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1、上海海事大学本科生毕业设计（论文）一、 引 言我国60年代开始研究地下连续墙施工技术，70年代初研制了国内第一台导杆式液压抓斗，并用于上海地铁试验段漕宝路矩形隧道工程，取得了成功。地下连续墙的液压抓斗纠偏控制系统的动态特性是有效保证槽段几何尺寸和垂直度的关键。因此分析液压抓斗纠偏控制系统的动态特性显得尤为重要。功率键合图是分析复杂系统的很有效的方法。MATLAB可以对系统进行数值仿真以分析系统的机械特性。因此采用基于功率键合图以及MATLAB数值仿真可很好的分析该系统的动态性能。从而保证液压抓斗纠偏控制系统的试验性、操作性以及合理性。（一） 工程背景 地下连续墙开挖技术起源于欧洲。它是根据打井
2、和石油钻井使用泥浆和水下浇注混凝土的方法而发展起来的，1950年在意大利米兰首先采用了护壁泥浆地下连续墙施工，20世纪5060年代该项技术在西方发达国家及前苏联得到推广，成为地下工程和深基础施工中有效的技术。1958年，我国水电部门首先在青岛丹子口水库用此技术修建了水坝防渗墙，到目前为止，全国绝大多数省份都先后应用了此项技术，估计已建成地下连续墙120万140万平方米。地下连续墙的主要施工机械为液压抓斗。液压抓斗有以下优点：分槽段施工，速度快，槽幅平面长度一般在387.2米，液压抓斗挖土效率高，一幅6米宽，25米深的普通地下连续墙施工可在24小时内完成。成槽垂直精度高：液压抓斗上设有倾斜仪和纠
3、偏液压推板，随时调控成槽垂直度。适应性强：能适应各种平面多边形的地下连续墙围护结构，能与导墙成90，60，45等多种角度开挖(必要时还能骑导墙开挖)。对周围环境影响小：作业噪声小、无振动、无污染。能接近构筑物施工，对周围建筑物、道路交通、地下管线的影响小。液压抓斗适用于地铁车站、地下厂房、地下车库、地下街、地下变电站、高层建筑地下室等深基坑工程及围护结构，尤其适用于在城市密集建筑群区域中进行深基坑施工。还可用于防渗墙和构筑地下深基础施工。本抓斗适应于在N40的粘性土、砂性土及其他土层中挖掘成槽。目前施工的地下连续墙最大挖掘深度为42米，宽度为60120厘米。连续墙液压抓斗的基本施工方式是在拟建
4、地下连续墙的地面上，先构筑导墙，液压抓斗沿导墙壁挖土，并以倾斜仪测定抓斗的垂直度然后通过操作液压纠偏控制系统调整液压抓斗的垂直状况，以控制成槽精度。在挖槽同时用泥浆护壁，防止壁面土体坍落。在成槽结束后，通过扫孔清孔工序，清除槽底浮土，提高墙体承载力。最后放入钢筋笼，进行水底混凝土浇筑。在施工开挖过程中抓斗往往会出现“吃软不吃硬”的现象，从而对纠偏装置提出了更高的要求。抓斗的纠偏装置在保证墙体的垂直度方面至关重要，而保证墙体的垂直度一直是地下连续墙施工过程中的一个技术难题。抓斗体内具有倾角传感器以及液压纠偏装置，可以检测并及时调整抓斗体的垂直度及旋转角度从而保证良好的成槽性。当倾角超出允许值时，
5、倾角传感器将信息发送至处理器进行处理，由处理器发出纠偏信号到横向、纵向2组液压缸，调整抓斗状态。从而有效保证墙体的垂直度。那么液压纠偏系统的动态性能就显得尤为重要，因此无论在设计、使用还是维修时都需要保证液压纠偏控制系统的动态性能良好。基于这个目的，本文就液压纠偏系统的动态特性就行数值仿真很分析。（二） 液压抓斗纠偏系统分析及简化1. 液压抓斗纠偏系统工作原理抓斗X轴方向（X轴方向如图1.1所示）纠偏液压系统如图1.2所示。液压抓斗是由内框和外框两大部分组成，在纠偏时是内框相对外框转动，在该图所示位置时，液压抓斗处于正常状态。槽宽方向X轴方向图1.1当纠偏系统油路处于图1.3所示位置时，若抓斗
6、需要向后纠偏，则应使图中左侧油缸缩回，此时三位阀（切换阀）、二位阀（纠偏阀）同时置为左位，这时由于右侧油缸处于行程的终点，因此虽然右侧油缸有杆腔虽然接到高压油，但不会发生动作。该状态下将抓斗内框回复中位时，则将三位阀处右位，二位阀处右位，此时左侧油缸无杆腔得油伸出，右侧油缸有杆腔接高压油，但由于其活塞处于行程终点。 3 2 11三位四通电磁阀，2二位四通电磁阀，3背靠背液压缸图1.2 抓斗X轴方向纠偏液压系统简图当抓斗内框处于中位需向后方纠偏，则需要将三位阀置于右位，二位阀置于左位。此时右侧油缸无杆腔接高压油使活塞伸出，而左侧油缸无杆腔也接高压油，但此时它已经处于行程的终点，不会产生动作。此时
7、若需要将内框回复中位时，则将三位阀置于右位，二位阀同样置于右位，此时，右侧油缸有杆腔接高压油而缩回，左侧油缸无杆腔同样接高压油，但由于活塞已经运动到行程终点，不会发生动作。纠偏液压系统如图1.2所示（仅考虑内框相对外框转动的纠偏油路，系统处于图1.3所示状态时，抓斗内框处于中位，即0位置）：2. 液压抓斗纠偏系统的简化（1）液压抓斗向后纠偏及复位当纠偏油路处于图2位置时，若将内框往向后偏转，则应使图1.3中左侧油缸缩回，因此应将三位阀、二位阀同时置为左位，如图1.4.1所示。此时由于右侧油缸处于行程的终点，因此虽然右侧油缸有杆腔虽然接到高压油，但不会发生动作，因此可将图1.3所示的油路进行简化
8、，如图1.4.2所示。图1.3纠偏液压右路图向后向三位阀左位，二位阀左位右侧油缸不起作用，简化为图1.4.1 0向后转动图1.4.2 简 图1.4此时若内框到达指定位置，则三位阀回复中位，纠偏油缸在两个双向液压锁的锁定下，保持位置不变，即抓斗内框与外框的位置不变。若此时需将内框回复中位，则将三位阀处右位，二位阀处右位，此时左侧油缸无杆腔得油伸出，右侧油缸有杆腔得油，在压力没作用下，保持原来位置不变，如图1.5.1所示。此时右侧油缸有杆腔接高压油，但由于其活塞处于行程终点，不会发生移动，因此可简化如图1.5.2所示。复位时三位阀右位，二位阀右位右侧油缸不起作用，简化为图1.5.1复位 图1.5.
9、2 简图1.53. 以向后纠偏状态为例分析系统动态特性。即当纠偏油路处于图1.3位置时，若将内框往后偏转，则应使图1.3中左侧油缸缩回，因此应将三位阀、二位阀同时置为左位，如图1.4.1所示。此时由于右侧油缸处于行程的终点，因此虽然右侧油缸有杆腔虽然接到高压油，但不会发生动作，因此可将图2所示的油路进行简化，如图1.4.2所示。（三） 液压控制系统动态特性分析的意义及思路本研究中的液压纠偏系统控制回路在工作时，由于外部载荷及运动状态的不同，将会有截然不同的工作状态，包括：液压抓斗向后的纠偏及复位；液压抓斗向前的纠偏及复位。现以向后的纠偏为例，为了得出整个系统的动态特性，需对系统建立动态分析模型
10、，并按不同的外部条件和运动状态求解。本文采用先建立系统的键合图模型，然后推导相应的状态方程的方法。在建立键合图模型时，需要对系统进行必要的假设和简化。一般情况下，油泵的泄漏、一般管道的分布参数效应、油缸的外泄漏均可以忽略不计。根据实际情况，针对液压缸伸出和液压缸缩进两个工况分别建立键合图模型。然后确立参数，对状态方程进行求解。最后用MATLAB进行数值仿真，得到液压系统的单位响应曲线。根据得到的相应曲线分析夜压纠偏控制系统的动态特性。二、 液压抓斗纠偏系统功率键合图的建立（一） 功率键合图概述1.功率键合图简介功率键合图法是一种系统动力学建模方法，它以图形方法来表示、描述系统动态结构，是对系统
11、进行动态数字仿真时有效的建模工具。功率键合图，简称键合图，是一种由来描述工程系统能量结构的图示表示方法。它以一种向量的形式给出了复杂系统的简练描述，极大地提高了人们对工程系统行为的洞察力。功率键合图（简称Bond Graph）是美国MIT的H.M.Paynter于年提出来的，后经D.C.Karnopp、R.C.Rosenberg、J.U.Toma、P.C.Breedveld等人的发展与完善等将其逐步发展完善和推广使用，使之成为一种可统一处理多种能量范畴工程系统的十分有效的动态建模与分析方法。目前，功率键合图方法已在机械、热力学、生理学、化学、流体、生物学、电子及磁系统等工程技术领域的动态分析与
12、控制研究中得到了广泛的应用。特别是近年来，其应用已经延伸到了农业、太阳能和核能系统。其中，有的系统是多种能量耦合的复杂系统，系统中又包含若干各种元件。系统在工作过程中，有的元件产生能量，有的元件消耗能量，有的元件使能量从一种形式转变为另一种形式，有的元件则仅传递能量。按功能缉拿感这些元件分成若干种类，将它们有机的结合起来就可以描述物理系统。功率键合图方法的核心思想是认为一个工程系统的动态过程即是其功率流在特定激励作用下重新分布与调整的过程。以一种统一的方法对系统各部分功率流的构成、转换、相互间逻辑关系及物理特征等进行描述即可实现对该系统模型的充分且完备的定义描述。这种方法为分析研究人员进行系统
13、动态特性分析和建立数学模型提供了极大的方便。一方面，它对功率流描述上的模块化结构与系统本身各部分物理结构及各种动态影响因素之间具有明确而形象的一一对应关系，便于理解其物理意义；另一方面，它与系统动态数学模型即状态方程之间由存在着其它方法无法比拟的一致性，可以根据系统的功率键合图有规律地推导出相应的数学模型。在具体表达方式上，键合图方法将各类工程系统所涉及到的多种物理参量，从功率流的角度出发，统一归纳为四种系统变量：势、流、动量和变位。同时，采用若干基本构成元素，诸如功率键、作用元、源、结点、变换器和回转器等来表征系统基本物理特征和功率转换与守恒的基本联接方式。所定义的系统变量和构成元素都具有特
14、定的物理含义并由一组专门的图形或字母符号来标识。键合图本身具有一套严密的描述变换规则，这些规则同各类典型物理特性及一些普遍定律之间具有高度的协调一致性。正因为如此，它为系统动态模型的准确定义描述及据此有规律地推导状态方程提供了一条十分有效的途径。2.功率键合图语言（1）键合图系统依据能量守恒的基本原则，由一些基本元件以一定的连接方式用规定的符号来表示，称为系统键合图。键合图是系统动态性能统一的直观图形表示。构成它的基本元件成为键合图元，键合图元间的连线代表功率的流动，成为键。（2）通口、键一个键合图元与另一个键合图元进行能量传递的地方称为通口。通口用画在键合图元旁边的一根线段表示。键合图元的通
15、口相互联结便形成键。（3）广义变量键合图理论将多种物理参量统一归纳成四种广义变量，即势变量、流变量、广义动量和广义位移。（4）一通口元件所谓一通口是指一个单独得功率通口，其通口处只存在一对势和流变量如图2.1所示。其包括：阻型元件（势变量和流变量之间存在某种静态关系的键合图元定义为阻性元件。阻性元件不但是无源键合图元，而且是耗能键合图元。）；容性元件（势变量和广义位移之间存在某种静态关系的键合图元定义为容性元件。容性元件是无源键合图。）；惯性元件（流变量与广义动量之间存在某种静态关系得键合图元定义为惯性元件。惯性元件是无源键合图元。）势源（势源是有源键合图元，它用来描述环境对系统得势的作用。）
16、；流源（流源是有源键合图元，它用来描述环境对系统流的作用）。（5）二通口元件二通口元件具有两个通口，用以与系统进行能量交换。在输入一侧通口处势和流的乘积总是等于输入一侧通口处的势和流的乘积如图2.2所示。在该意义上，它们是功率守恒键合图元。其包括：变换器（变换器用来描述系统能量传输过程中势变量对势变量、流变量之间的变换关系。变换器是一个二通口的无源键合图元）；回转器（回转器用来描述系统能量传输过程中势变量与流变量之间的变换关系。它是一个二通口无源键合图元。）（6）多通口元件共势结（0-结）：共势结用来联系系统有关物理效应中能量形式相同、数值相等的是变量。它是多通口无源结形键合图元如图2.3所示
17、。 共流结（1-结）：共流结用来联系系统有关物理效应中或构建中能量形式相同、数值相等的流变量。它是多通口无源结形键合图元如图2.4所示。 e f图2.1 一通口元件TF e1f1 e2f2图2.2 二通口元件0图2.3 共势节1图2.4 共流节（二） 功率键合图模型的建立以液压抓斗纠偏状态为例分析系统动态特性。即当纠偏油路处于图1.3位置时，若将内框往向后方偏转，则应使图1.3中左侧油缸缩回，因此应将三位阀、二位阀同时置为左位，如图1.4.1所示。此时由于右侧油缸处于行程的终点，因此虽然右侧油缸有杆腔虽然接到高压油，但不会发生动作，因此可将图2所示的油路进行简化，如图1.4.2所示。 此时液压
18、泵给定初始流量Sf，油液先经过三位阀再经由单项阀进入液压缸推动活塞带动杆缩紧运动。液压缸回油腔油液经由单项阀再经由三位阀进行回油。在建立键合图模型时，需要对系统进行必要的假设和简化。一般情况下，油泵的泄漏、一般管道的分布参数效应、油缸的外泄漏均可以忽略不计。根据实际情况，针对液压缸缩进这个工况分别建立键合图模型。1.液压系统键合图模型的建立方法和步骤：（1）对系统中每一不同的压力各建立一个共势结（0-结）。液压系统中压力的计量一搬都采用表压力，因此无需对大气压力建立一个共势结（0-结）。（2）将模拟某一容腔液容效应的容性元件同该容腔压力对应的共势结（0-结）相键接。（3）将模拟某一对共势结（0
19、-结）之间压力降的液阻效应的阻性元件键接在两个共势结（0-结）之间的共流结（1-结）上。（4）将模拟某容腔外泄漏的阻性元件同该容腔压力对应得共势结（0-结）相键接。（5）将模拟两容腔之间内泄漏的阻性元件同该两容腔压力对应得两个共势结（0-结）之间的共流节（1-结）相键接。（6）将模拟管道液感效应的惯性元件同该管道流量对应的共流节（1-结）相键接。（7）标注正确的功率流方向。在键合图上，功率流的正方向用半箭头表示。对于每一个键，都须恰当地选择功率流向的正方向，这与确定符号一样。通常按下述基本原则进行选择：将键上能流动占优势的方向定位正向。为此，键上的功率流参考方向按如下规则标注：半箭头方向由势源
20、或流源指向系统；半箭头的方向指向阻性元件、惯性元件、及容性元件；半箭头方向由势源、流源这一侧指向键合图的另一侧。（8）对键合图进行编键号。编键号的目的在于识别系统的变量和键合图元。键号一般用数字表示，从1开始连续编号（9）进一步简化键合图并标注合适的因果关系。因果关系是用画在键的一端并且与键垂直的短划线来表示，该段划线成为因果关系画线，如图2.5（a）所示。在图1-1中，A、B表示两个彼此键接的键合图元。图2.5（a）的因果划画在靠近图元B的一侧，它所表示的因果关系如图2.5（b）所示，即对于键合图元B，势是产生流的原因，流是产生势的作用的结果。对于键合图元A，则流是因，势是果。 eA B A
21、 B f图2.5（a）因果关系标注 图2.5（b）因果关系 上述因果关系的概念，对键合图的所有通口都适用。指定因果关系时应遵循如下原则：因果关系应符合键合图元的定义，否则将失去物理意义；所指定的因果关系应便于计算机运算。利用原因变量求得的结果变量应当是唯一的确定值；键合图元的因果关系应彼此协调。因果关系的标注步骤：(a)选择任一源(Se或Sf)，指定其因果关系，并按0结、1结、TF和GY因果关系的约束条件进行因果关系的扩展；(b)重复步骤(a)，直到所有Se元和Sf元都指定了因果关系；(c)选择任一储能元件(C或I元件)，优先指定其积分因果关系，并按按0结、l结、TF和GY因果关系的约束条件进
22、行因果关系的扩展；(d)重复步骤(c)，直到所有储能元件都被指定了因果关系。大多数情况，工程系统键合图将在这一步完成因果关系的指定。如果还未完成，则须按以下步骤继续进行；(e)选择任一末指定因果关系的R元件，指定其因果关系(基本上是任意的)，并按0结、l结、TF和GY因果关系的约束条件进行因果关系的扩展；(f)重复步骤(e)，直到所有R元件都指定了因果关系；(g)选择任一末指定因果关系的中间键，指定其因果关系，并利用0结、l结、TF和GY因果关系的约束条件进行因果关系的扩展；(h)重复步骤(g)，直到所有剩下的键都被指定因果关系。按照上述步骤指定工程系统键合图的因果关系时，可能会出现三种情况：
23、(a)全部储能元件都具有积分因果关系，而且在进行到第四步以后就已全部完成键合图阑果关系的标注，此时系统状态变量的数目与含积分因果关系储能元件的个数相等，那么将习以很方便地推导出系统的状态方程。(b)如果受因果关系约束条件的限制，某些储能元件被迫指定微分因果关系，则表明该低能元件的能量坐量是非独立的，与系统状态变量代数相关。这就意味着系统状态方程的报导将会出现代数环。对某些非线性系统，系统状态方程就会出现隐式微分方程。(c)在利用只元件或中间键以后(即进行了以上八个步骤以后)才完成系统键合图因果关系的指定，这就意味着系统状态方程的推导中将出现代数环问题。2.根据上述方法步骤及液压纠偏系统简化图得
24、液压纠偏系统0 a纠偏状态的功率键合图(如图2.6所示) 图2.6 液压系统功率键合图其中元件包括：容性元件：C6-液压缸有杆腔液溶 C17-液压缸无杆腔液溶惯性元件：I12-液压缸活塞运动部分的当量质量阻性元件：R2-三位四通换向阀的液阻 R4-单向阀液阻 R10-液压缸活塞与缸壁间的摩擦阻尼系数 R16-液压缸内泄露液阻 R19-单向阀液阻 R21-三位四通换向阀的液阻转换器： Ah1-液压缸活塞有杆腔端面面积 Ah2-液压缸活塞无杆腔端面面积源： Sf1-定量液压泵的理论流量 Se-液压缸通过活塞杆传入的外载荷 Sf2-回流流量三、液压抓斗纠偏系统状态方程（一）状态方程的基本形式系统在输
25、入作用下的运动状态可用一组状态变量来描述。状态变量是借以表征系统内部状态随时间变化的物理量。状态变量在某一时刻的数值决定于系统的结构、物理参数、它本身在初始时刻的数值以及从初始时刻到某一时刻内的输入作用。状态变量是独立变量。任何一个状态变量都不能是另一个状态变量的代数函数。描述状态变量随时间变化的数学表达式成为状态空间方程，简称状态方程。对于线形或非线性的连续系统，系统状态方程最基本的形式是微分方程。用微分方程来描述一个n阶系统，有以下三种不同的表达方程：以一个未知变量表示的一个n阶微分方程；以n个位置变量表示的n个一阶微分方程；以多个未知变量（小于n）表示的不同阶微分方程的组合。1.由全积分
26、因果关系键台图列写状态方程。所谓全积分因果关系键合图是指该键合图中所有储能元件都具有积分因果关系。该种情况下，系统状态变量数目与系统键合图模型中所含储能元件的个数相等。由系统键合图列写状态方程的步骤如下：（1）取I元件的广义动量户和C元件的广义位移q为状态变量。取Se元件的势和Sf元件的流作为输入变量。（2）根据键合图储能元件和阻性元件的特性方程求出其输出变量。（3）列出表达式p和q的是方程和流方程（4）将键合图储能元件及阻性元件的输出变量代人各势方程和流方程中，整理得系统状态方程 2.由含不确定因果关系键的键合图列写状态方程 按照优先积分因果关系的原则标注系统键合图的因果关系时，如果只根据势
27、源、流源及储能元件不能使因果关系完整，就意味着存在因果关系不确定的键，需任意指定其因果关系。根据该种类型的键合图列写系统的状态方程，将会碰到代数环问题，其步骤如下：（1）用积分因果关系I元件的广义动量、C元件的广义位移作状态变量，势源的势和流源的流作输入变量。（2）列出各积分因果关系储能键合图元件及各阻性元件的输出变量表达式。（3）以具有不确定因果关系的键所对应的势变量或流变量作为中间变量，联解有耦合关系的表达式，求出积分因果关系储能键合图元件及各阻性元件的输出变量。（4）列出表达p和q的势方程和流方程。（5）将所求得的积分因果关系储能键台图元件的输出变量以及各阻性元件的输出变量代人各势方程和
28、流方程，整理得系统状态方程。3.由具有微分因果关系键合图列写状态方程 按照优先积分因果关系的原则进行键合图因果关系的标注时，有时系统键合图部分储能元件具有微分因果关系。在该种情况下，系统状态变量的个数等于具有积分因果关系储能元件的个数。而对应义有微分因果关系储能元件的能量变量，依赖于系统的状态变量，为非独立变量。由该种类型的键合图列写系统的状态方程时，也将会遇到代数环问题，有时甚至相当复杂。其列写状态方程的具体步骤如下：（1）以积分因果关系储能元件的广义动量和广义位移作为状态变量。以势源的势和流源的流作为输入变量。（2）求积分因果关系储能键合图元件以及阻性元件的输出变量。（3）用有关状态变量表
29、达微分因果关系储能键合图元件的广义动量或广义位移，将所得的表达式对时间求一阶导数。（4）列出表达具有积分因果关系储能元件的p和q的势方程和流方程。（5）将步骤2和3所求得的结果代人各势方程和流方程中，整理得系统的状态方程。（二）根据功率键合图列写液压抓斗纠偏系统状态方程及输出方程1.根据功率键合图（见图2.6）列出各节点p和q的关系式 第一个共流节（1-结）： ；第二个共流节（1-结）： ；第三个共势节（0-结）： ；转化器： ；第四个共流节（1-结）： ；第五个共流节（1-结）：第六个共势节（0-结）： ； 第七个共流节（1-结）： ；第八个共流节（1-结）： ；2.由键合图建立系统的状态方
30、程，首先确定状态变量。根据键合图理论，取容性元件和惯性元件上自变量的积分作为状态变量。对于容性元件C有，其中，V为广义体积，f为流变量，t为时间；对于惯性元件I有,其中P为广义动量,e为势变量。状态方程的输入变量为系统的各个流源Sf和势源Se。由图3可知，容性元件和惯性元件上的自变量共有3个，分别是q6、F12、q17，它们的积分就是3个状态变量，即V6、P12、V17。所以有 （3-1）又因为 所以有 （3-2）因为 所以有 （3-3）又因为 所以有 （3-4）又因为 所以又因为 所以又因为所以有 （3-5）综上所诉得到工况状态方程 （3-6）以液压缸有杠腔工作压强、无杠腔工作压强及活塞杆运
31、动速度为输出得输出方程有杠腔工作压强 （3-7）无杠腔工作压强 （3-8）活塞杆运动速度 （3-9）四、 基于MATLAB的系统动态仿真MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应
32、用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB主要包括5个主
33、要部分：开发环境；MATLAB数学函数库；MATLAB语言；图形功能；应用程序接口（API）。（一）MATLAB语言特点MATLAB以复数矩阵为最基本的运算单元，既可以对它整体地进行处理，也可以对它的某个或某些元素进行单独地处理。在MATLAB中，数据的存储/输入/输出都是以矩阵为基础的，矩阵和其他变量不需要预先定义。MATLAB语言最基本的复制语句结构为：变量名利表=表达式 其中等号左边的变量名列表为MATLAB语句的返回值，等号右边的是表达式的定义，它可以是MATLAB允许的矩阵运算、也可以包含MATLAB下的函数调用。等号右边的表达式可以由分号结束，也可以由逗号或换行结束，但他们的含义是
34、不同的。如果用分号结束，则左边的变量结果将不再屏幕上显示出来，否则将把左边返回矩阵的内容全部显示出来。MATLAB的函数名定义几乎与数学描述一样，接近书写计算公式的思维方式，如min(),max()。它的基本命令包括：数学函数、矩阵、数值方法、绘图、字符串、文件I/O等百条。它的扩充工具箱包括：控制系统、信号处理、神经网络、系统辨识、数据统计、高等数学方法，甚至数理逻辑、通信等。（二）利用MATLAB进行数值仿真1.参数的确定根据系统中具体的液压元件和外部载荷的情况，可以确定工况状态方程中各系数的值，并在此基础上对状态方程进行求解，在此基础上用MATI AB对系统进行数值仿真从而分析整个系统的
35、动态性能及各参数变化对系统性能的影响。系统中液压泵的流量为30L/min。根据具体结构，该液压控制回路中各相关参数的取值如下： ； ； ； ； ； ； ； ； ； ；将参数带入工况状态方程（3-6）及输出方程（3-7）（3-8）（3-9）得： （4-1）有杆腔工作压力 （4-2）无杆腔工作压力 （4-3）活塞杆运动速度 （4-5）2.状态空间方程的一般形式以传递函数为基础的经典控制理论的数学模型适应当时手工计算的局限，着眼于系统的外部联系，重点为单输入单输出的线性定常系统。伴随计算机的发展，以状态空间理论为基础的现代控制理论的数学模型采用状态空间方程，以时域分析为主，着眼于系统的状态及其内部联
36、系。所谓状态方程是由系统状态变量构成的一阶微分方程组；状态变量是足以完全表征系统运动状态的最小个数的一组变量。状态变量相互独立但不唯一。状态空间方程可表示成 （4-6）式中， n维状态矢量； n*n维系统状态系数矩阵； r维控制矢量； n*r维系统控制系数矩阵； m维输出矢量； m*n维输出状态系数矩阵； m*r维输出控制系数矩阵。3.纠偏液压控制系统状态空间方程4.编写MATLAB源程序（1）有杆腔压力A=-8.333,-0.0006035,11.111;9053000000,-833.33,-20450000000;8.333,0.001023,-278.056;B=0.0005;-200
37、00;0;C=1250000000000,0,0;D=zeros(1,1);sys=ss(A,B,C,D);step(sys);（2）无杆腔压力A=-8.333,-0.0006035,11.111;9053000000,-833.33,-20450000000;8.333,0.001023,-278.056;B=0.0005;-20000;0;C=0,0,1666666666667;D=zeros(1,1);sys=ss(A,B,C,D);step(sys);（3）活塞杆运动速度A=-8.333,-0.0006035,11.111;9053000000,-833.33,-20450000000
38、;8.333,0.001023,-278.056;B=0.0005;-20000;0;C=0,0.083,0;D=zeros(1,1);sys=ss(A,B,C,D);step(sys);5液压系统输出响应曲线（1）有杆腔压力输出响应曲线如图4.1所示图4.1有杆腔压力输出响应曲线（2）无杆腔压力输出响应曲线如图4.2所示图4.2 无杆腔压力输出响应曲线（3）活塞杆运动速度输出响应曲线如图4.3所示图4.3活塞杆运动速度输出响应曲线（三）由仿真结果分析系统的动态特性 由仿真结果可以看出，液压缸有杆腔的工作压力远远大于无杆腔的工作压力，这符合液压纠偏系统向后纠偏状态时的特点，液压缸负重缩紧，有杆
39、腔工作压力比较大，而回油压力较小。有杆腔工作压力与有杆腔面积的乘积，减去无杆腔压工作力与无杆腔面积的乘积，等于外部负载的数值。当改变负载数值，有杆腔的压力和系统稳定时间有明显变化，无杆腔压力变化不明显。说明系统对负载变没很敏感。因此在实际操作中应严格限制负载大小，严谨超载现象。 液压缸有杆腔压力和无杆腔压力均在0.07秒达到稳定状态，整个系统在短时间内到达稳定状态这说明了该液压纠偏控制系统有控制的快速响应性，整个系统最后趋于稳定同时也说明了该液压纠偏控制系统具有稳定性，系统各输出合理说明了该液压纠偏控制系统具有准确性。因此该液压纠偏系统具有良好的动态性能。液压纠偏系统具有良好的动态性能从而保证
40、了整个液压抓斗的垂直度。五、总 结液压抓斗纠偏控制系统是地下连续墙施工过程中一个非常重要的系统，它直接影响到倾斜仪测定抓斗的垂直度液压抓斗的垂直状况，控制成槽精度，使其协调动作，就可以实现对液压抓斗垂直精度控制。因此，对液压纠偏控制系统的动态性能进行研究，了解其特点，成为实现对液压抓斗合理控制的基础。 在分析抓斗液压纠偏控制系统的结构、功能和工作原理的基础上，利用功率流，对液压控制回路建立键合图模型。取液压缸有杆腔工作压力，液压缸无杆腔工作压力 ，液压缸活塞运动部分速度导出输出方程，液压缸无杆腔油压变化需要补充的液压油体积和有杆腔油压变化需要补充的液压油体积，液压缸活塞运动部分动量为状态变量推
41、导出状态方程，从而得到整个回路的动态模型。 通过应用MATLAB对模型求解，实现对液压推进系统的数值仿真，从而得到系统输出响应曲线，为分析液压系统的动态特性提供了有利依据。还可以通过改变某些参数值，研究系统对参数变化的响应，从而为系统设计、优化及控制提供依据。参考文献1 王中双.键合图理论及其在系统动力学中的应用.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000(3).2 潘亚东.键合图概论.重庆:重庆大学出版社,1990(1).3 楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计.西安: 西安电子科技大学出版,1998(9).4 求是科技.MATLAB 7.0从入门到精髓.北京: 人民邮电出版社,2006(3
42、).5 颜荣庆，李白光，朱福民，等现代工程机械液压系统分析北京：人民交通出版社，19986 德兰斯菲尔德P液压控制系统的设计与动态分析北京：科学出版社，19877 谢英俊，陈鹰，徐立，等160t汽车起重机回转液雎系统的动态仿真系统仿真学报，1998，10(3):14-17.8 朱福民,郑惠强.边坡压实机振动液压控制回路及其动态模型.中国机械程,2004,15(5):387-390.9 于睿坤,李万莉,周奇才.盾构掘进机液压推进系统分析与建模.上海:同济大学机械电子研究所,2009(2)10 于睿坤,李万莉,周奇才. 工程起重机伸缩臂控制回路动态模型与仿真.上海: 同济大学,2009(2)11 杨达飞. 轮式装载车液压控制系统模型建立与仿真. 柳州职业技术学院学报,2008(2).附录资料：不需要的可以自行删除各类滤波器的MATLAB程序