車輛液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)課件：液壓系統(tǒng)建模簡介 -

液壓系統(tǒng)建模簡介通過這一章的學(xué)習(xí)，能夠掌握液壓馬達(dá)，液壓閥，液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的一些基本方法，并了解液壓系統(tǒng)仿真的基本過程。知識(shí)要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識(shí)液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)建模熟悉液壓馬達(dá)的速度控制系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)步驟。液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及液壓馬達(dá)穩(wěn)態(tài)特性。液壓閥動(dòng)態(tài)建模掌握溢流閥，電磁換向閥，伺服閥的結(jié)構(gòu)工作原理及建模方法。溢流閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，電磁換向閥的工作原理及其瞬態(tài)響應(yīng)，滑閥的建模過程。液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模了解閥控馬達(dá)液壓系統(tǒng)與變量泵控定量液壓馬達(dá)系統(tǒng)建模差異液控閥/馬達(dá)液壓系統(tǒng)與變量泵控定量液壓馬達(dá)系統(tǒng)的流量特性及微分方程。液壓系統(tǒng)仿真能夠利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析和預(yù)測液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。液壓系統(tǒng)仿真原理、傳遞函數(shù)的建立和液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)模。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)要求液壓系統(tǒng)建模簡介導(dǎo)入案例10.1液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)建模10.2液壓閥動(dòng)態(tài)建模10.3液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模液壓系統(tǒng)仿真本章小結(jié)導(dǎo)入案例道路耦合試驗(yàn)機(jī)電液伺服位置控制系統(tǒng)仿真在數(shù)字式自適應(yīng)動(dòng)態(tài)電液道路耦合試驗(yàn)機(jī)中，針對一個(gè)采用閥控對稱缸的電液伺服位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了SimHydraulics實(shí)物仿真和模型辨識(shí)，通過機(jī)理建模和Simulink模型仿真驗(yàn)證了辨識(shí)結(jié)果。圖10.1為系統(tǒng)原理圖及外形圖。圖10.1系統(tǒng)原理圖泵采用壓力為10Mpa的理想恒壓源，相當(dāng)于實(shí)際系統(tǒng)中功率足夠大的定量泵與溢流閥的組合。伺服閥電磁鐵的時(shí)間常數(shù)取為0.002s，遠(yuǎn)小于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，可以忽略它對整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的影響。伺服閥的閥芯位移與過流面積以及液壓缸的各個(gè)尺寸采用了實(shí)際數(shù)據(jù)。圖10.2SimHydraulics仿真框圖設(shè)定活塞位置給定值為，仿真的結(jié)果如圖10.3所示，橫軸代表響應(yīng)時(shí)間，縱軸由上至下分別是：閥芯位移控制輸入x，活塞桿位置y，活塞桿速度。圖10.3SimHydraulics仿真閉環(huán)恒值輸入響應(yīng)通過對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建?？烧_地設(shè)計(jì)系統(tǒng)各有關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)性能最佳。圖10.4液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性圖10.5液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)各組成部分圖10.5將閥控馬達(dá)系統(tǒng)(開環(huán))分為幾個(gè)動(dòng)態(tài)部分。如果在閥上出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于滑閥質(zhì)量等因素影響，滑閥不可能瞬時(shí)移動(dòng)；滑閥通過管路與液壓馬達(dá)相連接，則連接管路對系統(tǒng)振動(dòng)的影響必須小于由于液壓油壓力波傳播的影響，即

(10-1)10.1液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)建模液壓馬達(dá)穩(wěn)態(tài)特性可由流量方程描述。即

(10-2)

(10-3)(10-4)1.溢流閥10.2液壓閥動(dòng)態(tài)建模圖10.7溢流閥結(jié)構(gòu)調(diào)壓彈簧b和阻尼元件裝在溢流閥閥芯c的上部，當(dāng)閥芯處于某一位置，維持系統(tǒng)一定壓力時(shí)，多余的液流從閥芯中d口排出。阻尼座g上有阻尼孔a，阻尼座下有彈簧墊e，弱彈簧f將e頂向阻尼座。當(dāng)彈簧和阻尼元件向上運(yùn)動(dòng)，就打開阻尼座上阻尼小孔，液流從小孔通過，產(chǎn)生壓力降，對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力很?。划?dāng)阻尼元件向下運(yùn)動(dòng)，彈簧就關(guān)閉液流通道，液流被擋在阻尼元件和閥芯頂部，從而被壓縮。阻尼元件和閥體間存在一個(gè)很小的徑向間隙(一般為0.12mm)，這個(gè)間隙允許被壓縮的液流流入，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力。這種溢流閥的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載流量變化時(shí)可迅速打開，并可有效地維持系統(tǒng)壓力。使壓力波動(dòng)最小。溢流閥的工作原理圖10.7(b)所示的液流連續(xù)性方程為由于滑閥的兩個(gè)輸出通口相連接，所以有將式(10-5)和式(10-8)聯(lián)立，可得(10-5)(10-6)(10-7)(10-8)(10-9)閥芯向上運(yùn)動(dòng)主要是克服調(diào)壓彈簧剛度、阻尼力和移動(dòng)部件慣性力，以及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。動(dòng)量方程即為

(10-10)液動(dòng)力Fr

(10-11)溢流閥的響應(yīng)方法

(1)小信號(hào)頻率響應(yīng)；

(2)模擬計(jì)算機(jī)仿真；

(3)數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真。2.電磁換向閥電磁換向閥中滑閥的移動(dòng)由電磁線圈產(chǎn)生的電磁力控制。電磁線圈可分為用于一般電磁換向閥的二次電磁線圈和用于比例閥中的比例電磁線圈兩種：二次電磁線圈產(chǎn)生的電磁力與輸入電流平方成正比；而比例電磁線圈產(chǎn)生的電磁力則與輸入電流成正比。在電磁線圈上加上電壓，由于電磁線圈的阻抗和感抗產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的電流，當(dāng)電磁線圈位移較小時(shí)，其感抗基本上保持為常數(shù)，有以下方程：

(10-12)圖10.8電磁換向閥圖10.8所示為電磁換向閥的結(jié)構(gòu)?；y與比例電磁線圈或二次電磁線圈連接，電磁線圈不通電時(shí)，滑閥在左右兩個(gè)彈簧作用下對中；電磁線圈通電后，假設(shè)作用在滑閥上的電磁力與慣性力和彈簧力平衡，則有（1）比例電磁線圈電磁力(10-13)（2）二次電磁線圈電磁力(10-14)如果滑閥的庫侖摩擦較大不能略去，需對瞬態(tài)響應(yīng)加以修正。比例電磁線圈方程(10-13)可改成

式中，F(xiàn)c為庫侖摩擦力，其正負(fù)號(hào)與滑閥移動(dòng)方向有關(guān)。(10-15)1.閥控缸／馬達(dá)液壓服系統(tǒng)閥控缸／馬達(dá)液壓系統(tǒng)的流量特性為非線性微分方程。由于滑閥的非線性以及閥控／馬達(dá)存在的動(dòng)態(tài)影響，所以微分方程的求解不可能得到將所有的參數(shù)都包括的結(jié)果。假設(shè)滑閥為對稱型正開口閥，在驅(qū)動(dòng)電流iu作用下，滑閥剛好打開?？傻?0.3液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模當(dāng)i>0，Z2=1時(shí)，有：Zl=0，i≥iu

Z1=1，i<iu

i<0，Z1=1時(shí)，有：Z2=0，i≤-iu

Z2=1，i>-iu(10-17)圖10.11滑閥控液壓缸／馬達(dá)連接圖10.11為滑閥控液壓為伺服閥控液壓缸／馬達(dá)的連接。設(shè)管路動(dòng)態(tài)變化和流量、壓力損失可略去不計(jì)。即有Q1=Qa，Qb=Q2和p1=pa，pb=p2，應(yīng)用液流連續(xù)性原理，有（10-18）

外伸回程簡化后可得(10-19)如果將活塞外伸定為正，那么，上述公式可用方程式表達(dá)，即（10-20）液壓缸液壓馬達(dá)對執(zhí)行元件，可得到一組方程如下：（10-21）2.變量泵控定量液壓馬達(dá)系統(tǒng)圖10.12變量泵控定量液壓馬達(dá)圖10.12為變量泵控定量液壓馬達(dá)系統(tǒng)。設(shè)該系統(tǒng)為線性流量損失特性，將油的壓縮性計(jì)入液壓馬達(dá)進(jìn)出油腔容積V里，那么其液流連續(xù)性方程可寫成可得（10-22）可得

(10-23)假設(shè)補(bǔ)充油液泵Qm恒定，與溢流閥設(shè)定壓力pb無關(guān)，用來補(bǔ)償回路流量泄漏，并設(shè)p2=pb，有(10-24)考慮液壓馬達(dá)和負(fù)載慣量引起的動(dòng)態(tài)影響，并將非線性摩擦部分集中計(jì)入到負(fù)載轉(zhuǎn)矩，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩方程有(10-25)圖10.13變量泵控定量液壓馬達(dá)在突