基于Modelica语言的液压起升机构仿真建模方法

摘要

本发明涉及液压起升机构仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的液压起升机构仿真建模方法，其包括如下步骤：1)系统拆解；2)部件建模；3)系统级建模仿真控制；4)仿真控制；5)最后，仿真结果曲线演示；本发明依据Modelica语言面向对象以及适合复杂系统、多领域建模的特点，对起升机构系统内部复杂的过程进行仿真分析，实现了计算机仿真对设计的数据支持，集成了多学科、多层次仿真模型，能够从不同角度和细节上对复杂的泵车的部件相互作用和相互影响以及整体性能进行研究，从而减少循环设计和试验次数，对系统和部件结构改进等提供支持。

说明书

[技术领域]

本发明涉及液压起升机构仿真系统领域，具体地说是一种基于Modelica语 言的液压起升机构仿真建模方法。

[背景技术]

液压起升机构是汽车起重机和履带起重机的主要工作装置之一，用于实现 重物的垂直位移，它通常由液压马达、制动减速器、卷筒、钢丝绳、滑轮组及 吊钩等零部件组成。因此是一种由多系统、多学科、多领域集成的非常复杂的 工程装备，各机构之间，子系统之间有着非常复杂的力学、液压、控制等不同 学科领域的交互和耦合。

经对现有技术的文献检索发现，王帮峰等人在《起重机液压提升机构起升 过程的仿真研究》一文中，将起升机构等效为质量弹簧系统，建立比较完整的 液压起升机构多自由度非线性动力学模型，应用Matlab软件进行仿真求解。该 技术不能准确描述机械系统与液压系统的耦合关系，以及控制系统对于起升机 构的影响，无法建立完整的多领域模型。马长林等人在《基于Simulink的液压 起升机构仿真研究》一文中，基于Simulink平台建立液压起升机构模型，利用 Simulink的SimMechaics模块建立了起升机构的机械模型，采用改进的节流流量 模型，基于节点发建模思想建立了液压系统模型，然后根据液压、机械系统的 参数关联关系将两个系统模型有机集成起来，得到较为完整的液压起升机构仿 真模型。

Multi-Domain Simulation-Mechanics and Hydraulics of an Excavator  (多筹模拟：挖掘机的机械学和液压学)一文中，提出了基于Modelica/dymola 对挖掘机系统进行仿真建模，这个模型包含了厢体三维机构的完整模型，包含 运动臂、斗杆、铲斗以及液压模型，Modelica语言很好的解决了多体系统、液 压系统的兼容问题，很好的评估了不同液压回路，并且借助于Dymola仿真特性， 使用户有可能在几乎真实的情况下观察运动。然而模型是通过一系列运动方程 进行控制，模型搭建过于复杂，不能形象、直观的表示挖掘机系统，对于用户 来说很难使用、学习。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于Modelica语言的液压 起升机构仿真建模方法，具有模块化、层次化、规范化和参数化，以及仿真模 型互操作性和重用性强的特点。

为实现上述目的设计一种基于Modelica语言的液压起升机构仿真建模方 法，其包括如下步骤：

1)系统拆解：首先对液压起升系统进行了拆解，根据真实物理系统的各 部分功能进行分解，将其分解分成机械系统模块和液压系统模块；所 述液压起升系统拆解出一系列有独立功能的元件模块，这些模块按一 定的规则，组织成具有相对独立性的部件模型库，并通过模型简化构 造模型库；

2)部件建模：首先构建同一类元件的接口，接口分为输入接口和输出接 口，前一元件的输出接口和后一元件的输入接口连接，不同类型的元 件之间的传递要保证其有相同的接口，同一部件的物理模型通过其输 入接口、输出接口之间的方程组来描述；

3)系统级建模：通过使用部件中相应的“虚”模型代替液压起升机构实 际模型，通过平台的图形化界面功能：窗口管理，拖放、移动“虚” 模型图标，接口连接以及添加参数、方程组构建；

4)仿真控制：仿真控制主要包括算法设置、控制时间设置，参数设置；

5)最后，仿真结果曲线演示。

所述机械系统模块拆解成卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩模块，所述液压系 统模块拆解成发动机、液压泵、方向控制阀、溢流阀、平衡阀和液压马达模块。

所述在部件建模时，采用参数化建模，对构建好的部件模块进行封装。

所述对构建好的机械系统模块和液压系统模块进行检查分为功能性检查和 语法性检查。

所述仿真结果曲线演示包括液压马达两端压力差曲线、卷筒转速曲线、臂 架与吊重位移曲线、钢丝绳张力曲线。

本发明有益效果：突破以往构建液压起升机构模型的局限，依据Modelica 语言面向对象以及适合复杂系统、多领域建模的特点构建的液压起升机构模型 库，把液压起升机构系统级模型与部件模型，乃至元件级模型集成为一个整体 研究，从而对起升系统内部更加复杂的过程进行仿真分析，实现了计算机仿真 对设计的数据支持。此外，Modelica语言能很好的融合液压起升机构系统中的 液压、机械、控制，模块化建模，同时Modelica语言非因果的描述特性，以及 其强大的数学求解能力，对非线性方程组不需开发人员进行任何变换，大大提 高了建模效率。因此，本发明集成了多学科、多层次仿真模型，能够从不同角 度和细节上对复杂的液压起升机构的部件相互作用和相互影响以及整体性能进 行研究，从而减少循环设计和试验次数，对系统和部件结构改进等提供支持。

[附图说明]

图1是本发明的结构框图示意图；

图2是本发明的建模示意图一；

图3是本发明的建模示意图二；

图4是本发明中仿真流程示意图；

图5是本发明中仿真模型示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

本发明基于Modelica语言的液压起升机构仿真建模步骤包括：系统拆解， 部件建模和系统级建模。依据模块化分解原理和面向对象仿真方法，在构建本 模型过程中首先对液压起升系统进行了拆解，根据真实物理系统的各部分功能 进行分解，首先将其分解分成机械系统和液压系统。

机械系统模块由卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。液压系统模块提供了 液压起升机构运动的动力，在工程机械中液压系统是最重要的一环，液压系统 决定着最大起升高度，输送功率等。液压系统中根据实际物理系统进行拆分， 分成发动机、液压泵、方向控制阀、溢流阀、平衡阀和液压马达等一系列有独 立功能的元件。将这些模块按一定的规则，组织成具有相对独立性的部件模型 库。并通过模型简化构造模型库。

在部级建模中首先构建同一类元件的接口，所谓同一类元件，也就是上述 进行系统拆解中将机械、液压等可归为一类，类的最明显的特点就是有相同的 物理学背景，接口分为输入接口和输出接口，接口保证了元件之间的参数传递， 前一元件的输出接口和后一元件的输入接口连接。不同类型的元件之间的传递 要保证其有相同的接口，如液压马达可以和旋转元件相连，主要是他们都有共 同的旋转副接口。同一部件的物理模型通过其输入接口、输出接口之间的方程 组来描述。在构建部件时还采用了参数化建模，有利于模型的重复使用。对构 建好的部件进行封装，用户只需要修改其参数，便可适用不同的模型系统。 系统级建模，通过使用部件中相应的“虚”模型(即部件图标)代替液压起升 机构实际模型；通过平台的图形化界面功能：窗口管理，拖放、移动“虚”模 型图标，接口连接以及添加参数、方程组等构建。

本发明突破以往构建液压起升机构模型的局限，在以往液压起升机构模型 构建上，要么通过面向过程构建液压起升机构系统，模型重用性差，工作量大。 要么是模型只涉及单一领域如只含机构，很难正确表达起升机的复杂油路和机 构运动相互影响的非线性关系。使得仿真结果偏离实际数据。而依据Modelica 语言面向对象以及适合复杂系统多领域建模的特点构建的液压起升机构模型 库，把液压起升机构系统级模型与部件模型，乃至元件级模型集成为一个整体 研究，可以对起升系统内部更加复杂的过程进行仿真分析。克服上述两个缺点， 实现了计算机仿真对设计的数据支持。

本发明还改变了目前只重视具体模型编程实现，而对具体仿真对象模型整 体结构和框架设计的忽略；集成了多学科，多层次仿真模型，能够从不同角度 和细节上对复杂的泵车的部件相互作用和相互影响以及整体性能进行研究，从 而减少循环设计和试验次数，对系统和部件结构改进等提供支持。

如附图1所示，本发明中机械系统模块和液压系统模块构建成模型库，这 些模型库共同构成了液压起升机构系统，该系统级模型搭建完成后通过 Modelica语言连接仿真控制系统，仿真控制系统主要包括算法设置、控制时间 设置、参数设置以及仿真结果输出。

如附图2所示，首先，依照模块化建模的原理及对象的实际物理过程，依 据系统级需求→子系统级需要→部件级需要的顺序，对液压起升机构系统进行 模块化分解，将其分解成由部件组合的系统；根据子系统或部件的典型特征和 相应的物理定律，建立数学模型，使用Modelica语言，在已有的模块基础上继 承或者编制新的程序或封装接口；有了部件模块，按照部件模块库→子系统模 块库→系统模块库的顺序，组建完整的模块库；有了模块库，就可以利用部件 模块组合成所需要研究的对象，即液压起升机构系统模型。模块库中的模块可 以根据需要进行定制，在通常情况下只需要了解模块的接口就可以使用模块， 不需要了解模块的实现。接下来就是要利用已有的模块，组建整个对象的模型， 进行仿真计算。根据所需要研究的泵车类型的不同，用户可以直接使用已有的 模块模型，或者在继承原有模型的基础上进一步扩展。然后在这些模块组合的 基础上，建立液压起升机构系统的完整模型，并设定模型中各个部件的参数和 参数的初始值，这样最终就获得了一个根据用户需要建立的新的液压起升机构 系统完整的仿真模型。

如附图3所示，对拆解后的模块首先是进行数学建模，进行面向对象的程 序化建模，在建模过程中可以充分利用Modelica语言提供的基本元件库，如基 本元件库的接口等，在建模过程中采用参数化建模，参数化建模的优点就是直 观、明了、重用性强，然后对构建好的模型进行检查，检查主要分为功能性检 查和语法性检查，功能性检查主要检查模型能否达到设计要求，语法性检查主 要检查模型能否运行，功能性错误要回到最初的数学建模上，语法性错误主要 出现在编程上。最终模型运行成功后，则可以对模型进行封装。

如附图4所示，在构建液压起升机构系统模型库的时候，第一步是通过拖 拽模型库的机械、液压等元部件搭建真实的物理系统；第二步是对搭建好的模 型进行模型检查，模型检查主要包括两部分，一是对搭建模型的自我检查，主 要检查模型搭建是否符合物理规律，如果不符合，自然在仿真过程本模型是失 败的，二是操作应用平台的语法、逻辑检查，MWorks和dymola都有这种功能， 检查模块之间是否兼容，语法是否正确，能否符合逻辑，当出现第二种情况也 就是软件检查出错误的时候，计算是无法进行下去的，而在检查出现错误的情 况，模型有可能语法并不错误，只是功能达不到要求，因此为了保证仿真结果 的正确，两种检查必须都进行；第三步是模型编译和仿真，模型的编译和仿真 之前要求对模块的每一个参数进行设定，由于本发明采用模块化、参数化建模， 参数对模型仿真结果影响显而易见，在进行仿真时候一定要保证参数符合物理 情况，同时参数化保证了模块的重用性强的特点，在搭建好一类起升机模型之 后可以将其保存，然后只要修改其中参数就可以对不同型号的起升机构进行动 力学仿真；第四步是查看sim文件，进行仿真后，软件系统输出sim文件；第 五步是查看输出结果，输出结果主要是曲线结果演示，曲线结果可以提供液压 马达两端压力差曲线，卷筒转速曲线、臂架与吊重位移曲线、钢丝绳张力曲线 等结果，可以满足设计者的几乎所有设计要求参数。

如附图5所示，机械系统模块和液压系统模块建立后，根据液压起升机构 系统的工作原理，在MWorks平台下通过拖放元件、元件接口连接、元件参数设 置实现对起升机构系统的建模。液压系统模型与机械系统模型通过液压马达进 行连接，在建模过程中，将变幅系统及臂架等效为质量弹簧系统与起升机构相 连，支撑地面也看成是弹性体，即得到该图所示的在MWorks平台上某液压起重 机起升机构的仿真模型，仿真分析吊重离地瞬间系统的动态响应。

本发明基于Modelica语言和Mworks平台的多场耦合液压起升机构仿真系 统，具有模块化、层次化、规范化和参数化，仿真模型互操作性和重用性强的 特点。同时，本发明可以和Modelica语言提供的多体机械库、旋转机械库以及 信号库等无缝连接使用。不仅可以在苏州同元开发软控公司的MWorks平台上使 用，还可以在支持Modelica语言规范的瑞典的dymola平台使用，本发明的软 件库可以对不同型号液压起升机系统进行动力学仿真，用户通过该仿真系统可 以获知吊重和钢丝绳的运动，振动、冲击、以及液压负载等一系列动态特性， 为液压起升机设计者提供参考数据和技术支持。本发明采用开放式建模方式， 用户在使用过程中可以根据自身的需求对该软件库进行扩充。