阀控非对称液压缸建模方法研究
对称阀控制非对称缸电液伺服系统建模分析
尸） 臼
— —
，
“
无 杆 腔活 塞有 效作 用 面 积 ， 有杆 腔活 塞有 效 作用 面 积 ，
ｍ
— —
式 （ ． ）所描 述 的伺 服 阀负 载流 量特 １１ ２ 性 是 非线 性 的 。 系统 进行 动态 分析 时 ， 对 必 须 将 这个 方程 线性 化 。 经过 线 性化 处理 后 的 负载 流量 特 性方 程为
出发 ，忽略 粘性力 和弹 性力 的影 响 ， 各级 对 传 递 函数进 行简 化 ， 整合 出对 称 阀控制 非对 称液 缸 电液伺服 系统 的传 递 函 。
ｌ 液 压 动 力 机 构
１ １伺服 阀的负载流量方程 ． 如 图 １所 示 为对 称 四通 阀控制 非对 称 液压 缸原 理示 意 图。假 定 ：
（ ．） １９
（ ．０ １１ ）
，
， ， 出的流量 ｑ 为 从 液 缸 同汕 腔流 Ｕ Ｖ ，
记 伺 服 阀 的负载 流量 为 ｑ ，则有 【 ， ３
ｑ￡＝ ｑ １ （ ．１ １１ ）
Ｊ Ｃ
４ ～ 一 － Ｃ ｐ）Ｃ
． ‘ ４ ・
ห้องสมุดไป่ตู้ｐ
式 中 ： Ｃ — — 液 缸 内 泄 露 系 数 ，
ｑ＝ ｄｘ／Ｐ ２ ＣＷ １ ２ 三 Ｖ
（２ １） ・
式 Ｌ ： ｑ — — 汕缸 尢 杆腔 流量 ， ｍ ｓ ｝ ｊ ｑ — — 油缸 有 杆腔 流量 ， Ｓ Ｃ —流 量 系 数 ，无量 纲 — 节流 阀 口面 积梯 度 ， ｍ ｘ 电液 伺 服 阀 阀芯 位 移 ， ｍ ｐ—— ． 度 ， ｋ ｍ 油密 ｇ Ｐ — — 汕源 压 力 ， 尸 Ｐ — — 油缸 尢 杆腔 力 ． Ｐａ Ｐ — — 油 缸有 杆腔 压 力 ， Ｐａ 根据 流 量 的连 续性 ， 呵写 山每个 液 缸 ｌ 作腔 的流 量方 程 ， 即 流 入液 缸 进 油腔 的流 量 ｇ 为 ＋ ：＋ ｃ（ ）ｃ ． （・ ３
基于SIMULINK的阀控非对称液压缸系统的研究
中图分类号：ＴＨｌ３７．８
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—８９０４（２００８｝０１—０００３－００３
１引 言
在现代化工业生产中，非对称液压缸具有占用 空间小、加工密封简单、制造成本低等的优点，因而 在一些精度要求不太高的场合得到了广泛的应用。 笔者在建立阀控非对称液压缸的数学模型的基础 上，引入了闭环ＰＩＤ位置控制，并利用ＭＡＴＬＡＢ中 的ＳＩＭＵＬＩＮＫ模块库仿真与分析研究其控制性能。
效作用面积之差导致了液压缸活塞杆外伸与内缩
时一些参数的改变，因此，应分别对液压缸活塞杆
外伸与内缩进行分析研究（本文仅以活塞杆外伸为
例进行了仿真分析，有关活塞杆内缩的情况读者可 根据下述方法自行设计仿真，在此不再赘述）。在这
一液压伺服系统中，我们尝试从阀的负载压力一流
量特性、油缸负载流量方程和液压缸的力方程三方
综上所述的结论，搭建系统的ＳＩＭＵＬＩＮＫ模型 如图４所示。由于系统外负载力为不定参量，所以 可用随机模块来表示。为了能更好地说明系统的准 确性，系统仿真过程中分别使用了正弦信号、阶跃 信号以及方波信号作为系统的输入信号来进行系 统的仿真，其仿真结果如图５、图６、×１０４
控
图３阀控非对称液压缸控制系统方框图
４仿真
‘。 ‘。～ｉ根据式（４）所得公式代入表（１）所示数据并经
整理得：
Ｙ—．
１．６６ｘ１０６
Ｕ
ｓ３＋８．２３ｓ２＋９６０４ｓ
Ｙ
一０．０００８３ｓ一０．００６７
凡
ｓ３＋８．２３８２＋９６０４ｓ
本文中，我们采用的是增量式ＰＩＤ控制器。在
设计该控制器的过程中，我们对控制器的比例系数 Ｋ，，积分系数Ｋｉ以及微分系数Ｋｄ进行了调节，从 而提高了系统的稳定性、响应速度、超调量以及稳 态精度。在研究过程中，我们采用试凑法选取了 Ｋｐ＝０．０２０、Ｋｉ＝Ｏ．００３以及Ｋｄ＝Ｏ．００ １。
长行程阀控非对称缸建模分析
第１ （ 期 总第 ２ 期 ） ０
２０ ０ ７年 １ 月
赢体钴动 控副
Ｆｕ ｄ ｏ ｒＴｒｎ ｍ／ｓｏ ｎ ｎｔ ｌ ｌｉ Ｐ ｗｅ ａ ｓ ｓｉｎ ａ ｄ Ｃｏ ｒ ｏ
Ｎｏ１Ｓｒ ｌＮ ．０ ． ｅｉ ｏ ） （ ａ ２
Ｊ ｎ，０ ７ ａ． ０ ２
长 行 程 阀控 非对 称 缸 建模 分 析
肖志权 邢继 峰 朱石 坚
湖北武汉 ４０３ ） ３０ ３
（海军工程大学船 舶与动力学 院
摘要 ： 考虑缸压 缩性 流量并重新定义负载流量和负载压力 的基础上 ， 在 建立 了长行程 阀控非对 称缸数学模 型 ， 包含 正、 反两个方 向的表达式。模型中引入的等 效容积 函数是缸两腔等效容积 （ 或活塞位置 ） 的函数 ， 映活塞 在长 行程 反 中不 同位置对阀控缸 性能的影 响。分析 了新模型 的意义以及对于研究长行程 阀控非对称缸 的动态特性 的作用。最
能带来功率不匹配及输 出力定义等问题【 在两个 羽，
收稿 日期 ：０ ６ ０ — ８ ２０ — ９ ２
方 向上 重新 定义 负载 流量 ｇ 和 负载 压力 Ｐ 为
作者简介 ： 肖志权 ， 在站博士后。
维普资讯
２ ０
’
赢体钴劲 控副
，
２７ 第１ ０年 期 ０
Ａ ２
正 向 －Ｏ ｑ－ ￣ Ｉ １ ——ｐ １８ ２ ，ｒｑ ， 一 ｐ ２ —ｐ
Ａ１ Ａ １ Ａ ２ １
（） １
反 向 ＜ ，Ｌｑ ，Ｉ ２ Ｏ ｑ－ ２ 一——ｐ： 一 — １ ｐ １ — ｐ ２
￡
（） ２
中间位置不一定是最危险位置 ） ，因此时考虑上述
前
电液比例阀控液压缸系统建模与仿真
本 文搭 建 了 比例 阀控 非 对 称 液压 缸 控 制 系统 ， 建 立 了该 系 统 的数 学 模 型 ，着 重 对 阀 控 非 对 称 液 压 缸 的建 模 方 法 进 行 了研 究 ，并 利 用 Ｍａａ ｔｂ中 的 ｌ Ｓｍｕｉｋ进行 仿真 分析 ，设 计 了 ＰＤ控制 器 对 系统 ｉ ｌ ｎ Ｉ
进 行校 正 。Biblioteka ２ 比例 阀控 液压 缸控 制系统 的数学模型
２ １ 阀控非 对称 液压 缸的数 学模 型 ．
１ 系 统 的 组 成 及 原 理
比例 阀控 非 对 称 液 压 缸 控 制 系 统 的硬 件 组 成 如 图 １ 示 ，主要 由滤 油 器 １和 ６ 所 、溢 流 阀 ２、液
广泛 的应 用 。
液压 缸加 载指 定 负 载 （±２ ） ０ｔ ，位 移传 感 器 将 液 压 缸 活 塞 的位 置 信 息 通 过 数 据 采 集 卡传 递 给计 算 机 与 理想 位 移 进行 比较 ，得 出差 值 ，经 过 优 化 处 理 和转 换 输 出控 制 信 号 ，通 过 比例放 大 器 放 大 后 驱 动 电液 比例 方 向 阀工 作 ，从 而 实 现对 液 压 缸 位 置 的精 确控 制 。
ｎ ｌ ｓｓｗｉ ｔ ｂ ａ ｄ ｃ ｌ ｒｔ ｓｔ ｅｓ ｓ ｍ ｖ ａｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ Ｉ ｏ ｔ ｌ ｒ ｈ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ａ ｈ ｙ ｔ ｍ ｄ ｌ ｓｃ ｒ ａｙ ｉ ｔ Ｍａ ｌ ｎ ａｉ ａｅ ｙ ｔ ｉ ｈ ｅ ｉｎ ｄ Ｐ Ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ．Ｔ ｅｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｍｏ ｅ ｏ — ｈ ａ ｂ ｈ ｅ ｏｅ ｓ ｈ ｔ ｉ ｒ ｃ ，ａ ｄ ｈ ｓ ｈｇ ｅ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｄ ｂ ｔ ｒ ｓ ｂ ｌ ｙ ａｔｒｔ ｅ ｃ ｌ ｒ ｔ ｎ ｅ ｔ ｎ ａ ｉｈ ｒａ ｃ ｒ ｃ ｎ ｅｔ ｔ ｉ ｔ ｆ ｈ ａ ｉ ａｉ ． ｅ ａ ｉ ｅ ｂ ｏ
对称四通阀控非对称液压缸系统的建模与仿真
ｌ Ｐ ｓ － Ｐ Ｌ
２ ０１ ５ ． ０ ９建设机械技术与管理 ８ ７
个节 流窗 口是 匹配 和对 称 的，供 油压 力 恒定 ，回油压 力 为零 。则可 建立 阀的线性 化流量方程 为 ［ ４ ］ ：
ｑ Ｌ ＝Ｋｑ ｘ 一 Ｋ ￡ （ ５ ）
一
ｑ ｌ ＋ ｑ ２
ｇ ｌ ＋ｇ ２
在式 （ ７ ）和 （ ８ ） 中，外 泄 露 流 量 Ｃ ｅ ｐ Ｐ 和Ｃ ：
通 常 很小 ，可 以忽 略 妞果 压 缩 流 量 和
吼
一
（ ６ ） － ２ ｖ 亟 相 等 ｑ ｄ ｔ … 一 ｌ ＝２ ｕ ｑ ２。 。
以滑 阀为研 究 对 象 ，假 定 阀与液 压 缸 的连 接 管道
对 非对 称 液 压 缸 的分 析，建 立 了对 称 四通 阀控 制非对
Ｐ 一Ｐ
（ ３ ）
由式 （ １ ）～（ ３ ）可得 ：
Ｐ ， ＋ ２ ￣ Ｐ Ｌ
（ ４ ）
称 液压 缸的数 学模 型 ，利用 ＭＡＴ Ｌ ＡＢ中的 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 工具包 建 立了系 统的仿真模 型 ，并结合 实际例子对其 动 态特性 进 行 了仿真分析 。
—
— －
：
２（ ］ ￣ Ｐ １ ） ＝
＇
Ｓ
（ ２ ）
ｐ Ｓ
Ｐｏ
式中 ： Ｃ ｄ一 流量 系数 ； Ｗ一 阀的面积梯度 ／ ｍ； Ｐ 油液密度 ／ （ ｋ ｇ ／ ｍ １ 。 定义负载压 力 Ｐ Ｌ 为：
＝
图１ 对称 液 压 缸也 称为 单杆 活塞 缸 ，与对 称 液压 缸
豳长安大学 道路施 工技术与装备教 育部重点实验 室 刘 航／ Ｌ Ｉ Ｕ Ｈａ ｎ ｇ 谢 东／ ＸＩ Ｅ Ｄ ｏ ｎ ｇ 赵 ’ ￣／ Ｚ ＨＡ Ｏ Ｗｕ
液压缸的动力学建模与控制策略研究
液压缸的动力学建模与控制策略研究液压冲压机是现代制造业中常见的一种设备，它通过液压缸的动作来实现金属工件的压制和成型，广泛应用于汽车、航空航天、家用电器等领域。
液压缸的动力学建模及控制策略的研究对冲压机的精度和效率提升至关重要。
在液压冲压机中，液压缸是一个关键的执行器，其动力学特性直接影响了冲压过程的效果。
液压缸的动力学建模是研究液压冲压机控制策略的基础。
首先，我们需要了解液压缸的基本结构和工作原理。
液压缸主要由活塞、缸体和密封元件组成。
当液压油通过控制阀进入液压缸时，活塞在液压力的作用下进行往复运动，从而实现冲压过程。
液压缸的动力学建模是通过数学模型来描述液压缸的运动学和动力学特性。
一般来说，液压缸的运动学模型可以分为位移-时间模型和速度-时间模型。
位移-时间模型描述了液压缸的位移随时间的变化规律，是动力学建模的基础。
速度-时间模型则描述了液压缸的速度随时间的变化规律，可以用来优化控制策略。
在液压冲压机中，液压缸的动力学建模是一个复杂的过程。
首先，我们需要考虑液压缸的非线性特性。
液压缸的运动受到摩擦力、液压缸本身的质量分布以及液压油的压力和流量等多个因素的影响，这些因素使得液压缸的动力学特性呈现出非线性行为。
其次，液压冲压机中的冲压过程通常存在着突变、冲击等非光滑现象，这也增加了液压缸的动力学建模的难度。
针对液压冲压机的动力学建模难题，研究者们提出了许多方法和算法。
例如，可以利用系统辨识的方法来确定液压缸的非线性特性参数，从而建立准确的动力学模型。
另外，也可以采用基于物理的建模方法，通过对液压缸内部的流体力学和结构力学进行建模，来预测液压缸的运动学和动力学特性。
除了动力学建模，液压冲压机的控制策略也是一个重要的研究方向。
传统的液压冲压机控制策略主要依靠PID控制器来调节液压缸的运动。
然而，传统的PID控制器在面对非线性、时变的系统时效果有限。
因此，研究者们提出了许多先进的控制策略，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，来提高液压冲压机的控制精度和稳定性。
阀控非对称缸位置系统的非线性建模
式 中 ： 一Ｖｄ ／ ｖ为液 压 弹 性模 量 ， ｍ２ Ｖ 为 ＝ ｐｄ Ｎ／ ； 液压 缸腔 总容 积 ， ； 为 无 杆 腔 容 积 ， ； ｍ３ Ｖ１ ｍ３ Ｖ２为 有杆 腔容 积 ， ； ｉ 内泄 流量 ， ／ ； ｍ３ ＱＬ 为 ｍ。ｓ Ｑｇ 为外泄
【 ｄ Ｘ ￣２Ｐ —Ｐ ）ｌ ｚ ＜ ０ 一Ｃ Ｗ ／ （ ｓ ２／ ， Ｄ
式中 ： Ｑ１为 Ｐｌ腔 流 量 ， ／； ｍ ｓ Ｑ２为 Ｐ２腔 流 量 ，
ｍ３ｓ Ｃｄ 流量 系数 ； ２ ／； 为 ７ 为节 流窗 口面积梯 度 ， ｐ Ｘ ｍ； 为 液体 密度 ，ｇ ｍ３ｚ ｋ ／ ； 为 阀芯位 移 ， 定义 向右 为 ｍ， 正 方 向． ２ 液 压缸 连续 性方 程为 ）
压缸 活塞 所受 外干 扰力 ．
为 了方便 系统 原理性 方程 的建 立 ， 如下 假设 ： 做
① ４个 节流 窗 口是 匹配而且 对 称 的 ； 节 流窗 口处 ② 的流 动为 紊流 ， 液体 压缩 性 的影 响在 阀中予 以忽 略 ； ③ 每个 相应工 作 腔 的各 点压 力相 同 ， 液温 度 和容 油 积弹性模 数 可 以认 为 是 常 数 ； 油 源 供 油 压 力 恒 ④ 定 ， 回油 压力 为零 ． 且 由于伺服 阀与 液压 缸之 间连接
免 了分段带来 的问题 ， 型 中参 量 均 为 实 际物理 量 ， 模
ｊ ｄ ￣２Ｐ —Ｐ ）Ｐ ≥ ０ ／（ ｓ １／， ｃ
ｌ Ｃ ｗ ￣２Ｐ１一Ｐ ）ｐ， ＜ ０ ，、 ｄｘ ／（ Ｔ／ ｚ
非对称缸系统精确建模方法研究
非对称缸系统精确建模方法研究赵周礼1,周恩涛1,周士昌1,李 文2,王少丹2(1 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;2 宝钢股份公司设备部)摘要:本文以卷取机助卷辊电液伺服系统为例,推导出非对称缸电液伺服系统非线性状态方程模型,仿真结果表明该模型精确有效。
关键词:非对称缸系统;状态方程;建模0 引言由于非对称液压缸占用空间小,加工、密封比较简单,制造成本也较低廉等优点,因此在液压伺服系统中被广泛地采用。
但是,非对称液压缸两腔的作用面积不等,正是结构上的非对称性导致该系统正反两个方向上的动、静态特性不相同,相应的数学模型也不相同。
为了建立非对称缸系统的数学模型,常规的做法是对系统的一些环节作了简化,建立了近似的传递函数数学模型[1][2]。
文献[3]针对液压缸活塞杆正反两个运动方向,采用分别建模的方法,建立相对准确的数学模型,但给系统仿真带来一些困难。
本文以卷取机助卷辊电液伺服系统为例,推导出非对称缸电液伺服系统非线性状态方程模型,并利用四阶龙门库达法求解该微分方程,仿真结果表明该模型精确有效。
1 电液比例阀2 压力传感器3 位移传感器4 伺服液压缸5 侧导板6 卷筒图1 助卷辊电液伺服系统示意图1 系统结构介绍图1为某卷取机助卷辊电液伺服系统的示意图。
助卷辊的各种工作方式是依靠电液伺服系统来实现。
图中简单画出三个液压缸的示意图。
文中只建立1号助卷辊伺服系统的数学模型,其它可类推。
图2为阀控液压缸的原理图,图中液压阀线圈被加上正向电流,伺服液压缸向正向运动。
图2中y p 表示活塞杆的位移,B c 为活塞的粘性阻尼系数,F L 为外干扰力,m P 表示液压缸运动部件的质量,m L 表示负载惯量折算到活塞处的等效质量,A 1为液压缸无杆腔的有效面积,A 2为液压缸有杆腔的有效面积,Q 1,Q 2为流入和流出液压缸两腔的流量,p s 为供油压力,p 1、p 2为液压缸两腔的压力,p 0为回油压力,x v 为滑阀阀芯位移。
比例阀控制非对称液压缸系统的非线性建模与仿真
本 文 以 电液位 置 控 制 系统 为 研 究 对 象 ， 首 先建 立
在式（ １ ）～ 式（ ３ ） 中， 消去 中 间变 量 Ｑ 和Ｑ ， 以 阀 芯位移 为输 入 ， 以两腔 压力 Ｐ 。 、 Ｐ 以及 活塞杆 的位 移 Ｙ和速度 Ｙ为状 态变量 ， 在 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ中编 辑 Ｓ － Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ 便 可得 到 阀芯正 向移动 时 的阀控缸 模型 。 同样 阀芯 负 向移动 的模 型可 根据式 （ ４ ）～式 （ ６ ） 得到， 两 者 可通 过
控 非对 称缸 整个 闭环 系统 的仿 真分 析 ， 为 系统 的设计 提供 指 导 。 关键 词 ： 比例 阀 ； 非对 称缸 ； 非 线性模 型 ： 仿 真 中 图分类 号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７ 文 献标 志码 ： Ｂ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ４ ８ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ ０ ２ ５ － ０ ５ 引言
称会 不会 超 出额 定流 量 ， 这 些疑 问都 使 考查 系统的 中间状 态显得 非 常重要 。 签 于此 ， 该 文建 立 了阀控 非 对称 缸 的非 线性微 分 方程 模型 ， 同时在 Ａ ＭＥ Ｓ ｉ ｍ 液 压仿 真软 件 中建 立 了相 同的模 型 以进 行 对 比验 证 ， 最后 进行 阀
差 分析 ， 很难 把握 系统 的 中间状 态（ 如 液压缸 两腔压 力和 流 量的 变化 ） 。 而直接 以物理 微 分 方程 建 立起 的 阀 控缸 非 线性模 型 可 方便 地 进行 数值 仿 真分 析 ， 从 而 对 系统 的 中间状 态有 直接认 识 。 当采 用 对称 阀控 制 非对
的开 环和 闭环 传递 函数 。这 种方 法对 分 析 系统 的稳定 性 和稳 态 误差 非常 有效 ， 但 对一 些 中间变 量 ， 如液 压缸
对称阀控非对称液压缸的电液比例位置控制系统建模与分析
文 章 编 号 ：０ ０５ １ （０ ７０ —１ ５０ １０ —８ １ ２ ０ ）４０ ０ —５
对 称 阀控 非 对 称 液压 缸 的 电液 比例 位 置
控 制 系统 建 模 与 分 析
沈 瑜 ，高 晓 丁 ，王 筠
（ 安 工 程 大 学 机 电工 程学 院 ， 西 西安 ７ ０ ４ ） 西 陕 １ ０ ８
第４ 期
沈
瑜 等 ： 称 阀 控 非 对 称 液 压 缸 的 电液 比 例 位 置 控 制 系 统 建 模 与 分 析 对
又Ｉｏ Ｉ一ｄ ｔ ＶＶ Ａｐ Ｖ ２ ｖ ２ ＋ ＝Ａ ２ ‘ ｘ
由于 泄漏 及其 液容 效应所 引 起 的流量 远小 于液 压 缸活 塞 运 动所 引起 的 流量 ， 当忽 略 泄漏 及 其 液 容效
以可 以作 为一个 二 阶环节 并建 立数 学模 型 ， 传递 函数 可 以简化 为 ：
１
Ｇ ｓ 一丁—去＿ （ ）
２
Ｔ，
（） ２
式 中 ， 一衔 铁 及 弹 簧 的 固有 频 率．
’ ２ ２ ２ 四边滑 阀流 量压 力方 程 ． ．
＋ Ｉ
（Ｊ ￡Ｔ
＋ １ Ｉ ＾
量，
比例 阀一 般 多 为 正 重 叠 阀． 为
简化 分析 ， 两 点 假 设 ： １ 阀结 构 作 （） 理 想 对称 ；２ 能源压 力恒 定． （）
ห้องสมุดไป่ตู้
图 ３ 阀控缸一 负载 原理 图
图 ３所示 为 四边 滑 阀控非 对称 液压 缸组 成 的动 力 机 构 示 意 图 ， 它
电液 比例位置 控 制系 统 由控 制器 、 比例 放 大器 、 液压 泵 、 比例 方 向阀 、 压缸 、 载 以及 位移 传 感 器组 液 负
阀控液压缸动力机构通用非线性建模与试验验证
2018年4月第47 第4期机械设计与 工程Machine Design and Manufacturing EngineeringApr.2018Vol.47 No.4DOI：10. 3969/j.issn.2095 - 509X.2018.04. 021阀控液压缸动力机构通用非线性建模与试验验证郭洪波，水涌涛，李磊，及红娟(北京航天 飞行器研究所，北京100076 $摘要：在分析阀控液压缸动力机构工作原理的基础上，应用流量和力平衡方程建立了阀控液压缸 动 构的非线性状态方程数学模型，并运用该模型分别对某六自由度实验平台的对称阀控制非对称缸电液伺服系统和某实际非对称阀控制非对称缸电液伺服系统的压力特性进行仿真分析，通过仿真和试验结果的对比，验证了所建阀控液压缸动力机构非线性状态方程数学模型的正 确性。
该数学模型具有通用性，可用于各类阀控液压缸系统的仿真、设计和控制策略等的理论研 究。
关键词：阀控液压缸；非线性状态方程模型；压力特性;仿真与试验中图分类号:T H137 文献标识码：B 文章编号:2095 -509X(2018)04 -0095 -04是 伺服系统中常见的一种驱动机构，其动 性 约着整个系统的性能，所以建立其数学模型，获其动性是和设 统的 &，对 因其具 构 、工作空 间 点，被大量引入伺服系统中，进而引 对 对 ，是对对 、动 性研究的 [1_4]。
前工程上广泛使用的 模型是在假定活位置做微量运动时，对和的特性运用开环线性化 的简化模型，故不能精确反映 在参数大化时的动 ：性[5_8]。
对性能要求很高的系统或者对系 统进行深入的理论研究时，学者 用非线性模型[9-12]。
性 程模型也可以用于对理想阀口进行研究，可以 考虑4个口因加工误差而引起的死区和开口不一致进而引起的动力机构压力特性的 ，能更真实地反映系统的实际工 ，是 确和理想的数学模型。
本 对各种类型的（包括采用对 和非对 、对 和非对称缸）的动态建模 ，给出通用的 性 程数学模型，并 通过两个工程实例的仿真和试验对比研究，验所建 性 程模型的正确性，供进一步研究作 参考。
阀控非对称液压缸同步系统建模研究
２ ρ
Ｐ２
≈Ａ２
ｄｙ ｄｔ
（ １）
Ｑ１＝Ｃｉ（Ｐ
Ｐ１－
Ｐ２）
＋
Ｖ１ βｅ
ｄＰ１ ＋ ｄＶ１ ｄｔ ｄｔ
（ ９） 山
流出液压缸的流量：
东
Ｑ２＝Ｃｉ（Ｐ
Ｐ１－ Ｐ２） － ＣｅＰＰ２－
Ｖ２ βｅ
ｄＰ２ － ｄＶ２ ｄｔ ｄｔ
（ １０）
机 械
式中： ＣｉＰ— ——内泄漏系数， ｍ５（／ Ｎ·Ｓ） ；
ＣｅＰ— ——外泄漏系数， ｍ５（／ Ｎ·Ｓ） ；
Ｖ１— ——无杆腔容积， ｍ３；
Ｖ２— ——有杆腔容积， ｍ３；
βｅ— ——液体的容积模数， Ｐａ 。
式中： Ｑ１— ——无杆腔的流量， ｍ３／ｓ；
由式（ ６） 、（ ８） 、（ ９） 可知：
Ｑ２— ——有杆腔的流量， ｍ３／ｓ； Ｃｄ— — — 流 量 系 数 ； Ｗ— ——伺服阀窗口的面积梯度， ｍ； ρ— ——液体的密度， Ｋｇ／ ｍ３；
（ 上接第 ２７ 页） 将 式（ １１） 、（ １２） 、（ １３） 分 别 进 行
活塞杆内缩时阀芯必然左移， 即， 伺服阀的流
拉氏变换， 得：
ＱＬ＝ＫｑｘＶ－ ＫＣＰＬ
（ １４）
ＱＬ＝ＣｉｅＰＬ－
ＣｔａＰｓ＋
Ｖｔ ４βｅ
ＳＰＬ＋Ａ１Ｓｙ
Ａ１ＰＬ＝ＭＳ２ｙ＋ＢＳｙ＋Ｋｙ＋ＦＬ
（ １５） （ １６）
由式（ １４） 、（ １５） 、（ １６） 消去中间变量 ＱＬ 和 ＰＬ，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ
本文针对山 东大学“ ９８５”一期 重点建 设 项 目— — — 负 载 敏 感 液 压 综 合 开 发 平 台 中 阀 控 液 压 缸 同步系统模块进行研究。
阀控非对称缸液压伺服系统建模与仿真分析
煤矿机械Coal Mine MachineryVol.32No.10Oct.2011第32卷第10期2011年10月引言随着水下机器人技术的不断发展，水下机器人的作业范围和作业水深不断增加。
在恶劣的海洋环境下，要完成复杂的水下作业任务，水下机器人上搭载的机械手的作用显得尤为重要。
没有机械手，水下机器人充其量只是一个观察探测台架。
目前，水下机械手多为液压驱动关节式，主要包括线性关节和转动关节，线性关节主要依靠直线液压缸的伸缩实现有限范围内的摆动，转动关节则依靠液压马达实现有限范围的转动或连续回转，每个关节都可以通过液压伺服系统精确控制，实现机械手自身的作业动作。
阀控非对称缸是水下液压机械手的重要驱动环节，由于其结构的不对称及非线性等特点，可能产生跳跃谐振或等幅振荡，直接影响整个机械手液压伺服系统的动态特性。
本文主要研究水下液压机械手线性关节的阀控非对称缸位置伺服系统，在具体分析阀控非对称缸控制特性的基础上进行动态特性的推导、建模及仿真，为各线性关节伺服控制系统的设计和分析提供参考。
1阀控非对称液压缸位置伺服系统建模以非对称液压缸为研究对象，进行动态特性分析和数学建模，系统物理模型如图1所示。
图1伺服阀控非对称液压缸模型（1）伺服阀的负载压力-流量特性图1中，各物理量以箭头方向为正，以液压缸正向移动Y ＞0为例，伺服阀的流量方程为Q 1=C d WX v 2（p s －p 1）/r 姨＝A 1d y（1）Q 2=C d WX v 2p 2/r 姨＝A 2d yd t（2）式中Q 1———液压缸无杆腔流量，m 3/s ；Q 2———液压缸有杆腔流量，m 3/s ；C d ———阀的流量系数，取c d =0.7；W ———窗口面积梯度，m ；X v ———伺服阀位移，m ；p 1———伺服阀无杆腔压力，MPa ；p 2———伺服阀有杆腔压力，MPa ；p s ———油源压力，MPa ；r ———液压油密度，kg/m 3。
对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究
摘要 : 对称四通阀控对称液压缸的分析结果对对称四通阀控非对称液压缸动 态特性研究已不适用 。在建立对称四通阀控非对称液压缸动态数学模型的基础 上 ,利用 Matlab 中的 Simulink 构建了仿真模型 , 并结合具体系统对其动态特性进 行了仿真研究 ; 通过试验得到了实测阶跃响应曲线和输出位移曲线 。对比分析可 以看出仿真结果与试验结论基本吻合 ,论证了动态数学模型的正确性 ,同时表明计 算机仿真是研究该类系统动态特性的有效途径 。 关键词 : 伺服阀 ; 非对称液压缸 ; 动态特性 ; 仿真与试验 中图分类号 : TH137. 52 文章编号 :1004 - 132 Ⅹ( 2004) 06 - 0471 - 04
FJ x p = 0 FM =
¨
・ ¨ (・ x p / | x p | ) FD x p ≠0
式中 , m p 、 B p 分别为活塞和负载折算到活塞上的总质量 与总阻尼系数 ; kp 为负载的弹簧刚度 ; x p 为液压缸位移 ;
FL 为外负载力 ; FM 为摩擦力 。
以上方程完全描述了对称四通阀控非对称液 压缸的动态特性 , 是动态特性研究和建立仿真模 型的基础 。
本文在对对称四通阀控非对称液压缸建模的基础上所得结论对该类系统的设计具有一定的指导意义分别为活塞和负载折算到活塞上的总质量与总阻尼系数kp为负载的弹簧刚度fl为外负载力fm为摩擦力以上方程完全描述了对称四通阀控非对称液压缸的动态特性是动态特性研究和建立仿真模型的基础动态特性的数学描述假定阀匹配对称仿真分析仿真模型matlabsimulink为系统仿真提供了强大且不考虑管道的动态损失则对称四通阀控非对称液压缸的动态特性可由伺服阀流量方程伺服阀液压缸流量连续方程和液压缸力平衡方程等描述伺服阀流量方程按照根据数学模型可直接建立系统的仿真模型为若干个子系统
阀控非对称液压缸数学模型及建模方法研究
MECHANICAL ENGINEER阀控非对称液压缸数学模型及建模方法研究炘李晓园，陈，叶鹏，李鑫，徐祥，蒋辉，李琼柱(红塔烟草(集团)有限责任公司玉溪卷烟厂,云南玉溪653100)摘要：非对称液压缸两腔结构参数不同，给阀控非对称缸数学建模带来了较大的困难。
文中针对现行阀控非对称液压缸数学模型及简化方法作了分析比较，提出了一种新的简化方法，并据此导出了较为精确的数学模型。
关键词：非对称液压缸；数学模型；建模方法；辅助方程中图分类号:TH137文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）08-0104-04 Research on Mathematical Model and Modeling Method of Valve Controlled Asymmetric Hydraulic Cylinder LI Xiaoyuan,CHEN Xin,YE Peng,LI Xin,XU Xiang,JIANG Hui,LI Qiongzhu (The Second Workshop of Cigarette Packaging of Yuxi Cigarette Factory,Hongta Tobacco(group)Co.,Ltd.,Yuxi653100,China) Abstract:The structural parameters of the two chambers of the asymmetric hydraulic cylinder are different,which brings great difficulties to the mathematical modeling of the valve-controlled asymmetric cylinder.This paper analyzes and compares the current mathematical models and simplified methods of valve-controlled asymmetric hydraulic cylinders, proposes a new simplified method,and derives a more accurate mathematical model based on this.Keywords:asymmetric hydraulic cylinder;mathematical model;modeling method;auxiliary equation0引言液压控制系统的种类及分类方法很多，根据液压放大器与执行元件的不同组合，可分成阀控缸、阀控马达、泵控缸、泵控马达4种[1-2]，其中阀控缸响应快、精度高、应用最广。
阀控非对称液压缸自适应非线性控制研究
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从公式!- $ % !* $ % !!$ $ 和 !!! $ 可以看出"
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力是不同的" 印证了其非对称性的特点&
!O#%液压缸流量连续性方程
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重 型 机 械%% %%%%%%%%%%%%%%%%&$&& 8,O!
模型& 研究控制系统" 建立控制算法数学模型" 需
要注意的是" 非线性控制系统相较复杂" 并存在 全部或部分参数未知" 则非线性控制往往需要与 自适应控制相结合& 在非线性控制领域中" 具有 代表性% 广泛性应用的方法是反步法& &$ 世纪 "$ 年代" oAGH6Cb等人)** 提出了一种处理非线性 问题的方法---反步法" 该方法得到了广泛的应 用)/* & 在自适应控制领域" 文献)"" !$* 用输出 反馈的方法实现了对液压缸的自适应控制" 该控 制主要 适 合 只 有 位 移 输 出 已 知 的 情 况# 文 献 )!!" !&* 采用自适应反步法研究阀控缸系统的 位移和受 力 控 制& 另 外" 学 者 d45)!# ,!W* 采 用 投 影法和反步法相结合" 进行非对称缸的控制算法 设计& 在综合参考上述文献的前提下" 由于本文 所研究的阀控缸系统所有状态已知" 而部分参数 未知" 因而适合采用自适应反步法进行控制&
直驱电力液压缸的轴向非对称阀的优化研究
直驱电力液压缸的轴向非对称阀的优化研究随着机械制造技术的不断发展，液压技术在工业生产中也得到了越来越广泛的应用。
而直驱电力液压缸作为一种新型驱动方式，其具有速度快、精度高、稳定性好、噪音小等优点，受到了越来越多企业的青睐。
然而，液压缸内部的阀门控制系统对其性能影响极大，特别是轴向非对称阀的设计与性能优化，是目前研究的热点之一。
一、直驱电力液压缸的工作原理直驱电力液压缸由电机、液压泵、液压缸和控制系统等几个部分组成。
其工作原理类似于传统的液压缸，不同之处在于直驱电力液压缸不需要传统的液压控制阀，而是通过直接控制液压缸内的阀门来实现液压控制。
具体来说，当电机启动时，通过液压泵将油液导入液压缸的阀门控制系统，对阀门进行控制，从而实现液压缸的伸缩运动。
由于直驱电力液压缸内部不需要传统的液压控制阀，其结构简单，运动速度和定位精度高，特别适用于高速、高精度的机床等自动化装备中。
二、轴向非对称阀的结构与工作特点轴向非对称阀相对于传统的轴向对称阀，其阀芯和阀座的布局不对称，从而在液压系统中的特性表现出了许多独特的性能特点。
首先，轴向非对称阀的流量范围大，能够满足液压系统在不同负载下的需求。
其次，阀芯和阀座的布局不对称，在控制高速流动时更加精准，反应更快，定位精度更高。
此外，轴向非对称阀在工作时噪音较小，使得其在高速运动的机器人等领域得以广泛应用。
三、轴向非对称阀的优化设计方案为了进一步优化直驱电力液压缸的轴向非对称阀的性能，需要根据实际应用需求进行结构与工艺优化。
具体来说，如下几个方面是非常值得注意的。
首先，针对轴向非对称阀自身的结构特点，需要在阀芯和阀座设计上进行优化，以缩小阀芯与阀座的间隙，提高流体密封性，降低泄漏率。
其次，在轴向非对称阀材料的选择上，需要考虑材料的强度、硬度、韧性和抗疲劳性等多个因素，以保证阀门在高负载环境下的稳定性和耐久性。
另外，对于直驱电力液压缸的控制系统，需要采用高精度的传感器和精准的调节算法，保证液压力控制的精度和稳定性。
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ＰＬ Ｆ ＝ ＝
＝
Ｐ一 ｌ
（） ２
（ ）当活塞 反 向缩 回（＜ ０ 时 ， ２ ｙ ） 负载 压 力 为
ＰＬ ＝Ａ
，
＝
Ａ
，
＝ ｚ 一 ｎ
Ｉ
（） ３ 、
ｎ＝Ａ： Ａ。 液 压 缸 有 杆 腔 面 积 和 无 杆 腔 面 积 ／ 为
之 比。
阀控液压 缸系统 ，是工程上应用 比较广泛的传
动 和 动力 系 统 。其 中 ， 阀控 对 称 缸 系统 与 阀控 非 对称 缸 相 比 ， 有 很 好 的 控 制特 性 ， 实 际 生 产 中得 到 了 具 在
Ｆ——活塞杆伸 出的外负载 ， Ｎ； Ｐ、 ２ — 液 压 缸无 杆 腔 、 杆 腔 的 有压 力 ，ａ ｌ — Ｐ 有 Ｐ； ，、 — — 液 压 缸 无 杆 腔 、 杆 腔 的 有 效 工作 面 有
和 阀控 对 称 液 压 缸 的 数 学模 型 ， 阀 控 缸 系统 的静 动 态 特 性 分 析 提 供 了理 论基 础 。 为
关键词 ： 阀控非对称 液压缸 ； 负载压 力； 负载流 量 ； 学模 型 数 中图分类号 ： Ｈ１ ７５ Ｔ ３ ． 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ６ ２ ５ ５ ２ １ 】３ ０ ０ — ４ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ １０ － ０ ９ ０
假定 ： 阀与液 压 缸 的连 接 管 道 对称 且 短 而粗 ， 管 道 中的 压力 损 失 和 管道 动 态 可 以忽 略 ；液压 缸 每 个 工 作 腔 内各 处 压 力 相等 ，油 温 和体 积 弹 性模 量 为 常 数 ； 压缸 内外 泄 漏均 为层 流 流动 。 液 （） １当活 塞正 向伸 出 （＞ ０ 时 ， ｙ ） 流人 液 压缸 进 油
ｇ ＝ｑ Ｌ １ （ ９）
ｑｃＰ 一 ２ ＋ （） ２咖ｌ Ｐ ＝（ 一 警 １ ７
大量文献 中【 仍 沿用 阀控对称 缸 系统的数学模 型 一，
和部 分 参 数 的 定 义 方式 ，对 阀控 缸 系 统 性 能 的 分 析 和控 制 造 成 了 一 定 的影 响 。本 文 重 新 定 义 了 负 载 压 力 与 负 载 流 量 ，而且 对 阀控 非 对 称 缸 系 统建 立 了数
积 ， ｍ；
广泛的应用。但 由于对称缸加工难度大 、 滑动摩擦 阻 力 较 大 、需 要 的运 行 空 间 也 大 ，而非 对 称 缸 构 造 简
且 有 Ａｌ Ａ２ ＞ 。
单， 制造容易 ， 单边滑 动密 封的效 率及可靠 性高 ， 工 因 为液 压 缸 两 腔 的 工作 面 积不 等 ，所 以定 义 负 作 空 间小 。近 年来 ， 控非 对称 缸 系 统在 工 程应 用 中 载 压力 如 下 ： 阀 的地 位 日益 显 现 。然 而 ， 分析 阀控非 对 称 缸 系统 的 在 （ ）当活 塞正 向伸 出（ ＞ ０ 时 ， 载压 力 为 １ ｙ ） 负
面 积梯 度 加 以改 变 ， 里 的推 导方 法 仍 然适 用 。 这 （ ）当活塞 正 向伸 出（ ＞ Ｏ 时 阀芯 右移 ， １ ． ｙ ） 即 ＞ ０则 滑 阀两 腔 的流 量 方 程为 ： ，
蝴
１ 负 载压 力 Ｐ Ｌ的重 新定义
在 阀控 非 对 称 液 压 缸 中 ，以活 塞 杆 的伸 出运 动
由式 （ ） ４ 和式 （ ） 可得 ５，
＝
￣ ＝… ／ 矗
㈦
（） ７
ｃ
＋Ｃｅ Ｐ ＋ １ ｐ
＋
）
从 液 压缸 回油腔 流 出 的流量 ｑ 为
液压缸的输 出功率 Ⅳ ｎ为
Ⅳ ｑ —Ｐ 吡： ｌ ２ ｇ
由式 （ ） ６ 和式 （ ）可得 ７， ， １。 ｇ ＝（ 一 ｖ ＝尸 ｇ 一 ０ 故可 定 义负载 流 量 为
可 誓
￣ Ａ２ Ｙ － ｄ ．
（ ４ ）
（） ５
为例 ， 根据活塞的受力分析 ， 图 １ 如 所示 ， 可得 ： Ｐ ・ 一Ｐ ： １Ａ。 ２Ａ ＝Ｆ （） １
式中 ，
式 中，
ｑ — — 无杆 腔 的流 量 ， ／； ｍａ ｓ
收稿 日期 ：０ ０ ０ — ４ ２ １－３０ 作者 简介 ： 民（ ９ ４ ）男 ， 强宝 １６ 一 ， 陕西礼 泉人 ， 教授 ， 主要从事 液压 系统仿 真和 故障诊 断方 面的研 究 ； 刘保 杰 （ ９ ５ ）男 ， 徽阜 １ ８一 ， 安 阳人 ， 究 生。 研
２ 负载流 量 ｑ 的重 新定义
假定 ： 零开 口四边滑 阀的 ４个节流窗 口， 匹配 是 和对称 的， 供油压力 恒定 ， 回油压力 为零。实际 中 所研 究 的 阀 多 为非 对 称 阀 ，只需 将 下 面 公 式 中 的
图 １ 阀 控 非 对 称 液 压 缸 动 力 机 构 原 理 图
腔 的 流量 ｑ 为 。
Ｊ — —无 杆 腔 的压力 ， ａ Ｐ ｌ Ｐ；
Ｐ— — 有杆 腔 的压力 ，ａ ２ Ｖ；
— —
电液 比例 方 向阀的 流量 系数 ；
ｏ—— 电液 比例方向阀的面积梯度 ， ． １ ｍ；
— —
电液比例方 向阀的阀芯位移 ， ｍ；
Ｐ——液压油 的密度 ，ｇ ３ ｋ／ 。 ｍ
《 装备制造技术 ＞Ｏ １ ２ ｌ 年第 ３ 期
阀控 非 对 称 液压 缸 建 模 方 法 研 究
强宝民， 刘保 杰
（ 第二炮兵工程学院 ， 陕西 西安 ７ ０ ２ ） １０ ５
摘 要 ： 阀控非对称 液压缸特 性 出发 ， 负载压 力和 负载 流量进行 了重新 定义 。 从 对 并推 导 出适 用 于阀控 非对 称液压 缸
９
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ３， ０ ｎ ｆｃ ｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ． ２ １ ｉ １
ｑ— —有 杆腔 的流量 ， ３ ； ２ ｍ／ ｓ
— —
液 压 油源 的压 力 ，ａ Ｐ；
３ 非 对 称 液 压 缸 的 流 量 连 续 方 程