阀控液压缸系统建模与仿真-机床与液压
基于Simulink的比例阀控液压缸的建模与仿真
基于Simulink的比例阀控液压缸的建模与仿真张兵;邓子龙【摘要】By improving the hydraulic system of the clamp experiment table to make it a closed-loop control system, and taking the system as the research object, the mathematical model and simulink simulation model are established. The dynamic performance in time and frequency domains is analyzed. Aiming at the improvement of the dynamic performance ofthe system, the damping ratioδh , the hydraulic cylinder frequency wh ,and the open loop gain Kc , of the close-loop control ing system, and their effect on the dy-namic performance of the system are analyzed by using MATLAB so as to provide reference for the design, calibration and optimiza-tion of the hydraulic system.%通过对夹具实验台液压系统进行改进，使其成为闭环控制系统并以此系统为研究对象，建立数学模型和Simulink仿真模型，分析了系统在时域和频域的动态性能。
从提高系统动态特性的角度出发，应用MATLAB分析了液压缸频率wh、阻尼比δh 和闭环控制系统开环增益Kc 对系统动态性能的影响，从而为液压系统的设计、校正、优化提供借鉴。
基于Matlab_Simulink的液压缸建模与仿真
2003.
作者简介 : 何忠蛟 (1974 - ) ,讲师 ,毕业于浙江大学信息学院 , 硕士 ,从事光通信技术 、电子线路 、光机电一体化技术等研究 ,发表论 文 8 篇. Tel :0571 - 85976253 , E - Mail :he335577 @eyou. com.
线 ,不仅减少了试验工作量 ,降低试验费用 ,而且试 验数据可靠 ,其实用性和曲线拟合性均很好 ,极具推 广价值 。
参考文献 : [ 1 ]高镇同. 疲劳应用统计学[ M ] . 北京 :国防工业出饭社 ,1996. [ 2 ]何忠蛟 ,张志斌. 输送机减速器疲劳试验原理研究 [J ] . 煤矿机
械 ,2004 , (5) :43 - 45. [ 3 ]林毓钅奇 ,陈瀚 ,楼志文. 材料力学 [ M ] . 西安 : 西安交通大学出版
收稿日期 :2005204201
Research of Transporter Restarder Fatigue Curve Based on
Maximum Likelihood Method
HE Zhong - jiao ( Information and Electron Engineering College ,Zhejiang Industry and Trade University , Hangzhou 310035 ,China)
图 6 液压缸位移 x 与时间 t 的关系 Fig. 6 Relation of cylinder’s displacement x and time t
4 结语 从时间流速仿真图形可以看出 ,液压缸的流速
液压系统建模和仿真SimHydraulics
－－液压系统建模和仿真SimHydraulics是液压传动和控制系统的建模和仿真工具，扩展了Simulink®的功能。
使用这个工具可以建立起含有液压和机械元件的物理网络模型，可用于跨专业领域系统的建模。
SimHydraulics提供了构成液压系统的元器件模块库，库中也包括了用于构造其它元件的基本元素模块。
SimHydraulics适用于汽车，航空，国防和工业装备等领域中的各种应用，例如自动变速器，舵面操纵系统和重载驱动装置的建模分析。
SimHydraulics同SimMechanics，SimDriveline和SimPowerSystems一同使用，能够支持对复杂机液系统和电液系统的建模，以分析他们相互交联的影响。
主要功能•液压和液压机械系统的物理建模环境•超过75个液压和机械元器件模型，包括泵，阀，蓄能器和管路•基本液压构造元素库，还有基本机械和运算单元•可定制的常用液压流体工作介质SimHydraulics可在Simulink下建立液压系统回路的网络模型，模型表达基于ISO1219流体传动系统标准，并且建立的模型可以同机械和控制器模型相结合。
机械液压和液压系统网络建模使用SimHydraulics可以建立起完整的液压系统模型，过程如同组建一个真实的物理系统。
SimHydraulics使用物理网络方式构建模型：每个建模模块对应真实的液压元器件，诸如油泵，液压马达和控制阀；元件模块之间以代表动力传输管路的线条连接。
这样，就可以通过直接描述物理构成搭建模型，而不是从基本的数学方程做起。
SimHydraulics库提供了75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，大部分商品化元器件都可以找到对应模型。
SimHydraulics的模型符号符合ISO1219流体动力系统标准，SimHydraulics可以自动从模型原理图综合出描述系统行为特征的方程组。
SimHydraulics得到的是直接使用Simulink的求解器求解的方程组形式，而不是采用同步仿真方法，这样液压系统模型就完全同其它Simulink模型部分集成在一起。
基于AMEsim的液压缸位置控制系统的建模与仿真
基于AMESim 的液压缸位置控制系统的建模与仿真吴勇1，徐保强1，王颖1，战立鹏2（1.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083；2.山东五征集团，山东 日照 262300）摘要： 在分析液压缸位置控制的工作原理基础上，计算出液压缸位置控制系统各个环节的传递函数，得出影响系统响应的两个重要的参数：伺服阀的阻尼比和反馈回路的增益。
利用AMESim 仿真软件搭建了液压缸位控系统的仿真模型。
通过分析伺服阀不同的阻尼比，不同的反馈回路增益，不同的入口容积大小等参数的变化对系统动态性能的影响，从而得出液压缸位置控制系统关键参数的最优值，从而为系统的的结构优化和改进提供了参考依据。
关键词：液压缸位置控制 AMESim 建模仿真Modeling And Simulation of Hydraulic Cylinder Position Control Basedon AMESimWU Yong 1, XU Bao −qiang 1 , WANG Ying 1 , ZHAN Li −peng 2(1. School of Mechanical Electronic ＆ Information Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing ，Haidian ，100083, China; 2.WUZHENG, ShanDong RiZhao 262300, China)Abstrac t : The working principle of hydraulic cylinder position control has been introduced, the transfer function of each part of hydraulic cylinder position control system has been calculated, indicates that the two important parameters affecting the system response the model has been built by AMESim simulation software. The different damping ratio of servo-valve, the different feedback gain, the different valve nature frequency have been analyzed. The results provided theoretical reference for the optimization design of the structural parameters of the hydraulic cylinder position control system. The aim is to provide assistance and guidance to relevant research in developing new technologies and products. Key words: hydraulic cylinder position control ，AMESim ，dynamic characteristics ，simulation 前言: 液压缸位置控制系统是电液伺服控制系统的一种，输出位移能够以一定的精度连续、自动、快速地复现输入电信号变化规律的液压伺服系统。
长行程阀控非对称缸的一种基于Matlab-Simulink建模仿真方法
《机床与液压》审稿单李洪人专家，您好：兹寄上稿件一份，请您审阅，审稿事宜详见下表。
稿件上如没有特别需要注明之处，可以将意见填写后，只将审稿单传回。
本刊负责为审稿人保密，感谢您对本刊的支持和指导。
审稿人（签名）年月日地址：广州市黄埔区茅岗路828号邮编：510070长行程阀控非对称缸的一种基于Matlab/Simulink建模仿真方法肖志权（武汉科技学院机电工程学院，湖北武汉 430073）摘要：基于重新定义的负载流量和负载压力，推导并建立了长行程阀控非对称缸正反方向的状态方程，避免了建立负载流量方程时通常存在的错误，进而建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型。
运用Simulink模块库中条件执行子模块，并考虑模块转换时存在的连续性问题，实现了双向不同模型的联合仿真；引入等效容积函数的子系统，用以描述活塞工作位置对于阀控缸系统动态特性的影响。
而且，模型可以方便地分析包含多种非线性因素的长行程阀控非对称缸系统的动态特性。
关键词：长行程；阀控非对称缸；建模；Matlab/Simulink；仿真中图分类号：TP237 文献标识码：AA Method for Modeling and Simulating Long-stroke Valve-controlledAsymmetrical Cylinder Based on Matlab/SimulinkZhi-Quan Xiao（College of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Science and Engineering, 430073,China）Abstract:Based on the redefined flow rate and flow pressure, the forward and backward state equations of long-stroke valve-controlled asymmetrical cylinder system are set up, in which the general mistakes in building up the flow rate equation are avoided. Then the simulation model in Matlab/Simulink is established. Adopting the conditional-executive subsystem blocks, joint simulation with different models at two directions is realized by taking into account the continuity problems in positioning reversal. The subsystem of introduced equivalent volume function helps to show the effects of piston working position to valve-controlled cylinder system. Furthermore, with this simulation model, dynamic performances analysis of long-stroke valve-controlled asymmetrical cylinder system including some nonlinear factors becomes convenient.Keywords: Long-stroke；Valve-controlled Asymmetrical Cylinder；Modeling；Matlab/Simulink；Simulation引言长行程阀控非对称缸常用于大型模拟器（如飞机、舰船模拟器等）运动平台的液压驱动系统，它的工作状态和动态性能不同于通常工作在高频、小行程状态的阀控对称缸或阀控非对称缸。
阀控缸建模方法的数字仿真比较
］：电极，则电极尺寸比所需要的尺寸小，通过电火花
放电加工后的模具尺寸相应偏小，丽产品尺寸也偏
小；只有通过方法三（“画出工件缩小余量值之后的
３Ｄ图形，再使用平底刀以。的余量直接加工”），加
工后的电极尺寸最为准确，通过电火花放电加工后的
模具尺寸也最为准确，相应的产品尺寸才准确，因此 推荐在实际的加工过程中，尽量使用这种方法。
Ｅ：兰集竽
砭——流量增益、ｍ２／ｓ：
（７）
Ｃ；（ＰＩ—ｐ：）一Ｃ。ｐ。】 式中：Ｇ。——流量系数，无因次；
（２ｄ）
”——阀口面积梯度，“；
托——阀口开度，“；
Ｐ——液体密度，ｋｇ／ｍ３；
卢，——系统的等效容积弹性系数，Ｐａ；
见——供液压力，Ｐａ；
ｐ。——液压缸左腔压力，Ｐａ；
ｐ：——液压缸右腔压力，Ｐａ；
编程时给刀具端部侧边增加一个Ｒ值，图６所 示，月的值为工件余量的绝对值，然后再指定工件负 的余最值，而实际使用没有端部侧边Ｒ角的相同直 径刀具进行加Ｉ：。
局部放大图
局部放大图
图８
图９
则加亡情况如图７及图８局部放大图所示，加工过程
中，刀具端部Ｒ与工件Ｒ面相切，只要工件的负余
量的绝对值不火于刀具的只值，则加工的结果就是
我们所需要的结果。然而，我们实际使用的刀具并不
存在端部的Ｒ，所以加工的实际情况不是上图８所示
的理想情况，而是如『翻９所示．川具底部的尖角切入
丁工件内，加工的帮体结果如图ｌ（）所示．外侧轮廓 线表示理想的工件外形，内Ｎ”Ｅ域
轮廓线表示实际加工出的工
件外形。，显而易见，实际加
工出的工件外形小于理想的
ｌ：件外形，刀具切人工件内
应频率与振幅的关系曲
液压系统建模与仿真分析课程设计 (2)
液压系统建模与仿真分析课程设计一、引言液压系统作为一种常见的动力传递方式，在机械领域得到了广泛的应用。
在设计和开发液压系统时，充分了解系统的特性和性能至关重要。
因此，液压系统建模与仿真分析是机械工程领域的重要学科之一，本文介绍了液压系统建模与仿真分析的课程设计。
二、液压系统建模2.1 液压系统的基本组成部分液压系统包括液压泵、液压缸、液压阀等多个组成部分。
在液压系统中，液压泵将机械能转化为液压能，经过一系列管路和元件转换后，再将液压能转化为机械能，从而完成机械运动。
2.2 液压系统的建模方式液压系统的建模方式分为符号法和数值法两种。
符号法建模主要依据流量平衡和能量平衡等原理，采用符号公式的方式对系统进行表示。
数值法建模采用数值计算的方式对系统进行模拟，通过求解系统的微分方程或者差分方程来得到系统的状态。
而在实际应用中，一些较为复杂的系统往往需要采用更为高级的数值计算方法进行建模。
三、液压系统仿真分析液压系统仿真分析是指利用计算机对液压系统进行虚拟实验，预测系统的性能和行为，对系统进行优化和改进的过程。
液压系统仿真分析能为液压系统的实际应用提供参考和指导，并在系统设计和开发阶段为工程师提供更加精确和可行的方案。
3.1 液压系统的仿真分析工具常见的液压系统仿真分析工具包括MATLAB、Simulink、AMESim等。
这些仿真工具都提供了一系列的仿真库和仿真模型，可以快速地对液压系统进行建模和仿真分析。
同时，这些仿真工具也具有界面友好、数据可视化等特点，方便工程师快速分析系统的性能和行为。
3.2 液压系统仿真分析的应用液压系统仿真分析是液压系统设计和开发中的重要工具之一。
通过液压系统仿真分析，可以对系统的运行情况进行预测和评估，并在可能的情况下对系统进行优化和改进。
同时，液压系统仿真分析也能为液压系统的维护和故障排除提供重要的参考和指导。
四、液压系统建模与仿真分析的案例分析为了更好地展示液压系统建模与仿真分析的应用，本文以液压式机械手臂为例进行案例分析。
阀控液压缸系统建模与仿真-机床与液压
2.6.2对称阀控制非对称缸的输出特性
当活塞杆伸出(Xv >0)，
v Q1 C d wxv A1 A1 2 ( Ps P1 ) C d wxv A1 2 ( Ps PL1 ) 3 (1 n )
当活塞杆缩回(Xv <0)，
v
Q1 C d wxv A1 A1
2
xv 0 xv 0
可见，完全匹配的非对称阀―非对称缸系统的承载能力最大，
不完全匹配的非对称阀―非对称缸系统次之，对称阀―非对称缸系
统的承载能力最差。这一承载能力，可从阀控非对称缸的压力－负 载曲线上看出来。
哈工大电液所 IEST Lihr@
16
以对称阀控制非对称缸为例，其压力特性如图所示
《机床与液压》第三届技术研讨会 专题报告
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 哈工大电液所 IEST Lihr@
1
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）
2 P n FL / A1 ' s P2 3 1 n
n Ps FL / A1 P 1 n3
3 ' 1
液压缸换向时压力突变值为：
无杆腔：
2 nP (1 n ) ' s P 1 P 1 P 1 1 n3
有杆腔：
2 P (1 n ) ' s P2 P2 P2 1 n3
稳态时力平衡方程
此时 m=1，即 w1 =w2 =w3 =w4 w
P 1A 1P 2 A2 FL
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11
2.4.2阀与缸不完全匹配的情况
实际应用时，可能采用与缸的不对称度不完全匹配的非对称阀(m≠n) 当活塞杆运动方向改变时，两腔压力变化为：
2 2 n ( m n ) Ps ' P 1 P 1 P 1 n3 m 2
2 2 ( m n ) Ps ' P2 P2 P2 n3 m 2
2.2对称阀控制非对称缸时的压力突跳
ps p0
4
1
2
3
xv
当Xv>0，阀进出油口的节 流方程为：
q1 p1 A1
q2 p2 A2 V2
V1 y0
M
FL
Q1 Cd wxv
Q2 Cd wxv
2
2
( Ps P 1)
P2
L y0
y
阀控非对称缸系统
图中：A2/A1=n，w2/w1=m； w1=w4，w2=w3；
7
哈工大电液所 IEST Lihr@
15
P1 （MPa）
15
10 5 0
P2 （MPa）
P1' P10 P1 P1
10 5 P2 0 P2
P2'
P20
-2
-1
0
1 FL（N）
2
3 104
-2
-1
0 1 FL（N）
2
3 104
无杆腔压力变化（PS＝10 MPa）
有杆腔压力变化（PS＝10 MPa ）
' 1
p s FL / A1 p2 p 1 n
' 2
P ＝0 1
P2＝0
压力突跳不存在了
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10
15
15
P2 （MPa ）
P1 （MPa ）
10 5 0 -2 -1 0 1 FL （N ） 2 3 104 P1 ,P 1 ' ,P10
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。 ①换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象； ②两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
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4
二、 阀控非对称缸系统的静态特性
2.1对称阀控制非对缸系统的结构原理
稳态时力平衡方程
此时 m=1，即 w1 =w2 =w3 =w4 w
P 1A 1P 2 A2 FL
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6
经过推导可得Xv>0时两腔压力
n Ps FL / A1 P 1 1 n3
3
同理，可得Xv<0时两腔压力
n2 ( Ps FL / A1 ) P2 3 1 n
2
A2 A1
一、非对称缸电液伺服系统 研究意义
1.1 非对称缸及其特点
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
a) 单出杆非对称缸
b) 双出杆对称缸
c) 单出杆对称缸
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3
1.2非对称缸电液伺服系统的特点
2 P n FL / A1 ' s P2 3 1 n
n Ps FL / A1 P 1 n3
3 ' 1
液压缸换向时压力突变值为：
无杆腔：
2 nP (1 n ) ' s P 1 P 1 P 1 1 n3
有杆腔：
2 P (1 n ) ' s P2 P2 P2 1 n3
mL
1. 对负荷变化的范围加以限制 2. 将液压缸的面积设计得很大
防气蚀阀组
3. 国外曾采用在液压缸的两腔 设置防气蚀单向阀组和安全 阀，以及在阀与有杆腔之间 的管路上设置单向节流阀等 加以补救。图中为其原理。 然而，负载变化范围 仍然不够理想，压力 突跳不能消除。
高压蓄能器
安全阀组 A B
伺服阀
P0 低压蓄能器
《机床与液压》第三届技术研讨会 专题报告
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 哈工大电液所 IEST Lihr@
1
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）
10
P2 ， P2'， P20
5 0 -2
-1
0 1 FL （N ）
2
3 10 4
无杆腔压力变化（m=n）
有杆腔压力变化（m=n）
可见，液压缸两腔压力不再受运动方向影响，换向时的压力突变消 失，系统能够承受的负载变化范围变大。完全匹配的非对称阀控制非 对称缸从根本上消除了非对称缸对系统压力特性带来的不利影响。
v FL(=mLg) mL
w1 =w2 =w3 =w4 w
A2 / A1 n 1
A Q1 (Q1')
A2
P2 (P2') w=4h
A —A h 或 Xv w=2h h
A1 P1 (P1')
Q2 (Q2')
4 A
1Leabharlann 23PSP0
5
阀控非对称缸原理图
哈工大电液所 IEST Lihr@
PS
防气蚀装置原理图
哈工大电液所 IEST Lihr@
9
2.4非对称阀控制非对称缸的压力特性 为了从根本上改善液压系统压力特性，建议采用非对称阀控制非对称缸 2.4.1阀与缸完全匹配的情况 阀的节流窗口面积梯度比与缸的面积比相等(m=n)，这时两腔压力为
nps FL / A1 p1 p 1 n
无杆腔：
有杆腔：
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12
15
15
10 p 1'
10
p1
P1(MPa)
5
P2(MPa)
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
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由图可见，当负载大范围变化时，液压缸两腔将会出现超压或气蚀现象。 对称阀控制非对称缸系统的负载变化范围受到了限制， 特别是承受拉向负载的能力较差。 为防止气蚀和超压现象，必须采取一定技术措施。
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2.3传统防气蚀和超压的技术措施 几种传统防气蚀和超压措施：