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