多领域统一建模技术在管路分析中的应用与发展

董仁义，吴崇健，张京伟，彭文波

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

多领域统一建模技术在管路分析中的应用与发展

董仁义，吴崇健，张京伟，彭文波

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

管路分析在液压(或气动)传动系统设计中占有越来越重要的位置，不但有助于液压系统中各元件的布置设计，还可以对管路中的压力分布和脉动进行分析，从而为减少液压系统中的振动、冲击和噪声。多领域统一建模技术为复杂管路的机、电、液、控耦合系统建模与分析提供了新方法，也为管路分析与设计提出了新挑战。本文首先对基于Modelica语言的多领域统一建模技术进行简述，重点综述了基于Modelica语言的多领域统一建模技术在管路分析中的应用概况，在此基础上给出了管路分析的未来发展趋势。

液压系统;管路分析;多领域统一建模;Modelica

0 引言

复杂管路系统一般由能源系统、管路传输与控制系统和执行系统［1］3个部分组成，是典型的机、电、液、控等多领域混合系统。对于液压系统，其能源系统多采用恒压力变量泵，输出的液体流量都具有波动性或脉动性［2］。这种脉动性流量作用于管路阻抗产生压力波动，强迫流体管道产生周期性振动，同时使管道支撑结构产生振动。另外，管路传输与控制系统的各种动作阀门，由于其改变流体的方向或速度，在惯性作用下，也会产生明显的瞬态振动。通过仿真实验可知，其压力最大超调量可能是其稳态值的3～5倍［3］。

管路中的这种压力脉动引起的支撑机械结构强迫振动，不仅使整个系统产生大分贝的噪声，更有可能导致作为执行机构的机械系统动作不合乎要求。另外，强迫振动会导致管路和支撑间的微动磨损，造成管路支撑的刚度下降，因此管道的固有频率也会降低，当管道频率与流体的压力脉动频率相接近甚至重合时，管路系统就会产生流固耦合振动，直接影响整个液压系统的性能，进一步会降低系统中元器件的使用寿命，更加严重的会使整个液压系统功能失效［3］。

因此，有必要对管路系统中的压力脉动产生和传播机理进行研究，并且分析系统中不同元件、外界负载对系统动态特性影响，最终得到压力流量脉动的抑制措施。传统的管路分析手段通常是采用经验公式计算，或者采用专门的液压(气动)系统分析工具，这种方法属于单领域分析方法，难以实现各种动作阀的电控作用效果分析，以及支撑结构和执行机械的运动和动力分析。近年来出现的多领域物理系统建模与仿真技术，为管路系统的建模与仿真提供了新方法。借助多领域建模与仿真工具，可以方便实现管路系统各不同领域的子系统在一个统一的环境下建模，并分析各个系统之间的耦合作用，从而准确地分析管路系统中的流体脉动及其传播。

本文首先对目前多领域物理系统统一建模技术进行介绍，重点阐述基于Modelica语言的多领域统一建模技术;接着综述和分析基于Modelica的多领域建模方法在管路系统分析中的应用概况;最后指出基于多领域建模技术的管路分析的发展趋势。

1 多领域物理系统统一建模与仿真技术

多领域物理系统(简称多领域系统)是指在一个集成环境中，通过对各个不同领域的组件建模而形成的耦合系统［4］。

多领域物理系统统一建模的实现方法是将机械、液压、电子、控制等诸多不同学科领域的模型组装，而后成为一个更大的、可以协同仿真的模型［5］。模型是个层次概念，其中最高层次的模型对应为整个物理系统;最低层次的模型对应为物理系统的底层零件;而其中间层次的模型对应为物理系统的中间层次上的部件。在实际工程仿真过程中，多领域建模可能是将不同领域的模型组装成为一个部件模型，也可能是将不同领域的不同部件模型组装成一个子系统模型，还可能是将不同领域的各种子系统模型组装成为一个完整的系统模型。

多领域物理系统建模的方法经历了基于接口的方法［6］，高层体系结构(HLA)方法［7］和基于方程的方法［8］。

1)基于接口的方法

2)HLA方法

如同CAD系统之间的中性文件接口方法相似，HLA方法将每个参与协同仿真的软件工具封装一个标准的接口，这些标准接口之间可以直接与系统总控接口连接形成星型结构。HLA用来实现某种特定仿真目的的仿真系统被称之为联盟(Federation)。联盟由3部分组成，一是联盟对象模型;二是若干联盟成员，它可以是真实实体仿真系统、构造或虚拟仿真系统和一些辅助性的仿真应用，如联盟运行管理控制器、数据收集器等;三是运行时间支撑系统RTI(Run－Time Infrastructure)。根据HLA规则，联盟成员之间的数据通信必须要通过RTI来实现，RTI为处理联盟运行时成员间的互操作提供了一系列服务和管理联盟的运行。在这种结构中，RTI从某种意义上来说是一种“软总线”，在联盟运行过程中，联盟成员可以随时“插入”。

3)基于方程的方法

对于上述2种多领域建模方法，建模者首先要利用不同领域商用仿真软件进行该领域组件的建模，获得相应模型;再建立各个软件之间的接口或者封装符合HLA的标准接口。这2种方法需要得到不同领域商用仿真工具的合作，并且强行割裂了不同领域之间子系统的相互耦合关系，其实是一种子系统层次上的集成，而且实现起来颇为困难。另外，这些方法需要针对不同的仿真应用配置模型接口、编写集成代码，多个求解器步长协调存在技术问题。因此，20世纪70年代末又出现了基于方程的多领域统一建模方法。该方法根据各个物理系统的原理，建立不同领域组件的物理本构方程(微分代数)。不同领域之间基于能量守恒原理实现连接，各个接口之间遵循广义基尔霍夫定律(即接口处的势变量相等，流变量之和为0)。多领域物理系统仿真则是将多领域模型平坦化为大规模的微分代数方程(DAE)组，进而对该DAE进行求解。因此，在数学上多领域物理系统仿真问题是DAE方程求解问题。

目前有代表性基于方程的多领域物理系统建模与仿真工具可以归纳为如下3类：

①无语言建模环境的多领域建模仿真工具，如SimulationX［9］，MapleSim［10］，AMESim［11］等。

这些工具都支持多工程领域设计建模，提供直观的拖放式建模手段，配备各个领域的常用模型库，并可对建立的合理正确的多领域模型的方程系统进行自动平坦化和仿真代码生成，实现模型的仿真求解。虽然这些工具目前都兼容Modelica语言［12］，但这种无语言建模环境支持的多领域建模仿真工具难以实现自定义的元件定义，因而其应用受到限制。

②基于Simscape语言的多物理系统建模模块Matlab/Simscape

Matlab/Simscape［13］是近年来推出的基于统一建模语言Simscape的多领域物理系统建模工具。由于它与Matlab/Simulink的无缝集成，借助Matlab强大的计算能力，因而具有很好的应用基础和前景。但是，就目前的发展状况看，Matlab/Simscape相对于基于Modelica的仿真平台来说存在系统开放性差、建模功能较弱、可用的公开库少、后处理功能有限、没有支持的系统，以及模块的独立性差等不足［5］。

③ 基于 Modelica的多领域建模工具，如Dymola，MathModelica和国产软件MWorks等

公路桥梁养护作为一项兼具科学性与严谨性的工作，要求其工作人员具备较高的职业素养。首先，有关部门在公路桥梁工作人员的招聘方面要将更多的关注点放在工作人员的道路养护技术水平与职业素养的提升方面，在对员工进行招聘后还要定期对公路桥梁养护的工作人员进行道路养护标准化流程的相关知识培训，不断提高工作人员的职业素养与技术水平；其次，有关企业还要定期对员工进行职业素养的培训，通过宣传力度的加强来使员工意识到公路桥梁养护的重要性，以此为基础增强自身工作的责任感与使命感，进而深度挖掘员工公路桥梁养护的工作潜力[6]。

Modelica语言由Dymola语言演变而来，传承了诸多面向对象和基于方程的物理建模语言的优点，如 ASCEND，ALLEN，gPROMS，NMF，ObjectMath，Omola，Smile以及U.L.M等，事实上已经成为物理系统统一建模标准语言。基于Modelica语言的多领域物理系统建模方法彻底实现了不同领域模型的无缝集成，可以为任何能用微分方程或代数方程描述的问题实现建模和仿真，因而能实现完全意义上的多领域统一建模。其实质就是基于数学方程，采用Modelica语言描述不同领域子系统的物理规律和现象;基于组件连接机制，根据物理系统的拓扑结构实现模型构成及多领域集成，通过求解微分代数方程系统实现仿真运行。基于Modelica语言的多领域物理系统建模方法的主要优点包括建模方便、模型重用性高、无需符号处理、开放的模型库和建模与仿真相对独立。正是基于这些优点，该方法已在电力系统、机电系统、机械多体系统、化学系统、汽车与电动汽车、热动力系统、液压系统、硬件在环仿真和离散事件系统等系统或过程的仿真分析中得到了广泛应用。

2 基于Modelica的管路系统建模与仿真的应用现状

Modelica发展以来，在流体领域已出现几个典型的模型库，例如 ThermoFluid［14］，QSSFluidFlow［15］等，其中ThermoFluid模型库覆盖较为全面，应用最为广泛，后发展为Fluid与Media模型库出现在开放的Modelica标准模型库中，其中Fluid库包含了流体中常用的管道、阀门、泵、传感器、水箱等基础的元件模型，Media库提供了大量用于物性计算的可压缩与不可压缩物质的媒介模型。二者结合可用于模拟可压缩与不可压缩的管道流。

基于该模型库，国内外进行了众多关于管路及关键部件的研究。F.Casella，M.Otter，K.等［16］展示了用于可压缩与不可压缩管路模拟的模型库，该模型库主要包含各类控制阀、管道、泵、压降、接头等模型，如图1所示。同时该文献也展示了一些应用案例，图2为饮用水泵压系统模型：储水箱入口与水源的高度差为50 m，储水箱放置在离地面18 m高的基座上，userValve表示饮用水用户的用水情况。利用4组水泵将饮用水从水源送入储水箱，控制器根据水箱底部的压力调节水泵的转速，使储水箱内的水面离水箱底的高度保持在2.5 m。

图1 模型库结构图Fig.1 Modeling library

D.Simic等［17］研究了内燃机冷却循环中电动水泵的优化问题。该循环系统包含了内燃机、节温器、散热器、风扇、管路、电池以及电动水泵等组件，如图3所示。由电动水泵给冷却液提供循环动力，冷却液经过发动机水套吸收热量，流经节温器时，根据冷却液温度节温器自动调整开度调节进入散热器的冷却液流量，冷却液被分成2股支路，一支进入散热器与风扇压入的空气发生传热而冷却，另一支经旁通与冷却后的冷却液混合进入水泵，完成一次冷却循环。根据整个循环管路对电动水泵进行了优化设计，并与实验(见图4)相对照，计算与实验的结果比较吻合。

图4 电动水泵试验台Fig.4 Test bench of the water pump

国内有关液压系统的多领域建模与仿真的研究主要集中在飞机液压能源系统的动态特性仿真［2］、硫化机液压系统的建模仿真［18］，以及工程机械的液压系统仿真等方面［19］。其中，文献［2］在建立液压能源系统元件动态数学模型基础之上，利用Dymola软件实现液压能源系统动态特性分析通用模型库的构建，并对某型飞机的液压能源系统进行建模和仿真。从仿真结果可以得知，建立的模型符合实际系统的管路压力和流量脉动特性，在模型中能获得时域范围内系统任一点的流量压力脉动情况。文献［18］考虑轮胎硫化机液压传动系统显著地表现出的连续和离散混合特性，将连续的动态方程嵌入Petri网中，引入混合系统的GHPN建模方法对轮胎硫化机液压传动控制系统建模;在Dymola仿真平台上，使用Modelica语言中的混杂建模技术实现模型的仿真分析。文献［19］则在MWorks平台上对工程机械的挖掘机进行机械、液压、控制等多领域建模，实现工程机械在液压系统作用下的运动动力特性，并集成挖掘机的三维几何模型，实现挖掘机在控制命令下的各部件运动仿真。

3 基于多领域建模技术的管路系统分析的应用趋势

利用多领域物理系统建模与仿真技术，管路系统的分析和设计将会得到更深层次的应用拓展，也即多领域建模技术将会帮助解决管路系统设计中遇到的更深和更复杂的难题。目前可预见的应用趋势体现在如下几个方面：

1)管路系统整体仿真分析

建立管路系统的完整的多领域模型，实现从管路系统的控制命令发送，到各控制阀门的动作，到液压源的开关，到液压在管路中的传输，乃至到执行机构的最终动作的仿真和分析。目前的管路系统建模与仿真往往是对整个系统的局部进行建模和仿真，而其余的部分都采用输入信号的方式来近似。例如，多数文献都是对液压管路的各个液压源、控制阀以及执行机构进行仿真，而对控制系统及其电子电路系统进行了忽略;有的甚至对其执行机构也采用信号值进行代替。

2)管路系统定点流体压力脉动分析

实现管路系统中任意设定位置处的流体压力波动情况进行分析。目前，管路中的流体压力脉动分析都只能对各种液压元件的接口处进行，而对于管路中的各点难以实现。

3)管路系统减振分析

通过配置流体减震器可以有效地削减回路中的压力脉动，从而达到减震和降低噪声的目的。然而，减震器的放置位置和数目如何确定，才能有效而合理地达到减震的目的?目前的方法都是根据经验，在多处放置减震器再通过大量的物理试验来确定。显然，采用多领域建模与仿真的方法可有效完成这种减震分析，并能大大减少物理试验的次数。

4)管路系统优化设计

通过多领域仿真分析，利用多领域物理系统的仿真优化功能，以管路的脉动最大峰值最小为目标，调整各种减震器的配置参数，液压源的固有属性参数，以及各控制阀的开关动作属性参数，实现管路系统的优化设计。

4 结语

本文对基于Modelica的多领域统一建模技术在管路系统中的应用概况和趋势进行了研究和探讨。分析了基于Modelica语言的多领域物理系统统一建模与仿真技术的优势，综述了基于Modelica的液压管路系统建模与仿真的应用现状，指出了基于多领域建模技术的管路分析的应用发展趋势。

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Application and development of the multi-domain unified modeling applied in pipe analysis

DONG Ren－yi，WU Chong－jian，ZHANG Jing－wei，PENG Wen－bo
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Pipe analysis is occupying the more and more important position in the design of hydraulic(pneumatic)system，that contributing to not only the layout design of the equipments，but analysis of the pressure distribute and the pulse，in order to decrease the vibration，impact and noise in the hydraulic system.Multi－domain unified technology provides the new method to model and analyse the complex pipe coupling with mechanic，electricity，hydraulic and control.It also changlles the pipe analysis and design.This paper briefly introduces the multi－domain unified modeling technology based on Modelica，stress on the application in the pipe analysis by using multi－domain unified modeling based on Modelica，and provides the tend in the future development of the pipe analysis.

hydraulic system;pipe analysis;multi－domain unified modeling;Modelica

TH137.5

A

1672－7649(2012)07－0003－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.001

2011－11－17;

2011－12－13

董仁义(1979－)，男，工程师，研究方向为船舶与海洋结构物设计及制造。