裝載機液壓系統半物理仿真平臺的研究

林少芬 林福泉

1.集美大學，廈門，361021 2.中國船級社廈門分社，廈門，361021

0 引言

裝載機是工程機械中重要的機種，廣泛用于鐵路、公路、港口、建筑等工程中。目前，由于城市化和高速鐵路的飛速發展，以及拉動內需刺激經濟政策的落實，我國已成為裝載機的生產和使用大國，但是我國目前生產的裝載機的質量與世界知名品牌相比還有很大差距。液壓系統的整體性能是影響裝載機質量的關鍵因素之一，建立各種良好的裝載機液壓試驗平臺可為裝載機的改進和優化設計提供參考。

半物理仿真技術也叫半實物仿真技術，在仿真過程中將無法用數學表達式準確描述的對象用實物的方式接入仿真回路，通過測控模塊將實時計算的仿真對象和實時控制的實物對象連接成一個整體。半物理仿真技術在國內外的航空航天、武器、液壓系統等領域得到很好的應用［1－5］。在半物理仿真系統中有的采用Simulink建立數學模型，通過MATLAB的實時工作間（RTW）將模型轉換成嵌入式代碼的方式實現實時半物理仿真控制［6］；有的通過編寫C－MEX文件與S－函數擴展MATLAB／Simulink功能調用系統多媒體定時器并用共享內存實現了一定精度的交互式的實時仿真［7］；還有的利用C語言S－函數，共享內存的程序代碼收發數據，以及利用Windows消息機制直接在MATLAB／Simulink環境中實現仿真模型與外部程序數據實時交互，達到了精度較高的實時仿真［8］等。

EASY5軟件是Boeing公司各領域的工程師和數值計算專家根據實際工程問題和需求合作開發的多學科動態系統的仿真軟件，它的專業庫中包含了液壓領域常用的元部件的數學模型，建模時，可直接調用以快速建立液壓系統模型，是當今世界上主要的液壓仿真軟件之一，但是到目前它還不支持實時仿真，這為采用EASY5設計的仿真模型進行半物理仿真系統的設計帶來了困難。

本文在開發工程機械液壓試驗平臺和基于EASY5的裝載機仿真平臺設計的基礎上，設計開發出裝載機的半物理仿真平臺，使裝載機在實驗室條件下的各種半物理仿真試驗成為可能。

1 半物理仿真平臺總體設計

以動臂缸工作系統部分、裝載機轉斗缸工作系統部分和裝載機轉向缸工作系統部分作為物理對象，以液壓試驗平臺的泵站系統作為支撐，通過測控系統實現半物理仿真實驗。半物理仿真液壓系統如圖1所示。

圖1 半物理仿真液壓系統框圖

該系統主要工作過程如下：測控系統根據試驗要求發出相應的命令，泵站仿真模型實時計算和修改相應的流量、壓力、溫度等參數，測控系統根據這些仿真模型計算的數據實時控制液壓試驗系統的泵站，完成相關的試驗。仿真計算由一臺計算機（簡稱仿真機）完成，測控系統上位機用工控機（簡稱測控機）、仿真機與測控機通過TCP／IP網絡通信實現數據交互。

2 裝載機液壓試驗系統仿真平臺設計

根據實際工程機械液壓試驗平臺的泵站系統、某裝載機的動臂缸工作系統、轉斗缸工作系統和轉向缸工作系統，運用液壓仿真軟件EASY5逐個建立其仿真模型，將各個部分連接成完整的液壓系統，并利用試驗數據進行系統模型驗證與參數修正。所建立的仿真模型如圖2所示。其中：①為液壓泵站部分；②為裝載機動臂缸工作系統部分；③為裝載機轉斗缸工作系統部分；④為裝載機轉向缸工作系統部分。該仿真模型的建立為半物理仿真平臺提供了符合實際系統響應的泵站系統仿真模型。

由于EASY5目前不支持實時仿真，因此采用EASY5和MATLAB／Simulink的聯合仿真，進而通過MATLAB／Simulink實現計算機仿真模型與實物系統的對接。

將泵站系統作為仿真對象，通過EASY5的EZ元件與 MATLAB／Simulink進行數據交互，數據如圖3所示。

圖2 裝載機EASY5仿真模型

在EASY5環境中，將液壓模型編譯成可被MATLAB／Simulink的S函數調用的模型代碼。圖 中“MATLAB－easy5”為 S 函 數，它 調用EASY5模型，進行聯合仿真時傳遞給EASY5模型10個參數，從EASY5模型傳遞給S函數6個參數，這些參數分別存儲在工作空間中。S函數需設置數據交互周期時間、輸入向量維數和輸出向量維數，在本系統設置為“0.01，10，6”。

由MATLAB／Simulink送到液壓泵站仿真模型的10個（IN1～IN10）數據，分別是兩個泵的轉速、總合流管處和轉向機構的壓力和壓力變化率、系統溫度、三個兩位三通閥的控制指令。仿真模型通過MATLAB／Simulink可送出的數據有6個（OUT1～OUT6），分別是2個液壓泵流量、溫度和管路標識。在 MATLAB／Simulink模塊中使用2個嵌入式函數根據EASY5中的液壓仿真模型將送出的液壓油的質量流量轉換成體積流量。

圖3 聯合仿真模型的數據交互

3 系統半物理仿真的連接實現

計算機仿真模型、實物對象和控制系統的連接是半物理仿真系統的關鍵技術之一，主要涉及系統運行的實時問題、參數傳遞以及試驗工況的設置等。

3.1 仿真模塊的實時控制

MATLAB／Simulink 的 RTW （Realtime Workshop）工具箱可將基于Simulink仿真的模型通過配置并使用make工具進行編譯和鏈接生成可執行文件，使其運行于實時仿真環境進行半物理仿真。由于EASY5不支持實時仿真，故EASY5與MATLAB／Simulink聯合仿真模型無法生成實時環境的可執行文件。Simulink的CMEX S函數可調用Windows API里的多媒體定時器，實現仿真模型計算的實時控制，S函數模塊見圖3中的RTCsim模塊。多媒體定時器用函數產生獨立線程，用定時中斷直接調用回調函數進行處理，不用等待程序消息隊列為空，使定時中斷能實時響應，定時精度可達毫秒級。啟動和停止多媒體定時器的語句如下：

MMRESULT timeSetEvent（UNIT uDelay，UNIT uResolution，LPTIMECALLBACK lptimeproc，WORD dwUser，UNIT fuEvent）；開啟多媒體定時器，定時執行回調函數

MMRESULT timeKillEvent（）；關閉定時器

3.2 仿真系統與實物系統通信實現

仿真機與測控機通過TCP／IP網絡進行數據交互。測控機采用LabVIEW作為軟件開發平臺。NI公司開發的SIT（simulation interface toolkit）仿真工具包，能通過配置測控系統與模型參數、數據記錄及其他任務實現仿真機的仿真模型與測控系統的實時運行和數據交互。

將SIT工具包在測控機和仿真機上進行安裝。NI SIT Blocks包含信號探針（signal probe）、SIT輸入輸出口（SIT In，SIT Out）模塊。將信號探針置于仿真模型的頂層，用于探測模型在Simulink環境中運行時的信號，SIT輸入輸出口用于連接與仿真模型的交互數據。SIT工具利用基于TCP／IP協議網絡連接兩臺計算機，兩臺計算機以網線和路由器連接，設置同一網段的32位IP地址。

在本半物理仿真系統中，將圖3中工作泵的壓力IN3和轉向泵的壓力IN5設置為SIT的輸入口，可根據試驗不同的需要選擇OUT1～OUT6中的流量和溫度參量設置為SIT的輸出口。仿真機將仿真模型計算的有關參數（已設置為SIT輸出口）送到測控機作為液壓試驗平臺系統的控制參量（如泵的流量、溫度），測控機將泵的壓力反饋給仿真機進行相關的仿真計算。

3.3 系統運行管理

半物理仿真試驗的準備工作需要有硬件連接、仿真軟件、模型準備、測試系統準備以及工況設置等步驟。為了更好地指導半物理仿真試驗，在仿真機上用Viusual Basic 6.0開發裝載機液壓系統半物理仿真平臺操作界面，用于整個半物理仿真試驗的準備，以及進行各仿真軟件調用和仿真模型交互數據顯示等，操作界面如圖4所示。

“液壓系統準備”和“測控系統準備”控件為試驗準備操作指南，若操作不符合操作要求，將出現警告提示。“仿真系統啟動”控件用于自動啟動EASY5仿真軟件并開啟液壓仿真模型。“仿真數據顯示”具有數據和圖形顯示2種方式。

圖4 裝載機壓系統半物理仿真平臺試驗準備操作界面

4 裝載機半物理仿真試驗

為了滿足裝載機液壓系統動態性能試驗的要求，利用半物理仿真平臺可進行裝載機動臂機構、轉斗機構及轉向機構的空載、重物加載和背壓模擬加載的各種試驗。試驗時將仿真機、實際的液壓試驗平臺（包括測控機和液壓站）、動臂系統、轉斗系統操控手柄以及轉向方向盤組成半物理試驗系統。部分試驗效果如圖5所示。

圖5a～圖5c是合流狀態下動臂系統在10MPa加載下的部分試驗曲線。試驗時，先啟動各泵使轉速為500r／min（可設置為怠速），并使其怠速穩定運行，轉斗控制閥桿不動，轉斗多路閥處于中位，液壓油全部直接流回油箱，系統運行至流量穩定后進行半物理仿真試驗。

圖5a所示是動臂系統加載狀態下動臂油缸2次伸縮位移變化曲線，圖5b所示是動臂油缸2次伸縮時無桿腔壓力變化曲線，圖5c所示是動臂油缸2次伸縮時有桿腔壓力變化曲線。從圖中可以看出，在動臂柱塞兩個伸出行程（15.92s～24.6s和36.45s～45.15s）中，無桿腔進油和有桿腔回油的壓力穩定，無桿腔的進油壓力平均為7.32MPa，回油壓力平均為10.1MPa；在動臂柱塞縮回行程（5s～13.06s和27.45s～34.15s）中，有桿腔進油壓力和無桿腔回油壓力都發生了較大的波動，有桿腔平均進油壓力為19.8MPa，無桿腔回油壓力平均為13.46MPa。

半物理仿真試驗平臺進行加載試驗時，比例加載控制閥是通過調整閥口開度的大小來調節回油壓力的，動臂柱塞在縮回過程（有桿腔進油、無桿腔回油）時，其回油流量大，比例加載壓力閉環控制環節對壓力的調節出現較大波動，且與期望值（10MPa）偏差較大。當動臂柱塞在伸出過程（無桿腔進油、有桿腔回油）時，回油流量較小，比例加載控制閥對加載壓力的控制能夠穩定在10MPa左右，控制效果良好。可見，在較高的加載壓力下，對于流量變化較大的系統，比例加載控制閥加載壓力控制易出現振蕩偏差，加載壓力控制器算法需要進一步改進。

圖5 半物理仿真試驗效果圖

圖5d和圖5e是轉向泵單獨供油，工作泵停止工作，供油合流閥處于分流狀態時，半物理仿真系統和全仿真系統進行試驗時的部分試驗數據比較。

從圖5d可以看出試驗過程和仿真過程都在1s時刻開啟轉向控制閥使轉向柱塞開始伸出，經11.3s柱塞發生了84cm的位移。試驗過程轉向平穩，柱塞運行接近勻速，無桿腔壓力穩定，半物理仿真試驗過程采集的數據與仿真數據基本吻合，表明半物理仿真試驗結果與預期結果一致。

5 結論

（1）使用 EASY5和 MATLAB／Simulink聯合仿真模型，在MATLAB／Simulink模型中調用多媒體定時器，實現實時仿真，解決了EASY5不支持半物理仿真的不足。

（2）通過TCP／IP實現測控計算機和仿真計算機的數據交互。

（3）用Visual Basic開發仿真機的人機界面，使用Microsoft的ActiveX技術實現對聯合仿真模型的參數設定和仿真計算啟動。

（4）試驗表明本半物理仿真系統效果良好。半物理仿真試驗平臺的建成可以使裝載機從原理設計、仿真試驗、半物理仿真試驗、樣機試驗到產品生產的改進和優化設計得以實現。

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