液压仿真技术的现在和未来

简单回顾了液压仿真技术的发展，着重阐述了液压仿真技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计算机进行仿真的研究和应用已有30 年的历史。随着流体力学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力工具。鉴于20 世纪90 年代末以前液压仿真技术在国内外发展的情况，前人已有较多的介绍，本文不再详述，而是着重于近期的发展以及未来的方向。

2、现代液压仿真技术与软件

从20 世纪70 年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，我国也从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实现了从原先的精度低，速度慢发展到精度高，速度快；从只能处理单输入、单输出的线性系统发展到能处理多输入、多输出的非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等都有极大的提升。特别是近几年，国外尤其在欧洲液压仿真技术得到了飞速发展，各款老牌的液压仿真软件纷纷推出了面目一新的版本。如英国的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德国的DSH + 等。另外一些擅长液压仿真的综合系统仿真软件在商业上也获得了很大的成功，具代表性的有法国的AMESIM，波音公司的Eay5。

作为液压系统仿真软件包，无论是由商业软件公司还是大学研究机构开发的，都已经存在很长一段时间了，然而它们开始得到普遍的应用还是较近的事。从几个主流仿真软件的建模和仿真算法看，大致可以按图1 所示分类。

 

图1 建模和仿真算法

图1 所示的建模和仿真算法并没有绝对的优劣之分，各种软件可以说都发展到了成熟应用的阶段。信号流的方法比较适合于设计控制系统，通常表示为方块图的形式。能量端口的方法在能被描述成环路图的系统中得到了很好的应用，因为环路图就表示了系统的物理拓扑结构。在积分运算器的设计上，大部分软件采用了集中式运算器。随着计算机硬件技术和算法发展，集中式运算器的仿真速度也已不是瓶颈。而分布式运算器则对系统中的元件分别设定积分步长，提高了仿真速度，并对并行处理可以更好的支持。

而纵观近几年液压仿真技术的发展，可以看出现代液压仿真软件具有以下特点：

(1)通用液压元件模型库和支持特定模型的创建显然，通用的元件库是核心，没有通用的液压元件模型库，一个软件也就不能被称为液压仿真软件了。支持用户自定义元件模型的创建也是必不可少的，因为无论通用模型库多么完美，也不可能包含用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；

(2)支持多领域建模仿真在实际的工程应用设计中，几乎很少有纯粹的液压系统存在。液压系统通常是作为整个系统的一部分，即使元件也可能包括机械和电子器件，这就要求仿真时可以加入其他领域的模型，较常见的如DSH 中加入电子和机械方面的仿真模型，而Amesim 带有液压、机械、控制、信号、热力学、气动等多种模型库；

(3)数据库技术应用和技术文档生成功能一个仿真系统较主要的技术文档是系统的原理图，其他还包括元件的微分和代数方程的数学模型描述、参数、仿真结果、其他产品信息等。实现这一功能的手段开始采用复杂的数据库技术，而不是以传统的难以管理的文件系统形式。以瑞典某大学的液压仿真软件Hopsan 为例，其使用数据库管理的仿真环境示意图如图2 所示。

 

图2 数据库管理的仿真环境示意图

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

(4)图形操作界面为了使众多并不具备熟练的计算机知识的普通液压技术人员能够在小型计算机上较为顺利地进行动力系统的仿真，从而使仿真技术能更广泛地用于工程实际，友好的交互界面是不可缺少的，这也是仿真软件大范围商品化的要求。目前，几乎所有知名的液压仿真软件都支持了图形化操作界面，元件模型在软件中一般以图标表示，系统则以原理图的形式直接在软件中画出，元件型号和元件参数通过操作液压原理图直接选取，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件或程序；

(5)支持实时仿真及提供与通用软件的接口当前的液压仿真软件的积分运算器都包含了可变步长的功能，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，使仿真计算更直观、更具说服力。在软件的接口方面，MATLAB/ Simulink已经成为所有液压仿真软件的通用接口，一些有合作关系的公司和大学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程实际中越来越得到广泛的应用，但并不代表液压仿真技术已经发展到尽善尽美了，在许多方面它们仍然存在不足。纵观液压仿真技术的较新进展，结合液压领域的发展，液压仿真技术主要有以下几个发展方向：

(1)液压系统模型和算法的进一步研究液压系统的工作介质是流体，而流体的建模正确与否可以说决定了系统整体模型正确与否，因此流体的性质一直都是研究的热点。一方面，在液压系统研究中还有许多复杂的情况没有完全搞清楚，如流体在复杂阀道中的流动情况，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，在实际的应用中，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布式算法提出了要求。随着新原理，新元件的出现以及对仿真精度的要求进一步提高，对模型和算法的研究将不断深入。

(2)较优化设计能力仿真软件的较优化设计能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，不仅系统结构的数学模型起着决定性的作用，而且在模型中的结构参数和试验数据也是同样重要的，精确地设定这些参数往往要比确定系统的数学关系式困难的多。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指标(又称目标函数) 和可使用的元件，应用现代控制理论和人工智能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可行性，那么无论它的性能多么完美也是不现实的。经济较优化设计就是要在可选的设计中选择出较经济实用的方案，这一点在实现上相对前两点容易一点。比如可以在元件模型数据库中添加一个价格指数，然后再针对系统的复杂程度，安装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理系统连接，这样能更好地比较仿真和实验结果。这种方式特别适用于当某些系统的部件和现象尚无合适的模型或难以建模，或者系统本身有特殊要求时，以实际的物理部件作为仿真模型的一部分。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， 仿真结果更有可信度。

在软件和实际系统集成的过程中，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电量则是比较容易处理的，如果包含机械变量特别是流体变量就比较困难了，因为加入一些额外的传感器不仅增加了费用，也引入了误差，使系统更加复杂。目前在国防工业中武器平台的系统仿真大量使用了半实物仿真系统，它们已经在新型武器平台的研制中发挥了极大的作用，而在液压领域，半实物仿真的工作才刚刚起步。

(4)多媒体技术，面向对象技术的应用当前的液压仿真软件虽然已经实现了图形化界面，但对多媒体技术的支持还是很初步的。多媒体技术特别是多媒体动画技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和结果分析中，就可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学中，完全可以用结合多媒体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术的应用也是液压仿真软件发展的一个方向，只是目前来讲这一技术在许多方面还不成熟，实现的成本很高。在面向对象技术的应用方面，面向对象的方法在液压仿真软件的设计中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、扩充和重用以及分布式建模的支持更加完善。

4、结束语

比较国外蓬勃发展的液压仿真软件，我国近十几年在这方面的研究是比较滞后的。但从较近几年看，国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。我国液压技术研究领域应大力加快自主知识产权的商品软件开发，积极参与液压仿真软件产业标准的制定，让液压仿真技术在我国展示出强大的生命力。