數字化設計在工業工程中的價值與作用
發布時間：2024-06-27 www.xstr.xyz
在工程應用領域，數學軟件如同工程師手中的瑞士軍刀，助其解決復雜問題、優化設計方案。其中，MATLAB更是工程師們不可或缺的得力助手，其在數值計算、仿真模擬、系統控制等多個方面展現出無可比擬的價值，助力工程師突破一個又一個極限。
5月28日，在MATLAB EXPO 2024中國用戶大會上，來自中聯重科智能技術有限公司的總經理助理張遷介紹了MATLAB和Simulink在大型柔性臂架擾度分析與控制中的應用，并以此探討了數字化設計在工程領域的價值與作用。
數字化設計，化解柔性臂架類產品設計挑戰
近年來，隨著5G、物聯網、云計算、大數據、人工智能和混合現實等新一代信息技術的發展，數字化設計與仿真在理論層面和應用層面，均取得了快速發展。其貫穿產品的整個生命周期，能夠高效解決工程機械中的各種問題。
以柔性臂架類產品的設計為例，一方面，由于工程機械產品逐漸走向大型化和重載化，長達近百米的設計，使得人們無法直觀地評估整個機械的動態運作狀態，從而導致臂架操控和定位困難，降低工作效率。另一方面，隨著智能化技術的發展，用戶對工程機械臂架的智能化和自動化需求不斷增加，這需要整合傳感器、控制系統和人機交互等技術，對工程師也提出了更高的要求。
中聯重科創立于1992年，主要從事工程機械、農業機械等高新技術裝備及新型建筑材料的研發制造，是業內首家A+H股上市公司。
為應對上述挑戰，中聯重科采用了基于模型設計的方法，利用MATLAB和Simulink等工具建立了柔性臂架的仿真模型。這一模型不僅能夠準確模擬柔性臂架的運動特性，還能在實際設計階段進行大量的仿真測試，從而提高算法和軟件的可靠性。
具體而言，這類大型柔性臂架類產品想要完成智能化轉型，需要解決柔性臂架的數學建模、逆運動學求解、臂架末端軌跡規劃及控制等難題。以柔性臂架的數學建模為例，對臂架末端位置進行軌跡規劃和自動控制時，建模誤差、傳感器噪聲和結構彈性振動，都會影響末端位置的計算精度，并非易事。
臂架運動學 MATLAB 仿真
而MATLAB在工程設計中的優勢尤為突出，可以總結為以下幾個方面：
● 加速產品開發流程：利用 MATLAB 大規模的數據和計算資源，實現更復雜的仿真和分析，加速產品開發過程。
● 優化設計、預測產品性能：在產品設計初始階段，進行仿真集成，實現更全面、準確的仿真分析，有利于優化設計、預測產品性能。
● 降低試錯成本、縮短市場響應時間：MATLAB 數字化仿真把研發制造過程轉移至虛擬環境中進行"重現"，讓一切工作都可以在制定決策和確定成本前完成，減少實驗次數，安全又高效。
Simulink在控制工程中的應用實例
● 發動機功率匹配優化問題
張遷表示，Simulink在發動機功率匹配方面中使用最為頻繁，通過Simulink的仿真分析，工程師們能夠精確地找到發動機的最優工作曲線，以及與之相匹配的ER泵和整個ER系統的最佳配置。
這一優化過程不僅提升了發動機的燃油效率，而且對整個液壓系統的性能和穩定性也產生了積極影響。例如，相比于八十年代的挖掘機的燃油效率，現代的系統效率提升了40%以上，扣除因排放標準提升導致的燃油效率降低因素后，實際提升仍高達35%。
● 運動學仿真的加速
Simulink在臂架類設備的運動學仿真中也發揮了重要作用。張遷指出，通過Simulink能夠極大地加速產品開發進程。在設計的最初階段，其實搭建虛擬系統所需的時間與真實系統基本相同。但虛擬系統通過加速時間變化、放大微小時間片，能極大提升測試效率--過去，由于臂架組裝和升降耗時較長，完成一個起重機的實體測試需要2~3年，而現在借助虛擬系統，可以在半年內完成類似項目。
張遷表示："這種飛躍得益于我們能夠借鑒和利用先前的設計經驗。"例如，在開發600噸起重機時，企業花費大量時間進行設計和測試，但在后續開發3200噸、3600噸和4000噸等更大噸位的起重機時，便可以借用之前項目的經驗和數據，來快速搭建和測試新的設計方案。這種經驗復用不僅提高了開發效率，還降低了錯誤率并提高了產品的可靠性。
賦能用戶的全面技術支持體系
多年來，MathWorks作為MATLAB和Simulink的制造者，單純提供工具軟件并不能完全滿足用戶的所有需求。因此在軟件之外，MathWorks還注重為用戶提供從培訓到深度技術支持的全方位服務。
MathWorks中國工業自動化與裝備（IA&M）行業首席技術官宋勝凱表示，公司的服務涵蓋從基礎培訓，到深度技術咨詢等多個層面?；A培訓旨在幫助用戶快速掌握工具的基本使用方法，而深度技術支持則能讓用戶更深入地了解工具的開發過程，從而更好地適應和利用這些工具。此外，MathWorks還提供咨詢服務，確保工具的使用過程與企業的質量保證和開發過程緊密結合，形成人力和工具上的合力，提升整個組織的研發能力。
對于完善的服務系統，張遷在分享自己的使用體驗時表示："咨詢服務對于用戶來說具有極高的價值。"他提到，雖然MATLAB和Simulink是強大的工具，但作為一個龐大的軟件系統，用戶往往需要花費大量時間去摸索和了解。而通過付費的咨詢服務，用戶可以更快地找到解決問題的路徑，并據此購買相應的培訓服務，從而加速需求的實現。
張遷還強調，這種"咨詢-培訓-應用"的模式對于新項目來說尤為有效，通過咨詢服務明確方向，再通過培訓提升能力，最后快速將工具應用于實際項目中，這種方式能夠極大地提高項目的開發效率和成功率。
MathWorks在中國新興行業的布局與前景展望
隨著國內各行業的快速發展，產品創新已成為推動行業前行的關鍵因素。MathWorks作為工程仿真和計算軟件領域的領軍企業，正積極布局未來具有潛力的新興行業，特別是在新能源汽車、智能化以及清潔能源領域。
● 汽車電氣化與智能化
MathWorks在汽車領域有著深厚的積累，尤其在汽車的電氣化和智能化方向上，公司與各大汽車制造商保持著緊密的合作關系，共同推動汽車行業的創新與發展。對于火熱的AI技術，MathWorks也在十年前就著手布局，致力于幫助工業和汽車客戶將AI技術應用于實際生產，而不僅僅是停留在驗證階段。其提供的軟件產品不僅適應各種模型，還注重模型的降階、輕量化電量化和尺寸化，能更好地嵌入到邊緣設備和嵌入式系統中，增強AI技術的實際應用能力。
● 新能源領域
MathWorks在新能源領域也進行了廣泛的投入，重點關注發電端的新能源，如太陽能光伏、風力發電以及綠色氫能的制備，致力于為客戶提供能力支持，幫助他們構建基于清潔能源的系統。為此，MathWorks在系統模型中提供了電源側、電網側、負載側等各種抽樣層上的模型，使得整個清潔能源系統能夠在仿真環境中得以構建和驗證。
● 重型裝備領域
在重型裝備領域，MathWorks也看到了新的能源形式所帶來的機遇。隨著低碳和減排要求的日益嚴格，越來越多的企業開始探索新的能源系統，如使用電池或氫能源等。MathWorks通過提供先進的技術支持，幫助這些企業構建滿足低碳和排放要求的裝備，如中聯重科等企業正在利用MathWorks的技術開發新型能源裝備。
結語
MATLAB和Simulink作為現代工程設計的兩大"利器"，為各行業的工程師們提供了前所未有的便利和強大支持。借助這些虛擬仿真工具，許多現實的復雜問題可迎刃而解，這極大地提升了工程設計的效率和精度。展望未來，我們期待可它以激發工程師們的更多創造力和想象力，推動工程設計不斷突破極限，實現更多不可能的壯舉。