基于OpenModelica的液壓系統(tǒng)仿真建模方法的研究

1 前言

當(dāng)前，可以進行液壓系統(tǒng)仿真建模的軟件或者平臺有很多種，包括但不限于：FluidSim、AutomationStudio、Matlab的Simulink、Amesim、20-sim、Modelica等

。這些建模軟件各有各的長處。其中，F(xiàn)luidSim和AutomationStudio擅長進行液壓傳動系統(tǒng)及其自動化控制的仿真；Matlab的Simulink中的SimScape模塊擁有液壓庫，可以進行液壓傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的仿真；而Amesim、20-sim、Modelica等仿真軟件是液壓系統(tǒng)仿真軟件中的后起之秀，他們基于更先進的多物理場統(tǒng)一仿真建模理論，適合進行機械、電子、液壓、氣動等多學(xué)科領(lǐng)域混合的復(fù)雜機電液系統(tǒng)仿真建模，是未來仿真建模軟件的發(fā)展趨勢。

其中，Amesim仿真軟件基于功率鍵合圖理論搭建系統(tǒng)仿真模型，這需要在建模過程中指定明確的因果關(guān)系；而20-sim、Modelica等仿真軟件或平臺，是一種面向?qū)ο蟮姆且蚬P(guān)系的仿真建模語言。它們的目標(biāo)是為動態(tài)系統(tǒng)建立一種標(biāo)準(zhǔn)的基于方程模型的仿真語言，使得仿真建模與仿真工具分離，實現(xiàn)仿真建模的標(biāo)準(zhǔn)化

。

OpenModelica是一個開源的基于Modelica語言的建模和仿真環(huán)境，用于工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究工作中。長期由非盈利組織OpenSourceModelicaConsortium(OSMC)開發(fā)和維護。該軟件平臺的開源性質(zhì)決定了獲取和使用該軟件是免費的，相比Matlab、Amesim和20-sim高昂的采購價格，可以大幅度壓縮仿真建模成本；更重要的是，開源軟件可以直接對源代碼進行修改，定制滿足自己需求的仿真模型，滿足用戶對個性化仿真元件庫的需求

。基于以上優(yōu)點，本文以O(shè)penModelica為仿真平臺，介紹在該平臺上進行液壓元件和系統(tǒng)的仿真建模方法。

2 仿真環(huán)境

2.1 Modelica語言概述

本文所介紹的液壓系統(tǒng)仿真模型庫，是運行于OpenModelica仿真平臺之上的，而OpenModelica，是基于Modelica語言的。要想對液壓系統(tǒng)仿真模型庫進行更改，首先要掌握Modelica語言的基本原理。

氯氮平購自Sigma(美國)，阿立哌唑購自中國食品藥品檢定研究院，喹硫平、齊拉西酮、氯氮平-d3、喹硫平-d8和齊拉西酮-d8購自Toronto research chemicals Inc(加拿大)，N-去甲基氯氮平、阿立哌唑-d8購自 cerilliant(美國)，色譜甲醇、乙腈購自默克公司(德國)，屈臣氏蒸餾水購自廣州屈臣氏食品飲料有限公司。

Modelica語言是一種基于方程的(微分方程或微分代數(shù)方程)、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，開發(fā)這種語言的目的，是為了給仿真工程師提供一種便捷地描述動態(tài)系統(tǒng)模型的工具。在Modelica語言誕生之前，系統(tǒng)動態(tài)特性的描述一般用通用的編程語言(例如C語言、C++語言、Matlab腳本語言等)進行描述，其缺點是不夠直觀，編寫困難。Modelica語言就是針對以上問題而設(shè)計的。Modelica語言具有以下4個主要特征：

選取寧夏地區(qū)3項110 kV智能變電站裝配式建筑工程作為評價樣本(N1,N2,N3)，探討本文所構(gòu)建的基于直覺梯形模糊數(shù)多因子群決策方法的110 kV智能變電站裝配式建筑造價評價模型的可行性和應(yīng)用性。由來自電網(wǎng)公司造價管理部門的3名專家Sk(k=1,2,3)組成的造價評價小組，分別對各工程的4項智能變電站裝配式建筑關(guān)鍵造價影響因子：鋼柱C1，樓板屋面板C2，外墻C3，屋面保溫C4進行評價，評價值為直覺梯形模糊數(shù)，構(gòu)成智能變電站裝配式建筑造價影響因子的直覺梯形模糊決策矩陣并依據(jù)國網(wǎng)公司裝配式建筑典型設(shè)計方案，計算得出理想直覺梯形模糊向量如表1所示。

OpenHydraulic模型庫的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中UsersGuide是用戶手冊，Examples和DevelopmentTests是應(yīng)用實例，以上內(nèi)容是初學(xué)者掌握OpenHydraulic庫使用方法的主要參考資料。其余的子模型庫，包括：Basic、Components、Circuits、Fluids、Interfaces、Types和Utilities共同組成了液壓系統(tǒng)仿真模型庫，拖拽其中的模型到編輯區(qū)，就可以方便的構(gòu)建液壓系統(tǒng)仿真模型。為了仿真工程師對OpenHydraulic進行擴展，本文對一些關(guān)鍵的子模型庫的實現(xiàn)原理進行簡單的介紹。

面對兩個階段教育存在的差異，為了讓孩子順利過渡，幼兒園一般會在大班對孩子進行幼小銜接教育。家園協(xié)作顯得格外重要，家長要樹立起正確的幼小銜接觀念，具體體現(xiàn)在以下兩個方面：

(3)Modelica是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，擁有類似C++語言的模板機制，這個特性提高了模型的復(fù)用性，便利了仿真系統(tǒng)的開發(fā)；

2)加木墊板時錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的系數(shù)平均為0.19，相比金屬托盤降低23%，且預(yù)緊力矩與預(yù)緊力之間的線性關(guān)系較差。當(dāng)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩為400 N·m(井下施工常用預(yù)緊轉(zhuǎn)矩)時，金屬托盤預(yù)緊力為107.57 kN，加木墊板后僅為76.76 kN，相比降低了28%。

飛機液壓泵是民用飛機液壓系統(tǒng)中最關(guān)鍵的動力元件之一，它將航空動力機械的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能輸出，從而給飛行控制系統(tǒng)、起落架傳動系統(tǒng)等提供液壓動力。一般軍用或者民用飛機的液壓泵都要定期進行維修，而維修過后的液壓元件，再次進行服役前，都需要進行測試。

本文所介紹的液壓系統(tǒng)仿真庫——OpenHydraulic，正是用Modelica語言進行編寫、同時運行于OpenModelica軟件平臺的模型庫。由于該模型庫采用Modelica語言編寫，如前所述的四項特征，保證了其可靠性、易用性和擴展性。特別適合非計算機領(lǐng)域內(nèi)的仿真建模工程師使用。

2.2 系統(tǒng)環(huán)境的安裝

OpenModelica是基于Modelica語言的仿真環(huán)境，而Modelica是一門面向?qū)ο蟮姆抡娼ＵZ言。用戶只需按照Modelica語言規(guī)定的語法規(guī)則，建立實際物理系統(tǒng)的動態(tài)特性方程式，并將這些模塊化的對象通過連接器連接起來，即完成了仿真模型的建立工作。由于系統(tǒng)被劃分為了多個對象，這些對象可以通過連接器連接起來，不同的連接方式，構(gòu)成了不同的仿真模型系統(tǒng)，從而提高了對象的復(fù)用率，進而提高了建模效率。而通過連接器的不同組合方式，提高了仿真建模的靈活性。因而，除了仿真模型的建立，連接器也是Modelica具有廣泛適用性的重要保證。

2.3 仿真環(huán)境的組成

1.加強飼養(yǎng)，防止?fàn)I養(yǎng)因子缺乏。妊娠母豬飼喂全價飼料，保持營養(yǎng)平衡，防止維生素A、維生素D、維生素C、維生素E、微量元素及礦物質(zhì)的缺乏，以保證胎兒正常發(fā)育。同時，為使免疫母豬盡可能多地給仔豬提供特異性抗體，可在母豬飼糧中添加VE；配種前15 d內(nèi)及妊娠期間，在母豬日糧中加入適量低分子脂肪酸，可顯著提高初乳中總蛋白質(zhì)、免疫球蛋白和不飽和脂肪酸含量，從而增強仔豬抗御病原體，特別是腸道病原體的能力，減少斷奶前腸道疾病造成的損失，防止腹瀉的發(fā)生。

2.4 仿真環(huán)境的工作原理

想要借助OpenModelica進行液壓系統(tǒng)的仿真建模，首先應(yīng)該訪問其官網(wǎng)

，安裝相應(yīng)的軟件包。目前該軟件的最新版本是OpenModelica1.18.1。該軟件包可以運行在Windows和Linux環(huán)境下，本文以Windows環(huán)境為例，介紹其安裝和使用方法。

3 OpenHydraulic庫

如前文所述，OpenModelica是一個仿真運行環(huán)境，它提供了一個對Modelica語言描述的動態(tài)系統(tǒng)模型進行解釋運行的引擎。OpenModelica的用戶一般是某一領(lǐng)域的仿真工程師，仿真工程師的目的就是借助仿真軟件，解決某一工程領(lǐng)域的具體問題。為了幫助仿真工程師利用Modelica進行工作，OpenModelica平臺預(yù)裝了多個物理領(lǐng)域的仿真模型庫，常見的模型庫包括：Electrical(電子)、Magnetic(磁)、Mechanic(機械)、Fluid(流體)等等。但本文介紹的流體傳動與控制系統(tǒng)仿真的模型庫，目前OpenModelica還沒有集成進來。因此，如果想在OpenModelica環(huán)境中進行流體傳動與控制系統(tǒng)的仿真，暫時需要借助第三方庫——OpenHydraulic。

OpenHydraulic是由佐治亞理工學(xué)院的Chris Paredis教授開發(fā)的開源Modelica模型庫，提供了完整的液壓系統(tǒng)仿真模型庫文件。使用該模型庫，可以方便地在OpenModelica中進行液壓系統(tǒng)仿真模型的建立。另外，由于該模型庫是開源的軟件包，用戶可以在研究其實現(xiàn)的基本原理基礎(chǔ)上，對該模型庫進行進一步開發(fā)和完善，從而定制屬于自己的液壓系統(tǒng)仿真模型庫。下面本文將對其實現(xiàn)原理和使用方法進行簡單的介紹。

3.1 組成結(jié)構(gòu)

(1)Modelica語言的語法主要基于方程的編寫而不是強調(diào)賦值語句。由于這種語法不強調(diào)建模的因果關(guān)系，因而提高了模型的重用率；

3.2 Interfaces(接口子模型庫)

接口子模型庫的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中比較重要的類是FluidPort、PartialFluidComponent、PartialFluidCircuit、HorizontalTwoPort和VerticalTwoPort。如其英文名字所描述的哪樣，F(xiàn)luidPort定義了液壓端口，由于所有的液壓元件都是通過液壓端口來進行連接的，因而根據(jù)Modelica語言的語法要求，該類被定義為connector類型。

PartialFluidComponent、PartialFluidCircuit類根據(jù)Modelica的語法規(guī)則，聲明為partialmodel類型，相當(dāng)于面向?qū)ο笳Z言中的抽象類，這兩個類在構(gòu)建液壓元件或液壓回路時，將起到類似模板的功能，所有的液壓元件和液壓回路，都是在這兩個類的基礎(chǔ)上派生的。

HorizontalTwoPort和VerticalTwoPort，定義了帶有兩個端口的液壓元件的抽象類，出于圖標(biāo)布置的需要，兩端口液壓元件的抽象類被定義為水平(Horizontal)和垂直(Vertical)。

3.3 Base(基本子模型庫)

Base子模型庫的部分類如圖3所示，這個子模型庫定義了最基本的液壓元件子模型，包括最簡單的液阻、流量源、壓力源、油箱等等，這些類是構(gòu)建更高級的液壓元件或系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)。一般仿真軟件工程師不必對這個子模型庫進行修改。

(2)Modelica語言特別適合建立多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合模型。因而特別適合進行機電液混合系統(tǒng)建模，也適合本文的應(yīng)用場景；

3.4 Components(元件子模型庫)

元件子模型庫定義了：液壓缸、管道、馬達和泵、傳感器、液壓閥和液壓輔件的子模型。限于篇幅，本文以雙向定量泵為例，介紹其定義和實現(xiàn)方法。讀者可以在此基礎(chǔ)上舉一反三，開發(fā)出自定義的液壓元件子模型。

所有的元件子模型，都需要定義其：圖標(biāo)視圖、組件視圖和程序源代碼。雙向定量泵的圖標(biāo)視圖如圖4所示，組件視圖如圖5所示。

圖標(biāo)視圖定義了模型被引用時的外觀結(jié)構(gòu)，組件視圖定義了元件的實現(xiàn)方式。這里面組件視圖所起的作用最主要，模型所表現(xiàn)出的物理特性，均是在組件視圖定義的基礎(chǔ)上、再配合程序源代碼的定義來實現(xiàn)的。

觀察圖5，雙向定量泵組件視圖主要是通過連接器將：機械端口(1、2號元件)、液壓端口(3、4號元件)、機械液壓轉(zhuǎn)換元件(5號元件)、液阻模型(6號元件)，通過特定的連接方式組成的。機械端口的作用是傳入外界的機械功率；液壓端口的作用是將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能輸出；而液阻模型主要是模擬液壓泵的泄漏。通過以上的定義，將雙向定量泵劃分為了若干個子模塊，這種劃分方式，既保證了子模型的復(fù)用性，提高了建模效率；又避免了模型的錯誤，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

4 仿真試驗

(4)Modelica有一套組件和連接器的定義方式，特別適合抽象描述復(fù)雜物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利于對軟件進行擴展。

安裝完成后，用戶會得到如下4個工具軟件，包括：OpenModelica Shell、OpenModelicaNotebook、OpenModelicaOptimizationEditor和OpenModelicaConnectionEditor。這其中以O(shè)penModelicaConnectionEditor最為重要。如其名字所指出的那樣，該工具軟件主要用來進行連接器的編輯工作。

目前，飛機液壓泵測試的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)均掌握在發(fā)達國家手里。國內(nèi)關(guān)于液壓泵的測試主要是進行型式試驗和出廠試驗，由于航空液壓泵的測試標(biāo)準(zhǔn)和適用環(huán)境不同，急需設(shè)計新的液壓回路和系統(tǒng)，來對航空液壓泵進行性能測試

。面對這種需求，如果能在設(shè)計實物液壓泵測試系統(tǒng)之前，利用仿真軟件，對液壓泵性能測試回路進行仿真模擬，驗證泵測試回路的可行性，將在極大程度上提高航空液壓泵試驗臺的設(shè)計效率，提高可靠性。

本文待分析的數(shù)據(jù)涉及員工基本信息表、工種表、部門表、出勤表和勤種表五張表。其中主關(guān)系表有5000條記錄，聯(lián)系表有44萬條記錄。系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Visual C++2010，后臺數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、系統(tǒng)配置、頻繁項集挖掘和關(guān)聯(lián)規(guī)則導(dǎo)出五個功能模塊。

針對以上問題，本文以一個簡化的液壓泵性能測試仿真回路為例，說明利用OpenHydraulic庫進行液壓系統(tǒng)建模仿真的方法。該仿真系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6中，1號元件代表輸入的恒定轉(zhuǎn)速(輸入功率，相當(dāng)于電動機)；2號元件和3號元件是一對雙聯(lián)泵，其中2號元件是定量泵、而3號元件是變量泵；4號元件代表液壓油箱；5號元件代表壓力傳感器；6號元件代表對液壓泵3進行的排量變換設(shè)定的命令信號。

隨著國家寬帶提速、三網(wǎng)融合和4G戰(zhàn)略的實施，四川乃至西部信息通信工程建設(shè)項目不斷增加，眾多的移動通信用戶對于通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提出了高的要求，通信企業(yè)需要大量從事傳輸和移動通信網(wǎng)絡(luò)測試優(yōu)化的人才。

To sumup,this study examines and tries to prove the hypothesis that various modes,or in our case,the visual mode,find their way into textual narration,and with such intertwining of different modes in the textual content,both humor and politics can be discussed implicitly or metaphorically.

其中3號和6號元件的使用，體現(xiàn)了仿真軟件的優(yōu)勢。因為在現(xiàn)實的液壓系統(tǒng)中，要對液壓泵的排量機構(gòu)進行調(diào)整，需要一整套機械或機電結(jié)合的調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)較為困難。而在OpenHydraulic仿真模型庫中，可以方便的用信號庫中的元件驅(qū)動變量泵3進行排量調(diào)整，彌補了實物試驗的不足。

系統(tǒng)的仿真模型建立完成后，單擊工具欄上的開始仿真按鈕，OpenModelica在后臺會將圖6所示的液壓原理圖轉(zhuǎn)換為C語言程序源代碼，然后進行編譯仿真。之后會進入繪圖模式，在右側(cè)的變量瀏覽器中勾選用戶關(guān)心的變量，即會將相關(guān)變量的動態(tài)特性的仿真結(jié)果繪制在圖形窗口中。

在本例中，我們勾選了液壓泵3的出口流量和輸入扭矩，繪制出的仿真曲線圖如圖7、圖8所示。

歷經(jīng)盛世輝煌和末世倉皇的激蕩心情，在李凡再次睜開雙眼后，出奇地平靜了下來。盡管他所面對的，不過是現(xiàn)實世界一處普通的建筑工地。

從圖7和圖8中可以觀察到，隨著輸入信號對液壓泵排量進行設(shè)定，液壓泵的出口流量和輸入扭矩，也發(fā)生周期性的變化。更重要的是，可以從仿真中得到量化的數(shù)值結(jié)果，從而對液壓泵試驗臺的液壓系統(tǒng)回路的設(shè)計，提供指導(dǎo)和借鑒意義。

5 結(jié)論

本文以開源軟件OpenModelica為仿真平臺，介紹了其液壓庫OpenHydraulic的基本原理和使用方法。通過一個航空液壓泵測試仿真回路，驗證了本仿真技術(shù)方案和平臺的可行性。本液壓系統(tǒng)仿真建模方法性價比高，并且用戶可以在其基礎(chǔ)上進行任意擴展和修改，為開發(fā)出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的液壓系統(tǒng)仿真模型庫，提供了一種可行的技術(shù)方案。

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