基于MATLAB/SIMULINK的阀控缸模块化建模与研究

　　0　前言

　　液压传动因其传递功率大、静态速度刚度大而在工程技术中得到广泛应用。液压控制阀、液压缸(或液压马达)及负载的液压动力机构(也称为阀控液压缸或液压马达系统)是液压控制系统中必不可少的组成部分,它的动态特性对液压控制系统的性能有决定性的影响。作者引用模块化建模思想,在液压系统中采用模块化建模的方式,并利用MATLAB工具对阀控缸进行时域和频域仿真,很容易分析其系统动态特性和相关的影响因素,对设计阀控制液压缸系统具有实际指导意义。

　　1　典型液压模块的分析与建立

　　流体控制元件在流体力系统中作为信号转换和功率放大元件,其本身的机能由一系列的信号转换环节组合而成。实现这些信号之间互相转换环节,便是构成了流体控制元件的基本单元[1]。

　　1·1　位移-流量模块

　　图1为一典型的位移-流量模块。流体阻力桥本身为位移-流量(压力)转换单元,由两个阻尼串联而成,半桥中间引出的分叉为控制臂,控制臂的输出流量(压力)随着可变阻力的变化(即位移xv的变化)而变化。为方便分析,假定输入臂上游的压力ps恒定且输出臂下游的压力pa=0,则线性阻力特性方程为

　　式中: Kq为流量增益系数; Kc为流量-压力系数。

　　则流量对位移的传递函数为

　　1·2　流量-压力模块

　　假定所有连接管道都是短而粗的,管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道的动态等均忽略不计;液压缸整个工作腔内各处的压力相同,油液温度和体积弹性模量可认为是常数;液压缸的内外泄漏为层流流动[2]。

　　在这种情况下,可压缩流体连续性方程为

　　式中: V为控制腔内液压油的体积;∑Qt为流入控制腔的总流量;∑Qo为流出控制腔的总流量; p为控制腔内液体的压力;βe为有效体积弹性模量(包括液体、混入油中的空气以及腔体、管道的机械柔度)。

　　考虑内外泄漏,对于进油腔,流进进油腔的净流量等于液体压缩流量与活塞运动所需流量之和,即

　　式中: Q1、Q2分别为进油流量和回油流量; Kip、Kep分别为液压缸的内、外泄漏系数; V1、V2分别为液压缸进油腔容积(包括阀、连接管道和进油腔的体积)、回油腔体积(包括阀、连接管道和回油腔的体积); p1、p2分别为进油和回油压力; Ap1、Ap2分别为滑阀对应边的通流面积; xp为活塞位移。

　　两式相加得

　　对于流量-压力模块,假定活塞块不动,则流入腔体的流量转化为两部分,一部分为控制腔中油液(包括渗入油中的空气)的可压缩性以及腔体在压力p的作用下膨胀所需要的流量,另一部分为内外泄漏量。当然活塞的移动势必引起流量的变化,从而转化为位移-流量模块。则流量-压力模块可表示为