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(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。國(guó)外早在 1973 年，第一個(gè)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(guó)俄克拉何馬州立大學(xué)推出的。 到現(xiàn)在為止， 對(duì)液壓元件和系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(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、仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用一個(gè)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(dòng)態(tài)性能。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中執(zhí)行元件的速度、動(dòng)作和方向以及外載荷經(jīng)常在不斷變化， 如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不靈敏，則反饋信號(hào)就無(wú)法被系統(tǒng)很快執(zhí)行，造成系統(tǒng)靈敏死區(qū)、動(dòng)作死區(qū)等，這樣被加工出來(lái)的零件精度就會(huì)降低。以前人們?cè)谘芯亢驮O(shè)計(jì)時(shí)， 常常憑借設(shè)計(jì)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)用真實(shí)的元部件構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，然后在這個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。 用這種方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)比較困難，要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)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(duì)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以在設(shè)計(jì)中預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，還可以通過(guò)仿真對(duì)于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和

3、評(píng)估， 從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度,并把這個(gè)數(shù)學(xué)模型作為今后改進(jìn)和設(shè)計(jì)類似元件或系統(tǒng)的仿真依據(jù)。2 .通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)間，提高效率。3 .通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究測(cè)試新設(shè)計(jì)的元件各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響， 確定參數(shù)的最佳匹配，提供實(shí)際設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)。4 .通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新設(shè)計(jì)方案的可行性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(gè)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(duì)于較為簡(jiǎn)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(jìn)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(dòng)態(tài)性能分析, 那時(shí)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(jiǎn)單實(shí)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(jī)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(jìn)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(lái)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(jìn)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(dòng)建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真計(jì)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(guó)麥道飛機(jī)公司(McDonnell Douglas AircraftCompany) 率先開發(fā)的用以預(yù)測(cè)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(jì)從經(jīng)驗(yàn)估計(jì)提高到定量分析的水平。鍵合圖是由美國(guó)的 H. M. Paynter 于六十年代初發(fā)明的 , 它以圖形方式來(lái)表達(dá)系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系, 能反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中的功率流動(dòng)情況, 可用來(lái)描述液壓回路的動(dòng)態(tài)特性, 是研究液壓動(dòng)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(guó)在 80

7、年代末開發(fā)的面向鍵合圖的動(dòng)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行,并且對(duì)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(duì)于絕大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)從鍵合圖出發(fā)的起點(diǎn)過(guò)高 , 而一個(gè)較好的液壓系統(tǒng)仿真軟件包需要具有開放性和可擴(kuò)充性 , 因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(wú)論基本模型庫(kù)多么包羅萬(wàn)象，也不可能包含用戶對(duì)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(shí)際的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的一部分，即使元件也可能包括機(jī)械和電子器件， 這就要求仿真時(shí)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(jī)械方面的仿真模型，而 Amesim 帶有液壓、機(jī)械、控制、信號(hào)、熱力學(xué)、氣動(dòng)等多種模型庫(kù)。(3)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)文檔生成功能： 一個(gè)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(shí)現(xiàn)這一功能的手段開始采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)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(xué)的液壓仿真軟件 Hopsan 為例， 其使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理的仿真環(huán)境示意圖如圖1 所示。圖1數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)，仿真程序和數(shù) 學(xué)運(yùn)算軟件Mathmathic之間采用了 Java接 口。Amos模型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理， 實(shí)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(dú)立性，迅速準(zhǔn)確地實(shí)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(shí)際、更大范圍 的商品化。元

10、件模型在軟件中用圖標(biāo)表示，元件型號(hào)和元件參數(shù)通過(guò)操作液壓原理圖直接 選取，軟件通過(guò)各自的識(shí)別技術(shù)、回路的拓?fù)湫畔⒓敖M成元件的模型,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成回路的仿真描述文件或程序。(5)支持實(shí)時(shí)仿真及提供與通用軟件相匹配的接口， 當(dāng)前的液壓仿真軟件的積分運(yùn)算器都包含了可變步長(zhǎng)的功能,加上硬件速度的飛速提高，仿真速度大大提高，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真已不是那么困難， 而實(shí)時(shí)仿真使仿真人員在計(jì)算機(jī)屏幕上 “實(shí)時(shí) ”地看到系統(tǒng)的動(dòng)作，使仿真計(jì)更直觀、更具說(shuō)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(jī)構(gòu)也相互提供了接口。綜合考慮，由于液壓仿

11、真軟件對(duì)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(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行建模，然后才可能 進(jìn)行計(jì)算機(jī)研究，建模是一件相當(dāng)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 些軟件采用傳遞函數(shù)或鍵合圖進(jìn)行建模。這些 對(duì)于一般的液壓工作者來(lái)說(shuō)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(duì)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(guò)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(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。但在實(shí) 際系統(tǒng)太復(fù)雜或是知識(shí)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(guò)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(hào)可以 把復(fù)雜的液壓系統(tǒng)職能符號(hào)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?fù)浞治龇ǎ?，可以有效地用于?shí)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(cè)量電流和電壓都比較方便。非常重要地一點(diǎn)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(zhǎng)足地發(fā)展， 在計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。因此借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，可以將液壓回路(或是液壓?jiǎn)卧?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(lái)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(jiǎn)化、對(duì)模型原始數(shù)據(jù)的選取存在偏差和計(jì)算機(jī)性能的影響都會(huì)降低仿真結(jié)果的精度。(3)仿真模型庫(kù)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(jiǎn)單分為液壓泵，液壓馬達(dá)，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(kù)都是標(biāo)準(zhǔn)元件， 而在實(shí)際液壓系統(tǒng)中還存在許多元件是模型庫(kù)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(duì)液壓系統(tǒng)中的元件和仿真參數(shù)都有嚴(yán)格的要求， 因此使

14、用不同的仿真軟件對(duì)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(shí)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(jì)和分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)，使系統(tǒng)工作能更真實(shí)反映實(shí)際情況。同時(shí)，液壓仿真軟件的實(shí)際應(yīng)用平臺(tái)開始轉(zhuǎn)向微機(jī)， 這就對(duì)單機(jī)算法的改進(jìn)提出了要求。2 .最優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究：仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化、 參數(shù)最優(yōu)化及性價(jià)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(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 并確定系統(tǒng)參數(shù)， 縮短設(shè)計(jì)

15、周期，達(dá)到最優(yōu)的效果。3 .實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的研究：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)的研究：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C P U同時(shí)對(duì)同一問題進(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)。5 .仿真軟件與實(shí)際物理系統(tǒng)的連接：以實(shí)際的物理部件作為仿真模型的一部分， 使仿真過(guò)程更加靈活、更有可信度。目前在國(guó)防工業(yè)的武器研制中大量使用了半實(shí)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?yàn)轭~外的傳感器不僅增加了費(fèi)用， 也引入了誤差，使系統(tǒng)更加復(fù)雜。6 .進(jìn)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(dòng)畫技術(shù)可以動(dòng)態(tài)直觀地表示液壓傳動(dòng)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(jì)， 它根據(jù)組成系統(tǒng)的對(duì)象及其相互作用關(guān)系來(lái)構(gòu)造仿真模型，彌補(bǔ)了模型與實(shí)際系統(tǒng)之間的差距，從