液压仿真技(jì )术的现在和未来

简单回顾了液压仿真技(jì )术的发展，着重阐述了液压仿真技(jì )术的发展现状和特点，从不同的侧面介绍了一些软件，并讨论了未来的发展趋势。

1、前言

对液压元件和系统利用(yòng)计算机进行仿真的研究和应用(yòng)已有(yǒu)30 年的历史。随着流體(tǐ)力學(xué)，现代控制理(lǐ)论，算法理(lǐ)论，可(kě)靠性理(lǐ)论等相关學(xué)科(kē)的发展，特别是计算机技(jì )术的突飞猛进，液压仿真技(jì )术也日益成熟，越来越成為(wèi)液压系统设计人员的有(yǒu)力工(gōng)具(jù)。鉴于20 世纪90 年代末以前液压仿真技(jì )术在國(guó)内外发展的情况，前人已有(yǒu)较多(duō)的介绍，本文(wén)不再详述，而是着重于近期的发展以及未来的方向。

2、现代液压仿真技(jì )术与软件

从20 世纪70 年代初开始，國(guó)外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，我國(guó)也从20 世纪70年代末80 年代初开始进行液压系统与元件的仿真研究。经过几十年的研究开发，液压仿真软件包的性能(néng)实现了从原先的精(jīng)度低，速度慢发展到精(jīng)度高，速度快；从只能(néng)处理(lǐ)单输入、单输出的線(xiàn)性系统发展到能(néng)处理(lǐ)多(duō)输入、多(duō)输出的非線(xiàn)性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用(yòng)户界面等都有(yǒu)极大的提升。特别是近几年，國(guó)外尤其在欧洲液压仿真技(jì )术得到了飞速发展，各款老牌的液压仿真软件纷纷推出了面目一新(xīn)的版本。如英國(guó)的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德(dé)國(guó)的DSH + 等。另外一些擅長(cháng)液压仿真的综合系统仿真软件在商(shāng)业上也获得了很(hěn)大的成功，具(jù)代表性的有(yǒu)法國(guó)的AMESIM，波音公(gōng)司的Eay5。

作(zuò)為(wèi)液压系统仿真软件包，无论是由商(shāng)业软件公(gōng)司还是大學(xué)研究机构开发的，都已经存在很(hěn)長(cháng)一段时间了，然而它们开始得到普遍的应用(yòng)还是较近的事。从几个主流仿真软件的建模和仿真算法看，大致可(kě)以按图1 所示分(fēn)类。

 

图1 建模和仿真算法

图1 所示的建模和仿真算法并没有(yǒu)绝对的优劣之分(fēn)，各种软件可(kě)以说都发展到了成熟应用(yòng)的阶段。信号流的方法比较适合于设计控制系统，通常表示為(wèi)方块图的形式。能(néng)量端口的方法在能(néng)被描述成环路图的系统中(zhōng)得到了很(hěn)好的应用(yòng)，因為(wèi)环路图就表示了系统的物(wù)理(lǐ)拓扑结构。在积分(fēn)运算器的设计上，大部分(fēn)软件采用(yòng)了集中(zhōng)式运算器。随着计算机硬件技(jì )术和算法发展，集中(zhōng)式运算器的仿真速度也已不是瓶颈。而分(fēn)布式运算器则对系统中(zhōng)的元件分(fēn)别设定积分(fēn)步長(cháng)，提高了仿真速度，并对并行处理(lǐ)可(kě)以更好的支持。

而纵观近几年液压仿真技(jì )术的发展，可(kě)以看出现代液压仿真软件具(jù)有(yǒu)以下特点：

(1)通用(yòng)液压元件模型库和支持特定模型的创建显然，通用(yòng)的元件库是核心，没有(yǒu)通用(yòng)的液压元件模型库，一个软件也就不能(néng)被称為(wèi)液压仿真软件了。支持用(yòng)户自定义元件模型的创建也是必不可(kě)少的，因為(wèi)无论通用(yòng)模型库多(duō)么完美，也不可(kě)能(néng)包含用(yòng)户对元件模型的全部要求。如在Amesim 里，自定义元件模型就是由软件自带的零件模块组装(zhuāng)；

(2)支持多(duō)领域建模仿真在实际的工(gōng)程应用(yòng)设计中(zhōng)，几乎很(hěn)少有(yǒu)纯粹的液压系统存在。液压系统通常是作(zuò)為(wèi)整个系统的一部分(fēn)，即使元件也可(kě)能(néng)包括机械和電(diàn)子器件，这就要求仿真时可(kě)以加入其他(tā)领域的模型，较常见的如DSH 中(zhōng)加入電(diàn)子和机械方面的仿真模型，而Amesim 带有(yǒu)液压、机械、控制、信号、热力學(xué)、气动等多(duō)种模型库；

(3)数据库技(jì )术应用(yòng)和技(jì )术文(wén)档生成功能(néng)一个仿真系统较主要的技(jì )术文(wén)档是系统的原理(lǐ)图，其他(tā)还包括元件的微分(fēn)和代数方程的数學(xué)模型描述、参数、仿真结果、其他(tā)产(chǎn)品信息等。实现这一功能(néng)的手段开始采用(yòng)复杂的数据库技(jì )术，而不是以传统的难以管理(lǐ)的文(wén)件系统形式。以瑞典某大學(xué)的液压仿真软件Hopsan 為(wèi)例，其使用(yòng)数据库管理(lǐ)的仿真环境示意图如图2 所示。

 

图2 数据库管理(lǐ)的仿真环境示意图

图2 中(zhōng)，Dynmoc 用(yòng)以生成元件模型和系统连接的Fortran 程序， 而数据库， 仿真程序和数學(xué)运算软件Mathmatic 之间采用(yòng)了Java 接口。Amos 模型数据库对数据进行集中(zhōng)管理(lǐ)，实现数据共享，保证数据的一致性和安(ān)全性以及用(yòng)户操作(zuò)的独立性，迅速准确地实现数据查询和通信；

(4)图形操作(zuò)界面為(wèi)了使众多(duō)并不具(jù)备熟练的计算机知识的普通液压技(jì )术人员能(néng)够在小(xiǎo)型计算机上较為(wèi)顺利地进行动力系统的仿真，从而使仿真技(jì )术能(néng)更广泛地用(yòng)于工(gōng)程实际，友好的交互界面是不可(kě)缺少的，这也是仿真软件大范围商(shāng)品化的要求。目前，几乎所有(yǒu)知名(míng)的液压仿真软件都支持了图形化操作(zuò)界面，元件模型在软件中(zhōng)一般以图标表示，系统则以原理(lǐ)图的形式直接在软件中(zhōng)画出，元件型号和元件参数通过操作(zuò)液压原理(lǐ)图直接选取，而不需要单独编程输入，软件通过各自的识别技(jì )术根据回路的拓扑信息及组成元件的模型，由计算机自动生成回路的仿真计算模型的描述文(wén)件或程序；

(5)支持实时仿真及提供与通用(yòng)软件的接口当前的液压仿真软件的积分(fēn)运算器都包含了可(kě)变步長(cháng)的功能(néng)，加上硬件速度的飞速提高，仿真速度大大提高，实现实时仿真已不是那么困难，而实时仿真使仿真人员在计算机屏幕上“实时”地看到系统的动作(zuò)，使仿真计算更直观、更具(jù)说服力。在软件的接口方面，MATLAB/ Simulink已经成為(wèi)所有(yǒu)液压仿真软件的通用(yòng)接口，一些有(yǒu)合作(zuò)关系的公(gōng)司和大學(xué)研究机构也相互提供了接口。

3、发展方向

现代液压仿真软件虽然已经在工(gōng)程实际中(zhōng)越来越得到广泛的应用(yòng)，但并不代表液压仿真技(jì )术已经发展到尽善尽美了，在许多(duō)方面它们仍然存在不足。纵观液压仿真技(jì )术的较新(xīn)进展，结合液压领域的发展，液压仿真技(jì )术主要有(yǒu)以下几个发展方向：

(1)液压系统模型和算法的进一步研究液压系统的工(gōng)作(zuò)介质(zhì)是流體(tǐ)，而流體(tǐ)的建模正确与否可(kě)以说决定了系统整體(tǐ)模型正确与否，因此流體(tǐ)的性质(zhì)一直都是研究的热点。一方面，在液压系统研究中(zhōng)还有(yǒu)许多(duō)复杂的情况没有(yǒu)完全搞清楚，如流體(tǐ)在复杂阀道中(zhōng)的流动情况，阀口流量系数、液动力系数等软参数的正确确定等。另一方面，在实际的应用(yòng)中(zhōng)，液压仿真软件的运算平台逐渐开始转向微机，被仿真的系统也更大规模，更复杂，随之带来的是运算时间几何级数的增加，这就对单机算法的改进和分(fēn)布式算法提出了要求。随着新(xīn)原理(lǐ)，新(xīn)元件的出现以及对仿真精(jīng)度的要求进一步提高，对模型和算法的研究将不断深入。

(2)较优化设计能(néng)力仿真软件的较优化设计能(néng)力应包括结构设计的较优化，参数设定的较优化及经济较优化。在评价一个系统的动态特性时，不仅系统结构的数學(xué)模型起着决定性的作(zuò)用(yòng)，而且在模型中(zhōng)的结构参数和试验数据也是同样重要的，精(jīng)确地设定这些参数往往要比确定系统的数學(xué)关系式困难的多(duō)。结构设计的较优化和参数设定的较优化是指已知被设计系统的性能(néng)指标(又(yòu)称目标函数) 和可(kě)使用(yòng)的元件，应用(yòng)现代控制理(lǐ)论和人工(gōng)智能(néng)专家库的方法设计出较佳的系统结构和较佳的系统参数，从而大大缩短设计周期。如果设计出的系统在经济上没有(yǒu)可(kě)行性，那么无论它的性能(néng)多(duō)么完美也是不现实的。经济较优化设计就是要在可(kě)选的设计中(zhōng)选择出较经济实用(yòng)的方案，这一点在实现上相对前两点容易一点。比如可(kě)以在元件模型数据库中(zhōng)添加一个价格指数，然后再针对系统的复杂程度，安(ān)装(zhuāng)维护难度等成本因素和相对成本因素计算出系统的成本估计。

(3)仿真和测试的无缝集成即液压仿真软件通过计算机接口与实际的物(wù)理(lǐ)系统连接，这样能(néng)更好地比较仿真和实验结果。这种方式特别适用(yòng)于当某些系统的部件和现象尚无合适的模型或难以建模，或者系统本身有(yǒu)特殊要求时，以实际的物(wù)理(lǐ)部件作(zuò)為(wèi)仿真模型的一部分(fēn)。软件实时仿真结合HWIL(Hardware In Loop) 仿真和HIL (Human In Loop) 仿真，从而使仿真过程更加灵活， 仿真结果更有(yǒu)可(kě)信度。

在软件和实际系统集成的过程中(zhōng)，主要的困难在于接口。如果软件和硬件的接口状态变量只是電(diàn)量则是比较容易处理(lǐ)的，如果包含机械变量特别是流體(tǐ)变量就比较困难了，因為(wèi)加入一些额外的传感器不仅增加了费用(yòng)，也引入了误差，使系统更加复杂。目前在國(guó)防工(gōng)业中(zhōng)武器平台的系统仿真大量使用(yòng)了半实物(wù)仿真系统，它们已经在新(xīn)型武器平台的研制中(zhōng)发挥了极大的作(zuò)用(yòng)，而在液压领域，半实物(wù)仿真的工(gōng)作(zuò)才刚刚起步。

(4)多(duō)媒體(tǐ)技(jì )术，面向对象技(jì )术的应用(yòng)当前的液压仿真软件虽然已经实现了图形化界面，但对多(duō)媒體(tǐ)技(jì )术的支持还是很(hěn)初步的。多(duō)媒體(tǐ)技(jì )术特别是多(duō)媒體(tǐ)动画技(jì )术在计算机领域已经比较成熟了，如果结合到仿真系统的实时动作(zuò)和结果分(fēn)析中(zhōng)，就可(kě)以动态直观地表示液压传动内容，大大克服其抽象复杂的缺点。例如在液压传动的教學(xué)中(zhōng)，完全可(kě)以用(yòng)结合多(duō)媒體(tǐ)动画的液压软件进行仿真代替传统的液压实验。正在飞速发展的虚拟现实技(jì )术的应用(yòng)也是液压仿真软件发展的一个方向，只是目前来讲这一技(jì )术在许多(duō)方面还不成熟，实现的成本很(hěn)高。在面向对象技(jì )术的应用(yòng)方面，面向对象的方法在液压仿真软件的设计中(zhōng)已经逐步取代了模块式的方法并不断发展。在面向对象的思想下，整个系统由对象组成，系统的运作(zuò)通过对象之间的接口和消息传递实现。当被仿真的系统越大越复杂时，面向对象方法建立的模型越表现出它的优越性，对仿真模型的修改、扩充和重用(yòng)以及分(fēn)布式建模的支持更加完善。

4、结束语

比较國(guó)外蓬勃发展的液压仿真软件，我國(guó)近十几年在这方面的研究是比较滞后的。但从较近几年看，國(guó)内液压界对仿真的需求越来越大，研究人员对仿真研究的热情也开始升温。我國(guó)液压技(jì )术研究领域应大力加快自主知识产(chǎn)权的商(shāng)品软件开发，积极参与液压仿真软件产(chǎn)业标准的制定，让液压仿真技(jì )术在我國(guó)展示出强大的生命力。