CN102314539B - 基于modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，先将混凝土泵车分解为泵送子系统和稳定性子系统，每个子系统均包括有基本元件库和特殊/关键元件库；对元件库的元件进行数学建模并封装得到元件模型库，由元件模型库通过集成和扩展，并封装为完成一定功能的部件模型库，基本元件模型库、特殊/关键元件模型库以及部件模型库形成泵送子系统和稳定性子系统，两个子系统通过耦合接口传递数据，形成泵车系统模型，在一定的操作平台上，通过改变性能参数对泵车泵送性能以及操作稳定性进行仿真验证和优化设计，本发明具有模块化、层次化、规范化和参数化的特点，仿真模型间可互操作和重用。

Description

基于modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种计算机仿真系统的设计方法，特别涉及一种基于modelica语言的混凝土泵车的计算机仿真系统的设计方法。

背景技术

目前普遍使用的仿真技术是面向过程的程序设计方法。在过程式的程序设计中，函数或子程序与数据是分别独立存在的，数据结构与算法的正确结合必须由用户自行保证。这样，用户不仅必须读懂全部程序，还必须仔细领会原编程人员的数据传递方法和技巧。否则，用户自定义模块虽然没有任何语法错误，却会因打乱了原来的数据传递机制而造成错误。此外还要求程序设计人员要对混凝土泵车的知识要非常了解，这就增加了成本和程序设计的难度。

另外在实际施工的过程中，还要考虑混凝土泵车是否满足操作稳定性要求和泵车的泵送能力能否达到工程要求的问题。

混凝土泵车在设计时，能保证混凝土泵车支腿系统在完全伸展时能够满足混凝土泵车的操作稳定性要求。但是在实际施工时，常常受到施工场地的限制，使得混凝土泵车支腿无法完全伸展开来，在这种情况下，混凝土泵车是否满足操作稳定性通常是非常难以确定的。计算机仿真可以以较少的成本在有限的施工场地中提出合适的支腿展开的方案。由于混凝土泵车是一种非常复杂的工程机械，它涉及了机械、液压、控制等不同领域的知识，要得到尽可能正确的结果，就要求我们尽可能的建立完整的混凝土泵车的模型。     

针对混凝土泵车操作稳定性的问题，目前，姜玉杰、李景春等人在《支腿结构设计对混凝土泵车稳定性的影响》一文中采用几何推导的方法求出混凝土泵车在最危险的工作位置的支腿反力计算公式，用来确定混凝土泵车的稳定性是否满足。但是这种计算方式只是采用了静力计算并没有考虑到动力的影响。邝皓在《混凝土泵车稳定性研究》一文中采用绘图法和有限元法对混凝土泵车支腿系统进行了仿真运算。这种方法虽然能够对混凝土泵车的操作稳定性问题的解决提出一种简便的方法，但是它依然没有考虑到动力学的影响，并且在现实的施工现场必须有专业的工程人员进行现场作图，而一般的混凝土泵车操作人员并不具备这种专业知识，这就会对混凝土泵车的施工带来种种不便。

混凝土泵车的泵送能力也是人们非常关心的泵车的性能之一。在现实的施工过程中，面对一定的混凝土泵送任务所选择的泵车是否具有相应的泵送能力也是很难确定的。在施工过程中，一般是工程人员按照自己的经验来选择，但是基于经验的选择又给施工带来一定的不确定性因素。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，该方法能够对混凝土泵车的操作稳定特性和泵送性能进行仿真验证和优化设计的过程中大大简化用户工作量，降低模型使用难度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，用于对混凝土泵车泵送性能及操作稳定性进行仿真和参数优化设计，首先，对混凝土泵车按照模块化、层次化分解为泵送子系统和稳定性子系统，所述子系统均包括有基本元件库和特殊/关键元件库；其次，对所述元件库的元件或功能进行数学建模并封装，得到元件模型库，然后，根据混凝土泵车的真实零部件，由元件模型库通过集成和扩展，并采用封装的方式得到具有特定接口、能够传递数据、并且能依据混凝土泵车的真实零部件完成一定功能的部件模型库，所述基本元件模型库、特殊/关键元件模型库以及部件模型库形成混凝土泵车泵送子系统和稳定性子系统，所述两个子系统通过耦合接口传递数据，形成混凝土泵车整体系统模型，根据泵车的实际型号和参数，在一定的操作平台上，通过改变性能参数对泵车泵送性能以及操作稳定性进行仿真验证和优化设计。

所述模块化分解是指具有物理上的相对独立性，能够完成单独的物理功能，同时具有数学上的独立性，使描述该物理部件特性的全部方程和计算都包含在模块程序内部的分解方法。

所述层次化分解是指从系统的最底层开始建立元件级模型库，然后根据模型要求将底层模型库组合成高一级部件模型库。

所述基本元件库包括所在库所涉及的不同学科领域的基本定理和基本原理的数学建模以及相同学科领域内不同元部件接口和不同学科领域之间耦合接口。    

所述特殊/关键元件模型库是指对混凝土泵送性能和操作稳定性性能所涉及到的关键元件进行的数学建模。

所述部件模型库是由元件模型库采用封装方式得到的一个黑盒子，该黑盒子具有特定的接口，能够传递数据，并且能依据混凝土泵车的真实零部件完成一定的功能。

所述的部件模型库，其基本组成分为以下几个部分：（1）、接口，它不完成任何功能，在模型中起传递参数的作用， 同时也起到链接不同领域模型的作用；（2）、模型，模型中的任何元、部件都是以它为结构实现建模的，它相当于类，其数据的声明访问等操作和一般的类的规则完全相同，模型有部分模型和整体模型之分，整体模型可以继承部分模型中的变量和函数，提高了建模效率；（3）、算法，它用来定义实现某种复杂或经常被调用的算法功能，在建模过程中可以方便的调用它；（4）、包，在建模过程中它可以起到建立模型结构的作用，将某些功能相似的模型放在子包裹里，而子包裹又可以放在它所属的父包裹里，这样建立其模型的树形结构，从上而下对系统进行模块化分解，从下而上通过包裹建立模型的树形结构，避免了很多重复的建模过程，提高了建模效率。

所述的部件模型库，包括有机械库、控制库、液压库、控制信号库。

所述操作平台是Mworks，在该操作平台上，以封装的模型图标代替泵车的实际零部件，以图形化方式浏览部件模型，通过拖曳和搭积木的方式构建泵车模型，对泵车操作稳定性和泵送性能仿真验证，仿真过程中得到任意库中任意元部件所涉及的所有参数的时域曲线。

本发明技术方案，基于一种多领域建模语言Modelica，在苏州同源软控有限公司自主研发的建模平台Mworks上结合模块化建模理论建立一个混凝土泵车操作稳定性的子系统和一个模拟混凝土泵车泵送能力的子系统。包括以混凝土泵车所涉及到的机械、液压、控制、流体等元、部件专业库。本发明适用的仿真平台必须支持Modelica语言规范，瑞典达索公司的Dymola和苏州同源软控有限公司自主开发的Mworks都能很好的进行仿真。本发明的所有专业库都采用开放的形式，用户可以根据自己的需要随时在适当的仿真平台中对所建立的库进行扩展。

本发明采用面向对象的多领域建模语言Modelica来建立泵车的各个模块，然后以搭积木的方式对混凝土泵车进行整体建模。在以“搭积木”方式建立的混凝土泵车的模型中，对于任意选定的混凝土泵车部件，可以绘出任意参数的时域变化曲线，将一个部件的输出连接到下一个部件的输入。输出/输入连接点称为节点。这些节点并非必须联结实际相连的部件。根据输入完成每个部件的计算时，把全部参数和该部件的其他特性全部传递给下一个节点。一般的性能仿真软件，或者假定部件特性已知，或者给出部件特性模块的接口形式，由用户自行完成。在本文所建立的面向对象的程序中，部件特性子过程只存在于部件对象内部，只有通过类定义中的指定途径才可访问的，该子过程所允许访问和修改的外部变量也已在部件类定义中做了足够的限制，使得语法正确的子过程不会干扰主程序正常的数据交换。同时Modelica语言的非因果关系令仿真过程中的数据流不仅是单向的，也可以是双向的，从而使得下游部件性能对上游部件的影响成为可能，保证了部件之间的匹配。这样就大大简化了用户工作量，降低了模型使用难度。

混凝土泵车所涉及的各个专业库又分别包括各自专业库系统的基本元件库和专业部件库。基本元件库包括反映所属专业库系统中所涉及的基本原理、基本公式等知识的元件级子库。专业部件库是由各个元件通过所属专业库中的标准接口相互连接，组成能够实现一定的功能，反映现实混凝土泵车中的基本零部件功能的部件组成。各个不同的专业库之间必须通过一定的方式来进行数据之间的交换。本发明根据Modelica语言的特点，依据各个库之间数据传输的方式、原理，构建实现各个不同库之间进行交互和耦合的接口。各个不同的专业库通过不同的接口进行数据的传递和交互。

本发明依据模块化建模的基本思想，对混凝土泵车进行的系统级的分解。模块化建模方法是以系统论为基础，处理复杂系统建模的一种方法。根据系统论，系统的行为决定于各个子系统的个体行为以及它们之间的相互作用。因此，系统建模可以分为两步：第一步是分别建立各个子系统(或部件)的模型，称为模块模型；第二步是组合各个模块，形成系统模型。为了避免每次从头建立模型，应将模块存放在库中，实现模块的重复利用。为了保证模块库中的模块的“可组合性”，需要在建立模块时就充分考虑复杂系统中子系统（或部件）之间相互作用的表达方式。因此建模之前的系统分解就显得至关重要。本发明包括两个子系统：混凝土泵车操作稳定性子系统和混凝土泵车泵送能力子系统。

在这两个子系统中有混凝土泵车操作稳定性子系统和泵送性能子系统从顶层到底层的模型，混凝土操作人员可以经过简单的拖拽式建模来根据混凝土泵车的型号搭建一个临时的混凝土泵车的操作稳定性验证的模型和相应的混凝土泵车的泵送体统模型，经过简单的仿真计算，就能得出四个支腿的支反力曲线、支腿液压系统放入液压参数曲线，不仅能解决混凝土泵车操作稳定性的问题，而且能为液压系统的设计提供技术支持；此外也能得到混凝土泵送管道的出口压力，为泵车的泵送性能提供参考。专业库中的每个元、部件都有层次化、可重用等特点。

附图说明

图1是本发明设计方法的结构框图；

图2（1）是本发明设计方法的设计路线框图一；

图2（2）是本发明设计方法的设计路线框图二；

图3是泵车系统的分解框图；

图4是泵送子系统的分解框图；

图5是操作稳定性子系统的分解框图；

图6是混凝土泵车建模流程图。

具体实施方式

本发明建立混凝土泵车的仿真系统，主要目的是描述混凝土泵车的操作稳定特性和混凝土泵车的混凝土泵送性能。

图1所示是本发明设计方法的结构框图，由于本发明着重研究的是混凝土泵车的操作稳定性和混凝土泵送性能，所以本发明主要包括两个子系统，即混凝土泵车泵送子系统和混凝土泵车操作稳定性子系统。其中每个子系统都由三类库组成，分别是基本元件库、特殊/关键元件库和部件库。基本元件库包括所在库所涉及的不同学科领域的基本定理和基本原理的数学建模以及相同学科领域内不同元、部件接口和不同学科领域之间耦合接口；特殊/关键元件库是针对混凝土泵车的混凝土泵送性能和操作稳定性性能所涉及到的关键零件进行的数学建模，所得到的元件；而部件库是针对混凝土泵车的真实零、部件，由元件级子库采用封装的方式得到一个黑盒子，这个黑盒子具有特定的接口，能够传递数据，并且能依据混凝土泵车的真实零部件完成一定的功能。两个子系统建成之后，通过特定的耦合接口来传递相关的数据，实现不同子系统之间的耦合。用户就可以自己根据施工中泵车的型号和参数，在Mworks的仿真平台上经过简单的拖拽式建模，方便的搭建起一个虚拟的混凝土泵车的模型。经过仿真就可以得到混凝土泵车四个支腿处的支腿在混凝土泵车臂架展开到预定位置或者混凝土泵车臂架在最危险位置旋转一周的情况下反力时域曲线，从而方便的判定此种展开方案是否满足操作稳定性要求。另外，混凝土泵车的泵送子系统的仿真结构得到混凝土泵车混凝土输送最后一节布料管的出口压力和出口速度，亦可以对混凝土泵车是否满足泵送性能要求提供判定依据。此外，根据Modelica语言的面向对象建模的特点和建模过程，可以方便的更改各个部件的性能参数，通过仿真能得到参数改变对混凝土泵车总体性能的影响。这样就可以进行参数的优化，为混凝土泵车的设计提供努力的方向。

本发明设计中，首先对混凝土泵车按照模块化、层次化进行分解。然后，对特殊/关键元、部件或功能进行数学建模。在充分利用已有成果的基础上，通过集成和扩展，建立专门针对工程机械的专业模型库。应用上述开发的模型、模型库和技术平台，建立系统级或子系统级模型，进行动态性能分析、整体参数匹配与优化等工作。最终实现工程机械的整体性能分析与结构优化设计。

建模初期要对特定的工程机械系统进行虚系统分析，我们采用TOP-DOWN的路线如图2（1）。将系统进行层次化分解，从系统级模型到功能子系统级模型，再到功能元件级模型，实现模型细化及从特殊到一般，从专业化到通用化的过程。实现对系统的细化和对模型特点的抽象。使每一个模块具有物理上的相对独立性，即能完成单独的物理功能；同时保证每个模块具有数学上的独立性，即描述该物理部件特性的全部方程和计算都包含在模块程序内部。

之后的建模过程采用BOTTOM-UP的路线如图2（2），从系统的最低层开始建立元件级模型库，然后根据模型要求通过继承等手段将元件级模型库组合成高一级的部件库，以此重复，到子系统级模型库，再到系统级模型库，实现模型库的层次化结构和从一般到特殊，从通用化到专业化的过程。

对混凝土泵车进行合理的模块化分解，应使模块具有以下特点：1）模块是组成系统模型的基本单元，它不能再划小，系统动态模型程序是由这些基本的模块子程序组成；2）模块划分完全以独立的物理设备或部件为基础，它们具有清晰的物理边界和足够的物理独立性；3）模块具有高度的数学独立性，它明确规定：描述该部件特性的所有方程都包含在模块内部；4）模块具有良好的兼容性，这是模块化建模的关键。

图3所示是泵车系统的分解框图，混凝土泵车是非常复杂的工程机械，根据面向对象的建模思路，按照各个子系统的功能，泵车系统包括：混凝土泵送子系统，臂架子系统、稳定性子系统，即支腿子系统。它的每个子系统都涉及到了不同领域的学科，有不同领域的模型的耦合，如：臂架子系统分为机械、液压和控制，泵送子系统分为混凝土泵、输送管道和混凝土，支腿子系统分为底盘、支腿、液压和控制。臂架实现混凝土泵送管道伸展到预定位置的功能、支腿系统实现泵车操作稳定性的验证。因而，不同学科领域之间的耦合就显得十分重要。本发明依据Modelica的语言特点，用接口实现各个不同学科领域的耦合。这些耦合方式都是在基本理论和公式的基础之上，采用专业知识得到尽可能符合实际的数学模型。

图4、图5所示为混凝土泵车泵送子系统和操作稳定性子系统的系统级分解图。按照整体建模的技术路线在建模初期要将泵车进行模块化分解，在整体上对泵车系统进行把握。建模的时候考虑到相互之间的关系。

其中，图4所示的混凝土泵车泵送子系统，包括混凝土泵；管道，分为斜管、弯管和锥管；介质，分为水和混凝土；外部环境。

图5所示的操作稳定性子系统，包括承载臂架的转台，转台由液压部分（包括液压马达、各种阀、泵）、机械部分和控制部分组成；承载转台和臂架的底盘；支腿摆臂，支腿摆臂由展开支腿的液压部分（包括液压马达、各种阀、泵）和摆臂的机械部分组成；支撑底盘的支腿，支腿由液压部分（包括液压缸和各种阀、泵）、机械部分和液压控制部分组成；承载整个系统的地面。

图6所示是本发明建立混凝土泵车模型的流程图。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→子系统级→元件级的顺序，对发动机系统进行模块化分解；根据子系统或元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，建立部件模型模块，按照元、部件模型模块库→子系统模型模块库→系统模型模块库的顺序，组建完整的模型模块库。模块库中的模型模块可以根据需要进行定制，而且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。根据所需要研究的发动机的不同，用户或者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，建立发动机的完整模型，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发动机完整仿真模型。

Claims (5)

1.一种基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，用于对混凝土泵车泵送性能及操作稳定性进行仿真和参数优化设计，其特征在于，首先，对混凝土泵车按照模块化、层次化分解为泵送子系统和稳定性子系统，所述子系统均包括有基本元件模型库和特殊/关键元件模型库；其次，对元件库的元件或功能进行数学建模并封装，得到元件模型库，然后，根据混凝土泵车的真实零部件，对元件模型库通过集成和扩展，并采用封装的方式得到具有特定接口、能够传递数据、并且能依据混凝土泵车的真实零部件完成一定功能的部件模型库，所述基本元件模型库、特殊/关键元件模型库以及部件模型库形成混凝土泵车泵送子系统和稳定性子系统，所述两个子系统通过耦合接口传递数据，形成混凝土泵车整体系统模型，根据泵车的实际型号和参数，在操作平台上，通过改变性能参数对泵车泵送性能以及操作稳定性进行仿真验证和优化设计；

所述模块化分解是指具有物理上的相对独立性，能够完成单独的物理功能，同时具有数学上的独立性，使描述该物理部件特性的全部方程和计算都包含在模块程序内部的分解方法；

所述层次化分解是指从系统的最底层开始建立元件级模型库，然后根据模型要求将底层模型库组合成高一级部件模型库的分解方法；

所述的部件模型库，其基本组成分为以下几个部分：（1）、接口；（2）、模型，有部分模型和整体模型之分，整体模型能够继承部分模型中的变量和函数，提高建模效率；（3）、算法，用来定义实现某种复杂或经常被调用的算法功能，在建模过程中能够被方便的调用；（4）、包，包括某些功能相似的模型子包裹以及包含子包裹的父包裹，从上而下对系统进行模块化分解，从下而上通过包建立模型的树形结构，避免重复建模过程，提高建模效率；

所述操作平台是Mworks，在该操作平台上，以封装的模型图标代替泵车的实际零部件，以图形化方式浏览部件模型，通过拖曳和搭积木的方式构建泵车模型，对泵车操作稳定性和泵送性能仿真验证。

2.根据权利要求1所述的基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，其特征在于，所述基本元件模型库包括所在库所涉及的不同学科领域的基本定理和基本原理的数学建模以及相同学科领域内不同元部件接口和不同学科领域之间耦合接口。

3.根据权利要求1所述的基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，其特征在于，所述特殊/关键元件模型库是指对混凝土泵车泵送性能和操作稳定性性能所涉及到的关键元件进行的数学建模。

4.根据权利要求1所述的基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，其特征在于，所述部件模型库是由元件模型库采用封装方式得到的一个黑盒子，该黑盒子具有特定的接口，能够传递数据，并且能依据混凝土泵车的真实零部件完成一定的功能。

5.根据权利要求1所述的基于Modelica语言的混凝土泵车仿真系统的设计方法，其特征在于，所述的部件模型库，包括有机械库、控制库、液压库、控制信号库。

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