液压仿真技术

第五讲液压仿真技术
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,在我国也有20多年的发展历史。

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、国外相关液压仿真软件剖析
在国际上,有许多成熟的仿真软件包广泛应用于液压领域的设计过程中,其中德国亚琛工业大学的DSH软件和英国Bath大学的Bath/fp 是推出得最早,在行业中影响也是最大。

随着这几年来的发展,又有数十款液压仿真软件和通用的系统仿真软件应运而生。

下面将对Bath/fp、DSH、瑞典的HOSPAN、
法国的AMESIM 和美国的Simulink 这五个系统进行较为全面的介绍。

1、英国的Bath/fp
Bath/fp 系统图1 ,是专门用于液压与气动系统的时域仿真软件,由英国Bath 大学传动与运动控制中心( Centre for Power Transmission and Motion Control)开发。

该软件在上世纪80 年代初先以HASP为名出现的,1992年以全新的面貌,推出其升级版,命名为Bath/fp。

该系统运行在Unix 和Linux 的X Windows下。

该软件采用面向原理图的图形建模方法,但原理图的编辑过程仍然比较粗糙。

总体上离商品化还有一段距离(比如元件图标放上
去后就不能再移动,改变图标位置必须删除这个图标后重画或通过复杂的菜单操作完成),仿真的速度也不太理想。

参数赋值通过双击元件图标弹出赋值对话框的形式完成,各个元件的缺省参数,依据与实际值接近的原则进行预设,方便了使用者进行取值。

相同元件之间可以拷贝参数值,也可以选择一批元件,然后在一个文本文件中列出各个元件的参数名,在文本文件中按规范设置参数值。

目前该软件还没有优化和网络功能三维动画功能,也没有提供与其他软件的接口。

该软件的特点:
面向原理图的建模;齐全的可扩展的元件库(包括液压,气动的标准元件库,管道库,子元件库,控制库,负载库) ;将非线性仿真获得数据进行线性处理,以方便与控制包的连接。

2、德国的DSHplus
该软件现为德国FLUIDON 股份有限公司的产品,是专用的液压仿真软件系统。

该公司是从德国亚琛大学流体传动及控制研究所分离出来的。

DSHplus的早期版本于1972开发,早期版本叫DSH。

DSHplus是其升级版本。

该软件采用C++语言编写,运行时需要C++编译器支持。

德国亚琛工业大学将该软件作为主打产品,成立相应公司进行市场化运作,这有利于高校的研究成果走向市场,更好地服务于行业,同时也有利于仿真软件的进一步发展。

系统面向原理图建模,具有图形建模功能。

对元件进行了细致的分类,共有10 大类,然后层层细分。

元件图形采用ICON图,原理图可缩
放。

每个元件由3部分构成:ICON ,元件参数和元件函数描述。

参数通过对话框设定,系统提供元件每个参数的默认值。

该软件拥有优化功能,通过自动搜索获得对要优化的控制器的设置或者是参数的最优值。

同时,目前提供对MATLAB ,Simulink 和ADAMS等许多软件的接口,也可以将输出接入硬件系统中,参加系统运行。

该软件的最重要的特点有这样几点:与多数软件拥有接口;具有丰富的元件库;仿真算法中融入神经网络技术。

3、瑞典的HOPSAN 软件
HOPSAN软件由瑞典林雪平大学流体机械工程系统部(Fluidand Mechanical Engineering Systems at the Department of Mechanical Engineering (IKP) at Link Ping university,Sweden)开发,最早于1977 推出。

由于拥有丰富的液压元件子程序库,特别适合液压系统的仿真。

该软件最初是为微型机开发,2001 年发布了该软件Windows NT版本,该新版本还可以应用于实时系统的测量和控制。

该软件系统被许多研究机构和生产企业所使用,林雪平大学也不断地投入人力,进行进一步的完善与开发。

HOPSAN软件的建模方法是元传输线法(Unit Transmission Lines ),源于特征法( the method of characteristics ) 和传输线建模(Transmission Line Modelling ) 。

这种方法特别适合并行计算,从而提高计算速度和实现分布计算功能。

在传输线方法上增
加了可变时间步长法, 解决系统的刚性和断点问题。

与键合图法
(BOND GRAPH )相比,键合图法只能描述元件间的连接关系,不能反映元件间的因果关系,而传输线法能够描述出元件间的因果关系。

该软件还拥有图形建模功能,元件图采用WMF 图元文件格式,新版本的软件增加了WMF 图元文件编辑器。

它的图形建模功能较好,界面友好,编辑方便,效率很高,速度快;有系统连接时合理性的判断,对错误的连接方式可以在一定程度上避免。

可以方便地更改元件的图形文件,实现元件图的转换。

缺点是图形不够美观。

该软件有图形元件库, 元件库元素可以动态添加,用户可以编辑软件, 设定元件图形, 连接用的油口, 以及用于仿真计算的变量等。

但是没有提供元件参数库。

参数的赋值通过对话框设定。

新版HOPSAN 增加了优化功能,可以对系统的一些行为进行优化。

也可以用来进行离线参数评估,通过计算比较仿真结果和测量结果的差别,并且通过优化使之最小。

在一定程度上,实现了仿真与实验的连接。

在许多液压系统中,需要一个操作工来关闭控制循环。

通过实时仿真可以验证这样的控制系统是否需要操作工。

在半物理仿真(部分系统是仿真的部分系统是真实的)硬件混合系统的混合过程中,可实现实时仿真。

为了获得实时性能,需要采用非常有效的仿真方法。

在HOPSAN 仿真软件中,机械系统和液压系统是采用特征方法( the method of characteristics)处理的。

通过这种方法,表示一个元件的微分方程式,可以在代表这个元件的子程序中完整求解。

因此,这是一种对微分方程组进行分布式求解的方案。

通过分布式求解器
( distributed solver ) ,一个液压系统
可以很容易的被描述成由并行的子过程( parallel processes ),各个子程序在不同的处理器上对各个元件或元件组进行并行仿真。

该软件新增了系统图的输出,输出格式为BMP格式。

但没有三维动画功能。

为了进行有效的仿真试验,该软件拥有强大的命令接口,这可以对参数变化研究进行系列的仿真,还有诸如频率分析等强大的后处理工具。

同时,拥有Matlab软件的接口。

该软件的最重要的三个特点可归纳为:动态的图形元件库和图形建模功能;优化方法用于对系统行为的优化和参数的离线评估以及具有实时仿真和分布式计算功能。

4 、法国IMAGINE公司的AMESim
AMESim系统是由法国IMAGINE公司开发的,可用于完成工程系统的建模,是一个通用的仿真和动态性能分析的一个图形化开发环境。

IMAGINE公司于1986年在法国成立,目前已经发展成为一个国际化的大公司,于2001 年开始进入中国市场。

AMESim 软件的界面用C++ 实现,算法用FORTRAN 语言实现,不需要其他商用软件作支撑。

该系统面向原理图建模。

其优点是不要求用户具备完备的仿真方面的专业知识,更易于为广大工程技术人员掌握和使用。

在绘制的原理图上选定要赋值的元件,单击后,打开该元件的参数赋值对话框,便可赋值。

“软”参数也按同样方法赋值。

由于该系统不是一个专用的液压仿真软件,无液压元件参数库。

输出的方式有文本和图形两种形式。

但是,该软件无优化功能。

也无网络功能,不能远程异地仿真功能,也无三维动画功能。

该软件的主要特点可归纳为这样三点:一是模型库丰富,多达14种;二是与Matlab,Simulink,Adams等多种软件拥有接口;三是有开放的数据库,可将用户开发的子模型融入AMESim的数据库。

5、著名的通用仿真软件Simulink
Simulink系统是Mathtools 公司的科学计算语言Matlab 的一个分支,主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真,目前广泛应用于动力系统仿真、信号控制模拟、机器人控制模拟及其生物医学工程等诸多领域,在全世界范围内有庞大的用户群。

在美国和其他发达国家的理工院校,Matlab和Simulink
的使用已经成为了一门必修课。

Simulink本身没有专门针对流体仿真的工具箱,用户使用时要自己建立模型,但已有的大量控制模块可以任意调用。

同时Mathtools公司另行开发的一些收费模块( Automative,SimMechanics )里包含大量的机械,液压,气动模型,拷贝后可以使用。

其主要界面如下:
Simulink系统使用Matlab语言,也可以与C、C++结合,搭建系统时,可以结合优化工具箱进行优化;可以结合Virtual Reality
工具箱实现三维动画功能;可以结合Matlab的网页服务程序在Web 应用中使用仿真。

该软件因为没有流体仿真工具箱,液压系统建模复杂,使用
Simulink,需要对系统的数学模型有深刻的理解;支持三维动画和网络仿真,但是实现起来比较复杂;应用最广泛,几乎所有的商业仿真软件都提供了与它的接口。

二、液压仿真软件存在的几个问题
分析上述软件,可以认为现有的大多液压仿真软件,包括一些通用仿真软件,存在着这样几个问题:
1)面向原理图建模的图形界面,仅仅是一个输入工具而已;
2)实际上只能对简单的液压系统进行仿真,或者说只能对化简了的系统进行仿真;
3)仿真过程不利于创新思维的运用;
4)仿真与优化脱节,事实上仿真无法直接指导系统的设计优化;
5)仿真软件得不到强大的液压元件参数库的支持;
6)软参数的确定仍然带有很大的盲目性;
7)实验与仿真的对比分析的功能不强;
8)仿真结果的再利用,没有得到深入的发掘。

三、近年来,仿真技术的几个特点:
(1)随着对系统动态响应要求的提高,仿真的重要性日益提高;
(2)仿真技术既可对连续系统仿真,又可对离散系统进行仿真;
(3)强调计算机图形技术、面向对象技术与仿真技术的结合;
(4)分布式仿真技术在广泛应用,在某些场合,数学模型由于各种原因是分布在不同的计算机中的。

(5)仿真不仅研究系统的动力学特性,同时也可研究系统的运动学等特
性;
(6)专用仿真软件与通用的仿真算法库并存;
(7)多媒体仿真、虚拟现实使仿真的内容大大得到拓宽。

四、液压仿真技术新的发展方向:
(1)液压系统的建模研究不断地深入
建立正确的液压系统模型,始终是液压技术研究人员工作的热点。

高校研究机构开展的许多工作都是围绕着这一点展开的。

新的原理、新的机构的不断出现,新的建模问题就随之而来。

还有许多其他长期来悬而未解的问题,如流体在复杂阀道中的流动情况,阀口流量系数、液动力系数等“软”参数的正确确定等等。

这些工作有待于界内人士的不断努力。

(2)动画技术与仿真技术的结合
动画技术的引入,给仿真结果的输出表示带来了全新的感觉。

随着计算机技术的发展,动画技术的实现越来越容易,如VisulＣ语言就可以支持动画的产生和制作。

浙江大学曾应用动画技术开展对全路面汽车起重机电液控制系统的仿真,实现在计算机屏幕上看到起重机吊臂的运动。

(3)实时仿真技术
为了使仿真计算更直观、更具说服力,常常采用实时仿真。

所谓实时仿真,包含两层含义:一是仿真结果的表达采用动画技术,二是在计算机屏幕上能”实时”地看到系统的动作。

实时仿真对数据处理速度提出较高的要求,并通常需要一个三维实体造型器的支持。

(4)并行仿真技术
由于数学模型因考虑多种因素而变得越来越复杂,而仿真结果的输出则希望越来越快,因此,仿真方法对数据处理速度提出很高的要求。

多计算机或多CPU同时对同一问题进行仿真计算,是解决大量数据计算的有效途径,因而并行仿真方法应运而生。

并行仿真环境可以借助计算机网络系统来构成,这对拥有众多微机的大多数国内单位来讲,在没有大型计算机条件下开展高水平仿真研究,是一种最佳的选择。

(5)多媒体技术在仿真中的应用
多媒体技术使仿真结果的表示方式更加多样化,例如它可在流场可视化仿真中让人们听到管道中由于气蚀而产生的噪声。

多煤体仿真在技术上是成熟的,经济上也是可行的。

因此相信今后一定能看到多媒体仿真技术在液压领域中的应用,譬如在高校中替代液压实验教学的计算机辅助教学系统中,就可采用多媒体仿真技术。

(6)半物理仿真
半物理仿真的特征是仿真模型中包含物理模型。

当一些系统部件和现象难于建模,或在某些特殊要求下,系统的某些部分或其相似系统成为仿真模型的一部分,从而使仿真结果更具说服力。

半物理仿真中要解决的关键问题是处理好仿真模型中数学部分与物理部分的衔接。

液压仿真技术的欣欣向荣景象,使我们相信液压仿真技术有其巨大的
生命力。

液压仿真技术的研究与应用,必将推动液压技术的加速发展。