基于Simulink／simHydraulics的阀控二级液压缸系统的建模与仿真.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 4 1 基于 S i m u l i n k ／ s i m H y d r a u l i c s 的阀控二级液压缸系统的建模与仿真 任建华 ，谢建，李良 第二炮兵工程大学，陕西西安 7 1 0 0 2 5 摘要介绍 S i mH y d r a u l i c s 软件的特点和二级双作用液压缸的基本工作原理，利用 S i m u l i n k ／ S i mH y d r a u l i c s 软件，采用两 个单级双作用液压缸级联的方式建立二级双作用液压缸的模型，对阀控二级液压缸位置控制系统进行仿真分析。仿真结果 表明了模型的有效性，为多级液压缸的建模提供了方法。 关键词S i mH y d r a u l i c s 软件；二级双作用液压缸 ；位置控制；仿真 中图分类号T H 1 3 7 ；T P 3 9 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 31 5 53 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f Va l v e Co n t r o l l e d Two S t a g e Hy d r a u l i c Cy l i n d e r S y s t e m Ba s e d o n Si mul i nk ／S i mHy dr a u l i c s R EN J i a n h u a，XI E J i a n ，L I L i a n g T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e f e a t u r e s o f S i mHy d r a u l i c s a n d t h e p r i n c i p l e o f t h e t w o s t a g e d o u b l e a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e i n t r o d u c e d ． Ad o p t i n g t wo s i n g l e - s t a g e d o u b l e a c t i n g c y l i n d e r s l e v e l c o u p l e t w a y，t h e mo d e l o f t w o s t a g e d o u b l e - a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r wa s b u i l t b a s e d o n S i mu l i n k ／S i mHy d r a u l i c s ．S i mu l a t i o n a n a l y s i s o f p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m o f t h e t wo s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n t r o l l e d b y v a l v e wa s c a r r i e d o u t ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h e mo d e l i s v a l i d ．I t p r o v i d e s me t h o d f o r mu l t i s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r mo d e l i n g ． Ke y wo r d s S i mHy d r a u l i c s s o f t wa r e；T w o s t a g e d o u b l e a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ；P o s i t i o n c o n t r o l ；S i mu l a t i o n 多级液压缸具有行程大、推力大等优点 ，在很多 领域得到了广泛的应用 。作为非标准库元件 ，目前 对多级液压缸模型 的分析没有有效 的手段。文献 [ 2 ]以多刚体系统动力学理论为基础，采用定义设 计变量、状态变量的方法建立了二级液压缸系统的仿 真模型。马长林等利用软件协作的方法建立了二级液 压缸系统的仿真模型 ，但工作量依然比较大 。而利 用 S i mH y d r a u l i c s软件 ，在仿 真环境 下构建 液压 系 统 ，无需 复 杂 的数 学 建模 ，提 高 了 建 模 工 作 效 率 。作者介绍 了 S i m H y d r a u l i c s 软件的特点和二 级双作用液压缸的基本工作原理，采用级联方式建 立 了二级液 压缸 的模 型 ，对 阀控 二级 液压 缸位 置 控 制系统进行了仿真 ，利用所得仿真图进行 了理论分 析与计算，表明了模型的有效 型，为多级液压缸的 建模提供了参考。 1 S i mH y d r a u l i c s 功能特点 S i m H y d r a u l i c s 是美 国 T h e M a t h Wo r k s 公 司推 出的 针对液压传动和控制系统建模和仿真的工具，扩展了 S i m u l i n k物理建模和仿真的能力。S i m H y d r a u l i c s 采用 所见即所得的方式构建模型 每个模块对应真实的液 压元器件，元件模块之间以代表动力传输管路的线条 连接。这样可以通过直接描述物理构成搭建模型，省 去了繁琐的数学方程推导过程，使仿真过程变得简 单 。 S i m H y d r a u l i c s库 包 含 了 A c c u m u l a t o r s 、H y d r a u l i c Cy l i n d e r 、 Hy d r a u l i c Ut i l i t i e s L o c a l Hy d r a u l i c Re s i s t a n c e s L o w P r e s s u r e Bl o c k s Or i fic e s P i p e l i n e s 、 P u m p s a n d Mo t o r s 、V a l v e s 等子库 ，它们分别与液压系 统的一些主要元件相对应。 S i m H y d r a u l i c s 库提供了7 5个以上的流体和液压 机械元件，包括油泵、油缸 、蓄能器、液压管路和一 维机构单元等。其基础库还提供了基本的流体机构元 素和物理信号模块 ，这些模块组合使用可以创建新的 元件模型，增加了仿真的灵活性 。 2 二级液压缸的基本工作原理 二级液压缸的结构简图如图 1 所示， A 和 A 分 别为第一级液压缸活塞杆无杆腔和有杆腔的有效作用 面积 ，A 和A 分别为第二级液压缸无杆腔和有杆腔 的有效作用面积 ，Q 。 和 Q 分别为流入和流出液压缸 的流量，其工作过程分为两个阶段。 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 0 5 作者简介任建华 1 9 8 7 一 ，男，研究生，研究方向为机电控制。E ma i l 9 6 3 9 5 6 4 7 3 q q ． c o m。 1 5 6 机床与液压 第4 0卷 l 一 二 级液 压 缸 的 缸体 2 一一级缸筒 卜 二 级缸 筒 图 1 二级液压缸结构简图 1 外伸阶段。第二级活塞相对第一级活塞静 止不动，液压力推动两个活塞同步向外伸出；当第一 级缸筒外伸到达右端极限位置停止时，第二级活塞杆 开始外伸 ，到达右端极限位置时停止。 2 回缩阶段。与外伸阶段相似 ，第二级先收 回；第二级回缩到位后，第一级开始收回，运动到极 限位置停止，从而完成了整个回缩阶段。 3 阀控二级液压缸位置控制系统的模型 在 S i m u l i n k环镜下建立如图2所示的阀控二级液 压缸位置控制系统的模型，其中Y 。 和 y 2 分别为第一 级和第二级运行的位移 ， 和 分别为第一级与第 二级运行的速度，Q 。 和 Q 分别为流入流出液压缸的 流量 。 l 一系统压力2 --S i mu l i n k JO 真信号到物理信号转换模块3 、5 一油箱4 一恒压泵6 一理想液压油 7 、9 、1 9 、2 1 、2 8 、3 O 一工作空间模块 8 、2 0 、2 一示波器l O 一信号发生器l 1 一数模转换器l 2 一 阀驱动模块1 3 、1 4 、1 7 、1 8 、3 1 、3 2 一物理信号到S i mu l i n k ／真信号转换模块 1 5 一算法配置1 6 一三位 四通方向阀2 2 、2 3 一流量传感器 2 4 、2 6 一运动传感器2 5 、2 7 、3 3 、3 8 、4 3 一基点 3 4 、3 9 一单级双作用液压缸 3 s 一模拟第一级缸筒的质量 3 6 、3 7 一模拟第一级缸换级碰撞产生的弹簧阻尼力4 O 一模拟第二级缸筒的质量 4 1 、4 2 一模拟第二级碰撞 的 弹簧阻尼力 图2 阀控位置反馈型的二级液压缸原理图 1 油源的选择。1为系统压力 ，2为 S i m u l i n k 传感器2 4和 2 6 ，流量传感器 2 2和 2 3 ，物理信号到 仿真信号到物理信号转换模块，3和 5为油箱 ，4为 S i m u l i n k仿真信号转换模块 1 3 、1 4 、1 7 、1 8 、3 1和 恒压泵，6为理想液压油。 3 2 ，示波器 8 、2 0和 2 9 ，工作空间模块 7 、9 、1 9 、 2 阀控二级液压缸位置控制系统。1 1为数模 2 1 、2 8和3 0 ，基点 2 5 、2 7 、3 3 、3 8和 4 3 。其中运动 转换器，1 2为阀驱动模块，1 5为算法配置，1 6为三 传感器用于测量液压缸运行的位移和速度，然后将测 位四通方向阀，3 4和3 9为单级双作用液压缸 ，3 5和 得的位移和速度传给 S i m u l i n k模块。 4 0分别模拟第一级缸筒和第二级缸筒的质量。缸 3 4 4 模型仿真分析 的活塞杆与缸 3 9的缸体连接，模拟二级液压缸的第 系统的主要参数设计如下系统的外负载为 O ， 一 级 ，缸 3 9的活塞杆模拟二级液压缸的第二级，K 恒压泵的压力为 1 0 M P a ，A 。 、A 。 、A 和 A 分别为 为位置控制系统的反馈系数。0 ． 0 1 0 0 、0 ． 0 0 5 0 、0 ． 0 0 6 0和 0 ． 0 0 4 0 i n ，两活塞行 3 碰撞力模型。多级液压缸在换级时将产生较 程分别为0 ． 8 1 4 0和0 ． 6 8 8 0 m，一级缸筒和二级缸筒 大的碰撞力，3 6和3 7 模拟第一级缸换级碰撞产生的弹 的质量分别 为 6 0和 4 0 k g ，液压 油 的密 度 为 8 8 0 簧阻尼力， 4 1 和4 2模拟第二级碰撞的弹簧阻尼力。 k g ／ m ，弹性体积模量为 7 0 0 M P a ，将活塞杆伸出方 4 其他辅助元件。包括信号发生器 1 0 ，运动 向设为正向，对系统仿真 1 5 0 s 。利用 M A T L A B工作 第 2 3期 任建华 等基于 S i m u l i n k ／ S i m H y d r a u l i c s 的阀控二级液压缸系统的建模与仿真 1 5 7 空间数据可以得到二级液压缸外伸阶段的位移 曲线、 速度曲线和流量曲线 ，如图3 5所示。 图3 液压缸外伸时 的位移曲线 时间／ s 图4 液压缸外伸时 的速度曲线 l 一第一级与第二级同步向外 伸出时流入液压缸的流量 2 一第一级与第二级同步向外 伸 出时 流 出液 压缸 的流 量 卜 第二级单独 向外伸出 时流 入 液压 缸 的流 量 4 一第二级单独向外伸出 时流出液压缸的流量 图 5 液压缸外伸时的流量曲线 从图3和 4可以看出二级液压缸向外伸出的顺 序为第一级与第二级同步向外伸出，第一级运行到 达极限位置时停止，同时第二级向外伸出。由于第二 级外伸时容腔体积变小 ，所以第二级运行速度比第一 级大。从图 4中可以看 出，液压缸在换级处 1 、2 和 3处产生较大的冲击振荡。 图 5中，正负号表示油液的流动方向。由于无杆 腔容积较大，因此流入液压缸的流量比流出液压缸的 流量大；第一级无杆腔容积比第二级的无杆腔的容积 大，故外伸时 1 段的流量比3 段的流量大。第一级外 伸时流入和流 出油缸的流量分别为 8 ． 9 5 4 31 0 和 4 ． 4 7 7 21 0。 I l l ／s ，第二级外伸时流人和流出液压 缸的流量分别为 8 ． 3 4 1 71 0 和 5 ． 5 6 1 31 0 。n l ／ S 。经计算得 第一级外伸时流入和流出液压缸的流 量分别为 8 ． 9 5 4 3 1 0 和4 ． 4 7 7 1 1 0 i n ／ s ，第二级 外伸时流入和流出液压缸 的流量分别为 8 ． 3 4 0 0 1 0 和 5 ． 5 6 0 01 0 m ／ s 。理论计算与图中流入流 出液压缸的流量情况基本相同。 将图2中换向阀的 A口与液压缸的有杆腔连接 ， B口与液压缸的无杆腔连接 ，修改系统的相应参数 ， 再次仿真得到二级液压缸回缩时系统的位移曲线 、速 度 曲线和流量 曲线如 图 6 8所示 。 从回缩阶段系统的仿真曲线可以看出二级液压 缸回缩原理与外伸原理相似第二级先缩回，运行 到位后 ，第二级与第一级开始同步回缩。在换级处产 生 的碰撞力严重影 响了液压缸 的平稳运行 。由于 回缩 时液压缸回油腔的容积变化 比进油腔容积变化大，故 回缩时流出液压缸的流量较大，与实际情况相符合。 昌 昌 煅 _ 图6 液压缸回缩时 图7 液压缸回缩时 的位移曲线 的速度曲线 时问， s 图8 液压缸回缩时的流量曲线 5结论 利用 S i m u l i n k ／ S i m H d r a u l i c s 软件建立 了二级液压 缸模型 ，实现了阀控二级液压缸位置控制系统的仿 真 ，得到如下结论 1 利用 S i m u l i n k ／ S i m H d r a u l i c s 软件建立的模型 能有效反映二级液压缸的动态性能。 2 利用 S i m u l i n k ／ S i m H d r a u l i c s 软件建立二级液 压缸模型时无需复杂的数学建模 ，工作量 比较小，为 多级液压缸的建模提供了有效的方法。 3 多级液压缸在换级时产生严重的碰撞，从 而导致缸体运行不平稳。减小换级碰撞能有效提高缸 体运行的平稳性。 参考文献 【 1 】 刘会国． 双作用伸缩式液压缸 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 9 6 2 6 3 ． 【 2 】 高钦和， 郭晓松． 基于 A D A M S的多级液压缸系统仿真 建模[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 1 9 3 9 4 ． 【 3 】马长林 ， 黄先祥， 李锋， 等． 基于软件协作的多级液压缸 起竖系统建模与仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 6 s 2 5 2 3 5 2 5 ． 【 4 】 洪刚， 吴百海 ， 田烈余． 基于 M A T L A B ／ S i m H y d r a u l i c s 的 型材冷弯 回路仿真分析 [ J ] ． 液压气 动与密封， 2 0 1 1 4 3 0～ 3 3 ． 【 5 】 穆希辉， 来升， 杜峰坡， 等． 基于 S i m H y d r a u l i c 的全向侧 面叉车行走机构液压仿真及改进 [ J ] ． 工程机械， 2 0 0 9 4 0 3 6 4 0 ． 【 6 】胡东， 赵湘文， 蔡旭． 基于 S i m H y d r a u l i c s 的兆瓦级风机 液压型变桨系统仿真 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 2 0 5 2 08． 【 7 】S i m H y d r a u l i c s U s 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