基于SIMULINK的液压系统动态仿真解读

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(200505─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 p

C p A q c d d 11111++=λυ(1

t p C p A q c d d 2

2222−−=λυ(2

F B t

m

A p A p ++=−υυ

d d 2211(3式中 1q 、 2q —流进、流出液压缸的流量(m 3/s ;

1A 、 2A —液压缸进油、排油腔活塞面积 (m 2

; 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(m 3

・ 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。

K V C /11= K V C /22=

1V 、 2V —工作缸进、排油腔容积 (m 3

/s ;

K —油液体积弹性模量 (N/m 2

。

图 1开关型阀控液压缸系统

考察液压缸有杆腔压力 2P ,若忽略换向阀对系统动态特性的影响,可知 2P 即为油液经过回油管路时的沿程损失。设管路中油流状态为层流 [3],则有

542210/ 800(×=d Lq p ν(4

式中ν—油液运动粘度 (cm 2/s ; L —管长(m

d —管径(mm

需要注意的是,式中 2q 的单位为 L/min ,在仿真时需要统一单位。

考察流进液压缸的流量 1q , 对于定量泵 , 其移动部分的惯性和泵的内摩擦可以忽略不计。已知泵的转动速度为 n ,几何排量为 P V ,反映泵内泄漏程度的液导为 G ,泵和缸之间的压力损失为p ∆,则泵的特性方程 [4]为

(11p p G nVp q ∆+−=(5

对式 (1 、 (2 、 (3 、 (4 、 (5 进行拉氏变换得

( ( ( (1111S P S C S V A S Q c ++=λ(6

( ( ( (2222S P S C S V A S Q c +−=λ(7 ( ( ( ( (2211S F S V B mS S P A S P A ++=−(8

收稿日期 :2005-01-10

作者简介 :杨志坚 (1979- , 男 , 黑龙江双鸭山人 , 在读硕士 ,

(E-mailhydraulicboy@ 。

542210/ (800( (×=d S LQ S P ν(9

( (11S GP P G nV S Q P −∆−=(10

2仿真模型

根据式 (6 至式 (10 所示的方程 , 即可以得到图 2所示的、以力为输入、速度为输出的 SIMULINK 仿真的仿真模型。在仿真模型中各参数取值为

30=m kg 10=B N ・ s/m 3

110963. 1−×=A m 2

3

210347. 1−×=A m 2

1110

47. 4−×=c λm 3

Pa/s 8

105. 7×=K Pa

31101778. 1−×=V m 3

32108082. 0−×=V m 3

5. 1=L m32. 0=νcm 2

/s 13=d mm 2. 0=∆P Mpa 11 106−×=G m 3

/Pa 2482=n r/min 16=p V mL/r

图 2仿真模型

3仿真结果

建立仿真模型后,就可以开始对液压系统进行动态仿真。在 SIMULINK 软件界面上选择 SIMULATION 的 START 选项,就可以得到图 2所示模型的仿真结果,如图 3所示。从图 3可以清晰地看出,系统在

阶跃输入下 , 最初有个振荡;大约经历 0.1s 以后, 系统的响应逐渐稳定。从这个动态仿真的结果可以看出液压系统的动态特性的优劣,如还不能满足设计要求,则可改进系统设计,直到满足要求为止。

图 3动态仿真结果

4结论

从对液压系统进行动态仿真的结果可以看出, SIMULINK 方法是对液压系统进行动态仿真的一条有效途径,且具有方便、直观和准确的优点。在设计真实的系统前进行仿真,通过调整不同的参数, 观察曲线的变化,可以知道诸参数对系统的影响, 有利于选择优化参数,设计出合理的系统。参考文献:

[1]石红雁 . 基于 SIMULINK 的液压系统动态仿真 [J].

农业机械学报 ,2000,9(5:94-96.

[2]李永堂 . 液压系统建模与仿真 [M]. 北京 :冶金工业

出版社 ,2003.

[3]米柏林 . 机床液压传动 [M]. 哈尔滨 :哈尔滨工程大

学出版社 ,1997.

[4]高钦和 . 基于 Simulink 重物举升液压控制系统建

模与仿真 [J]. 机床与液压 ,2001,(1:61-62.

Study on Dynamical Simulation of Hydraulic System