液压系统半实物仿真平台设计

第19卷第15期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 152007年8月 Journal of System Simulation Aug., 2007·3422·液压系统半实物仿真平台设计傅德彬, 姜 毅, 张 强(北京理工大学宇航科学技术学院, 北京 100081)摘 要：结合液压系统仿真计算技术和自动化试验技术，构建了液压系统半实物仿真平台，通过仿真计算模拟液压系统的环境参数和控制规律，利用实物模型模拟难以建立数学模型的液压元件。

重点介绍了液压系统半实物仿真平台布局结构、仿真模型建立过程以及仿真过程控制系统，并针对某液压起竖系统进行了应用分析。

关键词：液压系统; 半实物仿真; 节点法; 过程控制中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 15-3422-03Design of Hardware-in-the-Loop Simulation Platform for Hydraulic SystemFU De-bin, JIANG Yi, ZHANG Qiang(Dept.2, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)Abstract: The hardware-in-the-loop simulation platform for hydraulic system was conceived referring to the simulation calculation technique of hydraulic system and automation measuring technique. And the environmental parameters and control rules were simulated by the mathematical simulation which used the physical model to replace the hydraulic component that is difficult to establish mathematical models. The structure of the hardware-in-the-loop simulation platform and the process of establishing the mathematical simulation models, and the control system of the simulation process were emphasized. A certain hydraulic erecting system was analyzed.Key words: hydraulic system; hardware-in-the-loop simulation; nodal theorem; process control引 言液压系统是现代工程技术发展的重要领1域，液压系统在传统的设计或改进过程中只能通过静态试验或动态试验来对一些重要参数进行验证，而难以对工作过程中的具体状态进行准确描述。

随着计算机技术的发展，系统仿真技术已经成为大型系统研究和试验的关键技术，为深入了解和掌握系统的内在规律和性能，并采取相应的控制策略提供了有效的途径。

按模型划分，仿真可分为数字仿真、半实物仿真和半实物仿真[1]。

随着流体力学、现代控制理论和算法理论等的研究和发展，液压数字仿真技术得到了长足发展，出现了DSH 、AmeSim 、Easy5等多种液压仿真工具[2]。

但由于有些液压元件结构复杂，建立其完善的数学模型困难，因此采用全数字仿真难以实现；同时由于液压系统除自身回路复杂外，其工作状态受控制过程、负载环境等共同作用，进行实物仿真成本较，难度大。

因此建立半实物仿真模型，利用数字模型模拟液压系统的环境参数、控制规律及简单回路，利用实物模型模拟难以建立数学模型的液压元件，可较好的实现液压系统的仿真分析。

本文针对某型导弹发射车快速调收稿日期：2006-06-14 修回日期：2006-09-11 作者简介：傅德彬(1978-), 男, 重庆人, 博士, 研究方向为地面设备相关的仿真技术；姜毅(1965-), 男, 云南人, 博士, 副教授, 研究方向为兵器发射理论与技术；张强(1981-),男, 安徽人, 博士生, 研究方向为半实物仿真技术。

平、起竖系统的研制需要，结合液压仿真技术和自动化测试技术，建立液压系统半实物仿真平台。

1 布局结构半实物仿真有时也称硬件在回路仿真，即在仿真过程中，包含实际硬件装置的运行情况。

其基本原理是利用数据采集控制模块将实时运算的数学模型和实际运行的实物模型构成一个整体，模拟实际系统的运行情况。

在仿真过程中，实时运算的数学模型产生实物模型运行所需的控制参数，并通过数据采集控制模块实现对实物模型运行过程的控制；同时数据采集控制模块获得实物模型运行参数，并传递给实时运算的数学模型进行处理计算。

在液压半实物仿真系统中，数学模型可以由matlab/ Simulink 、stateflow 以及simMechanics 等工具在普通计算机上建立，数学模型的运算通过实物仿真计算机完成，实物模型的运行则在液压试验台上完成，而试验台的测控系统与实时仿真计算机的采集控制系统进行通讯，构成数据采集控制模块。

液压系统仿真平台在布局结构上如图1所示。

上位机采用高性能微机，主要实现模型建立，仿真过程管理和数据处理等功能；实时仿真计算机采用DSpace ，完成实物模型测试信号的采集和实时仿真计算功能[3]；数据通道由高性能串口总线组成，在实时仿真计算中实现通用试验测控系统与实时仿真计算机之间的数据传输[4]。

通用试验测控系统、监控/维护计算机、液压缸试验台、液压系统试验台和其他试验台属于按液压试验标准建设。

在2007年8月 傅德彬, 等：液压系统半实物仿真平台设计 Aug., 2007·3423·仿真试验过程中，液压系统试验台和液压缸试验台上安装仿真系统中的一些主要实物模型部分，如调平回路、车腿油缸、起竖回路、起竖控制系统和起竖油缸等。

通用试验测控系统在仿真过程中控制各测试设备完成试验、测试工作，实现试验过程的自动化，同时与实时仿真计算机实现数据传输工作。

2 仿真模型2.1 数学模型1) 液压回路模型[5]液压回路由液压元件和管路组成，液压元件通常具有多个油口并与管路相连，通过管路相连的多个元件之间构成液压容腔。

因此，在数字仿真中，可以采用节点法建立液压系统的数学模型，即把液压管路的汇交节点定义为节点，对每个节点建立流量平衡方程，以表达节点压力和进出该腔流量总和，则容腔压力为：01i i i iEP Q dt Q dt C V ==∑∑∫∫其中i V 为容腔的油液体积；0E 在建立了各个容腔的压力-(,1,2,)i Q f P a a =∆"。

P ∆P ∆后的自变量为影响元件流量的其他因素。

2) 控制系统模型控制器模型采用Sateflow 工具[6]建立，Stateflow 基于有限状态机理论，能够快速建立和仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为。

依据起竖过程控制规律，建立控制器模型如图2所示。

3) 载荷计算为模拟发射装置起竖过程液压缸所受到的载荷，考虑以车体、发射箱和液压缸构成的多体动力系统，系统拓扑结构如图3所示。

动力学仿真模型采用simMechanics 建立。

2.2 实物模型1) 试验台及测控系统为保证实物模型运行，建立液压缸试验台、液压系统试验台（液压组合试验台）等试验台，保证实物液压缸及液压组合的供油、动作以及信号采集。

为了实现试验过程的自动化，同时又能够保证测试系统的可靠性，采用嵌入式测控计算机作为每个试验台的测控核心。

嵌入式测控系统的结构如图4所示。

2) 实物模型图3 动力学系统拓扑结构监控管理转速、扭矩、温度信号泵站PLC字通讯图4 嵌入式测控系统结构框图实物模型采用实际液压系统中的元件，本系统中主要包括实物液压缸和部分液压系统组合。

3 半实物仿真过程控制为实现数学模型与实物模型在仿真过程中的信息交互，2007年8月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2007·3424·定义指令、数据和状态三种信息形式，通过以RS485串口为介质的通讯模块实现信息传递。

指令主要包括准备、启动、中断、停止等控制指令，实现对仿真过程的控制；数据主要指仿真过程中数学模型和实物模型进行交互的流量、压力、载荷等仿真数据；状态包括准备就绪、等待、故障等对指令信号的回复。

在仿真控制过程中，通过指令和状态实现应答通讯，保证指令的有效传输和响应；在仿真过程中，数据交互非应答通讯，以提高数据传输速率，保证数学模型计算和通讯过程的实时性。

半实物仿真过程控制结构（实时仿真机端）如图5所示，测控平台端半实物仿真控制结构与实时仿真机端类似，只是数学模型由实物模型替代。

同时由于实物模型本身运行在自然时间下，而工作状态也由接收到的指令控制，因此系统控制器不需要输出仿真计算时序和工作状态控制，仿真机工作状态相应改为测试台工作状态。

仿真计算程序工作状态控制状态输出步数仿真计算程序系统控制器信号标志指令输出接收状态接收指令仿真机工 作状态工作 状态仿真机 工作状 态通讯模块图5 半实物仿真控制结构（仿真机端）半实物仿真控制器仿真机端由Sateflow 状态机实现，编译后下载到实时仿真机中，在实现对数学模型实计算控制的同时，通过通讯模块实现与实物测试台平的信息交互。

测试平台端仿真控制器由C 语编程实现，在进行测试过程控制的同时，通过通讯模块实现与实时仿真机的信息交互。

4 应用分析为检验液压系统半实物仿真平台的运行情况，并分析某型导弹发射车起竖过程中的多级液压缸的压力变化情况，针对某型导弹发射车起竖系统，以多级液压缸为实物模型，并建立上文所述的完整的液压起竖系统数学模型和发射车起竖过程动力学响应模型，进行半实物仿真试验。

试验结果如图6到图9所示。

图6和图7中的曲线由实时仿真机计算生成，图8和图9曲线由试验台测控系统通过试验采集获得。

图8中q1为进油口流量，q2为出油口流量；图9中p1为液压缸无杆腔压力、p2为多级液压缸内腔压力、p3为液压缸有杆腔压力。

受多级液压缸换级缓冲过程影响，图中流量和压力在整个行程中产生多次突变。

05010015020025030035020406080A n g l e /d e gtime/s200400600800f o r c e /K N Angle/deg图6 时间-起竖角曲线 图7 起竖角-负载曲线Q /L /m i nlength/mp r e s s u r e /b a rlength/m图8 油缸行程-流量曲线 图9 油缸行程-压力曲线试验过程不仅通过试验台测试获得了模拟起竖过程中多级液压缸内压力、流量等参数变化情况，同时也通过数学模型获得了液压系统中各个元件的参数变化情况以及系统动力学变化情况，为进一步针对多级液压缸进行优化改进提供了依据。