簡單回顧了液壓仿真技術(shù)的發(fā)展，著重闡述了液壓仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點，從不同的側(cè)面介紹了一些軟件，并討論了未來的發(fā)展趨勢。

1、前言

對液壓元件和系統(tǒng)利用計算機進行仿真的研究和應(yīng)用已有30 年的歷史。隨著流體力學(xué)，現(xiàn)代控制理論，算法理論，可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的突飛猛進，液壓仿真技術(shù)也日益成熟，越來越成為液壓系統(tǒng)設(shè)計人員的有力工具。鑒于20 世紀90 年代末以前液壓仿真技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的情況，前人已有較多的介紹，本文不再詳述，而是著重于近期的發(fā)展以及未來的方向。

2、現(xiàn)代液壓仿真技術(shù)與軟件

從20 世紀70 年代初開始，國外開始進行液壓系統(tǒng)和元件的計算機數(shù)字仿真研究，我國也從20 世紀70年代末80 年代初開始進行液壓系統(tǒng)與元件的仿真研究。經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，液壓仿真軟件包的性能實現(xiàn)了從原先的精度低，速度慢發(fā)展到精度高，速度快；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)發(fā)展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)；從復(fù)雜的編程和輸入發(fā)展到交互友好的圖形用戶界面等都有極大的提升。特別是近幾年，國外尤其在歐洲液壓仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各款老牌的液壓仿真軟件紛紛推出了面目一新的版本。如英國的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德國的DSH + 等。另外一些擅長液壓仿真的綜合系統(tǒng)仿真軟件在商業(yè)上也獲得了很大的成功，具代表性的有法國的AMESIM，波音公司的Eay5。

作為液壓系統(tǒng)仿真軟件包，無論是由商業(yè)軟件公司還是大學(xué)研究機構(gòu)開發(fā)的，都已經(jīng)存在很長一段時間了，然而它們開始得到普遍的應(yīng)用還是較近的事。從幾個主流仿真軟件的建模和仿真算法看，大致可以按圖1 所示分類。

 

圖1 建模和仿真算法

圖1 所示的建模和仿真算法并沒有絕對的優(yōu)劣之分，各種軟件可以說都發(fā)展到了成熟應(yīng)用的階段。信號流的方法比較適合于設(shè)計控制系統(tǒng)，通常表示為方塊圖的形式。能量端口的方法在能被描述成環(huán)路圖的系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，因為環(huán)路圖就表示了系統(tǒng)的物理拓撲結(jié)構(gòu)。在積分運算器的設(shè)計上，大部分軟件采用了集中式運算器。隨著計算機硬件技術(shù)和算法發(fā)展，集中式運算器的仿真速度也已不是瓶頸。而分布式運算器則對系統(tǒng)中的元件分別設(shè)定積分步長，提高了仿真速度，并對并行處理可以更好的支持。

而縱觀近幾年液壓仿真技術(shù)的發(fā)展，可以看出現(xiàn)代液壓仿真軟件具有以下特點：

(1)通用液壓元件模型庫和支持特定模型的創(chuàng)建顯然，通用的元件庫是核心，沒有通用的液壓元件模型庫，一個軟件也就不能被稱為液壓仿真軟件了。支持用戶自定義元件模型的創(chuàng)建也是必不可少的，因為無論通用模型庫多么完美，也不可能包含用戶對元件模型的全部要求。如在Amesim 里，自定義元件模型就是由軟件自帶的零件模塊組裝；

(2)支持多領(lǐng)域建模仿真在實際的工程應(yīng)用設(shè)計中，幾乎很少有純粹的液壓系統(tǒng)存在。液壓系統(tǒng)通常是作為整個系統(tǒng)的一部分，即使元件也可能包括機械和電子器件，這就要求仿真時可以加入其他領(lǐng)域的模型，較常見的如DSH 中加入電子和機械方面的仿真模型，而Amesim 帶有液壓、機械、控制、信號、熱力學(xué)、氣動等多種模型庫；

(3)數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)文檔生成功能一個仿真系統(tǒng)較主要的技術(shù)文檔是系統(tǒng)的原理圖，其他還包括元件的微分和代數(shù)方程的數(shù)學(xué)模型描述、參數(shù)、仿真結(jié)果、其他產(chǎn)品信息等。實現(xiàn)這一功能的手段開始采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，而不是以傳統(tǒng)的難以管理的文件系統(tǒng)形式。以瑞典某大學(xué)的液壓仿真軟件Hopsan 為例，其使用數(shù)據(jù)庫管理的仿真環(huán)境示意圖如圖2 所示。

 

圖2 數(shù)據(jù)庫管理的仿真環(huán)境示意圖

圖2 中，Dynmoc 用以生成元件模型和系統(tǒng)連接的Fortran 程序， 而數(shù)據(jù)庫， 仿真程序和數(shù)學(xué)運算軟件Mathmatic 之間采用了Java 接口。Amos 模型數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行集中管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證數(shù)據(jù)的一致性和安全性以及用戶操作的獨立性，迅速準(zhǔn)確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和通信；

(4)圖形操作界面為了使眾多并不具備熟練的計算機知識的普通液壓技術(shù)人員能夠在小型計算機上較為順利地進行動力系統(tǒng)的仿真，從而使仿真技術(shù)能更廣泛地用于工程實際，友好的交互界面是不可缺少的，這也是仿真軟件大范圍商品化的要求。目前，幾乎所有知名的液壓仿真軟件都支持了圖形化操作界面，元件模型在軟件中一般以圖標(biāo)表示，系統(tǒng)則以原理圖的形式直接在軟件中畫出，元件型號和元件參數(shù)通過操作液壓原理圖直接選取，而不需要單獨編程輸入，軟件通過各自的識別技術(shù)根據(jù)回路的拓撲信息及組成元件的模型，由計算機自動生成回路的仿真計算模型的描述文件或程序；

(5)支持實時仿真及提供與通用軟件的接口當(dāng)前的液壓仿真軟件的積分運算器都包含了可變步長的功能，加上硬件速度的飛速提高，仿真速度大大提高，實現(xiàn)實時仿真已不是那么困難，而實時仿真使仿真人員在計算機屏幕上“實時”地看到系統(tǒng)的動作，使仿真計算更直觀、更具說服力。在軟件的接口方面，MATLAB/ Simulink已經(jīng)成為所有液壓仿真軟件的通用接口，一些有合作關(guān)系的公司和大學(xué)研究機構(gòu)也相互提供了接口。

3、發(fā)展方向

現(xiàn)代液壓仿真軟件雖然已經(jīng)在工程實際中越來越得到廣泛的應(yīng)用，但并不代表液壓仿真技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到盡善盡美了，在許多方面它們?nèi)匀淮嬖诓蛔??？v觀液壓仿真技術(shù)的較新進展，結(jié)合液壓領(lǐng)域的發(fā)展，液壓仿真技術(shù)主要有以下幾個發(fā)展方向：

(1)液壓系統(tǒng)模型和算法的進一步研究液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是流體，而流體的建模正確與否可以說決定了系統(tǒng)整體模型正確與否，因此流體的性質(zhì)一直都是研究的熱點。一方面，在液壓系統(tǒng)研究中還有許多復(fù)雜的情況沒有完全搞清楚，如流體在復(fù)雜閥道中的流動情況，閥口流量系數(shù)、液動力系數(shù)等軟參數(shù)的正確確定等。另一方面，在實際的應(yīng)用中，液壓仿真軟件的運算平臺逐漸開始轉(zhuǎn)向微機，被仿真的系統(tǒng)也更大規(guī)模，更復(fù)雜，隨之帶來的是運算時間幾何級數(shù)的增加，這就對單機算法的改進和分布式算法提出了要求。隨著新原理，新元件的出現(xiàn)以及對仿真精度的要求進一步提高，對模型和算法的研究將不斷深入。

(2)較優(yōu)化設(shè)計能力仿真軟件的較優(yōu)化設(shè)計能力應(yīng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計的較優(yōu)化，參數(shù)設(shè)定的較優(yōu)化及經(jīng)濟較優(yōu)化。在評價一個系統(tǒng)的動態(tài)特性時，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型起著決定性的作用，而且在模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)也是同樣重要的，精確地設(shè)定這些參數(shù)往往要比確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式困難的多。結(jié)構(gòu)設(shè)計的較優(yōu)化和參數(shù)設(shè)定的較優(yōu)化是指已知被設(shè)計系統(tǒng)的性能指標(biāo)(又稱目標(biāo)函數(shù)) 和可使用的元件，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論和人工智能專家?guī)斓姆椒ㄔO(shè)計出較佳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和較佳的系統(tǒng)參數(shù)，從而大大縮短設(shè)計周期。如果設(shè)計出的系統(tǒng)在經(jīng)濟上沒有可行性，那么無論它的性能多么完美也是不現(xiàn)實的。經(jīng)濟較優(yōu)化設(shè)計就是要在可選的設(shè)計中選擇出較經(jīng)濟實用的方案，這一點在實現(xiàn)上相對前兩點容易一點。比如可以在元件模型數(shù)據(jù)庫中添加一個價格指數(shù)，然后再針對系統(tǒng)的復(fù)雜程度，安裝維護難度等成本因素和相對成本因素計算出系統(tǒng)的成本估計。

(3)仿真和測試的無縫集成即液壓仿真軟件通過計算機接口與實際的物理系統(tǒng)連接，這樣能更好地比較仿真和實驗結(jié)果。這種方式特別適用于當(dāng)某些系統(tǒng)的部件和現(xiàn)象尚無合適的模型或難以建模，或者系統(tǒng)本身有特殊要求時，以實際的物理部件作為仿真模型的一部分。軟件實時仿真結(jié)合HWIL(Hardware In Loop) 仿真和HIL (Human In Loop) 仿真，從而使仿真過程更加靈活， 仿真結(jié)果更有可信度。

在軟件和實際系統(tǒng)集成的過程中，主要的困難在于接口。如果軟件和硬件的接口狀態(tài)變量只是電量則是比較容易處理的，如果包含機械變量特別是流體變量就比較困難了，因為加入一些額外的傳感器不僅增加了費用，也引入了誤差，使系統(tǒng)更加復(fù)雜。目前在國防工業(yè)中武器平臺的系統(tǒng)仿真大量使用了半實物仿真系統(tǒng)，它們已經(jīng)在新型武器平臺的研制中發(fā)揮了極大的作用，而在液壓領(lǐng)域，半實物仿真的工作才剛剛起步。

(4)多媒體技術(shù)，面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用當(dāng)前的液壓仿真軟件雖然已經(jīng)實現(xiàn)了圖形化界面，但對多媒體技術(shù)的支持還是很初步的。多媒體技術(shù)特別是多媒體動畫技術(shù)在計算機領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟了，如果結(jié)合到仿真系統(tǒng)的實時動作和結(jié)果分析中，就可以動態(tài)直觀地表示液壓傳動內(nèi)容，大大克服其抽象復(fù)雜的缺點。例如在液壓傳動的教學(xué)中，完全可以用結(jié)合多媒體動畫的液壓軟件進行仿真代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓實驗。正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用也是液壓仿真軟件發(fā)展的一個方向，只是目前來講這一技術(shù)在許多方面還不成熟，實現(xiàn)的成本很高。在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用方面，面向?qū)ο蟮姆椒ㄔ谝簤悍抡孳浖脑O(shè)計中已經(jīng)逐步取代了模塊式的方法并不斷發(fā)展。在面向?qū)ο蟮乃枷胂拢麄€系統(tǒng)由對象組成，系統(tǒng)的運作通過對象之間的接口和消息傳遞實現(xiàn)。當(dāng)被仿真的系統(tǒng)越大越復(fù)雜時，面向?qū)ο蠓椒ń⒌哪Ｐ驮奖憩F(xiàn)出它的優(yōu)越性，對仿真模型的修改、擴充和重用以及分布式建模的支持更加完善。

4、結(jié)束語

比較國外蓬勃發(fā)展的液壓仿真軟件，我國近十幾年在這方面的研究是比較滯后的。但從較近幾年看，國內(nèi)液壓界對仿真的需求越來越大，研究人員對仿真研究的熱情也開始升溫。我國液壓技術(shù)研究領(lǐng)域應(yīng)大力加快自主知識產(chǎn)權(quán)的商品軟件開發(fā)，積極參與液壓仿真軟件產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，讓液壓仿真技術(shù)在我國展示出強大的生命力。