基于MATLAB的液压仿真系统的研究_(2)

第三章 相似原理在液压系统中的应用 第三章第三章 相似原理在液压系统中的应用相似原理在液压系统中的应用 液压设备与电气设备 都是生产过程自动化最有效的手段之一 今天 机电液混合控制 系统已广泛使用于工业的各个领域 在历史上 流体技术发展比电子技术古老的多 曾借助 于液 电相似来解释电气技术中难于理解的某些现象 今天 电气电子技术的发展已大大超 过了流体技术 无论在理论上和技术上都居于领先地位 而计算机的迅猛发展更加强了这种 优势 已倒过来对流体技术起着巨大的推动作用 这种相互促进 借鉴的基础就是相似系统 原理 电 液模拟就是直接利用各自参量间关联规律的相似 相似原理亦为机 电 液整个 自动化系统的综合研究创造了条件 本章内容即是介绍如何依据控制工程理论的 相似系统 原理 建立面向现代液压系统 的液阻 液感和液容等标准化元素的概念 再根据这些概念建立各类典型子系统的电液相似 模型 3 1 液压传动系统运行原理3 1 液压传动系统运行原理 液压传动相对于机械传动来说 是一门新的技术 液压传动是以液体作为工作介质来传 递能量 液体的压力能 液压传动中的工作介质是在受控制 受调节的状态下进行工作的 因此液压传动和液压控制常常难以截然分开 如图 3 1 所示的机床工作台液压传动系统由油箱 滤油器 液压泵 溢流阀 开停阀 节流阀 换向阀 液压缸以及连接这些元件的油管组成 16 图 3 1 机床工作台液压系统的工作原理图 新兴的液压伺服控制技术不但是液压技术的一个重要分支 而且也是控制领域的一个重 要组成部分 早在第一次世界大战前 液压伺服控制已经开始应用于海军舰艇中 作为操舵 装置 到第二次世界大战期间及以后 由于军事的刺激 自动控制特别是武器和飞行器控制 系统的研究得到进一步的发展 液压伺服控制因响应快 精度高和功率 比重大等特点而受 到特别的重视 特别是近几十年 由于整个工业技术的发展 尤其是军事和航空航天技术的 发展 促使液压伺服控制得到迅速发展 使这门技术无论在元件和系统方面 还是在理论与 应用方面都日趋完善和成熟 机械液压伺服控制出现较早 用在飞机上作为液压助力器 操纵飞机舵面 40 年代 13 东南大学硕士学位论文 首先在飞机上出现了电液伺服系统 但该系统中的滑阀由伺服电动机驱动 作为电液转换器 由于伺服电动机时间常数较大 限制了电液伺服系统的响应速度 随着超音速飞机的发 展 要求伺服系统反应速度越来越快 特别是像导弹控制 这就促进了快速电液伺服控制系 统的产生与发展 50 年代 出现了快速响应的永磁力矩马达 力矩马达与滑阀结合 形成 了电液伺服阀 50 年代末 又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀 进一步提高 了电液伺服阀的快速性 60 年代 各种结构的电液伺服阀相继出现 其性能日趋完善 由 于电液伺服阀和电子技术的发展 使电液伺服系统得到迅速的发展 液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统 在这种系统 中 输出量 位移 速度 力等 能够自动地 快速而准确地复现输入量的变化规律 与此同 时 还对输入信号进行功率放大 因此也是一个功率放大装置 图 3 2 所示是双电位器电液位置伺服系统的工作原理图 该系统控制工作台 负载 的位 置 使之按照指令电位器给定的规律变化 系统由指令电位器 反馈电位器 电子放大器 电液伺服阀 液压缸和工作台组成 因为采用电液伺服阀作为液压控制元件 所以也称阀控 式电液位置伺服系统 图 3 2 双电位器电液位置伺服系统 指令电位器将滑臂的位置指令转换成指令电压 被控制的工作台位置由反馈电 位器检测转换为反馈电压 两个线性电位器接成桥式电路 从而得到偏差电压 为电位器增益 当工作台位置与指定位置相 一致时 电桥输出偏差电压 此时伺服放大器输出电流为零 电液伺服阀处于零位 没有流量输出 工作台不动 当指令电位器滑臂位置发生变化时 如向右移动一个位置 当工作台位置发生变化之前 电桥输出的偏差电压 i x r u p x f u pifre xxKuuu 0 xUK p x i x 0 e u i x ie xKu 偏差电压经伺服放大器放大 后变为电流信号去控制电液伺服阀 电液伺服阀输出压力油到液压缸推动工作台右移 随着 工作台的移动电桥输出偏差电压逐渐减小 当工作台位移 p x 等于指令电位器位移时 电桥输出偏差电压为零 工作台停止运动 如果指令电位器滑臂反向运动 工作台也反向跟 随运动 图 3 3 表示该系统的工作原理方块图 i x 图 3 3 电液位置伺服系统工作原理方块图 14 第三章 相似原理在液压系统中的应用 3 2 液压传动和控制系统现代建模方法 3 2 液压传动和控制系统现代建模方法 众所周知 对于线性系统 求解方程的数学过程与方程所代表的物理系统外貌其实无关 因此 若某一物理系统对给定输入信号的响应已被确定 则所有可用同一方程或方程组描述 的其他物理系统的响应 对相同的激励函数来说 就是已知的 用同一方程或方程组描述的 不同物理外貌的系统称为相似系统 譬如 一个由电阻 电感和电容组成的电路 可以和一 个由粘性摩擦器 质量和弹簧适当组合而成的机械系统相似 也可以与一个由管道 阀门 油缸 蓄能器和油泵适当组合而成的液压系统相似 非常重要的一点是 各种近代电路理论 如网络方程 图论 分裂法等 在近二三十年 得到长足发展 已经比较成熟完善 目前在计算机辅助分析和设计领域都得到了成功应用 有力推动了现代科学技术的向前发展 因此 我们不但可以而且十分有必要 借鉴已有经验 应用电液模拟方法 将液压回路 或液压单元 和液压系统转变为结构和特性类似的电回路和电系统来研究 3 3 电液模拟的标准元件 液阻 液感和液容的概念 3 3 电液模拟的标准元件 液阻 液感和液容的概念 在控制工程理论上 将物理外貌不同但具有相同形式的输出 输入关系式即传递函数 或传递矩阵 的系统 称为相似系统 相似系统中 对应的物理量 称为相似量 众所周 知 一个液压系统的控制功能主要表现在对流量和压力这两个参数的控制 在实行电液模拟 时 所采用的基础模拟物理量通常是 电压U 压力p 电流I 流量 在此基础上 定义标准元件即液阻 液感和液容的概念 即 V Q 液阻 V H dQ pd R dI dU I U R 3 1 用以描述流动液体因受到各种形式的摩擦和局部压力损失造成的阻尼大小 它类似电 阻 液感 dt dQ p L V H dt dI U L 3 2 这是表示液压装置内因液流速度随时间发生变化 即液流动量变化产生的反对液流加速 或减速的惯性阻尼 它类似电感 表示流体吸收或释放能量 液容 dt pd Q C V H dt dU I C 3 3 用以描述液压装置内工作液体及溶解其中的气体 软管 硬管 机械弹簧 蓄能器等因 受压变形产生的反对变形的容性阻尼 它对液压系统的动态响应有着非常重要的影响 它也 被视为能量储存元 15 东南大学硕士学位论文 3 3 1 液阻 众所周知 一个液压系统的控制功能主要表现在对流量和压力这两个参数的控制 借助 可调液阻 R 当它从小到大 从大到小调节的时候 系统压力和旁路流量都将受到控制 因 此 液阻在液压控制系统中是一种最普遍最主要的控制调节手段 另外由于液体本身的粘性 也会导致液体流动中无时无处不存在阻力 无论是哪种液阻 都将导致传递能量的损失 并 以温升的形式表现出来 已知在电路中电阻 di dU i U R 17 按控制理论的相似系统的概念 进行电液模拟 将液压系统的液阻概念类比定义为 dQ pd RH 液阻的线性化方法 对于一般非线性的压力 流量方程 可利用切线法 图 3 4 求得线性化 n v QRp 液阻 图 3 4 1 n V V H nRQ dQ pd R 在工作点 处液阻为 11 V Qp 1 11 V n VH Q p nnRQR 即图 3 4 中切线 a 的斜率 3 3 2 液感 当流体速度发生变化时 液体质量具有的惯性不让其发生变化 这个倾向必然导致管路 压力的变化 对系统动态过程的影响就不容忽略 其物理性质与电路的电感相似 称之为液 感 实验证明 对带长排油管的液压缸驱动工况作系统动态分析时 不考察流感会带来不能 容许的误差 图 3 5 所设直管横断面积为 S 取管内流体长度为 L 其两端压差为 则该段流体 在轴向上所受液压力按牛顿第二定律为 p dt dQ S m dt dv mmapSF V 16 第三章 相似原理在液压系统中的应用 图 3 5 由上图可得 dt dQ L dt dQ S m S F p V H V 2 S l S Sl S m LH 22 3 4 的量纲 式中 H L 4 mkgLH 为液压油的密度 3 3 3 液容 液体的可压缩性虽然不大 但当液压系统中压力变化时 仍然会产生象强弹簧那样储存 或释放能量的效应 往往它就是引起系统冲击 振动 噪音 气蚀等不正常现象的重要原因 所以在研究系统响应的过渡过程时 对流体容性是必须充分予以考虑的 前面已说过 液容符号为 本文还规定使用 H C H H C D 1 作为常用的液容倒数的符号 它表示液压装置内工作液体 气体 软管 硬管 机械弹簧 阀和蓄能器在受压时表现出的 一种反抗变形的阻尼 其表达式为 V H Q dt dp dt dV dt dp dt Vd dt pd Vd pd D 3 5 对于截面积为 S 长度为 l 的直柱型液体 液体容积 V S l 的液容定义可由液体体积 弹性模数 K 引出 由资料知 pV V K 11 由此得 K V D C P V H H 1 3 6 液容的量纲为 而 H C H C 2 41 smkg 24 smkgDH 当需要考滤管道材料的弹性变形时 可采用综合体积弹性模量代替 K S K 3 3 4 液阻 液感 液容在电液模拟网络中的符号规定 液体在传递能量过程中无时无处不存在会导致能量损失的各种形式的阻抗干扰 前面已 仿照电路元件将其抽象为液阻 液感和液容三类标准元件 17 东南大学硕士学位论文 所谓标准元件 即假设能量的传递管道绝对密封 通过其中的流量值保持不便 是 一种理想的线性两端元件 本文规定在液压元件和系统的电液模拟线路图中 采用的液阻 液感和液容的职能符号如图 3 6 所示 V Q 图 3 6 3 3 5 电液模拟网络中时间常数的规定 电液模拟时经常遇到如 D L D R R L 等形式的比例关系 并具有时间的量纲 称为电液模 拟时间常数 令 R L TLR 3 7 RC D R TRC 3 8 RCLRLC TTRC R L LC D L T 2 3 9 3 4 小结 3 4 小结 本章从各类能量领域通用的连续性和相容性条件出发 依据控制理论的相似系统原理 借鉴电路的阻 容 惯性的概念 引入了面向现代计算机技术的模块式建模方法 使之更适 合 于 对 愈 来 愈 复 杂 的 现 代 液 压 系 统 进 行 计 算 机 仿 真 和 优 化 设 计 这 是 应 用 MATLAB Simulink 软件建立仿真模块图和进行仿真的前提和基础 而且这种对液压系统标 准化的研究 可能导致实现各个液压件生产厂的产品建立数学上的互换性 不仅可以大大避 免许多重复无意义的劳动 并为建立液压系统模型库 数据库带来很大的方便 这是一项极 有意义和远大前景的工作 18 第四章 液压系统仿真平台的建立 第四章 液压系统仿真平台的建立 第四章 液压系统仿真平台的建立 系统仿真是一个资源 仿真 分析 可视化 通信与交互等功能的集成化运行环境 18 它具有以下特点 1 以数据库为核心 对包括工程 模型 算法 数据和多媒体对象等各种仿真资 源进行统一资源管理 2 能支持多种仿真模型计算和多种应用问题求解 包括对动态和静态的 连续和 离散的 结构化和随机的模型的仿真计算 使得各种工程和社会的应用问题都能在其上实现 建模 运行 分析和可视化的功能 3 支持远程数据采集与通信 可利用现场工程数据进行实时仿真计算 并将仿真 分析结果和参数返送到现场工控系统以实现对其监控和最优控制 4 支持直接运行其它仿真系统或与之进行数据交换 使仿真系统的功能进一步得 到扩展和增强 为实现这些功能和特点 我们在研究和实现方法上将一体化仿真的概念和原 理概括成五个基本框架模型 即 信息结构模型 程序结构模型 网络与通信模型 系统互 动模型 运行环境模型 并依据以上概念和模型构建开发了通用一体化仿真平台软件的原型 系统 前面三章 首先是基础知识的介绍 接下来应用电液相似原理的初步知识将液压系统理 论中的有关概念转换为电理论的概念 在本章中就要进行程序系统搭建和仿真试验 可以在 一定的输入条件下根据某些系统参数的不同来测试对系统产生的影响 同时也可以根据不同 的输入来测试模块仿真图的准确性 将仿真系统和实际系统交互 首先可以建立精确数学模 型 计算机采集数据后进行分析处理 研究高级控制算法 调整控制器参数以及建立寿命管 理 专家诊断系统 实现设备监督和诊断功能等 4 1 系统程序结构设计 4 1 系统程序结构设计 本文所设计的仿真平台的程序结构模型如图 4 1 所示 初始区的功能是 设置界面 设 置参数和变量 定义数组 设置仿真时间和步长 安排输出 配置仿真资源和生成实验框架 动态区的功能是 构建模型和模型优化 在运行中解释模型 调用算法 按实验框架执行或 终止计算 保存运行参数和计算结果数据等 该区域由内部过程和函数 外部函数 控件和 外部可执行程序组成 仿真平台系统的大部分算法和用