.
Архитектура определяет состав изделия, взаимодействие его подсистем и распределение функций между компонентами.
Роль системного (1D) моделирования
Системное моделирование применяется практически на всех этапах проектирования и позволяет анализировать поведение изделия еще до создания его детальной конструкции.
На ранних этапах разработки создаются модели поведения изделия в целом. Такие модели позволяют:
- оценить принципиальную работоспособность системы;
- проверить выполнение требований;
- подобрать основные параметры конструкции;
- сравнить различные варианты архитектуры изделия.
После детализации архитектуры создаются модели отдельных подсистем, учитывающие особенности работы механических, гидравлических, пневматических, электрических и других физических систем.
Использование системного моделирования на ранних стадиях позволяет значительно сократить количество дорогостоящих изменений конструкции на последующих этапах разработки.
Ко-симуляция с CAE-моделями
По мере появления детальных трехмерных моделей становится возможным совместное моделирование.
В этом случае детальная CAE-модель одного из компонентов объединяется с 1D-моделью окружающей системы.
Такой подход позволяет:
- учитывать реальные характеристики отдельных компонентов;
- анализировать влияние компонента на работу всей системы;
- уменьшить вычислительные затраты по сравнению с использованием исключительно трехмерных моделей;
- выполнять многовариантные исследования конструкции.
Ко-симуляция особенно эффективна при совместном использовании многотельной динамики, гидравлики, тепловых процессов и конечно-элементного анализа.
Разработка систем управления
После формирования конструкции начинается разработка алгоритмов управления.
На этом этапе используются:
- архитектура программного обеспечения;
- ECAD-модели;
- автоматически сгенерированный программный код.
Системная модель продолжает использоваться как виртуальный объект управления, на котором проверяется корректность работы разрабатываемых алгоритмов.
MiL, SiL и HiL-моделирование
На завершающих этапах проектирования системная модель используется совместно с программным обеспечением и аппаратными средствами управления.
В зависимости от стадии разработки применяются различные виды моделирования:
- MiL (Model-in-the-Loop) — тестирование алгоритмов непосредственно на математической модели;
- SiL (Software-in-the-Loop) — проверка программного обеспечения на виртуальной модели системы;
- HiL (Hardware-in-the-Loop) — испытания реального электронного блока управления с использованием математической модели объекта.
Использование этих технологий позволяет выявить ошибки в алгоритмах управления еще до изготовления опытного образца изделия.
Преимущества использования системного моделирования
Интеграция системного моделирования в процесс разработки обеспечивает ряд существенных преимуществ:
- возможность проверки требований на ранних этапах проектирования;
- быстрое сравнение различных вариантов архитектуры изделия;
- сокращение количества физических прототипов;
- снижение стоимости разработки;
- уменьшение сроков проектирования;
- возможность совместного использования моделей различной степени детализации;
- интеграцию с CAD-, CAE-, ECAD-системами и средствами разработки программного обеспечения;
- поддержку полного жизненного цикла разработки изделия — от формирования требований до испытаний систем управления.
Таким образом, системное моделирование становится связующим звеном между всеми этапами проектирования, обеспечивая непрерывность процесса разработки и позволяя принимать обоснованные инженерные решения на протяжении всего жизненного цикла изделия.