CN102540903A - 基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及泵车臂架仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法，其包括如下步骤：1)系统拆解；2)部件建模；3)系统级建模；4)仿真控制；5)最后，仿真结果曲线演示；本发明依据Modelica语言具有可读性强、便于修改及可用性强，以及模块化、层次化、规范化和参数化，仿真模型互操作性和重用性强等特点，能够进行泵车臂架系统的机械、液压和控制等多领域耦合的建模与仿真；同时Modelica语言具有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，为工程技术人员提供了高效便捷的辅助设计手段；此外，该建模方式不仅简洁明了，而且具有较高的仿真精度和建模效率。

Description

基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法

[技术领域]

本发明涉及泵车臂架仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法。

[背景技术]

混凝土泵车臂架系统用于混凝土的输送和布料，其通过臂架油缸伸缩、转台转动，将混凝土经由附在臂架上的输送管，直接送达臂架末端所指位置即浇筑点。频繁的起动、制动过程中，臂架系统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，对泵车臂架机构合理、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。

在混凝土泵车臂架设计领域，计算机仿真可以发挥投资少见效快的特点，以较少的投资快速地获得几种不同的设计方案，其设计往往是非线性的和互相依赖的。这就要求在建模仿真过程中对泵车臂架系统全面考虑，尽可能地建立完整、完善的模型。沈阳大学的张国忠教授在《混凝土泵车臂架布料机构及其运动学仿真方法的研究》一文中介绍了其开发的混凝土泵车总体设计CPCWD软件系统，该系统是基于windows平台，利用visual basic和Microsoft Access97开发的模块化结构，提供了有限元、稳定性、仿真系统等模块。作者提供了模块化的建模思想，构建了不同模块，可以对泵车臂架进行不同方面的仿真，但是开发这类复杂系统对开发人员要求非常高，开发人员不仅要有扎实的编程能力，还要对物理抽象出来的数学模型设计求解算法，算法对模型仿真效率至关重要。也就不利于用户很好的掌握和使用。

泵车臂架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泵车臂架系统的动态特性，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。而如果单纯考虑泵车臂架系统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。

针对以上泵车臂架系统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是一种多领域统一的面向对象的建模语言，它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。模型采用陈述式表达，应用机理建模方法，是基于方程的物理建模语言，其借鉴了JAVA的语言描述方式，采用了matlab的矩阵表达方式，创新了可视化键合图的建模方式。并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语言的泵车臂架系统仿真建模方法，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语言的泵车臂架系统仿真建模方法，其包括如下步骤：

1)系统拆解：根据真实臂架系统进行系统级拆解，将其拆解为臂架系统、液压系统和控制系统，构建一系列物理系统模型，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；

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，代替在部件建模中建立的泵车臂架部件的实际模型，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；

4)仿真控制；

5)最后，仿真结果曲线演示。

所述部件建模、系统级建模采用开放式建模方式。

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。

所述臂架系统包括泵车转台系统、首节臂架、中间臂架和末节臂架。

所述液压系统包括液压泵、液压马达、液压缸、换向阀和节流阀。

本发明有益效果：Modelica语言是一种多领域统一的面向对象物理系统的建模语言，由于其具有可读性强、便于修改及可用性强，以及模块化、层次化、规范化和参数化，仿真模型互操作性和重用性强等特点，能够进行泵车臂架系统的机械、液压和控制等多领域耦合的建模与仿真；同时Modelica语言具有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，为工程技术人员提供了高效便捷的辅助设计手段；此外，该建模方式不仅简洁明了，而且具有较高的仿真精度和建模效率。

[附图说明]

图1是本发明中液压缸内部参数示意图；

图2是本发明中封装后液压缸结构示意图；

图3是本发明中第一节臂模型封装前内部结构示意图；

图4是本发明中第一节臂模型封装后示意图；

图5是本发明中连接件一模型封装前内部结构示意图；

图6是本发明中连接件一模型封装后示意图；

图7是本发明中回转台模型封装前内部结构示意图；

图8是本发明中回转台模型封装后示意图；

图9是本发明中三通流量阀模型示意图；

图10是本发明中三通流量阀内部结构示意图；

图11是本发明中梭阀模型示意图；

图12是本发明中梭阀内部结构示意图；

图13是本发明中定量泵供油系统模型示意图；

图14是本发明中定量泵供油系统模型内部结构示意图；

图15是本发明中变幅回路模型示意图；

图16是本发明中臂架回转液压回路模型示意图；

图17是本发明中泵车臂架系统仿真建模模型示意图；

图18是本发明中仿真流程图；

图19是本发明中仿真结果3D输出示意图；

图20是本发明中输出参数示意图；

图中：1、输入/输出机械结构  2、多刚体库元件  3、连杆一  4、连杆二。

[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语言的泵车臂架系统仿真建模步骤包括：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泵车臂架系统进行了拆解，根据真实物理系统的各部分功能进行分解，首先将其分解分成臂架系统(即多刚体系统)、液压系统、控制系统。

在系统拆解过程中，可根据泵车的一节臂架的以下特点进行拆解：1)臂架系统。通常泵车臂架为三节臂、四节臂、五节臂、六节臂，从第一节臂至末节臂，臂杆的横截面积一次减少，泵车的第一节臂连接是可以在水平面内回转的转台，转台最终固定在汽车地盘上，而其他臂架之间的连接如第二节臂架和第三节臂架的连接，通常为增大举升力矩以及利于臂架的折叠，采用四连杆机构与液压缸连接，所以在拆解过程中首先可将泵车臂架拆解为第一节臂与其他节臂；2)液压部分。液压系统提供了泵车臂架运动的动力，在工程机械中液压系统是最重要的一环，液压系统决定着泵车臂架的最大举升高度，混凝土的输送功率等。液压系统中根据实际物理系统进行拆分，分成液压泵、液压马达、液压缸、换向阀、节流阀等一系列有独立功能的元件；3)泵车臂架的控制系统，泵车臂架的控制系统控制泵车臂架的举升高度，举升速度，臂架的收回，液压阀门开启的大小等。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、控制等可归为一类，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。而且，对于元件级建模，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。

系统级建模，通过使用部件中相应的“虚”模型(即部件图标)代替在泵车臂架部件模型架构中建立的泵车臂架部件的实际模型；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。

本发明提供了一种基于Modelica语言和Mworks平台的混凝土泵车臂架仿真系统，设计者根据真实臂架系统进行系统级拆解，构建一系列物理系统模型，包含臂架系统、液压系统、控制系统等。臂架系统包括了泵车转台系统、首节臂架、中间臂架和末节臂架；液压系统涵盖了工程机械使用的一系列通用液压阀和特种液压阀，以及一套完善详细的控制系统。同时该发明可以和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泵车臂架系统进行动力学仿真，用户可以通过该仿真系统可以获知臂架举升过程中的运动，振动、冲击、以及液压负载等一系列动态特性，为泵车设计者提供参考数据和技术支持。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。

如附图1至图8所示，为多刚体系统动力学模型，其应用Modelica.Multibody多体库，结合臂架机械系统，建立臂架多刚体系统模型。

如附图1、图2所示，臂架油缸作为执行机构，推动臂架进行变幅，液压元件库中液压缸是一维系统，只是输出液压缸的行程、推力、速度等，但是并不能表达相应输出的方向，而在泵车臂架建模过程中使用的多刚体库是三维的。二维多刚体库元件2，可以将液压缸力转化为三维机械力，力的三维分解由输入，输出机械结构1决定。其主要输入参数见表1，各臂架变幅油缸输入参数均不同，需结合实际结构进行输入。

表1主要输入参数：

如附图3、图4所示，第一节臂一端和回转平台连接，另一端连接与第二节臂始端，通过变幅液压缸的伸缩实现臂的举升与下降，该第一节臂是臂架系统中承载最大的臂。图3为第一节臂模型内部结构，接口F₂、F₂、F₃、F₄用来连接泵送管道，承受管道传来的力及力矩，J₁、J₂、J₃、J₄和J₅分别用来连接回转台、第一节臂架油缸、第二节臂架油缸、连杆1以及第二节臂，通过fixedtranslation来设置各接口的位置向量，由bodyshape来设置臂架的动力学参数以及外形形状；图4为第一节臂架的封装模型。其它各节臂的建模过程与此类似，只是接口的位置以及各动力学参数有所变化。

如附图5、图6所示，连接件一是用以连接第一节臂、第二节臂以及第二节臂变幅油缸的关键部件，臂架系统主要通过其实现各节臂架的灵活运动以及力的传递。图5为连接件一模型的内部结构，由连杆一3、连杆二4和三个转动副组成。接口ia、ib和im分别用于连接第一节臂、第二节臂和第二节臂变幅油缸，通过三个fixedtranslation来设置各接口的位置向量，由两个bodyshape来设置连杆一3、连杆二4的动力学参数以及外形形状；图6为连接件一的封装模型。同理，其它各连接件的建模过程和此类似，只是接口的位置以及各动力学参数有所变化而已。

如附图7、图8所示，转台是臂架系统的支撑机构，其作用为臂架系统的旋转提供驱动力，并且将与臂架反方向的力传导到底盘上，再通过支腿传到地面上，最后这部分力由地面来承受。图7为回转台模型的内部结构，接口Frame_a和Frame_b分别用于连接第一节臂底端和第一节臂变幅油缸活塞杆端，通过两个fixedtranslation来设置各接口的位置向量，由bodyshape来设置回转台的动力学参数及外形形状。图8为回转台的封装模型。

如附图9至附图12所示，为臂架系统各液压元件模型，应用Modelica液压元件库Hylib2.4，结合臂架液压系统原理图，搭建液压系统元件级模型。下面着重介绍三通流量阀、梭阀的搭建过程，其它液压元件可参考Hylib2.4库直接使用。

如附图9、图10所示，三通流量阀的作用是根据各换向滑阀反馈来的最大压力确定其阀芯的位置，从而确定通过其到达各换向滑阀的流量，通过三通流量阀保持节流口两端的压差恒定，多余流量由三通阀分流回油箱，该阀有一个进口两个出口，故称三通流量控制阀。其功能可概括如下：1)卸荷系统总流量；2)控制每片阀的流量；3)建立系统所需压力；4)具有一定减震作用。图9为三通流量阀模型示意图，该模型中，仍然是通过孔口出流面积来控制液压流量，其孔的出流模型同上节相似，其中，接口Port_A与Port_B联通主油路，为主油路提供流量，阀芯在弹簧的作用下为常闭。当系统供油时，在Port_A端控制油路的作用下，阀芯打开，主油路接通；在系统受到负载时，通过梭阀反馈的最大负载压力油到达Port_X端，在其作用下，阀芯重新运动到适当的位置，使孔的出流面积减小。这样便可以根据系统最大负载压力来控制孔的开合尺寸，从而确定通过其到达各换向滑阀的流量。图10为利用液压元件库Hylib2.4来构造的三通流量阀内部结构图，通过两端两个液压缸的压力来控制阀芯Spool的位置，进而控制孔的开口面积大小，其中，两个液压缸的活塞面积都设置为0.0005m²，弹簧刚度为1.72e7N/m。

如附图11、图12所示，梭阀的作用是与其它滑阀的梭阀一起将最大的压力油反馈给三通流量阀4，从而调节主油路流量。图11为梭阀模型图，模型中，也是通过孔口出流面积，来控制液压流量，其孔的出流模型同上节相似。其中，接口Port_X接相应多路滑阀的出口压力，Port_Y接下一阶梭阀的出口压力，最后一阶梭阀的Port_Y接油箱。通过压力比较，当接口Port_X端压力大于Port_Y压力时，Port_X和Port_C导通，将多路滑阀压力作为本阶最高压力传递给上一阶梭阀比较，直至比较到三通流量阀；当接口Port_Y端压力大于Port_X压力时，Port_Y和Port_C导通，同样将其压力作为最高压力传递给上一阶梭阀比较，直至比较到三通流量阀为止。图12为利用液压元件库Hylib2.4来构造的梭阀内部结构图，这里，孔的最大开口半径为0.005m，孔的开口压力为5bar，泄漏量为1e-16m³/s。

如附图13至图16所示，为臂架系统液压系统级模型。

如附图13所示，定量泵供油系统是整个臂架系统的动力源，由它提供各节臂架展开与回收的液压动力，也包括泵车回转支承系统和支腿系统的动力提供，共有A₁、A₂、A₃、A₄、A₅五个液压油输出口，以及B₁、B₂、B₃、B₄、B₅五个液压油回油口，它们分别接五个臂架变幅油缸，通过V₁、V₂、V₃、V₄、V₅五个控制端来输入各个多路阀的开口控制信号，实现臂架运动的控制。

如附图14所示，定量泵供油系统的具体功能原理前面已进行过详细介绍，因此只对两通流量阀进行稍加阐述，两通流量阀为了确保多个执行元件同时工作，在片阀之间应进行压力补偿。对于不同压力负载的执行元件来说，补偿阀应可以自动实现不同的压力需求补偿，从而各使执行元件运动速度独立于负载。多路阀溢流压力是由各溢流阀决定，系统压力由三通流量阀与负载压力匹配，多余流量在相应压力下卸荷。系统中各液压部件主要是基于Hylib 2.4库中的接口、单向阀、阻尼孔、液压泵，溢流阀、比例伺服阀、油缸等各种液压元器件进行变形及二次开发而搭建。模型中，泵的最大流量设置为Q＝80L/min，主溢流阀压力设置为P＝320bar。

如附图15所示，为利用液压元件库Hylib2.4来构造的变幅回路模型。臂架油缸作为执行机构，作用推动臂架进行变幅。在此过程中，变幅回路主要是实现臂架油缸运动过程中平衡负载以及控制和稳定运动速度的功能，而且在臂架油缸不动作中时起液压锁止作用。系统中各液压部件主要是基于Hylib 2.4库中的接口、单向阀、阻尼孔、平衡阀以及双向液压缸等各种液压元器件进行变形及二次开发而搭建。模型中，两个液压接口分别连接定量泵供油系统的出油口和回油口，为变幅液压缸提供液压动力。二维机械接口flange_aref和flange_b通过转化三位机械力来实现变幅液压缸的作用。这里，单向阀的开口压力设置为1.25bar，泄漏量为1e-12m³/s，阻尼孔的通流量为4.2e-11m³/s，液压缸的无杆端活塞面积都设置为0.05m²，有杆端端面积为0.03m²，行程和活塞杆长根据不同臂架分别进行设置。

如附图16所示，为利用液压元件库Hylib2.4来构造的臂架回转液压回路模型，液压马达作为执行机构，作用推动臂架系统进行回转。在此过程中，回转回路主要是实现液压马达运动过程中平衡负载以及控制和稳定运动速度的功能，而且在液压马达不动作中时起液压锁止作用。

如附图17所示，为泵车臂架系统建模仿真模型示意图；

如附图18所示，为仿真流程图，用户通过双击相关模块即可弹出参数修改界面，从而可对各模块内置参数进行设计修改。

如附图19、图20所示，整个泵车臂架系统仿真建模软件支持三维动画与所有参数的曲线输出，图19为仿真结果3D输出图，用户可以选择任意参数输出曲线，同时支持曲线的处理，如求和、导数与FFT等处理。

本发明中，设计者以泵车臂架系统为研究对象，利用基于modelica语言的Mworks平台建立其系统的机械、液压等多领域耦合的动力学仿真模型。本发明突破以往构建混凝土泵车臂架模型的局限，在以往泵车臂架模型构建上，要么通过面向过程构建泵车臂架系统，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，很难正确表达泵车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混凝土泵车臂架模型库，把臂架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，可以对臂架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，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，为泵车臂架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。

Claims (5)

1.一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)系统拆解：根据真实臂架系统进行系统级拆解，将其拆解为臂架系统、液压系统和控制系统，构建一系列物理系统模型，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；

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，代替在部件建模中建立的泵车臂架部件的实际模型，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；

4)仿真控制；

5)最后，仿真结果曲线演示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述部件建模、系统级建模采用开放式建模方式。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：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。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述臂架系统包括泵车转台系统、首节臂架、中间臂架和末节臂架。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述液压系统包括液压泵、液压马达、液压缸、换向阀和节流阀。

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