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EASY5仿真技术及其在液压系统中的应用
发布时间：2017-09-01
前 言
液压仿真技术, 从诞生到今天, 已经有30 多年的历史, 在我国也有20 多年的发展历史, 随着科学技术、仿真理论以及计算机技术的不断发展, 液压仿真技术日益成熟, 已成为液压系统设计人员的有力工具。
EASY5 软件作为一套面向多学科动态系统和控制系统的仿真软件, 为液压、气动、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和仿真平台。
1 ESYS介绍
MSC.EASY5(Engineering Analysis System) 是美国波音公司根据航空技术发展需要开发的多专业动态系统仿真分析软件包。
EASY5 软件兼具完全的图形化建模环境、强大的仿真和分析能力、连接其它多种工程软、硬件的开放结构, 可以用来仿真各种由微分、差分和代数方程描述的动态系统。它的独到之处在于:
(1) 强大的控制系统仿真分析能力, 可以建立完整的线性或非线性控制系统模型, 进行包括稳态分析、线性系统分析、频域响应、根轨迹分析等各种分析和控制律的设计;
(2) 其多学科的专业应用库, 借助专业应用库中的预定义模型, 向用户提供独一无二的建立系统级模型和研究多学科系统耦合问题的能力;
(3) 卓越的代码生成和求解器, 可以由图形化系统模型自动生成相应的FORTRAN 或C 源代码,这些代码可以通过编译生成可执行文件, 并可被用户调用;
(4) 便捷的高级建模和二次开发功能, 方便用户创建自己的模型文件, 并可调用外部FORTRAN或C 子程序;
(5) 与其它CAE 软件良好的集成能力, 可以将不同CAE 软件所建立的模型集成到EASY5 软件中建立完成的虚拟样机, 并进行仿真。同时, 可以有效的帮助用户对各类系统进行参数选定、功能评价、响应分析或控制逻辑设计。
2 EASY5 在液压系统中的应用
EASY5 软件专门为液压系统的建模提供了两个液压元件库, 一个是HB 库( 即基础液压元件库), 一个是HC( 高级液压元件库), 两个库都为用户提供了大量的液压基础元件, HC 库中的元件功能相对来说更强大, 并且能进行热力学计算。
鉴于液压元件的多样性, 液压元件库不可能满足所有的建模要求, 因此EASY5 软件提供了大量的最基础的原理级模块, 通过这些模块的组合可以建立设计人员建模所需要的模型, 同时也可以通过这些模块完成对液压元件进行设计。这些模块图示如图2 所示。
下面举两个例子, 分别说明EASY5 在液压元件设计跟液压系统仿真方面的应用。
2.1 调速阀的建模与仿真
调速阀是一种节流阀与它控式定差减压阀串联组成的流量控制阀。它的工作原理为通过将节流阀出口的压力反馈到定差减压阀阀心的一端, 通过阀心位移的负反馈控制减压阀的节流面积, 保持节流阀两端的压力差不变。
在EASY5 软件中建模原理: 通过对阀心的受力分析, 计算出阀心的位移, 然后将阀心的位移转换成减压阀节流面积来控制节流阀两端的压力。对阀心进行受力分析, 在动态调节过程中, 阀心受到的力[2-3]主要有液压力Fp、液动力FR( 其中包括稳态液动力Fs、瞬态液动力Fi)、弹性力Ft、惯性力、粘性力等5 种力, 其中瞬态液动力的数值所占的比例不大, 在本模型中, 系统的动态响应不高, 因此忽略此力。在EASY5 软件中, 有相应的模块分别对应以上的力, 例如FT 模块对应液动力FR, CD 模块对应液压力Fp, 等, 最后通过求和模块FS将以上各力进行求和, 得出合力并将结果传递给惯性力模块PM计算出阀心的位移, 通过位移转换模块OA 又将此位移转变成减压阀节流口面积。
模型建立以后, 根据各模块的要求把元件的相关参数填入模型, 其他的复杂的数学计算将交给计算机去完成。整个建模过程的实质是用液压中的我们熟悉的元件符号来代表微分方程或差分方程, 然后通过参数的设置完成对方程初始状态的赋值, 最后由编译器完成方程的求解运算得出需要的结果。通过改变负载压力, 可以看到调速阀流量的调节效果。
在负载压力变化的情况下, 通过调速阀的流量与控制节流阀开口度的信号仍成线性关系, 这与实际的流量曲线是一致的, 因此建模是成功的。
2.2 EASY5 软件在液压系统中的应用
以下是一个常见的带位置反馈的阀控液压控制系统, 原理图如图7 所示。其工作原理为将液压缸的工作位置反馈给PI 控制器, PI 控制器再与T1模块提供的所期望的控制位移进行比较, 然后由PI控制器进行相关的计算, 将控制量传递给二位四通电磁伺服阀, 通过对伺服阀开口度的控制来改变流量, 最后完成对液压缸活塞杆位置的控制。
建模过程简述如下:
首先将所需的液压元件从HC 库、控制模块从GP 库内挑选出来, 然后分别根据液压、信号流向连接各元件, 在连接液压元件时要特别主要液流方向, 连接完毕以后通过编译器对系统进行编译, 检查连接的正确性, 编译成功以后对各元件的参数进行配置, 最后设置所期望的变量值, 以便在仿真结束以后查看结果。在本例中, 通过对P 的试凑, 最后得到当P=50 时, 控制的效果最好。
实际的位移总是滞后于所期望的控制位移, 这是液压系统固有的滞后性所造成的结果。此外我们还可以查看各元件的输入输出流量以及峰值压力等。如图9 所示可以查看液压两腔在工作时的压力变化情况:
液压缸的峰值压力以及压力随流量的变化情况, 这对实际液压元件的选型、系统设计具有很大的指导意义。
3 结束语
总之EASY5 软件是一款具有强大工程背景的分析软件, 它不需要建立繁琐的数学表达式, 通过图形操作就能完成相关模型的建立, 同时具有良好的仿真效果, 与其他流行CAE 软件比如说ADAMS、Matlab 等, 都有方便的数据接口。它不仅可以指导新产品的设计开发, 还可以对故障进行仿真研究, 功能十分强大。随着虚拟样机技术的发展, EASY5 将有越来越广泛的应用。
摘自：中国计量测控网
