FMU與FMI的版本差異與說明

在進行系統級模擬時，工程師常面臨的挑戰是「不同工具的模型能否有效協作」。而FMI (Functional Mock-up Interface)的出現，正是為了標準化這些「模型交換」與「聯合模擬」的流程，打破工具之間的圍牆，讓模型能夠像積木一樣自由組合。

1. FMI 與 FMU 的技術定義：

• FMI (Functional Mock-up Interface)：這是一套「標準通訊協定」（Protocol）。它定義了模型應如何封裝、輸入輸出接口（I/O）規範、以及外部軟體如何呼叫模型內的數學函數。概念上可類比為 USB 的介面標準。

• FMU (Functional Mock-up Unit)：這是符合FMI規範的「檔案實體」。它通常是一個 .fmu的壓縮檔，相當於一個隨身碟。

一個標準的 FMU 內部包含了兩個關鍵部分：

• XML描述檔 (modelDescription.xml)：包含了變數名稱、單位、參數以及輸入輸出接口定義。

• 二進制執行檔 (Binaries/C-code)：包含了模型的實際動態行為與物理公式。

在業界應用中，FMU主要分為兩種運作模式，這直接決定了使用者的部署方式：

• Model Exchange (ME, 模型交換)：FMU僅提供微分方程（數學模型），不包含求解器（Solver）。Host端必須自行提供數值求解器來計算下一時刻的狀態。

• Co-Simulation (CS, 聯合模擬)：FMU內建了求解器。Host端只需向FMU請求：「請計算dt時間後的結果」，FMU就會在內部自行運算並回傳數值。這是實現HIL跨機獨立運算的關鍵模式。

2. FMI 1.0 / 2.0 / 3.0之演進：

• FMI 1.0：FMI 1.0的核心貢獻在於建立了 ME 與 CS 的基本框架，讓模型能「帶著介面」離開原開發工具，進入別的模擬環境。

• FMI 2.0：目前的產業主流標準。相較於 1.0，它大幅改善了數學定義的嚴謹度，並增強了工具鏈整合能力。目前MR2 HIL平台主要支援的格式即為FMI 2.0版本。

• FMI 3.0：重點將應用場景從「連續時間系統」擴展至更強的「離散/事件驅動」與即時排程需求。除非有明確的進階事件觸發需求，否則FMI 2.0仍是目前跨平台模擬的主力。

3. Simulink 的 FMI 支援演進：MATLAB/Simulink 對 FMI 的支援經歷了從「匯入」到「獨立匯出」的關鍵轉變

   
   

   第一階段：

   R2017b (FMU Import) MATLAB 主要扮演 Host 角色，使用者可將其他軟體生成的 FMU 匯入 Simulink 進行模擬。

   第二階段：

   R2019a (Tool-coupling Export) Simulink 開始支援生成 FMU 2.0。但此版本的 Co-Simulation 採「工具耦合」技術，執行 FMU 的電腦必須安裝 MATLAB 才能運作，限制了部署彈性。

   第三階段：

   R2020a (Standalone Co-Simulation) Simulink正式支援匯出Standalone FMU。生成的FMU內含完整求解器與二進制碼，完全切斷對MATLAB的依賴。這意味著您可以在未安裝MATLAB的設備上直接執行該模型。

   第四階段：

   R2023b (FMI 3.0) 全面支援 FMI 3.0 匯入匯出，並增強了 FMU 2.0 的匯出能力，特別是支援了變步長求解器 (Variable-step Solver) 的封裝，提升了模擬效率。

4. 結論

   
   

   隨著FMI標準日益成熟，將FMU技術應用於MR2 HIL的耦合模擬中，能挖掘更多系統驗證的可能性。透過Simulink生成Standalone FMU，工程師能將複雜的控制演算法與機械負載模型，無縫且高效地整合至 HIL 環境中。

   
   

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