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液压系统可视化动态建模技术及其软件实现方法研究

王士刚  
【摘要】: 液压仿真技术在液压系统的设计、分析和改进中具有十分重要的价值,正逐渐引起业界的广泛重视,相继涌现出了大批优秀的液压系统动态特性仿真软件。特别是功率键合图建模技术在液压系统动态特性研究领域中的成功应用,为其提供了强有力的技术手段,大大推动了这方面研究工作的进展。然而在基于键合图建模技术液压仿真软件的推广使用方面,却遇到了不小的障碍,一个很重要的原因就是该类软件对使用者的起点要求过高,从而限制了其效能的发挥。 为了改变这种不利状况,推动液压仿真技术的推广与使用,充分发挥出键合图技术在建模方面所具有的优势,本论文开展了液压系统可视化动态建模及其关键性技术的研究工作,旨在进一步改善动态仿真需求与软件支撑不完善性之间的矛盾,研制开发出具有较强的实用价值、更易于用户使用与推广的基于键合图建模技术的液压系统动态仿真通用软件。本文的研究工作主要有以下几个方面:液压系统可视化建模环境总体组成技术研究;面向液压原理图可视化建模技术研究;键合图图形建模技术研究:非标准键合图自动建模技术研究;液压系统动态仿真通用软件系统的设计开发。 从系统仿真的应用角度来看,为减少模型开发时间,改善人机之间的通信手段及其质量,采用可视化交互建模环境已成为仿真技术的研究热点之一。针对基于键合图建模技术的液压仿真软件所普遍存在的对用户起点要求过高的问题,本文提出并建立了一个基于图形和面向对象技术的可视化建模环境,通过采用液压原理图建模和功率键合图图形建模的方式,有效地解决了此类仿真软件在前端模型输入与处理方面存在的问题。 在对已有液压原理图建模方法比较分析的基础上,本文完整性地提出了一种基于键合图技术的液压原理图可视化建模方法。该方法充分融合了计算机图形技术、面向对象及模块化建模技术,利用液压系统与键合图所具有的模块化特性,以液压元件作为基本的处理对象及键合图模型划分单元,建立了具有清晰层次结构的液压元件实体类库和液压元件模型描述库,从而较好实现了图模合一;创造性地采用了元件智能连线与拓扑信息采集同步的分步式图形识别模式,并结合元件模型库中设定的众多信息标志位,在降低图形识别难度的同时,保障了图模转换的顺利实现。该种建模方式具有建模效率高,适合普通液压技术人员使用等突出特点。 为了进一步增强可视化建模环境解决实际问题的能力,本文进行了功率键 合图图形化建模技术的研究。可视化的键合图建模方式较好地弥补了文本建模 方式所存在的不直观且要求使用者掌握相关描述语言的语法及输入格式等不 足。特别是通过图论和人工智能技术的引入,提出了一种“智能型”键合图图 形自动生成方法,在显著加快键合图模型输入与建立效率的同时,开辟了液压 原理图及键合图模型与描述文件信息转换的通道。不仅有利于对液压原理图建 模方式无法处理的非标准特定液压元件及其组成的液压系统进行仿真研究,而 且通过对全相关技术的运用,较好地实现了键合图与描述文件模块之间模型表3 达方式的双向转换与关联调控,为描述文件提供了一种更为形象化的显示和修 改手段。。 本文还重点解诀了液压系统动态建模与仿真技术中的难点一非标准键合图 的自动建模问题。在对其形成机理进行深入分析的基础上,给出了伪状态变量 方法,有效地解诀了由这类结构所导致的模型复杂性及难予实行自动建模处理 的问题。同时,通过引入伪状态变量耦合关系表及相应的判定准则,借助Matlab 符号工具箱的符号运算功能,实现了耦合伪状态变量方程组的自动解耦处理, 使这一即使对人工推导建模都是一个具有相当难度的技术问题得以较彻底的解 诀。为系统模型的简化与调整及在建模时尽量避免刚性问题的产生开辟了一条 实用而有效的途径。 在上述研究工作基础上,成功开发了具有可视化建模功能的HVMS (Hydraulic System Visual Modeling Simulation Pro卿)液压系统动态仿真通 用软件系统。建立了一体化仿真系统框架结构,实现了建模、仿真实验与结果 处理的集成;各建模仿真子系统所采用的可视化建模方式显著增强了软件的交 互性及可操作性;采取了多种建模方式并行与交叉式研究策略;提出仿真工程 化方法,实现了建模与仿真实验的分离;并进行了软件的可靠性和可维护性设 计。该仿真软件系统的实用性及功能,己在一系列应用实例的检验中得到了充 分的证实。


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