FMU/FMI是用于機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的最新標(biāo)準(zhǔn)與接口，對(duì)于正向設(shè)計(jì)而言，它會(huì)對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大的便利，雖然它最初來源于汽車這樣的復(fù)雜設(shè)計(jì)，但同樣可以被其它領(lǐng)域所采用。

 

一、FMU/FMI背景與基本概念

1.1FMU/FMI背景

在汽車工業(yè)、航空、機(jī)電裝備等領(lǐng)域都會(huì)存在著不同的應(yīng)用、建模系統(tǒng)，用于解決不同的問題，為了仿真整個(gè)系統(tǒng)，往往需要在不同的仿真程序之間進(jìn)行交互，而且系統(tǒng)的集成必須將來自不同供應(yīng)商的仿真環(huán)境協(xié)同工作才能完整的調(diào)試，這產(chǎn)生了模型交互的需求，但卻沒有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，因此為了解決這個(gè)問題，開發(fā)了FMU/FMI。

工具獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)用于支持動(dòng)態(tài)模型的交互以及聯(lián)合仿真，用于解決汽車工業(yè)中模型互操作問題，最初是由歐盟資助的Modelisar項(xiàng)目，由戴姆勒公司承擔(dān)該項(xiàng)目，而第一個(gè)版本是在2010年發(fā)布，改善的版本在2014年發(fā)布，由Modelica協(xié)會(huì)積極的主持開發(fā)。

圖1-支持FMU/FMI的Modelica協(xié)會(huì)會(huì)員分布在歐洲的主要建模軟件企業(yè)

 

1.2FMU/FMI基本概念與功能

1.2.1FMI是什么？

功能打樣接口（FMI）是一個(gè)工具獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，通過XML文件與編譯的C代碼的融合來支持動(dòng)態(tài)模型的交互和聯(lián)合調(diào)試.

圖2-FMI的描述結(jié)構(gòu)

圖所示的就是FMI的XML格式描述文件。

1.2.2FMU

FUM是一個(gè)壓縮文件（*.fmu）包含了XML格式接口數(shù)據(jù)描述和功能（采用C代碼或二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)）；

所謂的FMU就是采用FMI接口而開發(fā)的軟件組件。

 

FMU主要干兩件事情：

 

圖3-模型交互與協(xié)同仿真是FMU/FMI的主要目的

 

（1）FMI用于模型交互

其意圖是建模環(huán)境可以以輸入/輸出模塊形式生成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的C代碼，可以被其他建模和仿真環(huán)境使用。模型（沒有求解器）用微分，代數(shù)和離散方程來描述，包括時(shí)間，狀態(tài)和速度。

（2）FMI用于協(xié)同仿真:

目的是在協(xié)同仿真環(huán)境中將兩個(gè)或更多模型與解算器耦合。子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換僅限于離散通信點(diǎn)。 在兩個(gè)通信點(diǎn)之間的時(shí)間內(nèi)，子系統(tǒng)通過各自的解算器彼此獨(dú)立解決。主算法控制子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和所有從模擬求解器的同步。該接口允許標(biāo)準(zhǔn)以及高級(jí)主算法，例如可變通信步長(zhǎng)的使用，更高階信號(hào)外推和錯(cuò)誤控制。

二、FMU/FMI實(shí)現(xiàn)過程

在2016年貝加萊即投入在FMU/FMI接口的研發(fā)，由于之前在2008年貝加萊即推出MATLAB/Simulink的接口導(dǎo)入，即，貝加萊的Automation Studio作為一個(gè)控制系統(tǒng)的集成開發(fā)平臺(tái)，與建模仿真的MATLAB/Simulink進(jìn)行了接口的開發(fā)，包括MapSim-來自Maple公司的建模仿真軟件，因此，貝加萊可以支持與他們相關(guān)的FMU，如圖，在建模仿真平臺(tái)如MapleSim上生成的FMU就可以被Automation Studio導(dǎo)入。

2.1基于建模仿真軟件的導(dǎo)出FMU

圖4-采用MapSim建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建

 

在其軟件中會(huì)有FMU Component Code Deneration這樣的工具，即可生成FMU模塊

 

圖5-MATLAB/Simulink針對(duì)FMU的過程

對(duì)于MATLAB/Simulink也是同樣如此，其FMI Target for Simulink? Coder?用于實(shí)現(xiàn)FMU的生成，這樣的FMU就可以為Automation Studio所導(dǎo)入。

圖6-實(shí)現(xiàn)FMU/FMI的過程

 

對(duì)于客戶而言，其基于建模仿真軟件所開發(fā)的模型或算法，可以導(dǎo)出FMU的方式形成一個(gè)ZIP文件，包括了XML的描述與代碼文件兩個(gè)部分，然后導(dǎo)入到Automation Studio中。

 

圖7-FMU/FMI對(duì)快速原型的支持

2.2基于3D建模的導(dǎo)出仿真

對(duì)于機(jī)電一體化對(duì)象的開發(fā)而言，如果可以對(duì)機(jī)械的三維模型直接導(dǎo)入到MapleSIM即可實(shí)現(xiàn)便捷的對(duì)象快速建模，并直接仿真其控制工藝，生成FMU在直接到控制器來實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試，這樣就可以節(jié)省整個(gè)測(cè)試驗(yàn)證的過程。

圖8-3D建模到控制器FMU的導(dǎo)出

圖9--MapleSimFMI流程

 

三、FMU/FMI與數(shù)字孿生

 

那么，我們就可以理解Digital Twin是為了解決客戶的問題，而采用的一種解決問題的方法系統(tǒng)，那么，在過去有各種CAD/CAE/CAM/CAPP等軟件，本身就是在完成Digital Twin的事情，而今天面對(duì)數(shù)字時(shí)代，需要更多的軟件的協(xié)同開發(fā)，那么，就會(huì)需要按照數(shù)字時(shí)代而統(tǒng)一命名為“Digital Twin”。

 

圖10-DigitalTwin在智能制造中的角色扮演

Digital Twin就像陽明所說的“知行合一”，“知”可以被理解為虛擬世界，而“行”可以被理解為物理世界，陽明先生說“知之真切篤實(shí)處即為行，行之明覺精察處即為知”，也就是說，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反饋又來優(yōu)化理論，兩者之間為一體，均服務(wù)于“致良知”—你可以理解為這個(gè)良知，即為“本心”—?jiǎng)?chuàng)新的源頭，是為了解決客戶的問題。