基于功率键合图和Matlab/Simulink的液压激振系统的建模及仿真

　　1　引　言

　　液压振动系统是1个典型的机电液一体化系统,更是1种高动态特性系统,内部的非线性量、瞬态量比常规液压传动系统更为复杂。分析液压振动系统的动态特性,可对实际振动工况液压激振技术的应用和参数选择提供理论依据。因此液压振动系统的建模和仿真一直是液压行业不断研究的重点之一,因为它是研究液压振动系统动态特性常用的方法。最常用的建模和仿真方法是建立表示液压振动系统动态特性的微分方程组,然后用户自行编程来求解微分方程组,以实现仿真。但这种方法所建立的系统仿真模型不直观,物理意义不强,需要花费大量时间来编程实现数据的输入、输出和仿真结果的显示及处理等;而且常常忽略液压系统中的非线性因素,影响了仿真的准确性。本文采用功率键合图以状态方程作为数学模型形式,能够方便、直观地考虑系统中的非线性环节,有条不紊地进行程式化建模;建模中所选择的状态变量为所研究系统中有实际意义的且需要的物理量,与现代控制理论中的状态方程建模相比更有优势;同时不需要采用微分方程的转换和降节处理。作为1种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,Matlab/Simulink为用户提供了用方框图进行建模、仿真和分析的图形接口,具有直观、方便和灵活的特点[1, 2]。二者的结合将使液压振动系统的仿真更快捷、更准确。

　　2　激波器控缸液压振动系统的工作原理

　　液压振动系统由液压激振系统和振动机体的弹簧阻尼系统组成。液压激振系统由油源、激波器和激振油缸组成,激振油缸作为激振系统的执行元件和振动机体刚性连接。其特点是激振油缸活塞杆的位移、速度、加速度均与振动机体的位移、速度、加速度相等。其激振系统和激波器如图1所示。其中激波器的作用是控制激振油缸无杆腔的液流方向交替变化,从而使得激振油缸的活塞杆产生1个上下交替变化的激振力,以驱动振动机体的振动;激波器由变频电机带动。

　　图1(a)中,I为激振油缸所驱动的惯性质量;C,R分别为振动系统的弹簧柔度和机械阻尼;p,Q为系统压力和流量;c1,c2分别为激振油缸两腔的液容;Q1,Q2,Qs为系统进入上下腔的流量和回油流量;p1,ps分别为激振油缸下腔压力和系统回油压力。图1(b)中,p—A(1通道)为激波器进油通道,A—T(2通道)为激波器回油通道。

　　3　系统的功率键合图与数学模型

　　3.1　功率键合图

　　首先考虑影响系统动态特性的因素,根据系统进行功率分配和键合图原则画出键图;同时,振动系统的功率流与其他液压传动系统的功率流不同,键间功率传递存在着交替变化。因此,在振动系统的键合图中必须加上控制元部分。键图如图2。其中,F1,F2为油缸上下腔液体对活塞的作用力;F3,F4,F5为整个振动系统工作时需克服的弹簧力、阻尼力及惯性力;v为油缸活塞的速度。