液压键合图

图4.1 液压控制系统的功率链
.图 4.1表示了一个简单的液压控制系统，其中电 动机、液压泵和液压缸的作用相当于介于功率源 (电路)和所要驱动的负载之间的媒介体。当系统工 作时，功率就从电路经过各元件流到负载。因此 功率流这个术语就用来描述能量流动的速率。若 相应的能量流动速率恒定，则功率流就处于稳态( 即静态)。若能量流动速率随时间变化，则功率流 就是动态的。 理解了功率流的概念后，那么系统的动态响 应就取决于动态功率流。基于这一点，提出了应 该通过研究系统中的动态功率流来预测系统动态 响应这一概念。当人们认识到，液压系统就是通 过在它的硬件元件之间的动态功率交换来实现功 能时，
姓 名：孙庆春 学 号：20119355
本章主要内容
4.1
引 言
在工程技术中，能量的流速称为功率， 今后我们应该把功 率这一概念理解为功率的流动。例如一台电动机以一定的 速率从供电线路吸取能量。这样功率从供电线路流到电动 机，并接着又流到由电动机驱动的负载。一台液压泵可以 从它的原动机(电动机、柴油机、航空发动机等)吸取功率， 并把它转换成可以利用的液压功率等等。
同样，也可简化所拟定的示意图，以便忽略某个 被认为对具体响应分析无关紧要的因素。例如，电动 机的动态特性也许对所研究的响应影响不大，这时， 电动机就可以看作一个恒定的速度源，它的方块图也 就可以从示意图中删去(图4.3c)。实质上是，一个恒压 源(供电线路)被一个恒速源(但不是恒扭矩)所代替。图 4.3d所示了迸一步的简化，这在某些分析中是合理的， 这时，泵的动态特性也被忽略，而把泵系统看成是个 恒压源。 在上述每一种源的简化中，并不意味着功率是源 (是独立的)，而是构成该功率的某一具体的变量是源( 是独立的)。与其形成功率的另一个变量则可以是变化 的。最后，系统中一根或多根液压管道可以在模型中 不予考虑，这只需将其方块从功率口示意图中删去即 可。
4.3 功率流描述
功率流的大小用同时发生的两个变量的乘积来表示。 例如: .电功率流为电压降乘以电流; ·机械功率流为合力(或力矩）乘以速度(或角速度)； ·液压功率流为压力降乘以体积流量； ·热传导功率流为温度降乘以热导。 注意: ·每个乘积中的第一个变量是势变量，即它给产生的功率 流提供势能； ·每个乘积中的第二个变量是流变量(电流是库仑/秒或安 培，速度是米/秒或弧度／秒等)。 图4.4 (a)表示一个简单的液压控制系统；图4.4（b）包 括了功率流的组成变量，元件符号上面的是势变量，下面
正如前而讨论过的那样，施加在负载上的力很容 易被理解为因，而负载随之产生的速度就必然是果。 这里还剩下要确定液压泵和液压缸的因果关系。 没有必要按元件在系统中出现的顺序来进行考虑—这 样会使我们的任务加重。让我们仅考虑元件的动作， 并决定比较明显的因果关系，而其余因果关系将从这 些决定中得出。图4.4所示系统不是一个恒压系统，泵 产生的压力取决于负载。因此压力是反作用，并可以 在图4.4(c)中确定流为因。泵轴所需要的扭矩也取决 于负载(若你愿意也可以说是取决于压力)，因此，扭 矩也是 一个反作用—一个结果变量，这就使电机与泵 的转速成为原因变量。用这种方法我们就完成了对系 统因果关系的确定。
图 4.2
一些功率口的图形
在具体场合中，基本功率口的确定可以方便地扩 展到包括损失以及其他被认为影响系统动态响应的一 些因素。例如，一台感应电动机会因为转速差而损失 功率，应视为一个三口元件。它也会因为内部摩擦和 气流损失一部分的功率，从而可以看作是一个四口元 件(如图4.2a的第四栏)。同样，一台液压泵的n口符号 可以包括一个外围性的功率口以考虑摩擦损失（图 4.2c第四栏)。图4.2的第四栏中还考虑了其他装置的 一些功率损失。分析设计者不应强求使用最完备的功 率口形式，相反，他应当只考虑那些他认为会对具体 系统的动态响应有较大影响的功率流。通常应该寻求 适合于所要达到目的的最简单模型。
4.2
功 率 口
液压控制系统中的每个元件都只有有限个吸收或 输出功率的通道。暂时将各种损失忽略不计，则一台 电动机从供电线路吸取功率，并在它的输出轴上输出 功率。这样，电动机就只有两个物理意义上的功率流 连接点。这些连接点就称为功率口或简称为口。图 4.2a就是用一个具有两个功率口的方块(第三栏)简图 来表示电动机。 一个液压蓄能器只有一个吸收或释放能量的口.在 图4.2b中用带有一个功率口的方块简图来表示液压蓄 能器。
一个双作用液压缸在功能上是一个三口装置，如 图(4.2g)所示。它从一个口接受液压功率，通过第二 个液压口让部分液压功率返回油箱，并通过它的活塞 杆输出功率。 液压系统中一个设计和安装得良好的油箱一般不 会影响系统的动态响应，但是它从泵的泄漏和控制阀 的回油管路获得功率，因此一个油箱可以表示为一个 接受上述两路功率流的双口装置(图4.2h)。 一个如图4.1所示类型的被驱动负我可理想化为一 个单口元件， 这个口就是液动机与负载之间的机械联 系(图4.2i)。 由此可见，液压控制系统的每个元件都可视为一 个n口装置，n值通常在1～4之间。同时，每个标明的 口都是元件上一个显而易见的在物理意义上存在的事 物。
这样就需要能够描述在构成系统的元件组合中所 发生的瞬时功率流。图4.1所示系统的元件可以看 作有：功率源(供电线路);功率转换器(接受电功率 同时输出机械功率的电动机，将输出的机械功率 转换成液压功率的液压泵，接受液压功率并将机 械功率输给负载的液压缸);功率传输件(连接泵与 电动机的传动轴，连接液压缸与泵的液压管道);以 及功率消耗装置（被驱动的负载)。
检查一下，以免有违反物理意义的地方。给电动机加 上电压，因电动机的运动受到系统负载的阻抗，所以需要 从供电线路吸取电流。电动机产生的速度直按传输到容积 式液压泵，使其向液压缸排出确定的油液流量，由泵输人 液压缸的油液，由于缸中活塞的运动受到惯性负载的阻抗， 所以压力迅速上升。这一压力作用在活塞上就形成了作用 在惯性负载上的力，从而使惯性负载运动。惯性负载质量 的大小决定了它的加速度，从而也就决定了它的速度，这 一速度也就是活塞的速度。活塞运动的速度影响着压力的 变化率，压力决定了驱动泵所需的扭矩，也就决定了电动 机所需输出的扭矩，电动机所需的扭矩又决定了它吸取的 电流。这此作用并不是按这里所说的时间顺序发生的，它 们几乎同时发生，但在时域上并不是同步的。即相应于某 个输入，其响应动作需要花费一定时间才能完成。预测所 有这些时间效应正是动态分析所要作的全部工作。

功率口方块图可以用来构成系统的功率流示意图. 这只需象相邻元件本身连接那样，把那些方块连接起 来。图4.3是图4.1所示系统的功率流图，但在图4.3中 补充包括了一个控制阀和一个油箱，它们在系统中控 制或接受功率。功率口示意图提供了一种结构，从其 中可以推导出作为系统模型的方程组。
图 4.3 功率口示意图
的是流变量。同时也包括了用以指明功率自然流向的箭 头——从电源线路(电压源)中吸取功率并将其传递到被驱 动的负载。若忽略所有损失，功率便是守恒的，并且 电压*电流=力*速度 某一具体功率乘积的势变量与流变量之间的关系是成 对的因果形式。例如，力是产生负载质量的速度的起因， 施加到电动机上的电压是因，而由此从电路吸取的电流则 是果，它由电动机承受的负载阻抗所产生。 从表面上看，似乎势变量总是因，而流变量总是果， 但事实井非如此。在一个功率乘积中哪个变量是因，哪个 变量是果并不总是明显的。关于因果关系的正确判断对理 解系统动态特性有很大的帮助，在以后的章节中将会阐明。
一台液压泵也可基本上看作是一个双口装置，这 两个口分别是驱动轴和排油口,但是，泵的内泄漏(壳 体内的泄漏)会影响到它的功率输出;从而也会影响系 统的动态响应。所以应在功率口结构中考虑内泄漏， 并将其作为第三个口，在该口上功率有损失，如图 4.2c第三栏中所示。 一个四通阀是一个四口装置。功率能从一个进油 口、两个控制油口和一个回油口流进和流出，如图 4.2d所示。 一根液压管道显然是一个双口元件，功率只能从 其两端流进或流出(图4.2e)。同样，一根传动轴也是 个双口装置(图4.2f)。
例如，可分析图4.5 （a)所所示的一个简单情 况，其中供油压力P 可看作是常量（源）。当在 输人位移信号 X 的作用下，中位封闭的四通控制 滑阀处于不同的位置时，系统将作动态响应，以 推动惯性负载。图4.5(b)表示了原始的功率口结构 图，以描述随着 X 的作用所产生的动态功率流。 液压管道的阻抗被忽略了。就负载的动态响应而 言，如果从液压缸经控制阀到油箱的回油管道中 的功率损失可以忽略不计，则功率流示意图便可 以简化成如图4.5 (c)的形式。图4.5 (c)中的每根功 率键(线段)都标上了它的功率组成变量:
a
v
v
表示从源流到控制阀的功率， P a Q a 表示从控制阀流到液压缸的功率， . F m X m 表示负载消耗的功率( 即从液压缸流到负载 的功率)。 其中 是供油压力， S是供油流量； Q s Q Pa是液压缸中建立起来的压力， a 为流人缸中的有 效流量—即液压缸中活塞形成的容积变化率；. X F m 是施加在被驱动负载上的有效作用力， V 是负载 的速度。
图 4.4 功率流和它的变量
现在来看图4.4(a)和(b)所示的系统，并确定在每 个功率乘积中那个变量是因，那个变量是果。为了使 原因变量在上和结果变量在下，而不是如图4.4(b)中 那样规定势变量在上和流变量在下，可将图4.4（b） 重新画一下。此外，用一个与所期望的功率流指向相 同的箭头，来标示原因变量，而用与功率流指向相反 的箭头来标示结果变量。这是一种符号规定，但它是 具有物理意义的，因为结果变量是由系统动态性质所 决定的反作用。例如，施加的电压是一个源或是常量， 并且只能将其规定为因，因为它的值是不受系统负载 作用影响的。把电压规定为因，把电流规定为果。因 而，这也符合物理事实。电动机汲取的电流取决于系 统施加在电动机上的负载，即电流是一个反作用。
综上所述，一个液压控制系统的功率口示意图可以方便地 通过以下方法构成: （1）考虑用于系统中的每个元件的功率流进与流出情况， 形成一组元件的功率口方块图。这些元件方块图是完全可 以重复使用的; （2）简单地将元件方块图连接起来以形成系统功率流示 意图。这种连接直接相似于组成系统的硬件元件之间的物 理连接。例如，电功机功率口的功率输出端与液压泵方块 图为功率输人端合而为一。连按这两个方块图的线段便是 确切地模拟了连接这两个实际元件的传功轴。对此，这种 联系就是功率键。 功率口示意图可以方便地加以扩展。以便考虑那些可 能会影响系统响应的因素.例如若要考虑电动机与泵之间的 传功轴的柔度，就可以在连接电动机与泵的方块图 之间 的联线上加一个标为“传动轴”的方块(图4.3b)。
4.4
推导方程
通过前几节课的学习，现在我们能够拟出一 个功率流示意图，画出此图，并作出有关的决定， 对那些影响系统动态特性的元件有了深入的认识。 本节将讲述怎样导出能够进行仿真(求解)的方程组 (动态模型)，以便能预测一些有意义的系统变量的 特性。 写出一此表达式，以使那些每根功率键(即连 接功率口的线段)有关的变量，参数联系起来是必 要的。可供使用的关系式就是那些在所有动态建 模方法中都要用到的一一即基本的物理定律和描 述系统动作时会发生的各种作用的表达式。
注意，结果变量并不一定就是它自己的原因 变量所产生的。在上面所举的例子中，这种相互 关系发生于惯性负钱，其速度是力引起的效应， 而电流当然并不直接是由于所施加的电压所引起 的，电流是由传动轴所需要的扭矩所决定的。 不能假定某一功率变量的因果关系在所有系统 及其分析中都是相同的。例如，有时假定压力是 因，流量是果倒是适合的。在恒压源系统中便是 如此。作出某一具体系统中的因果判断，对进而 理解系统的动态本质和建立其动态模型都会有很 大的帮助。