1、液压系统仿真软件及其应用王亮1, 韩虎2, 高洁1(1. 山东科技大学机电学院, 山东青岛266510 ; 2. 临沂师范学院工程学院, 山东临沂276005)摘 要: 主要介绍了几种常用液压系统仿真软件: Hopsan ,ADAMS/Hydraulics ,Matlab/Simulink , AMESim , 简要分析了这些软件的特点,最后分别给出了每种软件的工程实例应用, 择这些仿真软件中的一种进行液压系统设计。关键词: 液压系统; 仿真; ADAMS/Hydraulics ; MATLAB/Simulink ; AMESim中图分类号: TP31 文献标志码:A 文章编号:1003-07
2、94 (2007) 12-0102-03System Simulation Soft ware and UtilizationWANG Liang1,HAN Hu2,GAO Jie1(1. College of Mechanic and Electric Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,China; 2. Engineering College , Linyi Normal University , Linyi 276005 ,China)Abstract :Some kind
3、s of hydraulic system simulation software were intruduced : Hopsan ,ADAMS/Hydraulics , Matlab/Simulink ,AMESim , analyzed their own character , at last , given a project application example respectively , this examples proved that can chose a kind of hydraulic system simulation software to carry on
4、designing of hydraulic system.Key words :hydraulic system ; simulation ; ADAMS/Hydraulics ; MATLAB/Simulink ; AMESim 0引言 随着机电一体化技术在现代机械中的应用,液压系统在一台机械中的造价比率越来越高,液压系统越来越复杂,因此对液压系统进行设计和分析的困难越来越大。与此同时,流体力学、算法理论等相关学科的迅速发展,液压仿真技术迅速发展,相应的仿真软件相继出现。目前,主要有Hopsan, ADAMS/Hydraulics, Matlab/simulink, AMESim等仿真软件
5、,下面就对这些软件进行介绍。1Hopsan(1)Hopsan软件简介 瑞典从1977年开始研制,历时8 a推出了Hopsan液压系统仿真软件。Hopsan软件的建模方法是元传输线法,源于特征法和传输线建模。这种方法特别适合并行计算,从而提高计算速度和实现分布计算功能。在传输线方法上增加了可变时间步长法,解决系统的刚性和断点问题,与键合图法(BOND GRAPH)相比,键合图法只能描述元件间的连接关系,不能反映元件间的因果关系,而传输线法能够描述出元件间的因果关系。该软件还拥有图形建模功能,元件图采用WMF图元文件格式,新版本的软件增加了WMF图元文件编辑器。它的图形建模功能较好,界面友好,编辑
6、方便,效率很高,速度快;有系统连接时可合理性的判断,对错误的连接方式可以在一定程度上避免。可以方便地更改元件的图形文件,实现元件图的转换。该软件有图形元件库,元件库元素可以动态添加,用户可以编辑软件,设定元件图形,连接用的油口,以及用于仿真计算的变量等。参数的赋值通过对话框来设定。 Hopsan还可以对系统的一些行为进行优化,也可以用来进行离线参数评估,通过计算比较仿真结果和测量结果的差别,并且通过优化使之最小,在一定程度上实现了仿真与实验的连接。为了进行有效的仿真试验,该软件拥有强大的命令接口,这可以对参数变化研究进行系列的仿真,还有诸如频率分析等强大的后处理工具。同时,拥有Matlab软件
7、的接口。 Hopsan软件最重要的3个特点可归纳为:动态的图形元件库和图形建模功能,优化方法用于对系统行为的优化和参数的离线评估以及具有实时仿真和分布式计算功能。(2)工程应用实例 以YZ18A型振动压路机的液压系统为例进行建模、仿真。图1(a)为Hopsan下的液压模型,图1(b)为振动频率为30 Hz时马达转速曲线。2MATLAB/Simulink(1)简介 MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算可视化软件,它除了传统的交互式编程之外,还集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础,出现了各种以MATLAB为
8、基础的工具箱,广泛应用于自动控制、图像信号处理、信号分析、振动理论、时序分析与建模、优化设计等领域,并表现出一般高级语言难以比拟的优势。本文主要利用控制系统工具箱(control system toolbox)建立系统仿真模型进行数字仿真。 Simulink可以对动态系统进行建模、仿真和分析,从而可以在设计系统的时候先对系统进行仿真和分析,然后及时进行必要的修正,以实现高效的系统开发。Simulink支持线性和非线性系统、连续和离散时阻力系统以及多进程系统。Simulink包含有Continuous(连续量)、Discrete(离散量)、Functions&Table(功能)、Math(计算)
9、、Nonlinear(非线性环节)、Signals systems(信号系统)、Sinks(输出方式)、Source(信号输入源)、Subsystems(子系统)子模型库。在每个子模型库中包含有相应的功能模块,用户也可以制定和创建适合需要的模块。 由于MATLAB和Simulink是集成化软件,用户可以在这2种环境下交替的对仿真模型进行仿真、分析和修改。同时可以仿真较大较复杂的系统,而且系统可以是多进程的。Simulink在模型的建构、求解及结果分析中还有提供图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)、定制系统模块、系统分层功能、仿真与结果分析等优点。(2)工程应
10、用实例 掘进机回转液压回路系统可简化为如图2(a)所示。系统可分为复合动力源、功率传递和控制和执行机构等三部分,复合动力源是由发动机驱动泵旋转,泵将机械能转变为液压能;执行机构是左右对称布置的2根油缸;其他均为功率传递和控制,如管路及三位四通阀。根据回转液压系统的参数对Simulink仿真模块中的参数值进行初始化和赋值,并进行仿真计算。在仿真过程中,可以实时对所建立的模块的输出进行监测,并将仿真结果形成数据文件,存放在MATLAB的工作空间中,随时可以调用或输出。仿真采用可变步长的4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法,可以提供误差控制和过零检测,其相对误差控制在1e-3范围内。从中间位置
11、向左回转到极限位置的仿真结果如图2(b)所示。3ADAMS/Hydraulics(1)简介 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是由美国Mechanical Dynamics Inc公司开发研制的一套机械系统动力学仿真分析软件。ADAMS/Hydraulics模块式是ADAMS的一个对液压系统进行仿真的扩充模块,利用ADAMS/Hydraulics模块可以在同一界面下建立机械系统与液压回路之间相互作用的模型并在计算机中设置系统的运动特性,进行各种静态、模态和瞬态分析,如:液压系统峰值压力和运行压力、液压系统滞后特性、液
12、压系统控制、功率消耗、液压元件和管路尺寸等。 由于ADAMS/Hydraulics采用了与ADAMS/View相同的参数化功能和函数库,因此,用户在液压元件设计中同样可以运用设计研究(DS)、试验设计(DOE)及优化设计(OPTIMIZE)等技术。(2)工程应用实例 YZ18JA型振动式压路机振动系统有机械系统和液压系统组成,它是振动压路机工作的主要装置,本文就以此为例,利用ADAMS/Hydraulics模块进行机械系统和液压系统的协同仿真。在ADAMS/Hydraulics模块建立的液压系统(见图3(a),及ADAMS/Hydraulic模块下,仿真200 s,就得到在ADAMS/Hydr
13、aulics下的液压系统及其仿真结果如图3(b)。4AMESim(1)简介 AMESim软件最初于1995年由法国IMAGINE公司推出,至今已经历了10 a多的丰富和完善。AMESim代表“Advanced Modeling Environment Foperforming Simulations of Engineering Systems”,即“执行工程系统仿真的高级建模环境”。它具有完全图形界面,在整个仿真过程中系统都是以图形的形式显示的,在表示元件方面,对于液压元件采用基于工程领域的标准ISO符号;对于控制系统,则采用图表符号;对于没有标准符号的,则采用能代表系统的容易识别的图画符号
14、。在下文的叙述中,子模型(submodels)用来指组成系统的每个元件背后的数学模型,包括方程式和与之对应的程序。 AMESim根据仿真步骤自然地分为4个工作模式:草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式。在草图模式下根据实际工程系统的工作原理利用元件库中的元件图标搭建系统模型,系统搭建完成后便可进入子模型模式,这时需要为每个元件选择合适的子模型(即数学模型),对于不同的元件,子模型可能不止一个,需要根据实际情况选择最合适的。接着在参数模式下为每个元件设定必要的参数,如活塞直径、滑阀开度和所加控制信号等。最后在运行模式下,设置好仿真时间、采样间隔等初始条件后进行仿真。仿真结束后可以对需要的参数
15、进行绘图以进行分析研究,也可以对系统进行线性化,并进行时域和频域的相关分析。(2)工程应用实例 如图4(a)为在AMESim软件下建立的模型,图4(b)为仿真曲线。5结语 正是液压仿真技术及其仿真软件的蓬勃发展使现代液压仿真软件在工程实际中得到越来越广泛的应用。纵观仿真和液压技术的发展,今后的液压仿真技术会在系统的建模和算法、人工智能和专家系统、系统优化设计能力、仿真和测试的无缝集成及多媒体技术与面向对象等方面进一步发展和完善。参考文献:1http:/hydrau.ikp.liu.se/%7Earnja/hopsan.html.2陈鹰.面向创新的液压仿真技术J.液压气动与密封,2003(8):
16、17-18.3刘国昌,赵红波,曾庆良,等.基于HOPSAN的液压系统仿真与应用J.机床与液压,2006(11):198-200.4韩虎,曾庆良,孙成通,等.掘进机回转液压系统的功率键合图绘制与仿真J.煤炭科学技术,2007(4):65-68.5孙成通,韩虎,曾庆良.基于MATLAB液压系统仿真技术研究J.煤矿机械,2007,28(7):39-41.6陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADMAS应用教程K.北京:清华大学出版社,2005.7郑建荣.ADAMS虚拟样机入门与提高M.北京:机械工业出版社,2003.作者简介:王亮(1980-),山东德州人,讲师,毕业于山东科技大学机械制造及自动化专业,主要研究虚拟样机技术及液压、液力传动技术,电子信箱:hanbohu或6057079.收稿日期:2007-07-29
