1 前言
對液壓元件和系統利用計算機進行仿真的研究和應用已有30 年的歷史。隨著流體力學，現代控制理論，算法理論，可靠性理論等相關學科的發展，特別是計算機技術的突飛猛進，液壓仿真技術也日益成熟，越來越成為液壓系統設計人員的有力工具。鑒于20 世紀90 年代末以前液壓仿真技術在國內外發展的情況，前人已有較多的介紹，本文不再詳述，而是著重于近期的發展以及未來的方向。
2 現代液壓仿真技術與軟件
從20 世紀70 年代初開始，國外開始進行液壓系統和元件的計算機數字仿真研究，我國也從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實現了從原先的精度低，速度慢發展到精度高，速度快；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統發展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統；從復雜的編程和輸入發展到交互友好的圖形用戶界面等都有極大的提升。特別是近幾年，國外尤其在歐洲液壓仿真技術得到了飛速發展，各款老牌的液壓仿真軟件紛紛推出了面目一新的版本。如英國的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德國的DSH + 等。另外一些擅長液壓仿真的綜合系統仿真軟件在商業上也獲得了很大的成功，具代表性的有法國的AMESIM，波音公司的Eay5。
作為液壓系統仿真軟件包，無論是由商業軟件公司還是大學研究機構開發的，都已經存在很長一段時間了，然而它們開始得到普遍的應用還是最近的事。從幾個主流仿真軟件的建模和仿真算法看，大致可以按圖1 所示分類。
圖1 建模和仿真算法
圖1 所示的建模和仿真算法并沒有絕對的優劣之分，各種軟件可以說都發展到了成熟應用的階段。信號流的方法比較適合于設計控制系統，通常表示為方塊圖的形式。能量端口的方法在能被描述成環路圖的系統中得到了很好的應用，因為環路圖就表示了系統的物理拓撲結構。在積分運算器的設計上，大部分軟件采用了集中式運算器。隨著計算機硬件技術和算法發展，集中式運算器的仿真速度也已不是瓶頸。而分布式運算器則對系統中的元件分別設定積分步長，提高了仿真速度，并對并行處理可以更好的支持。
而縱觀近幾年液壓仿真技術的發展，可以看出現代液壓仿真軟件具有以下特點：
(1) 通用液壓元件模型庫和支持特定模型的創建顯然，通用的元件庫是核心，沒有通用的液壓元件模型庫，一個軟件也就不能被稱為液壓仿真軟件了。支持用戶自定義元件模型的創建也是必不可少的，因為無論通用模型庫多么完美，也不可能包含用戶對元件模型的全部要求。如在Amesim 里，自定義元件模型就是由軟件自帶的零件模塊組裝；
(2) 支持多領域建模仿真在實際的工程應用設計中，幾乎很少有純粹的液壓系統存在。液壓系統通常是作為整個系統的一部分，即使元件也可能包括機械和電子器件，這就要求仿真時可以加入其他領域的模型，最常見的如DSH 中加入電子和機械方面的仿真模型，而Amesim 帶有液壓、機械、控制、信號、熱力學、氣動等多種模型庫；
(3) 數據庫技術應用和技術文檔生成功能一個仿真系統最主要的技術文檔是系統的原理圖，其他還包括元件的微分和代數方程的數學模型描述、參數、仿真結果、其他產品信息等。實現這一功能的手段開始采用復雜的數據庫技術，而不是以傳統的難以管理的文件系統形式。以瑞典某大學的液壓仿真軟件Hopsan 為例，其使用數據庫管理的仿真環境示意圖如圖2 所示。
圖2 數據庫管理的仿真環境示意圖
圖2 中，Dynmoc 用以生成元件模型和系統連接的Fortran 程序， 而數據庫， 仿真程序和數學運算軟件Mathmatic 之間采用了Java 接口。Amos 模型數據庫對數據進行集中管理，實現數據共享，保證數據的一致性和安全性以及用戶操作的獨立性，迅速準確地實現數據查詢和通信；
(4) 圖形操作界面為了使眾多并不具備熟練的計算機知識的普通液壓技術人員能夠在小型計算機上較為順利地進行動力系統的仿真，從而使仿真技術能更廣泛地用于工程實際，友好的交互界面是不可缺少的，這也是仿真軟件大范圍商品化的要求。目前，幾乎所有知名的液壓仿真軟件都支持了圖形化操作界面，元件模型在軟件中一般以圖標表示，系統則以原理圖的形式直接在軟件中畫出，元件型號和元件參數通過操作液壓原理圖直接選取，而不需要單獨編程輸入，軟件通過各自的識別技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件或程序；
(5) 支持實時仿真及提供與通用軟件的接口當前的液壓仿真軟件的積分運算器都包含了可變步長的功能，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么困難，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，使仿真計算更直觀、更具說服力。在軟件的接口方面，MATLAB/ Simulink已經成為所有液壓仿真軟件的通用接口，一些有合作關系的公司和大學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程實際中越來越得到廣泛的應用，但并不代表液壓仿真技術已經發展到盡善盡美了，在許多方面它們仍然存在不足�？v觀液壓仿真技術的最新進展，結合液壓領域的發展，液壓仿真技術主要有以下幾個發展方向：
(1) 液壓系統模型和算法的進一步研究液壓系統的工作介質是流體，而流體的建模正確與否可以說決定了系統整體模型正確與否，因此流體的性質一直都是研究的熱點。一方面，在液壓系統研究中還有許多復雜的情況沒有完全搞清楚，如流體在復雜閥道中的流動情況，閥口流量系數、液動力系數等軟參數的正確確定等。另一方面，在實際的應用中，液壓仿真軟件的運算平臺逐漸開始轉向微機，被仿真的系統也更大規模，更復雜，隨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布式算法提出了要求。隨著新原理，新元件的出現以及對仿真精度的要求進一步提高，對模型和算法的研究將不斷深入。
(2) 最優化設計能力仿真軟件的最優化設計能力應包括結構設計的最優化，參數設定的最優化及經濟最優化。在評價一個系統的動態特性時，不僅系統結構的數學模型起著決定性的作用，而且在模型中的結構參數和試驗數據也是同樣重要的，精確地設定這些參數往往要比確定系統的數學關系式困難的多。結構設計的最優化和參數設定的最優化是指已知被設計系統的性能指標(又稱目標函數) 和可使用的元件，應用現代控制理論和人工智能專家庫的方法設計出最佳的系統結構和最佳的系統參數，從而大大縮短設計周期。如果設計出的系統在經濟上沒有可行性，那么無論它的性能多么完美也是不現實的。經濟最優化設計就是要在可選的設計中選擇出最經濟實用的方案，這一點在實現上相對前兩點容易一點。比如可以在元件模型數據庫中添加一個價格指數，然后再針對系統的復雜程度，安裝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理系統連接，這樣能更好地比較仿真和實驗結果。這種方式特別適用于當某些系統的部件和現象尚無合適的模型或難以建模，或者系統本身有特殊要求時，以實際的物理部件作為仿真模型的一部分。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， 仿真結果更有可信度。
在軟件和實際系統集成的過程中，主要的困難在于接口。如果軟件和硬件的接口狀態變量只是電量則是比較容易處理的，如果包含機械變量特別是流體變量就比較困難了，因為加入一些額外的傳感器不僅增加了費用，也引入了誤差，使系統更加復雜。目前在國防工業中武器平臺的系統仿真大量使用了半實物仿真系統，它們已經在新型武器平臺的研制中發揮了極大的作用，而在液壓領域，半實物仿真的工作才剛剛起步。
(4) 多媒體技術，面向對象技術的應用當前的液壓仿真軟件雖然已經實現了圖形化界面，但對多媒體技術的支持還是很初步的。多媒體技術特別是多媒體動畫技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和結果分析中，就可以動態直觀地表示液壓傳動內容，大大克服其抽象復雜的缺點。例如在液壓傳動的教學中，完全可以用結合多媒體動畫的液壓軟件進行仿真代替傳統的液壓實驗。正在飛速發展的虛擬現實技術的應用也是液壓仿真軟件發展的一個方向，只是目前來講這一技術在許多方面還不成熟，實現的成本很高。在面向對象技術的應用方面，面向對象的方法在液壓仿真軟件的設計中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復雜時，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、擴充和重用以及分布式建模的支持更加完善。
4 結束語
比較國外蓬勃發展的液壓仿真軟件，我國近十幾年在這方面的研究是比較滯后的。但從最近幾年看，國內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。我國液壓技術研究領域應大力加快自主知識產權的商品軟件開發，積極參與液壓仿真軟件產業標準的制定，讓液壓仿真技術在我國展示出強大的生命力。
------------------------------------------------------------------------------------------
作者:信息員 發布時間：2012-12-24
|
