多领域统一建模框架下时间域与空间域耦合的复杂机电系统仿真优化方法研究

For the overall performance optimization problems of complex electromechanical system coupled by both multi-domains and time domain and spatial domain, the unified description methods for PDE and DAE, and for optimization model and simulation model are researched based on multi-domain unified modeling theory and Modelica language. A statement modeling method for simulation optimization models with unified description is presented. A optimization solving method is proposed based on the simulation analysis of multi-domain unified model. It realizes the multi-domain modeling, simulation analysis and performance optimization of the complex electromechanical system within a unified framework. It sets a common theoretical basis and provides key enabling technology for the simulation and optimization of complex electromechanical products. This project will expand the system modeling and simulation theory, and effectively promote the progress of multi-discipline design optimization method. This project is very important for enhancing our country's capability and core competitiveness of independent innovation of complex electromechanical products..This project will systematically put forward optimization design theory and method of complex electromechanical system based on the simulation analysis of multi-domain unified model, and build a prototype system further. Finally, some typical products (such as the magneto-rheological brake, multi-function loading vehicle) will be taken for examples to make a verification in system modeling, simulation and optimization.

针对具有多领域耦合和时间域与空间域耦合的复杂机电系统综合性能优化问题，基于多领域统一建模理论及Modelica语言，研究PDE与DAE、优化模型与仿真模型的统一描述方法、基于统一描述的陈述式仿真优化建模方法、以及基于多领域统一模型仿真分析的优化求解方法，在统一的框架内实现复杂机电系统多领域建模、仿真分析和整体性能优化，为复杂机电产品仿真优化设计奠定共性理论基础、提供关键使能技术。本项目的研究丰富和拓展了系统建模与仿真理论，同时将有力地促进多学科设计优化方法的发展；对于提升我国复杂机电产品的自主创新能力和核心竞争力具有重要意义。.本项目将较为系统地建立复杂机电系统基于多领域统一模型仿真分析的优化设计理论和方法，在此基础上构建一个原型系统，并以典型产品（如磁流变制动器、多功能装载机）为例，进行系统建模、仿真与优化验证。

现代复杂机电产品通常具有机、电、液、控、磁等多领域耦合和时间域与空间域耦合的特性，而现有的建模方法和仿真、优化系统却难以解决该类复杂机电系统整体建模和综合性能仿真优化的问题。为此，课题组采用多领域统一建模理论和Modelica语言，重点研究了复杂机电系统基于统一描述的陈述式仿真优化建模方法和基于多领域统一模型仿真分析的优化求解方法。提出了PDE与DAE问题一致的陈述式表示方法和大规模PDE与DAE耦合系统的求解方法，扩展了Modelica语言对空间域PDE问题的统一描述功能，实现了优化模型与仿真模型的统一表示，大大简化了PDAE系统的边界条件处理和求解难度，有利于Modelica直接求解复杂工程系统中多领域耦合、时间域与空间域耦合的复杂问题。为了兼顾采样时间和采样质量，提出了一种启发式拉丁超立方采样方法，该方法不仅具有良好的空间分布均匀性，而且能有效提高响应面模型的精度，同时，采样点越多，越能体现采样时间的优势。为了提高响应面近似模型的效率、精度和鲁棒性，提出了一种基于连续多模态特性探索的自适应Kriging模型构建方法和一种优化迭代权因子的组合代理模型构建方法，研究了复杂机电系统基于响应面的全局优化求解方法，对一些典型产品（如磁流变制动器/减振器、PMSM精密减速器、电涡流缓速器、四旋翼无人飞行器等）在统一的框架内进行了多领域建模、仿真分析和整体性能优化。研究结果表明：基于统一描述的陈述式仿真优化建模方法和基于多领域统一模型仿真分析的优化求解方法，能使建模更加方便、直观，更有利于集成仿真计算与优化寻优过程，更适合于多领域耦合和时间域与空间域耦合的复杂机电系统综合性能优化问题。本项目的研究成果丰富和拓展了系统建模与仿真理论，为复杂机电产品仿真优化设计提供了新的途径和关键使能技术，对促进多学科设计优化方法的发展、提升我国复杂机电产品的设计能力具有重要意义。