阀控液压缸系统建模与仿真.ppt

《阀控液压缸系统建模与仿真.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阀控液压缸系统建模与仿真.ppt（67页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1,非对称缸电液伺服系统分析和设计,李洪人 教授2008年11月哈尔滨工业大学电液伺服仿真与试验系统研究所,机床与液压第三届技术研讨会专题报告,哈工大电液所 IEST L,2,报告要点：,1 非对称缸电液伺服系统研究意义 2 阀控非对称缸系统静态特性分析（压力特性，输出特性，可适应负载变化范围、最佳负载匹配设计） 3 阀控非对称缸系统传递函数建模简介及应用传递函数分析和设计 实际系统应注意的四个问题 4 对称阀控非对称缸系统静态、动态特性存在的若干问题 5 非对称阀控制非对称缸系统的非线性状态方程建模 6 应用非线性状态方程分析阀口误差对系统压力特性的影响 7 小结,哈工大电液所 IEST L

2、,3,一、非对称缸电液伺服系统研究意义,非对称缸就是普通常用的单出杆液压缸 结构尺寸紧凑，安装使用方便，价格低廉图中为几种液压缸结构原理,1.1 非对称缸及其特点,哈工大电液所 IEST L,4,1.2非对称缸电液伺服系统的特点,非对称缸电液伺服系统远比对称缸系统复杂，控制起来存在许多问题。 换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象； 两个方向上系统动特性不对称。分析与设计方法与对称缸电液伺服系统不同,哈工大电液所 IEST L,5,二、 阀控非对称缸系统的静态特性,阀控非对称缸原理图,2.1对称阀控制非对缸系统的结构原理,哈工大电液所 IEST L,6,当Xv0，阀进出油口的节流方程为：,阀控

3、非对称缸系统图中：A2/A1=n，w2/w1=m； w1=w4，w2=w3；此时 m=1，即,哈工大电液所 IEST L,2.2对称阀控制非对称缸时的压力突跳,稳态时力平衡方程,7,哈工大电液所 IEST L,经过推导可得Xv0时两腔压力,同理，可得Xv0)，,当活塞杆缩回(Xv 0)，,当活塞杆缩回(Xv 0或Xv n),非对称阀控非对称缸系统输出特性曲线(m0时,哈工大电液所 IEST L,44,当Xv0时,5.2非线性方程模型形式,5.2.1为什么推导非线性状态方程,传递函数形式的缺欠和局限性：,1.不能考虑阀的流量非线性特性的影响,伺服阀零位区域选择,哈工大电液所 IEST L,这是一

4、种更普遍的形式，它适用于对称阀、非对称阀与对称缸、非对称缸的任意组合形式。,45,2. 传递函数模型不能考虑液压缸两腔容积的时变特性,3. 不能描述阀口误差对系统性能影响,阀口有正重叠量的四通阀原理图,伺服阀死区特性,哈工大电液所 IEST L,若,，则可用统一的阀口死区来描述,若,不一样，则应分别在各阀口处考虑,46,5.2.2非线性状态方程模型,i表示各阀口的重叠量，i=14,哈工大电液所 IEST L,1.每个阀口的节流公式,右图是考虑伺服阀阀口加工误差的阀控液压缸原理图，各阀口的节流公式为,47,则进出液压缸两腔的流量可表示为 值得注意的是，当 时，上式与零开口伺服阀控制液压缸时进出液

5、压缸两腔的流量方程相同。当 时，上式就是负重叠伺服阀控制液压缸时进出液压缸两腔的流量方程，因此以上流量方程更具一般性。,哈工大电液所 IEST L,48,考虑液压油的可压缩性,液压缸内、外泄漏以及液压缸两腔液容的时变特性，并假设液压缸的内、外泄漏为层流流动,液压缸流量连续性方程可以表示为,其中，,考虑伺服阀阀口加工误差的阀控液压缸原理图,哈工大电液所 IEST L,2.液压缸流量连续性方程,49,活塞的力平衡方程为 (不计非线性摩擦力),考虑伺服阀阀口加工误差的阀控液压缸原理图,哈工大电液所 IEST L,3. 液压缸和负载的力平衡方程,50,5.3阀控液压缸非线性状态方程模型及其框图,哈工大

6、电液所 IEST L,根据前面介绍的三个基本方程，可以建立非线性状态方程如下：,定义,，则,51,考虑伺服阀的动态特性，并用Gsv(s)表示，可以得到阀控液压缸的非线性数学模型框图,哈工大电液所 IEST L,这是一个通用的阀控液压缸非线性数学模型，考虑了阀口流量非线性、液压缸两腔液容时变特性和各阀口重叠不一致等本质非线性。该模型可适用于各种类型（负开口、零开口和正开口）的对称阀、非对称阀与对称缸、非对称缸的任意组合形式。,52,六、应用非线性状态方程分析阀口误差,对系统压力特性的影响,6.0 前言,阀控非对称缸动力机构原理简图,图中比例阀的功率阀芯为负开口四通滑阀,阀芯与阀体之间存在有不同的

7、正重叠量,阀口过流截面为锥面。,哈工大电液所 IEST L,53,该实际系统动力机构的主要参数为：液压缸活塞直径125mm；活塞杆直径90mm；液压缸净行程为1440mm；缓冲长度为150mm；在阀压降为1Mpa时，非对称阀的额定流量为220l/min；阀芯锥度分别为=15 ,=6。将该系统应用于某六自由度运动平台，发现六只阀控液压缸的有杆腔不同程度的出现了超压现象，严重的可超过供油压力的1.5倍以上，极大地影响了平台的正常工作。,哈工大电液所 IEST L,其中一只液压缸的有杆腔压力曲线的峰值接近16MPa，超出供油压力10MPa的1.6倍，活塞杆的位移曲线有明显的削峰现象。如果供油压力采用

8、实际系统的工作压力19MPa，有杆腔压力将超出安全阀开启压力，系统无法正常工作。,54,阀控非对称缸位置伺服系统0.04m/0.3Hz正弦响应实测曲线,经定性分析可以判断，之所以出现这种超压现象，是由阀口加工误差造成的。该阀阀口具有10%的正重叠量 ，且有 ，当无杆腔已通高压的瞬间，有杆腔尚处于封闭状态。,哈工大电液所 IEST L,55,针对这种情况，通过修磨阀口3处的阀芯台肩尺寸，减小,的值，,可以消除超压现象。,通过反复修磨阀芯台肩尺寸，并测试压力波形加以,判断，,最多经过三次修磨，最终使6只阀都消除了超压现象，,达到使用要求。,通过这个实例给我们如下启示,(2) 运用所建立的非线性数学

9、模型，寻找阀口误差与超压之间的定量关系，使系统设计者或比例阀使用者对阀口误差与系统特性之间的关系有一个清晰的认识，便于对比例阀提出恰当的技术要求。,(1) 如何通过理论分析，运用所建立的阀控非对称缸非线性数学模型，仿真复现实测压力曲线，进而对系统性能进行预测性研究。,哈工大电液所 IEST L,56,6.1阀控非对称缸非线性数学模型,考虑锥形阀口的特定情况，滑阀的流量方程可写为,哈工大电液所 IEST L,57,经过推导，1、4阀口的过流面积和面积梯度可以分别表示为,同样，2、3阀口的过流面积和面积梯度可分别为,液压缸流量连续性方程,液压缸和负载力平衡方程,系统状态方程和方块图参见第五节中状态

10、方程和方块图。,哈工大电液所 IEST L,58,6.2仿真与试验结果对比分析,以所得的非线性状态方程为基础，构成与实际电液伺服系统相对应的仿真模型。模型中的控制器与实际系统相同，均采用带有零位调整并带有死区补偿控制算法的比例控制器。仿真时，对非线性状态方程模型应用Matlab/Simulink软件进行仿真。取系统的设定输入为正弦运动，幅值/频率为0.04m/0.3Hz。阀修磨前系统测试时油源工作压力为10Mpa，阀修磨后系统测试时油源工作压力为19Mpa。,为了便于对比，将仿真和试验结果绘于同一张图中。,哈工大电液所 IEST L,59,由图可见仿真结果与实验结果非常接近，证明所建非线性状态

11、方程模型是正确的。还可看到在阀修磨之前，液压缸有杆腔压力超过了能源压力。,阀修磨前非对称阀控制非对称缸系统压力特性曲线（1有杆腔压力试验曲线；2有杆腔压力非线性状态方程模型仿真曲线；3无杆腔压力实验曲线；4无杆腔压力非线性状态方程模型仿真曲线。),哈工大电液所 IEST L,60,当对阀口进行修磨处理后，由图中可知液压缸有杆腔压力的超压现象得到了消除。,阀修磨后非对称阀控制非对称缸系统压力特性曲线（1有杆腔压力试验曲线；2有杆腔压力非线性状态方程模型仿真曲线；3无杆腔压力实验曲线；4无杆腔压力非线性状态方程模型仿真曲线。),哈工大电液所 IEST L,61,以上仿真的意义：仿真结果表明,通过理

12、论分析和仿真能够真实复现实测的压力曲线，说明所建立的阀控缸非线性数学模型具有足够的精度利用该方法可以在获知阀的实际阀口重叠的条件下,仿真出阀控非对称缸系统的压力特性,并预测出是否会出现超压现象。反之,当知道其压力特性后也可以推算出各阀口重叠量的差异情况。,哈工大电液所 IEST L,62,6.3关于阀口加工误差的讨论,应用非线性状态方程模型，可以很方便地得到阀口误差与系统超压之间的定量关系,见右图。仿真表明，当非对称缸两腔有效面积比和阀口面积梯度之比在0.5左右时,将阀口误差由2%提高到0.5%,就可以避免有杆腔超压现象。而当阀口重叠量误差小于0.2%时,其压力特性接近理想零开口阀的压力特性。

13、,不同阀口误差的压力仿真曲线,哈工大电液所 IEST L,63,通过以上理论分析和大量仿真计算，有理由向国内外比例阀生产厂家建议： (1) 在维持现有比例阀生产工艺水平和阀口误差不超出2%的条件下，应控制阀芯台肩和阀体槽宽关键尺寸加工的误差方向，使得两者匹配出来的整体比例阀不出现超压现象。 (2) 能够提供一种阀口误差在0.5%以内的比例阀,以满足对非对称阀控制非对称缸系统性能要求较高的用户。可以通过增设阀套的办法，对阀套的槽宽进行精加工。如果能进行流量配磨，使阀口误差控制在0.2%以内，则可将比例阀的精度改善到伺服阀的水平。,哈工大电液所 IEST L,64,七、总结,1. 由于非对称缸尺寸

14、小，便于在装备中安装，价格低廉，近年来非对称缸电液伺服系统的得到了广泛应用。但非对称缸电液伺服系统也有许多缺点，控制起来存在许多问题，远比对称缸系统复杂。,阀控非对称缸系统在采用传递函数分析时，用于阀控对称缸情况下的一些假设条件就不满足了，并且传递函数形式不能反映阀口流量非线性的影响、液压缸两腔的时变特性影响以及阀口加工误差对系统的影响。此外有必要根据阀控非对称缸的特点掌握新的建模与分析方法，以及探讨新的控制方法。,2. 详细分析了阀控非对称缸的静态特性，特别是它的压力特性和输出特性，并与阀控对称缸系统的静态特性做了对比分析。同时给出了阀控非对称缸系统在不出现超压和气蚀条件下可以适应的负载范围

15、。特别值得注意的是，设计非对称缸系统时需要考虑的一种最佳负载匹配原则。,哈工大电液所 IEST L,65,3. 传统的传递函数模型因其结构简单、概念清楚、便于进行频域分析且已为广大工程技术人员所熟悉，仍然是工程系统分析和设计的常用工具。对于一般电液伺服系统来说也是如此，以对称阀和非对称阀分别控制非对称缸为例，给出了它们的传递函数近似模型，并着重提醒大家，应用传递函数模型时应特别注意的四个问题。,4.指出对称阀控制对称缸系统静态、动态特性方面存在的若干问题。,哈工大电液所 IEST L,66,5.作为对电液伺服系统进行深入理论研究的有利工具，介绍了阀控非对称缸系统的非线性状态方程模型，模型考虑了阀口的流量非线性、液压缸两腔液容的时变特性以及阀口重叠量不一致时对系统特性的影响，是一种比传递函数模型更为精确，更具一般性的数学模型。,6.最后，针对一个实际的非对称缸电液伺服系统采用本文提到的建模方法进行仿真分析和实验验证，具体揭示了比例阀控制非对称缸系统的阀口误差对系统的性能影响较大。为了适应高性能非对称缸系统的要求，提高某些比例阀阀口精度等级很有必要。大量仿真表明，要求阀口误差控制在最大阀位移的0.5%以内是合理的，而且通过采取一定结构措施（如增设阀套结构等）也是可以实现的。,哈工大电液所 IEST L,67,谢谢大家关注！,哈工大电液所 IEST L,