林少芬 林福泉

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

0 引言

裝載機(jī)是工程機(jī)械中重要的機(jī)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(fā)展，以及拉動(dòng)內(nèi)需刺激經(jīng)濟(jì)政策的落實(shí)，我國已成為裝載機(jī)的生產(chǎn)和使用大國，但是我國目前生產(chǎn)的裝載機(jī)的質(zhì)量與世界知名品牌相比還有很大差距。液壓系統(tǒng)的整體性能是影響裝載機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，建立各種良好的裝載機(jī)液壓試驗(yàn)平臺(tái)可為裝載機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

半物理仿真技術(shù)也叫半實(shí)物仿真技術(shù)，在仿真過程中將無法用數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確描述的對象用實(shí)物的方式接入仿真回路，通過測控模塊將實(shí)時(shí)計(jì)算的仿真對象和實(shí)時(shí)控制的實(shí)物對象連接成一個(gè)整體。半物理仿真技術(shù)在國內(nèi)外的航空航天、武器、液壓系統(tǒng)等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用［1－5］。在半物理仿真系統(tǒng)中有的采用Simulink建立數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB的實(shí)時(shí)工作間（RTW）將模型轉(zhuǎn)換成嵌入式代碼的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)半物理仿真控制［6］；有的通過編寫C－MEX文件與S－函數(shù)擴(kuò)展MATLAB／Simulink功能調(diào)用系統(tǒng)多媒體定時(shí)器并用共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)了一定精度的交互式的實(shí)時(shí)仿真［7］；還有的利用C語言S－函數(shù)，共享內(nèi)存的程序代碼收發(fā)數(shù)據(jù)，以及利用Windows消息機(jī)制直接在MATLAB／Simulink環(huán)境中實(shí)現(xiàn)仿真模型與外部程序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，達(dá)到了精度較高的實(shí)時(shí)仿真［8］等。

EASY5軟件是Boeing公司各領(lǐng)域的工程師和數(shù)值計(jì)算專家根據(jù)實(shí)際工程問題和需求合作開發(fā)的多學(xué)科動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真軟件，它的專業(yè)庫中包含了液壓領(lǐng)域常用的元部件的數(shù)學(xué)模型，建模時(shí)，可直接調(diào)用以快速建立液壓系統(tǒng)模型，是當(dāng)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(shí)時(shí)仿真，這為采用EASY5設(shè)計(jì)的仿真模型進(jìn)行半物理仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了困難。

本文在開發(fā)工程機(jī)械液壓試驗(yàn)平臺(tái)和基于EASY5的裝載機(jī)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)出裝載機(jī)的半物理仿真平臺(tái)，使裝載機(jī)在實(shí)驗(yàn)室條件下的各種半物理仿真試驗(yàn)成為可能。

1 半物理仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

以動(dòng)臂缸工作系統(tǒng)部分、裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗缸工作系統(tǒng)部分和裝載機(jī)轉(zhuǎn)向缸工作系統(tǒng)部分作為物理對象，以液壓試驗(yàn)平臺(tái)的泵站系統(tǒng)作為支撐，通過測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半物理仿真實(shí)驗(yàn)。半物理仿真液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 半物理仿真液壓系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)主要工作過程如下：測控系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)要求發(fā)出相應(yīng)的命令，泵站仿真模型實(shí)時(shí)計(jì)算和修改相應(yīng)的流量、壓力、溫度等參數(shù)，測控系統(tǒng)根據(jù)這些仿真模型計(jì)算的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的泵站，完成相關(guān)的試驗(yàn)。仿真計(jì)算由一臺(tái)計(jì)算機(jī)（簡稱仿真機(jī)）完成，測控系統(tǒng)上位機(jī)用工控機(jī)（簡稱測控機(jī)）、仿真機(jī)與測控機(jī)通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 裝載機(jī)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程機(jī)械液壓試驗(yàn)平臺(tái)的泵站系統(tǒng)、某裝載機(jī)的動(dòng)臂缸工作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)斗缸工作系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向缸工作系統(tǒng)，運(yùn)用液壓仿真軟件EASY5逐個(gè)建立其仿真模型，將各個(gè)部分連接成完整的液壓系統(tǒng)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)模型驗(yàn)證與參數(shù)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(jī)動(dòng)臂缸工作系統(tǒng)部分；③為裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗缸工作系統(tǒng)部分；④為裝載機(jī)轉(zhuǎn)向缸工作系統(tǒng)部分。該仿真模型的建立為半物理仿真平臺(tái)提供了符合實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)的泵站系統(tǒng)仿真模型。

由于EASY5目前不支持實(shí)時(shí)仿真，因此采用EASY5和MATLAB／Simulink的聯(lián)合仿真，進(jìn)而通過MATLAB／Simulink實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真模型與實(shí)物系統(tǒng)的對接。

將泵站系統(tǒng)作為仿真對象，通過EASY5的EZ元件與 MATLAB／Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 裝載機(jī)EASY5仿真模型

在EASY5環(huán)境中，將液壓模型編譯成可被MATLAB／Simulink的S函數(shù)調(diào)用的模型代碼。圖 中“MATLAB－easy5”為 S 函 數(shù)，它 調(diào)用EASY5模型，進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)傳遞給EASY5模型10個(gè)參數(shù)，從EASY5模型傳遞給S函數(shù)6個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)分別存儲(chǔ)在工作空間中。S函數(shù)需設(shè)置數(shù)據(jù)交互周期時(shí)間、輸入向量維數(shù)和輸出向量維數(shù)，在本系統(tǒng)設(shè)置為“0.01，10，6”。

由MATLAB／Simulink送到液壓泵站仿真模型的10個(gè)（IN1～I(xiàn)N10）數(shù)據(jù)，分別是兩個(gè)泵的轉(zhuǎn)速、總合流管處和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的壓力和壓力變化率、系統(tǒng)溫度、三個(gè)兩位三通閥的控制指令。仿真模型通過MATLAB／Simulink可送出的數(shù)據(jù)有6個(gè)（OUT1～OUT6），分別是2個(gè)液壓泵流量、溫度和管路標(biāo)識(shí)。在 MATLAB／Simulink模塊中使用2個(gè)嵌入式函數(shù)根據(jù)EASY5中的液壓仿真模型將送出的液壓油的質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換成體積流量。

圖3 聯(lián)合仿真模型的數(shù)據(jù)交互

3 系統(tǒng)半物理仿真的連接實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)仿真模型、實(shí)物對象和控制系統(tǒng)的連接是半物理仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要涉及系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)問題、參數(shù)傳遞以及試驗(yàn)工況的設(shè)置等。

3.1 仿真模塊的實(shí)時(shí)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(jìn)行編譯和鏈接生成可執(zhí)行文件，使其運(yùn)行于實(shí)時(shí)仿真環(huán)境進(jìn)行半物理仿真。由于EASY5不支持實(shí)時(shí)仿真，故EASY5與MATLAB／Simulink聯(lián)合仿真模型無法生成實(shí)時(shí)環(huán)境的可執(zhí)行文件。Simulink的CMEX S函數(shù)可調(diào)用Windows API里的多媒體定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)仿真模型計(jì)算的實(shí)時(shí)控制，S函數(shù)模塊見圖3中的RTCsim模塊。多媒體定時(shí)器用函數(shù)產(chǎn)生獨(dú)立線程，用定時(shí)中斷直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理，不用等待程序消息隊(duì)列為空，使定時(shí)中斷能實(shí)時(shí)響應(yīng)，定時(shí)精度可達(dá)毫秒級。啟動(dòng)和停止多媒體定時(shí)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(shí)器，定時(shí)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)

MMRESULT timeKillEvent（）；關(guān)閉定時(shí)器

3.2 仿真系統(tǒng)與實(shí)物系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

仿真機(jī)與測控機(jī)通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。測控機(jī)采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)。NI公司開發(fā)的SIT（simulation interface toolkit）仿真工具包，能通過配置測控系統(tǒng)與模型參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄及其他任務(wù)實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)的仿真模型與測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行和數(shù)據(jù)交互。

將SIT工具包在測控機(jī)和仿真機(jī)上進(jìn)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(huán)境中運(yùn)行時(shí)的信號，SIT輸入輸出口用于連接與仿真模型的交互數(shù)據(jù)。SIT工具利用基于TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)以網(wǎng)線和路由器連接，設(shè)置同一網(wǎng)段的32位IP地址。

在本半物理仿真系統(tǒng)中，將圖3中工作泵的壓力IN3和轉(zhuǎn)向泵的壓力IN5設(shè)置為SIT的輸入口，可根據(jù)試驗(yàn)不同的需要選擇OUT1～OUT6中的流量和溫度參量設(shè)置為SIT的輸出口。仿真機(jī)將仿真模型計(jì)算的有關(guān)參數(shù)（已設(shè)置為SIT輸出口）送到測控機(jī)作為液壓試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的控制參量（如泵的流量、溫度），測控機(jī)將泵的壓力反饋給仿真機(jī)進(jìn)行相關(guān)的仿真計(jì)算。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行管理

半物理仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作需要有硬件連接、仿真軟件、模型準(zhǔn)備、測試系統(tǒng)準(zhǔn)備以及工況設(shè)置等步驟。為了更好地指導(dǎo)半物理仿真試驗(yàn)，在仿真機(jī)上用Viusual Basic 6.0開發(fā)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)操作界面，用于整個(gè)半物理仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)備，以及進(jìn)行各仿真軟件調(diào)用和仿真模型交互數(shù)據(jù)顯示等，操作界面如圖4所示。

“液壓系統(tǒng)準(zhǔn)備”和“測控系統(tǒng)準(zhǔn)備”控件為試驗(yàn)準(zhǔn)備操作指南，若操作不符合操作要求，將出現(xiàn)警告提示?！胺抡嫦到y(tǒng)啟動(dòng)”控件用于自動(dòng)啟動(dòng)EASY5仿真軟件并開啟液壓仿真模型?！胺抡鏀?shù)據(jù)顯示”具有數(shù)據(jù)和圖形顯示2種方式。

圖4 裝載機(jī)壓系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)試驗(yàn)準(zhǔn)備操作界面

4 裝載機(jī)半物理仿真試驗(yàn)

為了滿足裝載機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的要求，利用半物理仿真平臺(tái)可進(jìn)行裝載機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的空載、重物加載和背壓模擬加載的各種試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將仿真機(jī)、實(shí)際的液壓試驗(yàn)平臺(tái)（包括測控機(jī)和液壓站）、動(dòng)臂系統(tǒng)、轉(zhuǎn)斗系統(tǒng)操控手柄以及轉(zhuǎn)向方向盤組成半物理試驗(yàn)系統(tǒng)。部分試驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5a～圖5c是合流狀態(tài)下動(dòng)臂系統(tǒng)在10MPa加載下的部分試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)各泵使轉(zhuǎn)速為500r／min（可設(shè)置為怠速），并使其怠速穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)斗控制閥桿不動(dòng)，轉(zhuǎn)斗多路閥處于中位，液壓油全部直接流回油箱，系統(tǒng)運(yùn)行至流量穩(wěn)定后進(jìn)行半物理仿真試驗(yàn)。

圖5a所示是動(dòng)臂系統(tǒng)加載狀態(tài)下動(dòng)臂油缸2次伸縮位移變化曲線，圖5b所示是動(dòng)臂油缸2次伸縮時(shí)無桿腔壓力變化曲線，圖5c所示是動(dòng)臂油缸2次伸縮時(shí)有桿腔壓力變化曲線。從圖中可以看出，在動(dòng)臂柱塞兩個(gè)伸出行程（15.92s～24.6s和36.45s～45.15s）中，無桿腔進(jìn)油和有桿腔回油的壓力穩(wěn)定，無桿腔的進(jìn)油壓力平均為7.32MPa，回油壓力平均為10.1MPa；在動(dòng)臂柱塞縮回行程（5s～13.06s和27.45s～34.15s）中，有桿腔進(jìn)油壓力和無桿腔回油壓力都發(fā)生了較大的波動(dòng)，有桿腔平均進(jìn)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(yàn)平臺(tái)進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，比例加載控制閥是通過調(diào)整閥口開度的大小來調(diào)節(jié)回油壓力的，動(dòng)臂柱塞在縮回過程（有桿腔進(jìn)油、無桿腔回油）時(shí)，其回油流量大，比例加載壓力閉環(huán)控制環(huán)節(jié)對壓力的調(diào)節(jié)出現(xiàn)較大波動(dòng)，且與期望值（10MPa）偏差較大。當(dāng)動(dòng)臂柱塞在伸出過程（無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油）時(shí)，回油流量較小，比例加載控制閥對加載壓力的控制能夠穩(wěn)定在10MPa左右，控制效果良好?？梢姡谳^高的加載壓力下，對于流量變化較大的系統(tǒng)，比例加載控制閥加載壓力控制易出現(xiàn)振蕩偏差，加載壓力控制器算法需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 半物理仿真試驗(yàn)效果圖

圖5d和圖5e是轉(zhuǎn)向泵單獨(dú)供油，工作泵停止工作，供油合流閥處于分流狀態(tài)時(shí)，半物理仿真系統(tǒng)和全仿真系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。

從圖5d可以看出試驗(yàn)過程和仿真過程都在1s時(shí)刻開啟轉(zhuǎn)向控制閥使轉(zhuǎn)向柱塞開始伸出，經(jīng)11.3s柱塞發(fā)生了84cm的位移。試驗(yàn)過程轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，柱塞運(yùn)行接近勻速，無桿腔壓力穩(wěn)定，半物理仿真試驗(yàn)過程采集的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，表明半物理仿真試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）使用 EASY5和 MATLAB／Simulink聯(lián)合仿真模型，在MATLAB／Simulink模型中調(diào)用多媒體定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，解決了EASY5不支持半物理仿真的不足。

（2）通過TCP／IP實(shí)現(xiàn)測控計(jì)算機(jī)和仿真計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

（3）用Visual Basic開發(fā)仿真機(jī)的人機(jī)界面，使用Microsoft的ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)對聯(lián)合仿真模型的參數(shù)設(shè)定和仿真計(jì)算啟動(dòng)。

（4）試驗(yàn)表明本半物理仿真系統(tǒng)效果良好。半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)的建成可以使裝載機(jī)從原理設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)、半物理仿真試驗(yàn)、樣機(jī)試驗(yàn)到產(chǎn)品生產(chǎn)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

［1］ 趙涌，侯敏杰，黃振南，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)飛行高度模糊PID控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)工程，2010，27（1）：68－71.

［2］ 于鑒，徐錦法.無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（23）：6466－6469.

［3］ 林勇剛，徐立，李偉，等.電液比例變槳距670風(fēng)力機(jī)半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)［J］.中國機(jī)械工程，2005，16（8）：667－670.

［4］ 傅德彬，姜毅，張強(qiáng).液壓系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（15）：3422－3424.

［5］ 宋恩哲，宋百玲，馬修真.船用柴油機(jī)電控系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)開發(fā)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（9）：1153－1160.

［6］ 郭朕凱，盧京潮.RTW在某型直升機(jī)飛控系統(tǒng)半物理仿真中的應(yīng)用［J］.火力與指揮控制，2009，34（12）：160－162.

［7］ 常青，邢超，李言俊.基于 MATLAB／Simulink的交互式實(shí)時(shí)仿真［J］.計(jì)算機(jī)工程與運(yùn)用，2003（24）：131－153.

［8］ 管文良，康鳳舉，唐凱，等.Simulink與 Windows程序間實(shí)時(shí)交互的研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（3）：5－8.