基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法

專利名稱：基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種計算機仿真領域，特別是涉及液壓、機械、控制、電子等多領域的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法。
背景技術：
在混凝土泵車臂架涉及領域，計算機仿真可以發揮投資少見效快的特點，以較少的投資快速地獲得幾種不同的設計方案。它的設計往往是非線性的和互相依賴的。這就要求在建模仿真過程中對泵車臂架系統全面考慮，盡可能地建立完整、完善的模型。沈陽大學的張國忠教授在《混凝土泵車臂架布料機構及其運動學仿真方法的研究》一文中介紹了其開發的混凝土泵車總體設計CPCWD軟件系統，該系統是基于windows平臺，利用visual kisic和Microsoft Access 97開發的模塊化結構，提供了有限元、穩定性、仿真系統等模塊。作者提供了模塊化的建模思想，構建了不同模塊，可以對泵車臂架進行不同方面的仿真，但是開發這類復雜系統對開發人員要求非常高，開發人員不僅要有扎實的編程能力，還要對物理抽象出來的數學模型設計求解算法，算法對模型仿真效率至關重要。也就不利于用戶很好的掌握和使用。Multi-Domain Simulation- Mechanics and Hydraulics of an Excavator 籌模擬挖掘機的機械學和液壓學)一文中，提出了基于Modelica/dymola對挖掘機系統進行仿真建模，這個模型包含了廂體三維機構的完整模型，包含運動臂、斗桿、鏟斗以及液壓模型，Modelica語言很好的解決了多體系統、液壓系統的兼容問題，很好的評估了不同液壓回路，并且借助于Dymola仿真特性，使用戶有可能在幾乎真實的情況下觀察運動，為構建混凝土泵車臂架系統提供了值得借鑒的地方。然而模型是通過一系列運動方程進行控制， 模型搭建過于復雜，不能形象、直觀的表示挖掘機系統，對于用戶來說很難使用，學習。由于Modelica語言的在多領域系統建模的優勢非常明顯，他能很好的融合泵車臂架系統中的液壓、機械、控制，同時模塊化建模，同時Modelica語言具有強大的數學求解能力，對非線性方程組不需開發人員進行任何變換，大大提高了建模效率。

發明內容
本發明針對上述現有技術中存在的不足，提供一種基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法，具有模塊化、層次化、規范化和參數化，仿真模型互操作性和重用性強。為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下
一種基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法，首先，對真實混凝土泵車臂架物理系統按照混凝土泵車臂架總體一臂架各功能子系統一臂架部件的順序拆解為部件模塊；其次，按照部件模塊庫一功能子系統模塊庫一系統模塊庫的順序，使用 Modelica語言編制的程序或封裝接口，對泵車臂架各部件、各功能子系統、系統進行建模;為了有利于重復使用模型，所述各模塊采用參數化建模，構建參數化接口，通過接口之間參數，傳遞物理、數學方程；為保證模型庫內部的兼容，同一模型庫采用共用的接口，不同模型庫之間通過包含有不同模型庫共有接口的元件進行連接；為了以圖標方式來替代泵車臂架部件的實際物理模型，以使在操作平臺窗口中可以對這些圖標進行拖拽、移動、連接、以及參數設置和添加，對所述構建的模型進行封裝；最后，通過軟件對所構建的模型進行仿真控制，并將仿真結果進行演示。所述泵車臂架總體按照功能拆解為以下子系統機械臂架、液壓、控制、傳感器以及支反力。所述機械臂架子系統按照結構可拆解為以下部件轉臺、首節臂架、中間臂架、末端臂架。所述液壓子系統按照功能可拆解為以下部件液壓泵、馬達、換向閥、節流閥、伺服閥。所述控制子系統按照功能可拆解為以下部件控制信號元件和邏輯元件。所述傳感器子系統按照功能可拆解為距離傳感器和位置傳感器。在所述部件建模中，可利用Modelica語言提供的基本元件庫的接口來構建具有相同物理學背景的同一類部件的接口，接口分為輸入接口和輸出接口，接口保證部件之間的參數傳遞，前一部件的輸出接口和后一部件的輸入接口連接；不同類部件之間的傳遞需具有相同的接口。所述系統模型根據其折疊方式的不同可構建為R型臂架系統模型和Z型臂架系統模型。所述仿真控制包括算法設置、控制時間設置、參數設置；所述仿真結果包括3D動畫演示和曲線演示。所述仿真系統可以在MWork或dymola操作平臺上使用。本發明所提供的設計方法，根據真實臂架系統進行系統級拆解，構建一系列物理系統模型，包含臂架系統、液壓系統、控制系統、傳感器系統等。臂架系統包括了泵車轉臺系統、首節臂架、中間臂架和末節臂架；液壓系統涵蓋了工程機械使用的一系列通用液壓閥， 控制系統設計一套完善的比例微分控制系統，傳感器系統包含測量轉角、距離等一系列部件。同時該發明可以和Modelica語言提供的多體機械庫、旋轉機械庫以及信號庫等無縫連接使用。不僅可以在蘇州同元開發軟控公司的MWorks平臺上使用，還可以在支持Modelica 語言規范的瑞典的dymola平臺使用，本發明的軟件庫可以對不同型號泵車臂架系統進行動力學仿真，用戶可以通過該仿真系統可以獲知臂架舉升過程中的運動，振動、沖擊、以及液壓負載等一系列動態特性，為泵車設計者提供參考數據和技術支持。同時本發明采用開放式建模方式，用戶在使用過程中可以根據自身的需求對該軟件庫進行擴充。本發明突破以往構建混凝土泵車臂架模型的局限，在以往泵車臂架模型構建上， 要么通過面向過程構建泵車臂架系統，模型重用性差，工作量大。要么是模型只涉及單一領域如只含機構，很難正確表達泵車的復雜油路和機構運動相互影響的非線性關系。使得仿真結果偏離實際數據。而依據Modelica語言面向對象以及適合復雜系統多領域建模的特點構建的混凝土泵車臂架模型庫，把臂架系統級模型與部件模型，乃至元件級模型集成為一個整體研究，可以對臂架內部更加復雜的過程進行仿真分析。克服上述兩個缺點，實現了計算機仿真對設計的數據支持。


圖1是本發明結構框圖2是本發明系統構建流程圖； 圖3是本發明部件庫的建模流程圖； 圖4是本發明系統模型庫結構框圖； 圖5是本發明系統的仿真流程圖。
具體實施例方式圖1是本發明系統結構框圖，首先是真實泵車臂架物理系統，在拆解后構建的各部分模型庫，主要是機械臂桿、控制、液壓、傳感器模型庫，通過這些模型庫搭建的兩個系統級模型庫，這兩個模型庫不同之處在于泵車臂架折疊方式的不同，分別是R型折疊方式和Z 型折疊方式。R型折疊方式復雜，占用空間小，Z型折疊方式簡單，但占用空間大，前者多用于多臂架系統，后者多用臂架較少系統。系統級模型搭建完成后是仿真控制，仿真控制主要是包括算法設置、控制時間設置，參數設置等。最后是仿真結果，仿真結果部分通過3D動畫演示以及曲線演示。在系統拆解過程中可根據泵車的以下臂架的以下特點進行拆解1)泵車臂架布料桿。通常泵車臂架為三節臂、四節臂、五節臂、六節臂，從第一節臂至末節臂，臂桿的橫截面積一次減少，泵車的第一節臂連接可以在水平面內回轉的轉臺，轉臺最終固定在汽車地盤上，而其他臂架之間的連接如第二節臂架和第三節臂架的連接，通常為增大舉升力矩以及利于臂架的折疊，采用四連桿機構與液壓缸連接，所以在拆解過程中首先可將泵車臂架拆解為第一節臂與其他節臂。2)液壓部分，液壓系統提供了泵車臂架運動的動力，在工程機械中液壓系統是最重要的一環，液壓系統決定著泵車臂架的最大舉升高度，混凝土的輸送功率等。液壓系統中根據實際物理系統進行拆分，分成液壓泵、液壓馬達、液壓缸、換向閥、節流閥等一系列有獨立功能的元件。3)泵車臂架的控制系統，泵車臂架的控制系統控制泵車臂架的舉升高度，舉升速度，臂架的收回，液壓閥門開啟的大小等，所以將其分解為控制信號元件，邏輯元件，控制信號元件主要是提供泵車開啟、關閉、閥口開啟大小等的原始信號， 邏輯元件作用是將這些信號進行數學處理，如將開啟、關閉這類脈沖信號處理為斜坡信號， 這樣可以減少系統的沖擊，同時泵車臂架控制系統存在著一套基本的控制原理比例微分控制原理(PD控制)，通過上述邏輯元件和信號元件共同實現。4)傳感器部分，臂架舉升位置通過預先給定目標位置，目標位置實現是通過傳感器部分提供數據測量，并將這些輸出反饋給控制系統，修正位置，使之準確達到預定位置，同時傳感器提供臂桿舉升時相對轉角的測量，將測量數據反饋到PD控制系統之后，便可以保證臂架之間轉角按照給定目標轉角或目標轉角速度運動。將這些模塊按一定的規則，組織成具有相對獨立性的部件模型庫，并通過模型簡化構造模型庫。圖2是本發明系統構建流程圖。首先，依照模塊化建模的原理及對象的實際物理過程，依據上述的系統級需求一子系統級需求一部件級需求的順序，對泵車臂架系統進行模塊化分解，分解成由部件組合的系統；根據子系統或部件的典型特征和相應的物理定律，建立數學模型，使用Modelica語言，在已有的模塊基礎上繼承或者編制新的程序或封裝接口 ；有了部件模塊，按照部件模塊庫一子系統模塊庫一系統模塊庫的順序，組建完整的模塊庫；有了模塊庫，就可以利用部件模塊組合成所需要研究的對象——泵車臂架模型。模塊庫中的模塊可以根據需要進行定制，而且在通常情況下只需要了解模塊的接口就可以使用模塊，不需要了解模塊的實現。接下來就是要利用已有的模塊，組建整個對象的模型，進行仿真計算。根據所需要研究的泵車類型的不同，如三節臂，四節臂，五節臂，不同的折疊方式等。用戶或者可以直接使用已有的模塊模型，或者在繼承原有模型的基礎上進一步擴展。然后在這些模塊組合的基礎上，建立泵車臂架的完整模型，并設定模型中各個部件的參數和參數的初始值，這樣最終就獲得了一個根據用戶需要建立的新的泵車臂架完整仿真模型。系統建模，是通過使用部件中相應的“虛”模型(即部件圖標)代替在泵車臂架部件模型架構中建立的泵車臂架部件的實際模型；通過平臺的圖形化界面功能窗口管理，拖放、移動“虛”模型圖標，接口連接以及添加參數、方程組等構建。圖3是本發明部件庫的建模流程圖，對拆解后的模塊首先是進行數學建模，然后數學模型進行面向對象的程序化建模，在建模過程中可以充分利用Modelica語言提供的基本元件庫，如基本元件庫的接口等，在建模過程中采用參數化建模，參數化建模的優點就是直觀、明了，重用性強，對構建好的模型進行檢查，檢查主要分為功能性檢查和語法性檢查，功能性檢查檢查模型能否達到設計要求，語法性檢查，主要是檢查模型能否運行，功能性錯誤要回到最初的數學建模上，語法性錯誤主要出現在編程上。最終模型運行成功后，則可以對模型進行封裝。在部件建模中首先構建同一類元件的接口，所謂同一類元件，也就是上述進行系統拆解中將機械、液壓、控制等可歸為一類，類的最明顯的特點就是有相同的物理學背景， 接口分為輸入接口和輸出接口，接口保證了元件之間的參數傳遞，前一元件的輸出接口和后一元件的輸入接口連接。不同類型的元件之間的傳遞要保證其有相同的接口，如液壓馬達可以和旋轉元件相連，主要是他們都有共同的旋轉副接口。同一部件的物理模型通過其輸入接口、輸出接口之間的方程組來描述。在構建部件時還采用了參數化建模，有利于模型的重復使用。對構建好的部件進行封裝，用戶只需要修改其參數，便可適用不同的模型系統。圖4是本發明系統模型庫的結構框圖，按照上述的分解方法，把泵車臂架系統按功能拆解為機械、液壓、控制、電子等部分，并根據逆向的建模方法構以及對拆解部分進行了合理的簡化，構造了泵車臂架系統下的機械臂架、液壓系統、控制系統、傳感器系統以及支反力系統模型庫，機械臂架系統下按照結構的不同分成了轉臺、首節臂架、中間臂架和末端臂架等部件；液壓系統涵蓋了液壓泵、馬達、換向閥、節流閥和伺服閥等液壓元件；控制系統包含了大量控制信號，以及邏輯元件。最終通過這些系統構建了整個泵車臂架系統模型，泵車臂架系統模型可以對泵車的展開收回液壓沖擊等進行動力學仿真。圖5所示是本模型庫在MWorks或者dymola上的仿真流程圖，用戶在構建泵車臂架模型庫的時候，第一步是通過拖拽模型庫的機械、液壓、控制等元部件搭建真實的物理系統。第二步是用戶對搭建好的模型進行模型檢查，模型檢查主要包括兩部分，一是用戶對搭建模型的自我檢查，主要檢查模型搭建是否符合物理規律，比如液壓缸的兩個接口之間的距離最初一定要能滿足臂架兩個接口的距離，最大行程要能滿足泵車臂架舉升需要，如果達不到，自然在仿真過程本模型是失敗的，還有臂架之間的干涉等。二是操作應用平臺的語法、邏輯檢查，MWorks和dymola都有這種功能，檢查模塊之間是否兼容，語法是否正確，能否符合邏輯，當出現第二種情況也就是軟件檢查出錯誤的時候，計算是無法進行下去的，而在用戶檢查出現錯誤的情況，模型有可能語法并不錯誤，只是功能達不到要求，因此為了保證仿真結果的正確，兩種檢查必須都進行。第三步是模型編譯和仿真，模型的編譯和仿真之前要求用戶對模塊的每一個參數進行設定，由于本發明采用模塊化、參數化建模，參數對模型仿真結果影響顯而易見，用戶在進行仿真時候一定要保證參數符合物理情況，同時參數化保證了模塊的重用性強的特點，用戶在搭建好一類臂架模型之后，如五節臂泵車，可以將其保存，然后只要修改其中參數就可以對不同信號的五節臂進行動力學仿真，如修改P 可以改變結構參數，修改XO可以改變系統的初始仿真參數，修改tO、tl可以改變系統仿真的初始時間和終止時間。第四步是查看sim文件，進行仿真后，軟件系統輸出sim文件。第六步是查看輸出結果，輸出結果主要有曲線結果演示，和3D動畫演示，本發明提供的3D動畫可演示泵車臂架的回轉，舉升以及臂架折疊回收等，3D動畫可以表現出泵車臂架舉升過程中的幾乎所有的動態特性，而曲線結果可以提供液壓沖擊力曲線，臂架受力曲線、泵車舉升角等結果，可以滿足設計者的幾乎所有設計要求參數。本發明還改變了目前真中只重視具體模型編程實現，而對具體仿真對象模型整體結構和框架設計的忽略；集成了多學科，多層次仿真模型，能夠從不同角度和細節上對復雜的泵車的部件相互作用和相互影響以及整體性能進行研究，從而減少循環設計和試驗次數，對系統和部件結構改進等提供支持。泵車臂架是泵車設計中最關鍵的部分，泵車設計過程中必須考慮以下幾個方向， 泵車液壓缸能否提供足夠的動力來保證臂架舉升到指定位置，同時又能使每個液壓缸盡可能的小。液壓油路的泄漏對泵車臂架有著怎樣的影響，會不會產生液壓油的泄漏使得臂架失穩的情況。泵車臂架之間的連桿機構會不會產生干涉，影響臂架的展開和收回。泵車的液壓沖擊對臂架產生的劇烈振動以及整個泵車的共振。本發明可以對上述的一切情況進行仿真和分析，用戶或者設計者可以通過仿真結果直觀明了的查看一些重要設計參數，對泵車設計具有重要的實際指導意義。本發明適用性強，適用于不同公司生產的不同型號泵車臂架系統使用。
權利要求
1.一種基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法，其特征在于，首先，對真實混凝土泵車臂架物理系統按照混凝土泵車臂架總體一臂架各功能子系統一臂架部件的順序拆解為部件模塊；其次，按照部件模塊庫一功能子系統模塊庫一系統模塊庫的順序，使用Modelica語言編制的程序或封裝接口，對泵車臂架各部件、各功能子系統、系統進行建模；為了有利于重復使用模型，所述各模塊采用參數化建模，構建參數化接口，通過接口之間參數，傳遞物理、數學方程；為保證模型庫內部的兼容，同一模型庫采用共用的接口，不同模型庫之間通過包含有不同模型庫共有接口的元件進行連接；為了以圖標方式來替代泵車臂架部件的實際物理模型，以使在操作平臺窗口中可以對這些圖標進行拖拽、移動、連接、以及參數設置和添加，對所述構建的模型進行封裝；最后，通過軟件對所構建的模型進行仿真控制，并將仿真結果進行演示。
2.根據權利要求1所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述泵車臂架總體按照功能拆解為以下子系統機械臂架、液壓、控制、傳感器以及支反力。
3.根據權利要求2所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述機械臂架子系統按照結構可拆解為以下部件轉臺、首節臂架、中間臂架、 末端臂架。
4.根據權利要求2所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述液壓子系統按照功能可拆解為以下部件液壓泵、馬達、換向閥、節流閥、 伺服閥。
5.根據權利要求2所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述控制子系統按照功能可拆解為以下部件控制信號元件和邏輯元件。
6.根據權利要求2所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述傳感器子系統按照功能可拆解為距離傳感器和位置傳感器。
7.根據權利要求1所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，在所述部件建模中，可利用Modelica語言提供的基本元件庫的接口來構建具有相同物理學背景的同一類部件的接口，接口分為輸入接口和輸出接口，接口保證部件之間的參數傳遞，前一部件的輸出接口和后一部件的輸入接口連接；不同類部件之間的傳遞需具有相同的接口。
8.根據權利要求1所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述系統模型根據其折疊方式的不同可構建為R型臂架系統模型和Z型臂架系統模型。
9.根據權利要求1所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法， 其特征在于，所述仿真控制包括算法設置、控制時間設置、參數設置；所述仿真結果演示包括3D動畫演示和曲線演示。
10.根據權利要求1的所述的基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法，其特征在于，所述仿真系統可以在MWork或dymola操作平臺上使用。
全文摘要
一種基于Modelica語言的混凝土泵車臂架仿真系統的設計方法，通過臂架總體→臂架各功能子系統→臂架部件的順序對真實物理模型進行拆解，再按照部件模塊庫→子系統模塊庫→系統模塊庫的順序構建各模型庫，各模塊基于參數化建模，構建參數化接口，通過接口之間參數，傳遞物理、數學方程，然后對模型進行封裝，并提供用戶參數設置窗口，同一模型庫有共用的接口，不同模型庫之間通過包含不同模型庫共有接口的元件實現連接，這樣保證了不同領域之間的模型的參數傳遞，使得能夠搭建復雜的泵車臂架模型。本發明具有模塊化、層次化、規范化和參數化的特點，仿真模型間可互操作和重用，同時開放式的建模思路，保證了使用過程可以添加不同元部件。
文檔編號G05B17/02GK102331720SQ20111027904
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者劉濤, 張偉偉, 曹源, 王棟, 金先龍 申請人:上海交通大學