一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法技术

本发明专利技术公开一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法，该方法包括如下步骤：首先，将装载机系统分解得到系统模型、子系统模型、部件模型和元件模型，并建立装载机系统模型；然后，采用Modelica语言进行外部函数C代码的封装和调用，建立数据通讯接口模型；接着，基于标定参数和仿真数据建立装载机物理系统与仿真模型之间的连接和实时通讯；最后，开展多工况变负载下装载机实际铲装作业，对装载机仿真模型进行实时标定和半实物仿真测试。本发明专利技术基于Modelica语言所构建的装载机仿真模型具有层次化、可重用和可扩展性，极大提高建模效率。实时标定后的模型具有更高的可信度，半实物仿真的试验结果更接近实际，能更有效的实现装载机的性能分析与测试。更有效的实现装载机的性能分析与测试。更有效的实现装载机的性能分析与测试。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法


[0001]本专利技术涉及装载机系统建模仿真
，尤其涉及一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法。

技术介绍

[0002]装载机主要应用于铁路、建筑、矿山等工程的土石方施工，即可对土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料铲装，亦可对石矿、硬质土壤等作适度铲挖作业，在工程机械中占据着重要地位。对装载机进行系统建模与仿真以实现产品性能分析与测试显得尤为重要。装载机通常是由机械、电子、液压、控制等不同领域子系统构成的复杂系统，现有的建模和仿真方法通常采用不同的软件平台针对特定的领域进行建模和仿真，如采用三维仿真软件Pro/E或Solidworks建立装载机机构实体模型，并将其导入ADAMS中进行机构的动力学和运动学仿真，研究装载机动臂、铲斗等的负载特性；采用AMESim仿真软件构建液压泵、液压阀和液压执行机构等液压部件模型和系统模型，研究不同模型参数下的系统响应；采用MATLAB/Simulink对装载机动力系统模块、液压泵模块、负载模块物理连接建立模型，并采用优化控制算法实现节能控制系统仿真。然而，在采用复杂系统建模与仿真技术对装载机进行整体设计与分析时，不同领域的子系统表现出紧耦合的特性，对多领域统一建模和一致仿真提出了更高要求。这种情况下，传统的单一领域的仿真分析工具无法胜任此类复杂系统整体性能分析的任务，对这些单一领域仿真工具的简单集成也不能从根本上满足多领域耦合和连续
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离散混合系统设计与分析的要求。 Modelica作为一种面向对象非因果关系的多领域统一建模语言，对不同领域的系统采用统一方式进行描述，实现不同领域模型之间的无缝集成和数据交换，适用于大规模复杂异构物理系统建模，极大的有利于装载机系统建模与仿真。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法。通过采用多领域统一建模Modelica语言的建模方式，所构建的装载机仿真模型具有层次化、可重用和可扩展性，极大提高建模效率。通过建立数据通讯接口模型，将装载机物理系统与装载机仿真模型相连接，对所构建的模型进行实时标定，并进一步构建得到半实物仿真系统。实时标定后的模型具有更高的可信度，并且由于在仿真回路中接入了实物，半实物仿真的试验结果比离线数字仿真更接近实际，能更有效的实现装载机的性能分析与测试。
[0004]本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法，包括以下步骤：
[0006]S1：将装载机进行系统分解，得到模型库架构，所述模型库架构由顶层到底层依次
包括系统模型、子系统模型、部件模型和元件模型；
[0007]S2：采用Modelica语言对装载机系统根据模型库架构，将元件进行数学建模并封装得到元件模型库，由元件模型库通过集成和扩展，封装为具有特定功能的部件模型库，所述元件模型库和部件模型库形成子系统模型，子系统模型通过耦合接口传递数据，并通过拖拽和连线的方式，建立装载机系统模型；
[0008]S3：采用Modelica语言进行外部函数C代码的封装和调用，建立数据通讯接口模型；根据装载机系统模型标定参数和仿真数据，解析标定参数和仿真数据传输中相应的数据值，并建立数据值与装载机系统模型的映射关系，从而建立装载机仿真模型；并将构建的装载机仿真模型和运行环境布置于工业PC；
[0009]S4：获取标定参数和仿真数据，通过在多工况变负载下的装载机物理系统上外接传感器并通过LIN总线通讯以及通过CAN总线通讯获得标定参数和仿真数据；将在装载机物理系统获取的标定参数和仿真数据通过LIN通讯适配器和CAN通讯适配器与装载机仿真模型进行连接与实时通讯；
[0010]S5：装载机仿真模型进行实时标定和半实物仿真测试；对于模型标定阶段，将在装载机物理系统获取的标定参数用于装载机仿真模型的实时标定，并将实时标定后的装载机仿真模型用于半实物仿真测试；对于仿真测试阶段，将在装载机物理系统获取的仿真数据作为控制信号用于驱动装载机仿真模型实现模型的仿真和计算，并输出相应仿真结果，将仿真和计算结果作为反馈信号发送给装载机物理系统，实现装载机物理系统与装载机仿真模型的实时通讯与半实物联合仿真。
[0011]具体地，步骤S1中所述子系统模型包括但不限于：动力系统模型、行驶系统模型、转向系统模型、主阀系统模型、执行机构系统模型、液压辅件系统模型、机械系统模型和控制系统模型；所述部件模型包括但不限于：发动机模型、液力变矩器模型、离合器模型、变速箱模型、驱动桥模型、减速器模型、轮胎模型、转向器模型、各类液压阀模型、液压缸模型、液压管模型、过滤器模型、储能器模型、动臂模型、铲斗模型、车身基座模型、控制手柄模型和PID控制模型。
[0012]具体地，步骤S3中采用Modelica语言进行外部函数C代码的封装和调用方式包括但不限于：
[0013]使用C文件，在annotation中用Include注解包含被调用函数实现的C文件
[0014]使用链接库文件，在annotation中用Library注解指定链接库，从而调用指定库中的函数；
[0015]无外部文件，在annotation中用Include注解直接嵌入C代码。
[0016]具体地，步骤S3中所述外部函数是指实现通讯接口模型可靠运行和数据通讯的相关函数，包括但不限于：开启设备函数、读取设备信息函数、发送与接收数据帧函数、初始化和启动通道函数。
[0017]具体地，步骤S3中并建立数据值与装载机系统模型的映射关系，所述映射关系具体为：
[0018]根据通讯协议解析帧数据中的每个ID值，将对应的物理信息映射给装载机仿真模型的对应参数接口，实现装载机物理系统与装载机仿真模型之间的数据通讯和交互。
[0019]具体地，步骤S3中所述运行环境包括但不限于：MWorks、Dymola和OpenModelica。
[0020]具体地，步骤S4中所述标定参数包括但不限于：发动机外特性参数、液力变矩器特性参数、液压泵特性参数、阀类元件特性参数和执行机构特性参数。
[0021]具体地，步骤S4中所述仿真数据包括但不限于：
[0022]控制信号：发动机油门开度信号和电磁阀控制信号；
[0023]反馈信号：工作装置操作手柄控制信号、动臂油缸信号、铲斗油缸信号、工作泵信号、转向泵信号、发动机信号和变速箱信号。
[0024]具体地，步骤S4中所述多工况变负载是指铲掘不同密实程度、颗粒大小的作业物料。
[0025]由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0026]本专利技术所述的一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法，通过采用多领域统一建模Modelica语言的建模方式，所构建的装载机仿真模型具有层次化、可重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将装载机进行系统分解，得到模型库架构，所述模型库架构由顶层到底层依次包括系统模型、子系统模型、部件模型和元件模型；S2：采用Modelica语言对装载机系统根据模型库架构，将元件进行数学建模并封装得到元件模型库，由元件模型库通过集成和扩展，封装为具有特定功能的部件模型库，所述元件模型库和部件模型库形成子系统模型，子系统模型通过耦合接口传递数据，并通过拖拽和连线的方式，建立装载机系统模型；S3：采用Modelica语言进行外部函数C代码的封装和调用，建立数据通讯接口模型；根据装载机系统模型标定参数和仿真数据，解析标定参数和仿真数据传输中相应的数据值，并建立数据值与装载机系统模型的映射关系，从而建立装载机仿真模型；并将构建的装载机仿真模型和运行环境布置于工业PC；S4：获取标定参数和仿真数据，通过在多工况变负载下的装载机物理系统上外接传感器并通过LIN总线通讯以及通过CAN总线通讯获得标定参数和仿真数据；将在装载机物理系统获取的标定参数和仿真数据通过LIN通讯适配器和CAN通讯适配器与装载机仿真模型进行连接与实时通讯；S5：装载机仿真模型进行实时标定和半实物仿真测试；对于模型标定阶段，将在装载机物理系统获取的标定参数用于装载机仿真模型的实时标定，并将实时标定后的装载机仿真模型用于半实物仿真测试；对于仿真测试阶段，将在装载机物理系统获取的仿真数据作为控制信号用于驱动装载机仿真模型实现模型的仿真和计算，并输出相应仿真结果，将仿真和计算结果作为反馈信号发送给装载机物理系统，实现装载机物理系统与装载机仿真模型的实时通讯与半实物联合仿真。2.根据权利要求1所述的基于Modelica的装载机模型实时标定与半实物仿真测试方法，其特征在于，步骤S1中所述子系统模型包括但不限于：动力系统模型、行驶系统模型、转向系统模型、主阀系统模型、执行机构系统模型、液压辅件系统模型、机械系统模型和控制系统模型；所述部件模型包括但不限于：发动机模型、液力变矩器模型、离合器模型、变速箱模型、驱动桥模型、减速器模型、轮胎模型、转向器模型、各类液压阀模型、液压缸模型、液压管模型、过滤器模型、储能器模型、动臂模型、铲斗模型、车身基座模型、控...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯亮，吴彬云，王少杰，卜祥建，吴衍锋，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：