液压系统动态.doc

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液压系统动态分析讲义

第一章绪论

引言

对于一个系统而言，输入和扰动往往随时间改变，系统中变量都与时间有关。

因此，系统特性的分析和设计必须考虑动态特性。

我们专业作为机械学科的分支，所研究对象的动态特性分析也是一个极为重要的问题。

这门课程叫液压系统动态分析。

顾名思义，是研究液压系统的动态特性。

液压系统要能正常工作，必须满足以下几方面的基本要求：

（1）工作循环要求：

完成系统所要求的工作循环；

（2）静态特性要求：

主要性能参数满足系统工作的要求，如驱动负载能力，包括运动（行程、速度和加速度）和力（力矩）的要求；

（3）动态特性要求：

一般的液压系统应能满足系统工作时的动态特性要求，如不能产生振动、爬行或液压冲击，工作环节的切换快速平稳，动态误差小。

在对液压系统的动态特性要求较高时，仅考虑静态特性进行设计是不够的，还必须进行动态特性分析。

如果系统的动态特性不好，在动态过程中的工作情况就不能满足要求，甚至无法正常工作。

由于对液压系统工作性能的要求不断提高，液压系统的动态特性已逐渐被人们所重视。

液压系统的动态特性使其动态过程中的特性。

液压系统的动态过程可由很多原因引起，归纳起来有下述两个方面：

（1）控制过程：

为实现系统所要求的动作，某一或某些元件要受控并改变状态。

如启动、制动、运动方向或速度、压力的转换等。

（2）外界干扰

液压系统在产生动态过程以前，是在某一稳态状况下工作的，即系统中各参量相互间的关系都处于静平衡状态。

系统产生动态过程时，这种平衡状态遭到破坏；动态过程结束时，系统由达到新的平衡状态。

所以液压系统的动态过程时系统失去原来平衡状态到达新的平衡状态的过程。

在这一过程中，系统中各参量都在随时间发生变化，这种变化过程性能的好坏，就是系统动态特性的优劣。

一、研究对象、内容和意义

液压元件与系统都是我们的研究对象，具体可分为三类：

（1）具有内反馈机制的液压元件，如溢流阀、恒压泵等。

这类元件通过其内部的反馈调节机制，控制压力、流量或者是功率为恒定值。

对于液压技术而言，这类元件内容丰富，常代表了液压元件的尖端，就其局部而言，其复杂度往往不低于一个常规的液压伺服系统。

（2）液压传动系统。

这类系统工作在开环状态，系统在有限的几个状态之间切换以完成规定的功能。

尽管系统工作在开环状态，其内多数情况下仍然会有具有反馈机制的液压元件，如溢流阀等。

（3）液压伺服控制系统。

这类系统整体工作在闭环反馈方式。

通常采用传感器测量某个被控制量，如压力、位移、加速度等等，通过控制阀的调节作用使被控制量满足要求的变化规律。

这三类对象中，第三类“液压伺服控制系统”已有专门课程介绍其分析和设计，因此本课程不再包括这部分内容。

本课程所涉及的就是前两类对象。

动态分析，就是研究上述元件和系统的动态特性，即元件与系统工作状态转换过程的特性。

因对象性质的不同，动态特性所关注的内容也有所区别。

对于第一类内反馈式元件，动态分析的主要内容如下：

（1）稳定性。

因其存在反馈作用，动态分析最关注的就是能否稳定工作。

影响稳定性的因素有多方面。

第一，该类元件在设计条件下，是否存在由于内部参数设计不合理导致的不稳定；第二，在系统中使用时，与该元件上下游的连接条件发生变化，是否会出现由此引起的稳定性问题；第三，即使硬件连接相同，元件的工作参数如压力、流量等也会有一定的变化，是否会出现因此而引起的稳定性问题。

（2）对干扰因素的抑制特性。

总有一些量的变化会引起被控制量的变化，如溢流阀溢流流量的变化会引起设定压力的变化。

当这些干扰发生变化时，被控量的响应过程，如最大变化幅度、恢复稳定时间、振荡次数、最终稳定值等，是我们所关心的。

（3）对指令的响应。

当指令信号改变时，被控量跟随变化的特性，如跟随的快速性、超调量、振荡次数等。

对于第二类对象，因其工作在开环状态，故没有稳定性问题。

系统内所含有的内反馈式元件特性归于第一类中研究。

动态分析的主要内容如下：

（1）启车、停车过程的快速性与平稳性。

这两者是矛盾的，设计不当可能会使一种特性严重不足。

快速性不足则影响效率，而平稳性不足则会影响寿命。

对于频繁启停的系统，这两个特性更是至关重要。

（2）不同工作状态间切换的快速性、平稳性和精确性。

如快进与工进的切换，行程终点的换向等，一般都要求切换快速、平稳和准确。

不同的系统可能侧重点不同，有些系统可能侧重要求平稳性，有些侧重准确性等。

液压系统动态分析的目的和意义在于以动态分析来指导液压系统（元件）的设计和调试。

设计者仅仅设计出静态指标和逻辑功能满足要求的系统，是远远不够的，这仅仅是个最基本的要求。

系统还必须满足动态特性的要求。

即使是传动系统，它的调试工作50%以上也都消耗在满足动态特性上。

传统的动态特性问题，基本上是依赖于工程师的经验或构成系统后的反复调试和修改。

由于计算机技术的发展，动特性的设计成为了可能。

二、液压系统动态分析的一般流程和方法

液压系统动态分析的一般流程是：

（1）分析系统的工作原理，明确所需要研究的动态特性。

（2）列写系统动态方程组，一般来说应包含流量方程、流量连续性方程和运动部件动力学方程，有时还会有一些辅助方程。

（3）按照实际系统构成和规定的工作条件确定有关参数，对以上方程进行计算机求解，即可获得系统的有关动特性。

（4）如是内反馈式元件，还可在静态工作点上作线性化，转化到频域进行讨论。

液压系统建模一般分为基于数学模型和基于物理模型两种建模方法。

1）基于数学模型的建模仿真

基于数学模型的建模方法属于解析法，建立依据是元件及其组成的系统中力和运动方程、流体力学方程和热力学方程等。

尽管其存在一些不确定因素并在一定程度上具有近似性，但其基本能够较为全面地反映系统的真实情况，相对完整地描述系统整个工作过程的状态变化，主要有以下几种方法：

（1）列写系统微分方程组，利用通用软件（如Matlab）或自编程序求解时域动态响应。

其优点是：

a）直观、简单

b）适合求解各种工况、能处理强非线性

c）误差源明了。

（2）列写系统微分方程组，在工作点作线性化，利用拉氏变换将时域转化为频域讨论。

这种方法优点是有利于揭示系统的本质特征，尤其适用于平衡态附近小扰动分析，也是控制系统分析设计的基础。

任何系统而言，在工作点附近的特性都是最重要的，这个特性不好，甚至不稳定，系统是无法工作的。

缺点是不适用于工作状态大幅变化，处理较强非线性问题精度差。

在进行液压系统的仿真研究时，由于其非线性，通常要先将一些因素忽略，并加以简化列出一些元件的基本方程后再传递函数或者方框图，并借助于仿真软件进行求解，最后将仿真结果与实验数据进行对比，以确定建立模型的准确性。

2）基于物理模型的建模仿真

该方法将具体的元件按照组成原理进行分类，从元件的单元分析入手。

在具体的分析过程中，先从液压元件的复杂结构中分离出一个个具有具体物理意义的基本单元，再将这些基本单元按其结构依次搭建成一个完整的系统，仿真时只需给出元件的物理结构、尺寸，就可以自动给出“软参数”，并做出较准确的仿真曲线。

通过该方法建立的液压系统模型，当液压系统发生改变时，只需要对仿真参数进行修改即可。

基于物理模型的建模仿真可利用专业软件，如AMESim、20sim、Fluent、Adams等，进行时域仿真。

这是各行业的共同趋势。

他的目的是让更多的人不会因为专业的障碍而妨碍系统设计和使用，也使设计人员节省建模编程的时间。

此类仿真软件针对液压系统的基本单元和元件建有相应的库，使建模工作大大简化。

使用者需要弄清楚的是：

它所提供的模型已考虑了什么因素，这些因素的参数应该如何设置。

在液压系统动态仿真中，应综合采用这两种方法，基于联合仿真的思想，进行模型的相互验证。

液压系统动态仿真研究的技术路线如图1.1所示，基本描述如下：

图1.1液压系统动态仿真分析的技术路线图

1）明确仿真目标

根据所研究的对象确定仿真的目的和要求，明确定性地评价液压系统动态性能指标。

对于液压系统仿真而言，主要包括三个方面的要求：

稳定性、准确性和灵敏度。

2）需求分析

液压系统仿真需要和设计人员、用户进行详尽的需求分析，其过程贯穿于仿真开发和使用的整个周期。

需求分析主要完成的工作为详细分析伺服系统液压仿真的功能需求和性能需求，从而为仿真的详细设计提供依据。

3）单元模型划分

液压系统仿真可采用先进的工具集（AMESim、Fluent、Pro/e、Adams、Matlab/Simulink、Ansys等），基于开放的软件框架体系，对系统所包含的液压元件和子系统进行建模仿真，故而仿真必须构建于模块化开发和测试、接口简约集成、协同工作的基础之上，满足仿真平台的可重用性、健壮性要求，便于二次开发和维护，因而合理进行单元模型的划分是必要的。

4）系统建模及仿真

根据单元模型划分，确定各单元或子系统的接口，进行伺服系统液压元件库和系统的建模、仿真测试和验模工作；为保证建模的正确性和可信度，基于联合仿真的思想，将各工具集有效整合，分析系统的静态特性和动态特性，通过仿真数据和曲线，给出时域响应特性和频域分析结果。

5）试验验证

液压系统仿真属于数字化仿真范畴，必须将其与试验的测试结果进行分析、比较和相互验证，并以此指导数字化仿真，从而保证伺服系统液压仿真能够用于伺服机构的分析和设计。

6）系统集成

系统集成就是把相关的、各自独立的子系统整合成一个有机融合在一起的、有实用价值的大系统。

将数字化仿真和可视化技术相集成，建立数字化虚拟样机平台，使得设计人员能够直观、有效地追踪设计。

7）设计确认及改进

根据仿真分析结果，给出设计确认及改进的依据。

三、液压系统动态分析的应用

实例：

振动台的静力平衡蓄能器特性

多轴振动试验控制技术是对大型复杂试件开展环境试验的关键技术，广泛应用于航空、航天、兵器、海洋工程、核工业等国防工业领域和地震模拟、汽车、水工结构、桥梁工程等民用工业部门，能够考核产品或结构在振动激励下保持原有性能的能力，即研究和检验产品或结构在振动条件下的结构可靠性和操纵可靠性，在故障模式复现和模拟精度方面具有明显的优越性，是不可缺少的研究和检验设备。

就经济建设而言，我国部分省份地震潜发性大，近几年的地震给经济和人民生命财产造成了重大损失。

特别是烈度大、震级高的地震，会破坏高层建筑、桥梁、电站等基础设施，以及机电设备、生产线等工业设施，甚至是造成城市瘫痪。

应用多轴振动环境试验设备对地震进行试验模拟，开展城市基础设施的结构抗震、防震减灾研究是极为重要的，如水工结构、桥梁工程、高层建筑、电站等基础设施。

地震模拟振动台和道路模拟试验台是两种较为典型的多轴振动试验台，如图1.2所示。

道路模拟试验台实际上也是一种大型的振动试验台。

试验时，把汽车的各个车轮安放在彼此独立的振动台上（目前普遍采用电液式振动台），依靠液压油缸的上下运动，来模拟道路的崎岖不平，从而使汽车产生与实际行驶相近的振动。

这样，只要通过实际行驶记录下道路的路面状况、振动的频率和振幅等，就可以通过电子设备及液压系统在道路模拟机上予以再现。

从而对汽车提供激振环境，主要研究汽车在振动条件下的动态特性，也可以考核汽车结构的强度、可靠性、寿命等，不过成本较高。

道路模拟试验由于可在、室内昼夜进行，所以可以用来代替整车道路可靠性试验，既节约了驾驶人员，又缩短了试验周期。

目前已在发达国家普遍采用。

我国主要汽车厂家、汽车研究部门及高等院校都引进了这类设备。

图1.2日本EDEFENSE振动台及IST道路模拟试验台

对Z向激振系统来说，由于存在台体和试件的重力负载，使Z向伺服作动器负载存在不对称性。

这将影响Z向激振系统的动态特性，使系统的加速度波形失真度和横向分量均增加。

为此需设计静力平衡装置以平衡台体和试件的重力负载。

静力平衡装置采用图1.3所示的与Z向动态伺服作动器串联的结构，系统是由静力平衡缸、蓄能器、电磁换向阀