CN117267216B - 一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，包括：工况模拟检测方法包括第一测试流程和第二测试流程；在未具备工况模拟检测方法的液压元件，且具备工况模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定仿真设备的参数；在具备工况模拟检测方法的液压元件，且不具备工况模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；第二测试流程包括：基于第二控制器，控制工况模拟检测方法的液压元件，确定第二控制器的策略。本申请提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，可提升计算效率，实现与实物系统采集数据的低延迟交互。

Description

一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统

技术领域

本申请涉及液压技术领域，尤其涉及一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统。

背景技术

液压元件模拟检测在现代工程和制造领域中扮演着重要的角色。随着工业自动化和机械系统的不断发展，液压系统的应用日益广泛，因此对液压元件的性能和可靠性要求也越来越高。为了确保液压系统正常运行并满足工程要求，液压元件的模拟检测成为至关重要的步骤。

当前的液压元件模拟检测方法，由于需要与实物控制对象进行实时通讯，因此需要的计算资源较大，迭代步数长，无法达到实时参数匹配。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，用以提升计算效率，实现与实物系统采集数据的低延迟交互。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请第一方面提供一种液压元件模型在环工况模拟检测方法，所述方法包括：

所述液压元件工况模拟检测方法包括第一测试流程和第二测试流程；

在未具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况液压元件模拟检测方法的控制模型的控制器；

在具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器。

本申请第二方面提供一种液压元件模型在环工况模拟检测系统，所述液压元件模型在环工况模拟检测系统，至少包括：上位机模块、数据通讯模块、模型开发模块、虚拟控制器模块、数据实时采集模块；

所述上位机模块实现液压系统试验台的功能控制、运行信息的显示、故障报警；建立第一测试流程环节中的被测液压元件模型；编写和实时修改第二测试流程环节中虚拟控制器的控制算法；并与模型开发模块、数据实时采集模块、虚拟控制器模块进行数据通讯，完成控制指令和采集数据的传输；

所述数据实时采集模块至少包括多个传感器，对试验台实时运行数据进行采集，以及比例流量阀、比例压力阀的驱动控制；

所述模型开发模块用于建立了第一测试流程环节所需的被测液压元件实时仿真模型；

所述虚拟控制器模块用于建立第二测试流程环境所需的控制器，并运行和实时修改控制算法。

本申请提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，包括第一测试流程和第二测试流程，在未具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况液压元件模拟检测方法的控制模型的控制器；在具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器。这样，第一测试流程采用真实控制器控制虚拟液压元件，用于控制器功能的实时验证，第二测试流程采用虚拟控制器控制真实被控对象，用于控制器中软件功能算法的快速实时验证，可达到与实物控制对象实时通信的目的。

附图说明

图1为本申请提供的液压元件模拟检测方法实施例一的流程图；

图2为本申请提供的液压元件模拟检测方法的第一测试流程信号流通图；

图3为本申请提供的液压元件模拟检测方法的第二测试流程信号流通图；

图4为本申请一示例性实施例示出的电机驱动回路原理图；

图5为本申请一示例性实施例示出的交流控制回路原理图；

图6为本申请一示例性实施例示出的直流控制回路原理图；

图7为本申请一示例性实施例示出的PLC控制回路原理图；

图8为本申请一示例性实施例示出的基于MQTT协议的消息传递模式图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本申请提供一种液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，用以提升计算效率，实现与实物系统采集数据的低延迟交互。

本申请提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法和系统，包括第一测试流程和第二测试流程，在未具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况液压元件模拟检测方法的控制模型的控制器；在具备所述工况液压元件模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况液压元件模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器。这样，第一测试流程采用真实控制器控制虚拟液压元件，用于控制器功能的实时验证，第二测试流程采用虚拟控制器控制真实被控对象，用于控制器中软件功能算法的快速实时验证，可达到与实物控制对象实时通信的目的。下面给出具体的实施例，用以详细介绍本申请的技术方案。

图1为本申请提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法实施例一的流程图。请参照图1，本实施例提供的方法，可以包括：

S101、所述工况模拟检测方法包括第一测试流程和第二测试流程。

需要说明的是，第一测试流程和第二测试流程是相互独立的测试环节，第一测试流程和第二测试流程不会同时进行测试，并且第一测试流程和第二测试流程的测试结果也不会进行融合。在本实施例中，第一测试流程为硬件在环测试（Hardware-in-the-LoopTesting，简称HIL）流程，第二测试流程为快速控制原型测试（Rapid ControlPrototyping，简称RCP）流程。

具体的，第一测试流程的应用场景是真实控制器控制虚拟被控对象，第一测试流程主要用于控制器功能的实时验证，这可以包括检查控制器的响应时间、控制策略、稳定性和性能等，这对于确保控制器的正常运行和可靠性至关重要；第二测试流程的应用场景是虚拟控制器控制真实被控对象，第二测试流程主要用于控制器中软件算法功能的快速实时验证，这可以包括检查控制器中软件算法的准确性、稳定性和性能，有助于确保控制器中软件算法的正确性和可靠性，而无需实际硬件控制器。

需要说明的是，有关第一测试流程和第二测试流程的详细内容在下文会进行介绍，此处不再赘述。

本实施例提供第一测试流程和第二测试流程，这两种测试流程在不同的阶段和目的下使用，可确保控制系统的正常运行和软件算法的正确性。

S102、在未具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况模拟检测方法的控制模型的控制器。

需要说明的是，未具备所述工况模拟检测方法的液压元件可以理解为液压元件不存在或者液压元件不完备（缺失某一或者某一部分液压元件的情况）；具备所述工况模拟检测方法的控制器可以理解为一个集成所述工况模拟检测方法的控制模型（包括用于模拟液压元件性能的控制模型）的控制器，即控制器软件已经集成。

具体的，所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的若干仿真设备，确定所述若干仿真设备的参数。其中，仿真设备是用于模拟液压元件性能的设备或系统，它们由第一控制器控制，以模拟液压元件的行为，第一控制器为集成液压元件模拟检测方法的控制模型的控制器。

图2为本申请提供的液压元件模拟检测方法的第一测试流程图。请参照图2，具体实现时，第一测试流程可以包括：

（1）所述第一控制器发出数据采集的指令，通过数据采集模块采集被测液压元件的环境参数并将采集到的被测液压元件的环境参数返回给所述第一控制器；其中，所述数据采集模块与所述被测液压元件上的传感器相连。

需要说明的是，第一控制器发送指令给数据采集模块，以指示数据采集模块开始采集被测液压元件的环境参数信息，其中，这些指令可能包括采样频率、传感器选择和其他参数等。还需要说明的是，数据采集模块与液压元件上的传感器相连，以实时获取传感器的测量值，有关传感器的类型本实施例中不做限定，可根据实际需求选择，例如，一实施例中，这些传感器可能包括压力传感器、温度传感器、流量传感器等，用于监测液压元件的状态。

进一步的，当接收到所述指令后被测液压元件开始工作，被测液压元件的传感器返回环境参数信息给数据采集模块，具体的，传感器返回的环境参数信息可以包括液压元件的实时状态数据，例如压力值、流速、温度等。数据采集模块将收集到的来自传感器的环境参数信息发送给第一控制器，第一控制器接收到来自传感器的环境参数信息后进行数据处理，该数据处理可以包括数据分析和控制决策。

进一步的，第一控制器将处理后的决策信息发送给仿真设备，以使仿真设备能够模拟被测液压元件的行为。

（2）仿真设备中模拟有被测的液压元件，形成被测液压元件模型，在所述第一控制器接收到采集到的被测液压元件的环境参数后，所述第一控制器将根据该环境参数产生的决策信息发送给仿真设备，以控制所述被测液压元件模型工作。

需要说明的是，仿真设备中建立有被测液压元件模型，建立被测液压元件模型的目的是模拟被测液压元件的行为，例如，该行为可以包括其响应、性能和特性。其中，被测液压元件模型即为仿真模型。

具体的，第一控制器通过传感器获得的环境参数信息用于调整被测液压元件模型，这样，第一控制器根据实际观测到的数据，对被测液压元件模型进行参数调整，以使被测液压元件模型尽可能准确地模拟实际液压元件的行为。

这样，仿真设备在实时模拟中执行被测液压元件模型，以与实际液压元件相似的速度和响应时间运行被测液压元件模型，可对控制器的性能进行实时验证。

需要说明的是，第一控制器可调整参数，在不损坏设备的情况下，针对所述被测液压元件模型中物理上不存在的部分进行超出正常参数或所述被测液压元件能力范围的测试。

作为一种可选的实施例，所述方法还包括：基于所述第一控制器、所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备和实测环境参数对所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备上的被测液压元件模型进行迭代修正，直至所述被测液压元件模型输出的仿真环境参数与实测环境参数之差小于预设阈值，所述迭代修正至少包括基于所述第一控制器和所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备计算仿真环境参数，基于所述仿真环境参数和实测环境参数对所述被测液压元件模型进行迭代修正。本发明提供的方法能够脱离软件仿真的环境，通过在实时仿真机中构建被测液压元件的仿真模型，基于测试数据对仿真模型的准确性进行修正迭代，确保模型的准确性，综合融入了环境对工况模拟检测的影响，提高了模型的准确性和抗干扰性。

作为一种优选的实施例，所述迭代修正之后，还包括：修改迭代修正后的被测液压元件模型的第一参数至第一参数阈值，所述第一参数可以多个，此时每个第一参数都有一个对应的第一参数阈值，所述第一参数阈值大于第一参数的额定值，优选的，可以为超过额定值20%的参数值，在此不做具体限定；获取所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备的故障状态，基于所述故障状态和所述迭代修正后的被测液压元件模型计算剩余寿命，基于所述故障状态和所述剩余寿命预测关键冲击点，并评价故障程度，所述关键冲击点为液压元件中的一个点，且所述关键冲击点为受故障冲击最大的点，所述故障程度为当前故障的严重程度；所述第一控制器基于所述关键冲击点和所述故障程度，确定载荷控制策略，所述载荷控制策略减弱故障的增长趋势，保护被测液压元件。本发明提供的方法，能够不利用实际硬件设备对超出额定参数的极限工况进行仿真，从而测试控制器的控制算法是否能够在超过极限的情况下维持元件稳定，保护元件。一方面能够提供控制器的控制和保护能力，针对偶发性、严重性的故障仍然能够自动处理和保护元件；另一方面无需依赖和损坏硬件设备，降低了成本。

本实施例提供的流程，通过调整被测液压元件模型并在仿真设备上运行被测液压元件模型，可以在虚拟环境中测试控制器的性能，并根据实际数据进行调整，以确保控制器的准确性和可靠性，这种方法无需实现生产有对应的硬件，降低了评估和测试对硬件的依赖，降低了流程对评估和测试的局限性，有助于在实际硬件之前进行深入的性能评估和测试。

还需要说明的是，本实施例提供的仿真模型的建立流程，可以如下：

基于被测液压元件的待测工况，确定被测液压元件的关键结构。

根据所述关键结构和被测液压元件的流体、结构动力学与机构运动学特点，建立被测液压元件的流固耦合参数化模型，优选的，流固耦合参数化模型包括但不限于泄漏模型、摩擦力模型、流量模型、压力分布模型。

对所述流固耦合参数化模型进行状态解耦，将流固耦合参数化模型中的状态方程进行分离，以便对各个状态进行独立仿真和控制；对状态解耦后的模型进行降阶处理，获得仿真模型。

作为一种可选的实施例，模型的降阶采用机器学习算法实现，基于正常运行的仿真模型仿真结果，构建边界参数与仿真结果的数据集，数据集样本由输入、输出和系统状态组成，样本可以来自仿真结果或实验测试。基于数据集训练降阶回归模型，构建边界参数与输出结果的映射关系，对于需要快速闭环计算的结果，针对于输入的特定边界，通过降阶回归模型能够快速的匹配对应的估计仿真结果，提高仿真模型与物理系统的匹配实时性。

优选的，本发明提供的所述流固耦合参数化模型还与传感器建立低延迟交互的连接，以实现数据采集和控制。

本实施例提供的仿真模型可提升计算效率，实现与数据采集模块采集数据的低延迟交互。

（3）所述被测液压元件开始工作，在接收到所述第一控制器发出的数据采集指令后，数据采集模块将所述环境参数发送给所述第一控制器；在所述被测液压元件模型工作后仿真设备将其状态信息返回给所述第一控制器；所述仿真设备与所述第一控制器之间的物理数据通信形成闭环。

具体的，被测液压元件开始工作，此时，第一控制器发送指令给数据采集模块，以指示数据采集模块开始采集被测液压元件的环境参数信息，这些环境参数信息形成的数据传递给第一控制器，所述第一控制器在接收到环境参数后，第一控制器将根据该环境参数产生的决策信息并发送给仿真设备以调整被测液压元件模型，被测液压元件模型工作后仿真设备将其状态信息返回给第一控制器，仿真设备与第一控制器之间的物理数据循环传递，以进行实时验证和调整。

本实施例采用这种闭环的方式允许实际硬件和虚拟仿真之间的交互，以测试和验证控制器的性能，并进行实时调整，整个过程无需被测的液压元件有完整的硬件产品，降低了评估测试的成本，而且测试过程中完全脱离了仿真环境，提高了评估测试的精度，这有助于确保控制器在不同工作条件下的准确性和可靠性。

本实施例提供的第一测试流程具有显著的优势，在本实施例中，所述仿真设备与所述第一控制器之间的物理数据通信形成闭环，且在仿真模型建立过程中，针对完整模型进行状态解耦和模型降阶，降低仿真模型计算参数空间的维度，提升计算效率，实现与实物系统采集数据的低延迟交互。这样，通过增加持续验证和确认的速度和范围来降低成本；在整机未完成之前，可首先对控制单元软硬件进行实验室的测试，代替部分实际测试，缩短产品测试时间；在不损坏设备的情况下，进行超出正常参数或被控对象能力范围的测试；在实验中即可进行故障的模拟，验证控制器保护功能；通过不断尝试新想法来降低创新成本，即使在没有实际被控对象的情况下也能如此；将传统顺序的V模式转换为循环工作流程，以便在尽可能早的阶段对用户的控制器功能设计进行持续的验证和确认；与物理设备不同，实时仿真器可以随时轻松实现新的I/O扩展，应对不同的控制器测试时系统运行被控液压元件模型（模拟被控对象），受真实控制器的控制，以此对控制器进行测试。

请继续参照图2，液压试验台为实现第一测试流程需要具备以下模块：模型开发模块、虚拟控制器模块、数据实时采集模块、数据监控模块和数据通讯模块。

需要说明的是，液压系统试验台的模型开发模块通过实时仿真设备运行被测液压元件模型（模拟被控对象），受真实控制器的控制，用以精确地仿真测试系统中物理上并不存在的部分，以此对控制器进行测试。实时仿真设备提供硬件I/O通信、数据记录、激励生成和模型执行。I/O接口是与被测液压元件交互的模拟，数字和总线信号。激励生成用来产生激励信号，获取用于记录和分析的数据，并提供被测的电子控制单元(ECU)与模型仿真的虚拟环境之间的传感器/执行器交互。液压系统试验台是以上位机软件编写的应用软件作为人机界面，操作界面与实时处理器通信，提供测试指令和可视化。在大多数情况下，这个部件也提供配置管理、测试自动化、分析和报告任务。实时仿真设备与上位机集成构成了模型开发模块。

需要说明的是，液压系统试验台在第一测试流程环节中使用的真实控制器在本液压系统试验台中由控制器仿真机与上位机打包的虚拟控制器模块替代。

S103、在具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器。

需要说明的是，具备所述工况模拟检测方法的液压元件可以理解为存在完整的液压元件模拟检测方法所需的液压元件；不具备所述工况模拟检测方法的控制器可以理解为控制器软件未集成，即所述工况模拟检测方法的控制器是一个空白的控制器，其中不存在相关的软件算法功能。其中第二控制器的策略即为软件算法功能。

具体的，所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略。其中，第二控制器为原型控制器。

图3为本申请提供的液压元件模拟检测方法的第二测试流程图。请参照图3，具体实现时，第二测试流程可以包括：

（1）上位机控制所述第二控制器指示采集被测液压元件的环境参数并将采集到的被测液压元件的环境参数返回给所述上位机；

需要说明的是，上位机是第二测试流程中的主要控制单元，上位机运行试验管理软件，主要包括控制算法、模型仿真、PLC安全控制、采集控制的开发平台、人机交互界面、模块间数据通讯I/O端口定义以及云平台的数据发送端，满足了设备对数据采集、处理、实时显示、保存的要求。

上位机以仿真软件编写控制算法和实时仿真模型，并转化为编程语言运行在控制器仿真机和实时仿真设备中，以实现第一测试流程（HIL）和第二测试流程（RCP）测试环节。液压系统试验台的数据采集模块是以上位机软件编写的应用软件作为人机界面，使用OPCUA（Object Linking and Embedding for Process Control Unified Architecture，简称OPC UA）接口协议作为数据通讯模块，提供上位机、Matlab、Python等编程语言接口。上位机通过数据采集卡实现支持用户自定义程序对所有传感器数据，包括对液压系统压力、流量、温度、液位、阀门检测等信息的实时采集、监控、储存和数据分析处理。

具体的，上位机发送指令以控制第二控制器从数据采集模块获取数据，其中，第二控制器接收来自上位机的指令，负责与数据采集模块和被测液压元件进行通信；数据采集模块接收到来自上位机的数据采集指令后，与被测液压元件的传感器进行通信，并负责启动被测液压元件的工作，收集传感器返回的环境参数信息。被测液压元件包含传感器，用于监测其状态和性能，被测液压元件在接收到数据采集指令后开始工作，然后将环境参数信息通过传感器返回。

（2）所述上位机接收到所述环境参数并进行处理，将处理信息发送给所述第二控制器，以指示第二控制器控制真实液压元件工作。

上位机接收到从传感器返回的环境参数信息后，开始处理这些信息，其中，所述处理可以包括数据分析、报告生成和决策制定；上位机将处理后的信息发送给第二控制器，以指示第二控制器工作，第二控制器可能会根据接收到的信息执行特定的控制真实液压元件的操作或采取相应的措施。

具体实现时，上位机可调整策略，通过实时修改算法功能以控制所述第二控制器的功能。

需要说明的是，本实施例提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法通过交互界面能够对参数进行实时修改设置，在第二测试流程中能够实时修改控制算法参数，实现在线实时调试，实现算法策略的快速验证；另一方面，在第二控制器中的算法具有自适应调参功能，能够根据目标需求，实时的自适应调节部分系统参数，提升控制性能。

本申请提供的第二测试流程，可快速实时验证修改软件算法功能。

（3）在接收到所述上位机发出的指令后，所述被测液压元件开始工作并将其状态信息返回给所述上位机；在所述真实液压元件工作后，通过数据采集模块将真实液压元件的环境参数传递给上位机；所述真实液压元件与所述上位机之间的物理数据通信形成闭环。

需要说明的是，有关闭环的介绍请参见上文的描述，此处不再赘述。

本实施例提供的第二测试流程具有显著的优势，实时仿真设备调整校准参数或在真实系统中确认算法和校准参数，可快速实时验证修改软件算法功能，具体的，RCP平台可以帮助用户把用图形化高级语言编写的控制算法下载到原型控制器上，节省在嵌入式芯片上重新编写和实现算法过程的时间；通过现成的硬件IO进行闭环控制，也可以隔离开发过程中的软硬件问题；RCP系统提供的一些实用工具可以让用户很方便地在实际测试过程中进行快速的调试分析，让用户把精力放在核心的控制算法的实现和调试上。

请继续参照图3，液压试验台为实现快速控制原型阶段测试需具备以下模块：上位机模块、虚拟控制器模块、数据实时采集模块、数据监控模块和数据通讯模块、真实液压元件。

需要说明的是，在本液压系统试验台中选用Speedgoat Baseline Real-timeTarget Machine作为控制器仿真机。选用Speedgoat虚拟控制器的优势主要体现在，一是实时目标机小巧便携，适合现场调试；二是运行控制算法时，用户可以通过上位机实时修改算法中的控制参数；三是以传统仿真建模方式搭建算法后，调用MathWorks的HDL coder将Simuink模型生成VHDL/Verilog代码，然后综合映射到FPGA板卡，整个流程无需编写代码；三是使用简便的仿真建模代替了晦涩的硬件描述语言编程，使得FPGA算法开发回归到了我们熟悉的仿真建模。

需要说明的是，在所述第一测试流程中和第二测试流程中均完全脱离仿真环境。其中，第一测试流程执行过程中，通过将被测液压元件的仿真模型转化为C代码运行在仿真设备上，控制器的控制算法转化为C代码运行在目标控制器硬件上实现目标液压元件与仿真机之间的物理数据通信形成闭环，实时验证原型控制器功能；第二测试流程执行过程中，将控制器的仿真模型自动生成C代码下载到RCP控制器仿真设备上运行，与真实液压元件进行物理数据通信，形成闭环。

本实施例提供的液压元件模型在环工况模拟检测方法，包括第一测试流程和第二测试流程，在未具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况模拟检测方法的控制模型的控制器；在具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器。这样，第一测试流程采用真实控制器控制虚拟液压元件，用于控制器功能的实时验证，第二测试流程采用虚拟控制器控制真实被控对象，用于控制器中软件功能算法的快速实时验证，可达到与实物控制对象实时通信的目的。且在第一测试流程中，第一控制器可调整参数，在不损坏设备的情况下，针对所述被测液压元件模型中物理上不存在的部分进行超出正常参数或所述被测液压元件能力范围的测试，这样有助于在实际硬件之前进行深入的性能评估和测试；在第二测试流程中，实时仿真设备调整校准参数或在真实系统中确认算法和校准参数，可快速实时验证修改软件算法功能。同时，第一测试流程和第二测试流程都采用闭环的方式允许实际硬件和虚拟仿真之间的交互，以测试和验证控制器的性能，并进行实时调整，这有助于确保控制器在不同工作条件下的准确性和可靠性。

优选的，除了上述组成模块，液压系统试验台还具有电气控制系统，电气控制系统采用“PLC+显示屏+按钮”模式，可控制泵及各阀的启停、调压、急停等操作。

具体的，电气控制系统具备以下特点：

（1）运行特点：设有泵-电机组启、停按钮，完成泵组的运行，可实现液压试验台主泵组单独启停控制；设有循环泵启、停按钮，完成循环泵的运行，可实现液压试验台循环泵组单独启停控制；设有电源指示和急停按钮，可实现液压试验台电控制和电源运行指示，另外还设有急停按钮，在出现紧急故障或控制系统不能正常工作时，运行人员能够通过按急停按钮，切断整个液压试验台系统电源。

（2）安全特点：具有过载过流保护，并可设定保护电流，电气控制系统集成软启动器、热继电器、熔断器等电气保护元件，通过设定电流上限，确保电气控制系统的安全性；具有紧急卸荷功能，液压试验台控制阀组设有电磁卸荷阀，同时液压站控制柜和远程控制柜面板上设置有电磁卸荷按钮，用于控制液压站主泵压力油口的加载和卸荷；选用优质电气元件，液压站控制柜和远程控制柜内使用的电气元件采用国内外知名品牌，确保电气元件使用安全可靠；超载运行时设备自动停机，液压站控制阀组上设有压力传感器，通过数据采集模块实时将主泵压力油口压力传输至工控机进行监控，当压力超过设定值时，PLC控制器控制电磁卸荷阀泄压，同时切断电机电源，进入停机状态。

（3）环保特点：油温、压力、流量及报警，污染报警等，液压站油箱上面板设有油温传感器、液位传感器，控制阀组上设有压力传感器，回油过滤器上设有压差发讯器，管路系统设有流量传感器，数据采集模块可实时将上述传感器信息传输至工控机显示，并进行故障报警和污染报警。

（4）调节特点：配置压力、流量调节旋钮，调节系统压力、流量，液压站控制阀组设有比例压力阀和比例流量阀，通过上位机操作界面和PLC控制程序可对液压系统输出压力、流量进行调节。

具体的，有关电气系统参考原理图如图4、图5、图6和图7所示。

需要说明的是，液压系统试验台的电气控制是以上位机软件编写的应用软件作为人机界面，通过工控机向PLC发出调节参数设定和各种设备的运行指令，结合软启动器、固态继电器、一系列接触器、中间继电器等和各种控制量所需的传感器，用以完成所需控制功能。同时电气控制系统设有必要的安全保护措施，实现系统超压、超温、超液位的自动报警。

控制软件的操作界面设有液压站主泵、循环泵的启停控制按钮，比例压力阀控制按钮、比例流量阀控制按钮，电磁卸荷控制按钮等等，并显示其运行状态。通过比例压力阀控制旋钮，可实现系统输出压力稳定、连续可调，通过比例流量阀控制旋钮，可实现系统输出流量稳定、连续可调。

需要说明的是，比例阀的输出特性与输入电流成线性关系，通过控制旋钮可以对比例阀电磁铁的控制电流进行线性调节，从而对压力及流量进行连续调节。

控制软件的监控界面可实时显示整个系统的压力、流量、温度等参数，具备数据在线分析功能。并以曲线的形式动态实时显示各参数的变化过程，具备示波曲线的单独存储和数据离线分析功能，实时显示系统运行状态。

控制软件可对压力、流量、温度的校验系数进行查询、设置及修改。所有的压力、流量、温度等传感器的输出信号均选择标准电流、电压或脉冲信号，信号调理模块和数据采集模块的输入信号均选择标准的电压或电流信号。

控制软件设有报警界面，在其参数设定画面里可设置系统压力、温度、液压等报警阈值，系统压力过高时自动卸荷并同时报警，油温超过设定值时自动报警。控制软件设置了必要的安全保护装置和设施，通过声音、颜色和对话框等多种形式设置了相关参数报警功能，根据报警参数的严重程度级别，进行相应的处理措施，如油滤报警，应立即对油滤进行清洗或更换滤芯等，对于压力、温度、液位报警等，在软件中设置有相应的连锁功能，必要时应停机处理，避免超压、超温、超液位等危险。

需要说明的是，控制系统所有附件、传感器等部件均采用国内外知名品牌。

需要说明的是，数据通讯与数据监控模块中，OPC UA接口协议包含了 A&E, DA,OPC XML DA or HDA，只使用一个地址空间就能访问之前所有的对象，而且不受WINDOWS平台限制，具有极高的灵活性和安全性。OPC UA实质上是一种抽象的框架，是一个多层架构，其中的每一层完全是从其相邻层抽象而来。这些层定义了线路上的各种通信协议，能够安全地编码/解码包含有数据、数据类型定义等内容的讯息。OPC UA是数据通讯模块的核心，将作为一个转换工具通过使用上位机或Python编程连接系统中所有模块,包括从诸如传感器，执行器和电机等真实的现场设备一直到监控和数据采集、制造执行系统以及云计算等。本液压系统中OPC UA建立了从传感器、真实系统等实体设备到仿真模型与控制算法间的数据交换通道。在基于使用上位机控制的数据采集卡的数据采集模块通过OPC UA建立通讯后，可以对数据采集模块传回的参数进行显示和控制，对数据进行采集并存储到数据库。

具体的，OPC UA较工业以太网协议具有显著的优势：

（1）功能方面支持更多新的功能如网络发现，可自动查询本PC机中与当前网络中可用的OPC Server；地址空间优化，所有的数据都可以分级结构定义，使得OPC Client不仅能够读取并利用简单数据，也能访问复杂的结构体；互访认证，所有的读写数据/消息行为，都必须有访问许可；数据订阅，针对OPC Client不同的配置与标准，提供数据/消息的监控，以及数值变化时的变化报告；方案(Methods)功能，OPC UA中定义了通过在OPCServer中定义方案（Methods），来让OPC client执行特定的程序;

（2）平台支持方面，由于不再基于COM/DCOM技术，OPC UA标准提供了更多的可支持的硬件或软件平台。

（3）安全性方面，最大的变化是OPC UA可以通过任何单一端口（经管理员开放后）进行通信，这使得OPC通信不再会由于防火墙受到大量的限制。

需要说明的是，UaExpert软件作为数据监控模块的核心，是作为通用的OPC UA测试客户端开发的，支持OPC UA功能，如DataAccess、警报和条件、历史访问和OPC UA方法的调用。它以C++编程，用作独立于平台的OPC UA参考客户端。UaExpert的基本系统包括基本功能，例如证书机制，查找OPC UA服务器的发现服务，建立连接，浏览信息模型，读取OPC UA节点的属性和引用。项目视图（如上）显示了UaExpert已建立连接的OPC UA服务器（带有相应的文档插件）。OPC UA服务器的信息模型在地址空间视图中以树状结构显示。

其中，上位机的显示屏作为人机界面，配有软件进行数据分析处理，控制软件开机后直接进入用户使用界面，使用界面主要包括操作界面、监控画面、报警画面以及采集数据的历史报表，数据的曲线分析等。

优选的，数据采集卡使用上位机控制，包括CRio机箱、控制器和功率放大器，可以收集压力、流量、油温、位移、电控阀电信号等运行信息的数据。控制器可以满足系统的实时性，保证算法的实施。通过采集卡采集的实时运行数据可以Excel表格或TXT文档形式进行保存，可通过U盘上传，方便对历史数据进行查询和调用，方便输出试验数据、生成试验报告及试验结果判定。

需要说明的是，通过数据对元件的控制性能、稳态特性、动态特性进行评估与分析，同时通过对时序特征的退化状态评估，能够对元件全生命周期的退化特性进行分析，建立元件的可靠性评估曲线与剩余寿命预测曲线。数据分析的结果能够实现对控制策略最优解的输出以及对元件健康度进行评价。

具体的，获得结果的步骤可以如下：

（1）配置多传感器数据采集系统，包括对压力、流量、振动、温度、噪声等进行数据采集，并通过采集卡将采集数据传递至上位机数据处理单元。

（2）数据处理单元根据信号对象的类型，采用不同的数据分析算法进行特征分析，得到液压元件的性能指标。

（3）持续进行试验直至元件发生性能退化，对全过程的数据进行回归分析，采用回归模型得到液压元件的寿命预测曲线，并对其故障失效点进行预测。优选的，云平台模块通过各种无线或有线的通信网络实现通信，请参照图8，通常通过物联网平台进行数据汇聚，使用边缘计算网关对数据硬件进行数据收集，属于计算和数据存储处理兼顾的综合云平台。云平台可以使用公有云或自建云。云平台模块使用Python控制，是基于MQTT协议开发的。MQTT协议基于TCP/IP协议和“客户端-服务器”的消息发布/订阅传输协议，这种“发布/订阅消息模式”提供了一对多的消息分发机制，具体的信息传递模式如图8所示。云平台模块中的DatenHub，提供了数据存储，与数据的统一和交付。DatenHub将孤岛整合到一个统一的界面中，用于存储所有数据。统一数据意味着同一数据可以同时由多个应用程序使用，并且具有完整的数据完整性。交付数据意味着每个应用程序都具有所需的数据访问的全部性能。数据中心打破了传统基础架构的障碍，在这些基础架构中，应用程序获得了自己的孤岛和复制的数据集。使用DatenHub可以满足并提供高速、高吞吐量、高性能的数据管道确保所有数据的透明度和可访问性，同时提供统一的数据存储管理界面。传统试验台的运行状态判断处理需要在试验台完成一整个测试周期后通过分析处理储存的测试数据进行判断，使用传统的测试方法判断是否满足测试要求耗时耗力。添加了云平台模块后，试验台采集到的运行数据可以实时传输到云，云端实时处理采集数据发送到终端，终端如手机、主机可通过app或软件通过实时监控试验台运行状态，及时作出判断，试验台的运行状态是否满足测试要求，是否需要立即暂停试验重新调整参数等。

与前述一种液压元件模拟检测方法的实施例相对应，本申请还提供了一种液压元件模拟检测系统，所述液压元件模拟检测系统，至少包括：上位机模块、数据通讯模块、模型开发模块、虚拟控制器模块、数据实时采集模块；

所述上位机模块实现液压系统试验台的功能控制、运行信息的显示、故障报警等；建立第一测试流程环节中的被测液压元件模型；编写和实时修改第二测试流程环节中虚拟控制器的控制算法；并与模型开发模块、数据实时采集模块、虚拟控制器模块进行数据通讯，完成控制指令和采集数据的传输；

所述数据实时采集模块至少包括多个传感器，对试验台实时运行数据进行采集，以及比例流量阀、比例压力阀的驱动控制；

所述模型开发模块用于建立了第一测试流程环节所需的被测液压元件实时仿真模型；

所述虚拟控制器模块用于运行和实时修改控制算法。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种液压元件模型在环工况模拟检测方法，其特征在于，所述方法包括：

所述工况模拟检测方法包括第一测试流程和第二测试流程；

在未具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第一测试流程；所述第一测试流程包括：基于第一控制器，控制未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备，确定所述仿真设备的参数；所述第一控制器为集成所述工况模拟检测方法的控制模型的控制器；

其中，所述第一测试流程的具体实现过程包括：

所述第一控制器发出数据采集的指令，通过数据采集模块采集被测液压元件的环境参数并将采集到的被测液压元件的环境参数返回给所述第一控制器；其中，所述数据采集模块与所述被测液压元件上的传感器相连；

仿真设备中模拟有被测的液压元件，形成被测液压元件模型，在所述第一控制器接收到采集到的被测液压元件的环境参数后，所述第一控制器将根据该环境参数产生的决策信息发送给仿真设备，以控制所述被测液压元件模型工作；

所述被测液压元件开始工作，在接收到所述第一控制器发出的数据采集指令后，数据采集模块将所述环境参数发送给所述第一控制器；在所述被测液压元件模型工作后仿真设备将其状态信息返回给所述第一控制器；所述仿真设备与所述第一控制器之间的物理数据通信形成闭环；

在具备所述工况模拟检测方法的液压元件，且不具备所述工况模拟检测方法的控制器时，采用第二测试流程；所述第二测试流程包括：基于第二控制器，控制所述工况模拟检测方法的液压元件，确定所述第二控制器的策略；所述第二控制器为原型控制器；

其中，所述第二测试流程的具体实现过程包括：

上位机控制所述第二控制器指示采集被测液压元件的环境参数并将采集到的被测液压元件的环境参数返回给所述上位机；

所述上位机接收到所述环境参数并进行处理，将处理信息发送给所述第二控制器，以指示第二控制器控制真实液压元件工作；

在接收到所述上位机发出的指令后，所述被测液压元件开始工作并将其状态信息返回给所述上位机；在所述真实液压元件工作后，通过数据采集模块将真实液压元件的环境参数传递给上位机；所述真实液压元件与所述上位机之间的物理数据通信形成闭环。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一控制器调整参数，在不损坏设备的情况下，针对所述被测液压元件模型中物理上不存在的部分进行超出正常参数或所述被测液压元件能力范围的测试。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上位机调整策略，通过实时修改算法功能以控制所述第二控制器的功能。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述第一控制器、所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备和实测环境参数对所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备上的被测液压元件模型进行迭代修正，直至所述被测液压元件模型输出的仿真环境参数与实测环境参数之差小于预设阈值；

其中，所述迭代修正至少包括基于所述第一控制器和所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备计算仿真环境参数，基于所述仿真环境参数和实测环境参数对所述被测液压元件模型进行迭代修正。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述迭代修正之后，所述方法还包括：

修改迭代修正后的被测液压元件模型的第一参数至第一参数阈值，所述第一参数阈值大于第一参数的额定值；

获取所述未具备的所述工况模拟检测方法的液压元件的仿真设备的故障状态；

基于所述故障状态和所述迭代修正后的被测液压元件模型计算剩余寿命；

基于所述故障状态和所述剩余寿命预测关键冲击点，并评价故障程度；

所述第一控制器基于所述关键冲击点和所述故障程度，确定载荷控制策略。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第一测试流程中，建立未具备工况模拟检测方法的液压元件的仿真模型；

其中，所述建立未具备工况模拟检测方法的液压元件的仿真模型具体包括：

基于被测液压元件的待测工况，确定被测液压元件的关键结构；

对流固耦合参数化模型进行状态解耦，将流固耦合参数化模型中的状态方程进行分离；

对状态解耦后的模型进行降阶处理，获得仿真模型。

7.一种液压元件模型在环工况模拟检测系统，其特征在于，所述液压元件模型在环工况模拟检测系统用于执行权利要求1-6中任一项的液压元件模型在环工况模拟检测方法，所述液压元件模型在环工况模拟检测系统至少包括：上位机模块、数据通讯模块、模型开发模块、虚拟控制器模块、数据实时采集模块；

所述上位机模块实现液压系统试验台的功能控制、运行信息的显示、故障报警；建立第一测试流程环节中的被测液压元件模型；编写和实时修改第二测试流程环节中虚拟控制器的控制算法；并与模型开发模块、数据实时采集模块、虚拟控制器模块进行数据通讯，完成控制指令和采集数据的传输；

所述数据实时采集模块至少包括多个传感器，对试验台实时运行数据进行采集，以及比例流量阀、比例压力阀的驱动控制；

所述模型开发模块用于建立了第一测试流程环节所需的被测液压元件实时仿真模型；

所述虚拟控制器模块用于建立第二测试流程环境所需的控制器，并运行和实时修改控制算法。