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高空作业车电液比例调平系统仿真研究的开题报告
1. 研究背景和意义
高空作业车广泛应用于现代建筑、桥梁、电力等工程领域，可以完成一些人工难以完成的高空作业任务。
而高空作业需要严格控制车辆的平稳性和安全性，否则会对
操作人员和周围环境构成安全隐患。
因此，高空作业车电液比例调平系统的研究和开
发具有重要意义。
本研究拟对高空作业车电液比例调平系统进行仿真研究，探究其实现原理和优化方案，为高空作业车的进一步优化提供理论依据和技术支持。
2. 研究内容和方法
本研究主要采用以下方法：
（1）对高空作业车电液比例调平系统进行系统分析和建模，确定关键参数和工
作原理。
（2）采用ANSYS Workbench等软件对高空作业车电液比例调平系统进行三维
建模和有限元仿真，模拟系统在不同工况下的运动状态，探究系统的平稳性和安全性。
（3）通过MATLAB和Simulink等软件对高空作业车电液比例调平系统进行动态仿真，模拟系统在开发过程中的动态响应和变化过程，为优化方案提供理论支持。
3. 预期成果和意义
本研究的预期成果包括：
（1）高空作业车电液比例调平系统的系统模型和仿真模型，确定关键参数和工
作原理。
（2）分析系统的平稳性和安全性，探究系统的优化方案。
（3）为高空作业车的进一步改进和提升提供理论依据和技术支持。
本研究的意义在于提高高空作业车的安全性和稳定性，帮助企业更好地完成高空作业任务，为现代建筑、桥梁、电力等工程领域的发展贡献力量。
基于MATLAB/Simulink的某电液比例调速阀控同步系统仿真C液压缸总泄漏系数tpP液压缸负载压力L体积弹性模量eA液压缸有杆腔作用面积pq液压缸有杆腔和无杆腔作用面积之比B黏性阻尼系数PU为比例电磁铁初始电压,K为传感器及放大电路增益,fk为节流阀弹簧刚度,sK为比例电磁铁增益,ax为液压缸1输出位移。
1 概述同步系统是液压系统中实现多个执行元件的位移、力或速度相等的回路, 主要类型有机械同步回路、流量控制同步回路和容积控制同步回路等。
图1 系统原理图系统采用的同步回路如图1所示, 液压缸1、2的结构和参数完全相同, 缸1为主动缸, 用普通调速阀控制; 缸2为从动缸, 用电液比例调速阀控制。
位移传感器1和2分别对应地测量缸1和2的位移, 用两传感器测得的差值作为电液比例调速阀的控制信号, 控制液压缸2跟随液压缸1动作, 从而实现两缸同步动作。
液压缸1和2为非对称双作用液压缸。
液压缸伸出时, 供油压力即为系统压力, 回油经过调速阀, 液压缸两腔油压均较大。
液压缸缩回时, 回油压力可忽略, 数学模型较伸出时简单, 可参照出油数学模型构建其模型。
作者仅以液压缸伸出为例建立数学模型。
2 功率键合图本文章以液压缸1的输出作为整个系统的输入，即液压缸1输出唯一为已知，针对液压缸2伸出过程建立功率键合图如下：图2 液压缸2键合图1 ）共势结，根据能量流的关系及容性元件C 的特性得下述关系：123L Q Q Q Q =-- （1）其中1.4e L eV V Q P C β∙==211112P q Q A v A v +==311Ltp L Q P C P R ==02(1)e s p V V q P A =+-⋅代入（1）式得：11 (42)e L tp L L P eV q Q C P P A v β∙+=++（2）对上式进行拉氏变换得：.(1).().().().()42e L tp L L P eV s q sQ s C P s P s A Y s β+=++（3）2） 共流结点根据惯性元件I 和转换器TF 的特征关系，得到下列关系式：21345F F F F F =--- （4）其中：2F m a = ； 110F P A =⋅ ；3F F = ；4P F B v =⋅ ；52p F P A =⋅；取(1)e s p F F q P A =--⋅以及12L P P P =- 1s P P = 代入上式得：P L p e m y B y P A F ∙∙∙+⋅=⋅- （5）对上式进行拉氏变换得：2()()()P p L e m s Y s B s Y s A P s F ⋅⋅+⋅⋅=⋅- （6）3 ）系统流量方程L dt v Q C x =⋅ （7）阀芯位移方程：0[()]f v a sU K y x x K k --=⋅ （8）对以上两式进行拉式变化得：()()L dt v Q s C X s =⋅ （9）0()()()f af aav sssK K K K U K X s X s Y s k k k ⋅⋅⋅=+⋅-⋅ （10）4） 建立数学模型 联立（3）、（6）、（9）式，可得阀控缸的数学模型：假设液压缸为无阻尼缸, 忽略油液黏性阻尼, 则上式变换为：式中，为液压系统固有频率；为系统阻尼系数。
万方数据第ｌｌ期胡学军等：基于ＭＡＴＬＡＢ的电液比例阀测试系统的研究·４３·数字显示露ｒ｝—叫数垂蠢萤一橐甄蔓刮秦甄事豆飘订—呻一统工业计算机图Ｉ数据采集系统框图该试验台的控制系统采用了计算机集中控制方式，用户只需操作计算机即可完成电液比例阀的检验。
液压系统经电气控制系统受计算机程序控制，传感器信号经数据采集系统反馈给计算机，由计算机进行分析处理。
由于在液压系统的测试中，主要检测系统的压力和流量，因此使用的传感器主要是压力传感器和流量传感器。
在数据的实时采集过程中，要使用多个传感器，以实现对不同部位的同时检测。
当系统对多路信号进行采集时，由于液压系统不必要求高速采样，一般采用Ａ／Ｄ转换对各路模拟量进行分时采集。
此外，该系统还有一个比较大的优点，当通过计算机给定的电压值过大时，ＭＡＴＬＡＢ所编写的程序会自动报警并将这个电压值降低为采集卡所能接受的最大值。
１．３液压测试系统的软件设计实时控制系统主要由ＰＣＩ．１７１０、ＰＣＩ一１７２０两块多功能数据采集卡和Ａｄｖａｎｔｅｃｈ公司的工控机组成，通过工控机和采集卡就可以实现信号的采集和输出。
数据采集卡将比例调速阀和比例压力阀的流量和压力信号转换为电压信号传送给工控机，而在工控机中由ＭＡＴＬＡＢ编写的数据控制程序是采集、分析和输出的核心，它可以读取采集的数据并进行各种分析后保存在ＰＣＩ多功能数据采集卡的内存中，当用户需要查看数据时可以随意调出，以此用户可以实时监视和控制被测比例阀的静、动态特性曲线。
ＭＡＴＬＡＢ提供了两种编制界面程序的方法：（１）直接利用ＭＡＴＬＡＢ语言手工编写，这过程颇为繁琐，使用ＭＡＴＬＡＢ语言来编写界面不仅要记住各个对象的生成命令，还要熟悉大量的对象属性；（２）与ＶＢ和ＶＣ等软件一样，ＭＡＴＬＡＢ提供界面辅助设计工具ＧＵＩ，它使用户可以方便地用鼠标直接拖动所需要的控件并像图表一样设置其属性。
ＧＵＩ给每个控件提供了一个回调函数ＣａＵｂａｃｋ，这个函数方便程序设计人员添加各种命令程序，并且与其他Ｃａｌｌｂａｃｋ回调函数互不影响。
文章编号：1002-0640（2016）07-0188-05Vol.41，No.7Jul ，2016火力与指挥控制Fire Control &Command Control 第41卷第7期2016年7月收稿日期：2015-06-03修回日期：2015-07-10作者简介：陆继山（1988-）男，云南宣威人，硕士研究生。
研究方向：火炮、弹药及自动武器。
摘要：利用AMESim 软件、RecurDyn 软件和Simulink 软件分别建立自动供输弹系统的液压子系统、机械子系统和控制子系统仿真模型，利用多软件接口技术将3种软件耦合建立机电液一体化联合仿真平台，同时也得出自动供输弹系统机电液一体化仿真模型，通过相关参数设置对模型进行仿真分析，并通过实验测试验证了一体化仿真模型具有较高的精度。
关键词：自动供输弹系统，联合仿真，AMESim ，RecurDyn ，Simulink 中图分类号：TP391.9；TJ410文献标识码：A基于AMESim/RecurDyn/Simulink 的自动供输弹系统机电液一体化联合仿真陆继山1，冯广斌2，孙华刚2，张云峰1（1.军械工程学院，石家庄050003；2.军械技术研究所，石家庄050003）Co-simulating of Mechanical and Electro-hydraulic System forVirtual Auto-feeding Mechanism Prototyping TechnologyBased on AMESim/RecurDyn/SimulinkLU Ji-shan 1，FENG Guang-bin 2，SUN Hua-gang 2，ZHANG Yun-feng 1（1.School of Ordnance Engineering ，Shijiazhuang 050003，China ；2.Ordnance Technical Institution ，Shijiazhuang 050003，China ）Abstract ：The different systems of auto -feeding mechanism are built by the software AMESim ，RecurDyn and Simulink.The Co -simulating virtual environment is built within RecurDyn ，AMESim and Simulink.The interface method between the three types of software is studied and with the integration of the mechanical ，hydraulic and control systems ，the co-simulation with this technology is studied in the end.Key words ：auto-feeding mechanism ，Co-simulating ，AMESim ，recurDyn ，Simulink 0引言由于自动供输弹系统在战场上发挥着越来越重要的作用，因此，自装备之日起就成为世界各国相关领域专家研究的重点，到目前为止，国内外对自动供输弹系统的研究成果主要集中在对系统内各子系统的研究方面，完整的研究供输弹机械子系统的成果比较少，而在自动供输弹系统机电液一体化仿真研究方面几乎还是一片空白［1-4］。
基于SIMULINK 的摩擦焊机电液比例施力系统仿真刘幻，朱海，郭艳玲，常同立（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040）摘要：对40t 摩擦焊机电液比例施力系统进行了数学分析，根据系统的控制原理建立了电液比例施力控制系统数学模型，同时利用SIM ULINK 对系统进行了仿真分析。
仿真结果表明，该系统采用电液比例控制可以获得较好的控制效果。
关键词：摩擦焊；电液比例控制；仿真分析中图分类号：TP391.9文献标识码：Ａ文章编号：1001-4462（2009）04-0045-02SIMULINK-based Simulation of the Electro-hydraulic ProportionalForce Control System of a Friction Welding MachineLIU Huan,ZHU Hai,GUO Yan-ling,CHANG Tong-li（College of Electromechanical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：M athematical analysis of the electro-hydraulic proportional force control system of a 40t friction welding machine is made,and a mathematical model of the electro-hydraulic proportional force control system is established in accordance with the control principle of the system.M eanwhile,the simulation analysis of the system is made,using SIM ULINK.The simulation results shows that better control effect can be obtained by adopting the electro-hydraulic proportional control system.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：friction welding ；electro-hydraulic proportional control ；simulation analysis目前国内摩擦焊机加压系统普遍采用开关阀控制，虽然成本低，维修方便，但所需的控制阀数量多，故障率高，压力波动大，不能满足高精度、高质量摩擦焊产品的要求。
国外摩擦焊机加压系统普遍应用电液伺服技术来实现压力闭环控制，尽管其动态响应速度快，可控性好，但对流体介质清洁度要求苛刻，维修费用高昂。
电液比例阀在滞环、重复精度等主要稳态上与伺服阀相当，对流体介质过滤要求、阀内压力损失和价格方面又接近开关阀。
因此，电液比例阀在机械设备中得到了越来越多的应用。
本文选择40t 摩擦焊机的压力控制为研究对象，采用电液比例阀实现摩擦焊机摩擦压力和顶锻压力的闭环控制，建立了摩擦焊机电液比例施力系统及其数学模型，并利用SIMULINK 对焊机电液比例施力系统进行了仿真分析。
1摩擦焊机电液比例施力系统数学模型的建立40t 摩擦焊机电液比例施力系统如图1所示，焊机采用4WRZ10电液比例方向阀控制滑台运动方向和速度，DBE10-5X 电液比例溢流阀控制轴向压力。
系统中控制轴向压力的为电液比例溢流阀，比例溢流阀二阶振荡环节的数学比例模型见式（1）。
收稿日期：２００9－０1－13第37卷第４期林业机械与木工设备Vo137No.42009年４月FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENTApr.2009V 1P 2Q P 1压力传感器A/D比例放大器A/D接口工控机图1摩擦焊机电液比例施力系统QG 0（s）=11棕２0s 2+2孜0棕0s +1（１）从该溢流阀相关资料的伯德图中可估算出溢流阀的固有频率棕0和系统阻尼比孜0。
对摩擦焊机液压比例施力系统压力响应进行仿真时，为使电液比例换向阀阀芯保持固定位置，应先给定比例方向阀一个恒定信号。
比例溢流阀的压力方程如下：Ｐ１＝u Ｋu f （h ）（２）式中：Ｐ１为比例溢流阀阀前压力；u 为系统输入电压；Ｋu 为比例溢流阀压力增益；f （h ）为随输入频率变化的函数。
将式（2）经拉普拉斯变换后得到Ｋu f （s ）=G 0（s ）在液压回路中，电液比例换向阀对液压油有液阻作用。
为简化计算过程，将管路压降忽略不计，比例换向阀两侧压降与流量之间的关系可用式（3）表示：P 1-P 2=RQ（３）式中：Ｐ２为活塞左侧压力，即负载的压降；R 为液阻；Q 为通过比例换向阀的流量。
式（4）为液压油通过油缸的流量方程。
Ｑ＝Ａ１d x d t +c x P 2+V 14茁d P 2d t（４）式中：Ａ１为活塞面积；x 为活塞位移；c x 为液压缸泄漏系数；V 1为油腔体积；茁为有效液体体积弹性系数；t 为时间。
仿真时，使活塞杆前段顶紧主轴，活塞位置保持不变，因此活塞位移为x ≈0，所以式（4）可简化为式（5）：Ｑ＝c x P 2+V 24茁d P 2d t（5）为简化仿真过程，对比例施力系统进行仿真分析时，只考虑电液比例换向阀的液阻作用。
将式（2）、（3）、（5）经拉普拉斯变换并整理，可得到简化的电液比例换向阀液阻传递函数式（6）：G 3（s）＝1（ＲＶ１/4茁）s+1+Rc x（6）摩擦焊机电液比例施力控制系统简化后的系统框图及传递函数框图如图2、图3所示。
因此可以得到系统的开环传递函数为：G k （s ）＝G 1（s ）G 2（s ）G 3（s）=K u K f G 0（s ）（ＲＶ１/4茁）s+1+Rc x（7）式中：G 1（s ）为比例放大环节，即K u 比例溢流阀压力增益；G 2（s ）为比例溢流阀的传递函数，即G 0（s ）；G 3（s ）为比例换向阀的液阻传递函数。
则摩擦焊机电液比例施力控制系统的闭环传递函数为：G （s ）＝G 1（s ）G 2（s ）G 3（s ）1+G 1（s ）G 2（s ）H （s ）=K u K f G 0（s ）（ＲＶ１s+1+Rc x ）（１＋K u K f G 0（s））（8）式中：Ｈ（s ）为压力传感器的传递函数，H （s ）=K f 。
2摩擦焊机电液比例施力系统仿真分析图4是根据系统数学模型建立的Simulink 仿真模型，电液比例伺服系统输入信号由工控机提供，Sine Wave 模块用于提供正弦电压信号，仿真模型采用Coulomb &Viscous Friction 模块来表示转换板输入输出特性。
Gain 模块表示由转换后电压值变换的电压百分比，采用Transport Delay 模块来表示系统滞后环节。
Transfer Fcn 模块用于模拟比例溢流阀的动态特性,Gain1模块表示比例溢流阀电压压力转换系数，Transfer Fcn1模块表示传递函数Ｇ３（s ），Gain2模块将压力变换为MPa 单位制，Gain3模块表示压力传感器增益，系统输出由示波器Scope 模块来显示。
仿真相关参数如下：c x =8.5×10-11m 3/Pa ·s ；R =6×109Pa ·s/m 3；K f =1.25×10-7V/Pa ；茁=7×108Pa ；Ku =3.6×106Pa/V ；V 1=0.002625m 3；孜0=0.8；棕0=40rad/s 。
代入相关数据并进行摩擦焊机电液比例施力系统的闭环控制仿真，系统的动态分析包括系统的稳定性分析和系统的响应特性分析等。
稳定性是控制系统正常工作的必要条件，是系统最重要的特性。
在已知主要参数的条件下，即可作出摩擦焊机电液比例施力控制系统伯德图，如图5所示。
由图5可以看出系统的幅值裕量Ｋg =-1.03dB （棕＝0.0337rad/s ）；相位裕量为酌＝-88.3°（棕＝119rad/s ），即系统是稳定的。
时域分析主要反映反馈控制系统对典型外作用的给定值+-放大器实际值压力传感器比例溢流阀P 1比例换向阀P 2液压缸图2摩擦焊机电液比例施力控制系统框图+R （S ）-E （S ）B （S ）H （S ）G 1（S ）G 2（S ）G 3（S）P 1P 2图3摩擦焊机电液比例施力控制系统传递函数框图ln1Step Coulomb &Visoous Friotion GainTransport DelayTransfer Fcn Gain1Transfer Fcn1Gain2Gain3Out11Scope K1K2K31den （s ）1den（s ）图4摩擦焊机电液比例施力控制系统仿真模型（下转第48页）（上接第46页）响应时间特性。
通常采用单位阶跃信号作为典型外作用信号来定义系统过渡过程的品质指标。
根据系统的传递函数，用MATLAB 软件作出系统的阶跃时间响应曲线如图6所示。
由图6可估算得到施力系统的各时域指标为：超调量δ=19%、上升时间t r =16s 、调节时间t s =3.5s ，满足生产使用的要求。
3小结根据仿真分析，40t 摩擦焊机采用电液比例阀来实现摩擦压力和顶锻压力的闭环控制，可以获得较好的控制效果，实现了压力的精确控制，能够满足摩擦焊机日常生产的要求。
利用SIMULINK 包对液压系统进行仿真，可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供依据，达到省时又省力的效果。
参考文献：［1］朱海.基于电液比例技术的摩擦焊机液压系统设计［J ］.林业机械与木工设备，2007，（7）.［2］张立平.液压控制系统及设计［M ］.北京：化学工业出版社，2006.［3］王正林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simulink 与控制系统仿真［M ］.北京：电子工业出版社，2005.［4］许益民.电液比例控制系统分析与设计［M ］.北京：机械工业出版社，2005.［5］吴振顺.液压系统仿真与CAD ［M ］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.0-10-20-30-400-45-90P h a s e （d e g ）M a g n i t u d e （d B ）10-11001011010图5控制系统开环伯德图1.41.21.00.80.60.40.2001234567图6系统单位阶跃响应曲线四个面的尺寸要与刀架方孔的尺寸相配合，间隙越小越好；刀杆的两头分别加工成与刀杆轴线垂直且相交的两个方孔（有利于对刀和找正），工作时只使用一个方孔，另一个备用。
