[发明专利]基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及泵车臂架仿真系统技术领域，具体地说是一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法。

[背景技术]

混凝土泵车臂架系统用于混凝土的输送和布料，其通过臂架油缸伸缩、转台转动，将混凝土经由附在臂架上的输送管，直接送达臂架末端所指位置即浇筑点。频繁的起动、制动过程中，臂架系统机构和结构承受着强烈的冲击和振动，是典型的机械、液压、控制等多领域耦合系统。故而，对泵车臂架机构合理、科学、全面的多领域并存的动力学建模仿真就显得尤为重要与紧迫。

在混凝土泵车臂架设计领域，计算机仿真可以发挥投资少见效快的特点，以较少的投资快速地获得几种不同的设计方案，其设计往往是非线性的和互相依赖的。这就要求在建模仿真过程中对泵车臂架系统全面考虑，尽可能地建立完整、完善的模型。沈阳大学的张国忠教授在《混凝土泵车臂架布料机构及其运动学仿真方法的研究》一文中介绍了其开发的混凝土泵车总体设计CPCWD软件系统，该系统是基于windows平台，利用visual basic和Microsoft Access97开发的模块化结构，提供了有限元、稳定性、仿真系统等模块。作者提供了模块化的建模思想，构建了不同模块，可以对泵车臂架进行不同方面的仿真，但是开发这类复杂系统对开发人员要求非常高，开发人员不仅要有扎实的编程能力，还要对物理抽象出来的数学模型设计求解算法，算法对模型仿真效率至关重要。也就不利于用户很好的掌握和使用。

泵车臂架系统主要由机械和液压两个领域组成，而传统的单一领域建模与仿真分析工具，显然不能胜任其整体性能仿真分析的任务。为进一步研究并改善泵车臂架系统的动态特性，还必须充分考虑控制部分对整机系统动态响应的影响。这样，系统的建模就涉及到机械、液压和控制等多个领域。而如果单纯考虑泵车臂架系统自身机械系统的特性，可以采用机械系统动力学分析软件工具(例如MSC_ADMAS)来进行仿真，但如果考虑整个变幅系统动力性、稳定性等，这些特性不仅涉及机械系统的动力学特性，而且涉及液力系统、电子电控系统等，故采用单一的工具难以对这些由于多个不同领域子系统耦合造成的特性进行准确的分析，且不能考虑机械、液压及控制的能量耦合效应。

针对以上泵车臂架系统中的典型多领域问题，工程中也产生了对单一领域仿真工具进行集成、或进行多领域延拓的方法，例如，将机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的模型导出成MATLAB/Simulink模型，然后集成到MATLAB/Simulink软件中，并与液压动力仿真分析软件AMSim进行大型联合仿真。虽然这种思路提供了一种解决多能域耦合动力学仿真的方法，但是此种方法很难以做到多种不同工具的无缝集成。且不同领域的问题采用不同工具建立不同模型进行仿真，势必要遇到数据传递的复杂问题，模型重复且不可重用，会导致仿真精度、建模效率、仿真速度等方面的问题。

Modelica是一种多领域统一的面向对象的建模语言，它是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种建模语言的基础上，于1997年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。模型采用陈述式表达，应用机理建模方法，是基于方程的物理建模语言，其借鉴了JAVA的语言描述方式，采用了matlab的矩阵表达方式，创新了可视化键合图的建模方式。并采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统的拓扑结构基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微分代数方程系统实现仿真运行。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法，具有模块化、层次化、规范化和参数化，以及仿真模型互操作性和重用性强的特点。

为实现上述目的设计一种基于Modelica语言的泵车臂架系统仿真建模方法，其包括如下步骤：

1)系统拆解：根据真实臂架系统进行系统级拆解，将其拆解为臂架系统、液压系统和控制系统，构建一系列物理系统模型，将这些模块按一定的规则，组织成具有相对独立性的部件模型库，并通过模型简化构造模型库；

2)部件建模：首先构建同一类元件的接口，接口分为输入接口和输出接口，前一元件的输出接口和后一元件的输入接口连接，不同类型的元件之间的传递要保证其有相同的接口，同一部件的物理模型通过其输入接口、输出接口之间的方程组来描述；

3)系统级建模：通过使用部件中相应的“虚”模型，代替在部件建模中建立的泵车臂架部件的实际模型，通过平台的图形化界面功能：窗口管理，拖放、移动“虚”模型图标，接口连接以及添加参数、方程组构建；