恩佐-恩佐注册招商平台应用MATLAB软件进行一种水压流量控制阀的仿线 应用MATLAB软件进行一种水压流量控制阀的仿真设计 邱鸿利 。黄 艳 。刘银水，李壮云 SimulationandDesignofaWaterHydraulicFlow—controlValvewithMatlab QiuHong-li，HuangYan，LiuYin-shui，LiZhuang-yun (华中科技大学机械学院液压气动技术研究中心，湖北省武汉市 430074) 摘 要：在一般的液压系统设计中引入 maflab仿真设计工具，可以增强设计可靠性和科学性，提高 设计效率。文章以一种新型水压流量控制 阀的设计为例 ，简述 了通过maflab进行整个仿真设计的过程。 关键词：仿真；maflab；流量控制阀；水压传动 中图分类号：TH137．5 文献标识码 ：B 文章编号：1000-4858(2002)O8．0015．04 1 符号术语集 非线性影响因素，这给其数学建模和仿真分析带来 了 Ad——节流 口过流面积； 较大的困难。按 照以往的液压系统设计方法 ，设计者 A——补偿阀芯横截面积 ； 不仅要具备丰富的液压系统控制 的设计经验 ，而且必 — — 补偿阀芯的速度阻尼系数 ； 须具备相当的数学建模及求解 的理论功底 ，要耗 费相 Cd——设定阀 口流量系数 ； 当大的精力进行纯数学的解析推导工作 。 — — 补偿阀芯直径 ； matlab软件作为 目前国际控制界最为流行 的计算 机辅助设计及数学工具软件 ，提供 了强大的矩阵处理 0——密封圈截面直径 ； 和二、三维 图形绘制功能，具有较高的可信度和灵活的 D：——前馈通路直径 ； 使用方法 ，非常合适现代控制理论的计算机辅助设计。 — — 阀口开度 ； Simulink是集成在 maflab中的动态系统建模 、仿真工 ．i}——弹簧刚度 ： 具 ，其特点在于 ：一方面 ，它是 matlab的扩展 ，保留了所 ks2——与阀151流量系数及 阀151形状参数有关 的 有 matlab的函数和特性 ；另一方面 ，它又有图形化编程 常数 ； 和可视化仿真的特点，从而使控制系统建模与仿真摆 ￡——前馈通路 的长度； 脱 了繁琐 的关联矩 阵求取和输入 ，可 以将更多的精力 m——补偿阀芯质量 ； 集 中在系统的设计和矫正上 ，使得控制系统的计算机 p——压力 ； 辅助设计向可视化的方向迈进 了一大步。 p——流量 ； 本文 即以一种新型水压流量控制 阀的设计为例 ， — — 补偿阀芯运动速度 ； 简要介绍一下充分利用matlab软件的Simulink工具箱 0——补偿阀 口的最大开度 ； 以实现的一种高效、科学的液压系统设计方法 。 a—— 阀口锥角 ； 3 数学模型的建立 0——设定阀口关死，补偿阀口全开时弹簧 的预 图 1为所设计 的新型水压流量控制 阀的结构简 压缩量 ； 图，它类似于油压系统 中的调速阀，即是将一个设定阀 — — 水在常温下的动力黏度 ； 口与一个补偿 随动阀口串联成 的一个组合 阀，其 中补 o——密封圈的摩擦系统 ； 偿阀 口为常开结构 ，它所控制的不是 自身 的前后压力 ． 水的密度。 差 ，而是与其 串联 的设定 阀口的前后压力差。当设定 (文 中下标 1表示设定 阀 口，下标 2表示补偿 阀 口，下标 z表示前馈通路。) 收稿 日期 ：2001．12．29 2 引言 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(59975．031) 液压系统设计 中的突出难点在于其所涉及的研究 作者简介 ：邱鸿利(199r7一)，男，福建福州人 ，硕士，主要从事 对象(如气体 、液体等各种流场)的物理特性包含诸多 水压传动基础理论及其元件与系统的研究工作。 维普资讯 l6 液压与气动 2002年第8期 前馈通路流量方程 ： D4．75 ． ： (6) 口 式 6为紊流状态下的流量公式[，当系统平衡时， 在工作点处Pl P，所求出的 Q：值约等于 0，故该式 口 在特性仿真 中可忽略不计 。 设阀芯向下运动方 向为正 ，则有补偿 阀芯所受 的 力平衡方程 ： p2A~2+k(ao—hi+Xo—h2)+fm—F 一P：A 图 1 新型水压 流量控 制阀设计原理图 ：m + (7) 阀口的开度被设定之后 ，由补偿 阀口的补偿运动来调 节其前后压差基本一定 ，从而实现流量 的常值控制。 当系统平衡时，该 阀芯 的运动和速度的变化量不 首先建立该 阀的数学模型如下 ： 大，故在特性仿线。 假设系统的流量损失为零 ，则有 阀腔 内的流量连 通过求解上述方程可得对应于每一设定 阀口开 续性方程 ： 度 hl的特性方程 ：Q：f(Pl—P3)。 Ql：Q2±Q (1) 在实际结构中，由于各函数关系较为复杂 ，代人上 通过设定 阀口的流量方程式 ： 述方程组求解特性方程的具体表达式十分困难 。 厂 ——————一 4 仿真模型的建立及其分析过程 Ql：CdAdl√ 。(pl—p2) (2) 图2即为根据流量调节 阀的特性方程所建立 的 通过补偿 阀口的流量方程式 ： simulink仿真模型。 厂 ———————一 模型建立好后 ，就可以真接对它进行仿线：CoAdE,x／ 。(p2一p3) (3) 在本仿真模型中，进El压力 P1和 出El压力 P3为信号 补偿阀芯与阀体之间所加密封圈引起的机械摩擦力： 源 ，可 以根据需要选择合适的信号发生器 (如常值 F ：sign(一 )·0．8635／zododp2 (4) (constant)、阶跃 (step)、斜坡 (ramp)等)作为输入信号； 补偿阀芯所受的稳态液动力 ： 模型中任何变量均可用所需的适 当显示模块 (如示波 F ：IDQ2UCOS~：Ii}s2h2(p2一P3) (5) 器(Scope))观察系统响应、分析系统特性。 图2 仿真 内部结构 维普资讯 2002年第8期 液压与气动 17 在第一次仿真前 ，应先在仿真输入输 出界面的 “模 最佳的流量控制 阀的各主要结构参数配置。并据之完 块参数”(Blockparmneter)X~话框 中集中输入系统各结 成了该 阀的设计 图纸 ，加工 出样机。图6即是样机在 构的仿真参数 ，以后只需对个别参数进行调整和修改 低压状态下进行试验得出的压力一流量特性 图。而该 即可。更为方便 的是 ，由于仿真 的观察是实时的，而且 阀在高压下的特性试验还在进行当中。 simulink系统还允许操作者在仿真过程 中实时地调整 参数 。如果仿真结果不符合要求，则可以修改系统模 型的参数，继续进行仿真分析，这样既使得仿真过程更 加直观 ，又提高 了仿真的效率。 在该 阀的设计过程中，弹簧刚度 k、弹簧的预压缩 量 、阀芯和阀体的配合直径尺寸、阀口锥角 a等参 数对阀的输入出输 出特性影响较大，是主要的设计参 数 。以弹簧刚度的参数设计为例。所选的弹簧应具备 以下特点：使 阀的流量输出在所要求的范围内；使阀的 一 Pyq~4Pa 响应时间尽可能短些 ；使流量输 出的稳定性尽可能高 图3 不同弹簧刚度时流量压差仿真曲线 些。首先 ，通过常规的弹簧设计计算，可预先得出所需 弹簧的刚度参数可能为 20N／mm；其次，将该参数带入 仿真程序中加以验证 ；同时，亦选取另外几个弹簧刚度 值作为参照，分别带入模型仿线是由此得出的不同的系统输入输 出特性 曲线的斜坡输入 ，P 是常值 O(这样 横坐标也可等价视为 以秒为单位 的时间轴)，设定阀 口 开度 ^为 0．1rnln。从 图3中可见 ，所设计 的系统 的出 流稳定性基本是好的；弹簧刚度值增大，稳定流量将随 一 P3／MPa 之增大 ，但响应时间也要相应拖长 ：当 k25N／mm时， 响应时间0．8s；当 k18N／mm时，在 ^t为0．1的开 图4 不同开度时的压力．流量特性仿真 曲线 度下 ，稳定流量可大于6L／min；在 k=20N／mm时，响应 时间约为 0．5s，出流量为 6．5L／min，基本满足设计要 求。通过这样的仿真结果对比，在上述的几项设计原则 下可 以很直观地验证出最佳的参数配置范围应是 l8～ 25N／mm，并验证出，k取 20N／mm是可行的。 与之相似地，其他参数也可在仿真中利用 比较法和 两分法加以调试和验证。最终得出系统所需 的最佳结构 参数配置。图4就是对各结构参数优化配置后，通过调 图5 补偿阀芯瞬态运动的仿真曲线 整设定阀口开度值 ^得到的压力一流量特性曲线。 当然，matlab强大的运算功能和丰富的控制系统 工具箱还可 以很便利地完成复杂 的系统动态仿真过 程。例如 ，在所研究设计的水压流量控制 阀中，当设定 阀口设定好后 ，整个 阀的瞬态工作特性就取决于补尝 阀 口阀芯的运动状态。图5为仿真得到的当阀的前后 一 Pyq~4Pa 压差为 8MPa时的阶跃变化补偿阀芯 的动态响应。 5 实验结果 图6 调速阀的流量压力特性实验结果 在 以上仿真设计的基础上，系统得出了所设计的 维普资讯 18 液压与气动 2002年第8期 液压脉油码调制 (PCM)位一伺服控制系统帕建螟研究 石延平 ModelingStudyonPositioningServoSystem withPCM ShiYah-ping (中国矿业大学机 电学院，江苏徐州 221oo8) 摘 要：对PCM阀的静态特性进行 了研究，建立了电液PCM位置伺服控制系统的数学模型。分析 了PCM 阀最小过流面积对系统的影响。 关键词 ：位置伺服控制 ；PCM；数学模型 中图分类号：TH137．7 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2002)O8．0018．03 1 引言 近年来 ，采用 PCM 的流体控制技术受到广泛关 注。对于控制精度要求不是很高的一般工业应用，这 种技术能够满足要求。国内 目前对气动 PcM控制研 究的较多，而液压 PCM控制相对较少。为了从理论上 对液压 PCM伺服控制系统进行定性分析和定量分析， 输 出 首先必须建立系统的数学模型。对系统分析研究的准 a1 确性主要取决于数学模型的准确性 ，即与实际系统 的 图 1 PCM 工作原理 图 近似程度 。本文拟对液压 PCM位置伺服控制系统数 学模型的建立进行研究。 收稿 13期 ：2001．12．26 2 液压 PCM伺服控制原理 作者简介 ：石延平 (1958一)，男，陕西省延安市人，副教授，博 PCM控制方式是把控制信号 以二进制的形式输 士研究生，主要从事液压技术主面的科研和教学工作。 出，控制一组开关阀，如图 1所示 。 6 结论 [3] 熊光楞，沈被娜，宋安澜．控制系统仿真与模型处理[M]． 本文在水压调速阀的设计过程 中应用 matlab对 阀 北京：科学出版社 ．1993． 的压力流量特性和动态响应进行 了仿线] 薛定宇 ．控制系统计算机辅助设计——M枷 AB语言及应 用[M]．北京：清华大学出版社，1996． 上 ，对阀的参数进行了调整。实践证 明，结合 matlab仿 [5] 宋鸿尧，丁忠尧 ．液压阀的设计与计算[M]．北京：机械工 真工具开发新型液压元件系统 的设计方法是高效、切 业 出版社 ，l982． 实可行的，科学的，也是值得推广的。今后将在仿线j SatoruHayashi．StaticanddynamiccharacteristiC8ofapressure 析和样机试验 的基础上 ，对所设计 的调速 阀的动静态 — compermatedflowcontrol[Cj．ProceedingsoftheFifthInter． 特性作进一步的改善和提高。 nationalConferenceOn nuid PowerTransmission and Co ntrol (ICFP’2001)．Han h叫，2001． 参考文献： 【7j ErikTrostmann．WaterHydraulicsControlTechnology[M]．Lyng· [1] 何存兴，等．液压元件[M]．北京：机械工业出版社，1981． by：MarcelDekkerInc，1996． [2] 盛敬超．液压流体)3-~EM]．北京 ：机械工业出版社，1980

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