仿真技術(shù)在液壓控制方面的應(yīng)用與發(fā)展解讀

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(xué)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(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

2、統(tǒng)不僅應(yīng)有良好的靜 態(tài)性能，而且還應(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

3、，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(dǎo)建立已有液壓元件或系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型，用實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行比較 驗證數(shù)學(xué)模型的準確度 ,并把這個數(shù)學(xué)模型作 為今后改進和設(shè)計類似元件或系統(tǒng)的仿真依 2. 通過建立數(shù)學(xué)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

4、 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)。 、液壓建模與仿真的方法 仿真技術(shù)的三個主要組成部分是數(shù)學(xué)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

5、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(xué)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(xué)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(xué)模型，并進行 仿真計算輸

6、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 Aircraft Company) 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 System Simulation) 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

7、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 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

8、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

9、、信號、熱 力學(xué)、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(xué)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(fù)雜的數(shù)據(jù)庫 技術(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(xué)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(xué)運算軟件 Mathmathic 之間采用了 Java 接

10、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

11、 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(xué)研究機構(gòu)也相互提供了接口。 綜合考慮，由于液壓仿真軟件對用戶最為 “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(xué)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(fù)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

12、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(xué)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(xué)方程，通過解方程組之類 的數(shù)學(xué)途徑，導(dǎo)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(fù)雜或是知識積累不夠的情況下，根 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(fù)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

13、 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

14、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 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

15、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 ”

16、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(xué)模型因考慮 多種因素而變得越來越復(fù)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CPU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(fù)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?取代傳統(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