基于键合图及Simulink的换管机回转液压系统动态仿真分析_王丹
基于MATLAB simulink的液压系统动态仿真
汇报人：xxx
一、阀控液压系统缸简介
液压动力元件可以分为四种基本形式：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控 液压缸和泵控液压马达。四种液压动力元件虽然结果不同，但其特性是类 似的。
阀控液压缸系统是工程上应用较广泛的传动和动力系统。由于阀控对称液
压缸系统比阀控非对称液压缸系统具有更好的控制特性，因此，在实际生 产中得到了广泛的应用，但是对称液压缸加工难度大，滑动摩擦阻力较大，
需要的运行空间也大，而非对称液压缸构造简单，制造容易。
四通阀控制对称液压缸是液压系统中一 种常用的液压动力元件 工作原理
如图1所示，四通滑阀控制液压缸拖 动带有弹性和粘性阻尼的负载作往复 运动。其中，假定供油压力Ps恒定， 回油压力P0近似为零。
图1 四通阀控制对称液压缸原理图
图2 常见四通阀图片
dxp
Vt dpL
2 d xp dxp 液压缸和负载 AppL mt 2 Bp Kxp FL 的力平衡方程： dt dt
三个基本方程经过拉氏变换得：
qL Kqxv KCpL dxp Vt dpL qL Ap CtppL dt 4 e dt d 2 xp dxp AppL mt 2 Bp Kxp FL dt dt
表1 仿真参数
仿真结果 （取样时间T=1s）
图4 系统压力P/Pa 图5 油缸输出力F/N
由仿真结果图得出：
可以看出系统的压力与液压缸的输出力从0逐渐上升，在t=0.5s时，系统达到 稳定状态，此时系统压力为 P=7.41×106 Pa，液压缸的输出力为F=5000 N， 符合预期设计要求
可以看出开始时，活塞杆的位移 很快达到2.8 mm且有振荡，随后 在系统达到稳定状态的过程中， 活塞杆的位移逐渐减小到0，这表 明活塞杆只在结构物破坏的一瞬 间有位移，其他时间活塞杆只输
基于Simulink的AMT离合器液压缸动态特性仿真研究
２ １年 ５ ０１ 月
澈体秸幼 控副
Ｆ ｕｉ ｗｅ ａ ｍ ｉｓｏ ａ Ｃｏ ｔｏｌ ｌ ｄ Ｐｏ ｒ Ｔｒ ｎｓ ｓ ｉｎ ｎｄ ｎｒ
Ｎｏ３Ｓ ｒ ｌＮｏ ６ ． ｅｉ ． ） （ ａ ４
Ｍａ ２ １ ｙ，０１
基 于 Ｓｍｕｉ ｉ ｌ ｋ的 Ａ ｎ ＭＴ离合 器 液压 缸 动态 特 性仿 真 研 究
３ 单 作 用 液 压 缸 动 态 仿 真 模 型
图２ 离合器膜片弹簧分离特性 曲线
由分离 特 性 曲线 可 知 ， 合 器膜 片 弹簧 的产 生 的 离
回位 力 不 是 行 程 的线 性 函数 。 函 数 关 系 如 式 （ ） ３ 所
示。
依 据 单作 用液 压缸 数 学模 型 ， 用 Ｓｍｕｉｋ 供 利 ｉ ｌ 提 ｎ 的可 视 化 工 具 ， 立 了单 作 用 液 压缸 动 态 仿 真模 型 。 建 仿 真模 型主要 对 静态 参 数 、 容腔 压 力 、 液压 作用 力 、 膜
ＭＡ Ｌ Ｔ ＡＢ中一 个 动 态 系 统 建 模 、 真 和 分 析 的软 件 仿
包 ， 工 程 师 提供 了一 种 基 于 ＭＡＴ ＡＢ的框 图设 计 为 Ｌ
环境 ， 可针对各种物理环境 、 数学系统进行建模 、 仿真
和 分 析 ， 泛 应 用 于 线性 系统 、 线性 系统 、 广 非 离散／ 连 续 时 间系统 等 。 单 作用 液 压缸 作为 液压 系统 基础 元件 ， 可分 为 弹
的应 用 。机 械 式 自动 变速 箱 （ ＭＴ） Ａ 的离 合器 执行 机 构 为一 种单 作用 液压 缸 ， 在液 压 阀的驱 动下 实现离 合
：
（／） ｑｋ ａ
SIMULINK和功率键合图在液压系统建模仿真中的应用
*
结论
（ (） 对旋转机械振动信号通过小波分 解技术将信号分解到不同频带，可以提取 用傅立叶频谱分析不能得到的特征，可以 有效的识别故障，说明小波分析是旋转机 械故障诊断的有效工具。 旋转机械碰摩故障表现明显的周 （)） 期性， 振动能量主要表现在 ( 倍频， 振动主 要表现在正方向， 振动很不平稳， 有强烈的 冲击。
电磁阀及蓄能器阀口流量关系式 ( C 1,! 粘性阻尼摩擦力公式 &2 +# 将上述两式中的关系 ! + 、! " 和 ! - 带入状态方 程， 可得系统数学模型如下 / C * . 0 *+ % ’
在有关的工程设备当中，对于停电或故障等意外 情况的发生，出于安全等目的常设计有如图 " 所示的 液压系统。该液压系统在正常工作时蓄能器作为压力 缓冲器能有效防止由于故障，油缸突然停止运动造成 的压力剧增，同时当发生停电及其它异常情况时，蓄 能器又能作为应急动力源，使执行元件能继续完成必 要的动作，保证系统安全。现按照前述建模步骤对该 系统在异常情况下的情形进行分析建模。 由图 " 可见，该系统由蓄能器、三位四通电磁换 向阀、单向阀、液压缸及负载组成。蓄能器是气液蓄 能器。 当 发 生 停 电 时 ， 换 向 阀 复 位 系 统 处 于 原 始 状 活塞位移 " C D， 活塞速度 # C D。单向 态， 即时间 ! C D， 阀防止蓄能器油液外流，通过应急开关使三位四通电 磁换向阀恢复停电前状态， 此时流量 $ 由蓄能器流出， 经换向阀流入液压缸左 侧，克服活塞本身的质 量及同缸体的摩擦使活 塞杆收回。 该系统由蓄能器提 供能源，因该元件的势 与流之间存在积分因果 关系，故用一容性元件 （—3E） 来模拟， 能量由 该元件流向系统。考虑 " # 单向阀 ! # 蓄能器 $ # 三位四通 液流出入蓄能器时有能 电磁换向阀 % # 液压缸 & # 负载 图 " 液压系统原理图 量损失用一组性元（—
基于AMESim与Simulink联合仿真的大吨位液压机主缸速度闭环控制
Ａｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ Ｖｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ Ｃｌ ｏ ｓ ｅ ｄ ． ． １ ｏ ｏ ｐ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｌａ ｒ ｇ ｅ ． ． ｔ ｏ ｎ ｎ ａ ｇ ｅ Ｈｙｄ ｒ ａ ｕｌ ｉ ｃ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｍａ ｉ ｎ． ｃ ｙｌ ｉ ｎ ｄｅ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＯ． ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＡＭ ＥＳ ｉ ｍ ａ ｎ ｄ Ｓｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ
液 压 气 动 与 密 ａ ｔ ￣ ｌ － ／ ２ｏ ｌ ５年 第 ０ ２期
ｄ ｏ ｉ ： ｌ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ￣ 。 ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ — ０ ８ １ ３ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ２ ． ０ １ ８
基于Ａ ＭＥ Ｓ ｉ ｍ与 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 联 合 仿 真 的大 吨位 液 压 机 主缸 速 度 闭环 控 制
Ｙ ＡＮＧ Ｈｏ ｎ ｇ － ｙ ｉ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｂｉ ｎ — ｑ ｕ， Ｃ ＨＥＮ ￣ ｕ — ｍｅ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｆ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｆ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ ５ ０ １ １ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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液压系统动态性能仿真研究
液压系统动态性能仿真研究液压系统是一种非常重要的动力传输装置，其广泛应用于工业、航空、军事、汽车等领域。
为了使液压系统具有更好的工作效率和性能表现，需要进行动态性能仿真研究。
本篇文章将介绍液压系统动态性能仿真的基本原理及其在实际应用中的优点和实践操作。
第一章：液压系统动态性能仿真的基本原理液压系统是一种能量传递系统，能够将液体作为介质传递能量，并实现机械工作的过程。
液压系统的动态性能表现是指系统在工作过程中所表现出的动态特性，包括各种参数的变化规律、动态响应性能、运动稳定性以及控制特性等等。
液压系统动态性能仿真技术是应用计算机数值模拟、数学建模和仿真技术，对液压系统的工作过程进行模拟和再现，以便在实际应用中解决液压系统的动态性能问题。
其中，数值模拟就是指通过计算机软件对液压系统的建模和仿真，以便更精确地模拟液压系统的动态特性。
液压系统动态性能仿真的基本原理包括如下两个方面：1.数值模拟：利用计算机仿真软件，结合液压系统的实际情况，建立数学模型，并进行数值模拟计算，获得系统在不同工作条件下的动态特性。
2.动态特性分析：通过仿真计算获得系统在不同工作条件下的动态特性，在此基础上进行分析其动态特性，找出问题，并提出改善或优化方案。
第二章：液压系统动态性能仿真的优点液压系统动态性能仿真技术的应用，有以下几个优点：1.提高系统设计思路：通过系统仿真，可以得出不同工况下系统参数之间的关系，以及对系统性能的影响。
这些分析结果可以引导液压系统的设计方向，并帮助设计师更快速、准确地完成系统设计。
2.优化设计方案：通过仿真得到的系统性能数据，可以对系统进行优化设计，以实现更好的性能和效益。
在模拟分析的过程中，可以建立多种方案，通过对比不同方案的性能数据，确定最优的方案。
3.缩短研发周期：液压系统动态性能仿真技术可以帮助在设计和研发阶段确定更好的系统方案，避免在试验中浪费时间和资源，从而加速研发进度，缩短研发周期。
4.降低生产成本：通过仿真分析，可以较早地找出系统设计中的问题和缺陷，从而更快速地进行改进。
基于AMESim和Simulink的液压伺服系统动态仿真解读
基于AMESim 和Simulink 的液压伺服系统动态仿真万理想,丁保华,周洲,徐军(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221008摘要:提出了基于AMESim 和Simulink 的液压伺服系统进行动态仿真的方法。
以阀控液压缸为例,建立液压系统的动态数学模型,给出了仿真模型,详细介绍了如何利用AMESim 和Simulink 对液压系统动态特性进行仿真,同时分析了影响液压系统动态特性的主要因数。
关键词:AMESim ;Simulink ;液压伺服系统;仿真中图分类号:TP391文献标志码:A 文章编号:100320794(20070920040203Study on Dynamical Simulation of H ydraulic Servo System B ased onAMESim and SimulinkWAN Li -xiang ,DING B ao -hu a ,ZH OU Zhou ,XU Jun(C ollege of Mechanical and E lectrical Engineering ,China University of M ining and T echnology ,Xuzhou 221008,ChinaAbstract :Methods to dynamical simulate a hydraulic serv o system based on the s oftware are AMESim and Sim 2ulink is presented.The dynamical mathematic m odels of hydraulic system are established by cylinder controlled on valve.Present the simulation m odels and introduce the method to simulate the dynamical characteristics of the hydraulic system with AMESim and Simulink in detail.Meanwhile ,analyse the key factors of affecting the dynamical characteristics of hydraulic system.K ey w ords :AMESim ;Simulink ;hydraulic serv o system ;hydraulic simulation 0前言随着液压系统的大型化,复杂性的不断提高,传统的利用积分和微分方程建模进行的动态仿真已经越来越不能满足要求了。
基于simulink的液压系统建模与仿真
图 1 基本液压回路原理图 Fig.1 Principle of hydraulic loop
建成液压回路系统的模型要考虑以下条件： （1）不考虑传递过程中管道中的振动等损 失，不考虑回路的动态特性。 （2）油液的密度和温度均为定值。
液压系统动态特性的SIMULINK仿真与优化研究
收稿日期:2002-04-26 第20卷 第5期计 算 机 仿 真2003年5月 文章编号:1006-9348(2003)05-0110-03液压系统动态特性的SIMU L INK 仿真与优化研究李锋,马长林(第二炮兵工程学院,陕西西安710025)摘要:借助于功率键合图建立了直动式溢流阀调压系统的动态模型,讨论了SIM U LINK 环境下直接利用状态方程进行液压系统动态特性仿真的方法,并利用优化工具箱和SIM U LINK 相结合实现了系统动态特性的优化。
关键词:液压系统;状态方程;仿真;优化中图分类号:TH137.5 文献标识码:A1 引言液压系统的动态特性是衡量一套液压系统设计及调试水平的重要指标,由于液压系统是由若干液压元件组成的,元件的动态性能相互影响、相互制约以及系统本身所包含的非线性,致使其动态性能非常复杂。
而功率健合图技术和现代仿真技术为分析、预测和优化液压系统的动态性能提供了强有力的手段。
功率健合图以状态方程作为数学模型形式,能方便、直观地考虑系统中的非线性环节,且方程的推导有一定的程式,可有条不紊地进行程式化建模。
建模中所选择的状态变量一般为所研究系统中有实际意义的且需要的物理量,与现代控制理论中的状态方程建模相比更有优势。
作为一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,M AT LAB/S imulink 是一种用来实现计算机仿真的软件工具,具有开放性,可以用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系统。
文章利用功率键合图技术和M AT LAB/S imulink 软件包强大的仿真和分析功能,为液压系统的系统级建模与动态仿真提供了一个工作平台,它用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型,方便地实现液压系统动态特性的仿真与优化。
2 数学模型的建立在建立液压系统的动态数学模型时,功率键合图是一种有效工具,它可以清晰而形象地表达系统动态过程中各组成部分的相互关系,描述功率的构成、功率流程、能量分配和转换及各作用因素的影响等,自然真实,不加省略,可描述到系统的各个角落,使有关的参数和变量都包括在其中,并按客观实际存在的内部关系联系起来,清楚地表示系统的数学及物理本质。
Simulink在液压控制系统仿真中的应用
Simulink 在液压控制系统仿真中的应用1 简介液压控制系统的动态响应仿真计算一直是液压行业不断研究的一个门类，在液压控制系统中有着广泛的应用。
由于液压动力机构是动态元件，其动态特性很大程度上决定着整个液压伺服系统的性能，其中四通阀控液压缸是最常见的动力机构，也是泵控系统中伺服变量泵的前置级。
以前一般采用个人编程的方法来实现系统的动态响应，但是往往要花费大量的时间来处理程序本身的问题，并且容易出错、通用性差。
SIMULINK 的问世给液压系统的动态仿真计算提供了强大的工具，在SIMULINK 环境中只需利用鼠标就可以直观的画出系统模型，然后就可以直接进行仿真，并且在仿真过程中可以随时更改某些参数，以观察其对控制系统的影响，实现了对液压控制系统的智能设计。
2 四通阀控液压缸的基本方程（1）滑阀的流量方程假设：阀是零开口四边滑阀，四个节流窗口时匹配和对称的，供油压力s p 恒定，回油压力0p 为零。
阀的线性化流量方程为图1四通阀控液压缸原理图L q V c Lq K x K p =- （1）在动态分析时，需要考虑泄漏和油液压缩性的影响。
由于液压缸外泄漏和压缩性的影响，使得流入液压缸的流量1q 和流出液压缸的流量2q 不相等，即12q q ≠。
为了简化分析，定义负载流量为12L 2q q q +=（2） 式中 q K ——四通阀的流量增益；c K ——四通阀的流量—压力系数； V x ——阀芯的位移； L q ——负载压力。
（2）液压缸流量连续性方程流入液压缸进油腔的流量1q 为p 111pip 121()ep e dx V dp q A C p p C p dtdt β=+-++（3）从液压缸回油腔流出的流量2q 为p 222pip 122()ep e dx V dp q A C p p C p dtdtβ=+-++（4）式中 p A ——液压缸活塞有效面积； p x ——活塞位移；ip C ——液压缸内泄漏系数； ep C ——液压缸外泄漏系数；e β——有效体积弹性模量（包括油液、连接管道和缸体的机械柔度）； 1V ——液压缸进油腔的容积（包括阀、连接管道和进油腔）； 2V ——液压缸回油腔的容积（包括阀、连接管道和回油腔）。
基于SIMULINK的液压系统动态仿真
基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ的液压系统动态仿真 杨志坚，米柏林，赖庆辉（东北农业大学 工程学院，哈尔滨 １５００３０） 摘 要：通过采用ＭＡＴＬＡＢ语言的ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件包对液压系统进行动态仿真的方法，以开关型阀控缸为例，建立了液压系统的动态模型，并给出了仿真模型。
通过对系统的参数初始化，进行仿真。
结果表明，ＳＩＭＵＬＩＮＫ方法是对液压系统的动态特性进行仿真的一条有效途径。
关键词：计算机应用；ＳＩＭＵＬＩＮＫ；仿真；动态特性；液压系统 中图分类号：ＴＰ３９１．９；ＴＨ１３７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３─１８８Ｘ（２００５）０５─００９３─０２ 随着液压系统趋于高压、大流量，液压系统的复杂性不断提高。
传统的利用微分和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。
液压系统的动态仿真方法逐渐得到了广泛的应用，对于改进液压系统的设计、提高系统的可靠性都具有重要意义。
ＭＡＴＬＡＢ语言集科学计算、自动控制、信号处理等功能于一体，具有较高的编程效率。
同时，ＭＡＴＬＡＢ还提供了ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件包，利用该软件包可以方便地对液压系统的动态特性进行仿真［１］。
１ 液压系统动态建模 图１是一个常见的开关型阀控缸系统，泵出的油经换向阀进入液压缸，并通过换向阀控制液压缸进、排油，从而实现活塞运动及换向。
液压缸进油腔和回油腔流量连续性方程及活塞运动方程［２］为 t pC p A q c d d 11111++=λυ （１） t p C p A q c d d 22222−−=λυ （２） F B tmA p A p ++=−υυd d 2211 （３） 式中 1q 、2q —流进、流出液压缸的流量（ｍ３／ｓ）； 1A 、2A —液压缸进油、排油腔活塞面积（ｍ２）； 1p 、2p —液压缸进、排油压力（Ｐａ）； υ—活塞运动速度（ｍ／ｓ）； c λ—液压缸的泄漏系数（ｍ３・Ｐａ／ｓ）； m —活塞及负载的总质量（ｋｇ）； B —黏性阻尼系数（Ｎ・ｓ／ｍ）； F —负载力（N ）； 1C 、2C —进油、排油腔及其管路的液容。
基于SIMULINK的液压伺服系统动态仿真
３ ３ 校正 后 的 系统 仿真 ．
根 据 校 正 后 系统 的传 递 函数 重 新 设 置 仿 真 参 数 （ ４ ． 图 ） 双 击 方 框 图 中 的 示 波 器 ， 到 仿 真 曲线 （ ５ ． 曲 线 可 以看 出 ， 统 的 超 调 量 降 为 得 图 ）由 系 ６ 一５ ２ ， 态 误 差 几 乎 为 零 ， 足 设 计 要 求 ． ． ９／ 稳 ９ ６ 满
图 ２ 仿 真 参 数 设 置 对 话 框
Ｆｉ ． Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｐ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓａ ｉｈｍ ｅ ｉ ｌｇ ｂ ｘ ｇ ２ ｍ ｌ ｔｏ ａ ａ ｔ ｒｅ ｔ ｂｌ ｓ ｎｔｄ ａ ｏ ｏ
收 稿 日 期 ：２ ０ －０ ～ ２ ０ ８－ ６ ９．
作 者 简 介 ： 春 花 （ ９ ５ ） 女 ， 林 龙 井 人 。 边 大 学 工 学 院 机 械 系 副 教 授 金 １６ ～ ， 吉 延
第 Ｏ卷 ９月 期 ２３ ０ ８年 第 ３ ０
Ｖ０ ． Ｏ ＮＯ ３ １３ ．
Ｓｅ ． ２ ８ ｐ ００
基 于 Ｓ Ｍ ＵＬ ＮＫ 的液 压 伺 服 系统 动 态 仿 真 Ｉ Ｉ
金 ห้องสมุดไป่ตู้ 花
（ 延边 大学 工 学 院 ， 吉林 延 吉 １３ ０ ） ３ ０ ２
摘要 ：以液压助力 器为 例 ， 给出 了液 压伺 服 系统 的仿真 模 型 ， 用 Ｓ ＭＵＬ ＮＫ对 该 系统 的 动 利 Ｉ Ｉ 态性 能进行仿 真 ， 利用状 态反馈 进行 校正． 真 结果 表 明 ， Ｉ 并 仿 Ｓ ＭＵＬ Ｎ 方 法是 对液 压伺 服 系 ＩＫ
２８ ２
延
边
大
学
农
学
学
报
第 ３ ０卷
基于SIMULINK的往复式交流液压系统的动态仿真
４ —— 负 载 ； ５ —— 弹 簧 ； ６ — 阻尼 —
图 １ 交流 液 压 系统 原 理 图
２ 数 学模型 的建 立
交 流液 压系统 是一 个 比较复 杂 的多变 量系统 ，系
统 的各个 环 节对 系统 的振动 特性 都有不 同的影 响 。在 系统 建模 时 ，必须 考虑 各环 节 的特性 和它们 的相互关 系 ，并且 作如 下假设 ：① 电机 调 速时 ，认 为输 出转速
相 往复 式交 流 液压 系统 为例 ，利 用 ＳＭＵＵ ＮＫ 软 件 Ｉ 包对 其动态 特性 进行仿 真 分析 。
１ 交流 液压 系统 工作 原理
功率 键合 图用 于表示 系统 中的功率 流程 。在 动态 过 程 中，表示 功率 的流 向 、汇 集 、分配 和能 量转换 等
情况。
功率 键 用 一 直 线段 一 表 示 ，半 箭 头 表 示 功 率 流 向 ，ｅ和 厂构 成功 率流 的两个 变 量 ，ｅ为力 变量 ，厂为 流 变量 ， ｅ和 厂只是 通用 符号 。 在具 体 的机械 、 液压 和 电气 系统 中 ， 分别 以机 械作 用力 Ｆ 和速度 、 体压力 液 户和 流量 ｑ 、电压 ｅ和电流 ｉ 示 。为 了 区别不 同功 率 表
ｆ
往复 式交 流液 压 系统 原理 见 图 １ 。该 系统 主要 由 曲柄 连杆机 构 、输 入液 压缸 、输 出液 压缸 、负 载等 组 成。 曲柄连杆 机构 由调 速 电机带 动 以满足其 调速 要求 。 曲柄连 杆机构 １ 动带 动输 入液 压缸 ２运 动 ，管 路 中 转 充 有一定 压力 户 的油 液 ，油液 在管 路 中不 循环 ， 。 只是 在平 衡位 置作 振动 流动 ，从 而把 功率传 输 到输 出液压
AMESim仿真技术在换管机液压系统中的应用
夹紧旋合在一起的 ２ 根拉杆 ， 再调整换 向阀 ３ 使卸 ０ 扣缸 ３ 伸出 ，带动前夹紧装置旋转预定角度后 ， １ 前 夹 紧缸 ２ ４和卸 扣缸 ３ 立 即 收 回 ， １ 动力 头马达 ｌ ８反 转， 松开两拉杆的咬合螺纹； 再次执行上一步的动作 （ 后夹紧刚 ２ 处于伸出状态 ） ８ ，使拉杆与动力头的 咬合螺纹松开 ； Ｉ Ｒ出拉杆。重复上述操作 ， 卸杆过程 结束 。
２ １年第 ４期 ０２
程慧 ， ： Ｅ ｉ 等 ＡＭ Ｓ ｍ仿真技术 在换管机液压系统中的应用 ‘
后复杂的数学运算。 此外 ， Ｍ Ｓ Ａ Ｅｉ ｍ还具有非常好的 兼容性 ， 了丰富的第三方软件接 Ｅ ｚ］ 提供 ｌ ．。 ［３ ２ 换管机 液压 系统组 成及 工作原 理 图（ 图 ２ 见 ）
拉机构 主要 提供 给进 回程 中对 钻杆 的推 力 ，以及 回 拉新管 过程 中的拉 力 。 回转 机构 即液压 换管 机动 力 头提供 上 ／ 钻杆所 需 的转 矩 和转速 ； 卸 夹持 ／ 拧卸 机 构用 以提供 装载 和卸载 钻杆 所需要 的夹紧力 和拧 卸
１夹持 ／ 一 拧卸机构 ；一机体 ；一回转机构；一给进 ／ ２ ３ ４ 回拉机构
图 １ 液压换管机结构组成
真高级建模环境”，是法 国 Ｉ Ａ Ｉ Ｅ公司于 １９ Ｍ ＧＮ ９５ 年推出的基于键合图的液压 ／ 机械建模 、仿真及动 力学 仿真分 析软件 。它是 基 于直 观的 图形界 面 的建
模平 台 ， 使用 图标符 号代 表 系统 中的各个 元件 ， 真 仿 时 系统模 拟可 以显示在该 平 台中 。 表示元 件方 面 ， 在 对 于液 压 元件 采 用基 于工 程 领域 的标 准 ＩＯFra bibliotek 合 ； Ｓ
《液压系统计算机仿真》课程教学大纲(本科)
《液压系统计算机仿真》课程教学大纲课程编号：081185111课程名称：液压系统计算机仿真英文名称:Computer Simulation of Fluid Power System课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：32/2 （讲课学时：24实验学时：0上机学时：8）适用专业：机械设计制造及其自动化一、课程性质与任务本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业课，也可作为其它专业的选修课。
其任务是以液压元件和系统为对象，研究如何构建特定液压元件或系统的数学及计算机仿真模型，并进行计算机仿真，在真实元件或系统加工制造之前，根据计算机仿真结果，对元件或系统的设计提出指导性的建议，从而实现液压元件或系统的最优化设计。
通过对本课程的学习，使学生能够熟练运用Matlab仿真软件，进行液压元件和系统的仿真建模和模拟分析，为今后从事流体传动与控制领域相关的元件和系统设计、制造提供支持。
二、课程与其他课程的联系本课程的先修课程为高等数学、线性代数、计算方法、大学物理、工程力学、流体力学、电工技术基础、机电传动与控制、液压与气压传动等课程，后续课程为液压伺服系统、液压系统设计。
先修课程中的高度数学、线性代数、计算方法、大学物理提供了动态系统建模的基础数学知识，主要是微分方程的相关理论；工程力学、流体力学提供了液压元件、系统建模的基础力学理论；电工技术基础、机电传动与控制介绍了液压系统自动化控制与仿真的基本知识；液压与气压传动课程介绍了液压系统的基础知识。
在学习完液压系统计算机仿真后，学生能够进一步建立液压元件和系统的整体概念，为后续课程液压伺服系统、液压系统设计的学习打好了基础。
三、课程教学目标1.介绍MATLAB软件的基本使用方法，包括数值计算、符号计算、绘图指令和程序设计，使学生掌握基本的MATLAB软件使用方法和技巧。
使学生能够利用现代的工程工具和信息工具，进行科学研究的能力（毕业要求5.1, 5.2）；2.掌握常用的数值计算方法和Simulink仿真基础。
液压系统的模拟仿真与分析
液压系统的模拟仿真与分析液压系统是一种将流体力学原理应用到机械领域的重要技术。
液压系统主要将驱动源如液压泵、压缩空气、机械传动等能量源的动力能源，将其通过液压传动部件（液压处置）的转换作用，转化成液压能并输送到执行机构(缸)执行运动，从而实现预期的机械动作。
在实际生产和工程应用中，液压系统总是被广泛应用于各种机床、机器人、冶金设备、船、飞机及各种工业装备和农业机械、林业机械等，尤其在工程实际中，对于液压系统协调性及其动态特性的了解和分析都是非常重要的。
最近，液压系统的模拟仿真与分析工作在机械和自动化行业中也变得越来越重要，这是因为模拟仿真与分析可为液压系统分析和设计提供有效的工具，并能减少原型设计所需的开发时间和费用。
液压系统模拟工作的目标是基于系统及其子系统的建立，通过进行实验、设计和分析，来预测系统的运行和调整，然后确定设计和实际测试所需的最佳方案。
对液压机械系统的研究可帮助提高运转速度和精度，降低噪声和维护成本，提升安全性能和增强设计的经济效益等。
液压系统仿真模拟主要应用于两个方面: 第一个方面是在设计阶段使用仿真对系统进行优化设计和测试，以确保对整个系统进行适当的调整。
第二个方面是在运营阶段，用仿真对系统进行分析和修复。
为了实现这两个方面的目标，需要建立液压系统模拟仿真模型，并使用该模型对系统进行分析和修复。
液压系统仿真的基本原理是使用计算机软件(例如Matlab，Simulink等)构建液压系统的一份模拟，该模拟包括所有的液压元件及其动态特性参数，并通通过仿真模型，用计算机模拟液压系统运动、力和通过液压系统传输介质的流速和压力等信息。
其中，对于液压系统中的液流，常使用较为复杂的流体力学模型来模拟它的行为。
液压系统仿真模拟的建模方法有很多种，包括建立动态数值模型(Dynamic Numeric Model, DNM)、建立星型图结构模型(Flow-mass model)和建立复杂宏结构模型等。
基于SIMULINK的液压系统动态仿真_石红雁
图 1 阀控液压缸示意图
考察液压缸连续方程, 由可压缩流体连续性方 程, 经推导有[ 4]
QL =
A
dy dt
+
Ctcp L +
V t dpL 4Be dt
( 2)
式中 A ——活塞有效面积, m 2
y ——活塞位移, m
Ctc—— 液压缸的总泄漏系数, m 3·M Pa/ s
V t ——两个油腔的总体积, m3
M AT L AB 语言集科学计算、自动控制、信号处理等 功能于一体, 具有极高的编程效率。同时 M AT LAB 还提供了 SIMU L INK 软件包, 利用该软 件包可以 方便地对液压系统的动态特性进行仿真。
SIM UL INK 是实现动态系统建模、仿真的一个 集成环境, 它使 M AT L AB 的功能得到进一步的扩 展[ 3] 。SIMU L IN K 软件包的特色在于: ¹ 实现可视
Be ——有效液体体积弹性模数, N / m 2
考察液压缸和负载的力平衡方程, 忽略库仑摩
擦等非线性负载和油液的质量, 根据牛顿第二定律
有
Fg= A ( p 1 - p2) = A p L
基于MATLAB_SIMULINK的阀控液压缸动态特性仿真与优化
文章编号:1004-2539(2007)04-0067-02基于MAT LAB/SIMU LINK 的阀控液压缸动态特性仿真与优化(西北工业大学, 陕西西安 710072) 崔 昊 王育才 吕建国摘要 对一开关型阀控液压缸进行数字建模,并在此基础上利用MAT LAB/SI MU LI NK 软件对其动态特性进行仿真与优化,从而对实际液压系统的设计起到十分重要的作用。
关键词 阀控液压缸系统 动态特性 建模 仿真与优化图1 引言液压系统的动态特性是衡量其性能好坏的一个重要指标,通过对液压系统进行计算机仿真,并在仿真的基础上对其进行优化,对提高系统的动态性能具有十分重要的意义。
液压控制阀和液压缸组成的阀控液压缸系统是液压系统中不可取少的组成部分,它的动态特性的好坏对整个液压控制系统的性能有决定性的影响。
本文在建立实际数学模型的基础上,利用MAT LAB/SI MU LI NK 软件对阀控液压缸系统进行仿真,很直观的分析系统动态特性和相关的影响因素,并对系统进行优化,这对设计阀控液压缸系统具有实际指导意义。
1 模型的建立图1是一个常见的开关型阀控缸系统,泵出的油经节流阀、换向阀进入工作缸,并通过换向阀控制液压缸进、排油,从而实现活塞运动及换向。
液压缸进油腔、回油腔流量连续性方程及活塞运动方程为q 1=A 1v +C 1d p 1d t (1)q 2=A 2v -C 2d p 2d t (2)p 1A 1-p 2A 2=m d vd t+Bv +F(3)式中 q 1、q 2———流进、流出液压缸的流量A 1、A 2———液压缸进油、排油腔活塞面积p 1、p 2———液压缸进、排油压力v ———活塞运动速度m ———运动部分质量B ———黏性组尼系数F ———负载力C 1、C 2———进油、排油腔及其管路的液容,C 1=V 1/K ,C 2=V 2/K ,其中V 1、V 2为工作缸进、排油腔容积,K 为油液体积弹性模量。
基于SIMULINK的液压系统动态仿真
基于SIMULINK的液压系统动态仿真
石红雁;许纯新;付连宇
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2000(031)005
【摘要】提出利用MATLAB语言的SIMULINK软件包对液压系统进行动态仿真的方法.介绍了SIMULINK软件包的特点,并以阀控液压缸为例建立了液压系统的动态模型,给出了仿真模型,详细介绍了如何利用SIMULINK对液压系统的动态特性进行仿真.利用SIMULNK进行动态仿真的步骤是:首先建立液压系统的动态模型,其次建立仿真模型,然后对系统的参数初始化,最后进行仿真.同时讨论了影响液压系统动态特性的主要因素.结果表明,SIMULINK方法是对液压系统的动态特性进行仿真的一条有效途径.
【总页数】3页(P94-96)
【作者】石红雁;许纯新;付连宇
【作者单位】吉林工业大学机械科学与工程学院;吉林工业大学机械科学与工程学院;南京航空航天大学振动工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.5
【相关文献】
1.基于数学模型的混泥土泵车液压系统的Simulink动态仿真 [J], 王汉兴;刘念祖;唐晓清;张桂菊;唐堰;宋静
2.基于MATLAB/Simulink的液压系统动态仿真 [J], 杨丽霞;谢东;李加庆
3.基于MATLAB/Simulink的混凝土泵车液压系统的动态仿真研究 [J], 张桂菊;肖才远;葛动元
4.基于键合图及Simulink的换管机回转液压系统动态仿真分析 [J], 王丹;原思聪;王晓瑜;李志远
5.基于数学模型的混泥土泵车液压系统的Simulink动态仿真 [J], 王汉兴;刘念祖;唐晓清;张桂菊;唐堰;宋静
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基于键合图建模法的液压系统动态仿真
-
1 Ca5 x11
R g8
- A5
1 Im 3 x12 ,
·
X12
= A5
1 Ca5 x11
-
A6
1 Ca6 x13
-
se3 ,
·
X13
= A6
1 Im 3 x12
-
1 Ca6 x13
-
1 Cg10 x14 ,
R g9
·
X14
1 = 2 Ca6 x13
-
1 Cg10 x14
R g9
-
1 Cg10 x14
Keywords: Power bond graphs; Status equations; MATLAB; Dynam ic responses; D igital simulation; Modal establishment
研究液压系统动态特性的方法 , 一般用得较多的 是传统的是古典控制理论中的传递函数分析法 。这种 方法只限于线性系统 , 非线性系统要先线性化 , 对于 严重非线性系统就较难实现 。同时这种方法主要用于 单输入 、单输出 , 而且初始条件为 0的情况 。液压系 统一般存在非线性因素 , 用传递函数法对其动态特性 进行分析具有一定的局限性 。
-
se6
R g10 + R ay3 + R32
(1) 阻性元
R l 为油泵内泄漏液阻 ;
R
a
y1
、
R
ay2
、
R
为背压阀阻尼孔的液阻
ay3
;
R11、R12、R13、R14为图 1中换向阀 8阀口液阻 ;
R21、R22、R23、R24为图 1中换向阀 9阀口液阻 ;
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收稿日期:2009-11-06;修订日期:2010-01-03基金项目:陕西省自然科学基金项目(2007E 218);陕西省教育厅自然科学专项(09J K559).作者简介:王丹(1984-),女,西安建筑科技大学硕士研究生。
基于键合图及S imu link 的换管机回转液压系统动态仿真分析王 丹1,原思聪1,王晓瑜1,李志远2(1 西安建筑科技大学机电工程学院,陕西 西安 710055;2 重庆宜康实业有限公司,重庆 401147)摘 要:采用功率键合图法,建立了地下管线液压换管机回转液压系统的数学模型;依据数学模型,运用动态仿真工具S i m u link 建立液压系统的仿真模型。
仿真结果反映了液压马达入口压力和输入流量随时间的变化情况,为分析系统的动态特性提供了依据。
关键词:功率键合图;液压系统;数学模型;S i m u li nk中图分类号:TH 137,T P391 9 文献标识码:A 文章编号:1001-196X (2010)01-0015-03Dyna m ic si m ulation analysis of the sle w ing hydraulic syste m ofpipeline replace m entm achines based on bond graph and Si m ulinkWANG D an 1,YUAN S -i cong 1,WANG X iao -yu 1,L I Zh-i yuan2(1 Schoo l o fM echanical and E lectr i ca l Eng i neer i ng ,X i an U ni v ers it y o f A rch itecture and T echnology ,X i an 710055,Ch i na ;2 Chongq i ng Y ikang Indutr ial Co .,L td .,Chongqi ng 401147,Ch i na)Ab stract :The m at hema ti ca l model of t he sle w i ng hydrau lic syste m of pipe line replacem ent machines tha t i s used to rep l ace underg round p i peli nes has been establi shed w ith the pow er bond graph me t hod ,and the si m u l a -ti on model of the hydrau lic syste m by usi ng the dyna m i c si m ulati on tool S i m u li nk has been bu ilt based on m athe -m ati ca lm ode ls .Si m ulati on results refl ec ted the change o f t he i nlet pressure and input flow o f t he hydrauli c mo -t o r w it h ti m e ,and prov ided a favorab l e basis f o r the analysis o f the dynam ic character istics o f the syste m.K ey words :po w er bond g raph ;hydraulic syste m;m a t he m atical mode;l s i m u li nk1 引言研究液压系统的动态特性需要考虑其非线性因素。
因此采用古典控制理论中的传递函数法对液压系统进行动态特性分析具有一定局限性。
功率键合图法是一种处理多种能量范畴的工程系统动态分析法[1],能够考虑系统中的非线性因素。
用图形方式描述系统中各元件间的相互关系,反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况,表示出与系统动态特性有关的信息[2]。
Si m u li n k(Dyna m ic Syste m S i m u lation )是一个支持线性和非线性系统的动态系统建模、仿真和综合分析的软件包,它提供了一个建立模型方块图的图形用户接口,可以立即看到系统的仿真结果[3]。
2 液压系统工作原理本文以更换地下管线的换管机的回转液压系统为例,对其进行动态仿真分析。
图1为换管机液压系统原理图。
2 1 装杆初始状态下,各换向阀均处于中位,各液压缸均为收回状态。
当系统建立压力时,将第一根拉杆放入夹紧装置中,调整换向阀19使前夹紧15 2010No 1 重型机械缸23伸出,夹紧拉杆一端(阴螺纹);调整换向阀17使液压马达21正转,动力头上所带阴螺纹与拉杆阳螺纹一端咬合上紧后,液压马达21压力上升,调整换向阀17使其停止转动;调整换向阀19使前夹紧缸23收回,松开拉杆;再调整换向阀16使主液压缸20伸出,到达前夹紧处时停止;然后调整换向阀18使后夹紧缸22伸出,夹紧拉杆的另一端(阳螺纹);使液压马达21反转,动力头上所带阴螺纹与拉杆阳螺纹松开,动力头停止转动,主液压缸20收回至初始位置。
将第二根拉杆放在夹紧装置中,并使第二根拉杆的阴螺纹与第一根拉杆的阳螺纹手动旋合对中;调整换向阀17使液压马达21正转,螺纹旋合上紧后,液压马达21停止转动;使主液压缸20伸出,到达前夹紧处时停止;夹紧缸22伸出夹紧第二根拉杆的一端(阳螺纹);使液压马达21反转,松开咬合螺纹;主液压缸20后退至初始位置,准备安装下一个拉杆,重复上述过程,直至装杆过程结束。
图1 换管机液压系统原理图1 油箱2 滤油器3 内燃机4 三联柱塞泵5 截止阀6、7、11、12 单向阀 8、10、13 先导式溢流阀 9 压力表14 调速阀 15 节流阀 16、17、18、19 三位四通手动换向阀 21 液压马达20(20a 、20b )、22(22a 、22b )、23(23a 、23b)24 液压缸 25 单向顺序阀2 2 卸杆装杆过程结束后,后夹紧缸22处于伸出状态,其余液压缸均是收回状态。
调整换向阀16使主液压缸20伸出,运动至前夹紧处;调整液压马达21正转,旋合上紧螺纹;调整换向阀18,后夹紧缸22收回;然后调整换向阀16使主液压缸20后退至初始位置;调整换向阀19、18使前夹紧缸23和后夹紧缸22伸出,分别夹紧旋合在一起的两根拉杆,当油液压力达到单向顺序阀的调定压力后,经顺序阀进入卸扣缸24,以实现机械卸扣;调整换向阀17使液压马达21反转,松开两拉杆的咬合螺纹;再次执行上一步的动作(夹紧缸22仍处于伸出状态),使拉杆与动力头的咬合螺纹松开;取出拉杆。
重复上述操作,卸杆过程结束。
3 建立功率键合图为了获得所研究液压系统主要动态特性的最简单的数学模型[2],在建立功率键合图时需要考虑主要因素,忽略次要因素。
假设如下:(1)忽略液压泵的惯性,考虑其液阻及容积效应;(2)系统中管径大,管路较短,可忽略管道的液阻、液溶和液感[4];(3)根据实际情况,在有限的动态分析中可以忽略单向阀对系统的影响[4];(4)油液的密度、黏度和弹性模量为理想状态。
图2所示为回转液压系统功率键合图,图中相关参数见表1。
图2 回转液压系统功率键合图表1 键合图中相关参数说明S f 液压泵理论流量C b 液压泵液容R b 液压泵液阻R y 溢流阀液阻R j 节流阀液阻C j节流阀液容R 01 R 02 R 03 R 04换向阀阀口液阻16 重型机械 2010No 1C m 1液压马达进口液容C m 2液压马达出口液容I m 负载转动惯量SPe油箱符号4 建立数学模型状态方程是一阶微分方程组,各状态变量都有导数关系,在键合图中只有储能元件(惯性元I 和容性元C )有导数关系,而且储能元件对动态性能起主导作用,因此,一般选取I 元和C 元上自变量的积分为状态变量[2]。
设系统状态变量为X ,表示如下,X1=Q b 2 X2=Q b 3 X3=Q m 1 X4=Q m 4 X5=T m依据建立的键合图,并结合规则化的步骤可以方便地推导出系统的状态方程[5]。
X1=S f -X2-X 1(1/R y +1/R b )/C bX2=(1/R o 1+1/R o 3)(X 1/C b -X2R j -X2C j )-X 3/C m 1 R o 1-X 4/C m 2 R o 3X3=X2-X4-X 4/C m 2 R o 4-X 3/C m 1 R o 2X4=(X 1/C b -X2R j -X 2/C j -X 4/C m 2)/R o 3+X 5 K m /I m -X 4/C m 2R o 4X5=(X 3/C m 1-X 4/C m 2) K m5 仿真结果利用MATLAB 中Si m u link 模块库可以直接根据系统的数学模型来创建仿真模型即模型方块图[6]。
根据回转液压系统中各元件的参数值对S i m ulink 仿真模块中各参数进行初始化和赋值[7],在运行仿真之前,需要设置仿真参数,本文采用ode45算法,最大步长为001s ,仿真时间为1s ,误差控制为10-3。
仿真结果如图3、4所示。
图3 液压马达进口压力图4 液压马达进口流量由上述仿真结果可以看出,当换向阀17由中位调整至左位时,液压马达进口压力逐渐增大,1 8s 时压力达到最大值11M Pa (动力头在回转卸扣过程中,拧卸第一扣所需克服的外载荷最大,故液压马达进口压力快速上升),之后压力值逐渐减小,整个过程经5s 液压马达的入口压力稳定在8MPa 。
动力头在回转卸扣时,流量逐渐下降,当外部载荷减小时,流量有所上升,最终稳定在1L /s 。
6 结论采用功率键合图法与MATLAB /Si m ulink ,对回转液压系统进行了动态分析,保留了系统中的非线性因素。
获得了动力头在卸扣过程中液压马达的入口压力和输入流量随时间的变化曲线,方便了对液压系统动态特征的分析,为回转液压系统的设计和参数优化提供了理论依据。
参考文献:[1] 任锦堂.键图理论及应用 系统建模与仿真[M ].上海:上海交通大学出版社,1992.[2] 李永堂,雷步芳,高雨茁.液压系统建模与仿真[M ].北京:冶金工业出版社,2003.[3] 李颖,朱伯立,张威.S i m uli nk 动态系统建模与仿真基础[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2004.[4] 德兰斯菲尔德.液压控制系统的设计与动态分析[M ].北京:科学出版社,1987.[5] 李爱民,李炳文,王启广等.单体液压支柱实验台的研究[J].液压与气动,2006,(3):21-22.[6] 李战慧,李自光.基于S I M U L I NK 的转运车液压系统动态特性仿真研究[J].机床与液压,2005,(7):169-170.[7] 孙成通,韩虎.基于功率键合图的液压系统建模与仿真[J].煤矿机械,2008,29(3):52-54.17 2010No 1重型机械。