哈工大,液压系统动态分析讲义第一章绪论

液压系统动态分析讲义

哈工大机电学院杨庆俊

第一章绪论

我们这门课程，叫液压系统动态分析。顾名思义，是研究液压系统的动态特性。

一、研究对象、内容和意义液压元件与系统都是我们的研究对象，具体可分为三类：

（1）具有内反馈机制的液压元件，如溢流阀、恒压泵等。这类元件通过其内部的反馈调节机制，控制压力、流量或者是功率为恒定值。对于液压技术而言，

这类元件内容丰富，常代表了液压元件的尖端，就其局部而言，其复杂度往往

不低于一个常规的液压伺服系统。

（2）液压传动系统。这类系统工作在开环状态，系统在有限的几个状态之间切换以完成规定的功能。尽管系统工作在开环状态，其内多数情况下仍然会有具有反

馈机制的液压元件如溢流阀等。

（3）液压伺服控制系统。这类系统整体工作在闭环反馈方式。通常采用传感器测量某个被控制量，如压力、位移、加速度等等，通过控制阀的调节作用使被控制量

满足要求的变化规律。

这三类对象中，第三类“液压伺服控制系统” 已有专门课程介绍其分析和设计，因此本课程不再包括这部分内容。本课程所涉及的就是前两类对象。

动态分析，就是研究上述元件和系统的动态特性，即元件与系统工作状态转换过程的特性。因对象性质的不同，动态特性所关注的内容也有所区别。

对于第一类内反馈式元件，动态分析的主要内容如下：

（1）稳定性。因其存在反馈作用，动态分析最关注的就是能否稳定工作。影响稳定性的因素有多方面。第一，该类元件在设计条件下，是否存在由于内部参数设计

不合理导致的不稳定；第二，在系统中使用时，与该元件上下游的连接条件发生

变化，是否会出现由此引起的稳定性问题；第三，即使硬件连接相同，元件的

工作参数如压力、流量等也会有一定的变化，是否会出现因此而引起的稳定性问

题。

（2）对干扰因素的抑制特性。总有一些量的变化会引起被控制量的变化，如溢流阀溢流流量的变化会引起设定压力的变化。当这些干扰发生变化时，被控量的响应

过程，如最大变化幅度、恢复稳定时间、振荡次数、最终稳定值等，是我们所关

心的。

（3）对指令的响应。当指令信号改变时，被控量跟随变化的特性，如跟随的快速性、超调量、振荡次数等。

对于第二类对象，因其工作在开环状态，故没有稳定性问题。系统内所含有的内反馈式元件特性归于第一类中研究。动态分析的主要内容如下：

（1）启车、停车过程的快速性与平稳性。这两者是矛盾的，设计不当可能会使一种特性严重不足。快速性不足则影响效率，而平稳性不足则会影响寿命。对于频

繁启停的系统，这两个特性更是至关重要。

2）不同工作状态间切换的快速性、平稳性和精确性。如快进与工进的切换，行程

终点的换向等，一般都要求切换快速、平稳和准确。不同的系统可能侧重点不

同，有些系统可能侧重要求平稳性，有些侧重准确

液压系统动态分析的目的和意义在于以动态分析来指导液压系统（元件）的设计和调试。

设计者仅仅设计出静态指标和逻辑功能满足要求的系统，是远远不够的，这仅仅是个最基本的要求。系统还必须满足动态特性的要求。即使是传动系统，它的调试工作50%以上也都消耗在满足动态特性上。

传统的动态特性问题，基本上是依赖于工程师的经验或构成系统后的反复调试和修改。由于计算机技术的发展，动特性的设计成为了可能。

液压系统动态分析的一般流程和方法液压系统动态分析的一般流程是：

（1）分析系统的工作原理，明确所需要研究的动态特性。

（2）列写系统动态方程组，一般来说应包含流量方程、流量连续性方程和运动部件动力学方程，有时还会有一些辅助方程。

（3）按照实际系统构成和规定的工作条件确定有关参数，对以上方程进行计算机求解，即可获得系统的有关动特性。

（4）如系内反馈式元件，还可在静态工作点上作线性化，转化到频域进行讨论。

液压系统动态分析主要有以下几种方法：

（1）列写系统微分方程组，利用通用软件（如Matlab ）或自编程序求解时域动态响应。其优点是：

a）直观、简单

b）适合求解各种工况、能处理强非线性

c）误差源明了。

（2）列写系统微分方程组，在工作点作线性化，利用拉氏变换将时域转化为频域讨论。这种方法优点是有利于揭示系统的本质特征，尤其适用于平衡态附近小扰

动分析，也是控制系统分析设计的基础。任何系统而言，在工作点附近的特性

都是最重要的，这个特性不好，甚至不稳定，系统是无法工作的。缺点是不

适用于工作状态大幅变化，处理较强非线性问题精度差。

（3）利用专业软件，如AMESim （法国伊梦镜公司产品）、tutsim （基于键合图理论的仿真软件）等，进行时域仿真。这是各行业的共同趋势。他的目的是让更多

的人不会因为专业的障碍而妨碍系统设计和使用，也使设计人员节省建模编程的

时间。此类仿真软件针对液压系统的基本单元和元件建有相应的库，使建模工

作大大简化。使用者需要弄清楚的是：它所提供的模型已考虑了什么因素，这

些因素的参数应该如何设置。

三、本课程的主要内容本课程的主体包括三部分内容。第一部分是基础理论，主要是液压流

体力学的有关知识，如节流口流动、液压弹簧、阀内液动力等内容。该部分内容不是泛泛地介绍流体力学的一般原理，而是结合液压技术中的具体情况得出具体结论。尽管自控理论也是基础理论的一部分，因另有课程专门学习，这里不涉及。

第二部分是内反馈式元件的动态分析。内容不要包括直动溢流阀、先导溢流阀、恒压柱塞泵和调速阀。详细介绍了这些元件的建模分析过程，并给出了可用于Matlab 分析的框图。直动溢流阀还进行了深入的动态分析，给出了稳定性设计准则。

第三部分是传动系统分析。介绍了常用方向控制元件的基本特性，几个复杂度由简到繁