基于Simulink的液压油缸爬行仿真.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 4 0 5 0 0 4 8 0 3 基 于 S i mu l i n k的 液 压 油 缸 爬 行 仿 真 葛 旭 峰 。汤 炳 新 河海 大学 常州校 区 机 电学院 ， 江 苏 常 州 2 1 3 0 2 2 摘 要 爬行 现象广 泛 存在 于低 速液压 系统 中 ， 严 重影响 系 统 的精 度 与控制 。本 文建 立 了横 向液 压油 缸低 速 运 动 下滞 滑现 象 的动 力 学模 型 ， 并 针对 此 数 学模 型搭建 了 S i mu l i n k仿 真模 型。仿 真模 型 中运 用 了基本 的 摩 擦 模 型 ， 成 功 模 拟 了 液 压 缸 的爬 行 现 象 。 关键词 液压技 术 ； 爬行 ； 液 压油缸 ； S i mu l i n k ； 摩擦模 型 中 图分 类 号 T P 3 9 1 ． 9 文 献 标 识 码 B 1 引 言 液压缸 是实现 直线往复 运动 的执行元 件 ， 它 能将 液体 的液 压能 转换 为机 械能 『 1 _ 。在液压 系 统 中 ， 当液 压缸处于低速运动状态 时 ， 经常会 出现滞滑现象 s t i c k di p ， 这是 一 种短暂 “ 卡 阻 ” 和“ 失 压 ” 前 冲现象 圄， 这 种现 象 十分普 遍且 复杂 ，关 于液 压爬 行 的机 理 已有 很 多 研 究 ， 液 压 缸 爬 行 的 原 因有 很 多 ， 大 致 可 以归 纳 为机 械 原 因 、 液 压原 因 、 润 滑原 因 、 混 进空 气等 _3 J 。 2理 论 分 析 2 ． 1动力 学分 析 为 了方 便研 究 ， 我们 把外 部影 响 因素 、 液压 油 与 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 3 作者简介 葛旭峰 1 9 9 0 一 ， 男 ， 硕士在读 ， 主攻控制与仿真 用[ J 1 ．现代制造_丁程 ， 2 0 1 1 ， 6 9 3 9 6 ． [ 2 】 王 海瑶． 工作研究在汽 车仪 表机芯装 配线 中的应用[ J 】 _ 制造技术 与机床， 2 0 1 l ， 1 1 5 0 5 3 ． [ 3 】 郭伏 ， 张 围民 ， 温婕 ．工作 研究在轿车 装配流水线 能力平 整 中的应用【 J l _ 工业 ． 亡 程 与管理 ， 2 0 0 6 ， 2 1 1 9 1 2 2 ． 活 塞 问的 复杂 受 力 关 系简 化 为 一个 弹簧 阻尼 系统 ， 这 样就 可 以把 液压 缸 简化 为如 图 1所 示 的模 型 ， 在 这个 模 型里 ， 我们认 为 液压 油是 不可 压缩 的1 4 ] 。 那 么 ， 活 塞 所 受 的 动 力 学 方 程 可 表 示 为 my k x 一 ， 十 c - f 1 式 中 为液 压油 的位移 ； y为 活 塞 的位 移 ； k为 液 压 油 的弹 性 刚 度 ； C为 阻尼 系数 i 厂为 活 塞 所 受 的 摩 擦力 。对 于 此模 型 ， 我们 做 如下 分析 ， 当液 压油 以 较 低 的恒 速运 动 时 ， 由于 摩擦 力 厂的存在 ， 活塞 不 会 运动 而 弹簧被 压缩 。 当弹簧 的推 力大 于 活 塞所 受最 ， ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ， ／ ／ ， ／ ／ ／ ／ ／ 图 1 液压 缸爬行模 型 大 静 摩 擦 力 时 ， 活 塞 开 始 运 动 ， 由 于 动 摩擦 力较 最 大静 摩 擦 力 小 ，所 以活 塞 会 做 加 速 运 动 。 [ 4 ] 树平 ， 郭伏 ．基础工业工程[ M] 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 陆汉东 ， 何卫平 ．含局部流水 的柔性作业车 间调度研究 f J J ．锻压 装 备与制造技术 ， 2 0 1 2 ， 5 9 5 9 7 ． [ 6 ] 董鹏 ， 王 铁雁 ， 江佳 ， 等 0 造业 车间作 业计 划与调 度研 究 二 【 j ] ． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 1 2， 3 1 0 2 1 0 5 ． An a l y s i s a nd i mp r o v e me nt o f t he s l i de r a s s e mb l y l i ne ba s e d o n i ndu s t r i a l e ng i ne e r i ng W U Yu e q i a n g．CHEN J i a n 当活塞 运动 一定 距离 后 ， 弹簧 的压 缩量 减小 ， 从 而使 活 塞所 受推 力减 小 ，当活塞 受到 的推 力等 于 动摩擦 力 时 ， 活塞 就会 停止 运动 。 这个 过程 在液 压油 的速 度 低 于 I 临界 速度 时会 周期 存在 。 这 里 ， 我 们 把 厂 看 成 是 扰 动 ， 那 么 可 以 对 1 式 进 行 拉 氏变换 得 到传递 函数 为 G㈥ C S I ns CS 系 统 的结 构 图 如 图 2所 示 。 图 2 系统的结构框图 2 ． 2摩擦 力 摩 擦 是 在两 个 接 触 面 间产 生 的切 向作 用 力 ， 它 普遍 存 在 于各种 系统 中 ，许 多学者 都 在研 究摩 擦 特 性 ，无 数试 验研 究 已逐渐 揭示 了摩 擦 丰 富的行 为 特 性 l5 ] ， 摩 擦 特性 可分 为静 态摩 擦特 性 、 动态 摩擦 特性 。 静 态摩 擦 特性 包 括 库伦 摩 擦 C o u l o mb f r i c t i o n 、 黏 性 摩 擦 Vi s c o u s f r i c t i o n 、 静 摩 擦 力 S t a t i c f o r c e 、 S t r i b e c k摩 擦 S t r i b e c k f r i c t i o n ； 动态 摩 擦 特 性 包 括 预滑 动位 移 P r e s l i d i n g d i s p l a c e me n t 、 可变 的静摩 擦 力 Va r y i n g s t a t i c f o r c e 、 摩 擦 滞 后 F r i c t i o n a l l a g 。 本 文 选用 如 图 3所 示 的摩擦模 型同， 该 摩 擦模 型 包 括 库 伦摩 擦 特性 、 黏 性摩 擦 特 性 、 静 摩 擦 特 性 ， 其 数学 表达 式可 以表 示 为 I F s g n v ≠0 ．户 { u t o 且 l M l 1 o t h r w i e 式 中 厂为摩擦 力 ； 为库 伦摩 擦力 ； t 为 外力 ； 为最 大 静摩擦 力 ； 为黏性 摩擦 系数 。 3模 拟 仿 真 考 虑到 实际 中 ， 图 3的两条 曲线 并不 一定 对 称 ， 也 即 第 一 象 限 的 、 、 o r 与 第 三 象 限 的 、 、 不 相 等， 则 对 应 的 S i mu l i n k摩 擦 模 型 为 图 4 ，模 型 中 用 F c n 模 块 定 义 滑 动 时 的 摩 擦 力 ， 用 S i g n模 块 获 得 输 入 速 度 的 方 向 ， 由 于 是 数 值 仿 真 ， 所 以在 该 模 型 中 定 义 了 一 个 零 速 区 间 ，当 l “12 I ≤D 时 ， 强 制 认 为 速 度 为 0， { ． 一 0 ．／ ‘ 图 3 摩擦模 型 图 4 摩擦的 S i m u l i n k 模型 这样 做 的好 处 是避 免 了零速 检测 问题 以及 滞 滑摩擦 状 态方 程 间 的 切换 问 题 ， DV 的值 应 该 根 据 实 际 情 况而 选定 ， 这里 我们 认 为是 1 1 0 。此 模 型与文 献 6 不 同 之 处 在 于 这 里 的 模 型 加 入 了 s wi t c h模 块 来 实 现 双 向摩擦 力参 数 的设定 ， 从 而更符 合 真实情 况 。 由文 献 6可 知 ， 对 于 1 1 , 一 ma的动 力 学 方程 ， 运 用此 摩 擦 模 型 的滞 滑 运 动 的仿 真 结 果 和理 论 值 是 几 乎 相 等 的 。 则 将 _e L 摩 擦 模 型 应 用 到 液 压 系 统 中 ，并 在 MAT L AB中进 行仿 真 。 其 各参 数如 表 1所示 ， 单 位均 为 国际 标准单 位 。 2 , - 1参数表 、 1 、 1 or、 l 1 o o O 7 0 0 0 ． O 2 0 ． 0 04 0． 1 1 0 0 0 7 e 6 仿 真 时 ， 假定 活塞 推 拉双 向 的摩 擦参 数 相等 ， 动 摩 擦 系数 为 0 ． 0 7， 最 大静摩 擦 系数 为 0 ． 1 。从 图 5可 以看 出 ， 活 塞有 明显 的振 颤现 象 。 图 6是 活塞 的受力 和速度 曲线 图 ，其 中实线 是 由摩擦 模 型给 出 的摩擦 力 ， 双 划线 是活 塞受 除摩 擦力 外 的合力 ， 为 了更 好地 显 示下 方 的速度 曲线 ， 速 度数值 已经过处 理 。 2 ‘ 时间／ t 图 5 活塞运动曲线 4 PI D 控 带 U 由前 一部 分 可知 ， 通过 S i mu l i n k模 型 ， 已经 2 R 逛 斟 r‘ 时间／ t 图 6 活塞受力曲线 准确描 述低 速下 液压 油缸 的爬行 现 象 ，这里 我们 通 过传 统控 制 算法 P I D算 法 对其 进 行 控制 ， 以期 使速 度 曲线能平 稳 接近输 入信 号 0 ． 0 0 4 。 P I D 比例 、 积 分 、 微分 控制 是发 展较 早 、 理 论成 熟 、 运用 广泛 的一种 控制 策 略 ， 其表 达式 的一般 形式 为 【7 J ． Ke e l K t d r K 。 连续 P I D控 制器 的传 递 函数模 型为 G c s K 三参 数 的作 用 为 比例 参 数 K 的作 用是 加快 系 统 的 响应速 度 ， 提 高 系统 的调节 精度 ； 积 分作 用参 数 的最 主要 作 用是 消 除系统 的稳 态误差 ；微 分 作 用参 数 的作 用是 改善 系统 的动 态性 能 ，其 主要作 用是 在 响应过 程 中抑制 偏 差 向任何 方 向的变化 ，对 偏 差变 化进行 提前 预报 。 二 兰 图 7 系统框 图 取 、 K， 、 。 分别 为 4、 0 ． 1 、 0 ． 1 。系统框 图如 图 7 所 示 ， 控 制 效 果 如 图 8所 示 。 由控 制效 果 图可 知 ， 通 过简单 的 P I D控制 ， 可 以 使 系统 的输 出速度 稳 定在 0 ． 0 3 5左 右 ，基 本 实现 了 对输 入 速度 的复 现 。 漤 时间／ t 图 8 P I D控制效果图 5结 论 本 文建 立 了液压 缸滞 滑 现象 的数 学模 型 ，该模 型简单 ， 原 理清 晰 。在 S i mu l i n k中搭 建 了仿真 模 型 ， 通 过 引 入 摩 擦 模 型 ，成 功 模 拟 了 液 压 缸 低 速 爬 行 现 象 。 由式 1 可知 ， 在 不改 变 内因 的条 件 下 ， 液 压 油 的 速度 越低 ，活 塞 的质量 越大 ，就 越容 易 引起 爬行 现 象 。 同时本文 为液 压缸 低速 运 动平稳 性控 制 提供 了 参 考 。 【 参 考文 献 】 陆红 ， 周琦． 面 向超低速“ 蠕进” 液压缸的控制回路及设计． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 4 ， 3 9 5 4 9 5 1 ． 陆红． 滑动爬行界面 间隙腔簇 的滞冲速效应 探讨． 锻压装 备与 制造技术 ， 2 0 1 0 ， 4 5 5 1 0 7 1 0 8 ． 王林鸿 ， 郭俊 杰 ， 吴波 ， 等 ．液压缸低速爬行原 因新探 【J J． 液压 与 气 动 ， 2 0 0 6， 9 1 l 4 1 8 ． 金哲， 柯坚， 于兰英 ， 等．液压缸低速爬行动力学研究 机械 设计 ， 2 0 0 6 ， 2 3 2 3 9 4 2 ． 刘丽兰， 刘宏昭， 吴子英， 等． 机械系统中摩擦模型的研究进展『 J ] ． 力学进展 ， 2 0 0 8 ， 3 8 2 2 0 1 2 1 3 ． 王毅 ， 何朕， 苏宝库． 摩擦模型的 S i m u l i n k 仿真『 J 1 ． 电机与控 制学报 ， 2 0 0 4 ， 8 1 6 0 6 2 ． 张德丰 ．MAT L AB ／ S i mu l i n k建 模与仿 真实例精 讲『 M] ． 北 京 机 械 工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 1 2 3 4 5 6 7