基于Simulink的车辆行驶液压系统仿真.pdf-资料库

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 Simulink 的车辆行驶液压系统仿真范帅，屈孝和，张接信** （长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安 710064） 5 摘要：本文建立了变量泵控马达系统的数学模型。按照控制信号的传递顺序，把系统分解为比例方向控制阀环节、阀控液压缸环节、变量泵活塞—斜盘倾角环节、变量泵控马达环节，并分别建立了数学模型。然后综合了各环节，简化并建立了系统的传递函数框图。之后，根据作业需要，确定各环节参数，应用 Simulink 软件建立系统的仿真框图。设定不同的放大器增益值，运行系统得到其时间响应，使得其稳定性和快速性满足要求。关键词：液压行走系统;传递函数 ; Simulink;仿真中图分类号：TH137.9 10 Vehicle hydraulic system based simulink simulation 15 20 25 30 35 40 Fan Shuai, Qu Xiaohe, Zhang Jiexin (Key Laboratory of Technology and Equipment Road Construction,Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064) Abstract: This thesis established a mathematical model of variable pump controlling motor system. According to of the order control signal, the system is decomposed into the link of directional control valve, the link of hydraulic cylinder, the link of variable pump piston—swash plate Angle, the link of pump controlling motor, and established the mathematical model, respectively. Then synthesizing each link, this thesis simplified and established the transfer function block diagram of the system. Later, according to the requirements of the job, confirming each link parameters, using Simulink software to establish the simulation block diagram of the system. Setting different gain value of amplifier, Let us get the time response. Let its stability and rapidity meet the requirements. Key words: walking hydraulic system;tranfer Function;Simulink;simulation 0 引言近年来，由于优越的性能，全液压行驶系统驱动的工程车辆越来越多。工程车辆液压传动装置具有良好的无极调速性能和灵活布局的特点。尤其是与控制技术、传感器技术、电子技术的结合，使工程车辆了实现智能化、节能化。车辆液压行驶系统中多采用闭式液压传动，这种方式可以使转矩双向对称传递，这一性能使闭式液压传动无需变速装置即可实现前进、倒退操作，同时具有反拖制动能力。工程作业机械多应用于载荷变化剧烈，前进、倒退、转弯、制动频繁的场合，马达轮边独立驱动方式能较好的满足其要求。对于变量泵驱动定量马达系统，通过控制轮边马达速度的大小和方向，可方便的满足车辆前进、倒退、原地转弯的要求。所以车辆行驶系统的各种功能主要是通过对马达速度的控制来实现的[1-2]。要实现速度的控制，便要建立系统的数学模型，然后通过仿真，得出系统的动态响应，判断系统是否满足要求。 1. 行驶系统的数学模型 1.1 系统各环节数学模型作者简介：范帅（1989-），男，机械制造及其自动化专业硕士研究生，主要方向：车辆行走及液压系统方向通信联系人：张接信（1959-），男，籍贯陕西礼泉，教授，现任机械制造及其自动化专业系主任，中共党员。毕业于原西安公路学院机械制造及其自动化专业，硕士研究生导师，中国汽车工程学会会员。主要研究领域和方向：机械 CAD/CAE/CAM 技术；现代生产物流与控制；制造过程监测与控制技术. E-mail: cazjx@aliyun.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 变量泵的变量调节机构包括比例方向控制阀、阀控对称双作用液压缸和变量泵的变量调节装置[3]。 1.1.1 比例方向控制阀模型 45 比例方向阀包括电—机械转化元件、阀芯和阀体等。电—机械转化元件是一种把输入电信号转化成为机械量（如力、位移）的装置。电—机械转化元件与阀芯连接在一起，其接收的是电信号，通过比例电磁铁产生的电磁力与控制阀组件的惯性力、阻尼、弹簧的弹性力相互平衡。阀芯位移的大小与输入电信号成一定的比例，而阀芯的位移与比例方向阀的输出流量或者压力成比例。这样，比例方向阀通过输入电信号控制其输出的液压流量或者压力的大小。比例方向阀数学模型为： 50 sx )( V  ( Smm )  V T SIK )( t SB )  V 2  ( B T  ( K y  K fV  K V ) 整理上公式得： sx )( V sI )(  K bV 2  bV  bV 2 S 2  bV  S  1 公式中， )(sI 为电磁线圈的电流；固有频率，单位为 rad/s； bV 为液压阻尼； bVK 为阀的增益系数，单位 m/A;其中 )(sxV 为比例方向控制阀阀芯位移； bV 为比例阀的液压 55  bV K y K   fV mm  V T K V  bV 1 2 ( ( B  T Kmm )( T  V y B V  ) 2 K  K V ) fV t K K K bV  K K V y fV   tK —比例电磁铁的电流力增益，N/A； yK —比例电磁铁的位移力增益和调零弹簧的刚度之和，N/m； fVK —作用于主阀芯上的稳态液动力刚度系数，N/m； VK —主阀芯对中弹簧刚度，N/m； Tm —衔铁组件质量，kg； Vm —主阀芯质量，kg； TB —阻尼系数, mSN VB —主阀芯的粘性阻尼系数， 1.1.2 阀控液压缸数学模型 / ； / ； mSN 60 65 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在泵排量调节系统中，由对称四通阀输出的流量（压力）控制对称双作用液压缸活塞的位移。比例方向阀输入液体的流量（压力）给液压缸，使活塞产生液压力与活塞的动载荷和静载荷相平衡，从而输出一定的活塞位移[4]。 70 阀控缸的数学模型： sy )(  K q A ( sx )(  V ss ( 2  p 2 K cx A 2   V t K 4  e 2  p s   p cx )1 ) sF )( c 式中， K cx  K c  C tc ; p 为液压固有频率，单位 rad/s； p 为液压阻尼比; 液压缸位移，m； A 为控制油缸有效作用面积， 2m ； qK 为流量放大系数，量压力系数，总容积， 3m ； e 油液有效体积弹性模量，及负载的总质量，kg。其中：； tcC —控制油缸总泄漏系数， SNm / mN /5 为 sm /2 ； cK 流； tV 控制油缸两腔的 )(sFc 液压缸负载外力，N； cm 活塞 sm /)/ pa )(sy 2 ； 3 (  75   p A2 4 e mV c t  p  K cx A m  e c V t   e A 4 V t m  e c 液压缸活塞位移对阀芯位移的传递函数： 80 sy )( sx )( V  K q A 2  p  p 2 ss ( 2  p  s  )1 1.1.3 变量泵活塞—斜盘倾角环节在泵的排量调节系统中，液压缸的活塞的位移来调节变量泵的斜盘倾角。其数学关系为： 85 tan   )(  s LY / sy )( L   式中: )(s 为变量泵斜盘倾角，rad; L 为摆动斜盘的有效半径，m. 1.1.4 变量泵控马达环节的数学模型 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 90 泵控马达系统中，假设泵的的转速恒定，泵输出的液体流量主要取决于泵的排量。上面分析的液压缸是对称结构的，可以保证泵的排量既有大小，又有方向性，可以控制马达的转速的大小和方向。考虑到泵的排量为零时，不能输出流量，所以排量调节机构使用独立的补油系统。根据泵排量方程、泵与马达流量的连续性方程和马达与负载力矩的平衡方程等，可建立 95 泵控马达的数学模型：  m s )(  K s )(  p p D m  ss ( 2  h 2 C t D 2 m  V 0 C  t e s )1  1(  2  h  h sTs ) )( L mD 式中， h 为液压固有频率，单位 rad/s； h 为液压阻尼比; m 为马达输出轴转角 rad; 为马达的弧度排量， 2m /rad； pK 为泵的排量梯度， 3m /rad 2 ； p 为泵的转速，rad/s； 3m /s)Pa； 0V 为管道总容积，包括 CC t tp 泵、马达等非工作容积， 3m ； LT 为作用于马达轴上的外负载扭矩，N/m； J 为液压马达和负载的总转动惯量，kg/ 为液压泵和液压马达总泄漏系数之和，( C tm   2m ； mB 为粘性阻尼系数,单位 N m/(rad/s)。其中： 100  h  C t D 2 m J  e V 0  B m D 2 m V 0 J  e   h Dme 2 JV 0 液压马达的转角对泵的斜盘倾角的传递函数： 105 s )(  m s )(   K  p p D m 2  h  h  2 ss ( 2  h s  )1 1.1.5 马达转速反馈与比例放大器环节为了更准确的控制马达的转速，使用速度传感器检测马达的速度信号将其转化成电压信号，也称反馈信号，反馈信号与目标信号比较得到控制信号，这个控制信号也是电压信号。 110 其传递函数为： K f sU )( s )( f   m - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn   （s）为马达转速，单位 rad/s； fK 为速度传式中， m 感器反馈增益系数，单位 V/rad/s。比例放大器把电压信号成比例的转化成电流信号，来驱动电磁阀工作。 )(sU f 为电压反馈信号，单位为 V; 115 其传递函数为： K  sI )( sE )( )(sI 为比例放大器的输出电流，单位 A； )(sE 为系统输入信号与反馈信号的偏差电压，式中, 单位为 V； K 为比例放大器的增益,单位 A/V。 1.2 变量泵控马达行驶系统传递函数模型 120 上面分析了变量泵控马达行驶系统各分系统的数学模型，将这些数学模型的传递函数方框图连接起来便组成了整个系统。该行驶系统输入的为电压信号，输出为马达的转速，通过闭环控制系统可以准确的控制行驶系统的速度。系统的动态响应方面，由于比例阀和液压缸的动态频率远高于泵控马达环节，所以比例阀和液压缸的动态影响可忽略不计。使得比例阀和液压缸的传递函数可以简化得： 125 K bV  sx )( V sI )( sy )( sx )( V  K q sA  这样系统的传递函数简化方框图为：图 1 系统传递函数简化方框图 130 Figure .1 Simplify the system transfer function block diagram 2. Simulink 仿真 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。环境提供了一些按功能分类的可视化的系统模块，用户只需要知道这些 135 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 模块的输入、输出及模块的功能，而不必考虑模块内部是如何实现的。通过模块的调用和连接可以构成所需要的所有系统模型。Simulink 具有适应面广、方便易用、贴近实际、效率高、灵活等优点，是面前应用最广泛的控制系统仿真软件之一。 140 在进行系统动态仿真之前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所需要的各种参数。本系统所选用的比例阀、变量泵、液压缸、马达各参数值根据元件资料和液压设计手册查得： yK =12216N/m fVK =13875N/m VK =15560N/m qK =0.1783 2m /s A=1.762X 310 2m L=0.1m pK =7.97X 510 3m / 2 rad p =230.4rad/s mD =3.18X 410 3m /rad CC tp t   C tm =4.56X 10 12 ( 3m /s)/Pa 0V =5.65x 410 3m e=7X10 8 N/ 2m J =480kg/ 2m mB =3.51N m/(rad/s) 145 计算各环节参数为： sxV )( sI )(  K bV  K y  t K K fV 1 L  m 10 1  =0.253m/A sy )( sx )( V  K q sA  = 2.101 s  57.74 C t D 2 m 1(  V 0 C  e t s ) =4.509X 510 (1+0.177s)  K V K  p p D m   h Dme 2 JV 0 =16.2rad/s  h  C t D 2 m J  e V 0  B m D 2 m V 0 J  e =1.75 fK =0.2V/rad/s 比例放大器的增益 K 是可变的，通过确定 K 使系统获得较好的稳定性和快速性。 150 Figure .2 Based on model of simulink system 图 2 基于 simulink 的系统模型系统的开环传递函数： - 6 -

中国科技论文在线 155 G K (s)=G(s) H(s)= 2 ss ( http://www.paper.edu.cn )44. 76.7  7.56 K 10 7   s 262  取 K 为 0.01 时, 给系统一个阶跃信号得到马达速度的时间响应图像 1。图 3 马达速度的时间响应图像 1 Figure .3 the times response of motor speed diagram1 160 可以看出系统的稳定性并不理想，最大超调量和调整时间都过大，动态特性较差。取 K 为 0.001 时，给系统一个阶跃信号得到马达速度的时间响应图像 2。图 4 马达速度的时间响应图像 2 Figure .4 the times response of motor speed diagram2 可以看出当 K 为 0.001 时，系统的动态响应较好，最大超调量和调整时间都远小于 K 为 0.01 时的值，具有较好的稳定性和快速性。到两秒时马达速度达到稳态值。从图中可以看到在 5 秒时，输出有极小的下降，后迅速恢复到原来的稳态，是由于系统在 5 秒时加了一个值为 5522 N m 的阶跃负载信号[5-6]。可以看出当 K 为 0.001 时，系统具有较好的速度刚度，较好的抗外界负载干扰能力。故取 K 为 0.001，此时系统有较好的稳态和动态性能，能满足系统设计需要。 - 7 - 165 170

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3 结论车辆液压行走系统是一个集机电液于一体的复杂系统，特别是在工程车辆方面，由于全液压行走系统具有较大的速度刚度，较好的可控制性，转向、调速方便，布置灵活等优点，使其得到了越来越广泛的应用。在设计系统时，需要确定系统的各参数，使其既有良好的动力性能，又有良好的稳定性和动态性能。系统中液压缸、阀、变量泵和马达是根据使用工况确定的。通过确定控制器的参数 K 就能调节系统性能，使系统性能达到设计的要求[7-9]。本文用了 simulink 软件包对系统进行计算机仿真，调节 K 值可以对比不同的仿真结果，达到优化的目的。simulink 软件包软件包的使用缩短了设计周期，降低了成本，这对于控制系统的设计具有普遍意义。 [参考文献] (References) [1] 安辉，徐宝富,王凤丽.车辆全液压行走系统的分析与研究[J].建筑机械，2005,12(5)：93-95. [2] 陈柏松,伍先俊,李兢.基于 Simscape 的 2 级双作用液压缸的建模仿真研究[J].机械制造,2009,12(04):48-50 [3] 成大先 .机械设计手册第五卷[M].北京:化学工业出版社，2008. [4] 李芳民.工程机械液压与液力传动[M].北京:人民交通出版社，2003. [5] 陈丰峰.装载机行驶液压传动特性研究[D].西安:西安科技大学.2005. [6] 张久林.装载相液压行走系统[J].建筑机械化,2007,28(3):24-25. [7] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社,1998. [8] 张毅,周绍磊,杨秀霞等.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社,2004. [9] 成红梅.液压系统中换向阀的选择与应用[J].机床与液压,2006,24(09):58-60. 175 180 185 190 - 8 -

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