專利名稱：基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法
基于Model ica語言的電液伺服閥仿真建模方法本發(fā)明涉及電液伺服閥仿真系統(tǒng)技術領域，具體地說是一種基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法。在實際的生產(chǎn)實踐中，混凝土泵送車與汽車式起重機等工程機械需要實現(xiàn)一定的控制精度及動態(tài)性能，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)缺少對液壓執(zhí)行元件的過程控制，因而無法實現(xiàn)較高的控制精度與優(yōu)秀的動態(tài)性能。因此，在現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)中引入可以實現(xiàn)過程控制的電液元件來實現(xiàn)較高控制精度與較好動態(tài)性能是十分必要的。使用實現(xiàn)過程控制的電液元件，即電液伺服元件的控制方法稱為電液伺服控制，作為伺服控制的一個分支，其可以出色地滿足工程機械領域對控制精度與動態(tài)性能的要求。伺服系統(tǒng)，即輸出能以一定精度自動、快速、準確地復現(xiàn)輸入變化規(guī)律的自動控制系統(tǒng)；電液伺服控制系統(tǒng)即采用電液控制元件以及液壓執(zhí)行元件所組成的伺服系統(tǒng)。電液伺服閥作為將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分聯(lián)系起來的接口元件，能夠將輸入的微小電氣信號轉換為大功率的液壓信號輸出，進而對液壓執(zhí)行元件實現(xiàn)控制，是電液伺服控制系統(tǒng)的重要組成部分。在混凝土泵送車與汽車式起重機的系統(tǒng)搭建中，液壓系統(tǒng)占據(jù)了很大部分。但 Modelica語言的商業(yè)液壓系統(tǒng)庫Hylib中，并沒有對伺服閥這一重要元件進行建模，而且對于方向伺服控制閥，也回避了電液伺服閥電、磁、機、液、控多領域耦合的特點，僅使用了信號流控制的簡單模型。這首先不利于復雜液壓系統(tǒng)的建模設計，其次沒有突出Modelica 多領域建模語言在處理多領域耦合問題的優(yōu)越性。因而，對于電液伺服閥這一電、磁、機、 液、控多領域耦合的元件的Modelica建模的研究，有助于Modelica液壓控制庫的擴展與工程機械庫的充實，進而實現(xiàn)對工程機械液壓控制系統(tǒng)的高精度仿真與優(yōu)化建模設計。早期的伺服閥建模是利用聯(lián)立方程組的方式進行建模的。隨著控制理論的發(fā)展， 出現(xiàn)了使用控制框圖與信號流進行因果建模的分析手段，如附

圖1，該手段成為了研究電液伺服閥的建模與控制的通常方法，該方法在Herbert Ε. Merritt的《Hydraulic Control Systems)) 一書及田源道先生在《雙噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥的數(shù)字仿真及CAD設計程序》中均有所闡述。該方法是一種非常成熟的建模方法。但是，使用因果性控制框圖建模方法存在著一定的不足，例如不能從底層元件出發(fā)反映電液伺服閥的工作原理與數(shù)學模型，在框圖建立時需要考慮各物理量的計算因果性，不易于修改及更換元件，基本元件在不同電液伺服閥的建模中無法重用，伺服閥的控制框圖模型不易于代入整體的液壓伺服系統(tǒng)進行分析等。因此傳統(tǒng)的電液伺服閥存在如下缺陷分析手段不能從底層元件出發(fā)反映電液伺服閥的工作原理與數(shù)學模型，在框圖建立時需要考慮各物理量的計算因果性，不易于修改及更換元件，基本元件在不同電液伺服閥的建模中無法重用，伺服閥的控制框圖模型不易于代入整體的液壓伺服系統(tǒng)進行分析。[發(fā)明內(nèi)容]本發(fā)明的目的就是要解決上述的不足而提供一種基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法，具有面向對象性、非因果性以及多領域性，對現(xiàn)有的電液伺服閥分析手段進行了整合與革新。為實現(xiàn)上述目的設計一種基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法，其包括如下步驟1)系統(tǒng)拆解首先將電液伺服閥系統(tǒng)進行分解，得到子系統(tǒng)，進而對得到的子系統(tǒng)進行分解，得到元件；2)元件級建模針對分解得到的基本元件進行建模分析，搭建電場、磁場、機械、 液壓與控制領域的不包含在Modelica基本庫、Magnetic庫與Hylib庫中的基本元件，所述電場、磁場、機械、液壓與控制領域之間由搭建的接口元件相關聯(lián)；3)子系統(tǒng)級建模利用元件級建模得到的元件，以及Modelica基本庫、Magnetic 庫、液壓系統(tǒng)庫Hylib中的元件，對電液伺服閥的子系統(tǒng)進行搭建；4)系統(tǒng)級建模利用子系統(tǒng)級建模得到的子系統(tǒng)搭建完整的電液伺服閥系統(tǒng)；5)仿真控制將完成建模的電液伺服閥模型設定仿真參數(shù)、步長與時間進行編譯仿真；6)最后，仿真結果演示。所述子系統(tǒng)包括力矩馬達、噴嘴擋板放大器、閥芯、反饋桿與閥體。所述力矩馬達子系統(tǒng)分解為定子子系統(tǒng)、銜鐵子系統(tǒng)。所述接口元件包括Modelica基礎庫、Magnetic庫與Hylib庫中接口元件、元件級建模中開發(fā)的平動轉動接口、氣隙、噴嘴與正負閥開口元件。本發(fā)明有益效果利用Modelica語言的多領域性、非因果性與面向對象性，進行二次開發(fā)，得到的電液伺服閥仿真模型可以如實地反映電液伺服閥的工作情況與特性，并且可以將其代入電液伺服系統(tǒng)進行進一步的系統(tǒng)分析與設計，可以為伺服研究及工作人員提供出色的分析工具與分析手段。
圖1是傳統(tǒng)的電液伺服閥分析方法示意圖
圖2是本發(fā)明的結構框圖示意圖3是本發(fā)明的分析過程示意圖4是平動轉動接口元件示意圖5是氣隙元件示意圖6是噴嘴元件示意圖7是正負閥開口元件示意圖8是定子子系統(tǒng)示意圖9是銜鐵子系統(tǒng)示意圖10是噴嘴擋板放大器子系統(tǒng)示意圖11是閥芯子系統(tǒng)示意圖12是反饋桿子系統(tǒng)示意圖；圖13是閥體子系統(tǒng)示意圖；圖14是電液伺服閥系統(tǒng)示意圖；圖15是建模得到的電液伺服閥應用在電液伺服系統(tǒng)設計中的示意圖。圖16是電液伺服閥系統(tǒng)的響應曲線示意圖。下面結合附圖對本發(fā)明作以下進一步說明如附圖1所示，為傳統(tǒng)的電液伺服閥分析方法，該使用框圖的分析方法無法如實反映電液伺服閥的結構特點，參數(shù)修改不便，且不易代入伺服系統(tǒng)進行整體的設計與分析。如附圖2、圖3所示，附圖2為本發(fā)明的基本分析原理，針對Modelica語言的面向對象性，對系統(tǒng)進行有針對性的分解，使用建模完成的元件進行系統(tǒng)搭建。附圖3為本發(fā)明的分析過程，將完成建模的電液伺服閥模型設定仿真參數(shù)、步長與時間進行編譯仿真，進而得到2D曲線與3D動畫，從而為工程應用提供參考。本發(fā)明基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模步驟包括系統(tǒng)拆解、元件級建模、子系統(tǒng)級建模和系統(tǒng)級建模。其基本分析原理包括自上而下的系統(tǒng)分解與自下而上的系統(tǒng)搭建。首先將電液伺服閥系統(tǒng)進行分解，得到若干子系統(tǒng)；進而對得到的子系統(tǒng)進行分解，得到不同領域的元件。針對分解得到的基本元件進行建模分析之后，使用其搭建成電液伺服閥子系統(tǒng)，進而使用搭建得到的子系統(tǒng)組建完整的電液伺服閥系統(tǒng)。對于電液伺服閥系統(tǒng)而言，可以分為力矩馬達、噴嘴擋板放大器、閥芯、反饋桿與閥體等子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內(nèi)部可以分解出電場、磁場、機械、液壓與控制等領域的基本元件。對于元件級建模，Modelica基本庫與其他商業(yè)或非商業(yè)庫提供了一些可以直接使用的基本元件，對于電液伺服閥的特殊性，其他不包含在Modelica基本庫及商業(yè)庫或非商業(yè)庫中的元件，可以通過自行開發(fā)得到。針對電場、磁場、機械、液壓與控制等領域的基本元件，本發(fā)明使用Modelica基本庫、Magnetic庫與液壓系統(tǒng)庫Hylib三個庫中的電場、磁場、機械、液壓與控制領域基本元件，同時針對電液伺服閥的多領域特性自行開發(fā)元件。對于多領域建模，其關鍵問題在于多領域之間的接口元件，針對電液伺服閥的特性及領域之間的轉換關系，編寫了平動轉動接口、氣隙、噴嘴與正負閥開口元件(如附圖4-圖7)。利用元件級建模得到的元件與Modelica基本庫、Magnetic庫與液壓系統(tǒng)庫Hylib 中的元件，對電液伺服閥的力矩馬達、噴嘴擋板放大器、閥芯、反饋桿與閥體進行系統(tǒng)搭建， 其中為了分析方便，將力矩馬達子系統(tǒng)分解為定子與銜鐵兩個子系統(tǒng)(如附圖8-圖13)。如附圖4所示，為平動轉動接口元件。Modelica基本庫中的機械運動包中包含有計算空間問題的多體庫，直線運動的平動庫以及轉動問題的轉動庫。在液壓伺服閥的建模過程中，由于液壓伺服閥是一個平面運動模型，使用多體庫進行建模計算量偏大，所以使用平動庫與轉動庫進行建模，并編寫一個平動庫與轉動庫之間的轉換接口可以降低計算復雜度，減少模型的不確定性。其基本方程為s = 1 I θτ = 1 If式中
錯誤！未找到引用源。平動接口位移錯誤！未找到引用源。平動接口力錯誤！未找到引用源。轉動接口轉角錯誤！未找到引用源。轉動接口力矩錯誤！未找到引用源。力臂長度如附圖5所示，氣隙元件是連接磁場與機械場的接口元件，通過其磁通量的變化， 可以導致氣隙長度的變化。其基本方程為
權利要求
1.一種基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法，其特征在于，包括如下步驟1)系統(tǒng)拆解首先將電液伺服閥系統(tǒng)進行分解，得到子系統(tǒng)，進而對得到的子系統(tǒng)進行分解，得到元件；2)元件級建模針對分解得到的基本元件進行建模分析，搭建電場、磁場、機械、液壓與控制領域的不包含在Modelica基本庫、Magnetic庫與Hylib庫中的基本元件，所述電場、 磁場、機械、液壓與控制領域之間由搭建的接口元件相關聯(lián)；3)子系統(tǒng)級建模利用元件級建模得到的元件，以及Modelica基本庫、Magnetic庫、液壓系統(tǒng)庫Hylib中的元件，對電液伺服閥的子系統(tǒng)進行搭建；4)系統(tǒng)級建模利用子系統(tǒng)級建模得到的子系統(tǒng)搭建完整的電液伺服閥系統(tǒng)；5)仿真控制將完成建模的電液伺服閥模型設定仿真參數(shù)、步長與時間進行編譯仿真；6)最后，仿真結果演示。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述子系統(tǒng)包括力矩馬達、噴嘴擋板放大器、閥芯、反饋桿與閥體。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述力矩馬達子系統(tǒng)分解為定子子系統(tǒng)、銜鐵子系統(tǒng)。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述接口元件包括Modelica基礎庫、 Magnetic庫與Hylib庫中接口元件、元件級建模中開發(fā)的平動轉動接口、氣隙、噴嘴與正負閥開口元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及電液伺服閥仿真系統(tǒng)技術領域，具體地說是一種基于Modelica語言的電液伺服閥仿真建模方法，其包括如下步驟1)系統(tǒng)拆解；2)元件級建模；3)子系統(tǒng)級建模；4)系統(tǒng)級建模；5)仿真控制；6)仿真結果演示；本發(fā)明利用Modelica語言的多領域性、非因果性與面向對象性，進行二次開發(fā)，得到的電液伺服閥仿真模型可以如實地反映電液伺服閥的工作情況與特性，并且可以將其代入電液伺服系統(tǒng)進行進一步的系統(tǒng)分析與設計，可以為伺服研究及工作人員提供出色的分析工具與分析手段。
文檔編號G06F17/50GK102521461SQ20111043069
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者仲作陽, 劉興星, 孟光, 明媚, 李明, 荊建平 申請人:孟光, 李明, 荊建平