基于SimulinkSimHydraulics的液压系统仿真

1、文章编号:16720121(201006003l04EQUIPMENT基于Simulink/SimHydraulics的液压系统仿真郑洪波。孙友松(广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006摘要:SimHydraulics是基于MATLAB平台的一款液压系统仿真软件,具有建立模型简单、仿真界面友好 直观等特点,可用来对液压系统的动态过程进行模拟,实时监控任意仿真过程参数,提高仿真效率。首先介绍 了Simulink/SimHydraulics软件的功能、特点和应用;之后在MATLAB环境下运用SimHydraulics软件建立了 经改造后的QCS003B型试验台的仿真模型,分别对三种典型情

2、况进行了仿真以验证模型;最后对仿真结果 进行了分析。关键词:流体传动与控制;液压系统;SimulintdSimHydraulics;仿真中图分类号:TP27l+.31文献标识码:B1引言在MATLAB环境下进行液压系统仿真时。一般 是先用解析法求出系统的传递函数或状态方程等模 型再进行仿真。在建立模型的过程中,由于液压元件 和系统的非线性、时变性,必须对非线性环节做很多 的假设和简化。要得到准确的数学模型并不容易。传 统的仿真方法还存在建立模型过程繁琐、不直观的 缺点。随着数字仿真技术的发展。出现了多种用于液 压元件和液压系统性能分析的仿真软件,如美国 The MathWorks公司推出的Si

3、mulink平台扩展功能 SimHydraulics软件包,法国Imagino公司推出的基 于键合图的液压仿真软件AMESim等Iq。MATLAB 软件从2006版开始增加了SimHydraulies工具箱, 这是一个专门针对液压传动和控制系统的建模和仿 真工具。本文介绍了SimHydraulics工具箱的基本功 能,并通过实例进行了仿真计算和分析。2SimHydraulics简介SimHydraulies库包含了八个子库,分别是Ac eumulators、Hydraulic cylinder、Hydraulic utilities、Lo cal hydraulic resistances、b

4、w pressure blocks、Ori-flees、Pipelines、Pumps and motors、Valves,它们对应基金项目:佛山市顺德区产学研科技项目(2007CxY031收稿日期:2010-10-09作者简介:郏洪波(1970一。男。博士在读,高工.从事电液伺服系统及 其控制策略研究 液压系统的一些主要元件。SimHydraulics主要功能:液压和液压机械系统 的物理建模环境;超过75个液压和机械元器件模 型,包括泵、阀、蓄能器和管路;基本液压构造元素 库,还有基本机械和运算单元;可定制的常用液压流 体工作介质。SimHydraulics库提供了75个以上的流体和液 压机

5、械元件,包括油泵、油缸、蓄能器、液压管路和一 维机构单元等。大部分商品化元器件都可以在这里 找到对应模型。SimHydraulics能够自动从模型原理 图综合出描述系统行为特征的方程组,得到的是直 接使用Simulink的求解器求解的方程组形式,而非 采用同步仿真方法,这样液压系统模型就可完全同 其他Simulink模型部分集成在一起。使用SimHy draulies可以建立起完整的液压系统模型,建立过程 就像组建一个真实的物理系统。SimHydraulics使用 物理网络方式构建模型:每个模块对应真实的液压 元器件,诸如油泵。液压马达及控制阀等;元件模块 之间以代表动力传输管路的线条连接。这

6、样就可以穗 EQU IPMENT v;算法,并将它接入到SimHydraulics模型网络中。 SimHydraulics还提供了自定义模型和自定义流体属 性的功能,增加了仿真的灵活性121。3建立液压系统仿真模型本文采用经过改造的QCS003B型试验台作为 原型来建立仿真模型。3.1液压系统结构改造后的QCS003B型试验台节流调速部分液 压系统原理如图131所示。QCB003B型试验台可进行液压泵的特性试验、 节流调速性能试验和溢流阀静、动态特性试验。在原 来的基础上加装了位移传感器以实现液压缸的高精 度运动控制I髑。主要元件参数:液压缸内径D=40mm,活塞杆直 径d=30mm,电磁换向

7、阀、溢流阀、节流阀、调速阀额 定流量均为10L/min,额定压力6.3MPa,液压泵排量 6mL/r,额定压力6.3MPa。连接管路为铜管。通过计 算得出液压缸无杆腔有效面积A=12.56cm2,有杆腔 有效面积B=5.5cm2。3.2建立仿真模型打开MATLAB/Simulink/Simscape/simhydraulics。5图l QCS003B型液压试验台调速部分原理图1.液压泵2.溢流阀3.电磁换向阀4.调速阀5.液压缸 6、7、8.调速阀9.位移传感器IO.电动机11.滤油器建立一个新的model文件,可以把需要的元件模型 直接拖入文件中构建系统模型。图2是根据液压系 统原理图搭建的

8、仿真模型。双击元件模型可以打开 block parameters设置元件参数。液压泵的排量为每 转6mL。给定速度188rad/s,P、T分别是出油端和进 油端,S是传动轴,需要接一个泵驱动器,本文的 pumpdrive是根据MATLAB里边的示例构建的。 Hydraulic Fluid模块给定液压油的类型,默认是图2液压试验台仿真模型 一23。 中Skydrol LD一4。Solver Configuration为求解器,一般 按默认参数即可。Signal Builder给定液压缸的运动曲线,通过与位移传感器反馈的信号比较,控制电磁 换向阀的动作从而控制液压缸的运动。液压缸的位 移通过一个理

9、想位移传感器(Ideal TranslationalMo-tion Sensor测定,并与给定曲线比较后送入电磁换 向阀控制电磁换向阀的动作。Speed control valve是 调速阀,其内部结构如图3。在液压缸活塞杆一端加 了一个Translational Spring,其spring rate初始设为 5000N/m,目的是给液压缸加一个线性负载。可以通 过FS(ideal Forse sensor观察液压缸受力情况。在 液压泵和溢流阀的出口端分别加一个理想流量传感 器(Ideal Hydraulic FlowRate Sensor,用来观察系 统总流量和溢流阀溢流的流量。在溢流阀的

10、进口端 加一个理想液压传感器(Ideal Hydraulic Pressure St-nsor.观察溢流阀进口端的压力。0.2l o15蠢 o.1趔0.05O-o.05EQUlPMENT 弋-/./ /-弋. /00.5l 1.522.533.54 T/s图4给定位移曲线Om,Pressure Relief Valve开启压力设为5MPa,Speed Control Valve关闭,仿真结果如图5所示。4.1.2进口调速阀调速。节流阀Variable Orifice、Variable Orifiee l、 Variable Orifice2初始开口分别为0.005m、0m、0m, 调速阀初始开

11、口为0.001nl,Pressure Relief Valve开 启压力设为5MPa,仿真结果如图6。4.1.3出口节流阀调速。三个节流阀Variable Orifice、Variable Orificel、 Variable Orifice2初始开口分别设为0.001m、 0.005m、0m,Pressure Relief Valve开启压力设为 5MPa,Speed Control Valve关闭,仿真结果如图7所示。4.2仿真结果分析给定位移曲线模拟的是液压缸正常工作时的情 况,液压缸的速度为前进0.1m/s,后退0.2m/s。在厂。i, ; J i H J i 匡薹萋鎏霉搴耋羔|xlf

12、l_】 b 。豢:烈:誊:嘲童 越 期 蠢 迥昌 涮 嗤0.120.10.080.06o.04O.02Ogs(a液压缸速度的阶跃响应×10400.511.522.533.54 tfB(b液压缸位移和误差图64.1.2仿真结果流阀调速速度的波动要比进口节流阀调速大一些。 这也是符合实际情况的。从4.1.1的仿真结果(图 5c还可看到溢流阀进口端压力的变化和溢流的情 况,液压泵流量始终稳定在1.35×10"4m3/s,溢流阀溢 流量则变化较大,0.2s2.2s时间段溢流量很小,约为 0.1×103/s(溢流量=液压泵流量一液压缸进油量。 2.5s3.5s时间

13、段有部分溢流,约为0.25×10-4m3/s,其 他时间段液压缸停止运动,几乎全部溢流了。5结论采用Simhydraulics平台建立了QCS003B型试 验台的仿真模型并进行了仿真。通过仿真结果看出, 采用SimHydraulics建立的液压系统仿真模型可以 用来对液压系统的动态过程进行模拟,可实时监控 任意仿真过程参数。其模块化的建模方式和友好直 观的仿真界面,把人们从繁琐的编程、计算中解脱出 来,提高了仿真效率。董趟馏O.12O.10.080JD60.040JD2OE0.2萤叫糊咄Ol一l一2t/s(a液压缸速度的阶跃响应x】O_; i 一i L -t ; 广_I I rI 1

14、 00.5l I.522.533.54以(b液压缸位移和误差图74.1.3仿真结果【参考文献】【1】刘勋,刘玉,李新有.基于Simhydraulics软件的电液伺服系 统仿真分析.机床与液压。2009,(10:236-240.【2】￥imHydraulies User8Guide.The mathworks TM2008.【3】中央电大液压传动辅导教材>编写组.液压传动辅导教材. 199160228.f4】4仝超,乔礼惠.液压伺服油压机高精控制的实现.锻压装备与制 造技术.20lO,45(1:5960.【5】周丽丽,赵新天,迟志波.汽车纵梁数控生产线的检测装置.锻压 装备与制造技术。20

15、10,45(1:61-63.Simulation of Hydraulic System based on Simulink/SimHydraulics ZHENG Hongbo,SUN Yousong吣眦叭o 基于Simulink/SimHydraulics的液压系统仿真作者:郑洪波 , 孙友松 , ZHENG Hongbo, SUN Yousong作者单位:广东工业大学,材料与能源学院,广东,广州,510006刊名:锻压装备与制造技术英文刊名:CHINA METALFORMING EQUIPMENT & MANUFACTURING TECHNOLOGY年,卷(期:2010,45(6参考文献(10条1. 周丽丽;赵新天;迟志波 汽车纵梁数控生产线的检测装置 期刊论文-锻压装备与制造技术 2010(012. 刘勋 . 刘玉 . 李新有 基于Simhydraulics软件的电液伺服系统仿真分析 2009(103. 仝超;乔礼惠 液压伺服油压机高精控制的实现 期刊论文-锻压装备与制造技术 2010(014. SimHydraulics User's Guide.The mathworks TM20085. 中央电大液压传