基于模块化拼装的液压系统建模及仿真

“许氏液压大系统模块式建模法及其静动态仿真合一直接代数解法”是建立一种在液压系统及元件的仿真及辨识中易于推广应用的建模方法，以解决目前仿真中对用户建模知识要求高，技术处理要求专业巨程序繁琐的问题。解法也打破了传统概念，以更简便的运算方式有异于传统的以一阶导数方程组表达的状态方程的形成与解法的问题，将静动态两种不同的运算，采用同一解法，简便短捷有独到之处。图6-1表达了液压大系统模块式建模法与传统建模法的区别，从图中可见，在模块式建模法中不再需要如何中间过渡的几何图解模型。应该强调的是，本方法能进一步发展用于辨识中，可以在运行中跟踪系统的每个元件整体状态，便于预先性地判断系统在元件方面的故障点，因此是非常有前景可以发展的方法。图6-2展示液压大系统模块式建模法与其辨识的方法，从该图中可见，实际上在仿真与辨识中我们都采用同一个数学模型，因为我们辨识的液压系统与元件并不是一个“黑箱”，而只不过是一个“灰箱”。我们将按模块式建模法所建立的数学模型中的性能参数与元件或系统的特征参数“颠倒”，就可以将仿真与辨识的变量与常量互换，采用同类型的解法。从而寻求到使仿真与辨识达到“合一”的方法，即如图6-2所示。

图6-1 液压大系统模块式建模法与传统方法（键合图等）的比较

a）通过键合图等建模方法的仿真流程 b）通过模块式建模法的仿真流程

图6-2 液压大系统模块式建模法与其辨识方法(www.xing528.com)

我们可将液压工程仿真归结为如下过程：在液压仿真时，是对一个确定的以液压为介质的物理对象进行研究，将此所研究对象的物理模型在一定的建立数学模型的规则下转化为相应的几何图解模型，然后由此几何图解模型转换成标准的数学状态微分方程式。再由计算机按已有的计算解法进行运算，所得到的结果就是我们希望得到的物理模型的静态或动态性能（图6-1）。在这个过程中，由于仿真建模的规则需要相当深度的计算数学基础，也需要相应的控制理论基础与分析能力，因此对于长期接触工程而又需要通过仿真来解决工程实际问题的工程技术人员来说，往往望而却步。如何发展一种面向工程技术人员，在已经具备基本的数学理论与控制理论下，能应用建模仿真技术或方法去解决面临的问题就成为我们研究的目的。也就是要将建模的知识与技巧工程技术化。因此此方法是一种面向应用工程师并能对所面临的软件又有一定扩展能力的技术人员。目前的技术软件发展很快，在应用上也有特点，已经不需要再去面对几何图解模型转换的问题，但对应用型技术人员能介人此类软件的核心并在此平台上又可扩展的建模方法仍不多见。

许氏液压大系统模块式建模法在建立几何模型上不采用已有的方法，而是采用了工程技术人员熟悉的液压系统图，这样就回避了建立几何模型所需要的数学与控制方面的理论应用技术；另外在组成系统数学模型上，也不采用传统的微分方程式组，而是大家最熟悉常见的一般微分方程式，又回避了在组织方程式方面所需要的更多的计算数学的应用技术。使工程技术人员在应用仿真技术上具有更大的主动权。这也正是本方法的特点。正是这些特点使本方法所采用的建模方法与其算法无前人之鉴与任何已有的先例。

本建模法的基本思想是将系统模型基于各标准子模型基础上依据硬件连接形式拼装而成。故其属于自动控制领域中的大系统建模技术的发展，并在液压技术中首先体现。

本方法能使用户在仿真所需的建模简单化，数学模型通用化以及易使程序包商品化，为建模与仿真技术在液压领域中易于推广开辟了一条新的途径。并巨能是静动态仿真合二为一，系统与元件仿真合一，传动系统与伺服系统仿真合一，单工况和多工况仿真合一。此法对初值几乎没有要求，从而扩展了静动态性能仿真的范围。此建模法行程的程序包具有程序短，储存空间小，运算速度快等特点。