LMS 基于模型的系统工程解决方案 Siemens PLM Softwaresiemens.com/plm/lms

Siemens PLM Software

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LMS 基于模型的系统工程解决方案

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掌握下一代产品和开发流程的复杂性已 成为大多数制造商面临的重大挑战。

目前行业正面临着各类重大挑战，内容 涉及: 高效地创造、开发并制造正确的产 品，确保“产品设计一次成功”。成功的产 品必须具备魅力、环保、智能、与众不 同等特点，同时拥有极好的品牌价值。

既然当前目的是要创造更智能更环保的 产品，那么工程创新也就承担了一项新 任务。仿真和测试工作的内容在重新定 义，以支持新型的系统层次的工程设计 方法。这项重大改变使得机械、电子和 软件能够作为集成的机电一体化系统来 同步进行优化。该方法称为基于模型的 系统工程，简称MBSE。MBSE代表着工 程创新的下一代设计范式，LMS™解决方 案是确保该设计范式得以实现的领先解 决方案。

测试与机电一体化仿真领域的 顶尖合作伙伴

通 过 集 成 I m a g i n e 和 E m m e s k a y 公 司，LMS将多物理系统仿真、被控对 象建模和控制开发的知识和能力有机 地融合在一起。LMS仿真解决方案平 台构建在LMS Imagine.Lab Amesim™

软件、LMS Imagine.Lab™ System Synthesis软件、LMS Imagine.Lab Sysdm软件和LMS Virtual.Lab™软件的基 础上，可在企业范围内成功地实施基于 模型的系统工程设计范式，它们能够极 大地加快从概念设计到详细设计，以至 验证的整个产品设计开发流程。

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对于整车OEM和供应商而言，目前决定 业务成败的最重要因素在于: 行业能否 生产价格实惠而又配有新一代更加省油 的动力系统，更低的排放，但同时保持 驾驶体验、NVH性能、舒适性和安全性 等品牌价值。产品创新越来越依赖于引 入控制系统或机电一体化系统。这意味 着电控单元(ECU)数目会迅速膨胀，并且 需要与底层的机械子系统及系统完美集 成，为用户提供最佳的驾乘体验。

传统的机械工程设计流程无法支持此类 的机电一体化系统优化，确保其质量 和上市时间都能满足要求。于此相反，

必须采用一种能够在整个设计开发过程 中，把机械和控制工程相互耦合的开发 方法，以确保提前对不同车辆架构和详 细设计进行影响分析和验证。更加具体 地说，它要求从原型设计(使用物理硬 件)转变为“基于模型”的工程方法，采用

依靠创新的机电一体化系统设计，

平衡可持续性发展和品牌价值

仿真模型来描述所控制的系统。该工程 方法需要用户具备高保真度模型以实现 控制模型开发(MIL)、控制软件开发(SIL) 以及实际控制器硬件(HIL)验证的目的。

汽车制造行业要求采用前置的虚拟设计 和测试方法，将控制软件和底层物理系 统的精确仿真模型相结合的同时能够根 据功能、性能和安全要求确保一套全面 并且管理得当的测试流程。测试虚拟化 的测试范围得到最大程度的拓宽，打破 了试制测试 - (再)设计的传统模式。

该方法称为基于模型的系统工程，简称 MBSE。

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基于模型的系统工程

通过与行业顶尖OEM的紧密合作，一项支持MBSE开发方式的创新型全方位解 决方案应运而生。该解决方案基于LMS引领市场的多物理仿真应用软件及其工 程协同环境，适用于开发流程的各个阶段，从先期概念分析一直到详细设计和 验证环节。

LMS MBSE方案拥有业界卓越的产品组 合，它提供了:

• 各种经验证、专用于汽车的多物理仿 真库，支持多级复杂程度的多学科设 计优化并兼顾适当的精确性和易用 性。这些多物理子系统和系统模型可 转化为实现实时仿真的受控对象模 型，将控制工程的开发工作前移。

• MBSE协同平台更方便地帮助在整个 公司范围内，一致地实施系统仿真技 术，同时确保公司以前仿真方面的投 资得以继承和积累。

• 面向附属信息建模和协同仿真的系统 综合，为多物理系统模型和相关控制 模型提供架构综合环境，以实施整车 层次的系统工程。

• 多级复杂度且基于3D几何特征的建模 能力，可支持大范围的多属性仿真应 用，包括车身、底盘和动力总成。

此外，LMS工程服务部门有成功执行工 程项目的丰富经验，可以向客户提供以 下帮助:

• 咨询服务让汽车制造商和供应商能够 深入了解与MBSE流程和方法体系有关 的行业最佳实践。它帮助客户结合当 前实践和工具，在全公司范围内规划 和引入该新型开发方法。

• 被控对象建模以及控制系统开发和验 证，特别着重于技术转让、开发流程 改进、系统实施技术支持和工作中的 培训。

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LMS Imagine.Lab Amesim多物理系统建 模平台

作 为 多 物 理 系 统 建 模 的 L M S 仿 真 平 台，LMS Amesim基于统一的集成平台，

提供了丰富的机、电、流体和热专业库，

这些库中包含了专用模型以对各类车辆子 系统进行仿真，如:

• HVAC系统

• 发动机和电池冷却系统

• 润滑系统

• 能量回收系统

• 变速器系统(MT、DCT、CVT和AT)

• 内燃机系统，包括配气机构、燃油喷射 系统、气路以及曲轴系统

• 底盘、制动和ESP系统

• 电气/附件系统和电池

这些仿真模型的复杂程度可由浅入深，

从 简 单 的 数 表 模 型 ， 到 完 全 的 详 细 物 理学模型。它们非常适合快速高效的计 算，能够分析包括暖机循环、启/停等实 际驾驶场景的瞬态特性。LMS Imagine.

Lab模型经优化后可提供与离线仿真相对 应的实时运行能力。LMS Amesim提供:

独特的系统建模平台

• 丰富的、经验证的元件模型库，这些模 型的应用领域非常广泛，并且可满足不 同级别详情程度的建模要求

• 广受好评的直观用户界面，方便的建模 流程，能够快速高效地构建模型

• 快速、稳定且精确的数值求解器，使用 户能够高效地利用开发的模型实现各类 分析和仿真，包括用于支持XIL测试的 实时模型

• 与LMS Virtual.Lab等3D建模环境进行 共仿真，并可与CFD软件相连接

• 可与最先进的HiL环境集成

• 与Matlab/Simulink®控制开发工具之间 的接口

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LMS Imagine.Lab Sysdm 卓越的资源库 - 开放的环境

整车能量管理

动力总成和 电池集成 驾驶性能

主动安全性

LMS Imagine.Lab System Synthesis

燃油经济性 及续航里程

热舒适性 LMS Imagine.Lab Amesim

LMS Imagine.Lab Sysdm协同工程 部件和系统层次的模型，包括用于标定 或使用说明等的所有相关数据都在LMS Sysdm的中央数据库系统中得以管理。该 数据库对必要的模型和数据按面向工程流 程的方式加以组织，用户可通过结构化搜 索、查询和 访问来获取必要的建模信息。

LMS Sysdm能够针对生命周期管理进行版 本控制，并且提供根据设计阶段和所要求 的精度进行变型的系统模型管理。它包含 基于角色的访问控制，让分属不同部门的 系统模型开发人员、系统工程师和项目经 理团队能够以结构化方式进行协同工作。

数据和模型管理不但是确保更新和共享的 基础，同时也是机械部门和控制部门之间 的结构化协同工作的基础。它提高了仿真 数据的质量和可追溯性、增加了仿真的生 产力、加快了分布式决策并确保了公司IP 安全。LMS Sysdm解决方案补充了产品生 命管理在企业的应用，可以和企业的产品 生命周期管理系统进行集成。

LMS Imagine.Lab System Synthesis系 统架构设计

LMS System Synthesis提供了用于对架构 系统配置的附属信息建模功能:

• 集成多物理学系统模型和相关控制模型

• 实现典型使用工况下系统层次的性能相 对于功能需求的评估

• 明确车辆子系统之间的相关性

System Synthesis的这些功能有助于用户 平衡各个车辆系统的性能需求，进而实现 对整体车辆性能的仿真和优化。

系统有助集成工程师创建逻辑系统的视 图，并根据各种架构配置来配置和集成系 统模型。可配置的数据处理和仿真结果可 视化功能促进有效分析和运用，从而为设 计决策提供支持。

LMS System Synthesis在LMS Amesim之 后集成Matlab/Simulink模型。它同时支持 多物理系统建模的Modelica标准，通过共 仿真技术可以集成来自不同仿真工具的系 统模型。它还提供了定制化的功能来集 成原有的仿真应用。

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声学 NVH

安全性

使用统一的、可变模型精度的模型

动力总成系统动力学

耐久性

LMS Virtual.Lab LMS Virtual.Lab功能性能仿真

LMS Virtual.Lab提供的集成的3D仿真软 件包可仿真并优化机械系统的性能。它 涵盖了执行端到端设计评估时涉及的所 有流程步骤和必要技术。

LMS Virtual.Lab连接至CAD环境，提 供 多 属 性 结 构 分 析 和 装 配 的 功 能 ， 并支持行业标准的有限元求解器，如 Nastran、LS-Dyna、Radioss和Abaqus。

该平台可促进端到端NVH、声学、耐 久性和安全性分析以及结果解析。LMS 3D仿真功能包括针对多种汽车和地面 车辆系统和子系统的系统运动学和动力 学的多体和柔性体仿真，支持底盘、发 动机、传动和机械装置应用；这些仿真 可与LMS Imagine.Lab功能和Matlab/

Simulink控制模型耦合。

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基于我们在车辆行业的多学科和多属性方面 的专业知识，遍及全球的LMS工程服务团队 专门定位于和客户分享我们在MBSE方面的 专业能力，包括基于LMS Imagine.Lab的被 控对象建模和控制工程。

运用包括机、电、流体、热、控制等横跨多 物理领域的经验和领先技术，我们可以完全 承担详细的系统建模、分析和优化工作。

系统工程得益于经验证的建模精度，包括 处理系统瞬态过程的能力。而其重大意义在 于: 将以往延迟到后期阶段的基于物理原型 的优化，转为前置的基于仿真的方法。子系 统工程也始终在整车环境下进行开展。相互 矛盾的系统需求可以在设计的更早期得到发 现并解决，以确保设计方案的收敛。

除了经业界证明的开发流程，LMS解决方案 相对其它各类工程解决方案突出的优点还在 于，它可以确保软件工具模型可以在今后项 目中得以实施。我们负责已交付软件的维护 工作，并在项目运作期间不间断地提供相关 支持和版本更新。我们不但定期组织现场技 术交流，而且营造开放式技术共享文化，包 括共享模型、数据和阶段性报告。这种合作 流程不仅能够保证达成项目目标，而且通过 完整的技术转让帮助建立基于仿真的整车级 的方法体系。

最重要的是，我们坚信: 现场工作的参与 和值得信任的客户关系维系是确保项目成 功的关键。迄今为止，我们不但在属性开 发体系实施(作为车辆开发项目的一部分)方 面有着大量的成功案例，而且在为世界领 先的汽车制造商针对传统车辆和和HEV车 辆的燃油经济性改进方面的工作也建树颇 多。LMS工程服务部门已成功地完成了多 个整车能量管理项目，可在集成新型环保 技术的同时持续提高汽车的驾驶性能等各 项指标。整车能量管理的方法体系可以集 成现有车辆开发流程，并能够将机、电、

热 、 控 制 工 程 结 合 在 同 一 软 件 环 境 中 。

LMS MBSE 工程服务

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LMS MBSE 工程服务

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我们在通过定义和流程帮助用户构建控制 开发所需的可重用且可重配置的架构方面 积累了丰富的经验。LMS MBSE方法有助 于用户并行开发控制软件和底层机械系统 部件，支持即插即用的方式在实现实时仿 真的被控对象模型和为最终的物理硬件 之间进行切换。凭借强大的校核和验证流 程，我们可在MiL、SiL和HiL开发阶段中 采用自动化ECU测试，确保控制算法的功 能和安全性。

利用在控制工程中的丰富经验，我们可支 持客户建立一套最优控制的开发流程，通 过众多ECU软件备选方案来平衡不同的车 辆属性。

我们现已开发出经优化、可定制并结合相 关工具的工作流程，可将原有ECU的C代 码逆向至控制模型以遵循MBSE的范式的 转型。最终形成的Matlab/Simulink®模型 可确保等同于原始C代码，并能满足用户 对可读性和自动代码生成的更高需求。利 用这些流程和工具，我们为执行代码移植 提供不同程度的服务，确保最终生成ECU 控制单元所需要的产品级代码。

成功案例包括整车以及子系统的控制开 发。我们率先引入了MBSE开发方法应用 于量产的HEV车辆。我们负责可以在HiL环 境中运行的实时被控对象模型建立，并且 支持例如混动车辆整车控制器的自动化校 核和验证。对于零配件供应商，我们还与 客户合作开发固体氧化物燃料电池(SOFC) 的控制策略。凭借强大的校核和验证流 程，LMS能够负责SOFC系统控制策略的发 布确保时间紧张的开发项目的完成。

LMS 在控制工程方面的MBSE服务

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需求 技术参数 实施 系统集成

及测试 标定 车辆

集成 控制策略

高级控制技术 原有代码移植 预标定 动态控制

验证及校核 工作前移

工作前移 工作前移

LMS 在控制工程方面的MBSE服务

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MBSE 解决方案

整车能量管理

LMS解决方案在不断提升汽车驾驶性能、舒适性和性能指标的同时，还富有创意地解决了 集成创新型环保动力系统概念方面的难题。该方法体系支持对HEV、EV和ICE或轻度混合 动力车辆进行概念架构设计的迭代。它可用于在多个开发阶段在整车环境下评估和优化车 辆子系统的性能。通过和现有车辆开发流程的集成，它在一个综合的平台上结合了机械、

热、电气和控制工程。

热管理

LMS解决方案提供的专用工具能够对能量生成和能量消耗的子系统进行建模，技术规格确 定和分析。该解决方案让设计工程师对子系统开展详细建模，如冷却、润滑、HVAC、辅 助加热、制动能量回收和Rankine循环系统。借助该解决方案，可对稳态和瞬态多域运行 工况进行测试，并可优化热管理控制策略以平衡热舒适性和燃油经济性。

内燃机

工程师使用LMS工具可设计全方位的发动机系统，如燃油喷射、空气管理以及燃烧和发动 机控制策略。我们不但向用户提供准确的发动机整机物理模型和部件模型，还传授从控制 需求、实施和到验证阶段的流程知识。这样就能对高级配气机构系统、多点喷射和多级涡 轮增压器等创新技术选择方案进行影响分析。

传动系和变速箱

LMS解决方案可以方便地进行新型传动系以及控制策略方案的仿真分析。该解决方案提供 全面、灵活的开发框架，范围包括从元件设计到系统集成和策略验证，适用于混合动力、

双离合变速器、AMT、AT和CVT等各类变速器系统。该技术提供的多级复杂程度解决方 案，不仅可以分析驾驶性能，而且还可以解决颤振甚至更高频率的传动系统集成和舒适性 方面的问题。

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电池与燃料电池管理

LMS解决方案提供了电池和燃料电池的建模技术，同时融合了电池管理系统开发中的实际 经验。LMS拥有在MIL、SIL和HIL平台上进行电池管理系统测试的经过业界使用证明的专 业技术，能够为控制开发的需求、实施和验证阶段提供支持。

汽车电气系统

LMS汽车电气解决方案为汽车电气网络的设计和优化以及相关控制策略提供各项支持。该 解决方案可用于确定电气网络的技术规格、复核线束的规格、验证优化电能管理的控制策 略，并评估各个元件的瞬态特性及其对整个电气网络的相关影响。

底盘和控制

LMS专用的解决方案可将底盘中的制动、悬架、转向和抗侧倾系统的设计决策工作前移。

通过将它们集成到一个系统模型中，可对底盘的整体控制策略进行仿真和验证。LMS提供 了对执行器和车辆本身进行多层级的建模和仿真的方法，覆盖从功能模型至多体动力学方 法。该解决方案可直接集成MiL、SiL和HiL验证流程。

运动学和控制

LMS解决方案可以用于将启闭系统以及其它运动驱动的系统的设计往前推进，确保系统在 给定的几何设计约束下尽可能平稳运行。该解决方案不仅考虑到集成于系统中的电动或液 压的驱动执行机构的安全和能量因素，还能优化系统性能。对于自动中继等供电系统，电 气和液压设备的用电量可根据常规和特定工况进行评估，安全因素也可在受控条件下进行 检查。

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非公路机械和地面车辆

专用的LMS建模解决方案可用于估算和平衡多项设计需求，如速度、精度、稳定性、驾驶舒适 性、负重以及动力供应，以实现液压或电动驱动。考虑到机械、液压子系统及控制之间的复杂 交联，只有依靠整体系统仿真才能提供有代表性的计算结果。3D基于几何的车辆建模能力，

例如轮式装载机或履带式装载机以及铲车、起重机、滑动转向或叉车，与用于由控制单元驱动 的变速器和动力系统的1D功能仿真互相补充。仿真还囊括了发动机的动力供应和液压回路。

控制策略的校核和验证

由于可以灵活适应各个开发阶段，我们帮助客户将控制需求转换为可跟踪至特定系统需求 的原型控制器。控制器算法可在Matlab/Simulink环境中创建成可执行的模型，然后按照客 户需求进行严格地功能验证，而且确保该可执行模型可以自动生成代码。我们支持可执行 规范的开发，可对控制策略进行工况测试，以保证控制策略和嵌入式软件的质量。

系统和代码移植服务

为帮助将原有C代码逆向成Matlab/Simulink的控制模型，我们开发出了经过优化的，可定 制的代码逆向流程及工具，它们不但可保证逆向后结果的一致性，而且满足用户在可读性 和自动代码生成方面的需求。

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“仅考虑模型识别问题。随着需要开发的发动机变型产品越来越多，越来越 多的发动机模型需要验证。由于发动机模型及衍生品数量急剧攀升，导 致了在模型识别甚至现有模型再识别方面的问题。与LMS工程咨询部门 的合作项目让我们能够将完成模型标识所需的时间缩短5倍，从原先的50 天压缩至短短10天。我们接下来的目标是将该流程的时间压缩到2天。“

Vincent Talon 建模工程师 Renault公司

关于 Siemens PLM Software

西门子数字化工厂集团旗下的Siemens PLM Software是全球 领先的产品生命周期管理(PLM)软件、系统和服务供应商，在 全球拥有77,000多家客户，装机量达到九百万套。总部设在 德克萨斯州布莱诺市的Siemens PLM Software，帮助成千上 万家公司通过优化产品生命周期流程开发卓越的产品，涵盖 规划、开发、直至制造和支持在内的全过程。我们的HD-PLM 愿景，就是让参与产品开发的所有人都能随时随地得到所需 的各种信息，从而作出最佳决策。

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