基于MATLABSIMULINK非对称阀控非对称液压缸控制系统的仿真分析

　　阀控非对称液压缸机构是常见的液压伺服系统。一般采用对称四通阀控制非对称液压缸。研究发现,对称阀控非对称液压缸机构在运动换向时有压力跃变现象^[1]产生,并导致振动和噪声,而且液压缸两油腔易出现气蚀和压力超过供油压力的情况。这些严重危害了液压系统的正常运行,降低了系统的承载能力。

　　而采用非对称伺服阀可很好地解决此问题^[2-3]。负载压力p_L和负载流量Q_L是液压伺服系统动态特性研究和优化设计的基础,是进行功率匹配设计的关键参数。目前对于非对称液压缸机构,负载压力和负载流量有多种定义^[4-7]方式,争论不一。但是有一点是肯定的,即针对于对称液压缸机构所定义的p_L和Q_L已不适用于非对称液压缸机构^[8]。本文采用文献^[9]中定义的负载压力p_L=p₁-np₂和负载流量Q_L=Q₁,这是因为其具有明确的物理意义和一般性,其中n=A₂/A₁,这里p₁、p₂、Q₁、A₁、A₂具有通常的含义。

　　非对称伺服阀控非对称液压缸系统是一个新型机构,迄今为止缺乏系统的研究和分析。针对零开口非对称伺服阀控非对称液压缸系统,在求得的系统基本动态方程的基础上,建立了系统的非线性数学模型和线性化数学模型,并利用MATLAB软件中的SIMULINK对两模型进行动态仿真研究。仿真结果与结论对于该类系统的设计与研究有重要的指导意义。

　　1 基本动态方程

　　以零开口非对称四通阀控非对称液压缸为例,见图1。设阀口1、2的面积梯度为w₁,阀口3、4的面积梯度为w₂。对于非对称阀, w₁≠w₂。p₁、A₁是无杆活塞腔的压力和有效面积, p₂、A₂是有杆活塞腔的压力和有效面积。文献^[2-3]已说明当w₂/w₁=A₂/A₁=n时,可消除非对称液压缸机构的压力跃变现象。因此以下论述均是基于w₂/w₁=A₂/A₁=n的前提下。为了简化分析,假定: (1)供油压力p_s恒定,回油压力p_r为0; (2)非对称阀口为矩形阀口,阀口处流动为紊流; (3)油液温度及密度均为常数; (4)不考虑管道的动态损失; (5)忽略库仑摩擦力。

　　1.1 非对称伺服阀的流量方程

　　(1)当阀芯位移x_v≥0时,液压缸活塞向右运动。进油口、回油口的流量方程分别为

　　式中:C_d为流量系数;Q为油液密度。

　　(2)当阀芯位移x_v<0时,液压缸活塞向左运动。进油口、回油口的流量方程分别为