数字化设计在工业工程中的价值与作用

在工程应用领域，数学软件如同工程师手中的瑞士军刀，助其解决复杂问题、优化设计方案。其中，MATLAB更是工程师们不可或缺的得力助手，其在数值计算、仿真模拟、系统控制等多个方面展现出无可比拟的价值，助力工程师突破一个又一个极限。

5月28日，在MATLAB EXPO 2024中国用户大会上，来自中联重科智能技术有限公司的总经理助理张迁介绍了MATLAB和Simulink在大型柔性臂架扰度分析与控制中的应用，并以此探讨了数字化设计在工程领域的价值与作用。

数字化设计，化解柔性臂架类产品设计挑战

近年来，随着5G、物联网、云计算、大数据、人工智能和混合现实等新一代信息技术的发展，数字化设计与仿真在理论层面和应用层面，均取得了快速发展。其贯穿产品的整个生命周期，能够高效解决工程机械中的各种问题。

以柔性臂架类产品的设计为例，一方面，由于工程机械产品逐渐走向大型化和重载化，长达近百米的设计，使得人们无法直观地评估整个机械的动态运作状态，从而导致臂架操控和定位困难，降低工作效率。另一方面，随着智能化技术的发展，用户对工程机械臂架的智能化和自动化需求不断增加，这需要整合传感器、控制系统和人机交互等技术，对工程师也提出了更高的要求。

中联重科创立于1992年，主要从事工程机械、农业机械等高新技术装备及新型建筑材料的研发制造，是业内首家A+H股上市公司。

为应对上述挑战，中联重科采用了基于模型设计的方法，利用MATLAB和Simulink等工具建立了柔性臂架的仿真模型。这一模型不仅能够准确模拟柔性臂架的运动特性，还能在实际设计阶段进行大量的仿真测试，从而提高算法和软件的可靠性。

具体而言，这类大型柔性臂架类产品想要完成智能化转型，需要解决柔性臂架的数学建模、逆运动学求解、臂架末端轨迹规划及控制等难题。以柔性臂架的数学建模为例，对臂架末端位置进行轨迹规划和自动控制时，建模误差、传感器噪声和结构弹性振动，都会影响末端位置的计算精度，并非易事。

臂架运动学 MATLAB 仿真

而MATLAB在工程设计中的优势尤为突出，可以总结为以下几个方面：

● 加速产品开发流程：利用 MATLAB 大规模的数据和计算资源，实现更复杂的仿真和分析，加速产品开发过程。

● 优化设计、预测产品性能：在产品设计初始阶段，进行仿真集成，实现更全面、准确的仿真分析，有利于优化设计、预测产品性能。

● 降低试错成本、缩短市场响应时间：MATLAB 数字化仿真把研发制造过程转移至虚拟环境中进行"重现"，让一切工作都可以在制定决策和确定成本前完成，减少实验次数，安全又高效。

Simulink在控制工程中的应用实例

● 发动机功率匹配优化问题

张迁表示，Simulink在发动机功率匹配方面中使用最为频繁，通过Simulink的仿真分析，工程师们能够精确地找到发动机的最优工作曲线，以及与之相匹配的ER泵和整个ER系统的最佳配置。

这一优化过程不仅提升了发动机的燃油效率，而且对整个液压系统的性能和稳定性也产生了积极影响。例如，相比于八十年代的挖掘机的燃油效率，现代的系统效率提升了40%以上，扣除因排放标准提升导致的燃油效率降低因素后，实际提升仍高达35%。

● 运动学仿真的加速

Simulink在臂架类设备的运动学仿真中也发挥了重要作用。张迁指出，通过Simulink能够极大地加速产品开发进程。在设计的最初阶段，其实搭建虚拟系统所需的时间与真实系统基本相同。但虚拟系统通过加速时间变化、放大微小时间片，能极大提升测试效率--过去，由于臂架组装和升降耗时较长，完成一个起重机的实体测试需要2~3年，而现在借助虚拟系统，可以在半年内完成类似项目。

张迁表示："这种飞跃得益于我们能够借鉴和利用先前的设计经验。"例如，在开发600吨起重机时，企业花费大量时间进行设计和测试，但在后续开发3200吨、3600吨和4000吨等更大吨位的起重机时，便可以借用之前项目的经验和数据，来快速搭建和测试新的设计方案。这种经验复用不仅提高了开发效率，还降低了错误率并提高了产品的可靠性。

赋能用户的全面技术支持体系

多年来，MathWorks作为MATLAB和Simulink的制造者，单纯提供工具软件并不能完全满足用户的所有需求。因此在软件之外，MathWorks还注重为用户提供从培训到深度技术支持的全方位服务。

MathWorks中国工业自动化与装备（IA&M）行业首席技术官宋胜凯表示，公司的服务涵盖从基础培训，到深度技术咨询等多个层面。基础培训旨在帮助用户快速掌握工具的基本使用方法，而深度技术支持则能让用户更深入地了解工具的开发过程，从而更好地适应和利用这些工具。此外，MathWorks还提供咨询服务，确保工具的使用过程与企业的质量保证和开发过程紧密结合，形成人力和工具上的合力，提升整个组织的研发能力。

对于完善的服务系统，张迁在分享自己的使用体验时表示："咨询服务对于用户来说具有极高的价值。"他提到，虽然MATLAB和Simulink是强大的工具，但作为一个庞大的软件系统，用户往往需要花费大量时间去摸索和了解。而通过付费的咨询服务，用户可以更快地找到解决问题的路径，并据此购买相应的培训服务，从而加速需求的实现。

张迁还强调，这种"咨询-培训-应用"的模式对于新项目来说尤为有效，通过咨询服务明确方向，再通过培训提升能力，最后快速将工具应用于实际项目中，这种方式能够极大地提高项目的开发效率和成功率。

MathWorks在中国新兴行业的布局与前景展望

随着国内各行业的快速发展，产品创新已成为推动行业前行的关键因素。MathWorks作为工程仿真和计算软件领域的领军企业，正积极布局未来具有潜力的新兴行业，特别是在新能源汽车、智能化以及清洁能源领域。

● 汽车电气化与智能化

MathWorks在汽车领域有着深厚的积累，尤其在汽车的电气化和智能化方向上，公司与各大汽车制造商保持着紧密的合作关系，共同推动汽车行业的创新与发展。对于火热的AI技术，MathWorks也在十年前就着手布局，致力于帮助工业和汽车客户将AI技术应用于实际生产，而不仅仅是停留在验证阶段。其提供的软件产品不仅适应各种模型，还注重模型的降阶、轻量化电量化和尺寸化，能更好地嵌入到边缘设备和嵌入式系统中，增强AI技术的实际应用能力。

● 新能源领域

MathWorks在新能源领域也进行了广泛的投入，重点关注发电端的新能源，如太阳能光伏、风力发电以及绿色氢能的制备，致力于为客户提供能力支持，帮助他们构建基于清洁能源的系统。为此，MathWorks在系统模型中提供了电源侧、电网侧、负载侧等各种抽样层上的模型，使得整个清洁能源系统能够在仿真环境中得以构建和验证。

● 重型装备领域

在重型装备领域，MathWorks也看到了新的能源形式所带来的机遇。随着低碳和减排要求的日益严格，越来越多的企业开始探索新的能源系统，如使用电池或氢能源等。MathWorks通过提供先进的技术支持，帮助这些企业构建满足低碳和排放要求的装备，如中联重科等企业正在利用MathWorks的技术开发新型能源装备。

结语

MATLAB和Simulink作为现代工程设计的两大"利器"，为各行业的工程师们提供了前所未有的便利和强大支持。借助这些虚拟仿真工具，许多现实的复杂问题可迎刃而解，这极大地提升了工程设计的效率和精度。展望未来，我们期待可它以激发工程师们的更多创造力和想象力，推动工程设计不断突破极限，实现更多不可能的壮举。