仿真技術(shù)在液壓控制方面的應(yīng)用與發(fā)展

1、仿真技術(shù)在液壓控制方面的應(yīng)用與發(fā)展 仿真技術(shù)作為液壓系統(tǒng)或元件設(shè)計階段的必要手段，已被業(yè)界廣泛認識。液壓仿真技術(shù)，從誕生到今天，已經(jīng)有30 多年的歷史。國外早在 1973 年，第一個直接面向液壓技術(shù)領(lǐng)域的專用液壓仿真軟件 HYDSIM 程序研制成功。它是由美國俄克拉何馬州立大學推出的。 到現(xiàn)在為止， 對液壓元件和系統(tǒng)利用計算機進行仿真的研究已有30 多年的歷史， 隨著流體力學，現(xiàn)代控制理論，算法理論，可靠性理論等相關(guān)學科的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的突飛猛進，液壓仿真技術(shù)也日益成熟， 越來越成為液壓系統(tǒng)設(shè)計人員的有力工具。一、仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用一個比較完善的液壓系統(tǒng)不僅應(yīng)有良好的靜態(tài)性能，而

2、且還應(yīng)具有良好的動態(tài)性能。這是因為系統(tǒng)中執(zhí)行元件的速度、動作和方向以及外載荷經(jīng)常在不斷變化， 如果系統(tǒng)的動態(tài)特性不靈敏，則反饋信號就無法被系統(tǒng)很快執(zhí)行，造成系統(tǒng)靈敏死區(qū)、動作死區(qū)等，這樣被加工出來的零件精度就會降低。以前人們在研究和設(shè)計時， 常常憑借設(shè)計者的知識和經(jīng)驗用真實的元部件構(gòu)成一個動態(tài)系統(tǒng)，然后在這個系統(tǒng)上進行實驗，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。 用這種方法進行參數(shù)調(diào)節(jié)比較困難，要花費大量的人力、物力和時間,而且一次性成功的把握很小。這就要求人們利用其它方法對元件進行設(shè)計與試驗。 計算機仿真技術(shù)不僅可以在設(shè)計中預(yù)測系統(tǒng)性能，減少設(shè)計時間，還可以通過仿真對于所設(shè)計的系統(tǒng)進行整體分析和

3、評估， 從而達到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短設(shè)計周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：1 . 通過理論推導建立已有液壓元件或系統(tǒng)的數(shù)學模型，用實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行比較,驗證數(shù)學模型的準確度,并把這個數(shù)學模型作為今后改進和設(shè)計類似元件或系統(tǒng)的仿真依據(jù)。2 .通過建立數(shù)學模型和仿真實驗，確定已有系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整范圍，從而縮短系統(tǒng)的調(diào)試時間，提高效率。3 .通過仿真實驗研究測試新設(shè)計的元件各結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響， 確定參數(shù)的最佳匹配，提供實際設(shè)計所需的數(shù)據(jù)。4 .通過仿真實驗驗證新設(shè)計方案的可行性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響， 從而確定最佳控制方案和最佳結(jié)構(gòu)。二、液壓建模與仿真的

4、方法仿真技術(shù)的三個主要組成部分是數(shù)學建模、 模型解算和仿真結(jié)果分析。 液壓仿真一般采用這樣三種方法:第一種方法是自行編程仿真， 對于較為簡單的系統(tǒng)， 而仿真者具有較好的建模能力和一定編程能力， 則自行編程進行仿真， 早在五十年代Hanpun (1953) 和 Nightingale (1957) 就分別作了液壓伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析, 那時采用的是傳遞函數(shù)法 , 一般只分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及頻率響應(yīng) , 這是一種理論成熟、簡單實用的方法 , 直到現(xiàn)在 , 仍被廣泛采用。但這種方法只能用在單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)中 , 不足以描述系統(tǒng)內(nèi)部的各變量的特征, 也不易處理液壓系統(tǒng)中普遍存在的非線性問題。所

5、以這種方法在研究機構(gòu)中的研究人員與研究生用得較多；第二種方法是數(shù)學模型由用戶自行建立,選用一些通用的算法系統(tǒng)進行仿真，如常用的MATLAB/SIMULINK 軟件，它提供了許多數(shù)學模型解算工具， 更值得一提的是這類軟件還提供較好的仿真結(jié)果后處理功能。 該方法越來越多地為研究人員所使用； 第三種方法是選用專用的液壓仿真軟件進行 仿真，這類專用軟件一般提供建模工具，用戶 只要根據(jù)要求用原理圖等方式輸入仿真用數(shù) 據(jù)，專用軟件便可自動建立數(shù)學模型，并進行仿真計算輸出仿真結(jié)果。依據(jù)建模方法的不同 , 這些軟件主要可分為兩種 , 即用狀態(tài)方程方法建模的仿真軟件和用鍵合圖方法建模的仿真軟件。 絕大多數(shù)液壓仿

6、真軟件采用狀態(tài)方程方法建模。 如美國麥道飛機公司(McDonnell Douglas AircraftCompany) 率先開發(fā)的用以預(yù)測液壓元件和系統(tǒng)工作性能的 AFSS (Advanced Fluid SystemSimulation) 仿真軟件包 , 使液壓設(shè)計從經(jīng)驗估計提高到定量分析的水平。鍵合圖是由美國的 H. M. Paynter 于六十年代初發(fā)明的 , 它以圖形方式來表達系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系, 能反映元件間的負載效應(yīng)及系統(tǒng)中的功率流動情況, 可用來描述液壓回路的動態(tài)特性, 是研究液壓動力系統(tǒng)的有力工具。 目前已開發(fā)出了幾種采用鍵合圖方法建模的液壓仿真軟件 , 如美國在 80

7、年代末開發(fā)的面向鍵合圖的動力系統(tǒng)通用仿真程序ENPORT , 已在一定的范圍獲得應(yīng)用。 但該程序需要在大容量、大型計算機上運行,并且對于非線性系統(tǒng)的解析存在著若干限制,從而影響了該軟件的推廣。 由于對于絕大多數(shù)用戶來說從鍵合圖出發(fā)的起點過高 , 而一個較好的液壓系統(tǒng)仿真軟件包需要具有開放性和可擴充性 , 因此從長遠考慮用狀態(tài)方程方法建模更有生命力。但是不論是基于何種原理的仿真軟件， 縱觀近幾年液壓仿真技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)代液壓仿真軟件一般都具有如下功能：(1)廣泛的基本液壓元件模型及靈活的組裝： 只有廣泛的基本液壓元件模型才能夠適應(yīng)各種仿真要求 ,但無論基本模型庫多么包羅萬象，也不可能包含用戶對元

8、件模型的全部要求。 自定義元件模型應(yīng)該可以用軟件自帶的元件模塊組裝。(2)支持多領(lǐng)域建模仿真： 在現(xiàn)代實際的工程應(yīng)用設(shè)計中，幾乎很少有純粹的液壓系統(tǒng)存在。液壓系統(tǒng)通常僅僅是作為整個系統(tǒng)的一部分，即使元件也可能包括機械和電子器件， 這就要求仿真時可以加入其他領(lǐng)域的模型， 最常見的如 DSH 中加入電子和機械方面的仿真模型，而 Amesim 帶有液壓、機械、控制、信號、熱力學、氣動等多種模型庫。(3)數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)文檔生成功能： 一個仿真系統(tǒng)最主要的技術(shù)文檔是系統(tǒng)的原理圖 ,其他還包括元件的微分和代數(shù)方程的數(shù)學模型描述、參數(shù)、仿真結(jié)果、其他產(chǎn)品信息等。實現(xiàn)這一功能的手段開始采用復雜的數(shù)據(jù)庫技

9、術(shù)， 而不是以傳統(tǒng)的難以管理的文件系統(tǒng)形式。 以瑞典某大學的液壓仿真軟件 Hopsan 為例， 其使用數(shù)據(jù)庫管理的仿真環(huán)境示意圖如圖1 所示。圖1數(shù)據(jù)庫管理的仿真環(huán)境示意圖圖1中，Dynmoc用以生成元件模型和系統(tǒng)連 接的Fortran程序，而數(shù)據(jù)庫，仿真程序和數(shù) 學運算軟件Mathmathic之間采用了 Java接 口。Amos模型數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行集中管理， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證數(shù)據(jù)的一致性和安全性以 及用戶操作的獨立性，迅速準確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)查 詢和通信。(4)圖形化操作界面：目前，幾乎所有知名的液 壓仿真軟件都支持圖形化操作界面，從而使仿 真技術(shù)能夠更廣泛地用于工程實際、更大范圍 的商品化。元

10、件模型在軟件中用圖標表示，元件型號和元件參數(shù)通過操作液壓原理圖直接 選取，軟件通過各自的識別技術(shù)、回路的拓撲信息及組成元件的模型,由計算機自動生成回路的仿真描述文件或程序。(5)支持實時仿真及提供與通用軟件相匹配的接口， 當前的液壓仿真軟件的積分運算器都包含了可變步長的功能,加上硬件速度的飛速提高，仿真速度大大提高，實現(xiàn)實時仿真已不是那么困難， 而實時仿真使仿真人員在計算機屏幕上 “實時 ”地看到系統(tǒng)的動作，使仿真計更直觀、更具說服力。在軟件的接口方面，MATLAB/SIMULINK 已經(jīng)成為所有液壓仿真軟件的通用接口， 一些有合作關(guān)系的公司和大學研究機構(gòu)也相互提供了接口。綜合考慮，由于液壓仿

11、真軟件對用戶最為 “友好 ”, 因此應(yīng)用面最為廣泛。三、液壓仿真技術(shù)存在的主要問題(1)系統(tǒng)建模不易 對液壓系統(tǒng)進行建模的首要任務(wù)就是建立數(shù) 學模型，最困難的就是進行建模，然后才可能 進行計算機研究，建模是一件相當復雜的工 作。目前大多數(shù)采用狀態(tài)方程建模，但也有一 些軟件采用傳遞函數(shù)或鍵合圖進行建模。這些 對于一般的液壓工作者來說存在著難度。傳統(tǒng) 的定量仿真技術(shù)首先要建立精確的數(shù)學模型， 將對象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能表示成為以微分方 程為主的一系列數(shù)學方程，通過解方程組之類 的數(shù)學途徑，導出基于函數(shù)解或是數(shù)值解的系 統(tǒng)行為描述后才可能進行計算機仿真。但在實 際系統(tǒng)太復雜或是知識積累不夠的情況下，根

12、本不可能構(gòu)造出系統(tǒng)的精確定量模型。這一方面，利用相似系統(tǒng)這一概念，液壓系統(tǒng) 這樣的非電系統(tǒng)可以通過系列的轉(zhuǎn)換化為相 似的電路系統(tǒng)。首先使用電路元件的符號可以 把復雜的液壓系統(tǒng)職能符號變成便于閱讀和 分析系統(tǒng)特性的電路圖。其次，利用各種成熟 的電路理論技術(shù)，例如阻抗概念和各種網(wǎng)絡(luò)理 論（如網(wǎng)絡(luò)的拓撲分析法），可以有效地用于實際液壓系統(tǒng)地分析。再次，電路元件更換方便，數(shù)值容易改變，測量電流和電壓都比較方便。非常重要地一點是，各種近代電路理論，如網(wǎng)絡(luò)方程，圖論，分裂法等，在近二三十年都得到了長足地發(fā)展， 在計算機輔助分析和設(shè)計領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。因此借鑒已有經(jīng)驗，可以將液壓回路(或是液壓單元)和液

13、壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換維結(jié)構(gòu)和特性類似的電回路和電系統(tǒng)來研究。(2)系統(tǒng)仿真的精度和可靠性不高由于液壓仿真軟件和仿真技術(shù)等方面的原因，仿真結(jié)果的精度不是很高。 如果建模的原理和方法不正確、模型簡化、對模型原始數(shù)據(jù)的選取存在偏差和計算機性能的影響都會降低仿真結(jié)果的精度。(3)仿真模型庫不完善在大多數(shù)的液壓系統(tǒng)仿真系統(tǒng)中， 一般將仿真元件簡單分為液壓泵，液壓馬達，液壓閥，液壓缸和液壓輔件等五類。 然而據(jù)此建立的模型庫都是標準元件， 而在實際液壓系統(tǒng)中還存在許多元件是模型庫中沒有的， 因此需要另外編入。(4)液壓軟件的通用性不好許多仿真軟件是某一專門領(lǐng)域的， 對液壓系統(tǒng)中的元件和仿真參數(shù)都有嚴格的要求， 因此使

14、用不同的仿真軟件對同一系統(tǒng)也需要編寫不同的仿真程序， 即這些軟件的移植性和其他軟件的接口性不好。四、液壓仿真技術(shù)的發(fā)展方向今后液壓仿真技術(shù)的發(fā)展方向主要有:1 . 深入研究系統(tǒng)的建模和算法：模型是仿真的基礎(chǔ)，建立正確的模型，能更深入、更真實反映系統(tǒng)的主要特征。因此應(yīng)大力發(fā)展建模技術(shù)，力求為系統(tǒng)設(shè)計和分析提供準確的依據(jù)，使系統(tǒng)工作能更真實反映實際情況。同時，液壓仿真軟件的實際應(yīng)用平臺開始轉(zhuǎn)向微機， 這就對單機算法的改進提出了要求。2 .最優(yōu)化設(shè)計的研究：仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化、 參數(shù)最優(yōu)化及性價比的最優(yōu)化。 用現(xiàn)代控制理論和人工智能專家?guī)煸O(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 并確定系統(tǒng)參數(shù)， 縮短設(shè)計

15、周期，達到最優(yōu)的效果。3 .實時仿真技術(shù)的研究：為了使仿真計算更直觀、更具說服力，常常采用實時仿真。所謂實時仿真，包含兩層含義：一是仿真結(jié)果的表達采用動畫技術(shù)，二是在計算機屏幕上能 ”實時地看到系統(tǒng)的動作。 實時仿真對數(shù)據(jù)處理速度提出較高的要求， 并通常需要一個三維實體造型器的支持。4 .并行仿真技術(shù)的研究：由于數(shù)學模型因考慮多種因素而變得越來越復雜， 而仿真結(jié)果的輸出則希望越來越快, 因此,仿真方法對數(shù)據(jù)處理速度提出很高的要求。多計算機或多C P U同時對同一問題進行仿真計算， 是解決大量數(shù)據(jù)計算的有效途徑，因而并行仿真方法應(yīng)運而生。并行仿真環(huán)境可以借助計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。5 .仿真軟件與實際物理系統(tǒng)的連接：以實際的物理部件作為仿真模型的一部分， 使仿真過程更加靈活、更有可信度。目前在國防工業(yè)的武器研制中大量使用了半實物仿真系統(tǒng)， 而在液壓領(lǐng)域才剛剛起步。主要的困難在于接口，因為額外的傳感器不僅增加了費用， 也引入了誤差，使系統(tǒng)更加復雜。6 .進行多媒體技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)的研究：多媒體技術(shù)特別是多媒體動畫技術(shù)可以動態(tài)直觀地表示液壓傳動內(nèi)容， 而用面向?qū)ο蟮姆椒ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)模塊式的液壓仿真軟件設(shè)計， 它根據(jù)組成系統(tǒng)的對象及其相互作用關(guān)系來構(gòu)造仿真模型，彌補了模型與實際系統(tǒng)之間的差距，從