本发明涉及液压系统仿真技术领域，尤其涉及一种构建液压系统模型的方法及装置。
背景技术
液压系统建模是液压系统设计与仿真分析中的重要手段，搭建液压系统模型能够方便技术人员在脱离液压系统实物的环境下对液压系统进行全面了解。
目前常用的液压系统建模方法基本上都是基于专业的液压系统仿真工具如aemsim、automationstudio等商业仿真软件提供的模型库来实现，也可以基于建模工具matlab/simulink提供的simhydraulic库模块按照实际液压系统的拓扑结构搭建液压系统的物理模型。
上述液压系统建模方式均需要相应的商业软件，成本较高。并且这些软件中提供的模块库均被封装，用户无法理解其实现过程，在调试过程中遇到问题也无法有效排查。
技术实现要素：
基于上述现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种构建液压系统模型的方法及装置，能够在不需要依赖专用液压建模软件的前提下实现对液压系统的直接建模。
一种构建液压系统模型的方法，包括：
分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型；
根据所述液压系统中的所述各个液压元件和所述各个液压容腔的连接关系，将所述各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型进行信号连接，得到所述液压系统的模型。
可选的，所述分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型，包括：
根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
将与所述各个液压元件连接的各个液压容腔作为节点，根据所述各个液压元件的阀口流入流量和流出流量，计算得到流入所述各个液压容腔的净流量；
根据流入所述各个液压容腔的净流量和预设的可变体积液压容腔压力计算方程对所述各个液压容腔分别进行建模，得到所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
可选的，所述根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，包括：
对于液压系统中的各个液压元件，分别进行如下建模：
根据预设的小孔压差-流量计算公式，分别构建所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
将所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到所述液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
可选的，根据预设的小孔压差-流量计算公式，构建所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，包括：
根据紊流状态下的小孔压差-流量计算公式
其中，cd表示流量系数，qnom表示所述液压元件的阀口流量，anom表示所述液压元件的阀口开口面积，δpnom表示阀口两端压力的差值，ρ表示液流密度。
可选的，根据预设的小孔压差-流量计算公式，构建所述液压元件在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，包括：
根据层流状态下的小孔压差-流量计算公式
其中，qlam表示层流流量，rhnom表示层流液阻，δpnom表示阀口两端压力的差值。
可选的，所述根据流入所述各个液压容腔的净流量和预设的可变体积液压容腔压力计算方程对所述各个液压容腔分别进行建模，得到所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型，包括：
对于液压系统中的各个液压容腔，分别进行如下建模：
根据流入液压容腔的净流量、所述液压容腔的液容和液阻，以及预设的可变体积液压容腔压力计算方程，构建所述液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型；
对所述液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型进行积分处理，得到所述液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
可选的，所述根据流入液压容腔的净流量、所述液压容腔的液容和液阻，以及预设的可变体积液压容腔压力计算方程，构建所述液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型，包括：
根据可变体积液压容腔压力计算方程
其中，δp表示所述液压容腔的压力变化量，ch为所述液压容腔的液容，rh为所述液压容腔的液阻，t表示时间，∑q表示流入所述液压容腔的液流的净流量。
一种构建液压系统模型的装置，包括：
模型构建单元，用于分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型；
模型组合单元，用于根据所述液压系统中的所述各个液压元件和所述各个液压容腔的连接关系，将所述各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型进行信号连接，得到所述液压系统的模型。
可选的，所述模型构建单元，包括：
第一模型构建单元，用于根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
净流量计算单元，用于将与所述各个液压元件连接的各个液压容腔作为节点，根据所述各个液压元件的阀口流入流量和流出流量，计算得到流入所述各个液压容腔的净流量；
第二模型构建单元，用于根据流入所述各个液压容腔的净流量和预设的可变体积液压容腔压力计算方程对所述各个液压容腔分别进行建模，得到所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
可选的，所述第一模型构建单元根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型时，具体用于：
对于液压系统中的各个液压元件，分别进行如下建模：
根据预设的小孔压差-流量计算公式，分别构建所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
将所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到所述液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
本发明公开的技术方案，通过对液压系统中的单个液压元件和液压容腔进行单独建模，然后再将所建模型按照液压系统的结构进行信号连接，即可得到液压系统模型。上述建模过程不需要专用液压建模软件并且不用对液压系统元件进行模块化，工程中可以直接进行信号连接以实现建模过程，利于在仿真中准确定位故障位置，并进行相应排查。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种液压系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种构建液压系统模型的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种构建液压系统模型的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的又一种构建液压系统模型的方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的再一种构建液压系统模型的方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种构建液压系统模型的装置的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种构建液压系统模型的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种构建液压系统模型的方法，利用该方法可以进行液压系统建模。
例如图1所示，液压系统是由多个类似于图中a、b、c所示的液压元件构成的复合系统，各液压元件之间由管路连接。液压元件包括液压阀门和液压元件内部容积，液压阀门能够控制阀口开度，从而控制流过液压元件的液流流量。基于上述介绍的液压系统构造可以理解，在构建液压系统模型时，只要分别构建各个液压元件模型，以及构建管路容积和液压元件内部容积构成的液压容腔的模型，再将各个模型按照液压系统结构进行信号连接，即可以得到整个液压系统模型。本发明实施例就是基于上述思想来构建液压系统模型。
上述图1只是示例性地以一种简单的液压元件连接关系模型来介绍本发明基于上述思想而提出的构建液压系统模型的方法。可以理解，对于任意数量、任意类型的液压元件以任意的组合方式构成的液压系统，都可以参照本发明技术思想及技术处理步骤来实现液压系统建模。
参见图2所示，本发明实施例公开的构建液压系统模型的方法，具体包括：
s201、分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型；
具体的，如图1所示，液压系统由多个液压元件通过管路连接构成。在对液压系统建模时，主要实现对液压系统中的各个液压元件的建模和对液压系统中的各个液压容腔的建模即可。
其中，对于液压元件的建模，工程中通常关注的是液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系，因此主要是构建液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，例如对图1中的液压元件a建模时，具体是构建qa与pai(液压元件a流入阀口压力)和pao(液压元件a流出阀口压力)之间的关系模型。
液压系统中的液压容腔，是指由液压系统中的液压元件内部容积和液压元件连接的管路容积构成的容腔。例如图1中，虚线框包括的液压元件内部容腔和管路容腔即构成液压容腔。在工程中通常关注的是液压容腔的净流量与液压容腔压力之间的关系，具体是液压容腔的流入净流量与液压容腔的压力之间的关系。需要说明的是，根据液压系统压力传递特性，在忽略液流流动过程中的压力损失的情况下，可以认为液压容腔各处的压力相等，也就是说，在图1中所示液压容腔各个端口的压力都相等，即pao＝pbo＝pci(液压元件a流出阀口压力、液压元件b流出阀口压力和液压元件c流入阀口压力三者相等)。而液压容腔的流入净流量，是指流入液压容腔的流量与流出液压容腔的流量之和(其中，定义流入液压容腔的流量为正值，流出液压容腔的压力为负值)。
在构建液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及液压容腔的压力与净流量之间的关系模型时，可以参照现有技术中适用的建模方法实现，也可以根据实际需求灵活设计建模方法实现。
s202、根据所述液压系统中的所述各个液压元件和所述各个液压容腔的连接关系，将所述各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型进行信号连接，得到所述液压系统的模型。
具体的，根据液压系统中的各个液压元件和各个液压容腔之间的连接关系，液压元件与液压容腔之间的压力和流量之间也具有同样的等量关系。例如在图1所示的液压系统中，流入液压容腔的流量即流出液压元件a的阀口和流出液压元件b的阀口的流量之和，流出液压容腔的流量即流入液压元件c的阀口的流量；在整个液压系统内部，pao＝pbo＝pci。
根据上述的等量关系，对液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型进行信号连接，即可以得到液压系统的模型。
需要说明的是，本发明以下实施例所公开的技术方案主要详细介绍对于液压系统中的一个液压元件和与该液压元件连接的液压容腔的建模过程，对于液压系统中的其它液压元件和液压容腔的建模过程可参照本发明实施例执行。
本发明实施例公开的技术方案，通过对液压系统中的单个液压元件和液压容腔进行单独建模，然后再将所建模型按照液压系统的结构进行信号连接，即可得到液压系统模型。上述建模过程不需要专用液压建模软件并且不用对液压系统元件进行模块化，工程中可以直接进行信号连接以实现建模过程，利于在仿真中准确定位故障位置，并进行相应排查。
可选的，在本发明的另一个实施例中，参见图3所示，所述分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型，包括：
s301、根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
具体的，在液压系统仿真技术领域，针对任一液压元件，根据获取的液压元件阀口两端的压力，计算得到该液压元件阀口两端压差，然后利用小孔压差-流量计算公式，即可以计算该液压元件的阀口流量。计算得到的阀口流量是与阀口两端压差相关的计算公式，即液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
由于液压系统中存在多个液压元件，因此本发明实施例需要按照上述方法，分别对液压系统中的各个液压元件进行建模，得到液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
可选的，在本发明的另一个实施例中公开了对液压系统中的各个液压元件进行建模得到阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型的具体处理过程。
参见图4所示，本发明实施例公开的对液压系统中的每个液压元件进行建模的具体处理过程为：
s401、根据预设的小孔压差-流量计算公式，分别构建所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
具体的，为了便于表述，分别以a、b标记阀口的两侧，则以阀口两侧的压力pa、pb表示的阀口压差为δp＝pa-pb。
当阀口两侧的压差较大时，液流在薄壁小孔处一般呈现紊流状态，相应的压差-流量方程为:
其中
当阀口两侧的压差较小时，液流将处于层流状态，紊流状态下的压差-流量公式将不再适用，此时流量与压差成线性正相关，记为：
其中，g为层流流动时的液导，rh为层流流动时的液阻。
上述计算公式是常用的计算公式，但是液流从层流状态转变为紊流状态是一个动态变化过程，影响液流状态变化的因素较多，基于微分形式的数学方程很难描述动态过程，该建模方法仅仅考虑层流与紊流两种状态，并不能严格地、连续地表征液流在各个状态下的阀口流量和阀口两端压力之间的关系。为了减少液压系统建模对液压元件参数的需求，本发明实施例对上述的紊流及层流状态下的压差-流量方程进行改进。
基于上述常用计算公式，本发明实施例将液压元件中的液流在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压差之间的关系表达式改进为：
其中qnom表示液压元件的阀口流量，anom表示液压元件的阀口开口面积，δpnom表示阀口两端压差，ρ表示液流密度。
对于任一状态下的紊流流量
其中
相应的，基于上述常用计算公式，本发明实施例将液压元件中的液流在层流状态下的阀口流量与阀口两端压差之间的关系表达式改进为：
其中，qlam表示层流流量，rhnom表示层流液阻。
任一状态下的层流流量
其中，q为任一层流状态下的液流流量，rh为任一层流状态下的液阻，qr类似于上述qx，无实际物理含义。对于不同阀口开度的液压元件，层流状态下的液阻不相同，但根据液压元件的流量特性曲线可知，液阻的变化趋势是随着压差增大逐渐减小，因此上述的
s402、将所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到所述液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
具体的，为了能够模拟层流与紊流状态间的转换，同时为了使流量方程当△p在0点附近时满足lipschitz(利普希茨)条件，从而保证可以求得微分方程的唯一解，本发明实施例将上述改进得到的层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型与紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到统一的液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。在此以三次样条曲线拟合为理论基础，分别对紊流及层流下的qx及qr进行分析计算：
上述两个方程在临界点处应保证其函数值及一阶导数值相等，由此可以计算得到：
即：
经过上述计算，实现了将液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到了液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，即上述的qa→b的表达式。
s302、将与所述各个液压元件连接的各个液压容腔作为节点，根据所述各个液压元件的阀口流入流量和流出流量，计算得到流入所述各个液压容腔的净流量；
具体的，对于液压系统中的各个液压容腔，分别计算流入的液流的净流量。本发明实施例将流入液压容腔的流量取为正值，将流出液压容腔的流量取为负值，将流入液压容腔的所有流量和流出液压容腔的所有流量求和，即可得到流入液压容腔的净流量。
s303、根据流入所述各个液压容腔的净流量和预设的可变体积液压容腔压力计算方程对所述各个液压容腔分别进行建模，得到所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
具体的，在液压系统仿真技术领域，针对任一液压容腔，利用流入该液压容腔的净流量，根据可变体积液压容腔建模方程，可以计算该液压容腔的压力，即计算得到液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
由于液压系统中存在多个液压容腔，因此本发明实施例需要按照上述方法，分别对液压系统中的各个液压容腔进行建模，得到液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
可选的，在本发明的另一个实施例中，公开了对液压系统中的各个液压容腔进行建模得到液压容腔的压力与净流量之间的关系模型的具体处理过程。
参见图5所示，本发明实施例公开的对液压系统中的每个液压容腔进行建模的具体处理过程为：
s501、根据流入液压容腔的净流量、所述液压容腔的液容和液阻，以及预设的可变体积液压容腔压力计算方程，构建所述液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型；
具体的，根据流体压缩率推导出的可变体积液压容腔方程为：
其中，p为液压容腔的压力，e为油液弹性模量，v0为液压容腔的初始体积，δv为液压容腔体积的变化量，
由于该一阶微分方程的常系数数值一般会达到1013及以上，在利用数值积分求解该方程时会导致很大数量的计算步长，增加计算时间，这不仅会导致模型出现稳定性问题，同时也无法保证实时仿真的实时性。
为了解决上述问题，本发明实施例对上述液压容腔方程进行改进，考虑在液压系统中添加阻尼系统，降低系统的“刚度”。
根据液阻、液容的定义，液压容腔中的压力变化量
对上述方程进行变形得到
其中，m为液流质量，ρ为液流密度，
按照上述计算公式，即计算得到了液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型。
s502、对所述液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型进行积分处理，得到所述液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
具体的，通过执行步骤s501计算得到液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型后，对液压容腔的压力变化率与净流量之间的关系模型表达式进行积分，即可得到液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
按照上述图5介绍的处理过程，可以分别对液压系统中的各个液压容腔进行建模，得到各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
需要说明的是，上述处理步骤中，步骤s302和步骤s303之间存在先后关系，要先执行步骤s302，然后才能执行步骤s303，但是步骤s301与步骤s302和步骤s303之间不存在严格的执行先后顺序，步骤s301可以在不受其它步骤影响的情况下单独执行。本发明实施例只是示例性地介绍上述步骤的具体实现过程，并不严格限定各步骤的处理顺序。
本实施例中的步骤s304对应图2所示的方法实施例中的步骤s202，其具体实施内容请参见图2所示的方法实施例中的步骤s202，此处不再赘述。
本发明实施例还公开了一种构建液压系统模型的装置，参见图6所示，该装置包括：
模型构建单元100，用于分别构建液压系统中的各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及与所述各个液压元件连接的各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型；
模型组合单元110，用于根据所述液压系统中的所述各个液压元件和所述各个液压容腔的连接关系，将所述各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型进行信号连接，得到所述液压系统的模型。
可选的，在本发明的另一个实施例中，参见图7所示，所述模型构建单元100，包括：
第一模型构建单元1001，用于根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
净流量计算单元1002，用于将与所述各个液压元件连接的各个液压容腔作为节点，根据所述各个液压元件的阀口流入流量和流出流量，计算得到流入所述各个液压容腔的净流量；
第二模型构建单元1003，用于根据流入所述各个液压容腔的净流量和预设的可变体积液压容腔压力计算方程对所述各个液压容腔分别进行建模，得到所述各个液压容腔的压力与净流量之间的关系模型。
可选的，在本发明的另一个实施例中公开了，所述第一模型构建单元1001根据预设的小孔压差-流量计算公式对液压系统中的各个液压元件分别进行建模，得到各个液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型时，具体用于：
对于液压系统中的各个液压元件，分别进行如下建模：
根据预设的小孔压差-流量计算公式，分别构建所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型，以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型；
将所述液压元件在紊流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型以及在层流状态下的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型进行整合，得到所述液压元件的阀口流量与阀口两端压力之间的关系模型。
具体的，上述各实施例中的各个单元的具体工作内容请参见上述方法实施例的内容，此处不再赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。