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EASY5仿真技術及其在液壓系統中的應用
發布時間：2017-09-01
前 言
液壓仿真技術, 從誕生到今天, 已經有30 多年的歷史, 在我國也有20 多年的發展歷史, 隨著科學技術、仿真理論以及計算機技術的不斷發展, 液壓仿真技術日益成熟, 已成為液壓系統設計人員的有力工具。
EASY5 軟件作為一套面向多學科動態系統和控制系統的仿真軟件, 為液壓、氣動、機械、控制、電磁等工程系統提供了一個較為完善的綜合仿真環境和仿真平臺。
1 ESYS介紹
MSC.EASY5(Engineering Analysis System) 是美國波音公司根據航空技術發展需要開發的多專業動態系統仿真分析軟件包。
EASY5 軟件兼具完全的圖形化建模環境、強大的仿真和分析能力、連接其它多種工程軟、硬件的開放結構, 可以用來仿真各種由微分、差分和代數方程描述的動態系統。它的獨到之處在于:
(1) 強大的控制系統仿真分析能力, 可以建立完整的線性或非線性控制系統模型, 進行包括穩態分析、線性系統分析、頻域響應、根軌跡分析等各種分析和控制律的設計;
(2) 其多學科的專業應用庫, 借助專業應用庫中的預定義模型, 向用戶提供獨一無二的建立系統級模型和研究多學科系統耦合問題的能力;
(3) 卓越的代碼生成和求解器, 可以由圖形化系統模型自動生成相應的FORTRAN 或C 源代碼,這些代碼可以通過編譯生成可執行文件, 并可被用戶調用;
(4) 便捷的高級建模和二次開發功能, 方便用戶創建自己的模型文件, 并可調用外部FORTRAN或C 子程序;
(5) 與其它CAE 軟件良好的集成能力, 可以將不同CAE 軟件所建立的模型集成到EASY5 軟件中建立完成的虛擬樣機, 并進行仿真。同時, 可以有效的幫助用戶對各類系統進行參數選定、功能評價、響應分析或控制邏輯設計。
2 EASY5 在液壓系統中的應用
EASY5 軟件專門為液壓系統的建模提供了兩個液壓元件庫, 一個是HB 庫( 即基礎液壓元件庫), 一個是HC( 高級液壓元件庫), 兩個庫都為用戶提供了大量的液壓基礎元件, HC 庫中的元件功能相對來說更強大, 并且能進行熱力學計算。
鑒于液壓元件的多樣性, 液壓元件庫不可能滿足所有的建模要求, 因此EASY5 軟件提供了大量的最基礎的原理級模塊, 通過這些模塊的組合可以建立設計人員建模所需要的模型, 同時也可以通過這些模塊完成對液壓元件進行設計。這些模塊圖示如圖2 所示。
下面舉兩個例子, 分別說明EASY5 在液壓元件設計跟液壓系統仿真方面的應用。
2.1 調速閥的建模與仿真
調速閥是一種節流閥與它控式定差減壓閥串聯組成的流量控制閥。它的工作原理為通過將節流閥出口的壓力反饋到定差減壓閥閥心的一端, 通過閥心位移的負反饋控制減壓閥的節流面積, 保持節流閥兩端的壓力差不變。
在EASY5 軟件中建模原理: 通過對閥心的受力分析, 計算出閥心的位移, 然后將閥心的位移轉換成減壓閥節流面積來控制節流閥兩端的壓力。對閥心進行受力分析, 在動態調節過程中, 閥心受到的力[2-3]主要有液壓力Fp、液動力FR( 其中包括穩態液動力Fs、瞬態液動力Fi)、彈性力Ft、慣性力、粘性力等5 種力, 其中瞬態液動力的數值所占的比例不大, 在本模型中, 系統的動態響應不高, 因此忽略此力。在EASY5 軟件中, 有相應的模塊分別對應以上的力, 例如FT 模塊對應液動力FR, CD 模塊對應液壓力Fp, 等, 最后通過求和模塊FS將以上各力進行求和, 得出合力并將結果傳遞給慣性力模塊PM計算出閥心的位移, 通過位移轉換模塊OA 又將此位移轉變成減壓閥節流口面積。
模型建立以后, 根據各模塊的要求把元件的相關參數填入模型, 其他的復雜的數學計算將交給計算機去完成。整個建模過程的實質是用液壓中的我們熟悉的元件符號來代表微分方程或差分方程, 然后通過參數的設置完成對方程初始狀態的賦值, 最后由編譯器完成方程的求解運算得出需要的結果。通過改變負載壓力, 可以看到調速閥流量的調節效果。
在負載壓力變化的情況下, 通過調速閥的流量與控制節流閥開口度的信號仍成線性關系, 這與實際的流量曲線是一致的, 因此建模是成功的。
2.2 EASY5 軟件在液壓系統中的應用
以下是一個常見的帶位置反饋的閥控液壓控制系統, 原理圖如圖7 所示。其工作原理為將液壓缸的工作位置反饋給PI 控制器, PI 控制器再與T1模塊提供的所期望的控制位移進行比較, 然后由PI控制器進行相關的計算, 將控制量傳遞給二位四通電磁伺服閥, 通過對伺服閥開口度的控制來改變流量, 最后完成對液壓缸活塞桿位置的控制。
建模過程簡述如下:
首先將所需的液壓元件從HC 庫、控制模塊從GP 庫內挑選出來, 然后分別根據液壓、信號流向連接各元件, 在連接液壓元件時要特別主要液流方向, 連接完畢以后通過編譯器對系統進行編譯, 檢查連接的正確性, 編譯成功以后對各元件的參數進行配置, 最后設置所期望的變量值, 以便在仿真結束以后查看結果。在本例中, 通過對P 的試湊, 最后得到當P=50 時, 控制的效果最好。
實際的位移總是滯后于所期望的控制位移, 這是液壓系統固有的滯后性所造成的結果。此外我們還可以查看各元件的輸入輸出流量以及峰值壓力等。如圖9 所示可以查看液壓兩腔在工作時的壓力變化情況:
液壓缸的峰值壓力以及壓力隨流量的變化情況, 這對實際液壓元件的選型、系統設計具有很大的指導意義。
3 結束語
總之EASY5 軟件是一款具有強大工程背景的分析軟件, 它不需要建立繁瑣的數學表達式, 通過圖形操作就能完成相關模型的建立, 同時具有良好的仿真效果, 與其他流行CAE 軟件比如說ADAMS、Matlab 等, 都有方便的數據接口。它不僅可以指導新產品的設計開發, 還可以對故障進行仿真研究, 功能十分強大。隨著虛擬樣機技術的發展, EASY5 將有越來越廣泛的應用。
摘自：中國計量測控網
