液压系统动态

液压系统动态

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。