（机械电子工程专业论文）液压仿真软件图形化建模技术及软件实现方法研究.pdf

摘要 液压仿真技术在液压系统的设计、分析及优化过程中具有十分重要的价值， 正逐渐引起业界的广泛重视，相继涌现出了大批优秀的液压系统动态特性仿真软 件，这些软件都实现了图形化建模，方便了广大工程人员的使用。 在国内液压仿真软件发展水平相对滞后的情况下，本文在s i m u l z d 液压系 统动态特性仿真软件的基础上，通过采用面向对象技术、基于特征等技术以 v c + + 为开发工具，建立了基于特征的开放的液压元件图形库，实现了液压系统 原理图的图形化建模，又通过人机交互技术，实现了参数赋值、仿真结果的输出、 输出文档和参数优化等用户界面的开发，使液压仿真软件能够在最大程度上降低 了对用户的使用要求，更加方便了用户的使用。此外，本文还在软件中集成了仿 真优化模块，进一步完善了仿真软件的功能。 本论文具体包括以下内容： 1 ) 将面向对象法作为仿真软件的开发方法，分析了液压仿真软件的需求， 根据模块划分的基本准则，进行了仿真软件的结构设计，并确定仿真软件的体系 结构。确定了c 十+ 为开发语言，v i s u a l c - 卜 为开发工具，节点容腔法建模法为仿 真软件的建模方法。 2 ) 根据液压元件的不同类剐，通过定义元件图形类、类的继承和创建文档 模板等面向对象的编程方法，建立了个基于特征的开放的液压元件图形库，为 液压原理图豹绘制编辑提供了丰富的液压元件。同时，采用人机交互技术，为设 定图形符号库中的元件特征开发了图形交互界面，采用特征技术，为设定元件特 征提供了符合仿真要求规则的约束。该液压元件图形库描述了液压元件的图形特 征、模型特征和连接特征等特征属性。液压元件图形符号库为用户提供了开放的 接口，使用户可以在使用过程中对该库进行添加和修改。 3 ) 对液压系统仿真图形化建模技术进行了研究，通过定义图形实体类、创 建文档模板和充分利用各个鼠标消息的响应函数等面向对象的编程方法，为液压 仿真软件z j u s i m 开发了面向液压原理图的图形编辑器。在液压系统原理图绘制 过程中，通过人工智能技术，实现了基于节点法建模原理的图形化建模，为用户 的设计提供了指导。通过采用前序遍历算法，实现了液压系统原理图中元件间的 拓扑连接关系的自动提取、分析、判断，为最终自动生成系统仿真模型描述文件 创造了条件。此外，通过向工程中增加文档模板的方法，为液压系统模型描述文 件的手工编写提供了接口，保证了和原s i m u l z d 的兼容。 4 ) 结合面向对象技术和w i n d o w s 的g u i ，软件设计了面向原理图的赋值操 作，同时提供直接面向后台模型文件，参数文件的直接编辑。在元件模型的处理 上，使用一阶谓词逻辑将元件符号与元件的类别，型号，元件参数，参数单位相 关联，在此基础上进行数据查询、动态显示和修改，使元件库的修改和添加更加 简单。在参数优化模块的设计上，鉴于表征液压系统的微分方程组的非连续性和 目标约束函数的复杂性，采用遗传算法作为寻优算法。通过使用实数编码，保留 最优个体，选择合适的进化代数，种群数，变异概率，交叉概率，在内存区开辟 虚拟磁盘用于频繁的底层文件读写和编译等策略，最大地提高优化速度。 总之，通过本课题的工作，将d o s 系统下的仿真软件从图形建模到仿真结 果的输出全部实现了w i n d o w s 化，使仿真软件在使用的便利性方面上了一个崭 新的台阶，为广大的工程技术人员提供了方便而实用的仿真工具。 关键词：液压系统，仿真软件，面向对象技术，图形化建模，基于特征，仿真优 化，人机交互 a b s t r a c t f l u i dp o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ed e s i g n ， a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f f l u i dp o w e rs y s t e m s i th a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e di nt h e r e l e v a n te n g i n e e r i n gf i e l d a c c o r d i n g l yal o to f e x c e l l e n td y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e o ff l u i dp o w e r s y s t e m s h a se m e r g e d b e c a u s et h em o d e l i n gm e t h o db a s e do ng r a p h i c s i si n t u i t i v ea n da l l o w san o v i c eu s e rt og e ts t a r t e dv e r yq u i c k l y , i th a sb e e na d o p t e di n a l ln e w d e v e l o p e ds i m u l a t i o ns o f t w a r e t om a k eaf l u i d p o w e rs y s t e m sd y n a m i c b e h a v i o rs i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m u l z dt oi m p l e m e n tg r a p h i cm o d e l i n g ，ag r a p h i cm o d e l i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e z j u s i mb a s e do nt h es i m u l z dw a sa c h i e v e db yu s i n gv c + + a sat o o l ，a d o p t i n g o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g ya n df e a t u r e b a s e dt e c h n i q u e t h ez j u s i m u s e ri n t e r f a c e s u c ha st h e p a r a m e t e rs e t t i n g ，o u t p u t o fs i m u l a t i o n r e s u l t ，o u t p u t d o c u m e n ta n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nw a si m p l e m e n t e db yg r a p h i c a ll a s e r i n t e r f a c et e c h n i q u e t o i m p r o v et h ef u n c t i o no f t h ez j u s i mf u r t h e r , as i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nm o d u l ew a s i n t e g r a t e di ni t t h ed i s s e r t a t i o nc o n t a i n e dt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g yw a su s e dt ob ea st h ed e v e l o p m e n tm e t h o do ft h e z j u s i m t h er e q u i r e m e n t so ft h ez j u s i mw e r e a n a l y z e d t h es t r u c t u r e o ft h e z j u s i mw a sd e s i g n e d c + + w a su s e dt ob ea st h e d e v e l o p m e n tl a n g u a g e v i s u a lc + + w a su s e dt ob ea st h ed e v e l o p m e n tt o o l ，n o d e sm o d e l i n gm e t h o dw a su s e dt ob ea s t h em o d e l i n gm e t h o do f t h ez j u s i m a n o p e nf l u i dp o w e rc o m p o n e n tg r a p h i cl i b r a r yw a sc r e a t e da c c o r d i n gt ot h e s o r t so ff l u i dp o w e r c o m p o n e n t sb ya d o p t i n go b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g ys u c ha st h e d e f i n i t i o no fac o m p o n e n tg r a p h i c sc l a s s ，c l a s si n h e r i t a n c ea n dc r e a t i o no fan e w d o c u m e n tt e m p l a t e t h ef l u i dp o w e rc o m p o n e n t sa r eo f f e r e df o rd r a w i n gu paf l u i d p o w e rs c h e m a t i c s t u d yo nf e a t u r et e c h n i q u e ，t h ec o m p o n e n ta t t r i b u t ew a sd e f i n e db y s e t t i n gc h a r a c t e r sf o rm e e t i n gd e m a n d so fs i m u l a t i o n t h ef l u i dp o w e rc o m p o n e n t g r a p h i cl i b r a r yd e s c r i b e dt h eg r a p h i cf e a t u r e ，m o d e lf e a t u r ea n dc o n n e c t i o nf e a t u r eo f t h ef l u i d p o w e rc o m p o n e n t s t h ef l u i dp o w e rc o m p o n e n ti s p r o v i d e d a n o p e n i n t e r f a c ef o rau s e r t h eu s e rc a l la d d o r m o d i f y t ot h ef l u i dp o w e r c o m p o n e n tg r a p h i c l i b r a r y s t u d yo nf l u i dp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ng r a p h i cm o d e l i n gt e c h n i q u e ，ag r a p h i c e d i t o rt h a to b j e c t o r i e n t e df l u i dp o w e rs c h e m a t i cw a s d e v e l o p e df o rt h ez j u s i mb v - l l i t h ed e f i n i t i o no fag r a p h i c se n t i t yc l a s s ，c r e a t i o no fan e wd o c u m e n tt e m p l a t ea n d m a k i n gf u l l u s eo ft h em o u s em e s s a g er e s p o n s ef u n c t i o n d u r i n gd r a w i n gu p a s c h e m a t i c ，t h e n o d eo f g r a p h i cm o d e l i n g i so b t a i n e d b y a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e t e c h n i q u et oo f f e r ag u i d et ot h eu s e r t oc r e a t eaf l u i dp o w e rs y s t e mm o d e ld e s c r i p t i o nd o c u m e n t ，t h ec o n n e c t i o n a m o n gt h ec o m p o n e n t s i nt h ef l u i d p o w e rs y s t e m s c h e m a t i ci s a u t o e x t r a c t e d ， a n a l y z e da n dj u d g e db yt h em e t h o do fs e a r c h i n gt h ec o m p o n e n t c h a i ni n o r d e r t h e m e t h o do fa r la r t i f i c i a l i n p u tc o d e i s p r o v i d e df o rt h e f l u i dp o w e rs y s t e mm o d e l d e s c r i p t i o nd o c u m e n t t oe n s u r et ob ec o m p a t i b l ew i t ht h es i m u l z d o t h e r w i s e c o m b i n e dw i t l lt h et e c h n o l o g yo fo b j e c to r i e n ta n dw i n d o w s g u i t h ez j u s i mp r o v i d e ss c h e m a t i c - o r i e n t e de v a l u a t i o no p e r a t i o n sa n dd i r e c te d i t st o b a c k g r o u n dm o d e lf i l e sa n dp a r a m e t e rf i l e s o n eo r d e rp r e d i c a t ei si n t r o d u c e di n t ot h e d i s s e r t a t i o nw i t hal o g i cs e r v e rw r i t t e ni np r o l o gs ot h a ta n yc o m p o n e n t ss y m b o li s d y n a m i c a l l ya s s o c i a t e dw i t hi t st y p e ，p a r a m e t e rl i s t ，a n du n i t so fp a r a m e t e r s i ti sa c o n v e n i e n t w a yt om o d i f y a n du p d a t et h e c o m p o n e n tl i b r a r y a c c o r d i n gt o t h e n o n c o n t i n u i t yo fd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so ff l u i dp o w e rs y s t e ma n dt h ec o m p l e x i t yo f o b j e c t i v e c o n s t r a i n t f u n c t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o nu s e dg e n e t i c a l g o r i t h m a st h e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m o p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c yc a nb em a x i m a l l ye n h a n c e db yu s i n g s t r a t e g i e s o ff l o a t i n g p o i n t n u m b e r s c o d i n g ，c h o o s i n ga p p r o p r i a t e m u t a t i o na n d c r o s s o v e r ，n u m b e r so fg e n e r a t i o na n dp o p u l a t i o n ，k e e p i n gm u t a n t sw i t hh i g hf i t n e s s a n do p e n i n gav i r t u a ld i s ki n m e m o r ys p a c ef o rf r e q u e n tf i l e r e a d i n g ，w r i t i n g ， c o m p i l i n g ，a n dl i n k i n gd u r i n gt h eo p t i m i z a t i o n i naw o r d ，t h ep r o c e s so ff r o mt h e g r a p hm o d e l i n gt o t h e o u t p u t r e s u l to f s i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e do nw i n d o w sp l a t f o r mi n s t e a do ft h a to fd o s z j u s i m m a k ea g r e a ts t e pf o r w a r di nt h ec o n v e n i e n c ef o ru s e z j u s i mh a sb e e nd e v e l o p e dt o p r o v i d et h ed e s i g ne n g i n e e ro ff l u i dp o w e rs y s t e mw i t hac o n v e n i e n c ea n da p p l i e d t o o l k e y w o r d s ：f l u i dp o w e r s y s t e m ，s i m u l a t i o ns o l , w a r e ，o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d o l o g y g r a p h i cm o d e l i n g ，f e a t u r e b a s e d ，s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e i v 浙江人学博l ：后研究t 作报告 鞘一章靖论 第一章绪论 液压仿真能够预测系统的静态和动态特性，从而达到缩短产品的丌发周期， 降低产品的开发费用。而通用液压仿真软件是目前液压仿真发展的最高形式和 具体体现。因为开发工具的先进与否在一定程度上决定了产品的开发模式与开 发周期和费用。为了抢先占领市场，发达国家纷纷采用新近的训算机技术的研 究成果，将液压系统方面取得的最新技术成果集成在仿真软件中，为以后产品 的开发设计提供了方便的工具和手段。多年来，我国也非常重视液压仿真技术 的发展。本文通过借鉴国外仿真软件的特点，并在总结液压技术的研究成果的 基础上，采用了最新的计算机技术，实现了液压系统的计算机仿真为广大的 工程技术人员的丌发和设计工作提供了方便的实验研究工具。 液压仿真是计算机仿真技术在液压行业的应用，它是系统仿真的一个分支。 它的研究需要以系统仿真作为基本的技术支撑，因此，在进入液压系统计算机 仿真研究之前，需要对系统仿真技术的发展现状作以概要介绍。 1 1 系统仿真技术的发展 系统仿真是近5 0 年来发展起来的一门综合性很强的新兴学科，它为系统进 行设计、研究和决策提供了一个先进而有效的手段，并可缩短设计周期、降低 费用。它的使用特点是能够方便、安全、节省地研究一般系统，而且对于不可 能进行直接实践和重复的社会、经济和军事系统，计算机仿真更显出无可比拟 的优势。这些特点使系统仿真在各种不同的领域得到了极其广泛的应用，并取 得了极大的社会效益及经济效益。目前，计算机仿真已成为系统分析与设计、 新产品的开发、新理论的检验以及技能训练等渚多场合下不可缺少的研究工具 和研究手段。 11 1 系统仿真定义和组成要素 系统仿真是以建模理论、计算方法、评估理论为基本理论 】1 ，以计算机技术、 网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系 浙江大学博上后研究工作报旨第一章绪论 幽1 1 仿真三要素及三个基本活动 统工程等相关技术为支撑的综合性交叉 科学。它是以计算机和各种物理效应设备 为工具，利用数学模型或部分实物对实际 的或设想的系统进行的一种动态试验研 究过程。仿真( s i m u l a t i o n ) 是建立相应物 理系统的数学模型在计算机上解算的过 程。系统仿真包括三个基本要素：系统、 系统模型、计算机。而联系这三项要素的 基本活动则是：模型建立、仿真模型建立和仿真实验。它们的关系可用图1 1 描述a 其中，数学模型是仿真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能 得到正确的仿真结果，仿真才有指导意义，仿真的结果才有参考价值。仿真算 法是仿真过程中由模型输入信息获得输出信息的重要环节，它是仿真模型的有 机组成部分和核心内容，在仿真模型中起着至关重要的作用。 1 1 2 仿真技术的发展历程 仿真技术在起初研究的只是简单系统，而经过半个多世纪的发展，现在已 经成为人们研究复杂系统的有力工具【1 2 1 。它的发展大致经历t - - 个阶段。 1 ) 发展阶段二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了 仿真技术的发展，2 0 世纪4 0 年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。5 0 年 代末期到6 0 年代，导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究、仿真技术在阿 波罗登月计划及核电站的广泛应用、以及5 0 年代末第一台混合计算机系统用于 洲际导弹的仿真，促进了仿真技术的发展。这是仿真技术的发展阶段。 2 ) 成熟阶段 在军事需求推动下，7 0 年代中期，仿真技术不但在军事领域 迅速发展，而且扩展到许多领域。在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员 和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统 等产品a 相继出现了些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司。例如美 国的g s e 公司、e s 公司、a b b 公司、d y n e t i c s 公司等，使仿真技术达到了产 业化阶段。这标志着仿真技术进入了成熟阶段。 3 ) 高级阶段2 0 世纪8 0 年代初以美国国防高级研究计划局( d a 褂) a ) 和美国 浙江大学博上后研究t 作报告 第一青绪论 陆军共同制定和执行的s i m n e t ( s i m u l a t o r sn e t w o r k ) 研究计划和美国三军建立 先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段。 到9 0 年代，以美国为代表的发达国家在分布交互仿真、先进的并行分布交互仿 真以及聚合级仿真的基础上，仿真技术开始向仿真的高层体系结构( h l a ) 发展。 h l a 是促进所有类型仿真之间互操作、仿真模型组件重用的高级协议 3 - 5 】。 总之，仿真技术率先在航空、航天、兵器等与国防科研相关的行业中发展 起来，并在近十年来系统仿真更有了迅猛发展，目前已广泛的应用在军事、工 业、生物、医疗、人类行为、生态环境、农林、牧业、城市规划、空间探测等 更多的领域，同时产生了巨大的社会效益和经济效益。它已经成为系统特别是 复杂的大系统分析、研究、测试、评估、研制和技能训练的重要手段。 1 1 3 仿真技术的纵深发展趋势 由于系统仿真是- f 多学科的综合性交叉科学，因此，从技术的层面讲， 仿真技术的发展，是这些学科共同发展的结果。具体地讲，当今仿真技术的迅 猛发展的局面，是由以下五个方面的发展促成的。它们是： 第一是计算机技术的快速发展。日益提高的处理速度、高速数字通讯与网 络、海量存贮以及各种高质量接口，这些是硬件基础；系统软件、高级编程语 言、仿真专用语言、数掘库管理以及包括模型校验、验证与确认在内的各类应 用程序的开发是软件基础，建立在它们之上的系统仿真，无论是精度、速度、 实时性、效率，还是在应用范围、所处理问题的能力上与过去相比都有“质” 的飞跃。 第二是半实物仿真非标设各研糊有了长足的进步。当前先进的控制理论和 仿真原理，高精度、高性能的传感器和光机电系统，以及计算机资源的开发和 充分利用，都为各类仿真非标设备的研制创造了良好条件。也就是说，对于那 些模型建立尚存在困难的一些系统，当前的技术已经具备了利用半实物仿真的 手段对其进行研究的条件。 第三是视景生成及图形显示技术的发展。由于人从客观世界获取的信息中 有7 0 来自视觉，因此，该项技术在仿真中的重要性体现在，图形显示可为仿 真结果与过程提供最直接的信息，而视景生成技术则为以成像目标为探测对象 塑垩查兰坚。! ：堕婴塑三堡壑堂一一翌二兰! i 鱼 的精确制导仿真和有人参与的系统仿真及训练提供了十分重要的视觉环境。虽 然给机器“看，的和给人看的图像信息仿真生成的侧重点不同，但它们都要提 供一个“逼真”的场景，以供机器和人来进行判断。计算机图形学、计算机图 形生成技术、不同频段之间图像信息的转换和频率匹配技术、显示与投影技术 的发展都为视景生成与图形显示技术提供了良好条件，同时这些进步又直接促 进了仿真技术在更广泛领域的应用。 第四是系统仿真本身建模、校模与验模的理论和方法的成熟。仿真是以模 型为基础的，模型是否真实，更确切地说，是在一定使用范围内是否“足够” 真实地反映了现实，是仿真得以存在和发展的基石。随着仿真技术和控制理论 的结合，相应地出现了辨识建模、模糊建模、神经网络建模、及模糊神经网络 建模方法，从而极大地丰富和改善了建模的方法和手段。随着在频域和时域校 模、模型简化和以试验数据应用为基础的验模理论和方法的成功应用，使得人 们建立了对所用仿真模型的信任感，从而使具有安全、可靠、经济、使用灵活、 适用性强的仿真技术得以进入各个工程领域以及社会科学领域。 第五是软件技术的飞速发展。软件是计算机的灵魂，仿真研究的许多活动 是通过仿真软件来实现的。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，其特点 是面向问题、面向用户。自1 9 5 5 年第一个数字仿真软件问世以来，按新技术出 现的时间，可将仿真软件的发展分为5 个阶段： ( 1 ) 通用程序设计语言( 如f o r t r a n ，1 9 6 0 年左右) ； ( 2 ) 多种仿真程序包及初级仿真语言( 1 9 6 0 1 9 7 0 年，如g p s s ) ； ( 3 ) 高度完善的商品化仿真语言( c s s l i v 、a c s l 、s l a m 、i c s l 等，1 9 7 0 1 9 8 0 年) ： ( 4 ) 一体化( 局部智能化) 建模与仿真环境( 如t e s s 、i m s e 、i m s s ，19 8 4 年) ： ( 5 ) 智能化建模与仿真环境( 1 9 8 8 现在) 。 总之，近5 0 年来，在应用需求的推动下，仿真软件充分吸收了仿真方法学、 计算机与网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、系统工程、自动控 制以及人工智能等技术的新成果，使之得以迅速的发展。从用户建模友好性角 度看，由初期的机器代码，经历较高级的编程语言、面向问题描述的仿真语言， 渐江大学博士后研究工作报告 第一章绪论 发展到模块化概念，进而发展到面向对象编程。从人机环境的发展角度看，由 初期的图形支持到刚性动画、交互式仿真，进一步发展到基于矢量的图形支持， 并向虚拟现实发展。从支持仿真活动的角度看，由支持部分活动发展到支持全 生命周期的一体化仿真环境，以致支持活动中的团队工作与流程管理。从建模 仿真功能看，从支持传统的连续系统仿真( 采用常微分方程、偏微分方程或差 分方程描述) 、离散系统仿真( 采用进程、事件或活动来描述) 到支持含构造仿 真、虚拟仿真和实况仿真的综合建模仿真环境。从仿真软件的支撑环境及技术 看，从专用仿真机发展到通用个人计算机、大型机、并行机及基于i n t e m e t w e b 技术的网络计算系统，与此相应的是，其支撑技术也从简单的程序设计技术、 编译技术、传统的数值计算技术发展到面向对象技术、软件工程技术、分布式 计算技术、w e b 技术、嵌入式软件技术、虚拟现实技术及人工智能技术等，仿 真软件也相应地经历了仿真程序包和仿真语言、一体化仿真环境软件、智能化 仿真环境软件、面向对象仿真软件、分布式交互仿真软件等五个相互交叉的发 展阶段。 由此可见，仿真软件一直是以不断改善其面向问题、面向用户的模型描述 能力以及增强它对模型建立、试验、分析、设计和检验的功能为发展目标。并 且可以预见，仿真软件的未来，也必将是在新技术和新理论的推动下，在实际 应用需求的驱动下的进一步拓宽和深化。 1 2 液压仿真 液压仿真是计算机仿真技术在液压行业的应用。在机械类行业中，液压传 动以其功率密度高，结构小巧，运动自如、配置灵活，组装方便，可靠耐用等 独到的特点，已在机床、工程机械、农业机械、汽车、航空、塑机、冶金、矿 山、石油化工、建筑机械、铁路、船舶、轻工机械等行业中得到了广泛的应用。 目前液压技术正向着高速、高压、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集 成化、复合化、数字化、小型化、轻量化等方向发展。大量资料表明，液压技 术作为能量传递或做功环节是其中必不可少的一部分，无论现在还是将来，液 压技术在国民经济中都占有重要的位置，发挥着无法替代的作用。因此，改进 产品的设计质量，提高产品的设计开发效率，在市场就是企业的生命的今天， 塑坚叁堂堡圭星堑塑三堡坐宣至二! ! ! ! 鱼 仍然具有重要的意义。而液压仿真解决的就是液压产品和液压系统的设计开发 问题，目前它已经成为工程技术中分析、研究、设计和优化的重要手段。 12 1 液压仿真的目的和意义 液压仿真是指通过建立液压系统的数学模型并在计算机上解算，用以对系 统的动态特性进行研究的过程。液压仿真的目的是获得系统的稳定性和动态过 度过程品质。所谓稳定性是指液压系统在平衡状态下，受到扰动后，能否很快 达到新的平衡状态的性质。当扰动消除后，经过足够长的时间，系统仍能回到 原来的平衡状态，则称系统是稳定的。反之，称系统是不稳定的。过度过程品 质则用来对系统动态性能的优劣进行评价，研究多在时域内进行，主要考察系 统的瞬态响应特性，包括超调量、调整时间、峰值时间等一些性能指标，并对 此作出分析，提出减少液压冲击、提高响应速度和控制精度的改进措施。 由仿真的目的，可得到如下仿真的意义： 1 液压仿真弥补了传统液压系统设计方法的不足 目前，工程技术人员普遍采用传统的设计方法来设计液压系统，即通过对 执行元件进行运动分析和负载分析，获得执行元件的速度、负载变化规律，以 找出最大负载和最大速度，并以此来拟定液压系统方案和确定系统主要参数( 工 作压力和流量) ，再根据经验公式作初步计算，最后根据一些表格查表选定液压 缸( 或液压马达) 以及回路中的控制阀和辅助元件。 由上述的设计方法可知，该设计方法仅考虑了液压系统的静态性能，而没 有考虑液压系统的动态性能。而液压系统的执行机构在运动状态发生改变时， 液压系统无不要处于动态的调节过程中，而描述其动态特征的超调量、调整时 问、峰值时间等一些性能指标能否满足机器工作时的控制要求，则无法获知。 为了避免重复制造带来的种种弊端，需要在产品制造之前，就预知液压系统的 动态特性，因此，液压系统计算机仿真弥补了传统液压系统设计方法的不足。 2 预测液压系统的动静态特性，指导产品设计和开发 在对液压系统进行设计、分析和改进时，液压仿真可以使设计人员在设计 阶段就能够预测到液压系统动静态特性，从而可以及早地认识到该系统在动静 态特性方面所存在的薄弱环节，并经过修改设计加以消除，以满足对系统的全 塑坚查竺塑主星婴垄! ，堡堡堂 一望二重! i 鱼 面要求。因此，液压仿真可以大大地缩短液压系统或元件的设计周期，提高设 计质量，避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用，降低制造成本。 此外，通过仿真还可以对所设计的系统有更深入的了解，了解多负载系统 中负载之间的相互作用及多作用件系统中作用件之间的相互影响，并认识单个 元件在整个系统中的作用等等，借此在建造实际样机之前，就可以预测系统的 性能，优化系统的参数和实现控制方式的改进。便可在软件里修改其特性参数， 从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。 总之，液压仿真可以大大提高设计效率和保证设计质量，目前它已经成为 工程技术中分析、研究、设计和优化的重要手段。 1 2 2 液压仿真的主要研究内容 液压仿真的研究内容主要包括建模、模型的解算、软件的实现方法等三方 面的内容。下面将分别作以介绍。 1 建模 对于单一的一次仿真过程，液压仿真一般包括建立液压系统动态数学模型、 求解数学模型及仿真结果分析等几个步骤。而建模是仿真的前提和基础，在很 大程度上决定着仿真是否成功。至于评价某一建模方法好坏，主要有以下的评 价标准：1 ) 建模的过程是否简洁，所建模型是否清晰明了；2 ) 所建模型是否 能准确而恰当地描述所研究的液压系统的动态特性；3 ) 是否可以将所建立的数 学模型方便地转化为计算机能够接受的数学形式。 因液压仿真的研究对象往往具有白箱性质，建模过程也通常在结构级进行， 信息源主要来自人类的先验知识，输出的数据往往用于结果的分析与验证，故 演绎法是其主要的建模方法，最常用的是在频率域内建模的传递函数法和在时 间域内建模的状态空间法。 ( 1 ) 传递函数法 频域法是经典控制理论的核心内容，是工程上很实用的一种研究控制系统 动态特性的分析法，一直沿用至今。这种方法的实质是把系统分析从时域转到 频域，避免了求解高阶的微分方程，但也因此带来了以下局限性： 1 ) 频域法借助各频率分量描述信号，故只适用于可按叠加原理处理的线性 塑要查兰堡! 亘堕塞三堡墨堂 一 翌二翌i ! 鱼 定常系统，非线性系统则不适用。液压系统是带有许多非线性成分的系统，对 于节流口流量特性这种一般非线性问题，可以利用线性化方法作近似处理，但 对于一些诸如阀控换向死区这种阎何非线陛问题，是不能作线性化处理的。 2 ) 频域法只能间接地确定系统阶跃输入、斜坡输入、正弦输入和脉冲输入 等有限几种典型输入的时域响应，而无法完整地描述工作过程中任意输入作用 下的状态变化。 总之，以传递函数作为描述系统动态特性的基本手段的经典控制理论，只 适用单输入、单输出的线性定常系统，并无法描述系统内部各变量之间的特征， 对于具有众多固有非线性且很难进行线性化的一般液压系统来说，难以取得好 的效果。 ( 2 ) 状态空间分析法 状态空间分析法是一种时域分析法，它既适用于线性系统，也适用于非线 性系统，它采用一组称为状态变量的系统参数来描述一个系统的状态和特性， 当系统各状态变量的初始值及输入信号被确定后，系统在任意时刻的状态即被 唯一地确定。因此，状态空间分析法能完全表征系统的动态行为，刻画出系统 的内部结构的动态特性。状态空间分析法的这特征恰恰满足了研究系统动态 过度过程的需要。因而该方法也特别适合于求解液压系统的瞬态响应。此外， 该方法易于在计算机上实现的特点，则为研究较复杂液压系统的动态特性带来 了极大的便利。 总之，状态空间分析法则较好地弥补了传递函数所存在的局限性，因而在 液压系统建模中得到了广泛的应用。 由于在液压系统建模中普遍采用了状态空间分析法，因此，下面就介绍一 下状态方程的解算方法。 2 状态方程的解算方法 在数学领域中，对同一问题，大多有多种解算方法。只是不同的算法，其 计算精度和速度是不同的。而计算精度和速度是仿真中常见的一对矛盾，因此， 确定算法的准则是选择合适的算法，使其能够在保证计算精度的前提下，获得 最快的仿真速度。 般非线性系统的仿真大多采用数值积分法。衡量其算法优劣的主要标准 浙江大学博士后研究1 _ = 作报告 第一章绪论 包括计算机编程的难易、计算量、局部截断误差、局部截断误差估计、数值方 法的绝对稳定性、步长调整等几方面。 液压系统仿真的问题一般都归结为求解一阶常微分方程组的初值问题。常 规的求解算法有欧拉法、龙格一库塔法以及阿当姆斯等方法，在使用这些算法 时，经常遇到如下情况：即使在仿真中采用了稳定的算法，在正常步长下，计 算中也会出现单调地振荡或无限地增大并直至溢出的不稳定现象，而当将积分 步长缩小至很小后，上述现象消失，但仿真的时间大大增加。而有的时候，当 步长小到一定程度以后，会造成每步内系统状态变量变化值小于运算中的舍入 误差，运行状态难于变动，使得仿真无法进行下去。这就是液压初值问题的病 态性。 从方程的角度考察病态的原因：系统中各环节的时间常数差异巨大，由于 仿真步长必须限制在最小时间常数的数量级而选得很小，而仿真结束的时间则 决定于系统最大时间常数，若按满足稳定性要求所选择的步长进行仿真，则不 仅整个仿真所花费的时间非常长，而且由于计算的舍入误差甚至会导致整个仿 真失败。 从模型的角度考察病态的原因：液压初值问题呈现病态的物理本质是液压 系统中油液的可压缩性很小，大小油腔的容积相差悬殊，而控制部件反应灵敏， 能够迅速完成状态过渡，即具有小时间常数，执行部件由于惯性大，状态过渡 慢，即具有大时间常数。这样一来，当小质量的控制部件与大质量的执行部件 共存于一体时，就会使得系统的诸特征根分布得极分散，从而导致了液压系统 的病态问题。 克服病态问题的根本途径是寻求稳定域在负实数方向延续无穷的方法，为 此需要提供大量的各式各样的求解病态问题的算法，以适应各种不同仿真系统 求解的需要。目前，为了克服病态不稳定问题对仿真运算过程的干扰，已经研 究提出了多种算法。针对线性病态不稳定问题的有效算法有：增广矩阵法、蛀 跳算法。针对非线性病态不稳定问题的有效算法有：吉尔( c e a r ) 法、半隐式龙 格库塔法以及多帧速算法。总结归纳连续系统仿真的算法如图1 2 所示。 算法一般的选择经验为：a d a m s 非常适合于非病态方程的求解，而g e a r s 更适合于求解病态方稗。 浙江大学博士后研究工作搬青 第一章绪论 数值积分法 非刚。| 生问题ll 刚性问题 线性llj f 线性 篷jj 翼jj 耋jj 篓j 萋jf 囊 图1 2 数值积分法分类图 、卜 隐 式 龙 格 库 塔 法 多 帧 速 算 法 由于液压系统属于非线性病态系统，在液压系统仿真中应用摄多的是吉尔 法。吉尔法是种多值单步法，可以自动变阶变步长，可做到步长、特征值乘 积小时是精确的，从而能很好地跟踪解的快变部分；丽对两者乘积大时又是稳 定的，即当特征值十分大时也不会失稳，从而允许处于缓变部分时选取大的步 长，缩短运算时间。 3 液压仿真的实现 液压仿真通过仿真软件来实现。早期国内外液压系统动态仿真的共同特征 是专门针对某特定的液压元件和系统性能改进而进行的，往往采用人工建模 和自行编程方式【6 _ 8 】a 该种研究方式需要研究人员具备较高的计算机编程及调试 水平，而且编程以及程序调试的周期一般较长，致使研究人员在一些非本质工 作上花费的时间和精力较多。另外，所编制的专业程序不具备通用性、生命期 短。 随着计算机技术的发展，仿真软件经历了从通用程序设计语言到多种仿真 程序包及初级仿真语言，再到高度完善的商品化仿真语言及一体化建模与仿真 环境，最后到智能化建模与仿真环境的发展。目前的液压仿真通过使用通用仿 真软件来完成。这种通用仿真软件在开发时将诸如建模方法、算法、计算稳定 堂坚查堂壁主亘竺茎三垡堡堂兰三! ! 望堡 性、计算机运行时间及网性方程等一系列技术问题及在一定专业范围内与建模 和仿真有关的各类共性问题，交由软件开发人员进行较系统的研究并采取有效 的技术措施加以解决，所以显著地提高了仿真研究的效率，其适用范围和使用 期限都得到了极大的改善。 目前，液压仿真软件已经成为液压系统设计和开发不可缺少的研究工具和 手段。下面就对液压仿真软件的国内外发展概况进行概述。 1 3 液压仿真软件国内外发展概况 1 3 1 现代液压仿真软件的特点 从1 9 7 3 年的第一个由美国推出的直接面向液压技术领域的专用液压仿真软 件h y d s i m 程序的问世，到现在，液压仿真软件最深刻的变革是它由文本录入形 式的建模方式向图形化建模方式的飞跃。因为，只有当仿真软件拥有了图形化 建模形式，它7 j 能够为行业的工程师所运用，也才能够通过他们所开发的产品， 来影响我们生活的方方面面。而液压仿真软件这种最深刻的变革发生在上世纪 的9 0 年代。 随着液压仿真软件从文本录入形式建模向图形建模的转变，各款老牌的液