基于Modelica语言的汽车起重机变幅机构仿真建模方法

摘要

本发明涉及汽车起重机变幅机构仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的汽车起重机变幅机构仿真建模方法，其包括如下步骤：1)系统拆解；2)元件级建模；3)子系统级建模；4)系统级建模；5)仿真控制；6)最后，仿真结果演示；本发明采用一种多领域统一的面向对象物理系统的建模语言Modelica进行汽车起重机变幅机构的机械、液压和控制等多领域耦合的建模与仿真，并通过分析比较控制与非控制两种模型中的各种性能曲线，从而证明采用该种方法的模型，能够使整机稳定性较机械液压模型得到了更大的提高，并避免了大的液压冲击与振动。

说明书

[技术领域]

本发明涉及汽车起重机变幅机构仿真系统技术领域，具体地说是一种基于 Modelica语言的汽车起重机变幅机构仿真建模方法。

[背景技术]

汽车起重机由于利用汽车底盘，具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行 驶速度快，转移到作业场地后能迅速投入工作等优点，广泛用于货物装卸、转 移、设备安装及高空作业等场合。而变幅机构是汽车起重机的重要组成部分， 其结构型式及作业工况多样，且工作特点间歇、重复、循环。频繁的起动、制 动过程中，机构和结构承受着强烈的冲击和振动，是典型的机械、液压、控制 等多领域耦合系统。故而，对汽车起重机变幅机构合理、科学、全面的多领域 并存的动力学建模仿真就显得尤为重要与紧迫。

汽车起重机的变幅系统主要由机械和液压两个领域组成，而传统的单一领 域建模与仿真分析工具，显然不能胜任其整体性能仿真分析的任务。为进一步 研究并改善汽车起重机变幅系统的动态特性，还必须充分考虑控制部分对整机 系统动态响应的影响。这样，系统的建模就涉及到机械、液压和控制等多个领 域。而如果单纯考虑汽车起重机变幅机构自身机械系统的特性，可以采用机械 系统动力学分析软件工具(例如MSC_ADMAS)来进行仿真；但如果考虑整个变幅 系统动力性、稳定性等，这些特性不仅涉及机械系统的动力学特性，而且涉及 液力系统、电子电控系统等，故采用单一的工具难以对这些由于多个不同领域 子系统耦合造成的特性进行准确的分析，且不能考虑机械、液压及控制的能量 耦合效应。

针对以上汽车起重机变幅机构中的典型多领域问题，工程中也产生了对单 一领域仿真工具进行集成、或进行多领域延拓的方法，例如，将机械系统动力 学仿真分析软件ADAMS的模型导出成MATLAB/Simulink模型，然后集成到 MATLAB/Simulink软件中，并与液压动力仿真分析软件AMSim进行大型联合仿真。 虽然这种思路提供了一种解决多能域耦合动力学仿真的方法，但是此种方法很 难以做到多种不同工具的无缝集成。且不同领域的问题采用不同工具建立不同 模型进行仿真，势必要遇到数据传递的复杂问题，模型重复且不可重用，会导 致仿真精度、建模效率、仿真速度等方面的问题。

Modelica语言是面向对象的仿真语言，它是Mworks的建模基础。Modelica 语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种 建模语言的基础上，于1997年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。其采用 数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统的拓扑结构基 于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微分代数方 程系统实现仿真运行。

[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语言的汽车 起重机变幅机构仿真建模方法，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语言的汽车起重机变幅机构仿真建 模方法，其包括如下步骤：

1)系统拆解：首先对真实汽车起重机变幅机构进行系统级拆解，构建一 系列物理系统模型，包含机械子系统、液压子系统和控制子系统，进 而对得到的机械子系统、液压子系统和控制子系统进行分解，得到不 同领域的元件；

2)元件级建模：针对分解得到的基本元件进行建模分析，构建元件的接 口，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)子系统级建模：利用元件级建模得到的元件，并结合Modelica基本 库和Hylib库中的元件，对汽车起重机变幅机构的机械子系统、液压 子系统及控制子系统进行搭建；

4)系统级建模：通过使用部件中相应的“虚”模型代替元件或子系统的 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；

5)仿真控制；

6)最后，仿真结果演示。

所述机械子系统包括支撑台、转动副、吊臂，所述液压子系统包括油缸、 液压泵、液压缸、溢流阀、比例伺服阀、平衡阀、单向阀，所述控制子系统包 括速度传感器、位移传感器、加法器、减法器和控制元件。

所述元件级建模、子系统级建模、系统级建模采用开放式建模方式。

所述在构建元件时采用参数化建模。

本发明有益效果：本方法针对现有技术的不足，采用一种多领域统一的面 向对象物理系统的建模语言Modelica进行汽车起重机变幅机构的机械、液压和 控制等多领域耦合的建模与仿真，并通过分析比较控制与非控制两种模型中的 各种性能曲线，从而证明采用该种方法的模型，能够使整机稳定性较机械液压 模型得到了更大的提高，并避免了大的液压冲击与振动。

[附图说明]

图1为变幅机构的机械结构示意图；

图2为图1的变幅液压缸绞点位置示意图；

图3为变幅机构的液压部分示意图；

图4为封装后的控制元件图标示意图；

图5为无控制的变幅机构Mworks平台模型示意图；

图6为带控制的变幅机构Mworks平台模型示意图；

图7为变幅机构系统的3D动画演示示意图；

图8为无控制和有控制系统的比例伺服阀输入信号对比示意图；

图9为无控制和有控制系统的吊臂变幅角度的对比示意图；

图10为无控制和有控制系统的吊臂变幅角速度的对比示意图；

图11为无控制和有控制系统的回转支承中心竖直方向受力曲线对比示意 图；

图12为无控制和有控制系统的变幅液压缸顶端液压力的对比示意图；

图13为无控制和有控制系统的液压泵出口压力的对比示意图；

图中：1为支撑台、2为变幅液压缸、3为回支撑台与吊臂之间的转动副、4 为吊臂、5为控制元件TimeTable、6为角度传感器、7为加法器、8为角速度传 感器、9为负反馈元件、10为角速度常量、O为吊臂根部绞点、C为变幅液压缸 根部绞点、A(B)为变幅液压缸与吊臂的支承绞点。

[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语言的汽车起重机变幅机构仿真建模步骤包括：系统 拆解、元件级建模、子系统级建模和系统级建模，即包括自上而下的系统分解 与自下而上的系统搭建。首先，设计者对真实汽车起重机变幅机构进行系统级 拆解，构建一系列物理系统模型，包含机械系统、液压系统和控制系统等，进 而对得到的子系统进行分解，得到不同领域的元件；然后针对分解得到的基本 元件进行建模分析，使用以上基本元件分别搭建成变幅机构的各个子系统，进 而使用搭建得到的子系统组建完整的汽车起重机变幅机构系统。对于汽车起重 机变幅机构系统而言，机械子系统包括支撑台、转动副、吊臂等，液压系统包 括油缸、液压泵、液压缸、溢流阀、比例伺服阀、平衡阀、单向阀等，控制子 系统包括速度传感器、位移传感器、加法器、减法器和控制元件TimeTable。以 上模型元件不仅可以在苏州同元软控公司开发的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。同时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。

在元件级建模的过程中，Modelica基本库与其他商业或非商业库提供了一 些可以直接使用的基本元件，对于实际机构系统的特殊性，一些不包含在 Modelica基本库及商业库或非商业库中的元件，可以通过自行开发构建。构建 元件的接口时，首先是同一类元件，也就是上述进行系统拆解中将机械、液压 等各归为一类，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。

在子系统级建模的过程中，利用元件级建模得到的元件，并结合Modelica 基本库和Hylib库中的元件，对汽车起重机变幅机构的机械系统、液压系统及 控制系统进行搭建。通过使用部件中相应的“虚”模型(即部件图标)代替元 件或子系统的实际模型；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。

如附件图1、图2所示，汽车起重机变幅机构的机械结构由吊臂、支撑台和 变幅液压缸组成。通过控制变幅液压缸的伸缩，驱动吊臂相对支撑台在竖直平 面内转动，以实现变幅。本实施例的研究对象QY100汽车起重机采用前倾式单 液压缸变幅系统，变幅机构则根据三一重工QY100型号起重机的结构尺寸进行 设计。图2为吊臂和变幅液压缸绞点的相互位置，吊臂根部绞点O点及液压缸 根部绞点C点可以根据起重机变幅机构系统设计的准则确定。而变幅液压缸与 吊臂的支承绞点A(B)的位置由如下方法确定，绞点A(B)需要满足的结构条 件为：当吊臂分别位于最小仰角和最大仰角状态时，变幅液压缸长度为最短长 度和最大长度由于采用单级变幅液压缸，故其最大长度与基本 长度有关系L_max＝(1.7～1.8)L_min。由此可用三角公式求得A(B)点的位置。其边和角 的关系为：

如附件图3所示，为汽车起重机的变幅液压缸的多领域建模，在Modelica 液压Hylib 2.4库中液压缸是一维系统，只能输出液压缸的行程、推力、速度 等，但是并不能表达相应输出的方向，而在本发明所示的起重机变幅系统建模 过程中使用的多刚体库是三维的。二维多刚体库元件将液压缸的液压力转化为 三维机械力，力的三维分解由输入、输出机械结构决定。模型中液压缸的主要 参数为：活塞杆长度4m，液压缸长度4.3m，无杆腔面积0.1m²，活塞杆面积0.04 m²。

如附件图4所示，为封装后的控制元件TimeControl输入输出图标，其内 部通过编制程序来实现。为实现吊臂变幅角度控制功能的控制元件 TimeControl，这个元件通过控制电磁换向阀的开口大小可以准确控制变幅液压 缸双向伸缩，而且避免电磁换向阀瞬间全开或是瞬间全闭造成的液压冲击，即 在t0时刻阀门慢慢开启，当实际位置即将达到目标位置后，阀门慢慢关闭，以确 保在变幅机构起始运动时，吊臂能平稳启动，在吊臂即将运行到目标位置时， 及时调整控制信号，使变幅角速度逐渐减小到零。控制元件TimeControl提供 -1～1之间的输出，其输出形式如下：

t≤t_o    y＝0

t_o＜t＜t_o+2 $y=\frac{t-t_o}{2}$ t₂＜t＜t₂+2 $y=-\frac{t-t_2}{2}$

t_o+2＜t＜t₁    y＝1    t₂+2＜t＜t₃    y＝-1

t₁＜t＜t₁+2 $y=1-\frac{t-t_1}{2}$ t₃＜t＜t₃+2 $y=-1+\frac{t-t_3}{2}---\left(2\right)$

t₁+2＜t＜t₂    y＝0    t₃+2＜t    y＝0

(a)吊臂起升时TimeControl输出    |(b)吊臂下降时TimeControl输出

其中，t₀和t₂分别为吊臂起升和下降起始时刻，以参数形式设置；t₁和t₃分 别为吊臂即将到达起升和下降目标位置时刻，由角度传感器测量计算得到。输 入为吊臂与支撑台绞点处角度传感器所测量的吊臂起升角度。

如附件图5、图6所示，吊臂和支撑台的机械部件主要是基于Modelica基 本库中的接口、元件、运动副、传感器等通过变形以及二次开发而搭建，所有 金属材料密度统一设置为7.7g/cm³。液压部件主要是基于Hylib 2.4库中油缸、 液压泵、液压缸，溢流阀、比例伺服阀、单向阀等各种液压元件等进行变形及 二次开发二搭建。在建模中采用三位四通比例换向阀，最大溢流压力设定为 80MPa，液压泵的输出流量设定为40L/min。基于上述理论和原则，以QY100型 号汽车起重机变幅机构为仿真对象构建的MWorks平台模型如图5和图6所示。

本发明中，角度传感器AngleSensor用来测量变幅角度，SpeedSensor用 来测量变幅角速度，最后将传感器测得的信号，通过闭环微分负反馈处理来控 制液压缸中液压比例伺服阀的开口大小，以确保在变幅起始和结束时，伸缩臂 能平稳启动和停止，在变幅过程中能保持匀速变幅。

附件图8至图13所示为部分可视化的仿真结果，其中虚线和实线分别代表 变幅系统中无控制和有控制系统的各种变化曲线。通过对比可直观地看到，采 用本发明所述方法所建立的汽车起重机模型在在变幅起始和结束时，伸缩臂能 平稳启动和停止，且在变幅过程中能保持匀速变幅。未通过PD控制的变幅系统， 其变幅液压缸中具有大的液压冲击，并对回转支撑中心造成非常大的冲击力， 而通过PD控制不仅可以避免液压冲击，而且可获得平稳的变幅速度。

本发明中，设计者以QY100汽车起重机为研究对象，利用基于modelica语 言的Mworks平台建立其变幅系统的机械、液压等多领域耦合的动力学仿真模型， 并对变幅机构的起升幅度和速度进行精确PD控制建模，编写了控制程序；对汽 车起重机变幅系统工作过程进行动态仿真，分析比较了在控制和非控制两种情 况下，液压缸等液压元件的受力曲线，及其对汽车起重机回转支撑机构的作用 力和力矩。仿真结果表明，PD控制确保了吊臂在变幅起始和结束时能平稳启动 和停止，而且在变幅过程中能保持匀速变幅。使整个系统的稳定性最高，避免 产生大的冲击和振动；结果验证了本文阐述的modelica多领域多物理场耦合模 型的科学性与可行性。为汽车起重机变幅系统的工程设计提供了理论依据，其 方法和程序可以普遍应用于机、电、液、控相耦合的工程机械系统的建模与动 态特性分析当中，对大型复杂工程机械系统的研究有一定的指导意义。