仿真技术在液压控制方面的应用与发展

仿真技术在液压控制方面的应用与发展

仿真技术作为液压系统或元件设计阶段的必

要手段，已被业界广泛认识。液压仿真技术，从诞生到今天，已经有30 多年的历史。国外早在1973年，第一个直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件HYDSIM程序研制成功。它是由美国俄克拉何马州立大学推出的。到现在为止，对液压元件和系统利用计算机进行仿真的研究已有30多年的历史，随着流体力学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力工具。

一、仿真技术在液压领域的应用

一个比较完善的液压系统不仅应有良好的静

态性能，而且还应具有良好的动态性能。这是因为系统中执行元件的速度﹑动作和方向以

及外载荷经常在不断变化，如果系统的动态特性不灵敏，则反馈信号就无法被系统很快执

行，造成系统灵敏死区、动作死区等，这样被加工出来的零件精度就会降低。

以前人们在研究和设计时，常常凭借设计者的知识和经验用真实的元部件构成一个动态系统，然后在这个系统上进行实验，研究结构参数对系统动态特性的影响。用这种方法进行参数调节比较困难，要花费大量的人力、物力和时间,而且一次性成功的把握很小。这就要求人们利用其它方法对元件进行设计与试验。计算机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，减少设计时间，还可以通过仿真对于所设计的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的。

仿真技术在液压领域的应用主要包括：

1.通过理论推导建立已有液压元件或系统的数学模型，用实验结果与仿真结果进行比较,验证数学模型的准确度,并把这个数学模型作为今后改进和设计类似元件或系统的仿真依

据。

2.通过建立数学模型和仿真实验，确定已有系统参数的调整范围，从而缩短系统的调试时间，提高效率。

3.通过仿真实验研究测试新设计的元件各结构参数对系统动态特性的影响，确定参数的最佳匹配，提供实际设计所需的数据。

4.通过仿真实验验证新设计方案的可行性及结构参数对系统动态性能的影响，从而确定最佳控制方案和最佳结构。

二、液压建模与仿真的方法

仿真技术的三个主要组成部分是数学建模、模型解算和仿真结果分析。液压仿真一般采用这样三种方法:

第一种方法是自行编程仿真，对于较为简单的系统，而仿真者具有较好的建模能力和一定编

程能力，则自行编程进行仿真，早在五十年代, Hanpun (1953) 和Nightingale (1957) 就分别作了液压伺服系统动态性能分析, 那时采

用的是传递函数法, 一般只分析系统的稳定

性及频率响应, 这是一种理论成熟、简单实用的方法, 直到现在, 仍被广泛采用。但这种方法只能用在单输入－单输出的线性定常系统中, 不足以描述系统内部的各变量的特征, 也不易处理液压系统中普遍存在的非线性问题。所以这种方法在研究机构中的研究人员与研究生用得较多；

第二种方法是数学模型由用户自行建立,选用一些通用的算法系统进行仿真，如常用的MATLAB/SIMULINK 软件，它提供了许多数学模型解算工具，更值得一提的是这类软件还提供较好的仿真结果后处理功能。该方法越来越多地为研究人员所使用；

第三种方法是选用专用的液压仿真软件进行仿真，这类专用软件一般提供建模工具，用户只要根据要求用原理图等方式输入仿真用数

据，专用软件便可自动建立数学模型，并进行仿真计算输出仿真结果。

依据建模方法的不同, 这些软件主要可分为

两种, 即用状态方程方法建模的仿真软件和

用键合图方法建模的仿真软件。绝大多数液压仿真软件采用状态方程方法建模。如美国麦道飞机公司(McDonnell Douglas Aircraft Company)率先开发的用以预测液压元件和系统工作性能的AFSS (Advanced Fluid System Simulation)仿真软件包, 使液压设计从经验

估计提高到定量分析的水平。

键合图是由美国的H. M. Paynter 于六十年代初发明的, 它以图形方式来表达系统中各元

件间的相互关系, 能反映元件间的负载效应

及系统中的功率流动情况, 可用来描述液压

回路的动态特性, 是研究液压动力系统的有

力工具。目前已开发出了几种采用键合图方法建模的液压仿真软件, 如美国在80年代末开发的面向键合图的动力系统通用仿真程序ENPORT , 已在一定的范围获得应用。但该程

序需要在大容量、大型计算机上运行, 并且对于非线性系统的解析存在着若干限制, 从而

影响了该软件的推广。由于对于绝大多数用户来说从键合图出发的起点过高, 而一个较好

的液压系统仿真软件包需要具有开放性和可扩充性, 因此从长远考虑用状态方程方法建

模更有生命力。

但是不论是基于何种原理的仿真软件，纵观近几年液压仿真技术的发展，现代液压仿真软件一般都具有如下功能：

(1)广泛的基本液压元件模型及灵活的组装：只有广泛的基本液压元件模型才能够适应各种仿真要求,但无论基本模型库多么包罗万象，也不可能包含用户对元件模型的全部要求。自定义元件模型应该可以用软件自带的元件模块组装。

(2)支持多领域建模仿真：在现代实际的工程应用设计中，几乎很少有纯粹的液压系统存在。液压系统通常仅仅是作为整个系统的一部分，

即使元件也可能包括机械和电子器件，这就要求仿真时可以加入其他领域的模型，最常见的如DSH 中加入电子和机械方面的仿真模型，而Amesim带有液压、机械、控制、信号、热力学、气动等多种模型库。

(3)数据库技术应用和技术文档生成功能：一个仿真系统最主要的技术文档是系统的原理图,其他还包括元件的微分和代数方程的数学模型描述、参数、仿真结果、其他产品信息等。实现这一功能的手段开始采用复杂的数据库技术，而不是以传统的难以管理的文件系统形式。以瑞典某大学的液压仿真软件Hopsan 为例，其使用数据库管理的仿真环境示意图如图1 所示。