（机械电子工程专业论文）芯片粘片机多领域统一建模与仿真分析.pdf

摘要 芯片粘片机是典型的机电一体化装备，它由精密机械结构、电气控制和温控 系统及光电检测部件等组成，充分表现出多前沿学科的高度综合与渗透。随着系 统的日益复杂化，传统的适用于单个工程域问题的建模与仿真工具难以胜任；为 减少建模的工作量和提高仿真质量，有必要对涉及多工程域部件的芯片粘片机进 行高效建模与领域交互仿真研究。 为实现芯片粘片机的高效建模，需要进行系统分解，并建立可重用的部件模 型。本文首先通过对现有建模语言和软件工具的比较分析，选择了面向对象的多 领域统一建模语言m o d e l i c a 作为开发工具；采用模块化建模技术，按照与实际系 统相同的结构层次分解方法，对粘片机进行模块划分。以此为基础，建立的模型 库将具有典型性、独立性、通用性和可连接性的特点，并能在同一个软件平台下 进行仿真验证。 组件库的建立是实现芯片粘片机领域交互仿真的关键。在多领域物理机理分 析的基础上，结合运动学、动力学方法以及电机学、热力学的理论和技术，本文 建立了以下组件模型： 1 ) 通过对焊头机构工作原理及平面四杆机构建模方法的研究，对焊头进行 了结构分解，提出了借助m o d e l i e a 多体库中的元件来建立焊头机构模型的方法。 文末仿真表明，所采用的建模方法直观、高效，适用于其他机械部件模型的建立； 2 ) 在对主要的二相混合式步进电动机数学模型进行叙述的基础上，选择了 较为通用的电路模型，以此推导了电动机的等效电路，建立了电动机本体模型。 同时。开发了二相四拍的电机驱动器模型。系统仿真结果表明所建立的模型正确、 合理； 3 ) 根据电加热炉的特性方程，结合传递函数方框图等效变换原理，建立了 由延肘模块和惯性模块组成的电加热炉模型。炉温控制采用p i d 控制算法，建立 了p i d 控制器模型。经仿真验证，模型准确、可靠。 最后，为验证芯片粘片机多领域统一建模与仿真的可行性，以典型的机电交 互仿真为例，基于所建立的组件库，搭建了电机焊头机构系统模型。仿真结果表 童三垩奎兰三兰要圭兰垡鎏兰 明，领域交互仿真更能反映系统的实际工作状况，得到的仿真结果更准确、可信。 关键词：芯片粘片机；多领域建模与仿真；模块化；m o d e l i c a d y m o l a 本论文获国家基金项目( 5 0 4 7 5 0 4 4 ) 。i c 封装机焊头( b o n d c r ) 部件设计理论与方法研究和广东省自然科 学基金博士启动项目( 0 6 3 0 0 2 7 0 ) “基于多领域统一建模的芯片轱片机数字样机研究资助 a bs t r a c t d i eb o n d e ri sat y p i c a lm e c h a t r o n i c se q u i p m e n t i tc o n s i s t so fe x a c tm e c h a n i c s s t r u c t u r e ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dp h o t o e l e c t r i c i t y d e t e c t i n gc o m p o n e n t s ，e t c ，w h i c hs h o w sh i g hs y n t h e s i sa n dp e r m e a t i o no fa d v a n c e d d i s c i p l i n es u f f i c i e n t l y a st h ec o m p l i c a t i o n o fs y s t e m i n c r e a s i n g l y , t r a d i t i o n a l m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt o o l st h a tu s e dt os o l v es i n g l ed o m a i np r o b l e m sw i l ln o tb e c o m p e t e n ti nt h ef u t u r e i no r d e rt oc u td o w nt h ew o r k l o a da n di m p r o v et h eq u a l i t yo f s i m u l a t i o n ，t h i st h e s i si sm a i n l yc o n c e r n e dw i t ha c h i e v i n ge f f i c i e n tm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no ft h ed i eb o n d e r f o rt h ee f f i c i e n tm o d e l i n g ，d i eb o n d e rs y s t e mm u s tb ed i s a s s e m b l e da n dr e u s a b l e c o m p o n e n tm o d e l sn e e dt ob es e tu p t h r o u g hc o v e r sas u r v e yo fd i f f e r e n tm e t h o d s f o rr e p r e s e n t a t i o no fs i m u l a t i o nm o d e l s ，t h ef i r s tm a i np a r to ft h i st h e s i sc h o o s ea n o b j e c to r i e n t e dm o d e l i n gl a n g u a g em o d e l i c aa sd e v e l o p m e n tt 0 0 1 i nt h i st h e s i s ， a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dt h em e t h o do fm o d u l a rm o d e l i n g ，d i eb o n d e ri sd i v i d e d i n t om o d u l e sb yi t sp h y s i c a ls t r u c t u r e b a s e do nt h a t ，m o d u l el i b r a r yw i l lh a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft y p i f i c a t i o n ，i n d e p e n d e n c e ，c o m m o n a l i t ya n de a s yc o n n e c t i v i t y , a n d m o d e l sc a nb es i m u l a t e di nt h es a m es i m u l a t i o ns y s t e m i no r d e rt oa c h i e v em u t u a ls i m u l a t i o no fd i eb o n d e r , i ti si m p o r t a n tt ob u i l du p t h em o d u l el i b r a r yb a s e do nm o d e l i c a w i t ha n a l y s i so fm u l t i d o m a i np h y s i c a l m e c h a n i s m ，t h ef o l l o w i n gc o m p o n e n tm o d e l sa r ee s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s 1 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fw e l d i n gh e a d sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp l a n e l i n k a g em e c h a n i s m 。sm o d e l i n gm e t h o d ，an e ww a yt os e tu pw e l d i n gh e a dm e c h a n i s m m o d e lb yu s i n gt h ec o m p o n e n t si nm u l t i b o d yl i b r a r yi sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e wm e t h o di si n t u i t i o n i s t i ca n de f f i c i e n tw h i c hc a r lb eu s e dt os e tu p o t h e rm e c h a n i s mm o d e l s 2 b a s e do nt h ed e p i c t i o no ft w op h a s e ss t e pm o t o r 。sm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n e q u i v a l e n tc i r c u i ti se d u c e db yi t sc i r c u i tm o d e l ，t h e nt h es t e pm o t o r m o d e li s s e tu p 奎三些奎兰三兰至圭丝竺兰 a n dam o d e lo fm o t o rd r i v e ri sa l s od e v e l o p e d s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t e pm o t o r s y s t e mi n d i c a t et h a tt h em o d e l sa r ec o r r e c ta n dr e a s o n a b l e 3 b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no fh e a t i n gs t o v ea n de q u i v a l e n tt r a n s f o r m t h e o r y o ft r a n s f e rf u n c t i o n ，t h i st h e s i se s t a b l i s ht h e h e a t i n g s t o v em o d e lb y c o n n e c t i n gat i m e - l a p s em o d u l ea n dai n e r t i a lm o d u l e t e m p e r a t u r eo fs t o v ei s c o n t r o l l e db yp i da r i t h m e t i c ，a n dap i dc o n t r o l l e rm o d e li se s t a b l i s h e d b yv a l i d a t i n g o fs i m u l a t i o n ，m o d e l sa r ec o r r e c ta n dr e l i a b l e i nt h ee n d ，i no r d e rt oc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i d o m a i nm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fd i eb o n d e r , am o t o r w e l d i n gh e a dm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h e m o d u l el i b r a r y s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tm u t u a ls i m u l a t i o nc a nr e f l e c ts y s t e m s w o r k i n gs i t u a t i o nb e t t e r , a n dr e s u l t sa r em o r ea c c u r a t ea n dc r e d i b l e k e y w o r d s ：d i eb o n d e r ；m u l t i d o m a i nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；m o d u l a r ；m o d e l i c a ； d y m o l a t h ed i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f n a t i o n a lf u n d ( p r o j e c tn o ：5 0 4 7 5 0 4 4 ) a n dt h ep r o j e c to f g u a n g d o n g n a t u r a ls c i e n c ef u n d ( p r o j e c tn o ：0 6 3 0 0 2 7 0 ) 奎三兰銮兰三茎堡圭耋堡鎏圣 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：声i ；水毋， 。附 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 论文选题的背景与意义 现代机电系统是多物理过程全局耦合的统体【l 】。随着科技的高速发展，机 电系统日趋复杂与异构，如汽车、机器人、航空航天器等高科技装备，通常是集 机械、电子、液压、控制等多个学科领域功能单元于一体的复杂系统。对于大型 的机电系统，传统的通过实物试验的方法研究周期长、费用高、效率低，已经不 能够满足现代设计的快速性和多样性要求。 经过半个多世纪的发展，建模与仿真技术已成为以相似原理、模型理论、系 统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统与应 用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研 究、分析、试验与运行的一门综合性技术学科。建模仿真技术应用的领域不再局 限于某些尖端学科技术研究领域，而成为一项被众多学科领域广泛采用的通用性 技术，对人类社会发展进步具有重要影响【2 1 。多领域建模与仿真( m u l t i d o m a i n m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n m m s ) 是面向复杂机电产品创新设计，集中解决复杂 机电产品系统级的综合性能分析与设计优化的关键技术之一。作为建模与仿真技 术的最新前沿，m m s 正在逐渐成为航空航天、车辆、船舶、工程机械等行业必不 可少的产品开发手段。 芯片粘片机( d i eb o n d e r ) 是典型的机电一体化装备，它由精密机械结构、 电气控制和图像识别及光电检测部件等组成，包括感知和控制外界信息的传感器 ( 如：位置、速度、力、光、磁、热，气等) 和执行器，充分表现出多前沿学科的 高度综合与渗透【3 】。随着性能要求的提高，其中的领域交互以及领域耦合已经成 为影响芯片粘片机动态性能提升的关键问题之一，而多领域建模与仿真技术的最 新进展为该问题的解决提供了一个新的可行手段。 本课题研究的目的就是采用多领域建模与仿真技术，实现粘片机系统的统一 建模与仿真。通过采用理论分析、数值模拟和试验验证相互结合，基于模块化建 奎三些奎兰三兰堡圭兰垒篁兰 模方法，运用新型的多领域统一建模语言m o d e l i c a d y m o l a 开发涉及不同工程域 的粘片机部件模型库，并进行相关的仿真分析。研究成果将有助于开展芯片粘片 机的多领域仿真及综合性能分析研究，并为微电子封装装备设计提供必要的理论 基础和切实可行的性能改进手段。 1 2 芯片粘片机的应用与研究概况 1 2 1 芯片粘片机的应用及发展趋势 随着半导体技术进入亚微米、深亚微米并向纳米级挺进，i c 产品的应用以惊 人的速度增长【4 1 。据i ci n s i g h t 的麦克林2 0 0 6 年度报告报导，2 0 0 5 年全球i c 产 业的平均增长率为8 。而中国i c 销售额增长了3 2 ，达到4 0 8 亿美元，首次成 为全球最大的地区i c 市场，3 2 的增长大大高于全球的平均增长率p 】。全球i c 产业的强劲增长，既为i c 封装设备制造业带来巨大的发展机遇，同时也对i c 封 装技术以及i c 封装设备提出了更高的要求。 芯片粘片机是实现i c 封装的关键设备之一。目前，国外已经出现了很多粘 片机设计制造厂商，国内也开发了一些不同档次的粘片机，有些已应用到企业实 际生产中。但总体来说，我国自主生产的芯片粘片机无论是速度还是精度都与国 外同类产品有着较大的差距，特别是高速全自动粘片机在我国还是空白，先进的 芯片粘片机基本上被国外大公司所垄断，如美国的k & s 、瑞士的e s e c 、日本的 t o s o k ，n e c 、韩国的t s m 等。 当前，芯片粘片机可达到的有关技术参数是：定位精度( 5 1 0 ) “m ，频带宽度 3 0 0 h z ，加速度6 - 1 0 9 ，焊头往返速度达到1 5 0 0 0 次小时；预计下一代i c 封装设 备可达到的有关技术参数是：定位精度( 2 5 ) i im ，频带宽度4 0 0 h z ，加速度1 5 9 ， 焊头往返速度达3 0 0 0 0 次小时【6 】。 1 2 2 芯片粘片机的研究概况 下一代i c 封装设备的性能指标，已经进入了当前电子制造装备的极限工作 2 第一章绪论 范围，对机电系统的动态过程和稳态精度的要求极高，由此产生了在常规工况下 未曾遇到的许多新现象、新矛盾。因此，如何进一步提高芯片粘片机的速度与精 度，特别是提高其在高速运动条件下的性能是国内外研究开发的热点。 近年来，国家自然科学基金委员会已经意识到发展中国电子制造业的迫切 性，“十五”期间设立了重大项目“先进电子制造中的重要科学技术问题研究7 1 ， 并将“面向芯片粘片机的高加速度运动系统的精确定位和操作” s l 列为其中的重 要研究方向。国内一些知名高校在2 1 1 建设中均将芯片封装和m e m s 技术列为重 点学科发展方向。同时，国内不少学者也对i c 封装设备进行了一些独创性研究， 如：李克天，陈新等设计了斜面四连杆焊头机构，采用滚动轴承等标准转动副代 替直线移动副，从而降低了粘片机焊头机构运动精度对直线运动副的依赖【9 l ；刘 绍军等研究了视觉多功能贴片机的图象处理算法，采用有选择的局部平均化对芯 片图像进行平滑处理，并分别用四邻、八邻和二阶巴特沃斯高通滤波器对芯片图 像进行增强，获得了满意的效果f l o 】。 与我国相比，国外对i c 封装设备的研究起步更早，技术更显成熟，其研究 的重点有； ( 1 ) 对机械结构及驱动模式的研究。i c 封装设备中所需要的高精度运动系 统要求具有高刚度的机械结构和简洁的驱动模式。直线永磁同步电机以其固有的 直接驱动方式、无回差间隙、简单结构和高推重比性能而被广泛采用【1 1 l 。为克服 摩擦给运动控制带来的困难，气动悬浮和磁悬浮技术在x y 平台上得到了一定的 应用【1 2 1 。 ( 2 ) 对控制器的研究。在控制器设计方面，a l t e r 等将h 。最优反馈控制用于 直线电机伺服系统中的位置反馈和力反馈，刚度比p d 控制的系统提高 7 0 1 0 0 t ”1 t o m i z u k a 等提出了一种基于线性控制理论的四单元控制器，设计 了反馈环节和补偿环节【1 4 1 。 ( 3 ) 对力控制的研究。在高速、高加速度工况下，接触过程中的微小位移， 常常会引起很大的挤压作用力，由于引线、芯片等均为精密元件，稍有不慎，就 会断线或损坏芯片，因此在芯片封装过程中需要无超调力控制。以外部力环包容 位置环为代表的现代控制结构和以智能力位并环为代表的智能控制结构是两种 比较有效的新策略【l ” ( 4 ) 对视觉定位的研究。视觉定位精度由视觉测量系统的软、硬件分辨率 3 广东工业大学工学硕士学位论文 及其鲁棒性所决定，当前的研究重点在硬件方面集中于光路和照明的优化设计或 配置，在软件方面集中于高性能图像对准算法的开发。归一化相关检测技术作为 一种经典的视觉定位方法已成功地应用于全自动引线键合机中【l6 1 。l a i 等【1 7 ，1 应 用运动光流模型提出了一种新颖的视觉定位方法，但所提出的算法没有采用仿射 空间中元素微分增量的内蕴表达形式，因此不够简洁和高效。 芯片粘片机是多物理过程全局耦合的统一体，各领域物理要素对设备性能均 存在一定的影响。但从前的研究多是对单一领域的特定问题进行研究，缺乏系统 分析的保证和支持，只能获得一种局部优化结果。因此，为提升设备的综合性能， 必须借助多领域建模与仿真技术，通过建立逼近于实际产品的仿真模型，并在仿 真验证的基础上分离出影响设备性能的关键制约因素，使系统各项领域技术之间 能够达到最佳匹配。 1 3 多领域建模与仿真技术的研究现状 多学科、多领域的融合渗透是2 1 世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线。 机电系统的多领域建模与仿真存在着以下几方面的难点：首先各个领域里面的描 述方法多种多样。如在电子系统中，就分模拟数字式，或者连续型，事件驱动型 等。此外，对机械系统，多体动力学及连续介质力学动力学等表达形式会引入附 加的约束条件，也需要在建模中加以考虑。最后，对软件系统也需要有一个透明、 有效的表达方法。 目前，实现机电系统多领域建模的方法主要有两种【”l ：一种是基于接口的方 法，另一种则是基于统一语言的方法。基于接口的方法，首先利用某学科领域商 用仿真软件完成该领域仿真模型的构建，然后利用各个不同领域商用仿真软件之 间的接口，实现多领域建模。基于统一语言的方法，则采用一种统一“语言”，如 b o n d 图、m o d e l i c a 等以实现多领域建模。 。 由于有较多商用仿真软件的支持，目前基于接口的多领域建模方法使用最为 普遍。典型的如机械多体动力学仿真软件a d a m s ，提供与控制系统仿真软件 m a t l a b s i m u l i n k 、m a t r i x x 的接口，通过该接口从而实现机械多体动力学与 控制的多领域建模。但是这种基于接口的方法存在诸多不足，主要体现在： 仿真软件必须提供相互之间的接口以实现多领域建模： 4 随着商用仿真软件数目的增大， 仿真接口往往为某公司所私有， 困难。 接口数量将变得非常庞大，复杂度增加； 它们不具有标准性、开放性，而且扩充 近年来在基于统一语言的建模方面，最引人注目的进展就是仿真语言 m o d e l i c a 的出现i 。m o d e l i c a 是为解决复杂物理系统建模与仿真问题而提出的一 种统一建模语言。它源于工程实际，集物理系统仿真建模语言之大成，正在向复 杂物理系统建模与仿真的标准语言发展。它采用面向对象和组件的思想，对不同 领域物理系统的模型进行统一表述，实现了统一建模，而且支持层次结构建模， 语言本身带有可重用的机械、电子、液压、控制、热流等领域的标准库和扩展库。 基于m o d e l i c a 实现的机电系统建模与仿真平台，如d y m o l a 【2 ”，m a t h m o d e l i c a l 2 引 等，不仅可以利用m o d e l i c a 标准模型库和用户扩展库，为机械、电子、液压、控 制等领域系统建立平等的、开放的、可重用的可视化模型，而且可建立用户定义 的领域模型库，实现领域知识的重用。 从本质上讲，基于接口的多领域建模方法只是通过数值或者数据结构的共享 来完成，相应的其领域的耦合程度也不高。而基于统一语言的多领域建模方法则 是直接通过统一的模型来实现，能够达到真正意义上的领域共享。更可贵的是， 基于接口的仿真软件厂商一般只提供固定接口，其模型、求解器、后处理环节等 都是专有技术，并且软件之间不能互换。而基于统一语言仿真将能真正打破这种 垄断，实现模型与仿真技术的真正脱离。在统一语言下，任何领域的模型一经建 立，可以在多个不同的仿真环境中运行。因此这种建模方法虽然发展相对要晚， 但是由于它的标准性、开放性、可扩充性等优势，给其带来了巨大的发展潜力。 关于m o d e l i c a 的建模与仿真研究已经成为近年来的一个热点。目前已经举行 了五届m o d e l i c a 国际会议。去年，在奥地利首都维也纳举行的第五届会议，吸 引了世界各地的相关学者参与，并围绕着多个专题开展讨论【2 ”。在应用m o d e l i c a 建模方面，瑞典的f r i t z s o n 教授，开展了多物理学系统设计的实时仿真的研究眵， 以工业机器人为对象，利用设计优化法与回路硬件仿真法实现评估、训练与测试 自动化，将机器人的速度提高1 0 ，振动降低3 0 ，功耗降低2 0 ，产品成本降 低2 0 。n o b r a n t 2 5 1 建立了汽车传动系统离合器、齿轮系、刹车等装置的m o d e l i c a 组件，并与发动机等联系，进行了仿真。f e r r e t t i 2 6 l 等对三轴数控机床建立了 m o d e l i c a 的虚拟样机，并通过实验进行了验证。m r o z e k 2 7 】更提出要将m o d e l i c a 广东工业大学工学硕士学位论文 与u m l 语言配合，应用于机电产品的计算机辅助设计。 近年来，国内也开展了一些关于m o d e l i c a 的研究。上海交通大学的孟光等根 据物理特性方程，对航空发动机、离心压气机等设备建立了m o d e l i c a 模型 2 8 , 2 9 】； 无刷直流电机、开关磁阻电机等的m o d e l i e a 模型也被构建出来 3 0 , 3 1 1 。华中科技大 学的丁建完3 2 】贝0 对m o d e l i e a 仿真模型的相容性进行了分析。汤炳新【3 3 l 则开展了 基于m o d e l i c a 语言的柔性结构振动控制仿真。 基于m o d e l i c a 的多领域建模与仿真技术正日趋成熟，目前正在应用到一些复 杂装备的设计中，但在i c 粘片机的应用目前还未见。 1 4 论文的主要研究内容与整体结构 从前文可看出，过去对芯片粘片机的研究多集中于单一工程领域上进行，而 且以实验研究和算法研究为主。有别于此，本课题的研究重点不在于对粘片机单 个领域的理论或算法进行深入研究，而是利用m o d e l i c a d y m o l a 在多领域建模与 仿真上的优势，开发涉及不同领域( 机械、电子、控制、热等) 的芯片粘片机部 件模型库。在验证了模型准确性的基础上，通过库中子模型的连接组合建立更高 级的模型，从系统级的角度出发，实现领域交互仿真与分析。 文章的整体结构如下： 第一章绪论，介绍课题的背景与研究现状； 第二章芯片粘片机的建模与仿真方法，介绍建模语言m o d e l i c a d y m o l a 以及 模块化建模仿真方法； 第三章芯片粘片机机械部件的建模研究，建立焊头机构仿真模型； 第四章芯片粘片机驱动电机的建模与动态仿真，建立二相混合型步进电动机 模型，并进行仿真验证； 第五章芯片粘片机电加热炉的建模与仿真分析； 第六章模型的综合应用与仿真分析，主要是建立电机焊头机构模型，并进行 仿真分析； 最后是对全文的工作总结与展望。 6 第二章芯片粘片机的建模与仿真方法 2 1 引言 第二章芯片粘片机的建模与仿真方法 仿真是基于模型的活动，模型建立、实现、验证、应用是仿真过程不变的主 题。随着时代的发展，仿真模型包含的内容大大扩展，从最简单运动方程描述的 模型到描述复杂大系统发展变化规律的仿真模型，其种类已涵盖了仿真所涉及的 各个领域。 面对仿真模型种类的日益广泛以及新世纪科学技术对仿真技术的需求，对建 模方法提出了新的要求，包括【2 l ： ( 1 ) 仿真研究对象越来越复杂，需要研究复杂系统建模的方法； ( 2 ) 仿真的精度和可信度要求越来越高，需要研究提高所建立模型的精度 方法； ( 3 ) 同样的仿真研究对象，在不同仿真系统中要反映出不同的属性，需要 在建模时考虑具体的要求，并研究仿真模型简化、细化、聚合、解聚的方法； ( 4 ) 仿真模型建立要反映仿真工程性越来越强的变化趋势，强调仿真建模 及其使用工具的标准化； ( 5 ) 仿真建模人员不仅要考虑建立模型的要求，同时需要考虑验模的要求； ( 6 ) 建模过程应反映对仿真系统全面的配置、质量管理要求的变化，建立 完备的模型档案，对模型的属性及其建立过程加以记载和科学管理。 总之，仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提出了更高要求。因此， 在利用建模仿真解决工程实际问题时，对建模方法、建模工具以及仿真环境的选 择变得非常重要。 2 2 建模语言m o d e l i c a 与d y m o l a 仿真环境 为了更好的开发程序，本文采用m o d e l i c a 语言来编写模型。m o d e l i e a 是一种 7 广东工业大学工学硕士学位论文 应用于多领域的、面向对象的建模语言。m o d e l i c a 的设计是为了允许复杂物理系 统方便的、面向于元件的建模，比如说，包含机械、电子、液压、热、控制、电 力的系统或者是面向程序的子元件。并且m o d e l i c a 是一个开放式的、可免费获得 的、公用的语言，可以很方便的从互联网上获得升级和技术支持。d y m o l a 即 d y n a m i cm o d e l i n gl a b o r a t o r y ，是一种先进的仿真平台，用于多物理系统的模拟 仿真，支持层次化的建模，与m o d e l i c a 一起使用可以充分发挥各自的特点，能很 好地实现本论文建模仿真的任务。 2 2 1 多领域建模语言m o d e l i c a 面向对象的建模语言m o d e l i c a 由欧洲仿真协会下属的m o d e l i c ad e s i g ng r o u p 于1 9 9 7 年首次发布，作为一个新的物理系统建模语言，m o d e l i c a 语言的设计目 的是代替c s s l 仿真语言成为一个统一的、通用的、中性的物理系统仿真语言【3 ”。 面向对象和非因果联系是m o d e l i c a 的两个重要特点。面向对象指的是模型 的架构，非因果联系指的是模型特性的描述。不过，与面向过程建模中的传统概 念相比，这两个概念是融合在一起使用的。 面向对象建模的特点：面向对象的建模能够把一个系统分成一组相互联系的 对象来研究。总的系统被拆分成相对简单、易于研究的对象，而每一个对象都封 了数据、特性和结构。一旦每一个对象被确定了，然后就需要确定它们相互之间 的联系以及整个系统最终的特性。对于这些被拆分开的对象，就可以通过相对容 易的方法建立模型和子模型。模型是具体物理现象的数学表示，在面相对象的建 模中，模型是被当作对象看待的，而那些拆分开的对象就被描述成类，作为模型 的基础。一个模型的表示必须在多层次上支持模块性，也就是说，一个模型可以 有多个子模型，而子模型也可以有它自己的子模型。模型也可以用来研究抽象的 事物，那就意味着使用它的人不需要理解模型内部是如何工作的。在抽象模型中， 可能会提及接口和实现，接口是描述模型内部的变量与外部相互作用的模块，而 模型中与外部变量没有作用的部分被称为实现。 无因果联系建模的特点：为了使部件模型能够被重复使用，描述模型的方程 式应该以一种中性的形式表达，而不必更多的考虑计算的顺序，这就是所谓的非 因果联系建模。市场上许多商业的通用仿真软件，都采用了把系统分割成多个过 8 第二章芯片粘片机的建模与仿真方法 程的结构的方法，因此，这些模型都被表示成用普通微分方程( o d e ) 描写的子 模型间的相互连接。o d e ( o r d i n a r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n ) ， 疵 ，、 i 2 _ ，似砧j( 2 1 ) y = f ( x ，却) 这里u 是输入量，y 是输出量，x 是状态变量。通常，模型中的方程式需要 经过变形来得到这个形式，因而，大量的工作被用在方程式的分析与变形上，这 不仅需要丰富的技巧而且很容易出差错。在面向过程的模型中还受到基本原理的 限制，并且过程的数据流是单向的，只能从输入到输出。所以说，需要人工对方 程式进行变形就意味着使用面向过程的语言建立物理仿真模型库是非常复杂的。 在m o d e l i c a 中，方程式可以以它们自然的形式出现，也就是说，可以用代数 微分方程( d a e ) 来表示模型，d a e ( d i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n ) ， 厂 ；，j ，却) = 0 ( 2 2 ) a l 这里，x 是以微分形式出现的未知量，y 是未以微分形式出现的未知量。 m o d e l i c a 中也详细的设计了一种方法，如果模型被手工变换成了o d e 形式，通 过计算机代数学也可以获得同样高效率的仿真代码。 由于m o d e l i c a 的这些特点，在建模中，不同物理系统的模块可以像在实际 系统中那样的连接，这就使得模型易于理解，易于升级和维护，因而被广泛地用 于汽车、航空和机器人等复杂系统的仿真。 2 2 2m o d e l i c a 模型库 m o d e l i c a 将不同领域的问题分成不同的模型库，各个库中又将各种类型细 化，使得使用者通过库中基本的模块( b l o c k ) 就可将问题描述清楚。目前，模型库 还在不断扩充中，越来越多的不同领域的模型被研究出来并加入到模型库中供用 户使用。这样，用户在进行研究时，可以方便地调用已有的模型，或者开发新的 模型，来满足具体的仿真需求。 在芯片粘片机建模中，主要引用了m o d e l i c a 标准库以及多体库( m u l t i b o d y ) 。 m o d e l i c a 标准库中包括了不同工程域的模型子库，如图2 1 所示，这些子库又有 9 广东工业大学工学硕士学位论文 各自的子库。如b l o c k s 子库包含了传递函数、控制器、非线性元件等输入、输出 模块。c o n t i n u o u s 子库是控制模块库，包括了p i 控制、p i d 控制模块。m e c h a n i c s 子库是一个关于机械的子库，它又分为了r o t a t i o n a l 子库及t r a n s l a t i o n a l 子库。 其中，r o t a t i o n a l 子库是一维转动机械部件的模型库，包括旋转刚体、理想齿轮 箱、离合器、制动器等；t r a n s l a t i o n a l 子库是一维平动机械部件的模型库。e l e c t r i c a l 子库中主要是电气部分的模型，包括电阻、电容、电感、变压器、基本半导体器 件等；t h e r m a l 子库是热元件库，包含了热容、导热体、温度传感器等热力元件 模型。这些模型库每个都涉及一个专业领域，方便了研究人员在各自研究领域中 的应用。它们的主要开发思想是提供可扩展的基本模块，而不是对某个物理过程 建立完整的模块。这样，用户就可以组合其中某些基本模块来获得特定过程的完 整模型。 1 8 i o c k sc o n s t a日e 曲1 c a l i c o n sm a t hm e c h a ，s t u n i t sn e f m a l i i 4 画圃画画圃 画圃 圃lm 图2 - 1m o d e l i c a 标准库 f i g 2 1m o d e l i c as t a n d a r dl i b r a r y 2 2 3 仿真环境d y m o l a 在七十年代后期，h e l m q v i s t 博士基于从物理观点而非纯数学的观点来看待 实际工程系统建模问题的思想，采用功率端口系统分解方法，提出一种适合机电 系统面向对象仿真的物理系统建模范型d y m o l a ”】。其主要特点有： ( 1 ) 支持跨领域建模和仿真。d y m o l a 拥有由不同领域的模型库，并且所有 的模型库之间都是兼容的，这就意味着其模型能由来自不同应用领域内的元件构 成。 ( 2 ) 符号处理能力。d y m o l a 根据图形学理论和符号运算方法，自动对微分 代数方程( d a e ) 进行排序、筛选和转换，并采用内置的d a e 方程仿真器求解。 ( 3 ) 生动直观的建模与仿真环境。d y m o l a 提供的图形化建模环境，模型的 建立就像在实际的物理系统中完成组合一样直观；具有与c a d 之间的接i ：1 ，使 得仿真过程能通过3 d 动画方式实时展示。 1 0 第= 章芯片粘片机的建模与仿真方法 d y m o l a 程序的架构如图2 2 。d y m o l a 有强大的图形编辑功能，可以通过组合 已有的模型建立新的模型。d y m o l a 是m o d e l i c a 模块的运行平台，也可以输入其 它的数据和图形化文件。它包含一个图形编译器，为m o d e l i c a 模块中的物理方程 产生用以仿真的c 语言代码。这些c 语言代码也可以输出到s i m u l i n k 和仿真平 台中的硬设备中。d y m o l a 也有很强大的实验、绘图和动画显示功能。脚本文件可 以被用来控制实验或进行计算。除此之外，d y m o l a 还提供了自动文本生成器。 图2 2d y m o l a 软件体系【3 5 1 f i g 2 2a r c h i t e c t u r eo fd y m o l ap r o g r a m d y m o l a 仿真平台上有两类窗口：主窗口和模块库窗i = i ，其中主窗口中存在两 种运行模式：建模和仿真。在建模模式下用户可以编写模块或利用已有模块进行 模块化建模；而仿真模式主要用于执行仿真功能，可以设置仿真时间、选择仿真 算法，观察仿真结果等。模块库窗口主要用于显示仿真模型库，当要用到已有模 块时，只需将其从该窗口拖拽到主窗口中即可。 m o d e l i c a 语言在d y m o l a 平台上的仿真主要分为三步：第一步。模型编辑： 即使用已存在的模型组合成新的模型或者基于m o d e l i c a 语言建立新的模型；第二 步，利用已有的模型搭建需要验证的系统，并在d y m o l a 主窗口中进行仿真；第 广东工业大学工学硕士学位论文 三步，仿真结果的可视化演示：3 d 演示或图线演示。完整的仿真流程如图2 3 所示。 图2 - 3d y m o l a 建模仿真流程 f i g 2 3f l o wo fs i m u l a t i o ni nd y m o l a 2 3 模块化仿真建模方法 计算机仿真是在计算机上建立研究对象的模型并进行实验的工程。在建模 中，首先要了解对象中存在的物理模型，建立数学模型，并转换为计算机可以理 解的形式，称为仿真模型。在过去很长的时间里仿真建模方法主要是过程化建模 方法。这种方法只能用于特定的研究对象、特定的数学模型和特定的求解方法， 否则需要全部或部分的修改计算机程序。这种方法的缺点来自于系统的组成部件 ( 模块) 和系统的组成关系( 拓扑结构) 未能相对独立，模型表达方式是面向计 算机的硬件体系结构，而不是面向应用和面向用户。 在面向过程的软件中，由于数据和操作是显式分离的，因而可以方便地把对 各种数据执行相同操作的子过程，如函数和子程序集中加以整理，作为基本的功 能模块。随着软件规模的不断扩大，模块间的调用和依赖关系总量急剧增长，对 软件的任何改动所必须调整的联系总量亦随之增长，从而大大降低了软件的扩展 裕量和可维护能力。理论和实践表明，面向过程式的建模难以适应今后仿真研究 第二章芯片牯片机的建模与仿真方法 的需求。 模块化仿真和面向对象仿真是近年来计算机仿真理论和实践的重要发展方 向。可以说，模块化仿真是面向对象仿真的基础，面向对象的方法是一种以对象 为中心的方法。所谓对象乃是从软件上封装起来的一组数据和施加于该组数据之 上的操作。面向对象的方法企图用这个封装来模拟现实世界中的事物，其中数据 用于代表事物的属性，对数据的操作则体现其行为方式。封装意味着数据和操作 是一个整体，游离于对象之外的数据和操作恰如没有主体的属性和行为，是没有 意义的。面向对象方法的基本优势在于按照人而不是计算机的思维方式进行系统 分析。在面向过程的仿真中必须由人完成大量部件属性和方法的匹配和传递，以 至于人眼中只有分离的数据和函数。却难以从整体上把握部件的性质和作用。面 向对象的方法提供了将数据和方法结合为对象的机制，从而把人从变量存取、赋 值和运算的思维模式中解放了出来。不仅如此，面向对象的方法还提供了更高层 次的软件重用和扩展特性，从而使适用于任意结构型式的对象的仿真软件的构造 成为可能。 所谓模块化建模，如图2 - 4 所示，就是将研究的系统按一定的原则进行模块 化分解，再由各子模块