#仿真技術在液壓控制方面的應用與發(fā)展

1、仿真技術在液壓控制方面的使用和發(fā)展仿真技術作為液壓系統(tǒng)或元件設計階段的必要手段，已被業(yè)界廣泛認識。液壓仿真技術，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領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，可靠性理論等相關學科的發(fā)展，特別是計算機技術的突飛猛進，液壓仿真技術也日益成熟，越來越成為液壓系統(tǒng)設計人員的有力工具。一、仿真技術在液壓領域的使用一個比較完善的液壓系統(tǒng)不僅應有良好的靜態(tài)性能，而且還應具有良好的動態(tài)性

2、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計時，常常憑借設計者的知識和經(jīng)驗用真實的元部件構成一個動態(tài)系統(tǒng)，然后在這個系統(tǒng)上進行實驗，研究結構參數(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計和試驗。計算機仿真技術不僅可以在設計中預測系統(tǒng)性能，減少設計時間，還可以通過仿真對于所設計的系統(tǒng)進行整體分析和評估，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短設計

3、周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。仿真技術在液壓領域的使用主要包括：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，用實驗結果和仿真結果進行比較驗證數(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)的調整范圍，從而縮短系統(tǒng)的調試時間，提高效率。3. 通過仿真實驗研究測試新設計的元件各結構參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，確定參數(shù)的最佳匹配，提供實際設計所需的數(shù)據(jù)。4. 通過仿真實驗驗證新設計方案的可行性及結構參數(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構。、液壓建模和仿真的方法仿真技術的三個主要組成部分是數(shù)學建模、模

4、型解算和仿真結果分析。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,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。所以這種方法在研究機構中的研究人員和研究生用得較多；第二種方法是數(shù)學模型由用戶自行建立,選用一

5、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(McDonnellDouglasAircraftCompany)率先

6、開發(fā)的用以預測液壓元件和系統(tǒng)工作性能的AFSS(AdvancedFluidSystemSimulation)仿真軟件包,使液壓設計從經(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系,能反映元件間的負載效應及系統(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使用。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)的分析存在著若干限制,從而影響了該軟件的推廣。由

7、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。自定義元件模型應該可以用軟件自帶的元件模塊組裝。(2) 支持多領域建模仿真：在現(xiàn)代實際的工程使用設計中，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

8、機械和電子器件，這就要求仿真時可以加入其他領域的模型，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)庫技術使用和技術文檔生成功能：一個仿真系統(tǒng)最主要的技術文檔是系統(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)庫技術，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

9、，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、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和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

10、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，一些有合作關系的公司和大學研究機構也相互提供了接口。綜合考慮，由于液壓仿真軟件對用戶最為“友好”,因此使用面最為廣泛。三、液壓仿真技術存在的主要問題系統(tǒng)建模不易對液壓系統(tǒng)進行建模的首要任務就是建立數(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

11、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)的定量仿真技術首先要建立精確的數(shù)學模型，將對象系統(tǒng)的結構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，根本不可能構造出系統(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，例如阻抗概念和各種網(wǎng)絡理論（如網(wǎng)絡的拓撲分析法），可以有效地用

12、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計領域都得到了成功使用。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)轉換維結構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等方面的原因，仿真結果的精度不是很高。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

13、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、液壓仿真技術的發(fā)展方向今后液壓仿真技術的發(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，建立正確的模型，能更深入、更真實反映系統(tǒng)的主要特征。因此應大力發(fā)展建模技術，力求為系統(tǒng)設計和分析提供準確的依據(jù)，使系統(tǒng)工作能更真實

14、反映實際情況。同時，液壓仿真軟件的實際使用平臺開始轉向微機，這就對單機算法的改進提出了要求。2. 最優(yōu)化設計的研究：仿真軟件的優(yōu)化設計包括結構設計的最優(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計系統(tǒng)結構，并確定系統(tǒng)參數(shù)，縮短設計周期，達到最優(yōu)的效果。3. 實時仿真技術的研究：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：一是仿真結果的表達采用動畫技術，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，

15、而仿真結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運而生。并行仿真環(huán)境可以借助計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。5. 仿真軟件和實際物理系統(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. 進行多媒體技術和面向對象技術的研究：多媒體技術特別是多媒體動畫技術可以動態(tài)直觀地表示液壓傳動內(nèi)容，而用面向對象的方法取代傳統(tǒng)模塊式的液壓仿真軟件設計，它根據(jù)組成系統(tǒng)的對象及其相互作用關系來構造仿真模型，彌補了模型和實際系統(tǒng)之間的差距，從而可以使