液壓仿真技術(shù)

1、第五講液壓仿真技術(shù)仿真技術(shù)作為液壓系統(tǒng)或元件設(shè)計(jì)階段的必要手段,已被業(yè)界廣泛認(rèn)識(shí)。液壓仿真技術(shù)，從誕生到今天，已經(jīng)有30多年的歷史，在我國(guó) 也有20多年的發(fā)展歷史。隨著流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論、 可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，液壓仿 真技術(shù)也日益成熟，越來(lái)越成為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的有力工具。一、國(guó)外相關(guān)液壓仿真軟件剖析在國(guó)際上，有許多成熟的仿真軟件包廣泛應(yīng)用于液壓領(lǐng)域的 設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的DSH軟件和英國(guó)Bath大學(xué)的Bath/fp是推出得最早，在行業(yè)中影響也是最大。隨著這幾年來(lái)的發(fā)展,又有數(shù)十款液壓仿真軟件和通用的系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生。下面將對(duì)

2、Bath/fp、DSH、瑞典的HOSPAN、法國(guó)的AMESIM和美國(guó)的Simulink這五個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行較為全面的 介紹。1、英國(guó)的Bath/fpBath/fp系統(tǒng)圖1 ,是專門用于液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)域仿 真軟件，由英國(guó)Bath大學(xué)傳動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制中心(Centre for Power Transmissionand Motion Control汁發(fā)。該軟件在上世紀(jì)80年代初 先以HASP為名出現(xiàn)的，1992年以全新的面貌，推出其升級(jí)版，命名為Bath/fp。該系統(tǒng)運(yùn)行在Unix和Linux的X Windows下。該軟件采用面向原理圖的圖形建模方法，但原理圖的編輯過(guò)程仍然比較粗糙。總體上離商品化還有

3、一段距離(比如元件圖標(biāo)放上 去后就不能再移動(dòng)，改變圖標(biāo)位置必須刪除這個(gè)圖標(biāo)后重畫或通過(guò)復(fù) 雜的菜單操作完成），仿真的速度也不太理想。參數(shù)賦值通過(guò)雙擊元件圖標(biāo)彈出賦值對(duì)話框的形式完成，各個(gè)元件的缺省參數(shù)，依據(jù)與實(shí)際值接近的原則進(jìn)行預(yù)設(shè)，方便了使用者 進(jìn)行取值。相同元件之間可以拷貝參數(shù)值，也可以選擇一批元件，然后 在一個(gè)文本文件中列出各個(gè)元件的參數(shù)名 ,在文本文件中按規(guī)范設(shè)置 參數(shù)值。目前該軟件還沒(méi)有優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)功能三維動(dòng)畫功能，也沒(méi)有提供與其他軟件的接口。該軟件的特點(diǎn)：面向原理圖的建模；齊全的可擴(kuò)展的元件庫(kù)（包括液壓，氣動(dòng) 的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，管道庫(kù)，子元件庫(kù)，控制庫(kù)，負(fù)載庫(kù)）；將非線性仿真獲得 數(shù)據(jù)進(jìn)

4、行線性處理，以方便與控制包的連接。2、德國(guó)的DSHplus該軟件現(xiàn)為德國(guó)FLUIDON股份有限公司的產(chǎn)品，是專用 的液壓仿真軟件系統(tǒng)。該公司是從德國(guó)亞琛大學(xué)流體傳動(dòng)及控制研究 所分離出來(lái)的。DSHplus的早期版本于1972開發(fā)，早期版本叫DSH。DSHplus是其升級(jí)版本。該軟件采用C+語(yǔ)言編寫，運(yùn)行時(shí)需要C+編譯器支持。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)將該軟件作為主打產(chǎn)品，成立相應(yīng)公司進(jìn)行市場(chǎng)化運(yùn)作，這有利于高校的研究成果走向市場(chǎng)，更好地服務(wù)于 行業(yè)，同時(shí)也有利于仿真軟件的進(jìn)一步發(fā)展。系統(tǒng)面向原理圖建模，具有圖形建模功能。對(duì)元件進(jìn)行了細(xì)致的分類 , 共有10大類,然后層層細(xì)分。元件圖形采用ICON圖，原理

5、圖可縮放。每個(gè)元件由3部分構(gòu)成：ICON ,元件參數(shù)和元件函數(shù)描述。參數(shù)通過(guò)對(duì)話框設(shè)定，系統(tǒng)提供元件每個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值。該軟件擁有優(yōu)化功能，通過(guò)白動(dòng)搜索獲得對(duì)要優(yōu)化的控制器 的設(shè)置或者是參數(shù)的最優(yōu)值。同時(shí)，目前提供對(duì)MATLAB ,Simulink和ADAMS等許多軟件的接口，也可以將輸出接入硬件系統(tǒng)中，參加系 統(tǒng)運(yùn)行。該軟件的最重要的特點(diǎn)有這樣幾點(diǎn)：與多數(shù)軟件擁有接口 ；具有豐富的元件庫(kù)；仿真算法中融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。3、瑞典的HOPSAN軟件HOPSAN軟件由瑞典林雪平大學(xué)流體機(jī)械工程系統(tǒng)部(Fluidand Mechanical Engineering Systems at the Depa

6、rtment ofMechanical Engineering (IKP) at Link Ping university,Sweden)開發(fā),最早于1977推出。由于擁有豐富的液壓元件子程序庫(kù)，特別適合液 壓系統(tǒng)的仿真。該軟件最初是為微型機(jī)開發(fā)，2001年發(fā)布了該軟件Windows NT版本,該新版本還可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的測(cè)量和控制。該軟件系統(tǒng)被許多研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)所使用，林雪平大學(xué)也不斷地 投入人力，進(jìn)行進(jìn)一步的完善與開發(fā)。HOPSAN軟件的建模方法是元傳輸線法(Unit TransmissionLines )，源于特征法(the method of characteristics)和傳

7、輸線建模(TransmissionLine Modelling )。這種方法特別適合并行計(jì)算，從而 提高計(jì)算速度和實(shí)現(xiàn)分布計(jì)算功能。在傳輸線方法上增加了可變時(shí)間步長(zhǎng)法,解決系統(tǒng)的剛性和斷點(diǎn)問(wèn)題。與鍵合圖法(BOND GRAPH)相比，鍵合圖法只能描述元件間的連接關(guān)系，不能反 映元件間的因果關(guān)系，而傳輸線法能夠描述出元件間的因果關(guān)系。該 軟件還擁有圖形建模功能， 元件圖采用WMF圖元文件格式， 新版本 的軟件增加了WMF圖元文件編輯器。它的圖形建模功能較好，界面 友好，編輯方便，效率很高，速度快;有系統(tǒng)連接時(shí)合理性的判斷，對(duì)錯(cuò)誤 的連接方式可以在一定程度上避免。可以方便地更改元件的圖形文件 實(shí)現(xiàn)

8、元件圖的轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)是圖形不夠美觀。該軟件有圖形元件庫(kù), 元件庫(kù)元素可以動(dòng)態(tài)添加，用戶可 以編輯軟件,設(shè)定元件圖形,連接用的油口 ,以及用于仿真計(jì)算的變量等。但是沒(méi)有提供元件參數(shù)庫(kù)。參數(shù)的賦值通過(guò)對(duì)話框設(shè)定。 新版HOPSAN增加了優(yōu)化功能，可以對(duì)系統(tǒng)的一些行為進(jìn)行優(yōu)化。也可以用來(lái)進(jìn)行離線參數(shù)評(píng)估，通過(guò)計(jì)算比較仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的 差別，并且通過(guò)優(yōu)化使之最小。在一定程度上，實(shí)現(xiàn)了仿真與實(shí)驗(yàn)的連 接。在許多液壓系統(tǒng)中，需要一個(gè)操作工來(lái)關(guān)閉控制循環(huán)。通過(guò) 實(shí)時(shí)仿真可以驗(yàn)證這樣的控制系統(tǒng)是否需要操作工。在半物理仿真 (部分系統(tǒng)是仿真的部分系統(tǒng)是真實(shí)的)硬件混合系統(tǒng)的混合過(guò)程 中, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。為了

9、獲得實(shí)時(shí)性能，需要采用非常有效的仿真方法。 在HOPSAN仿真軟件中，機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是采用特征方法(the method of characteristics理的。通過(guò)這種方法，表示一個(gè)元件 的微分方程式，可以在代表這個(gè)元件的子程序中完整求解。因此 ，這是 一種對(duì)微分方程組進(jìn)行分布式求解的方案。通過(guò)分布式求解器(distributed solver )廠個(gè)液壓系統(tǒng)可以很容易的被描述成由并行的子過(guò)程(parallel processes洛個(gè)子程序在不同的處理器上對(duì)各個(gè)元件或元件組進(jìn)行并行仿真。該軟件新增了系統(tǒng)圖的輸出，輸出格式為BMP格式。但沒(méi)有三維動(dòng)畫 功能。為了進(jìn)行有效的仿真試驗(yàn)，該軟件

10、擁有強(qiáng)大的命令接口 ，這可以 對(duì)參數(shù)變化研究進(jìn)行系列的仿真，還有諸如頻率分析等強(qiáng)大的后處理 工具。同時(shí)，擁有Matlab軟件的接口。該軟件的最重要的三個(gè)特點(diǎn)可歸納為：動(dòng)態(tài)的圖形元件庫(kù)和 圖形建模功能；優(yōu)化方法用于對(duì)系統(tǒng)行為的優(yōu)化和參數(shù)的離線評(píng)估以 及具有實(shí)時(shí)仿真和分布式計(jì)算功能。4、法國(guó)IMAGINE公司的AMESimAMESim系統(tǒng)是由法國(guó)IMAGINE公司開發(fā)的，可用于完 成工程系統(tǒng)的建模，是一個(gè)通用的仿真和動(dòng)態(tài)性能分析的一個(gè)圖形化 開發(fā)環(huán)境。IMAGINE公司于1986年在法國(guó)成立，目前已經(jīng)發(fā)展成為 一個(gè)國(guó)際化的大公司,于2001年開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。AMESim軟件 的界面用C+實(shí)現(xiàn),算

11、法用FORTRAN語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，不需要其他商用 軟件作支撐。該系統(tǒng)面向原理圖建模。其優(yōu)點(diǎn)是不要求用戶具備完備的仿真方面 的專業(yè)知識(shí)，更易于為廣大工程技術(shù)人員掌握和使用。在繪制的原理 圖上選定要賦值的元件，單擊后，打開該元件的參數(shù)賦值對(duì)話框，便可 賦值。軟”參數(shù)也按同樣方法賦值。由于該系統(tǒng)不是一個(gè)專用的液壓 仿真軟件，無(wú)液壓元件參數(shù)庫(kù)。輸出的方式有文本和圖形兩種形式。 但是,該軟件無(wú)優(yōu)化功能。也無(wú)網(wǎng)絡(luò)功能，不能遠(yuǎn)程異地仿真功能，也無(wú) 三維動(dòng)畫功能。該軟件的主要特點(diǎn)可歸納為這樣三點(diǎn) ：一是模型庫(kù)豐富，多 達(dá)14種;二是與Matlab,Simulink,Adams等多種軟件擁有接口；三是 有開放的數(shù)據(jù)庫(kù)

12、，可將用戶開發(fā)的子模型融入AMESim的數(shù)據(jù)庫(kù)。5、著名的通用仿真軟件SimulinkSimulink系統(tǒng)是Mathtools公司的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言Matlab的一個(gè)分支，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真，目前廣泛 應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)仿真、信號(hào)控制模擬、機(jī)器人控制模擬及其生物醫(yī)學(xué) 工程等諸多領(lǐng)域，在全世界范圍內(nèi)有龐大的用戶群。 在美國(guó)和其他發(fā) 達(dá)國(guó)家的理工院校， Matlab和Simulink的使用已經(jīng)成為了一門必修課。Simulink本身沒(méi)有專門針對(duì)流體仿真的工具箱，用戶使用時(shí) 要白己建立模型,但已有的大量控制模塊可以任意調(diào)用。同時(shí)Mathtools公司另行開發(fā)的一些收費(fèi)模塊(Automat

13、ive,SimMechanics )里包含大量的機(jī)械， 液壓，氣動(dòng)模型，拷貝 后可以使用。其主要界面如下：Simulink系統(tǒng)使用Matlab語(yǔ)言，也可以與C、C+結(jié)合,搭建系 統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合優(yōu)化工具箱進(jìn)行優(yōu)化；可以結(jié)合Virtual Reality工具箱實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫功能；可以結(jié)合Matlab的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序在Web應(yīng)用中使用仿真。該軟件因?yàn)闆](méi)有流體仿真工具箱，液壓系統(tǒng)建模復(fù)雜，使用Simulink,需要對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有深刻的理解；支持三維動(dòng)畫和網(wǎng)絡(luò) 仿真，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜；應(yīng)用最廣泛，幾乎所有的商業(yè)仿真軟件 都提供了與它的接口。二、液壓仿真軟件存在的幾個(gè)問(wèn)題分析上述軟件，可以認(rèn)為現(xiàn)有的大

14、多液壓仿真軟件，包括一些通用仿真軟件，存在著這樣幾個(gè)問(wèn)題：1)面向原理圖建模的圖形界面，僅僅是一個(gè)輸入工具而已；2)實(shí)際上只能對(duì)簡(jiǎn)單的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，或者說(shuō)只能對(duì)化簡(jiǎn)了的系統(tǒng)進(jìn)行仿真；3)仿真過(guò)程不利于創(chuàng)新思維的運(yùn)用；4)仿真與優(yōu)化脫節(jié)，事實(shí)上仿真無(wú)法直接指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化；5)仿真軟件得不到強(qiáng)大的液壓元件參數(shù)庫(kù)的支持；6)軟參數(shù)的確定仍然帶有很大的盲目性；7)實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比分析的功能不強(qiáng)；8)仿真結(jié)果的再利用，沒(méi)有得到深入的發(fā)掘。三、近年來(lái)，仿真技術(shù)的幾個(gè)特點(diǎn)：(1)隨著對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的提高，仿真的重要性日益提高；(2)仿真技術(shù)既可對(duì)連續(xù)系統(tǒng)仿真，又可對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真；(3)強(qiáng)調(diào)計(jì)

15、算機(jī)圖形技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合；(4)分布式仿真技術(shù)在廣泛應(yīng)用，在某些場(chǎng)合，數(shù)學(xué)模型由于各種原因是分布在不同的計(jì)算機(jī)中的。(5)仿真不僅研究系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)也可研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)等特性；(6)專用仿真軟件與通用的仿真算法庫(kù)并存；(7)多媒體仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)使仿真的內(nèi)容大大得到拓寬。四、液壓仿真技術(shù)新的發(fā)展方向：(1)液壓系統(tǒng)的建模研究不斷地深入建立正確的液壓系統(tǒng)模型，始終是液壓技術(shù)研究人員工作的 熱點(diǎn)。高校研究機(jī)構(gòu)開展的許多工作都是圍繞著這一點(diǎn)展開的。新的原理、新的機(jī)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，新的建模問(wèn)題就隨之而來(lái)。還有許多其 他長(zhǎng)期來(lái)懸而未解的問(wèn)題，如流體在復(fù)雜閥道中的流動(dòng)情況，閥口流量

16、系數(shù)、液動(dòng)力系數(shù)等 軟”參數(shù)的正確確定等等。這些工作有待于界內(nèi) 人士的不斷努力。(2)動(dòng)畫技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合動(dòng)畫技術(shù)的引入，給仿真結(jié)果的輸出表示帶來(lái)了全新的感覺。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)畫技術(shù)的實(shí)現(xiàn)越來(lái)越容易，如VisulC語(yǔ)言 就可以支持動(dòng)畫的產(chǎn)生和制作。浙江大學(xué)曾應(yīng)用動(dòng)畫技術(shù)開展對(duì)全路 面汽車起重機(jī)電液控制系統(tǒng)的仿真，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上看到起重機(jī) 吊臂的運(yùn)動(dòng)。(3)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)為了使仿真計(jì)算更直觀、更具說(shuō)服力，常常采用實(shí)時(shí)仿真。所謂實(shí)時(shí)仿真，包含兩層含義：一是仿真結(jié)果的表達(dá)采用動(dòng)畫技術(shù)，二 是在計(jì)算機(jī)屏幕上能”實(shí)時(shí)”地看到系統(tǒng)的動(dòng)作。實(shí)時(shí)仿真對(duì)數(shù)據(jù)處理 速度提出較高的要求，并通常需要一個(gè)三維實(shí)體造型器的支持。(4)并行仿真技術(shù)由于數(shù)學(xué)模型因考慮多種因素而變得越來(lái)越復(fù)雜，而仿真結(jié)果的輸出則希望越來(lái)越快，因此，仿真方法對(duì)數(shù)據(jù)處理速度提出很高 的要求。多計(jì)算機(jī)或多CPU同時(shí)對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行仿真計(jì)算，是解決大 量數(shù)據(jù)計(jì)算的有效途徑，因而并行仿真方法應(yīng)運(yùn)而生。并行仿真環(huán)境 可以借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成，這對(duì)擁有眾多微機(jī)的大多數(shù)國(guó)內(nèi)單 位來(lái)講，在沒(méi)有大型計(jì)算機(jī)條件下開展高水平仿真研究，是一種最佳的 選擇。(5)多媒體技術(shù)在仿真中的應(yīng)用多媒體技術(shù)使仿真結(jié)果的表示方式更加多樣化，例如它可在流 場(chǎng)可視化仿真中讓人們聽到管道中由于氣蝕而產(chǎn)生的噪聲。多煤體仿真在技術(shù)上是成熟的，經(jīng)濟(jì)