【導(dǎo)讀】共頁第1頁。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。裝。┊。┊。┊。┊。┊。訂。┊。┊。┊。┊。┊。線。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。┊。Multi-DomainSimulation:. 1.Introduction. 2.ModelingChoices. ponents.

　　

【正文】 la，用于三維機(jī)械系統(tǒng)的新Modelica聯(lián)合體 程序庫，和液壓組件的 Modelica程序庫 Hylib，模型包含挖掘機(jī)的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，動力液壓學(xué)的詳細(xì)描述和通用的負(fù)載傳感控制器。它在 Hylib的下一個版本中可應(yīng)用為一種樣本。 3． 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖一給出了正在考慮中的特殊挖掘機(jī)的簡圖。它包含履帶和液壓推動裝置，液壓推動裝置用于操縱機(jī)械，但通常不在一個 工作循環(huán)的時候。它的上面是供操作者坐的車廂，廂體能相對于履帶繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，柴油發(fā)動機(jī)液壓泵和控制系統(tǒng)卻在里面，另外轉(zhuǎn)臂，動臂。在末端是鏟斗，鏟斗經(jīng)由一平面運動回路連接到動臂上。特定的液壓缸使轉(zhuǎn)臂，動臂，鏟斗旋轉(zhuǎn)。 圖二表示出油缸所需的壓力是根據(jù)位置確定的，當(dāng)在伸展開來的情況下，動臂油缸中的壓力比收縮的情況高 60%。不僅位置，而且運動也必須考慮。圖三表示動臂下降的情況，如果車廂沒有旋轉(zhuǎn)，油缸則需要一個拉力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)通常能達(dá)到每分鐘 12轉(zhuǎn)，則動臂油缸中的受力改變方向，此時需要一個推力。這個改變是非常 重要的，因為此時活躍的油缸內(nèi)箱轉(zhuǎn)變，這必須由控制系統(tǒng)加以考慮。兩幅圖都表明一個仿真模型考慮挖掘機(jī)四個自由度相互之間的聯(lián)結(jié)，每個油缸和回轉(zhuǎn)驅(qū)動使用連續(xù)載荷的簡單模型將導(dǎo)致錯誤結(jié)果。 4． 負(fù)載傳感器 挖掘機(jī)通常具有一臺柴油發(fā)動機(jī)，兩臺液壓馬達(dá)和三臺油缸，為這些消耗機(jī)器提供所需的液壓油源的液壓線路上不同的。一種特殊的設(shè)計是負(fù)載傳感線路，它能有效控制能量，使用方便。這種想法是使泵有一個流體速率控制系統(tǒng)，因而能準(zhǔn)確傳遞所需的流體速率。在傳感器中，使用經(jīng)過節(jié)孔而產(chǎn)生壓降的方法，孔的阻力是參考值。圖四給出了簡圖，關(guān)于這個話題 的更好的介紹已經(jīng)給出。 泵控制閥，使得泵出口的壓力通常比負(fù)載傳感器中的壓力高 15MPA，如果方向閥關(guān)閉，則泵因此有 15 MPA的壓力。如果方向閥打開，泵輸出一流體速度導(dǎo)致通過方向閥時產(chǎn)生 15 MPA的壓降。注意：方向閥不是用做泵流體，而是作為一個流體儀表（反饋的壓降）和作為一個參考（阻力）。此線路對能量是有效率的，因為泵只輸出所需的流體速率，相對其他線路，油管的損失很小。 看圖五，如果不只一個油缸使用這種線路，則變得復(fù)雜。如果轉(zhuǎn)臂需要 300 MPA的壓力， 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 8 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鏟斗需要 300MPA的壓力，則泵輸出的壓力高于 300MPA，這會使轉(zhuǎn)臂油缸產(chǎn)生一個不要的運動。因此，使用補(bǔ)償器來約束油流體，因此達(dá)到通過特殊定向伐時產(chǎn)生 15MPA的壓降，這些補(bǔ)償器可以安裝在定向閥的前面或后面。如果達(dá)到最大泵流體速度或泵最大壓力，則附加的閥減少容許壓力差。 5． 機(jī)械部分的模型 圖六為機(jī)械部分的一個 Modelica簡圖，履帶不是模擬的， 也就是， 假設(shè)履帶為不動的 ，組件“ rev1? rev4”是使得相互聯(lián)系的部分運動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，長黑色線的圖象是實質(zhì)是的閂，用于標(biāo)明機(jī)械部分上的特別的關(guān)節(jié)。特別是液壓油缸的固定關(guān)節(jié)，淡藍(lán)球是有質(zhì)量和慣量張量的球體，是用于模 擬挖掘機(jī)的相應(yīng)部分，“ cy13f”三個部分是線性力部件，描述兩個連接之間沿著線的力相互作用，這些部件中的小綠方格表示 Modelica機(jī)械翻譯程序庫中的一維翻譯連接器，他們用于表示兩連接關(guān)節(jié)之間的一維力法規(guī)。這里，將在下一部分中介紹餓液壓油缸是直接連接的。“ cy13f”部件圖象上的兩個小球表示有選擇的考慮兩點的質(zhì)量，在沿連接線上的連接點之間的已定距離上，這方便于模擬，只有少計算液壓油缸的質(zhì)量部分（質(zhì)量和作用中心） 關(guān)節(jié) RRR組件（圖六右邊）是包含三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的裝 配元件，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在連接動臂時一起形成一片面回路。圖七為挖掘機(jī)這方面的一張圖片，在相應(yīng)的 Modelica簡圖的一張電子放大圖象和動畫制作圖。當(dāng)移動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)“ rev4”（圖七下面部分中的大紅油缸，表示關(guān)節(jié) RRR裝配部件中三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的小紅缸），關(guān)節(jié) RRR部件中左右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的連接點的位置和定位是已知的，關(guān)節(jié) RRR部件中有非線性代數(shù)回路用以計算連接點運動時產(chǎn)生的 3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度。這非線性方程系統(tǒng)在關(guān)節(jié) RRR中分解解決，如，一種快速有效的方法。 第一步，在沒 有液壓系統(tǒng)獨立測試時，模擬挖掘機(jī)的機(jī)械部分，通過連接轉(zhuǎn)換彈簧和代替液壓油缸的合適彈簧慣量來完成。當(dāng)動力制作看起來不錯，節(jié)點上的力和扭矩達(dá)到要求時，彈簧以下將介紹的液壓系統(tǒng)代替。 新的 聯(lián)合體 程序庫的所有組件有內(nèi)部的 默認(rèn) 定義， 也就是，默認(rèn) 部分都是通過 聯(lián)合體 系統(tǒng)中的已知定義讀用推導(dǎo)的，例如連接兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的閂被錯誤的理解為油缸，油缸的直徑 d相對油缸的長度很小（ d=L/40）。長度反過來是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間的距離確定的，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)被錯誤的想象為沿著關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的紅色油缸，挖掘機(jī)的 默認(rèn) （只有一小部分采用）如圖八。 淺藍(lán)色球代 表質(zhì)量作用點，想象為液壓油缸的系列力元件，通過兩種向?qū)Ψ竭\動油缸（黃色和灰色）來定義。就如所見，不用使用一方額外的工作，動作制作有效的獲得一張模型的粗糙的照片，照片能視覺上檢測最重要的部分，如，質(zhì)量中心或連接點是否在所要求的位置上。 對于每個組件一 Bodean旗能關(guān)閉默認(rèn)的 默認(rèn)的 圖。移動合適的預(yù)設(shè)圖象。例如，質(zhì)量中 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 9 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 心球。并且添加有單純實際信息的一些組件（簡圖 6中的所有 visxxx組件）將迅速得到好看的圖象。如圖九所示。計算機(jī)輔助制造數(shù)據(jù)也可以使用到圖象中，但這些不能用于挖掘機(jī)的試驗。 6． 液壓程序庫 Hylib 商業(yè) Modelica程序庫 Hylib用于模擬泵調(diào)節(jié)孔，負(fù)載補(bǔ)償器，液壓回路缸，所有這些元件是液壓回路的標(biāo)準(zhǔn)元件，能從許多制造商獲得。 Hylib中包括所有這些元件的模型。這些數(shù)學(xué)模型包含教科書上的標(biāo)準(zhǔn)模型，也包含對真實元件的運行進(jìn)行考慮的最先進(jìn)的，如果輸入口壓力下降到底于大氣壓，輸出的液體就會減小，這樣的普通泵模型就上例子。選擇一種 模型時，還有許多因素要考慮，值得一提的一點是所有模型能被原代碼水平看待，并且可以由從易得文獻(xiàn)得來的大約 100個參數(shù)來證明。 打開程序庫后，展示了主要窗口（圖十），雙擊泵圖象打開 所有元件的選項。開始或結(jié)束油流體所需要元件。為了現(xiàn)在的問題，使用帶有內(nèi)泄口和外部限定流速的液壓流體源。同樣，選擇關(guān)于閥，缸和其他元件的所需模型。 所有組件都是分級模擬的，從連接器的確定開始（連接器是油進(jìn)入或流出元件的通口），帶有兩個口的元件模版如圖。這能繼承下來到理想的模型。如一薄層阻力閥或釋壓閥。當(dāng)為這些基本模型使用文字上的輸入是有道理的。許多程序庫主要模型以圖形編制。由使用圖形使用者界面的基本程序庫模型組成。圖 12給出了圖形編制的一個例子。所有提及的元件從程序庫中選出來并分明的連接起來。 7． 液壓回路中的程 序庫元件 圖 12中的結(jié)構(gòu)圖是挖掘機(jī)模型圖形組成的液壓部分，以下的模型是從專屬的程序庫中選出，連接并輸入?yún)?shù)。注意到從 Hylib來的缸和馬達(dá)能簡單連接為所示的 多功能 程序庫的組件。輸入信號如，挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)的相關(guān)信號由圖框給出。使測量孔的直徑具體化。如控制流體速度的參考閥。對于挖掘機(jī)的機(jī)械部分，只要圖 12中所示的元件直接與液壓元件相連接。如液壓缸接觸的直線壓力元件。 8． 負(fù)載傳感控制器模型 在這個學(xué)習(xí)中，選擇下面的方法：模擬挖掘機(jī)的機(jī)械器件，并一定程度上詳細(xì)的模擬泵和測量閥。因為只有元件的參數(shù)將改變，一般結(jié)構(gòu)是固定的 。這意味著缸筒的直徑可能改變，但確切的只有個一缸那樣工作（如圖 1所示）這個液壓系統(tǒng)其余部分是不同的，在這篇文章中使用一泵的負(fù)載傳感系統(tǒng)如圖所示。但在開始設(shè)計階段還有其他的想法必須評估。例如在回轉(zhuǎn)運動中使用兩泵或單泵。 根據(jù)實際元件設(shè)計的全面的模型會大得多。通常在初始設(shè)計階段的開始不適用。它能由液壓程序庫中的元件建立起來，但需要相當(dāng)多的時間，這在工程的開始是行不通的。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在表格 1和 2中所示的是 LS控制器執(zhí)行的方程式。一般， 聯(lián)合體 模型選擇使用圖形模型分解或通過方程式定義模型。但不是在一樣的模型標(biāo)準(zhǔn)上混合兩種描述形 式。 對于 LS系統(tǒng)這是不同的。因為它有 7個輸入信號和 5個輸出信號，建立帶有 17個輸入和 5個輸出的塊。并把它們連接到液壓回路。但是，在這種情況下，如上面液壓回路，在一樣的標(biāo)準(zhǔn)上直接提供方程式并直接輸入輸入信號和輸出信號，看起來更加可以理解。例如，格中“ ”是測量孔 metoril的通口的度量壓力。 LS控制器的計算值。 例 如 ， 泵流體速率“ [1]=” 是在泵元件的藍(lán)色矩形中的信號。圖 12。 Modelica的重點是三維機(jī)械程序庫和非標(biāo)準(zhǔn)的無縫連接。并且 ，因此在沒程序庫可用時，控制系統(tǒng)的模型很容易的處理。程序庫元件在目標(biāo)圖表中能連接起來，根據(jù)模型的本文能得到所需的各種變化。 9． 仿真結(jié)果 使用 Modelica模型和仿真環(huán)境 Dymola建立完全模型，并轉(zhuǎn)換，編譯和模擬 5秒鐘，仿真時間 17秒，使用一個 106級的 DASSI綜合器（比真實時間滿 ），Dymola的仿真特點使用可能在幾乎真實的情況下觀察運動，即使相對于非專家。這也有助于解釋結(jié)果。看圖 9。 圖 13給出了三個缸和搖擺的相關(guān)信號，泵流體速率和壓力從 t= t= 和 t=秒到 t=。泵以最高流速工作。從 t= t=。圖 14給出了轉(zhuǎn)臂缸和鏟斗缸的位置和搖動角度。能看出在另一個運動開始或結(jié)束時，活塞的運動沒有重大的改變?？刂葡到y(tǒng)減少油缸之間的耦合，這種耦合在單路控制中特別嚴(yán)重。 圖 15給出鏟斗缸的操作。上面數(shù)據(jù)顯示參考軌道，也就是方向閥的開啟中間數(shù)據(jù)，表示補(bǔ)償器的傳導(dǎo)系數(shù)。 兩釘 道 是例外，從 t = 0秒開到 t = 1 s 秒，這表示在這段間隔的時間里，泵壓力由鏟斗缸控制。 它從 t=0秒后，轉(zhuǎn)臂缸需要一個相對高的壓力，鏟斗補(bǔ)償器因此增 加阻力。下面數(shù)據(jù)表明流體速率控制工作良好。即使存在一個嚴(yán)重的擾亂。帶有小誤差的要求的流體速率有鏟斗缸供足。 10. 結(jié)論 建立一個挖掘機(jī)的動力模型以評估不同的液壓回路。它包括廂體三維機(jī)構(gòu)的完整模型。包括動臂，轉(zhuǎn)臂，鏟斗和像泵和缸等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件?？刂葡到y(tǒng)不是在組件基礎(chǔ)上的模擬，而是通過一系列非線性方程描述。 使用 Modelica的 聯(lián)合體 程序庫，液壓程序庫 Hylib和一系列具體應(yīng)用方程，模擬了系統(tǒng)。通過工具 Dymola，系統(tǒng)得以建成并且短時間內(nèi)測試。使得能計算所需的線路來評估控制系統(tǒng)。 Dymola仿真特性，使 得有可能在幾乎真實的情況下觀看運動。即使對非轉(zhuǎn)泵，這也有助于 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 11 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 解釋結(jié)果。