液壓仿真技(jì )術的現在和未來

簡單回顧了液壓仿真技(jì )術的發展，着重闡述了液壓仿真技(jì )術的發展現狀和特點，從不同的側面介紹了一些軟件，并讨論了未來的發展趨勢。

1、前言

對液壓元件和系統利用(yòng)計算機進行仿真的研究和應用(yòng)已有(yǒu)30 年的曆史。随着流體(tǐ)力學(xué)，現代控制理(lǐ)論，算法理(lǐ)論，可(kě)靠性理(lǐ)論等相關學(xué)科(kē)的發展，特别是計算機技(jì )術的突飛猛進，液壓仿真技(jì )術也日益成熟，越來越成為(wèi)液壓系統設計人員的有(yǒu)力工(gōng)具(jù)。鑒于20 世紀90 年代末以前液壓仿真技(jì )術在國(guó)内外發展的情況，前人已有(yǒu)較多(duō)的介紹，本文(wén)不再詳述，而是着重于近期的發展以及未來的方向。

2、現代液壓仿真技(jì )術與軟件

從20 世紀70 年代初開始，國(guó)外開始進行液壓系統和元件的計算機數字仿真研究，我國(guó)也從20 世紀70年代末80 年代初開始進行液壓系統與元件的仿真研究。經過幾十年的研究開發，液壓仿真軟件包的性能(néng)實現了從原先的精(jīng)度低，速度慢發展到精(jīng)度高，速度快；從隻能(néng)處理(lǐ)單輸入、單輸出的線(xiàn)性系統發展到能(néng)處理(lǐ)多(duō)輸入、多(duō)輸出的非線(xiàn)性系統；從複雜的編程和輸入發展到交互友好的圖形用(yòng)戶界面等都有(yǒu)極大的提升。特别是近幾年，國(guó)外尤其在歐洲液壓仿真技(jì )術得到了飛速發展，各款老牌的液壓仿真軟件紛紛推出了面目一新(xīn)的版本。如英國(guó)的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德(dé)國(guó)的DSH + 等。另外一些擅長(cháng)液壓仿真的綜合系統仿真軟件在商(shāng)業上也獲得了很(hěn)大的成功，具(jù)代表性的有(yǒu)法國(guó)的AMESIM，波音公(gōng)司的Eay5。

作(zuò)為(wèi)液壓系統仿真軟件包，無論是由商(shāng)業軟件公(gōng)司還是大學(xué)研究機構開發的，都已經存在很(hěn)長(cháng)一段時間了，然而它們開始得到普遍的應用(yòng)還是較近的事。從幾個主流仿真軟件的建模和仿真算法看，大緻可(kě)以按圖1 所示分(fēn)類。

 

圖1 建模和仿真算法

圖1 所示的建模和仿真算法并沒有(yǒu)絕對的優劣之分(fēn)，各種軟件可(kě)以說都發展到了成熟應用(yòng)的階段。信号流的方法比較适合于設計控制系統，通常表示為(wèi)方塊圖的形式。能(néng)量端口的方法在能(néng)被描述成環路圖的系統中(zhōng)得到了很(hěn)好的應用(yòng)，因為(wèi)環路圖就表示了系統的物(wù)理(lǐ)拓撲結構。在積分(fēn)運算器的設計上，大部分(fēn)軟件采用(yòng)了集中(zhōng)式運算器。随着計算機硬件技(jì )術和算法發展，集中(zhōng)式運算器的仿真速度也已不是瓶頸。而分(fēn)布式運算器則對系統中(zhōng)的元件分(fēn)别設定積分(fēn)步長(cháng)，提高了仿真速度，并對并行處理(lǐ)可(kě)以更好的支持。

而縱觀近幾年液壓仿真技(jì )術的發展，可(kě)以看出現代液壓仿真軟件具(jù)有(yǒu)以下特點：

(1)通用(yòng)液壓元件模型庫和支持特定模型的創建顯然，通用(yòng)的元件庫是核心，沒有(yǒu)通用(yòng)的液壓元件模型庫，一個軟件也就不能(néng)被稱為(wèi)液壓仿真軟件了。支持用(yòng)戶自定義元件模型的創建也是必不可(kě)少的，因為(wèi)無論通用(yòng)模型庫多(duō)麽完美，也不可(kě)能(néng)包含用(yòng)戶對元件模型的全部要求。如在Amesim 裏，自定義元件模型就是由軟件自帶的零件模塊組裝(zhuāng)；

(2)支持多(duō)領域建模仿真在實際的工(gōng)程應用(yòng)設計中(zhōng)，幾乎很(hěn)少有(yǒu)純粹的液壓系統存在。液壓系統通常是作(zuò)為(wèi)整個系統的一部分(fēn)，即使元件也可(kě)能(néng)包括機械和電(diàn)子器件，這就要求仿真時可(kě)以加入其他(tā)領域的模型，較常見的如DSH 中(zhōng)加入電(diàn)子和機械方面的仿真模型，而Amesim 帶有(yǒu)液壓、機械、控制、信号、熱力學(xué)、氣動等多(duō)種模型庫；

(3)數據庫技(jì )術應用(yòng)和技(jì )術文(wén)檔生成功能(néng)一個仿真系統較主要的技(jì )術文(wén)檔是系統的原理(lǐ)圖，其他(tā)還包括元件的微分(fēn)和代數方程的數學(xué)模型描述、參數、仿真結果、其他(tā)産(chǎn)品信息等。實現這一功能(néng)的手段開始采用(yòng)複雜的數據庫技(jì )術，而不是以傳統的難以管理(lǐ)的文(wén)件系統形式。以瑞典某大學(xué)的液壓仿真軟件Hopsan 為(wèi)例，其使用(yòng)數據庫管理(lǐ)的仿真環境示意圖如圖2 所示。

 

圖2 數據庫管理(lǐ)的仿真環境示意圖

圖2 中(zhōng)，Dynmoc 用(yòng)以生成元件模型和系統連接的Fortran 程序， 而數據庫， 仿真程序和數學(xué)運算軟件Mathmatic 之間采用(yòng)了Java 接口。Amos 模型數據庫對數據進行集中(zhōng)管理(lǐ)，實現數據共享，保證數據的一緻性和安(ān)全性以及用(yòng)戶操作(zuò)的獨立性，迅速準确地實現數據查詢和通信；

(4)圖形操作(zuò)界面為(wèi)了使衆多(duō)并不具(jù)備熟練的計算機知識的普通液壓技(jì )術人員能(néng)夠在小(xiǎo)型計算機上較為(wèi)順利地進行動力系統的仿真，從而使仿真技(jì )術能(néng)更廣泛地用(yòng)于工(gōng)程實際，友好的交互界面是不可(kě)缺少的，這也是仿真軟件大範圍商(shāng)品化的要求。目前，幾乎所有(yǒu)知名(míng)的液壓仿真軟件都支持了圖形化操作(zuò)界面，元件模型在軟件中(zhōng)一般以圖标表示，系統則以原理(lǐ)圖的形式直接在軟件中(zhōng)畫出，元件型号和元件參數通過操作(zuò)液壓原理(lǐ)圖直接選取，而不需要單獨編程輸入，軟件通過各自的識别技(jì )術根據回路的拓撲信息及組成元件的模型，由計算機自動生成回路的仿真計算模型的描述文(wén)件或程序；

(5)支持實時仿真及提供與通用(yòng)軟件的接口當前的液壓仿真軟件的積分(fēn)運算器都包含了可(kě)變步長(cháng)的功能(néng)，加上硬件速度的飛速提高，仿真速度大大提高，實現實時仿真已不是那麽困難，而實時仿真使仿真人員在計算機屏幕上“實時”地看到系統的動作(zuò)，使仿真計算更直觀、更具(jù)說服力。在軟件的接口方面，MATLAB/ Simulink已經成為(wèi)所有(yǒu)液壓仿真軟件的通用(yòng)接口，一些有(yǒu)合作(zuò)關系的公(gōng)司和大學(xué)研究機構也相互提供了接口。

3、發展方向

現代液壓仿真軟件雖然已經在工(gōng)程實際中(zhōng)越來越得到廣泛的應用(yòng)，但并不代表液壓仿真技(jì )術已經發展到盡善盡美了，在許多(duō)方面它們仍然存在不足。縱觀液壓仿真技(jì )術的較新(xīn)進展，結合液壓領域的發展，液壓仿真技(jì )術主要有(yǒu)以下幾個發展方向：

(1)液壓系統模型和算法的進一步研究液壓系統的工(gōng)作(zuò)介質(zhì)是流體(tǐ)，而流體(tǐ)的建模正确與否可(kě)以說決定了系統整體(tǐ)模型正确與否，因此流體(tǐ)的性質(zhì)一直都是研究的熱點。一方面，在液壓系統研究中(zhōng)還有(yǒu)許多(duō)複雜的情況沒有(yǒu)完全搞清楚，如流體(tǐ)在複雜閥道中(zhōng)的流動情況，閥口流量系數、液動力系數等軟參數的正确确定等。另一方面，在實際的應用(yòng)中(zhōng)，液壓仿真軟件的運算平台逐漸開始轉向微機，被仿真的系統也更大規模，更複雜，随之帶來的是運算時間幾何級數的增加，這就對單機算法的改進和分(fēn)布式算法提出了要求。随着新(xīn)原理(lǐ)，新(xīn)元件的出現以及對仿真精(jīng)度的要求進一步提高，對模型和算法的研究将不斷深入。

(2)較優化設計能(néng)力仿真軟件的較優化設計能(néng)力應包括結構設計的較優化，參數設定的較優化及經濟較優化。在評價一個系統的動态特性時，不僅系統結構的數學(xué)模型起着決定性的作(zuò)用(yòng)，而且在模型中(zhōng)的結構參數和試驗數據也是同樣重要的，精(jīng)确地設定這些參數往往要比确定系統的數學(xué)關系式困難的多(duō)。結構設計的較優化和參數設定的較優化是指已知被設計系統的性能(néng)指标(又(yòu)稱目标函數) 和可(kě)使用(yòng)的元件，應用(yòng)現代控制理(lǐ)論和人工(gōng)智能(néng)專家庫的方法設計出較佳的系統結構和較佳的系統參數，從而大大縮短設計周期。如果設計出的系統在經濟上沒有(yǒu)可(kě)行性，那麽無論它的性能(néng)多(duō)麽完美也是不現實的。經濟較優化設計就是要在可(kě)選的設計中(zhōng)選擇出較經濟實用(yòng)的方案，這一點在實現上相對前兩點容易一點。比如可(kě)以在元件模型數據庫中(zhōng)添加一個價格指數，然後再針對系統的複雜程度，安(ān)裝(zhuāng)維護難度等成本因素和相對成本因素計算出系統的成本估計。

(3)仿真和測試的無縫集成即液壓仿真軟件通過計算機接口與實際的物(wù)理(lǐ)系統連接，這樣能(néng)更好地比較仿真和實驗結果。這種方式特别适用(yòng)于當某些系統的部件和現象尚無合适的模型或難以建模，或者系統本身有(yǒu)特殊要求時，以實際的物(wù)理(lǐ)部件作(zuò)為(wèi)仿真模型的一部分(fēn)。軟件實時仿真結合HWIL(Hardware In Loop) 仿真和HIL (Human In Loop) 仿真，從而使仿真過程更加靈活， 仿真結果更有(yǒu)可(kě)信度。

在軟件和實際系統集成的過程中(zhōng)，主要的困難在于接口。如果軟件和硬件的接口狀态變量隻是電(diàn)量則是比較容易處理(lǐ)的，如果包含機械變量特别是流體(tǐ)變量就比較困難了，因為(wèi)加入一些額外的傳感器不僅增加了費用(yòng)，也引入了誤差，使系統更加複雜。目前在國(guó)防工(gōng)業中(zhōng)武器平台的系統仿真大量使用(yòng)了半實物(wù)仿真系統，它們已經在新(xīn)型武器平台的研制中(zhōng)發揮了極大的作(zuò)用(yòng)，而在液壓領域，半實物(wù)仿真的工(gōng)作(zuò)才剛剛起步。

(4)多(duō)媒體(tǐ)技(jì )術，面向對象技(jì )術的應用(yòng)當前的液壓仿真軟件雖然已經實現了圖形化界面，但對多(duō)媒體(tǐ)技(jì )術的支持還是很(hěn)初步的。多(duō)媒體(tǐ)技(jì )術特别是多(duō)媒體(tǐ)動畫技(jì )術在計算機領域已經比較成熟了，如果結合到仿真系統的實時動作(zuò)和結果分(fēn)析中(zhōng)，就可(kě)以動态直觀地表示液壓傳動内容，大大克服其抽象複雜的缺點。例如在液壓傳動的教學(xué)中(zhōng)，完全可(kě)以用(yòng)結合多(duō)媒體(tǐ)動畫的液壓軟件進行仿真代替傳統的液壓實驗。正在飛速發展的虛拟現實技(jì )術的應用(yòng)也是液壓仿真軟件發展的一個方向，隻是目前來講這一技(jì )術在許多(duō)方面還不成熟，實現的成本很(hěn)高。在面向對象技(jì )術的應用(yòng)方面，面向對象的方法在液壓仿真軟件的設計中(zhōng)已經逐步取代了模塊式的方法并不斷發展。在面向對象的思想下，整個系統由對象組成，系統的運作(zuò)通過對象之間的接口和消息傳遞實現。當被仿真的系統越大越複雜時，面向對象方法建立的模型越表現出它的優越性，對仿真模型的修改、擴充和重用(yòng)以及分(fēn)布式建模的支持更加完善。

4、結束語

比較國(guó)外蓬勃發展的液壓仿真軟件，我國(guó)近十幾年在這方面的研究是比較滞後的。但從較近幾年看，國(guó)内液壓界對仿真的需求越來越大，研究人員對仿真研究的熱情也開始升溫。我國(guó)液壓技(jì )術研究領域應大力加快自主知識産(chǎn)權的商(shāng)品軟件開發，積極參與液壓仿真軟件産(chǎn)業标準的制定，讓液壓仿真技(jì )術在我國(guó)展示出強大的生命力。