malabsimulink环境下的液压动态仿真模型

malabsimulink环境下的液压动态仿真模型

目前，实现负载耦合图的动态模拟通常基于负载映射图来驱动状态方程，然后通过状态方程进行数字模拟。然而，对于复杂的系统来说，参数很多，并且创建的形状比较复杂，并且容易丢失。基于此，nb-simulik工具可以直接将功能键图转换为控制领域的块图，无需人工筛选。本文以直动式溢流阀为例,运用两种方法即功率键合图推导状态方程以及通过功率键合图运用Matlab/Simulink工具箱直接转化为方块图仿真进行对比,来说明后一种方法在液压动态特性仿真中应用的可行性及简捷性。1溢流阀动态过程图1是直动式溢流阀调压系统液压原理图。定量泵输出的压力油经二位二通电磁阀供给系统,可调节流阀模拟系统中的负载,管道中有一段软管。当电磁阀处于不通电的图示位置及节流阀的阀口开度较大时,整个系统的液流阻力不大,油泵压力未达到溢流阀的调节压力,溢流阀关闭,油泵供油压力全部经负载流回油箱,当电磁阀关闭时,油泵供油压力将迅速升高,使溢流阀打开溢流。本文所研究的动态过程是直动式溢流阀由原关闭状态到打开溢流直至系统达到新的静平衡状态的瞬态响应过程。图2为直动式溢流阀的结构简图。1.1功率流回油对于一个液压系统,分析其功率流程一般是从油源开始,然后沿着各个功率流分支,一直到这些功率流用来克服负载及流回油箱。根据功率键合图绘制方法,该系统的功率键合图如图3所示。1.2系统的状态方程该系统由容性作用元C元两个,即C管和C弹,其功率键上的自变量分别为流量q2和流速v11;I元一个即I阀,其功率键上的自变量为力F12。取q2、v11和F12对时间的积分,即液体体积V2、阀芯位移x11和动量p12为状态变量。系统的状态方程为:{˙p12=-A2R孔Ι阀p12-1C弹x11+AC管V2-Se˙x11=1Ι阀p12˙V2=-AΙ阀p12-(1R泄+1R节)1C管V2+Sf(当x11≤x1)˙V2=-AΙ阀p12-(1R泄+1R节)1C管V2+Sf-Cdπd√2ρC管(x11-x1)√V2(当x11>x1)(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪p˙12=−A2R孔I阀p12−1C弹x11+AC管V2−Sex˙11=1I阀p12V˙2=−AI阀p12−(1R泄+1R节)1C管V2+Sf(当x11≤x1)V˙2=−AI阀p12−(1R泄+1R节)1C管V2+Sf−Cdπd2ρC管−−−√(x11−x1)V2−−−√(当x11>x1)(1)2算法的仿真建立方块图通过以上对直动式溢流阀调压系统动态特性的分析,运用两种方法即通过状态方程,采用四阶龙格-库塔法对系统进行仿真和根据功率键合图与方块图的对应关系,直接在Matlab/Simulink环境下建立方块图对系统进行仿真。仿真参数见表1。本例中求换向阀切断油路后系统的动态特性,可认为R节=∞。2.1行数字仿真时要考虑的问题在建立系统功率键合图的时候,忽略了当阀芯位移为0时阀体端面给予阀芯的支反力。因此在进行数字仿真时要考虑这一点。约束方程为:x11=0(当x11<0时)(2)˙x11=0x˙11=0(当x11=0且˙x11<0x˙11<0时)(3)˙p12=0p˙12=0(当x11=0且˙p12<0时)(4)2.2模拟结果根据状态方程,采用定步长四阶龙格-库塔法编程计算,取溢流阀的进口压力初始值为0.6MPa,仿真结果如图4所示。3将功率组合图转换为块图根据表2所示的功率键合图与方块图的对应关系,将功率键合图直接转化为方块图,从而省去状态方程的推导。方块图如图5所示。3.1模型的转化和主要参数Simulink是一个用来对系统进行建模、仿真和分析的软件包,它提供了输出(sinks)、输入(source)、非线性环节(nonlinear)、连续(continuoucal)、离散(discrete)还有自定义函数运算等模块。根据图5所示的方块图转化为Matlab/Simulink仿真模型,在转化时应注意以下3点:(1)对于方程中的非线性问题,例如阀的液阻,可应用Simulink提供的自定义函数模块(MATLABFcn)对非线性进行描述,并将其嵌入到Simulink仿真中从而解决液压元件的非线性因素。在解决约束方程(3)和(4)时,也可采用同样的方法来解决。(2)阀芯位移约束,通过调节积分模块的参数来实现。使积分初始值和最小值设为0。这样就满足了上述约束对位移的要求。(3)当遇到复杂系统的时候,可采用Simulink自定义子模块功能,或者根据控制理论将方块图进行简化,这样就减少了模型的复杂性,增加了可读性。Simulink仿真曲线如图7所示,从图4和图7对比可看到两曲线几乎完全重合。瞬态响应压力峰值约达5.5MPa,阀芯最大位移量达2.2mm。压力稳定值约为3.0MPa,即溢流阀的调定压力值,阀芯位移的稳定值约为1.6mm,即阀芯开口量约稳定在0.2mm。过渡时间约为0.07s。4可行性和精度(1)运用两种方法进行仿真,结果对比完全一致,说明将功率键合图直接转化为方块图