一种基于容腔节点的液压系统建模语言及实现

　　液压系统的建模仿真研究从20世纪70年代初到今,发展了很多成熟的液压系统动态建模仿真软件^[1].比较典型的有法国的AMESim^[2],美国的EASY5^[3],德国的DSH^[4],以及英国巴斯大学的Bathfp.AMESim采用键合图方法建模,为用户提供了一个时域的建模仿真环境.通过模型库的概念,采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口窗口,构建系统原型,使用户能借助其友好的、面向工程应用,研究任何元件或回路的动力学特性^[2].EASY5是一个基于图形的用来对动态系统进行建模、分析和设计的软件,其建模主要面向由微分方程、差分方程、代数方程及其方程组所描述的动态系统.模型直观地由基本的功能性图块组装而成^[3].德国亚琛工大的DSH采用了容腔节点法,用FORTRAN语言编写,描述方法比较陈旧,最初主要用解释执行,制约了其发展.后来开发了面向图形界面的DSHplus仿真软件系统,但是用的也主要是原来的内核.浙江大学对其进行了进一步发展,开发了ZJUSIM^[4-6].

　　为实现可直观面向系统原理图建模,本文提出了一种新的建模语言,方便实现,且容易进行二次开发,引入其他学科模型.综合各种液压系统建模方法,容腔节点法可更加直观地面向系统原理图来建立系统模型.因此,以下从图论的基本思想出发,提出了一种基于容腔节点法的液压系统建模描述方法和一套新的建模语言规则.容腔节点法是基于各构件之间的能量或信号传递经过液压管道实现的思想^[7],基于基尔霍夫节点法则,每个容腔都有一个压力变量,通过流量连续方程表达,是由流量变量到压力变量的过程.而所有流量变量都由液压元件提供,因此液压元件在与容腔相连时,只要给出元件所有端口上的输入输出流量关系即可.压力与流量变量的交替衔接,组成了可求解的微分方程组.液压系统建模过程需包含建模平台支持(数据库、知识库等)、前处理(模型描述、模型生成等)、解算和后处理(结果可视化、数据分析等),本文主要讨论前处理部分.

　　1 建模语言描述规则

　　图1表示的是压强为p,体积为V的容腔节点,其流量连续方程表示为

　　其中,为所有输入流量;为所有输出流量;BT指油液的弹性模量系数.取流入容腔节点的流量为正,流出流量为负.

　　图2是一种用图形拓扑结构来描述的液压系统示意图.

　　基于容腔节点法建模的图形描述遵循2个规则:1)液压系统图形拓扑关系由节点和连接组成.节点分为两种:元件节点和容腔节点.元件节点又分为液压元件节点和非液压元件节点;2)液压元件节点之间不能直接连接,两液压元件节点之间如果没有非液压元件节点,则自动插入容腔节点.当两个容腔节点连接时,自动合并为一个容腔节点.