基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法
2023-12-11 04:06:12 1
專利名稱：基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法
基於Model ica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法本發明涉及汽車起重機變幅機構仿真系統技術領域，具體地說是一種基於 Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法。汽車起重機由於利用汽車底盤，具有汽車的行駛通過性能，機動靈活，行駛速度快，轉移到作業場地後能迅速投入工作等優點，廣泛用於貨物裝卸、轉移、設備安裝及高空作業等場合。而變幅機構是汽車起重機的重要組成部分，其結構型式及作業工況多樣，且工作特點間歇、重複、循環。頻繁的起動、制動過程中，機構和結構承受著強烈的衝擊和振動， 是典型的機械、液壓、控制等多領域耦合系統。故而，對汽車起重機變幅機構合理、科學、全面的多領域並存的動力學建模仿真就顯得尤為重要與緊迫。汽車起重機的變幅系統主要由機械和液壓兩個領域組成，而傳統的單一領域建模與仿真分析工具，顯然不能勝任其整體性能仿真分析的任務。為進一步研究並改善汽車起重機變幅系統的動態特性，還必須充分考慮控制部分對整機系統動態響應的影響。這樣， 系統的建模就涉及到機械、液壓和控制等多個領域。而如果單純考慮汽車起重機變幅機構自身機械系統的特性，可以採用機械系統動力學分析軟體工具(例如MSC_ADMAS)來進行仿真；但如果考慮整個變幅系統動力性、穩定性等，這些特性不僅涉及機械系統的動力學特性，而且涉及液力系統、電子電控系統等，故採用單一的工具難以對這些由於多個不同領域子系統耦合造成的特性進行準確的分析，且不能考慮機械、液壓及控制的能量耦合效應。針對以上汽車起重機變幅機構中的典型多領域問題，工程中也產生了對單一領域仿真工具進行集成、或進行多領域延拓的方法，例如，將機械系統動力學仿真分析軟體 ADAMS的模型導出成MATLAB/Simulink模型，然後集成到MATLAB/Simulink軟體中，並與液壓動力仿真分析軟體AMSim進行大型聯合仿真。雖然這種思路提供了一種解決多能域耦合動力學仿真的方法，但是此種方法很難以做到多種不同工具的無縫集成。且不同領域的問題採用不同工具建立不同模型進行仿真，勢必要遇到數據傳遞的複雜問題，模型重複且不可重用，會導致仿真精度、建模效率、仿真速度等方面的問題。Modelica語言是面向對象的仿真語言，它是Mworks的建模基礎。Modelica語言是為解決多領域物理系統的統一建模與協同仿真，在歸納和統一先前多種建模語言的基礎上，於1997年提出的一種基於方程的陳述式建模語言。其採用數學方程描述不同領域子系統的物理規律和現象，根據物理系統的拓撲結構基於語言內在的組件連接機制實現模型構成和多領域集成，通過求解微分代數方程系統實現仿真運行。本發明的目的就是要解決上述的不足而提供一種基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法，具有模塊化、層次化、規範化和參數化，以及仿真模型互操作性和重用性強的特點。
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為實現上述目的設計ー種基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法，其包括如下步驟1)系統拆解首先對真實汽車起重機變幅機構進行系統級拆解，構建一系列物理系統模型，包含機械子系統、液壓子系統和控制子系統，進而對得到的機械子系統、液壓子系統和控制子系統進行分解，得到不同領域的元件；2)元件級建模針對分解得到的基本元件進行建模分析，構建元件的接ロ，首先構建同一類元件的接ロ，接ロ分為輸入接口和輸出接ロ，前一元件的輸出接口和後一元件的輸入接ロ連接，不同類型的元件之間的傳遞要保證其有相同的接ロ，同一部件的物理模型通過其輸入接ロ、輸出接ロ之間的方程組來描述；3)子系統級建模利用元件級建模得到的元件，並結合Modelica基本庫和Hylib 庫中的元件，對汽車起重機變幅機構的機械子系統、液壓子系統及控制子系統進行搭建；4)系統級建模通過使用部件中相應的「虛」模型代替元件或子系統的實際模型； 通過平臺的圖形化界面功能窗ロ管理，拖放、移動「虛」模型圖標，接ロ連接以及添加參數、 方程組構建；5)仿真控制；6)最後，仿真結果演示。所述機械子系統包括支撐臺、轉動副、吊臂，所述液壓子系統包括油缸、液壓泵、液壓缸、溢流閥、比例伺服閥、平衡閥、單向閥，所述控制子系統包括速度傳感器、位移傳感器、 加法器、減法器和控制元件。所述元件級建模、子系統級建模、系統級建模採用開放式建模方式。所述在構建元件時採用參數化建摸。本發明有益效果本方法針對現有技術的不足，採用ー種多領域統ー的面向對象物理系統的建模語言Modelica進行汽車起重機變幅機構的機械、液壓和控制等多領域耦合的建模與仿真，並通過分析比較控制與非控制兩種模型中的各種性能曲線，從而證明採用該種方法的模型，能夠使整機穩定性較機械液壓模型得到了更大的提高，並避免了大的液壓衝擊與振動。
圖1為變幅機構的機械結構示意圖2為圖1的變幅液壓缸絞點位置示意圖3為變幅機構的液壓部分示意圖4為封裝後的控制元件圖標示意圖5為無控制的變幅機構Mworks平臺模型示意圖6為帶控制的變幅機構Mworks平臺模型示意圖7為變幅機構系統的3D動畫演示示意圖8為無控制和有控制系統的比例伺服閥輸入信號對比示意圖9為無控制和有控制系統的吊臂變幅角度的對比示意圖10為無控制和有控制系統的吊臂變幅角速度的對比示意圖11為無控制和有控制系統的迴轉支承中心豎直方向受カ曲線對比示意圖
圖12為無控制和有控制系統的變幅液壓缸頂端液壓力的對比示意圖；圖13為無控制和有控制系統的液壓泵出口壓力的對比示意圖；圖中1為支撐臺、2為變幅液壓缸、3為回支撐臺與吊臂之間的轉動副、4為吊臂、 5為控制元件TimeTablej為角度傳感器、7為加法器、8為角速度傳感器、9為負反饋元件、 10為角速度常量、0為吊臂根部絞點、C為變幅液壓缸根部絞點、A(B)為變幅液壓缸與吊臂的支承絞點。下面結合附圖對本發明作以下進一步說明本發明基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模步驟包括系統拆解、 元件級建模、子系統級建模和系統級建模，即包括自上而下的系統分解與自下而上的系統搭建。首先，設計者對真實汽車起重機變幅機構進行系統級拆解，構建一系列物理系統模型，包含機械系統、液壓系統和控制系統等，進而對得到的子系統進行分解，得到不同領域的元件；然後針對分解得到的基本元件進行建模分析，使用以上基本元件分別搭建成變幅機構的各個子系統，進而使用搭建得到的子系統組建完整的汽車起重機變幅機構系統。對於汽車起重機變幅機構系統而言，機械子系統包括支撐臺、轉動副、吊臂等，液壓系統包括油缸、液壓泵、液壓缸、溢流閥、比例伺服閥、平衡閥、單向閥等，控制子系統包括速度傳感器、位移傳感器、加法器、減法器和控制元件TimeTable。以上模型元件不僅可以在蘇州同元軟控公司開發的MWorks平臺上使用，還可以在支持Modelica語言規範的瑞典的dymola平臺使用。同時本發明採用開放式建模方式，用戶在使用過程中可以根據自身的需求對該軟體庫進行擴充。在元件級建模的過程中，Modelica基本庫與其他商業或非商業庫提供了一些可以直接使用的基本元件，對於實際機構系統的特殊性，一些不包含在Modelica基本庫及商業庫或非商業庫中的元件，可以通過自行開發構建。構建元件的接口時，首先是同一類元件，也就是上述進行系統拆解中將機械、液壓等各歸為一類，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後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。在構建部件時還採用了參數化建模， 有利於模型的重複使用。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。在子系統級建模的過程中，利用元件級建模得到的元件，並結合Modelica基本庫和Hylib庫中的元件，對汽車起重機變幅機構的機械系統、液壓系統及控制系統進行搭建。 通過使用部件中相應的「虛」模型(即部件圖標)代替元件或子系統的實際模型；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。如附件圖1、圖2所示，汽車起重機變幅機構的機械結構由吊臂、支撐臺和變幅液壓缸組成。通過控制變幅液壓缸的伸縮，驅動吊臂相對支撐臺在豎直平面內轉動，以實現變幅。本實施例的研究對象QYlOO汽車起重機採用前傾式單液壓缸變幅系統，變幅機構則根據三ー重工QY100型號起重機的結構尺寸進行設計。圖2為吊臂和變幅液壓缸絞點的相互位置，吊臂根部絞點0點及液壓缸根部絞點C點可以根據起重機變幅機構系統設計的準則確定。而變幅液壓缸與吊臂的支承絞點A(B)的位置由如下方法確定，絞點A(B)需要滿足的結構條件為當吊臂分別位於最小仰角和最大仰角狀態時，變幅液壓缸長度為最短長度 Lmm ==CA ；自チ Mffl^i及,變巾副夜 j￡to，tknMX^&^m^&^^M
Lfflax= (1.7 1.8)Lmin。由此可用三角公式求得A(B)點的位置。其邊和角的關係為
UUir2 UUE2 UUir2 uurauuu:
UUUt2 UUffl2 UUir2 uura UUir如附件圖3所示，為汽車起重機的變幅液壓缸的多領域建摸，在Modelica液壓 Hylib 2. 4庫中液壓缸是一維系統，只能輸出液壓缸的行程、推力、速度等，但是並不能表達相應輸出的方向，而在本發明所示的起重機變幅系統建模過程中使用的多剛體庫是三維的。ニ維多剛體庫元件將液壓缸的液壓カ轉化為三維機械力，力的三維分解由輸入、輸出機械結構決定。模型中液壓缸的主要參數為活塞杆長度細，液壓缸長度4.加，無杆腔面積 0. Im2,活塞杆面積0. 04m2。如附件圖4所示，為封裝後的控制元件TimeControl輸入輸出圖標，其內部通過編製程序來實現。為實現吊臂變幅角度控制功能的控制元件TimeControl，這個元件通過控制電磁換向閥的開ロ大小可以準確控制變幅液壓缸雙向伸縮，而且避免電磁換向閥瞬間全開或是瞬間全閉造成的液壓衝擊，即在to時刻閥門慢慢開啟，當實際位置即將達到目標位置後，閥門慢慢關閉，以確保在變幅機構起始運動吋，吊臂能平穩啟動，在吊臂即將運行到目標位置吋，及時調整控制信號，使變幅角速度逐漸減小到零。控制元件TimeControl提供-1 1之間的輸出，其輸出形式如下t 彡 t0 y = 0t。< t < t。+2 Λ. = ^r^ t2 < t < t2+2 y = ---t。+2 < t < ti y = 1 t2+2 < t < t3 y = -1
(2)ち < t く ち+2 一. - - t3 < t < to+2___ —ti+2 < t < t2 y = 0 t3+2 < t y = 0(a)吊臂起升時TimeControl輸出 | (b)吊臂下降時TimeControl輸出其中，t0和t2分別為吊臂起升和下降起始時刻，以參數形式設置；、和t3分別為吊臂即將到達起升和下降目標位置時刻，由角度傳感器測量計算得到。輸入為吊臂與支撐臺絞點處角度傳感器所測量的吊臂起升角度。如附件圖5、圖6所示，吊臂和支撐臺的機械部件主要是基於Modelica基本庫中的接ロ、元件、運動副、傳感器等通過變形以及二次開發而搭建，所有金屬材料密度統ー設置為7.7g/cm3。液壓部件主要是基於Hylib 2. 4庫中油缸、液壓泵、液壓缸，溢流閥、比例伺服閥、單向閥等各種液壓元件等進行變形及二次開發ニ搭建。在建模中採用三位四通比例換向閥，最大溢流壓カ設定為80MPa，液壓泵的輸出流量設定為40L/min。基於上述理論和原貝U，以QY100型號汽車起重機變幅機構為仿真對象構建的MWorks平臺模型如圖5和圖6所本發明中，角度傳感器AngleSensor用來測量變幅角度，SpeecKensor用來測量變幅角速度，最後將傳感器測得的信號，通過閉環微分負反饋處理來控制液壓缸中液壓比例伺服閥的開口大小，以確保在變幅起始和結束時，伸縮臂能平穩啟動和停止，在變幅過程中能保持勻速變幅。附件圖8至圖13所示為部分可視化的仿真結果，其中虛線和實線分別代表變幅系統中無控制和有控制系統的各種變化曲線。通過對比可直觀地看到，採用本發明所述方法所建立的汽車起重機模型在在變幅起始和結束時，伸縮臂能平穩啟動和停止，且在變幅過程中能保持勻速變幅。未通過PD控制的變幅系統，其變幅液壓缸中具有大的液壓衝擊，並對迴轉支撐中心造成非常大的衝擊力，而通過PD控制不僅可以避免液壓衝擊，而且可獲得平穩的變幅速度。本發明中，設計者以QY100汽車起重機為研究對象，利用基於modelica語言的 Mworks平臺建立其變幅系統的機械、液壓等多領域耦合的動力學仿真模型，並對變幅機構的起升幅度和速度進行精確PD控制建模，編寫了控制程序；對汽車起重機變幅系統工作過程進行動態仿真，分析比較了在控制和非控制兩種情況下，液壓缸等液壓元件的受力曲線， 及其對汽車起重機迴轉支撐機構的作用力和力矩。仿真結果表明，PD控制確保了吊臂在變幅起始和結束時能平穩啟動和停止，而且在變幅過程中能保持勻速變幅。使整個系統的穩定性最高，避免產生大的衝擊和振動；結果驗證了本文闡述的modelica多領域多物理場耦合模型的科學性與可行性。為汽車起重機變幅系統的工程設計提供了理論依據，其方法和程序可以普遍應用於機、電、液、控相耦合的工程機械系統的建模與動態特性分析當中，對大型複雜工程機械系統的研究有一定的指導意義。
權利要求
1.一種基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法，其特徵在幹，包括如下步驟1)系統拆解首先對真實汽車起重機變幅機構進行系統級拆解，構建一系列物理系統模型，包含機械子系統、液壓子系統和控制子系統，進而對得到的機械子系統、液壓子系統和控制子系統進行分解，得到不同領域的元件；2)元件級建模針對分解得到的基本元件進行建模分析，構建元件的接ロ，首先構建同一類元件的接ロ，接ロ分為輸入接口和輸出接ロ，前一元件的輸出接ロ和後一元件的輸入接ロ連接，不同類型的元件之間的傳遞要保證其有相同的接ロ，同一部件的物理模型通過其輸入接ロ、輸出接ロ之間的方程組來描述；3)子系統級建模利用元件級建模得到的元件，並結合Modelica基本庫和Hylib庫中的元件，對汽車起重機變幅機構的機械子系統、液壓子系統及控制子系統進行搭建；4)系統級建模通過使用部件中相應的「虛」模型代替元件或子系統的實際模型；通過平臺的圖形化界面功能窗ロ管理，拖放、移動「虛」模型圖標，接ロ連接以及添加參數、方程組構建；5)仿真控制；6)最後，仿真結果演示。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述機械子系統包括支撐臺、轉動副、吊臂， 所述液壓子系統包括油缸、液壓泵、液壓缸、溢流閥、比例伺服閥、平衡閥、單向閥，所述控制子系統包括速度傳感器、位移傳感器、加法器、減法器和控制元件。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述元件級建模、子系統級建模、系統級建模採用開放式建模方式。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述在構建元件時採用參數化建摸。
全文摘要
本發明涉及汽車起重機變幅機構仿真系統技術領域，具體地說是一種基於Modelica語言的汽車起重機變幅機構仿真建模方法，其包括如下步驟1)系統拆解；2)元件級建模；3)子系統級建模；4)系統級建模；5)仿真控制；6)最後，仿真結果演示；本發明採用一種多領域統一的面向對象物理系統的建模語言Modelica進行汽車起重機變幅機構的機械、液壓和控制等多領域耦合的建模與仿真，並通過分析比較控制與非控制兩種模型中的各種性能曲線，從而證明採用該種方法的模型，能夠使整機穩定性較機械液壓模型得到了更大的提高，並避免了大的液壓衝擊與振動。
文檔編號G05B17/02GK102566438SQ201110437198
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者仲作陽, 何淑芬, 孟光, 李明, 楊揚, 荊建平 申請人:孟光, 李明, 荊建平