液压系统方案设计的能量特征状态模型

　　0 前言

　　液压系统方案设计是整个液压系统设计的关键环节，它确定了系统的工作原理与组成结构并对后续详细设计起决定性作用。传统设计模式下该阶段工多是由设计人员凭经验类比已有实例或拼凑液压基本回路来完成，所产生的设计方案数量有限且创新性与灵活性不足。因此，针对该领域的计算机辅助设计研究变得尤为关键。

　　当前国内外专家学者多采用人工智能与专家系统技术来解决液压系统方案设计问题。KOTA等[1-2]运用模块化设计法，在液压领域内抽象出 7 类功能模块，建立一个基于知识的专家系统进行液压系统方案设计。POTTER 等[3]采用神经网络法进行液压系统方案设计，设计过程中充分利用了启发性知识。VONG 等[4]采用基于实例推理与实例适应策略，充分利用已有实例进行液压产品方案设计。王军等[5]以液压基本回路为最小设计单元，运用专家系统技术进行机床液压系统的智能 CAD 设计。张金等[6]从液压基本回路中提炼出元回路，建立系统、元回路间的特征状态模型进行液压系统方案设计。然而，受 AI 技术自身特点所限该类方法在设计知识的表达与使用间缺乏内在有机联系，从而导致方案解产生过程中对经验规则与实例训练的过度依赖。

　　借鉴王德伦等[7-8]构建数学模型进行机械系统运动方案设计的思路，首先以定性矢量的形式描述液压系统的能量特征，再从常用液压元件中定义新的系统设计基本单元并以矩阵形式对其进行定性功能表达，最后建立单动作子系统综合模型将液压系统方案设计转化为模型空间内的矩阵分解与匹配。

　　1 液压系统的能量特征状态表述

　　液压系统是能量转化与传递的系统。抽取系统内液压能与机械能的若干属性特征从能量角度对系统进行描述是液压系统方案设计的前提与基础。

　　1.1 能量特征状态矢量

　　方案设计阶段的初始设计信息通常包含主机运动部件的负载大小、速度快慢及二者的稳定性等要求。为此，须从量值大小与静态品质两方面考察力、速度、压力和流量等能量基本参数。本文抽取力量值 fd、力品质 fc、速度量值 vd和速度品质 vc(或转矩量值 Td、转矩品质 Tc、角速度量值 ωd和角速度品质 ωc)四项机械能分量，组成集合{fdvdfcvc}或{TdωdTcωc}对系统内的机械能特征进行表述。提取压力量值 pd、压力品质 pc、流量量值 qd和流量品质qc四项液压能分量，形成集合{pdqdpcqc}对系统内的液压能特征进行表述。

　　具体提取方式如下。

　　定义 1：在液压系统内，若某能量基本参数的取值为某范围内的任一可能值，则将其量值分量以符号 1 2( d , d)a 表达；若某能量基本参数的取值为一常量或预先设定值，则将其量值分量以符号 c(d)表达；若某能量基本参数取值平稳无波动，则将其品质分量以符号 S 表达；若某能量基本参数取值具有波动性，则将其品质分量以符号 V 表达。并将上述1 2( d , d)a 、c(d)、S 和 V 统称定性特征值。