系统仿真指在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

       因此，构建合适的系统模型是做好系统仿真的前提，如何构建合适的系统模型？什么是合适的系统模型？这个问题一直困扰着每个系统工程师，下面本人结合自己在工程上的经验谈一下对该问题的理解。

       笔者一直以来都认为系统建模是一种非常具有艺术性与创造性的工作，因为将实际的物理问题或现象翻译成计算机能够求解运算的模型并能通过模型运行反映出物理特性的本质，这种工作不仅需要系统工程师对物理产品或现象具有很深的认识，同时要把握住事物的关键，最终依据工业软件的特点将其构建出来，这是一种集工程、理论、工具于一体的符合性工作，对技术人员能力要求非常高，这也是市场优秀的建模仿真人才一员难求原因所再，当然吹牛扯皮江湖郎中除外。

图1 建模与仿真工程师基本条件

       翻译工作讲究译文的信、达、雅，同样将物理产品或现象译成计算机能舒服运行的合适模型也有自己的信、达、雅，即模型的可靠、准确与高效。下面笔者将以一个示例介绍整个过程。

1、产品描述

图2 电液伺服作动器原理图

       其工作原理是利用液压泵产生的高压油液，在流体控制元件的控制下，以静液传动的方式推动油缸活塞运动，进一步推动与活塞相连的传动杆系，使舵面产生伺服运动。伺服控制器是个电子装置，接受反馈元件测量得到的油缸活塞位置，并与飞控系统发出的伺服指令信号比较，经过控制算法处理，形成电液伺服阀的控制电信号，工作原理图见图3。

图3 典型电传飞控伺服作动器工作原理简图

2、产品建模

（1） 建立可靠的模型

       建立可靠的模型通常用于方案设计阶段，以快速验证方案和权衡多种设计方案为目标，通常为满足初步分析需求的等效功能／性能模型，如使用曲线／曲面、传递函数、等效模型等，即颗粒度较粗的模型，虽说模型不需要很复杂，但是一定要可靠，这一步工作的重要性不仅仅是今后所有工作的基础与前提，同时正确可靠的结果也为下一步详细模型的搭建增强了信心。

图4 伺服作动器Amesim模型与仿真结果

       通过典型电传飞控伺服作动器工作原理可以得知，其本质是伺服阀控液压缸，而模态选择阀与防气穴阀等元件为保证产品的安全可靠运行而附加的功能性元件，其产品的性能（如过流系数、压降等）与工作状态（开启或闭合）均对产品正常状态的性能分析不会产生重大的影响，因此再模型中可以进行简化或省略，伺服阀与液压缸可以用商业工具自带元件或基础元件简单构建，但模型具体参数需要定义清晰明确，通过仿真，例如再给定阶跃信号下观察到执行机构控制的动态行为，看是否满足系统的伺服作动系统的阶跃响应需求，调节时间等，以此指导产品中关键部件参数如液压缸的截面积，伺服阀的过流系数或相应时间等等的修正。

（2）建立准确的模型

       为了进一步确了解或分析系统的详细参数，如活塞杆的质量、缸体的质量、活塞与缸体之间的摩擦和阻尼，伺服阀的死区、滞环等更加细节性能指标对系统的影响，则需要全面、多角度、细致的模型表征系统或产品的动态行为，其颗粒度的详细程度需足够深，给定的参数足够的准确。

图5 伺服阀Amesim详细模型与仿真结果

       到了这一步，可能商业软件提供的模型库就不能表征要求的细节参数，这就需要我们充分调动我们一切主观能动性想尽一切办法来实现该工作，这个工作千人千面，有各种各样的方法，大概总结起来，主要有以下几种方法：

a) 联合仿真

       这种方法不难理解，也被工程常用到，即通过不同软件工具的特点构建局部部件的细节模型通过软件的联合仿真实现模型的求解运算，如图6所示。

图6 局部细节模型通过流固耦合分析求解

       这种方法虽然便于理解与应用，但不可否认的是耦合的接口直接受软件厂商对工具的开放程度限制，这就要根据工具具体定义，可能建模工作不会花费太多时间，但系统工程师将会成为软件工程师去分析后台的通讯协议、接口以及与企业所定制的计算机操作系统兼容性等问题，同时，这种求解的速率您也一定要能忍受的住，如果加上调参工作会需要相当长的时间，不幸运的话，等待的结果有可能求解不收敛。至于多款软件联合仿真，接口的调试大家可以根据自己兴趣爱好进行尝试。

b) 基于基础原件构建

       这种方法常常借助基础原件进行搭建，例如Amesim液压部件库给出了非常多的部件模型，通过部件的组合可直接构建复杂的阀体模型。

图7  基于部件库构建的滑阀模型

        另外一种方式即通过模型的等效方式开展复杂阀芯的搭建，例如用控制信号与节流阀组合形成复杂阀芯的模型。

图8  基于基础液压元件构建的滑阀模型

       这种方法也是经常使用的方法，通常这类方法都会由工具厂商进行高级应用培训，具体工作中，系统工程师就需要分析产品特性等效建模。

c) 基于底层语言开发

       这种方法再工程上不易被工程师所掌握，常由少数大神级建模人物把控，这类大神将藐视一切商业软件，可以用商业工具底层语言根据产品所蕴含的数学公式建模。图9给出了通过语言构建的伺服阀喷嘴挡板模型。

图9  基于语言的关键模型开发

       这种方法的使用也这是最令商业工具公司忐忑之处，上图仅仅是大神级人物基于某原件二次开发，但是不可否认，这些大神肯定能够基于某个商业工具裸平台（无任何模型库，只需要求解与数据后处理平台）构建自主的模型库，一旦这些大神集中起来，那就是商业工具利润的绞杀机，但是令这些大神伤心之处，我们再技术积累与资金投入上相比于国外的仿真工程还是不足，例如我们没有强大的实验数据为模型开发提供支撑条件，国内各企业或咨询公司建立大量的模型未能形成产品，从而逐步成为虚拟产业，虽有一定的起步，但是处于跟踪状态，没有建立标准模型作为高技术产业来发展，等等的这些制约使这些大神巧妇难为无米之炊，他们更加殷切希望国内早日突破求解器的限制，实现工业软件的自主化，破解工业软件受制于人的局面。

（3） 建立高效的模型

       多数工程师可能止步于准确模型的建立，但是当大家再将模型进行复用或集成到大系统使用时，蓦然回首，可能费了很大功夫搭建的多数模型再绝大多数工况下几乎是沉睡中（这里的沉睡不是指模型没有用，是发现这些模型的参数对于所要仿真的结果压根不敏感），反而模型的冗余导致整体模型编译慢、运算慢，用到大系统集成上更是一个累赘，到这一步，就需要对模型做减法，去粗取精，实现模型的高效求解。

图10   伺服作动器模型

       从图10所表示的伺服作动器模型可以看出，伺服阀一级放大端，即力矩马达被定义成一个二阶传递函数，而阀芯用液压部件库进行搭建，从实际工程经验我们也能明白其中的道理，伺服阀的力矩马达响应频率肯定是远高于阀芯的响应频率，既然整个系统响应频率集中再阀芯上，那力矩马达完全可以简化一个二阶传递函数甚至可以是一阶传递函数进行替代，这样的模型相比与第二类模型，从原件上以及模型所包含的参数上肯定是减少很多很多，不仅实现了模型的仿真精度同时更是提高了仿真的求解效率，看到这里，难道我们不认为这样的模型不是一件艺术品么。