许氏液压大系统模块式建模法和其解法

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1、许氏液压大系统模块式建模法与其静动态合一的直接代数算法---本文为国家自然科学基金资助项目上海豪高机电科技有限公司上海理工大学许仰曾一、前言本‘液压大系统模块式建模法及其解法’是建立一种在液压系统及元件的仿真及辨识中易于推广应用的建模方法，以解决目前仿真中对用户建模知识要求高，技术处理繁琐的问题。应该强调的是本方法能进一步发展用于辨识中，可以在运行中跟踪系统的每个元件整体状态，便于预先性的判断系统在元件方面的故障点，因此是非常有前景的方法。我们可将仿真归结为如下过程：在仿真时，是对一个确定研究的对象，将此所研究的对象

2、的物理模型在一定的仿真建模的规则下转化为相应的几何图解模型，然后由此几何模型转换成标准的状态数学微分方程式。再由计算机按已有的解法进行运算，所得到的结果就是我们希望得到的物理模型的静态或动态性能。在这个过程中，由于仿真建模的规则即有令人感到深奥的数学微积分及相应的计算数学又需要一定的控制基础与相应的分析能力，因此对于长期接触工程而又需要通过仿真来解决工程实际问题的工程技术人员，往往对此由于生疏，从而望而却步。如何发展一种不需要工程技术人员去具备深奥数学理论与控制理论就能自如的应用仿真技术或方法就成为我们研究的目的。这

3、一思路最初由OklahomaStateUniversity的流体动力研究中心Dr.Fitch与Dr.Hong提出并开展研究。由当时在该校进行学术研究的主要是中国的访问学者多名，进行了很多的研究与工作。此工作是由作者回国后，在国家自然科学基金的支持下进行，在甘肃工业大学建立的团队与上世纪的九十年代独立的解决了一系列的难点，并获得突破而成功。此后，OklahomaStateUniversity在开展国际交流来访之后也开发出来了Hypheu软件，并获得了很好的市场应用与经济效益。许氏液压大系统模块式建模法在建立几何模型上不

4、采用已有的方法，而是采用了工程技术人员熟悉的液压系统图，这样就回避了建立几何模型所需要的数学与控制方面的理论应用技术；另外在组成系统模型上，也不采用传统的微分方程式，而是大家常见的一般微分方程式，又回避了在组织方程式方面所需要的计算数学的应用技术。使工程技术人员在应用仿真技术上具有主动权。这也正是本方法的特点。正是这些特点使本方法所采用的建模方法与其算法必须走自己的路而无前人之鉴与任何已有的先例。本建模法的基本思想是将系统模型基于各标准子模型基础上依据硬件连接形式拼装而成。故其属于自动控制领域中的大系统建模技术的发展

5、，并在液压技术中首先体现。本方法能使用户在仿真所需的建模简单化，数学模型通用化以及易使程序包商品化，为建模与仿真技术在液压领域中易于推广开辟了一条新的途径。并且能是静动态仿真合二为一，系统与元件仿真合一，传动系统与伺服系统仿真合一，单工况和多工况仿真合一。此法对初值几乎没有要求，从而扩展了静动态性能仿真的范围。此建模法行程的程序包具有程序短，储存空间小，运算速度快等特点。本方法已应用于国家七五科技攻关项目“液压调速系统的计算机辅助设计”课题中（成果名为液压大系统CAD），并在有关生产技术中得到应用。此法的两大技术关键

6、一是系统建模根据标准子建模型拼装形式二是隐式状态方程的直接代数解法均可作为通用方法在自控理论建模中的数值解法中作为一种新方法推广。二、许氏液压大系统模块式建模法（许氏液压建模法）的创新点（1）国内外已有的有关技术状况及其存在的问题在国内外长期以来建模技术主要应用经典的传递函数建模法，自从上世纪七十年代起在美国、澳大利亚等国家发展到键合图法，功率键图法等。这些方法的本质是将被建模的对象的物理模型通过键图等几何图解形式（几何模型）转换成所需要的数学模型，这些图解形式还包括方框图、信号图等。这些数学模型主要表达为状态方程（

7、现代控制工程领域）。国外八十年代在建模方法及有关理论上有所进展，例如美国HYDRA-SOFT公司1985年发表了液压系统与元件进行机械等效系统的处理，自1987年国内在建模方法上也提出了一些新的方法。如浙江大学提出的正式多项式建模法，这些建模法都有一定得针对性，具有各自的特点，但并未从根本上建立独立的建模理论。在建模方面，目前国内外液压建模主要采用传递函数法、状态空间法两大类。状态空间法中又通过键合图法、功率键法或信号流图法的转换使被研究的物理模型转换为所要求的状态方程。传递函数法是在频域内研究系统的数学模型。由于其

8、需经拉氏变换线性化以及单输出。因而这一建模法已在较多情况下被状态空间法所替代。经研究证明，国内以此为基础的一些早期的程序包如FPC较难达到工程仿真的要求。而本建模法无此问题。在状态空间法中，无论是键合图法还是功率法，都是通过一系列规则的交换才能获得所需要的建模基础，所有这些几何图解模型的转换或建立都需要专业人员具备三种知识基础：被建模对象的物理