《车辆液压传动与控制技术》第10章 液压系统建模简介
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导入案例 10.1液压马达动态建模 10.2液压阀动态建模 10.3液压系统动态建模 液压系统仿真 本章小结
导入案例
道路耦合试验机电液伺服位置控制系统仿真 在数字式自适应动态电液道路耦合试验机中，针对一个采用阀控对 称缸的电液伺服位置控制系统进行了SimHydraulics实物仿真和模型辨 识，通过机理建模和Simulink模型仿真验证了辨识结果。图10.1为系统 原理图及外形图。
图10.1系统原理图
图10.2 SimHydraulics仿真框图
泵采用压力为10Mpa的理想恒压源，相当于实际系统中功 率足够大的定量泵与溢流阀的组合。伺服阀电磁铁的时间 常数取为0.002s，远小于整个系统的时间常数，可以忽略 它对整个系统动态的影响。伺服阀的阀芯位移与过流面积 以及液压缸的各个尺寸采用了实际数据。
第十章 液压系统建模简介
教学目标 通过这一章的学习，能够掌握液压马达，液压阀，液压系统动 态建模的一些基本方法， 并了解液压系统仿真的基本过程。
教学要求
知识要点
液压马达 动态建模
能力要求
熟悉液压马达的速度控制系统 工作原理，设计步骤。
相关知识
液压马达速度控制系统的动态 特性及液压马达稳态特性。
液压阀动 掌握溢流阀，电磁换向阀，伺服 溢流阀的结构及工作原理，电 态建模 阀的结构工作原理及建模方法 。 磁换向阀的工作原理及其瞬态
i di V
dt k
(10-12)
图10.8所示为电磁换向阀的 结构。滑阀与比例电磁线圈 或二次电磁线圈连接，电磁 线圈不通电时，滑阀在左右 两个弹簧作用下对中；电磁 线圈通电后，假设作用在滑 阀上的电磁力与惯性力和弹 簧力平衡，则有
图10.8电磁换向阀
（1）比例电磁线圈电磁力
F
Bpi
kx
m
d2x dt2
图10.5将阀控马达系统(开 环)分为几个动态部分。如 果在阀上出现驱动信号，由 于滑阀质量等因素影响，滑 阀不可能瞬时移动；滑阀通 过管路与液压马达相连接， 则连接管路对系统振动的影 响必须小于由于液压油压力 波传播的影响，即
图10.5液压马达速度控制系统各组成部分
l c 2f
(10-1)
10.1液压马达动态建模
10.3液压系统动态建模
1.阀控缸／马达液压服系统
阀控缸／马达液压系统的流量特性为非线性微分方程。由于滑阀的 非线性以及阀控／马达存在的动态影响，所以微分方程的求解不可 能得到将所有的参数都包括的结果。假设滑阀为对称型正开口阀，
图10.7(b)所示的液流连续性方程为
QP
Q0
Qv
c
dp dc
Qv
aS
dx dc
Qexit
由于滑阀的两个输出通口相连接，所以有
(10-5) (10-6)
Q0 k f i p
(10-7)
Qexit
1.75Gq
arad
h d
1.5
2p
将式(10-5)和式(10-8)联立，可得
Qexit k f i
液压马达稳态特性可由流量方程描述。即
Qa
qmm
pa Ri
pb
pa Re
Qb
qmm
pa Ri
pb
pa Re
qm ( pa
pb
)
T1
Bv
Bf
(,
pa ,
pb )
Jm
d
dt
pa
pb
Baidu Nhomakorabea
P1
Bv
q
2 m
(qm)
Bf
(, pa qm
,
pb
)
Jm q m2
d (qm) dt
P1
Rv (qm)
Bf
(, pa , qm
Yxg 0.02m
设定活塞位置给定值为 Yg 0.02m ，仿真的结果如图10.3所示，横 轴代表响应时间，纵轴由上至下分别是：阀芯位移控制输入x，活
塞杆位置y，活塞杆速度 y 。
图10.3 SimHydraulics仿真闭环恒值输入响应
图10.4 液压马达速度控制系统的动态特性
通过对系统动态建模可正确地设计系统各有关参数，使系统 性能最佳。
p
as
dx dt
1.7Cq arad
h d
1.5
2 p c dp dc
(10-8) (10-9)
阀芯向上运动主要是克服调压弹簧刚度、阻尼力和移动部件惯性 力，以及稳态液动力。动量方程即为
pas
kx
B*
dx dt
m d 2x dt 2
Fr
液动力Fr
Fr
3.4
c
os69
Carad
h d
响应，滑阀的建模过程。
液压系统 动态建模
了解阀控马达液压系统与变量泵 控定量液压马达系统建模差异
液控阀/马达液压系统与变量泵 控定量液压马达系统的流量特 性及微分方程。
液压系统 能够利用计算机仿真技术分析
仿真
和预测液压系统的动态性能。
液压系统仿真原理、传递函数 的建立和液压马达的动态模。
第十章 液压系统建模简介
（2）二次电磁线圈电磁力
(10-13) (10-14)
F
Bpi2
kx
m
d2x dt 2
如果滑阀的库仑摩擦较大不能略去，需对瞬态响应加以修正。比例 电磁线圈方程(10-13)可改成
F
Bpi
kx
m
d2x dt2
Fc
sign(
dx dt
)
(10-15)
式中，Fc为库仑摩擦力，其正负号与滑阀移动方向有关。
1.5
p
(10-10) (10-11)
溢流阀的响应方法
(1)小信号频率响应； (2)模拟计算机仿真； (3)数字计算机仿真。
2.电磁换向阀
电磁换向阀中滑阀的移动由电磁线圈产生的电磁力控制。电磁线 圈可分为用于一般电磁换向阀的二次电磁线圈和用于比例阀中的 比例电磁线圈两种：二次电磁线圈产生的电磁力与输入电流平方 成正比；而比例电磁线圈产生的电磁力则与输入电流成正比。在 电磁线圈上加上电压，由于电磁线圈的阻抗和感抗产生动态变化 的电流，当电磁线圈位移较小时，其感抗基本上保持为常数，有 以下方程：
pb )
Lm
d (qm) dt
(10-2) (10-3) (10-4)
10.2液压阀动态建模
1.溢流阀
图10.7 溢流阀结构
溢流阀的工作原理
调压弹簧b和阻尼元件装在溢流阀阀芯c的上部，当阀芯处于某一位 置，维持系统一定压力时，多余的液流从阀芯中d口排出。阻尼座g 上有阻尼孔a，阻尼座下有弹簧垫e，弱弹簧f将e顶向阻尼座。当弹 簧和阻尼元件向上运动，就打开阻尼座上阻尼小孔，液流从小孔通 过，产生压力降，对运动产生阻力很小；当阻尼元件向下运动，弹 簧就关闭液流通道，液流被挡在阻尼元件和阀芯顶部，从而被压缩 。阻尼元件和阀体间存在一个很小的径向间隙(一般为0.12mm)，这 个间隙允许被压缩的液流流入，结果产生了一个与运动方向相反的 阻尼力。这种溢流阀的优点是当负载流量变化时可迅速打开，并可 有效地维持系统压力。使压力波动最小。
导入案例
道路耦合试验机电液伺服位置控制系统仿真 在数字式自适应动态电液道路耦合试验机中，针对一个采用阀控对 称缸的电液伺服位置控制系统进行了SimHydraulics实物仿真和模型辨 识，通过机理建模和Simulink模型仿真验证了辨识结果。图10.1为系统 原理图及外形图。
图10.1系统原理图
图10.2 SimHydraulics仿真框图
泵采用压力为10Mpa的理想恒压源，相当于实际系统中功 率足够大的定量泵与溢流阀的组合。伺服阀电磁铁的时间 常数取为0.002s，远小于整个系统的时间常数，可以忽略 它对整个系统动态的影响。伺服阀的阀芯位移与过流面积 以及液压缸的各个尺寸采用了实际数据。
第十章 液压系统建模简介
教学目标 通过这一章的学习，能够掌握液压马达，液压阀，液压系统动 态建模的一些基本方法， 并了解液压系统仿真的基本过程。
教学要求
知识要点
液压马达 动态建模
能力要求
熟悉液压马达的速度控制系统 工作原理，设计步骤。
相关知识
液压马达速度控制系统的动态 特性及液压马达稳态特性。
液压阀动 掌握溢流阀，电磁换向阀，伺服 溢流阀的结构及工作原理，电 态建模 阀的结构工作原理及建模方法 。 磁换向阀的工作原理及其瞬态
i di V
dt k
(10-12)
图10.8所示为电磁换向阀的 结构。滑阀与比例电磁线圈 或二次电磁线圈连接，电磁 线圈不通电时，滑阀在左右 两个弹簧作用下对中；电磁 线圈通电后，假设作用在滑 阀上的电磁力与惯性力和弹 簧力平衡，则有
图10.8电磁换向阀
（1）比例电磁线圈电磁力
F
Bpi
kx
m
d2x dt2
图10.5将阀控马达系统(开 环)分为几个动态部分。如 果在阀上出现驱动信号，由 于滑阀质量等因素影响，滑 阀不可能瞬时移动；滑阀通 过管路与液压马达相连接， 则连接管路对系统振动的影 响必须小于由于液压油压力 波传播的影响，即
图10.5液压马达速度控制系统各组成部分
l c 2f
(10-1)
10.1液压马达动态建模
10.3液压系统动态建模
1.阀控缸／马达液压服系统
阀控缸／马达液压系统的流量特性为非线性微分方程。由于滑阀的 非线性以及阀控／马达存在的动态影响，所以微分方程的求解不可 能得到将所有的参数都包括的结果。假设滑阀为对称型正开口阀，
图10.7(b)所示的液流连续性方程为
QP
Q0
Qv
c
dp dc
Qv
aS
dx dc
Qexit
由于滑阀的两个输出通口相连接，所以有
(10-5) (10-6)
Q0 k f i p
(10-7)
Qexit
1.75Gq
arad
h d
1.5
2p
将式(10-5)和式(10-8)联立，可得
Qexit k f i
液压马达稳态特性可由流量方程描述。即
Qa
qmm
pa Ri
pb
pa Re
Qb
qmm
pa Ri
pb
pa Re
qm ( pa
pb
)
T1
Bv
Bf
(,
pa ,
pb )
Jm
d
dt
pa
pb
Baidu Nhomakorabea
P1
Bv
q
2 m
(qm)
Bf
(, pa qm
,
pb
)
Jm q m2
d (qm) dt
P1
Rv (qm)
Bf
(, pa , qm
Yxg 0.02m
设定活塞位置给定值为 Yg 0.02m ，仿真的结果如图10.3所示，横 轴代表响应时间，纵轴由上至下分别是：阀芯位移控制输入x，活
塞杆位置y，活塞杆速度 y 。
图10.3 SimHydraulics仿真闭环恒值输入响应
图10.4 液压马达速度控制系统的动态特性
通过对系统动态建模可正确地设计系统各有关参数，使系统 性能最佳。
p
as
dx dt
1.7Cq arad
h d
1.5
2 p c dp dc
(10-8) (10-9)
阀芯向上运动主要是克服调压弹簧刚度、阻尼力和移动部件惯性 力，以及稳态液动力。动量方程即为
pas
kx
B*
dx dt
m d 2x dt 2
Fr
液动力Fr
Fr
3.4
c
os69
Carad
h d
响应，滑阀的建模过程。
液压系统 动态建模
了解阀控马达液压系统与变量泵 控定量液压马达系统建模差异
液控阀/马达液压系统与变量泵 控定量液压马达系统的流量特 性及微分方程。
液压系统 能够利用计算机仿真技术分析
仿真
和预测液压系统的动态性能。
液压系统仿真原理、传递函数 的建立和液压马达的动态模。
第十章 液压系统建模简介
（2）二次电磁线圈电磁力
(10-13) (10-14)
F
Bpi2
kx
m
d2x dt 2
如果滑阀的库仑摩擦较大不能略去，需对瞬态响应加以修正。比例 电磁线圈方程(10-13)可改成
F
Bpi
kx
m
d2x dt2
Fc
sign(
dx dt
)
(10-15)
式中，Fc为库仑摩擦力，其正负号与滑阀移动方向有关。
1.5
p
(10-10) (10-11)
溢流阀的响应方法
(1)小信号频率响应； (2)模拟计算机仿真； (3)数字计算机仿真。
2.电磁换向阀
电磁换向阀中滑阀的移动由电磁线圈产生的电磁力控制。电磁线 圈可分为用于一般电磁换向阀的二次电磁线圈和用于比例阀中的 比例电磁线圈两种：二次电磁线圈产生的电磁力与输入电流平方 成正比；而比例电磁线圈产生的电磁力则与输入电流成正比。在 电磁线圈上加上电压，由于电磁线圈的阻抗和感抗产生动态变化 的电流，当电磁线圈位移较小时，其感抗基本上保持为常数，有 以下方程：
pb )
Lm
d (qm) dt
(10-2) (10-3) (10-4)
10.2液压阀动态建模
1.溢流阀
图10.7 溢流阀结构
溢流阀的工作原理
调压弹簧b和阻尼元件装在溢流阀阀芯c的上部，当阀芯处于某一位 置，维持系统一定压力时，多余的液流从阀芯中d口排出。阻尼座g 上有阻尼孔a，阻尼座下有弹簧垫e，弱弹簧f将e顶向阻尼座。当弹 簧和阻尼元件向上运动，就打开阻尼座上阻尼小孔，液流从小孔通 过，产生压力降，对运动产生阻力很小；当阻尼元件向下运动，弹 簧就关闭液流通道，液流被挡在阻尼元件和阀芯顶部，从而被压缩 。阻尼元件和阀体间存在一个很小的径向间隙(一般为0.12mm)，这 个间隙允许被压缩的液流流入，结果产生了一个与运动方向相反的 阻尼力。这种溢流阀的优点是当负载流量变化时可迅速打开，并可 有效地维持系统压力。使压力波动最小。