仿真技术在液压控制方面的应用与发展

龙手

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。
) ^5 F+ S5 d3 V4 B3 R; v2.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。
! q  h' \& l4 W: k; u( ^! ?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。
& c! V- h. U9 U3 Q7 I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；
3 c! H  B( J5 v5 x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。
% Z$ w# F% k, \) S# T: ]( ^$ X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。
! M  J4 `( D( S+ {: r8 T(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。
6 M2 E% `4 N4 X. o7 y& \6 ?(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下图所示。
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数据库管理的仿真环境示意图
* R) F. O2 ^0 M3 b! ~6 S/ ~  k" X图中，Dynmoc 用以生成元件模型和系统连接的Fortran 程序，而数据库，仿真程序和数学运算软件Mathmathic 之间采用了Java 接口。Amos模型数据库对数据进行集中管理，实现数据共享，保证数据的一致性和安全性以及用户操作的独立性，迅速准确地实现数据查询和通信。
9 n& ^  i" n( T; Y$ [(4)图形化操作界面：目前，几乎所有知名的液压仿真软件都支持图形化操作界面，从而使仿真技术能够更广泛地用于工程实际、更大范围的商品化。元件模型在软件中用图标表示，元件型号和元件参数通过操作液压原理图直接选取，软件通过各自的识别技术、回路的拓扑信息及组成元件的模型,由计算机自动生成回路的仿真描述文件或程序。
(5)支持实时仿真及提供与通用软件相匹配的接口，当前的液压仿真软件的积分运算器都包含了可变步长的功能,加上硬件速度的飞速提高，仿真速度大大提高，实现实时仿真已不是那么困难，而实时仿真使仿真人员在计算机屏幕上“实时”地看到系统的动作，使仿真计更直观、更具说服力。在软件的接口方面，MATLAB/SIMULINK 已经成为所有液压仿真软件的通用接口，一些有合作关系的公司和大学研究机构也相互提供了接口。
8 h1 m* `; C/ n1 F- E1 E综合考虑，由于液压仿真软件对用户最为“友好”,因此应用面最为广泛。
三、液压仿真技术存在的主要问题
(1)系统建模不易
对液压系统进行建模的首要任务就是建立数学模型，最困难的就是进行建模，然后才可能进行计算机研究，建模是一件相当复杂的工作。目前大多数采用状态方程建模，但也有一些软件采用传递函数或键合图进行建模。这些对于一般的液压工作者来说存在着难度。传统的定量仿真技术首先要建立精确的数学模型，将对象系统的结构和功能表示成为以微分方程为主的一系列数学方程，通过解方程组之类的数学途径，导出基于函数解或是数值解的系统行为描述后才可能进行计算机仿真。但在实际系统太复杂或是知识积累不够的情况下，根本不可能构造出系统的精确定量模型。
这一方面，利用相似系统这一概念，液压系统这样的非电系统可以通过系列的转换化为相似的电路系统。首先使用电路元件的符号可以把复杂的液压系统职能符号变成便于阅读和分析系统特性的电路图。其次，利用各种成熟的电路理论技术，例如阻抗概念和各种网络理论（如网络的拓扑分析法），可以有效地用于实际液压系统地分析。再次，电路元件更换方便，数值容易改变，测量电流和电压都比较方便。非常重要地一点是，各种近代电路理论，如网络方程，图论，分裂法等，在近二三十年都得到了长足地发展，在计算机辅助分析和设计领域都得到了成功应用。因此借鉴已有经验，可以将液压回路（或是液压单元）和液压系统转换维结构和特性类似的电回路和电系统来研究。
(2)系统仿真的精度和可靠性不高
由于液压仿真软件和仿真技术等方面的原因，仿真结果的精度不是很高。如果建模的原理和方法不正确、模型简化、对模型原始数据的选取存在偏差和计算机性能的影响都会降低仿真结果的精度。
(3)仿真模型库不完善
在大多数的液压系统仿真系统中，一般将仿真元件简单分为液压泵，液压马达，液压阀，液压缸和液压辅件等五类。然而据此建立的模型库都是标准元件，而在实际液压系统中还存在许多元件是模型库中没有的，因此需要另外编入。
4 p# I; ]6 l/ H+ w  O/ N8 \9 J5 |4 Y+ J(4)液压软件的通用性不好
许多仿真软件是某一专门领域的，对液压系统中的元件和仿真参数都有严格的要求，因此使用不同的仿真软件对同一系统也需要编写不同的仿真程序，即这些软件的移植性和其他软件的接口性不好。
* B1 U% p. i4 N- x四、液压仿真技术的发展方向
今后液压仿真技术的发展方向主要有:
1 y4 `  L( N; N! w" D, ]1.深入研究系统的建模和算法：模型是仿真的基础，建立正确的模型，能更深入、更真实反映系统的主要特征。因此应大力发展建模技术，力求为系统设计和分析提供准确的依据，使系统工作能更真实反映实际情况。同时，液压仿真软件的实际应用平台开始转向微机，这就对单机算法的改进提出了要求。
2.最优化设计的研究：仿真软件的优化设计包括结构设计的最优化、参数最优化及性价比的最优化。用现代控制理论和人工智能专家库设计系统结构，并确定系统参数，缩短设计周期，达到最优的效果。
4 `7 I5 f6 C7 V3.实时仿真技术的研究：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。
6 k1 a3 F# t& ?4.并行仿真技术的研究：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。
5.仿真软件与实际物理系统的连接：以实际的物理部件作为仿真模型的一部分，使仿真过程更加灵活、更有可信度。目前在国防工业的武器研制中大量使用了半实物仿真系统，而在液压领域才刚刚起步。主要的困难在于接口，因为额外的传感器不仅增加了费用，也引入了误差，使系统更加复杂。
% i$ b. s8 e& n/ N5 j) M2 H6.进行多媒体技术与面向对象技术的研究：多媒体技术特别是多媒体动画技术可以动态直观地表示液压传动内容，而用面向对象的方法取代传统模块式的液压仿真软件设计，它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型，弥补了模型与实际系统之间的差距，从而可以使系统的运作通过对象之间的接口和消息传递实现，简化仿真系统的复杂性，增强了仿真研究的直观性和易理解性。另外，通过该仿真技术可以很容易实现和计算机图形学、管理决策等学科的结合，从而建立一个基于面向对象技术的仿真模型可视化输入环境
: t) u, w  @. q, k7.半物理仿真的研究：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。
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