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液压传动控制系统设计中的结构分析
摘要：液压控制系统的设计是一项复杂且耗时的任务，目前尚无法完全自动化。 但是，计算机可以有效地支持重要的设计子任务，例如仿真或控制概念选择。 成功支持的前提是对液压系统的结构进行有充分根据的分析。本文提供了用于分析不同结构级别的液压系统的系统性，并说明了如何在设计过程中使用结构信息。 本文的另一个重点是通过图论研究从电路图自动提取结构信息
关键词：CACSD算法和基于知识的方法； 液压系统的结构分析； 图论
1 简介
液体静压驱动提供了优越的动态性能，因此代表了一个主要的驱动概念的工业应用。大型液压系统—例如船舶技术工厂和机床驱动器—拥有大量的执行机构。因此，单个组件或整个子系统之间可能会出现复杂的相互依赖关系，从而导致可能会出现各种具有挑战性和高要求的设计和控制任务。图1给出了一个复杂性和尺寸方面的一个典型例子，冷态工厂的电路图(Wessling, 1995; Ebertshauml; user, 1994)。在这里，超过20个执行器在盘绕的钢带上工作。设计这样的大型液压控制系统需要一个系统的过程。在实践中，这样是非常主观的。因为这基于人类设计师的直觉和经验。本文介绍了流体静力传动的一个系统，揭示了流体静力传动的基本结构及其子结构之间的相互关系和相互依赖关系。这种方法允许进行彻底的结构分析，从而得出设计过程自动化的基本结论。
本文的概念已经在artdeco中实现并集成，artdeco是一个基于知识的液压设计支持系统(Stein, 1995)。目前，artdeco结合了针对流体、检查和结构分析算法、仿真方法和基本设计规则处理的基本CAD工具。
液压设计知识的可操作性需要正式定义，并需要从电路图中自动提取结构信息。本文在这些方面作出了贡献，文章第2节从概念上和范例上描述了可用于研究液压系统的结构层次。第3节简要讨论了结构分析带来的好处。第4节精确定义了液压系统功能单元之间不同类型的联轴器，从而为基于计算机的分析奠定了基础。此外，还概述了如何实现结构分析的自动化。第5节概述了artdeco内部结构信息的利用。
图1 冷轧装置液压回路图。
2 液压系统结构分析
大多数液压系统是通过利用一名工程师的经验和直觉来设计的。 由于缺乏结构方法，因此无法对系统结构进行全面的分析。而是仅仅使用了有限个可能的解决方案，从而使得结果高度依赖于个人的能力。这种方法仅适用于几乎没有变化的重复设计任务。在下文中，介绍了液压设备的结构设置的系统分析，并进行了问题导向的具体系统分析。它在静液压驱动器中的应用（作为初步设计）有助于结构信息的后续和有目的的推导，这对于使系统的性能满足客户的需求是必不可少的。
2.1 液压系统的结构层次
这里开发的系统学是基于三个抽象层次的（Vier等，1996）。 功能结构，组件结构和系统理论结构之间的区别对应于不同特征的系统描述（图2）。 通过这种区别，可以得出有关如何影响系统行为的总体看法。 为了说明结构层的概念，我们将集中在冷轧厂的一个示例子系统上，图3描绘了四辊机架(Ebertshauml; user, 1994).。 功能结构通过分析工厂必须完成的不同任务（功能）来显示液压回路的基本工作模式。 它代表了某种定性的系统描述。 功能结构
中的关键要素是所谓的“液压轴”，其定义如下
图2 液压系统的结构层次
图3 冷轧车间四辊机架的设置。
定义2.1(液压轴)液压轴A表示并实现整个液压装置的子功能f。A定义了实现f的工作、控制和供应元素之间的联系和相互作用(Vier, 1996)。
四辊机架的液压执行机构执行两个任务，每个任务由方向载荷和运动量确定
图4中给出了轧机机架的功能描述。液压轴及其相互依赖性的检测得出了影响深远的结论，这些结论已在第3节中进行了说明。在组件结构层次上，研究了函数的选择实现。 布置结构包括有关液压元件（泵，阀，缸等）及其几何和物理布置的信息（图5a和b）。 通过开关状态结构，开关位置的所有可能组合的特征在于：例如，阀可以打开或关闭（图5c和d）。 图6描绘了组件水平的机架的示意图。
图4 辊架在其功能层面上的描述。
图5 排列结构(a, b)和切换状态结构(c, d)的例子。
图6。部件级辊架的说明。
系统理论结构包含了液压传动作为一个整体和它的单个部件的动态行为的信息。描述动力学的常用方法是微分和差分方程或状态空间形式(Schwarz, 1991)
系统理论视图包括有关受控量的信息以及受控系统的动态行为。 图7中的框图显示了轧机机架的系统理论结构。通过将分析和仿真结果与驱动器的性能要求进行比较，可以确定每个液压轴的开环或闭环控制概念是否合适。 在下一步中，可以分配适当的控制策略（线性，非线性等）(Follinger, 1992; Unbehauen, 1994)。
备注。当功能结构产生定性描述时，系统描述分别在组件和系统理论层面变得更加定量。此外，对结构设置的分析表明，液压装置的行为可以通过何种方式受到影响(参见图2):(1)首先，功能结构必须被认为是不变的，因为它是客户需求的结果。只有当给定的结构被证明是不令人满意的，由启发式分析方法得出的修改才是可取的;(2)注意，在组成控制系统的液压元件的变化或交换，需要结合启发式和分析方法;(3)系统理论层面有利于动态行为的研究:控制理论为选择合适的控制策略、参数化等提供了分析方法。
2.2 液压轴及其联轴器
液压轴的检测与评估是液压系统功能结构研究的重点。他们的分析有助于更深入地了解冷轧厂内部的相互关系，并提供了有关要实现的功能的能量流的概述。2.1节给出的液压轴的定义是基于为了实现单一功能而共同工作的单元的准则。注意，几个执行器(液压马达/液压缸)可能具有相同的功能，从而形成一个单独的液压轴(图8)。这种情况是为
(a)由单一控制元件控制的同一子电路，
(b)由开环或闭环控制进行的同步运动;
(c,d)机械联轴器，如导向装置和齿轮装置，强制一个独特的行为。
图8。带多个执行器的液压轴.
除了考虑孤立的液压轴外，还有必要研究它们之间的相互依赖关系。以下耦合类型已经确定为0级(没有耦合)。如果液压轴之间既没有动力也没有信息连接，它们就没有耦合。
1级(信息耦合)。只通过控制连接的液压轴称为信息耦合。
2级(平行耦合)。液压轴具有自己的共用一个电源耦合并行。
3级(系列耦合)。串联联轴器连接液压轴，液压轴的供电(或处理)通过前轴或后轴实现。
4级(顺序耦合)。如果下一个轴的性能取决于状态变量，如压力或前一个轴的位置，以便按顺序工作，则给出一个顺序耦合。
将功能结构的概念应用于图1的冷轧装置，可以找到15个液压轴及其联轴器。图9的左侧显示了图中各组件对坐标轴的隶属关系，右侧以树的形式显示了整个耦合方案。
图9。冷轧厂液压轴概述（左）和耦合方案（右）。.
3结构分析的好处
液压系统的结构分析揭示了基本的设计决策。特别是基于液压轴检测的功能分析，将简化系统的修改、扩展和适应性能(Stein, 1996)。液压轴的单独处理在以下几个方面显著降低了设计工作量:
智能仿真。智能仿真是分析复杂系统时的一种人工策略:对子系统进行识别、自由分割和独立仿真。该方法降低了仿真的复杂性，简化了对仿真结果的多余解释。液压轴建立了适合的子系统，可以被自由分割，直到他们执行一个完整的不可分割的子任务。
静态设计。关于液压轴驱动概念(开/闭中心、负载传感、再生电路等)的信息允许选择与静态设计相关的计算程序(Walter, 1981; Paetzold and Hemming, 1989)。此外，修改知识的应用必须考虑轴的耦合级别。
控制概念的选择。对输入和输出变量之间耦合的考虑为控制概念的选择提供了必要的决策基础。分析解耦矩阵D (Schwarz, 1991)得到了一种常用的方法。注意，可以处理的系统顺序是有限的。功能结构分析将系统分为(1)SISO系统和(2)耦合子系统，前者采用标准的控制器设计方法，后者采用降阶的耦合子系统，从而更有效地研究解耦性，甚至使解耦成为可能。
诊断。将液压回路分解成液压轴后，根据以下工作假设，诊断过程可以集中在单个轴上:如果仅在单个液压轴上观察到症状，则缺陷部件必须位于该轴的部件之间。如果在几个轴上观察到症状，轴耦合类型将给出关于缺陷组件的进一步答案。Hesse和Stein(1998)描述了一个系统，在这个系统中，这个想法已经开始实施。
请注意，对液压轴之间的联轴器进行智能分类，形成了是否允许对液压设计问题进行分解的基本原理。尽管具有0级或1级耦合的子系统总是可以被自由切断，但是对于并行、串联和顺序耦合，还需要更多的信息。
例:设A, B为两个液压轴。
如果:耦合{A，B}是并联的
并且:{过程{A}，过程{B}}没有时间重叠
则:允许单独设计{A，B}
如果:耦合{A，B}是并联的
并且:过程{A}，过程{B}}有时间重叠{
则:禁止单独设计{A，B}
Vier(1999)提供了一种更详细的方法来评估特定液压轴设计的可分离性
4液压传动的图论分析
液压驱动器拓扑分析的主要目标是自动检测其潜在的功能结构，该功能结构由液压轴及其联轴器反映出来。
注意，在通常的设计过程中，不会使用液压轴作为明确的构建块。其原因有两个:(1)不可能总是以自上而下的方式设计液压系统，从液压轴开始，然后在后续的步骤中细化;(2)人类设计者从结构中自动导出功能的经验和能力使他能够在部件级构建液压系统。
另外，设计者的主要工作文件是技术图纸，没有传统的或标准化的方法来额外规定液压系统的功能结构。这种情况强调需要自动检测所需的结构信息。
这里所进行的拓扑分析是图论的问题，在接下来的内容中，我们将回顾一些基本的图论概念，如多重图、路径或连通分量。这些概念被以一种标准的方式使用，我们阐述的主要思想不需要是图论的专家也可以理解。在方便读者时，第4.3节简要介绍了所使用的定义。
4.1耦合类型的层次结构
对于第2.2节中介绍的耦合类型，我们现在开发一种精确的数学公式。 在这一点上，液压回路被抽象为普通图。 以下定义提供了一个映射规则，该规则将每个相关的液压图Gh(C)分配给每个回路C。
定义4.1(相关液压图)电路C的相关液压图Gh(C)是一个多lt;VC;EC;gCgt;，其元素定义如下。
(1) VC是一组点，C中的非管道构件集合到VC之间存在映射关系。
(2) EC是一组边，C中的一组管道构件到EC之间存在映射关系。
(3) g:EC2VC是定义eEC和（vi,vj）2Vc存在映射关系。当且仅当与vi,vj关联的组件之间有管道，且e与该管道关联时
图10是液压回路及其相关液压图的对比图。图中的标签应强调图中的元件与液压回路的元件之间存在一一对应关系。
图10.采样电路及其相关图。
备注：对于每个回路C，都存在一个液压图Gh(C)。这里必须使用多重图形而不是图形，因为液压系统的元件可以并联。注意以下C的拓扑简化:(1)阀门内的子结构收缩到一个点v，因此所有连接的管道都连接到v;(2)忽略随阀门切换而来的拓扑变化;(3)由于特定液压元件的行为而产生的方向信息被丢弃。这些简化对液压轴联轴器的分类没有影响。
定义4.2(耦合类型)。给出了一个包含两个子电路a、B的液压回路C，实现了两个不同的液压轴。此外让
分别表示C、A、B的相关液压曲线图。
0级(没有耦合。)若Gh(C)不连通，且Gh(A)、Gh(B)是Gh中不同连通分量的子图，则A、B轴不耦合。A和B没有任何物理联系，因此可以独立调查。
1级(信息耦合)。设{e1，hellip;，en}为E，每个ei与c内的一条控制线相关联。如果未连接，且Gh(a)和Gh(B)为Gh中不同连接元件的子图，则液压轴A和B为信息耦合(图11)。注意，控制线可以通过电气、液压或气动线路来实现。
2级(平行耦合)。设Pw,s为从工作元素w到供应元素s的所有路径的集合，这些路径不使用与控制线相关联的边。如果存在两个节点va VA vb VB ，则A和B并行耦合，满足以下条件:
(1) va,vb与控制元素关联
(2)lt;
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