（机械工程专业论文）基于amesim的工程机械液压系统故障仿真研究.pdf

中文摘要 随着现代工业的发展，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了 更高的要求，而运用计算机仿真技术对液压系统进行分析具有重要的意义。计 算机仿真技术不仅可以预测系统性能，减少设计时间，还可以对所涉及的系统 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。 由于工程机械液压系统自动化水平的提高，液压系统的故障诊断已经成为 现代工程机械的关键技术之一，开展工程机械液压系统的故障仿真研究，对于 液压系统可靠性分析和故障诊断都具有重要的意义。本文以液压缸泄漏故障的 机理研究和实验分析为基础，研究基于a m e s i m 液压缸泄漏故障的建模与仿真， 主要内容包括以下几个方面： 1 介绍液压系统仿真方法，液压系统仿真软件的建模思想、建模流程，并 分析在液压系统中应用的液压元件液压缸的数学模型如何在a m e s i m 的仿真平台 上实现的。 2 研究液压缸泄漏的故障机理。根据液压系统的流量方程和能量方程，研 究液压缸的故障类型，确定液压缸内泄漏，外泄漏的故障机理。 3 建立液压系统关键元件的故障仿真模型。以挖掘机液压系统的液压缸为 例，分析液压缸泄漏的故障特征，确定故障的特征向量，在a m e s i m 仿真平台下 求出正常液压缸和故障液压缸的样本曲线，比较两者的区别，找出分辨率较高 的关键点，为故障诊断提供指导和依据。 4 通过液压系统故障注入实验平台，验证液压缸故障仿真模型的有效性。 建立液压系统的仿真试验台，在试验台上采集数据样本，绘制误差曲线，并验 证仿真平台下的有效性。 5 建立反铲式液压系统仿真模型，结合液压缸泄漏故障机理，建立反铲式 液压系统的泄漏故障注入仿真模型，分析液压缸的压力、流量位移曲线，为研 究反铲式液压系统的故障模式提供理论依据。 通过论文的研究，验证了基于a m e s i m 的仿真分析方法是液压系统故障诊断 的有效途径，验证了应用功率流的建模思想可以实现液压系统故障注入。 关键词：液压系统，故障诊断，故障仿真，a m e s i m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , p e o p l ep u tf o r w a r dah i g h e rd e m a n d o nt h ep e r f o r m a n c ea n dc o n t r o la c c u r a c yo ft h eh y d r a u l i cd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e m t h eu s eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oa n a l y z et h eh y d r a u l i cs y s t e mi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc a np r e d i c ts y s t e mp e r f o r m a n c e ， r e d u c ed e s i g nt i m e ，a n dt h eo v e r a l la n a l y s i sa n da s s e s s m e n tc a nb ei n v o l v e di nt h e s y s t e ms oa st oa c h i e v et h ep u r p o s e o fo p t i m i z a t i o no ft h es y s t e m ，s h o r t e nt h ed e s i g n c y c l ea n di m p r o v es y s t e ms t a b i l i t y b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to ft h el e v e lo fa u t o m a t i o ni nt h eh y d r a u l i cs y s t e m ， h y d r a u l i cs y s t e mf a u l td i a g n o s i sh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nm o d e m c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y e n g i n e e r i n gm a c h i n e r yh y d r a u l i cs y s t e mf a u l ts i m u l a t i o ni s o fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ra n a l y s i sf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fh y d r a u l i cs y s t e m s a n dp r o v i d ef a u l td i a g n o s i st h e o r y t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h e o r e t i c a ls t u d i e s ， s i m u l a t i o nm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c et h eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o nm e t h o d , h y d r a u l i cs y s t e m s i m u l a t i o ns o f t w a r em o d e l i n gt h i n k i n ga n dm o d e l i n gp r o c e s s ，a n da n a l y z et h e a p p l i c a t i o no fh y d r a u l i cc o m p o n e n t si nt h eh y d r a u l i cs y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eh y d r a u l i ca c t u a t o rp r e s e n t e di nt h ea m e s i ms i m u l a t i o ns 0 1 a r e 2 r e s e a r c h i n go nf a i l u r em e c h a n i s mo fh y d r a u l i ca c t u a t o ri nh y d r a u l i cs y s t e m a c c o r d i n gt of l o wa n de n e r g ye q u a t i o n so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，r e s e a r c ht h et y p eo f f a i l u r eo ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o rt od e t e r m i n et h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h eh y d r a u l i c a c t u a t o rl e a k a g e ，e x t e r n a ll e a k a g e 3 c r e a t i n gf a u l ts i m u l a t i o nm o d e lo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m f o re x a m p l e ：h y d r a u l i ca c t u a t o r so fe x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e m s f a i l u r em o d e a n a l y s i so ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o r , c o m m o nt o t h es t u d yo ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o r f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s ：h y d r a u l i ca c t u a t o rl e a k a g ea n de x t e r n a ll e a k a g e d e t e r m i n et h e f e a t u r ev e c t o ro ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h ea m e s i ms i m u l a t i o np l a t f o r mw a su s e dt o f i n dt h en o r m a lh y d r a u l i ca c t u a t o ra n dt h ef a i l u r eo ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o ro ft h e s a m p l ec u r v e ，c o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w ot oi d e n t i f yt h ek e yp o i n t so f t h eh i g h e rr e s o l u t i o n 4 r e s e a r c h i n go nt h ee s t a b l i s h m e n to fah y d r a u l i cs y s t e mf a i l u r e s i m u l a t i o n t e s t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，v e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e h y d r a u l i ca c t u a t o rf a i l u r e e s t a b l i s ht h eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o nt e s tb e d ，c o l l e c t e t h ed a t as a m p l e so nt h et e s t ，d r a wt h ec 气l l - v eo fe r r o r , v e r i f yt h a tt h ea m e s i m s i m u l a t i o np l a t f o r mh y d r a u l i cs y s t e mc a nr e f l e c tt h et r u eh y d r a u l i cs y s t e m 5 e s t a b l i s h i n ga b a c k h o eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，t h ee s t a b l i s h m e n to f ab a c k h o eh y d r a u l i cs y s t e ml e a k a g ef a u l ti n j e c t i o ns i m u l a t i o nm o d e lc o m b i n e dw i t h f a u l ts i m u l a t i o nm o d e l ，a n a l y s i so ft h ep r e s s u r eo ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o r , f l o w d i s p l a c e m e n tc u r v e ，t op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d yo fb a c k h o eh y d r a u l i c s y s t e mf a i l u r e t h r o u g ht h i sr e s e a r c h ，t h ep a p e rv e r i f yt h ea m e s i ms i m u l a t i o n - b a s e da n a l y s i s m e t h o dt oa n a l y z et h ef a i l u r eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi sa ne f f e c t i v ew a yt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ff a u l ts i m u l a t i o nm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m u s i n ga m e s i m s i m u l a t i o ns o f t w a r et ot e s th y d r a u l i cs y s t e m s ，t h er e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t h t h ea c t u a ls i t u a t i o n k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，f a u l ts i m u l a t i o n , a m e s i m 论文中所用代号对照表 ( 表中所有单位全部用国际单位) 毛一弹簧弹性模量 竹一加载力的变量 ，一弹簧长度的变量 p 一压强 f 一时间 ，_ 速度 彳一双活塞杆液压缸有效作用面积 屏一液压油体积弹性模量 y 一体积 q 一流量代数和 r 温度 c p 一等压比热容 胁控制体内的质量 q 一容腔与环境的热交换流量 矿一容腔与环境的功率交换流量 q l 一流入无杆腔的流量 4 一无杆腔活塞有效作用面积 4 一有杆腔活塞有效作用面积 y 一活塞速度 q 一内泄漏系数，单位是m v ( s * p a ) 吒一无杆腔的体积 一有杆腔的体积 一无杆腔的压力 p 2 一有杆腔的压力 曰一黏性阻尼系数 一活塞和质量块的质量 f l 一外加载荷 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 随着综合国力的增强，我国工业正在朝大型化、连续化和自动化的方向发 展，特别在工程机械方面，其结构越来越复杂，工作环境，工作负载越来越大， 故障发生的可能性越来越大。由于这些因素工程机械领域对设备的维护要求变 得更加精细、更加完善，因为只要在系统的传动部分发生故障，将会导致其他 部位的连锁反应，轻则可能会使产品效率下降，重则可能会使系统在运作过程 中突然中断，甚至更严重的会导致人员和财产的灾难性损失。缺乏有效的设备 监测及检测技术和故障诊断及仿真技术是导致设备的及时状态无法快速、正确 和完善识别以及引起事故产生的重要原因。基于这些方面的考虑，现在的工程 机械研究重点集中在采取现代化的技术手段和先进的科学方法，为设备提供有 效地有效的检测和监测维护水平。当这些方面能够完善才是减少事故的发生， 保证设备长周期连续安全运行的基础。 据有关资料统计，工程机械故障中有7 0 是由于液压系统故障引起的，然 而液压系统的封闭性，复杂性和多样性又使得液压系统的故障诊断极其困难， 目前采用的方法是总结故障发生的信号，以此通过有经验人员的判断诊断出故 障的原因，但是对于复杂液压系统来说，要想获得高精度的诊断结果需要大量 的实验工作和时间以及昂贵物理元件投入( 液压元件都非常昂贵) 。对于液压系 统的故障诊断来说，困难在于没有足够的故障特征样本。所以在故障特征的研 究上是深具理论意义和实际意义的。所以，故障诊断领域一直将故障特征的研 究列为关键以及焦点问题之一。 对液压系统故障进行研究的同时，首先应该解决的问题是如何将实际的系 统故障通过观察得到，并确定故障状态信息，但是液压系统所具有的复杂的物 理属性一不连续性，大刚性和非线性，必然会使整个系统的设计和分析变得十 分困难。目前较为常用的方法是将液压系统进行线性简化分析，再在此基础上 做实验。然而面对有较高要求，复杂的液压系统，想获得比较精确的数据，时 间、人力和实验工作量都将会大幅度增长。并且在实验过程中物理元件的投入 ( 液压元器件的价格通常比较昂贵) 必然会导致成本的增加，经济效益大打折 武汉理工大学硕士学位论文 扣。为了解决好这些问题，目前研究中采用实验虚拟化的办法进行故障仿真和 故障注入。 a m e s i m 是目前较为先进的一种仿真平台，它为机械、流体动力( 包括液体 及气体) 、控制系统和热流体提供一个联合仿真的模拟环境，使用者可以利用其 各个模型库中的元件，研究实际环境中的物理对象的动力学特性。并且可以借 助模型中的详细介绍，完善对物理对象的建模和仿真，开发出适应于特别情况 的特殊的物理元件。a m e s i m 最主要的特点就是模块化的建模思想和可视化的 用户界面。 综上，本文从故障仿真的角度出发，通过a m e s i m 对工程机械液压系统进 行建模，通过仿真模型进行工程机械液压系统的故障注入，为工程机械液压系 统的故障诊断和早期预测提供依据。通过工程机械液压系统的故障仿真，为系 统的优化设计提供理论依据，提高工程机械液压系统的安全性和可靠性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 液压系统是一个包含液压传动技术、自动控制技术和电气技术的综合系统。 所以对于液压系统的故障诊断，国外的研究一般都是在深入研究液压系统的故 障机理，掌握故障发生的深层原因的基础上，解释系统故障与各层故障之间的 相互作用和关系，进一步分析如何诊断与排除故障。随着计算机技术和人工智 能技术的发展，基于知识处理的智能诊断技术已广泛应用于液压系统的故障诊 断中。 目前，在工程机械液压系统中应用广泛的智能诊断系统是故障诊断专家系 统位】。国外的g i a r r a t a n o l 【3 1 及b e e m i t h 3 等学者，对专家系统技术应用于液压故障 诊断进行了系统的研究，但是，专家系统仍有不足之处：缺乏一个有效的不确定 性推理方法和诊断知识表达方式，推理效率较低：存在知识获取的“瓶颈 h 1 问 题、“知识窄台阶 问题，学习能力、自适应能力差，在线诊断困难，实时性差， 这些缺点使得它在液压系统中的应用具有局限性。 液压系统故障是由最基本的元件故障直接或间接引起的，只有先对液压元 件的原理、结构、功能、失效机理等进行深入的认识后，才能顺利地对故障进 行诊断与排除。在液压元件的失效机理研究上，对液压系统机液压元件进行建 模和失效分析仿真是主要的研究方向，1 9 8 1 年澳大利亚学者提出液压控制系统 2 武汉理工大学硕士学位论文 的功率键合图，使对于液压元件的数学解析模型分析方法更为全面；到目前为 止，基于解析数学模型的诊断方法与故障机理分析是世界发展最为完善的研究 方法之一嘲。 液压系统仿真技术在几十年的研究和发展之后，迄今为止已经累积了不少 宝贵的经验。自从上世纪七十年代初期，国外开始进行液压系统和液压元件的 计算机数字仿真研究，液压仿真技术的发展一直都受到国外的高度重视，不断 的进行开拓和完善。已经从以往的精度低、速度慢发展到精度高、速度快，从 单输入、单输出的线性系统到多输入、多输出的非线性系统，从复杂的编程和 输入交互到友好的图形接口的交互。目前世界上具有代表性的液压系统仿真平 台软件有：英国的b a t h f p 、瑞典的h o p s a n 、德国的d s h + 、美国波音的e a s y 5 。 法国的i m a g i n e 公司在总结之前实施于航空航天工业、汽车制造业和传统液压 行业等领域的复杂系统建模和设计方面的宝贵经验后，推出了为液压机械系统 进行建模、仿真及动力学分析的仿真平台a m e s i m ，为机械、流体动力、控制 系统和热流体提供了一个较为完善的模拟环境和解决方案。方便了研究者应用 数学解析模型分析液压机械系统的工作哺1 。 1 2 2 国内相关现状 我国的液压系统的故障诊断研究起步较晚，但发展迅速，在故障诊断、预 测和健康管理等方面均开展了较为广泛的研究工作。目前，研究主体主要以高 校和研究院所为主，如北京航天航空大学，西北工业大学，清华大学和哈尔工 业大学等，主要研究内容集中于体系结构及关键技术研究、智能诊断和预测算 法研究( 基于模型的方法、基于数据的方法和基于统计的方法) ，以及测试性和 诊断性研究等。但是，由于起步较晚，总体的应用水平和研究规模仍然与发达 国家有较大差距，另外各机构的水平和研究能力也良莠不齐，液压等行业或技 术领域的专业研究组织能力较为薄弱h 1 。 随着国家经济的发展，我国对综合故障诊断的需求也越来越大，但是理论 研究较为薄弱，应用研究也没有有效进行接口，以至于应用需求很难得到理论 研究系统而明确的支持、分析和指导。近年来，随着研究的深入，综合故障诊 断在汽车船舶和网络方面出现了一些基础研究成果，但是由于缺乏良好的研究 管理机制和统一高效的协调机制，研究体系不够集中，理论和应用环节得不到 有效连接，造成了脱节，因此基础研究缺乏背景支撑和实验验证等一系列致命 的缺陷】。 武汉理工大学硕士学位论文 国内液压系统的故障诊断方面较多的面向一些具体的工程应用对象，如液 压余舵机系统、轧机a g c 系统、柴油发动机、工程机械等等；但是在故障诊断方 法方面，则依据研究对象的特点进行专项研究，主要研究方法包括神经网络， 专家系统，信号处理，模糊推理等u 副。 多年来，我国的仿真技术，特别是液压系统的仿真技术都处在国际低端水 平，特别是应用水平与发达国家的差距比较大u 副。 在国家发展规划“十五 至“十一五力期间，仿真技术已取得长足发展， 在某些领域已达到国际领先水平。以上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、 南京航空航天大学和北京航空航天大学为主，通过引进国外先进的仿真软件进 行消化吸收、改进创新或自主开发，都取得了一些进展，如浙江大学通过改进 德国d s h 液压仿真软件进行二次开发，研究软件输入激励的改进阳1 ；上海交通大 学自主研制开发的仿真软件包h y c a d ，主要针对液压原理图的建模仿真1 ；中南 大学通过引进a m e s i m 对工程机械液压系统进行仿真分析n 帕，武汉科技大学通 过引进a m e s i m 对电液伺服系统进行二次开发n 劓。但是这些都是建立在国外的 仿真软件基础上，自主研发设计的仿真软件同国外相比还存在很大差距。 1 3 研究内容 工程机械系统中，液压传动已经非常普遍，但是液压传动相对于机械传动 来说，其故障的隐蔽性强，诊断困难，修理起来的难度比较大，因此液压故障 仿真对于液压系统故障诊断具有重要意义。本文在研究了液压缸的故障机理和 a m e s i m 的仿真技术之后，在a m e s i m 平台的基础上，设计了液压缸故障仿真 模型，未确定液压缸的故障提供理论依据。最后设计液压系统仿真试验台，分 析实验结果，最后搭建试验台，根据传感器的数据验证实验结果的有效性。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了基于a m e s i m 的建模方法和应用。 a m e s i m 软件仿真技术的建模思想是模块化建模思想，对每个液压元件进 行灰箱处理，但是要对软件进行二次开发，必须清楚每个液压元件的建模过程， 通过本文的研究，为故障仿真打好基础。 ( 2 ) 工程机械用液压缸故障的仿真研究。通过a m e s i m 对工程机械液压系统 的关键液压元件进行故障仿真，揭示系统故障状态的仿真方法，为工程机械液 压系统故障诊断提供参考。 仿真技术主要任务是揭示已知对象和未知对象的内在关系，研究未知对象 4 武汉理工大学硕士学位论文 的内在特性和运作规律。机器的不确定功能可以利用计算机仿真来再现，但是 在进行机器的建模行为时需要许多的试验数据。在建模过程中，模型不应该是 非线性的而应该是线性的，这是为了避免数学处理问题的不确定性。但是实际 液压系统是复杂、封闭、非线性系统，这种物理特性将导致基于物理模型的液 压系统故障仿真研究的真实性大打折扣，仿真方法有其局限性。所以这个过程 需要不断完善故障样本，当建模仿真出一个故障样本时，投入实际系统中应用， 在实际过程中如遇到故障样本之外的故障出现时，分析研究仿真，建立新样本。 ( 3 ) 设计液压缸故障检测的液压系统，通过a m e s i m 对故障检测的液压系统 进行建模仿真。 液压系统的特点是结构复杂，参数非线性，对系统进行建模仿真有助于了 解系统的性能，对系统进行整体的分析和评价。选用a m e s i m 中的模块库搭建 系统模型，分析系统的动态过程。根据实际液压系统，针对其中的特定元件建 立数学模型，和仿真模型，并根据所测得的实际信号，设置仿真模型的参数。 为应用过程中的故障仿真与故障样本的获取提供依据。 ( 4 ) 通过液压缸仿真模型获得的压力和位移数据，与通过试验台获得的相应 信号进行比较，验证仿真模型的可行性。 液压系统的建模有其局限性，仿真模型并不能完全模拟真实情况，因此根 据检测得到的信号，求出模型仿真信号的误差值，判断模型的可行性。 s 武汉理工大学硕士学位论文 第二章液压系统建模方法与a m e s i m 应用 2 1 液压系统建模方法介绍 2 1 1 液压系统的模拟仿真 仿真就是利用计算机作为工具，把实际物理系统变成“模型”在计算机上 运转的过程，a m e s i m 就是用于对系统进行仿真的一整套软件仿真系统，仿真 技术在科学研究和工程设计中的地位可由图2 1 加以说明。 订羹陬 羹剖羞 纠篓乜 啊 刮囊f i型l 方案论证 参数分析 优化 绘 圈 机 设 计 绘 图 图2 - 1 仿真模型的应用 系统的建模过程首先根据实际物理系统研究系统辨识，或通过理论推导建 立描述此物理系统的数学模型，接着通过标准化即“模化”形成源程序或模拟 图，完成仿真模型，然后在计算机上运行仿真模型，通过仿真结果分析验证模 型的可行性，给实际系统的控制和调整提供可靠依据朝。 从上述分析可以看出，仿真试验是研究或设计某个系统不可缺少的重要组 成部分，对于提高产品质量、缩短研究周期都具有相当关键的作用，同时它也 是实现系统最优化的基础，因为通过仿真试验可以验证系统数学模型的准确程 度，从而为修改系统的设计方案和数学模型提供依据。 仿真过程中有三个最基本的要素，分别是模型、系统、计算机，它们彼此 之间相互联系，系统通过模型建立与模型联系在一起，模型通过仿真与计算机 联系，计算机通过试验与系统联系分别。如图2 - 2 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 仿真三要素 可见，模型建立是仿真的关键，在完善和正确的数学模型下才能得到可靠 的仿真结果，仿真才有意义。仿真模型要在计算机上顺利地运行还需要建模方 法的支撑。可以说建模方法是仿真模型中起核心且关键作用的组成部分。随着 计算机技术的发展和普及，建模方法也在快速发展，好的建模方法可以保证数 字仿真周期短、费用低、结果准确可信n 们。 2 1 2 液压系统常用建模方法 液压系统中的物理模型动态特性是十分复杂的，它包括高压管道与高压腔 的压力瞬态峰值和波动情况进行仿真；控制机构( 各种液压控制阀和液压变量 泵的控制机构) 和负载的相应位移和速度的计算；系统中的其他重要参数随时 间变化规律的仿真。 目前液压系统的建模方法主要分为两大类：基于信号流的建模和基于功率 流的建模。 基于信号流的建模：此种建模方法已经有数十年历史，发展得较为成熟， 如今已广泛应用于控制系统和数学信号处理领域，如m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块。 核心思想是认为被建模对象的联系都是以信号传递为主，通过各个方框图的连 接建立对象仿真模型。主要的适用范围为单输入、单输出并且其初始条件必须 为零，不为零可以转化为零初始条件。可以说这种建模方法只适用于线性系统。 但是对于液压系统等复杂的机电系统，其元件模型之间通常传递的是功率信号， 所以其数据传递具有双向性。这样建立的方框图模型必然使信号连接复杂，可 读性不强。最大的问题还在于通过这种方法建立的有信号双向传递的模型，很 容易产生代数环，导致仿真无法进行。在液压系统仿真中，对于其控制部分可 以采用此种办法建模，但需尽量避免代数环。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 代数环 图2 3 是a m e s i m 平台建立的控制系统代数环实例n 。两个或多个模块在输 入端口具有信号直接传递而形成反馈的情况时，直接传递的模块在不知输入端 口值的情况下无法计算出输出端的值，也就是现在时刻的输出是依赖现在时刻 的输入值来计算的。这样会减缓仿真执行速度并可能没有解。 1 基于功率流的建模：此种建模方法是用图形的方式描述系统各元件间的 相互关系，还可以表示系统动态特性相关的信息。反映系统中功率流动情况和 元件间的负载效应。基于功率流的建模方法就是用一系列简单符号和键来表达 系统能量网络中的功率流的分配和流向，能量的转换和汇集等重新分布和调整 的方法。这种建模方法给系统的动态特性分析开辟了更为广阔的平台。研究的 模型可以为多输入和多输出的系统，也可以是非线性的系统。目前，工程领域 中功率键合图是应用功率流建模最有效的方法n 钉。 信号流建模方法体现了信息的传递，而功率流建模方法体现了物质和能量 的传递，两种方法需紧密结合。目前广泛使用的液压系统仿真软件通常不会单 纯使用一种方法，对于实际工程系统，不仅包含功率流传递，而且包含信号传 递，所以对工程液压系统进行仿真时，往往根据实际情况综合两种方法进行分 析n 们。 2 1 3 功率键合图简介 在自然界的各个系统之中，相互之间发生关系作用的系统必然会产生功率 的传递。功率键合图方法是一种系统动力学建模方法，认为一个物理系统的动 态过程就是在特定激励作用下，其功率流重新调整与分布的过程是其最主要的 核心思想。功率键合图就是在一种统一的方法下，将系统各部分功率流的转换、 构成、物理特征及相互间逻辑关系等进行规范性描述。功率键合图可定义和描 述某一工程系统模型，实现对其充分且完备的表达。 键合图的方法最早由麻省理工学院的h p a y n e r 教授在1 9 5 9 年提出嵋u ，而后 经过几十年的不断改进和推广使用，键合图已经成为统一处理能量范畴的工程 8 武汉理工大学硕士学位论文 领域中比较可靠的动态建模与仿真工具。国内关于键合图的研究以及面向键合 图的仿真技术研究也逐步深入，但是键合图的图形较抽象，目前在国内的应用 还很欠缺。 在工程系统的工作过程中，有的元件消耗能量，有的元件产生能量，有的 元件则将能量从一种形式转化为另一种形式，还有的元件仅仅传递能量。功率 键合图中将这些元件按功能分为若干个种类，然后通过有机的方法将他们结合 起来这样就可以对物理系统进行描述。 根据键合图的理论，液压元件之间功率口通过连接实现功率传递。功率传 递的每一个通口包含势( 符号e 表示) 和流( 符号f 表示) 两个变量( p = e f ) ， 势包括物理变量中的力、电压、压力和扭矩等；流包括物理变量中的速度、流 量和角速度等。可控的变量为输入变量，另一个为输出变量。 功率键合图由节点、功率键、作用元、变换器和外界输入功率源这五大类 基本元素构成。 1 功率键：描述功率流动方向的符号，力和流量分别是构成功率的两个变 量，其中e 表示力变量，f 表示流变量，垂直画在功率键上的短杠表示因果关系， 在箭头位置表示力变量是因，流变量是果，反之如图2 4 所示，表示流变量是因， 力变量是果，在液压系统中，力变量可以看作是压力，流变量可以看作是流量。 2 节点：在多通v i 的单元的连接中，相连接的功率键在三个以上，这时就 会产生节点，根据节点在系统中的关系和作用可以将节点分为0 节点和1 节点： a ) 0 节点：可以看作是一个基本容性元件，l l p - - + 定量的液压容腔，压力 在各个点处都相同，但是各个点处的流量不同，流量之和为零。如图2 - 5 所示， 司邮 ! ! o 竺 9 武汉理工大学硕士学位论文 司q 2 p ：lq 2 竺! 1 竺 目前工程机械领域的元件越来越趋向于标准化和模块化，在液压系统的建 模过程中，将三个重要的性质接口、系统、模块综合应用起来就是模块化的 建模思想的基本思路。系统中通用性较强的部分划分成模块，各个模块具有各 自独立的数学模型，组成不同的模块库。在系统中通过接口确立模块之间的数 据传递，使系统的数学模型和仿真得以实现。如果有特殊元件，只需对专用的 武汉理工大学硕士学位论文 模块进行修正、改进，并以新元件的身份加入到模块库中即可。这种方法较为 方便的实现了系统模型的组合和数学仿真的集成。a m e s i m 仿真平台即采用了 这种方法啪1 。 将液压元件模型设置为基本模型( 子系统) ，模块直接通过功率键( 基于功 率流) 或信号( 基于信号流) 的联接组成系统，从而实现数据交换和传递。对 于功率的传递，采用功率流的方法利用功率键实现双向数据传递，从而使元件 连接可读性强；对于控制信号连接采用信号流的方法实现单向传递。当然，也 可以将两种类型的信号整合在一起，元件之间通过端口实现数据的传递。端口 既可以传递功率信号，也可以传递控制或者其他数据信号，这种端口被定义为 多端口。 图2 - 7a m e s i m 液压缸子模型 图2 7 为液压缸的端口数据信号，端口1 ：输入信号为流量( 1 _ m i n ) ，输出信 号为压力( b a r ) ；端口2 ：输入信号为流量( 1 m i n ) ，输出信号为压力( b 盯) ； 端口3 ：输入信号为速度( m s ) 和位移( m ) ，输出信号为作用力( n ) 。多端口 只是数据传输的一种手段，这种手段使元件可读性更强。 2 2a m e s i m 平台的应用 a m e s i m 全称a d v a n c e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n g s y s t e m s ，中文名为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案，是法国i m a g i n e 公司设计并在1 9 9 5 年推出的一款在功率键合图基础上发展出来的系统工程设计 的完整平台。目前，a m e s i m 的版本已经升级到l m si m a g i n e l a b a m e s i mr e v 1 0 a 。用户可以在a m e s i m 平台上研究机械、液压、控制、气压等多个领域的 系统或元件的稳态和动态特性。 现有的应用库包括：液压库、机械库、动力传动库、液压元件设计库( h c d ) 、 注油库、液阻库、电磁库、气动库、冷却系统库、电机及驱动库、热液压库、 热库、空气调节系统库、热气动库等模型库 2 0 l 。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1a m e s i m 平台的主要特点 1 为包括液压、机械、热学、气动、电学和磁学等物理工程领域提供了一个 统一的平台，实现了众多学科的系统工程联合进行建模和仿真。这同时也是世 界先进仿真软件不断扩张和发展的结果。 2 模型库丰富，几乎涵盖所有机械领域( 动力传动、汽车设计和空调等) ， 模型库中的子模型均采用国际统一的标准i s o 图标，子模型设置为多端口框图， 简单直观。 3 对子模型可以进行二次开发能力，a m e s e t 作为a m e s i m 系列产品中的一 部分可以为用户提供了一个较为规范的二次开发平台，并且用户可以自己编写c 或f o r t r a n 代码，并将其以图形化模块方式建立模型，在a m e s i m 运行过程 中一起应用。 4 与众多国际知名仿真软件提供接口，方便发挥各自优势，进行联合仿真， 如m a t i a b 、a d m a s 等。 虽然a m e s i m 是一款非常成熟的仿真平台，但是它目前还存在一些不足： 1 元件的设置较为复杂，需要设置许多参数，设置的参数与市面上可购买的 液压元件不能对应起来，需要专业的系统仿真人员进行设置。 2 仿真子模型都是规范化元件，因此较为固定，当实际物理模型较为特殊， 且专业要求较高，就需要经验和非常专业的编程技巧，这样不利于推广。所以 目前，a m e s i m 还不能在其它机械领域广泛应用。 3 在信号处理的方面还是不够灵活，所以当需对信号进行特殊处理时，往往 需要a m e s i m 与m a t i a b 进行接口，在m a t l a b 中处理，这样会增加操作的复 杂程度。 2 2 2a m e s i m 平台包含的系列软件 a m e s i m 仿真平台有5 个系列软件组成，分别是a m e s i m 、a m e s e t 、 a m e c u s t o m 、a m e r u n 和a m e d e s k 。 1 a m e s i m ：是a m e s i m 平台的主要软件，其开发环境具有图形化，方便识 别。主要对工程系统进行动态性能分析，并且建立系统模型进行仿真。用a m e s i m 软件可以创建新系统，修改已存在系统的结构，修改子模型的参数，绘制系统 的运行曲线。 2 a m e s e t ：一个模型和文档生成器，用于进行二次开发，在此软件下可以 武汉理工大学硕士学位论文 创建新的子模型和图标，可以修改已有的子模型。 3 a m e c u s t o m 创建数据库的工具，主要用于对各种子模型进行参数设置， 并创建定制用户界面。它可以对各种用户设置权限，将相关有用的信息设置普 通权限，将涉及到技术敏感性的信息设置特殊权限，进行加密。 4 a m e r u n ：为a m e s i m 提供运行的版本，在a m e r u n 中运行，用户可以修 改仿真参数和模型参数，执行间隔点不同或时限不同的各种仿真，最后将结果 以图形的方式输出，可以在结果上进行点或线的分析，也可以设置权限禁止修 改模型参数对模型进行保护。 5 a m e d e s k ：全称数据库管理平台，是a m e s i m 的数据库管理工具。在 a m e d e s k 之中，用户对a m e s i m 的数据库进行管理，从而实现了在不同部门、 不同平台和不同企业的协同工作和数据共享，方便工程师的工作。 具体五个系列软件相互间的关系如图2 8 所示： 研究开发 a e s i m i 腻 计系统 g e s e t 应j l 】库 研究歼发 产品成型 h g e d e s k 项u 管理 图2 8a m e s i m 平台软件的关系 a m e s i m 的最新版本是r e v l o ，对于本论文的研究，a m e s i mr e v 8 0 的功能 已经可以满足要求。 a m e s i m 专门为液压系统建立了标准仿真液压标准模型库( h y d r a u l i c ) 和标 准仿真液压管路模型库( h y d r a u l i cl i n e s ) 以及液阻模型库( h y d r a u l i c r e s i s t a n c e ) ，实际应用中，液压系统的元件会不断更新，种类繁多，液压标准模 型库必须不断更新，同时a m e s i m 为设计复杂的液压元件提供了一个模型库： 基本元件设计库h c d ( h y d r a u l i cc o m p o n e n td e s i g n ) 。利用液压基本元件设计库， 用户可以根据自己的需要设计更加复杂的元件，当然标准库中的普通元件也能 设计。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3a m e s i m 在液压系统中的应用 针对液压油的种类不同，对液压系统的动态特性会造成比较很大影响，以下 例子用来比较液压油的体积弹性模量对质量块的速度和加速度影响，通过两根 弹簧与质量块相连，同时与存满一定属性液压油的液压缸与质量块相连，两个 模型进行比较，然后改变液压油的属性，查看质量块的运动位移曲线，比较弹 簧刚度和液压油刚度，模型如图2 - 9 所示： ，- 、 ( ) f l u i d p r o p e r t i e s 图2 - 9a m e s i m 系统模型示惹图 数学模型中液压油是具有可压缩性的，封闭在容器里的液体在外力的作用 下，所表现出来的特征就像一个弹簧：外力增大，体积减小：外力减小，体积 增大。而理想状态下的液压缸，上下两腔就像是两个封闭的容器。根据弹簧弹 性计算公式有： a f 吒一一a ( 2 1 ) 根据液压油压力微分方程有嘞1 ： d p 8 t d v 一= = - 一 t i t y(2-2) 可以看出体积弹性模量应与弹簧弹性模量成比例关系，即 屯：坐 ( 2 - 3 ) 吒= ( 2 ) 设置液压油和弹簧参数，弹簧刚度1 0 0 0 0 0 n m ，液压缸体积弹性模量 1 4 矸皇看上t苎百办 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 0 0 0 b