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1、http:/ 基于功率键合图和基于功率键合图和 SIMULINK 的的 液压系统建模与仿真液压系统建模与仿真 李胜 上海时代航运有限公司，上海(200120)E-mail： 摘摘 要：要：本文利用功率键合图对阀控马达系统进行建模，并结合 MATLAB 中的 SUMULINK对所建模型进行了动态仿真，结果表明，该系统具有良好的动态特性,从而为系统的选型及优化提供参考。关键词：关键词：功率键合图；液压系统；仿真 中图分类号：中图分类号：TH243 1引言引言 液压系统的动态特性是组成它的各元件动态特性的综合，且这些元件的动态特性还相互影响、相互制约。液压系统动态特性影响因素多，关系复杂且系统本身包
2、含许多非线性因素，甚至为本质非线性因素1。对液压系统的动态特性研究有多种方法，如传递函数法和状态变量分析法等，本文利用键合图理论并结合SIMULINK对某阀控马达液压系统进行建模仿真，得出了其动态特性,从而为系统的选型及优化提供参考。2液压系统工作原理液压系统工作原理 阀控马达液压系统原理如图 1 所示，该系统主要由电机、定量液压泵，三位四通比例换向阀、管路、溢流阀及单向阀等附件组成。工作时，通过调节比例换向阀的阀芯开度来调节马达的转速，从而控制负载的转速。G125310176428119 图 1 阀控马达液压系统原理图 1-油箱 2-液压泵 3-联轴节 4-柴油机 5-液位计 6-溢流阀 7
3、-压力表 8-液压马达 9-三位四通电磁比例换向阀 10-液压管路 11-滤器 12-单向阀 3 基于功率键合图的液压系统模型的建立基于功率键合图的液压系统模型的建立 3.1 功率键合图简介功率键合图简介1功率键合图法是建立动力学系统数学模型既简便又简明的方法。键合图是用图形方式来描述系统中各个元件间的相互关系。它能反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，还可以表示出与系统动态特性有关的信息。键合图中规定的各种变量一般都是有物理意一的变量。利用有关变量的因果关系，就可很方便的由键合图直接列写出适合仿真的状态方程。由-1-http:/ 于键合图符号是一种广义的网络符号，因此，可以用它们来模拟许
4、多类型的物理系统，如机械和电气系统等，特别是在液压系统领域的动态特性分析研究中得到了广泛的应用。3.2 系统模型的建立系统模型的建立 在绘制系统的功率键合图前，我们先做如下假设：1)忽略液压泵的惯性及泵的摩擦；2)液压泵的驱动速度是恒定值；3)液压管道较短，其液阻忽略不计；4)泵和溢流阀之间管道的液容合并为；pC5)液压阀和马达之间管道的液容分别合并为和；yCzC6)液压管路液流保持连续，因此没有气穴；7)假设滤器正常工作，无脏堵。在以上假设的前提下，参照功率键合图的相关文献3，绘制出图 1 所示液压系统的功率键合图如图 2 所示。键合图中，为柴油机输入的恒定角速度；为液压泵每转排量；为液压泵
5、输出流量；T为液压泵的输入转矩；为液压泵的泄漏流量；为溢流阀的溢油量；为液压泵的输出压力；为液压泵的液容；wSpVpSQlpQrQpPpCsyQ为阀的输入流量；syP为四通阀的压降；为阀Y口输出的压力；SY口到 口yPyC为四通阀Y口到马达之间的液容；yQ是由液容造成的流量损失；为液压马达每转排量；yCaVJW为液压马达的输出转速；为马达的输出摩擦损失；jTjI负载的转动惯量；yC为马达到四通阀Z口的液容；为马达的泄漏；laQzP为四通阀Z口的输入压力；为阀zeQZ口的输出流量；为返回油箱的流量；为油箱的压力。eQeSP图 2 阀控马达系统的功率键合图 3.3 功率状态方程功率状态方程 供 给
6、 源：常量 (1)wpS=被驱动负载惯量jI：()01jJjjWT dtWI=+(2)C 元：泵的输出压力：()10pppPQ dtPC=+p (3)四通阀 Y 口输出压力：()10yyyyPQ dtPC=+(4)-2-http:/ 四通阀 Z 口输入压力：()10zzzPQ dtPC=+z(5)液压泵泄漏量：1lpplpQPR=(6)马达泄漏量：()1layzlaQPR=P(7)R 元：溢流阀rR：0rQ=pPP调 (8)()pPP调r1=R (9)pPP调滤器R压力降：(10)=负载转矩损失：(11)=Rsy元：Q （）(12)0sy=0vX=()12syvsyKXP=()vvXXW为正且
7、(13)12sysyK W P=()vXW (14)Rsz元：（）(15)0Qze=0vX=()12zevzeKXP()vvXXW为正且(16)12zezeK W P()vXW(17)功率转换器：液压泵输入转矩：TV(18)pppP=PyP=W=j液压泵理论输油量：(19)pPWSQV S=液压马达转矩：TV(20)aa马达输入流量：QV(21)ayaj (22)azazTV P=(23)zaQV W=液压泵 0 结点：PPlpQSQQQ=r(24)四通阀 1 结点：sypPPP=y ye(25)四通阀 0 结点：(26)ysyyalaQQQQQ=液压马达 1 结点:yzyPPP=z zTT=
8、la(27)负载 1 结点：TT(28)jaaPZ 0 结点：(29)zazzeQQQQ=+zeQ1 结点：(30)zezePPSP=辅加方程：(31)/ppCVB=/yyCVB=(32)/zzCVB=(33)pV液压泵每弧度排量，B 油液体积弹性模量 W四通阀通流口宽度，阀芯开度-3-http:/ vX需要确定。4 系统的动态仿真系统的动态仿真 4.1系统模型搭建系统模型搭建 通过已建立的功率键合图和功率状态方程，利用MATLAB/SIMULINK3进行系统模型的搭建，具体如图 3 所示。图 3 在 SIMULINK 中搭建的系统模型 4.2仿真研究仿真研究 我们以比例阀的阀芯开度为输入信号
9、，以马达输出的角速度为输出，通过输入阶跃信号来进行仿真。图 4 和图 5 分别是当输入阀的开度为 0.001m 和 0.005m 时的系统仿真曲线。通过观察相关曲线，我们可以看出，在输入阶越信后，系统输出的角速度经过一小段时间振荡后达到稳定状态，说明系统具有良好的稳定性。图 4 阀芯开度为 0.001m 时的 图 5 阀芯开度为 0.005m 时的仿真曲线 5 结论结论 利用功率键合图可以很方便地建立起阀控马达非线性液压系统的模型，并根据模型在SIMULINK 中进行仿真研究，从而进行系统的动态响应分析，为液压系统的进一步优化设计及控制算法设计等提供先验条件。-4-http:/ 2 德兰斯菲尔
10、德.液压控制系统的设计与动态分析M.大连工学院液压教研室译.北京：科学 技术出版社1987.3 3 张志涌等.精通 MATLAB6.5 版M，北京航空航天大学出版社，2003 年 3 月 The modelling and simulation of the hydraulic system based on the power bond graph&SIMULINK Li Sheng Abstract The model of the valve-controlled motor hydraulic system is estabilished by using the power bond
11、 graph，and the the dynamic simulation of the system is carried out by using the SIMULINK software，the simulation result shows that the system has a good dynamic property.Thus provides reference for type selection and optimization of hydraulic system.Keywords:power bond graph;hydraulic system;simulation-5-Shanghai Time Shipping Co.Ltd.,Shanghai(200120)参考文献参考文献 1 黄 涛 吕伟华 等.功率键合图在电液伺服仿真中的应用J，机电一体化，2000 年第 2 期