CN111176136B - 一种机电液装备虚实一体化仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电液装备虚实一体化仿真系统，所述的仿真系统由专用嵌入式过程控制单元、机械‑液压实时仿真单元、视景模拟软件和仿真通信接口组成，所述的专用嵌入式过程控制单元通过对输入切换单元和输出切换单元的控制实现对实际被控对象的直接控制，也可与虚拟的仿真系统构成完整的闭环控制系统，虚拟仿真系统工作期间，数据可实时发送到视景仿真组件，实现实时的视觉反馈，实时三维显示虚拟被控对象的运行状态。本发明的有益效果为：该系统以专用嵌入式过程控制单元为基础，可以实现对实际控制逻辑的完整测试，可以支持在虚拟仿真环境下开发和测试控制逻辑。开发完整的控制逻辑可直接应用到实际的控制系统，不需要任何修改。

Description

一种机电液装备虚实一体化仿真系统

技术领域

本发明涉及机械-液压实时仿真技术、半实物仿真技术和视景仿真技术，主要是一种机电液装备虚实一体化仿真系统。

背景技术

机电液装备在各行各业中的应用普遍存在，对于普通的机电液系统，通常的设计和性能分析系统相对独立的对机械、液压系统进行建模与分析，或者将机械系统性能分析的结果作为液压系统设计的输入，然后进行控制系统的设计。但在一些大型机电液项目中，机械、液压、控制系统是高度耦合的，传统的设计和分析系统应用在此类系统上，存在许多明显的问题，主要包括：1)各个子系统之间关系复杂，在设计阶段局部设备的设计人员只能依据已知的指标要求进行设计，由于系统耦合带来的问题无法显现，若等到系统试验阶段暴露问题再进行修改，一方面会对系统研发进度造成影响，另一方面局部系统设计变更对其他子系统都可能造成影响，引发大量重复设计工作；2)系统集成工作量大，对于整合后的系统缺乏一种有效的方式对系统总体指标进行分析、评估；3)系统试验成本高、耗时长、条件苛刻。

鉴于传统设计手段的种种弊端，在设计过程中运用仿真分析系统指导设计成为优化设计的一种常用手段，目前国内外的研究机构主要使用不同的仿真软件，通过一定的仿真接口、仿真管理编程手段将这些仿真软件整合达到机械、液压、控制系统联合仿真的目的，这些仿真工作通常针对固定的工作过程，对于“人”这一关键设计要素缺乏考虑；而且纯软件的仿真过程太过理想化，与实际应用过程可能会有较大差距。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种机电液装备虚实一体化仿真系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种机电液装备虚实一体化仿真系统，所述的仿真系统由专用嵌入式过程控制单元、机械-液压实时仿真单元、视景模拟软件和仿真通信接口组成，所述的专用嵌入式过程控制单元用于实现对实际过程的控制，从功能结构上分为输入采集单元、输入切换单元、控制逻辑单元、输出切换单元、输出控制单元；所述的输入采集单元包括直接数据采样模块和网络数据输入模块，所述的输出控制单元直接数据输出模块和网络数据输出模块；所述的直接数据采样模块由硬件或通信总线方式连接到实际的控制系统传感器，用以提供实际被控系统的真实的状态信息；所述的网络数据输入模块通过总线通信方式或共享内存的方式与机械-液压实时仿真单元交换数据，获取虚拟仿真系统中设备的运行状态；所述的直接数据输出模块由硬件或通信总线方式连接到实际的机械、液压驱动装置，将控制信号转换成实际机构的动作指令；所述的网络数据输出模块通过总线通信方式或共享内存的方式与机械-液压实时仿真单元交换数据，驱动虚拟机械、液压模型动作；所述的输入切换单元根据控制模式设置，选择将网络数据输入模块或直接数据采样模块的数据传输到控制逻辑单元；所述的控制逻辑单元根据实际的工程控制需求编制，对传入的数据进行处理，形成控制输出结果，并传输到输出切换单元；所述的输出切换单元根据控制模式设置选择将输出的数据传输到输出控制单元的直接数据输出模块或网络数据输出模块；工作过程中，输入切换单元从输入采集单元的两个模组中选择一个作为控制逻辑的输入数据；输出切换单元从输出控制单元的两个模组中选择一个作为控制输出的输出数据目标单元，软硬件状态和仿真信号接口与实际系统保持一致；在所述的机械-液压实时仿真单元内同时包含实际机械和液压系统的机-液联合仿真模型，仿真模型在仿真模式下通过网络与专用嵌入式过程控制单元的输入采集单元中的网络输入数据模块和输出控制单元的网络数据输出模块连接，实时交换数据，构成闭环控制系统；从专用嵌入式过程控制单元获取控制指令信号，并实时计算虚拟仿真系统的状态参数，在计算完成后将状态参数通过网络或数据共享的方式发送到专用嵌入式过程控制单元的网络数据输入模块；同时将状态参数发送到视景模拟软件；所述的视景模拟软件包含被控的机电液装备的三维结构模型，并可机械-液压实时仿真单元输出的运动数据驱动，根据从机械-液压实时仿真单元传递的状态参数形成被控对象的实时三维图像，形成与实际设备动作一致的仿真效果。

所述的机械-液压实时仿真单元，内部建立了与实际被控系统一致的机械-液压联合仿真模型，同时支持与专用嵌入式过程控制单元和视景模拟软件交换数据，从专用嵌入式过程控制单元获取控制指令信号，并实时计算虚拟仿真系统的状态参数，在计算完成后将状态参数通过网络或数据共享的方式发送到专用嵌入式过程控制单元的网络数据输入模块；同时将状态参数发送到视景模拟软件。

所述的视景模拟软件，内部建立了实际的三维模型，并设计了三维模型的驱动、图形渲染程序，可以根据从机械-液压实时仿真单元传递的状态参数形成被控对象的实时三维图像。

所述的仿真通信接口，主要实现机电液可视化联合仿真过程中的数据处理与传输，将控制系统输出的控制指令作为仿真输入发送至机械-液压实时仿真单元；将机械-液压实时仿真单元仿真计算所得的传感器信息作为控制反馈发送至控制系统；将机械-液压实时仿真单元仿真计算所得的设备位姿信息发送至视景模拟软件进行视景仿真。

所述的机械-液压实时仿真单元、视景模拟单元和仿真通信接口组件布置在一台或多台高性能计算机内，相互之间通过网络通信方式实时交换数据和状态信息。

所述的专用嵌入式过程控制单元通过对输入切换单元和输出切换单元的控制实现对实际被控对象的直接控制，也可与虚拟的仿真系统构成完整的闭环控制系统，虚拟仿真系统工作期间，数据可实时发送到视景仿真组件，实现实时的视觉反馈，实时三维显示虚拟被控对象的运行状态。

所述的机电液装备虚实一体化仿真系统中，专用嵌入式过程控制单元支持3种运行模式：

模式1：专用嵌入式过程控制单元独立工作，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的直接数据采样模块连接到实际的控制系统传感器，输入切换单元选择将直接数据采样模块的数据传输到控制逻辑单元，控制逻辑单元的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的直接数据输出模块，然后连接到实际被控系统地执行器，控制被控对象动作。

模式2：专用嵌入式过程控制单元与实际的被控系统隔离，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的网络数据输入模块连接到机械-液压实时仿真单元，从机械-液压实时仿真单元获取控制所需要的系统状态，输入切换单元选择将网络数据输入模块的数据传输到控制逻辑单元，控制逻辑单元的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的网络数据输出模块，然后通过网络通信或数据共享的方式将数据传输到机械-液压实时仿真单元，实现对虚拟的被控对象的动作控制。

模式3：专用嵌入式过程控制单元同时与实际的被控系统和机械-液压实时仿真单元连接，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的网络数据输入模块连接到机械-液压实时仿真单元，从机械-液压实时仿真单元获取控制所需要的系统状态；同时输入采集单元中的直接数据采样模块连接到实际的控制系统传感器。输入切换单元选择将直接数据采样模块的数据和网络数据输入模块中的数据传输到控制逻辑单元。一方面，控制逻辑单元将根据直接数据采样模块的数据计算获得的结果经过输出切换单元后传输到输出控制单元的直接数据输出模块，然后连接到实际被控系统地执行器，控制被控对象动作；另一方面，控制逻辑单元将根据网络数据输入模块的数据计算获得的结果经过输出切换单元后传输到输出控制单元的网络数据输出模块，然后连接到虚拟机械-液压实时仿真单元，控制仿真对象动作。在该模式下，专用嵌入式过程控制单元内网络数据输入模块、直接数据采样模块、网络数据输出模块和直接数据输出模块的数据均可由外部软件读取。当系统运行在模式3时，可以对机械-液压实时仿真单元实际性能进行检验，多用于仿真系统的设计改进和优化过程中。

本发明的有益效果为：该系统以专用嵌入式过程控制单元为基础，可以实现对实际控制逻辑的完整测试，可以支持在虚拟仿真环境下开发和测试控制逻辑。开发完整的控制逻辑可直接应用到实际的控制系统，不需要任何修改。

附图说明

图1为机电液装备虚实一体化仿真系统的基本结构图；

图2为模式1状态下专用嵌入式过程控制单元与实际的被控系统连接的工作过程图；

图3为模式2状态下专用嵌入式过程控制单元与虚拟仿真系统连接的工作过程图；

图4为模式3状态下专用嵌入式过程控制单元同时与实际的控制系统和机械-液压实时仿真单元连接的工作过程。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

图1给出了机电液装备虚实一体化仿真系统的基本结构，系统主要由实际被控系统1、专用嵌入式过程控制单元2、虚拟仿真系统3组成。

实际被控系统1主要由驱动装置4、实际机械-液压执行器5、传感器系统6组成，驱动装置4将控制输出指令转换成执行器动作信号，驱动实际机械-液压执行器5动作，作业过程中，传感器系统6实时采集机械-液压执行器5的运动状态，并将其反馈至控制系统，构成闭环控制系统。实际被控系统其工作原理为：

控制输出指令为矩阵C,驱动装置与实际机械-液压执行器的自身固有的输入输出特性为G，当前的系统状态为矩阵S，传感器系统的采集结果为矩阵A，则

A＝G(S,C)

具体可表述为：某一时刻的传感器系统的采集结果A等于当前时刻下处于特定系统状态S下的驱动装置与实际机械-液压执行器在控制输出指令C作用下的响应结果。

专用嵌入式过程控制单元主要由输入采集单元7、输入切换单元8、控制逻辑单元9、输出切换单元10、输出控制单元11组成。输入采集单元7包含直接数据采样模块12和网络数据输入模块13，直接数据采样模块12从实际装备的传感器系统6获取实际被控系统1的真实的状态信息，网络数据输入模块13从仿真通信接口17获取虚拟仿真系统3中设备的状态信息。输入切换单元8根据模式设置，选择控制输入数据来源于直接数据采样模块12或网络数据输入模块13。控制逻辑单元9根据实际被控系统控制需求处理输入数据，形成控制输出信号。输出切换单元10根据模式设置，选择将输出的数据传输至输出控制单元11的直接数据输出模块14或网络数据输出模块15，直接数据输出模块14将输出的数据传输至实际被控系统1的驱动装置4，驱动实际机械-液压执行器5动作，网络数据输出模块15将输出的数据传输至仿真通信接口17，驱动机械-液压实时仿真单元16中的虚拟机械-液压模型动作。专用嵌入式过程控制单元的工作原理为：

实际被控制系统1的真实状态矩阵A，虚拟仿真系统3中设备的状态矩阵A’，控制逻辑单元所实现的控制算法的输入输出特性为H，控制逻辑单元的状态矩阵T，控制输出信号矩阵C，则

C＝H(T,A)……(采用实际被控制系统的传感器数据作为输入)

C＝H(T,A′)……(采用虚拟仿真系统的传感器数据作为输入)

具体可表述为：某一时刻的专用嵌入式过程控制单元2的控制输出信号C等于当前时刻下处于特定状态T下的控制逻辑单元在实际被控制系统或虚拟仿真系统的传感器数据A或A’作用下的响应结果。

虚拟仿真系统3主要由机械-液压实时仿真单元16、仿真通信接口17、视景模拟软件18组成。机械-液压实时仿真单元16建立虚拟的机械、液压系统，实现机械-液压实时联合仿真，仿真通信接口17综合管理仿真过程中的数据通信，视景模拟软件18根据机械-液压实时仿真计算的设备位置、姿态信息，搭建虚拟三维场景，形成虚拟设备的实时三维图像。虚拟仿真系统的工作原理为：

控制输出指令为矩阵C,机械-液压实时仿真的输入输出特性为G’，当前的系统状态为矩阵S’，传感器系统的采集结果为矩阵A’，则

A′＝G′(S′,C)

具体可表述为：某一时刻虚拟仿真系统的传感器数据A’等于当前时刻下处于特定系统状态S’下的机械-液压实时仿真单元针对控制输出指令C的仿真计算结果。

图2为模式1状态下专用嵌入式过程控制单元与实际的被控系统连接的工作过程，在模式1状态下，操作人员19通过控制终端20进行操作设置。输入切换单元选择将直接数据采样模块25的传感器系统24获取的设备状态数据传输到控制逻辑单元21；控制逻辑单元21的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的直接数据输出模块22，驱动实际机械液压系统23动作(图中输入切换单元与输出切换单元未画出)。操作人员通过直接观察实际机械液压系统的运行状态，实时调整操作设置。控制逻辑单元21根据传感器系统24获取的设备状态数据形成闭环控制，自动调节控制输出指令，完成预设控制目标。

图3为模式2状态下专用嵌入式过程控制单元与虚拟仿真系统连接的工作过程，在模式2的状态下，操作人员26通过控制终端27进行操作设置。输入切换单元选择将从网络数据输入模块32获取的模拟传感器响应31传输到控制逻辑单元28；控制逻辑单元28的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的网络输出模块29，驱动虚拟机械液压系统30动作(图中输入切换单元与输出切换单元未画出)。视景模拟软件33根据虚拟机械液压系统30仿真计算出的设备空间位姿信息构建三维虚拟场景，操作人员通过观察虚拟设备的实时三维图像，实时调整操作设置。控制逻辑单元28根据模拟传感器31获取的虚拟设备状态数据形成闭环控制，自动调节控制输出指令，完成预设控制目标；

图4为模式3状态下专用嵌入式过程控制单元同时与实际的控制系统和机械-液压实时仿真单元连接的工作过程，操作人员34通过控制终端35进行操作设置。输入切换单元同时将直接数据采样模块43获取的传感器系统41的设备状态数据和网络数据输入模块44获取的模拟传感器响应42传输到控制逻辑单元36；控制逻辑单元36采用同一套过程控制算法根据不同的输入数据分别计算相应的控制输出，根据直接数据采样模块43的设备状态数据计算的结果经过输出切换单元传输到输出控制单元的直接数据输出模块37，驱动实际机械液压系统39动作；根据网络数据输入模块44的模拟设备状态数据计算的结果经过网络数据输出模块38，驱动虚拟机械液压系统40动作(图中输入切换单元与输出切换单元未画出)。控制逻辑单元36根据实际设备状态信息和虚拟设备状态信息分别形成两个独立的闭环控制，自动调节控制输出指令，完成预设控制目标。同时，视景模拟软件45根据虚拟设备状态信息构建三维虚拟场景，操作人员可观察、对比实际机械液压系统的运行状态和虚拟机械液压系统的运行状态，优化虚拟仿真系统。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：所述的仿真系统由专用嵌入式过程控制单元、机械-液压实时仿真单元、视景模拟软件和仿真通信接口组成，所述的专用嵌入式过程控制单元用于实现对实际过程的控制，从功能结构上分为输入采集单元、输入切换单元、控制逻辑单元、输出切换单元、输出控制单元；所述的输入采集单元包括直接数据采样模块和网络数据输入模块，所述的输出控制单元直接数据输出模块和网络数据输出模块；所述的直接数据采样模块由硬件或通信总线方式连接到实际的控制系统传感器，用以提供实际被控系统的真实的状态信息；所述的网络数据输入模块通过总线通信方式或共享内存的方式与机械-液压实时仿真单元交换数据，获取虚拟仿真系统中设备的运行状态；所述的直接数据输出模块由硬件或通信总线方式连接到实际的机械、液压驱动装置，将控制信号转换成实际机构的动作指令；所述的网络数据输出模块通过总线通信方式或共享内存的方式与机械-液压实时仿真单元交换数据，驱动虚拟机械、液压模型动作；所述的输入切换单元根据控制模式设置，选择将网络数据输入模块或直接数据采样模块的数据传输到控制逻辑单元；所述的控制逻辑单元根据实际的工程控制需求编制，对传入的数据进行处理，形成控制输出结果，并传输到输出切换单元；所述的输出切换单元根据控制模式设置选择将输出的数据传输到输出控制单元的直接数据输出模块或网络数据输出模块；工作过程中，输入切换单元从输入采集单元的两个模组中选择一个作为控制逻辑的输入数据；输出切换单元从输出控制单元的两个模组中选择一个作为控制输出的输出数据目标单元，软硬件状态和仿真信号接口与实际系统保持一致；在所述的机械-液压实时仿真单元内同时包含实际机械和液压系统的机-液联合仿真模型，仿真模型在仿真模式下通过网络与专用嵌入式过程控制单元的输入采集单元中的网络输入数据模块和输出控制单元的网络数据输出模块连接，实时交换数据，构成闭环控制系统；从专用嵌入式过程控制单元获取控制指令信号，并实时计算虚拟仿真系统的状态参数，在计算完成后将状态参数通过网络或数据共享的方式发送到专用嵌入式过程控制单元的网络数据输入模块；同时将状态参数发送到视景模拟软件；所述的视景模拟软件包含被控的机电液装备的三维结构模型，并可机械-液压实时仿真单元输出的运动数据驱动，根据从机械-液压实时仿真单元传递的状态参数形成被控对象的实时三维图像，形成与实际设备动作一致的仿真效果。

2.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：所述的机械-液压实时仿真单元、视景模拟单元和仿真通信接口组件布置在一台或多台高性能计算机内，相互之间通过网络通信方式实时交换数据和状态信息。

3.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：所述的专用嵌入式过程控制单元通过对输入切换单元和输出切换单元的控制实现对实际被控对象的直接控制，也可与虚拟的仿真系统构成完整的闭环控制系统，虚拟仿真系统工作期间，数据可实时发送到视景仿真组件，实现实时的视觉反馈，实时三维显示虚拟被控对象的运行状态。

4.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：所述的仿真通信接口，主要实现机电液可视化联合仿真过程中的数据处理与传输，将控制系统输出的控制指令作为仿真输入发送至机械-液压实时仿真单元；将机械-液压实时仿真单元仿真计算所得的传感器信息作为控制反馈发送至控制系统；将机械-液压实时仿真单元仿真计算所得的设备位姿信息发送至视景模拟软件进行视景仿真。

5.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：专用嵌入式过程控制单元独立工作，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的直接数据采样模块连接到实际的控制系统传感器，输入切换单元选择将直接数据采样模块的数据传输到控制逻辑单元，控制逻辑单元的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的直接数据输出模块，然后连接到实际被控系统的执行器，控制被控对象动作。

6.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：专用嵌入式过程控制单元与实际的被控系统隔离，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的网络数据输入模块连接到机械-液压实时仿真单元，从机械-液压实时仿真单元获取控制所需要的系统状态，输入切换单元选择将网络数据输入模块的数据传输到控制逻辑单元，控制逻辑单元的计算结果经过输出切换单元选择后传输到输出控制单元的网络数据输出模块，然后通过网络通信或数据共享的方式将数据传输到机械-液压实时仿真单元，实现对虚拟的被控对象的动作控制。

7.根据权利要求1所述的机电液装备虚实一体化仿真系统，其特征在于：专用嵌入式过程控制单元同时与实际的被控系统和机械-液压实时仿真单元连接，专用嵌入式过程控制单元内部的输入采集单元中的网络数据输入模块连接到机械-液压实时仿真单元，从机械-液压实时仿真单元获取控制所需要的系统状态；同时输入采集单元中的直接数据采样模块连接到实际的控制系统传感器；输入切换单元选择将直接数据采样模块的数据和网络数据输入模块中的数据传输到控制逻辑单元；一方面，控制逻辑单元将根据直接数据采样模块的数据计算获得的结果经过输出切换单元后传输到输出控制单元的直接数据输出模块，然后连接到实际被控系统地执行器，控制被控对象动作；另一方面，控制逻辑单元将根据网络数据输入模块的数据计算获得的结果经过输出切换单元后传输到输出控制单元的网络数据输出模块，然后连接到虚拟机械-液压实时仿真单元，控制仿真对象动作。

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