[發明專利]基于Modelica語言的泵車臂架系統仿真建模方法

無效

• 申請號: 201110449536.8
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102540903A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 仲作陽;孟光;張文明;荊建平;李明;何淑芬
• 申請（專利權）人: 李明;孟光;荊建平
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司 31253
• 代理人: 楊軍

[技術領域]

本發明涉及泵車臂架仿真系統技術領域，具體地說是一種基于Modelica語言的泵車臂架系統仿真建模方法。

[背景技術]

混凝土泵車臂架系統用于混凝土的輸送和布料，其通過臂架油缸伸縮、轉臺轉動，將混凝土經由附在臂架上的輸送管，直接送達臂架末端所指位置即澆筑點。頻繁的起動、制動過程中，臂架系統機構和結構承受著強烈的沖擊和振動，是典型的機械、液壓、控制等多領域耦合系統。故而，對泵車臂架機構合理、科學、全面的多領域并存的動力學建模仿真就顯得尤為重要與緊迫。

在混凝土泵車臂架設計領域，計算機仿真可以發揮投資少見效快的特點，以較少的投資快速地獲得幾種不同的設計方案，其設計往往是非線性的和互相依賴的。這就要求在建模仿真過程中對泵車臂架系統全面考慮，盡可能地建立完整、完善的模型。沈陽大學的張國忠教授在《混凝土泵車臂架布料機構及其運動學仿真方法的研究》一文中介紹了其開發的混凝土泵車總體設計CPCWD軟件系統，該系統是基于windows平臺，利用visual?basic和Microsoft?Access97開發的模塊化結構，提供了有限元、穩定性、仿真系統等模塊。作者提供了模塊化的建模思想，構建了不同模塊，可以對泵車臂架進行不同方面的仿真，但是開發這類復雜系統對開發人員要求非常高，開發人員不僅要有扎實的編程能力，還要對物理抽象出來的數學模型設計求解算法，算法對模型仿真效率至關重要。也就不利于用戶很好的掌握和使用。

泵車臂架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。為進一步研究并改善泵車臂架系統的動態特性，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。而如果單純考慮泵車臂架系統自身機械系統的特性，可以采用機械系統動力學分析軟件工具(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，故采用單一的工具難以對這些由于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。

針對以上泵車臂架系統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件ADAMS的模型導出成MATLAB/Simulink模型，然后集成到MATLAB/Simulink軟件中，并與液壓動力仿真分析軟件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。且不同領域的問題采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復雜問題，模型重復且不可重用，會導致仿真精度、建模效率、仿真速度等方面的問題。

Modelica是一種多領域統一的面向對象的建模語言，它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，于1997年提出的一種基于方程的陳述式建模語言。模型采用陳述式表達，應用機理建模方法，是基于方程的物理建模語言，其借鑒了JAVA的語言描述方式，采用了matlab的矩陣表達方式，創新了可視化鍵合圖的建模方式。并采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于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。

[發明內容]

本發明的目的就是要解決上述的不足而提供一種基于Modelica語言的泵車臂架系統仿真建模方法，具有模塊化、層次化、規范化和參數化，以及仿真模型互操作性和重用性強的特點。

為實現上述目的設計一種基于Modelica語言的泵車臂架系統仿真建模方法，其包括如下步驟：

1)系統拆解：根據真實臂架系統進行系統級拆解，將其拆解為臂架系統、液壓系統和控制系統，構建一系列物理系統模型，將這些模塊按一定的規則，組織成具有相對獨立性的部件模型庫，并通過模型簡化構造模型庫；

2)部件建模：首先構建同一類元件的接口，接口分為輸入接口和輸出接口，前一元件的輸出接口和后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，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；

3)系統級建模：通過使用部件中相應的“虛”模型，代替在部件建模中建立的泵車臂架部件的實際模型，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、方程組構建；